脈沖中子氧活化時間譜數值模擬現狀分析

董勇(武漢理工大學力學博士后流動站,湖北武漢 430063;中石化中原石油勘探局采油工程技術研究院博士后站,河南濮陽 457001;長江大學信息與數學學院,湖北荊州 434023)

吳傳生 (武漢理工大學力學博士后流動站,湖北武漢 430063)

呂清河,李宏魁 (中石化中原石油勘探局采油工程技術研究院博士后站,河南濮陽 457001)

郭海敏 (油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室(長江大學),湖北武漢 430100)

脈沖中子氧活化時間譜數值模擬現狀分析

董勇(武漢理工大學力學博士后流動站,湖北武漢 430063;中石化中原石油勘探局采油工程技術研究院博士后站,河南濮陽 457001;長江大學信息與數學學院,湖北荊州 434023)

吳傳生 (武漢理工大學力學博士后流動站,湖北武漢 430063)

呂清河,李宏魁 (中石化中原石油勘探局采油工程技術研究院博士后站,河南濮陽 457001)

郭海敏 (油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室(長江大學),湖北武漢 430100)

脈沖中子氧活化測井方法通過活化時間譜來監測含氧流體的流動,該方法適應性強,應用廣泛。首先,對活化時間譜數值模擬的現狀進行了概述:Mc Keon等給出了一種最早的宏觀數學模型,該模型沒有給出活化分布和探測器響應函數的具體表達式,而是基于MCNP軟件構建模擬模型,給出模型狀態下活化分布和探測器響應函數的模擬計算結果;姜亦忠等采用Mc Keon等給出活化時間譜模擬模型,對模型的積分計算過程引入蒙特卡洛方法實現,給出了活化時間譜的模擬結果,但也沒有談及活化分布和探測器響應函數的確定問題;梁慶寶基于微元思想,構建了活化時間譜的微元模擬模型。其次,基于MCNP程序構建了靜態情形下活化時間譜的模擬模型,給出了一個新的模擬結果。但該模型也僅模擬了靜止態CO2流體中的活化時間譜,仍然不能解決流動態下的CO2時間譜的模擬問題。就目前的數值模擬狀況來看,只有梁慶寶模型能夠模擬流動狀態下的CO2時間譜,據此模型,對比了源距、探測器尺寸、溫度、壓力各因素對時間譜的影響。最后,并對發展方向進行了闡述。

脈沖中子氧活化測井;活化時間譜;數值模擬

脈沖中子氧活化測井技術不受礦化度、孔隙度、流體粘度、放射性污染等因素的影響,可以過油管監測環套空間、套外竄槽空間,適于監測井下含氧流體的運動,在國內各大油田得到了廣泛應用,效果顯著。

現有的脈沖中子氧活化測井儀器是針對監測水流流動設計的,利用標準刻度井群針對水流對該儀器進行刻度,可以明確儀器響應特征,提高解釋精度。但目前建立的校準裝置僅能實現對水流的刻度,不能針對CO2流進行刻度[1]。以注入井為例,在全井段,水的物性參數(如密度等)基本不變,所以解釋模型中不涉及引起物性參數變化的因素。而CO2流體在全井段存在相態變化,物性參數變化較大。所以,針對水流時間譜建立的解釋模型,不適宜解釋CO2流動時間譜。目前還沒有見到針對CO2流動時間譜的解釋模型。

為了建立合適的CO2流動時間譜解釋模型,首先需要明確現有儀器對CO2流動的響應特征。為此,需要進一步強化對活化時間譜的數值模擬。下面,筆者對活化時間譜數值模擬的現狀進行了研究。

1 脈沖中子氧活化測井技術

脈沖中子氧活化測井技術是一種能譜示蹤測井技術。利用高能中子(14.1Me V)活化流體中的氧原子,記錄活化氧原子運移的同時發射出的伽馬射線強度,得到伽馬射線強度與時間的關系圖,即時間譜。

從原理分析,只要流體含有一定量的氧原子,就可以利用脈沖中子氧活化技術監測該流體的運移速度。CO2中也含有氧原子,所以可以用該技術監測CO2的流動。先導性試驗也驗證了這一點[2]。

2 活化時間譜的數值模擬現狀分析

按照模型構建出發點的不同,可以把活化時間譜數值模擬模型分為2類:宏觀模型和微觀模型。宏觀模型是指從宏觀角度出發,構建反應儀器響應規律的數學模型,進而得到時間譜。微觀模型是指從微觀出發,基于對單個中子的追蹤,利用蒙特卡洛方法得到活化時間譜。

1991年,Mc Keon等???Mc Keon D C,Scott H D,Olsen J R,et al.Improved Oxygen-Activation Method for Determining Water Flow Behind Casing.SPE Formation Evaluation,1991:334-342.?Mc Keon D C,Scott E D,Patton G L,et al.Interpretation of Oxygen-Activation Logs for Detecting Water Flow in Producing and Injection Wells.SPWLA,1991.給出了一種最早的宏觀數學模型:

圖1 10s活化期時間譜模擬圖

式中,C(t)是t時刻的伽馬射線計數率;λ是16N的時間衰變常數;S(t)是t時刻的中子源強度;t0是活化期的起始時刻;tα是活化時間;A是流動橫截面積; D(z)是相對中子源位置的活化分布函數;R(z)是相對于探測器平面的探測器響應函數;L是探測器源距;v是流動速度。

當對應的中子爆發時間為10s,即活化期10s,對應不同的水流流速,該模型的模擬結果如圖1所示。圖1表明,時間譜的譜峰位置能夠反映含氧流體的流速,流速越大,譜峰對應時刻越小。

但該模型沒有給出D(z)、R(z)的具體表達式,而是基于MCNP軟件構建模擬模型,給出模型狀態下D(z)、R(z)的模擬計算結果(見圖2),可以看出,不論是活化分布,還是探頭響應,都是隨著距離增加的同時,計數率呈指數衰減規律。

圖2 D(z)與R(z)模擬計算結果

對上述圖版進行指數擬合,可得如下擬合公式:

擬合優度都超過0.95,表明圖2中的遞減規律確實是指數遞減規律。事實上,因為對于時間譜的解釋而言,只關心時間譜峰的位置,譜幅度的大小(指計數率整體的偏大或偏小)對解釋結果沒有影響。因此,模擬計算時,D(z)、R(z)只要采用指數遞減規律,至于系數的大小,影響不大。

這種方法的不足之處在于僅針對靜止狀態進行的模擬,沒有考慮流體的流動。而且Mc Keon等指出當被活化水流段的中點運移過探測器時,計數率出現峰值,缺乏嚴格的推理證明。

姜亦忠[3]等采用Mc Keon等給出的活化時間譜模擬模型,對式(1)中的積分計算過程,引入蒙特卡洛方法實現,給出了活化時間譜的模擬結果,如圖3所示。

圖3的模擬時間譜也表明,譜峰位置可以反映水流速度的大小,且兩者之間有確定性的關系。但姜亦忠等也沒有談及D(z)、R(z)的確定問題。

梁慶寶[4]基于微元思想,構建了活化時間譜的微元模擬模型:

圖3 不同流速下活化時間譜模擬圖

式中,A為任意時刻等效點源的放射性強度;A0為初始時刻等效點源的放射性強度;λ為活化水的放射性衰減指數;μ為等效點源與探測器之間的介質(井內介質、儀器外殼等)對伽馬射線的等效吸收系數;L為近遠探測器之間的距離;v為井內介質流速;d為等效點源與探測器中心的垂直距離。

模擬時間譜如圖4所示。其中λ的值為0.097,可以從活化氧原子的半衰期推算。α的值參照λ的取值直接給出,因為α的大小只影響時間譜的幅度,不影響譜峰的位置。

圖4 某流速下活化時間譜模擬圖

3 基于MCNP程序的靜態情形下活化時間譜的模擬模型

因為常用的蒙特卡洛軟件MCNP不支持動態流體的模擬,所以,目前還沒有基于MCNP軟件進行活化時間譜數值模擬的相關文獻。基于MCNP的模擬研究多是針對模擬C/O比時間譜、屏蔽材料選取等[5-9],原因在于,在C/O比時間譜、屏蔽材料選取等的物理對象中,不存在運動的部分,MCNP的建模和計算過程能滿足實際情況的限制。

筆者在研究中基于MCNP程序,構建了靜態情形下活化時間譜的模擬模型,模擬模型如圖5所示。設置儀器壁和油管之間是CO2,油管和套管之間是空氣,流體流速為0,圖6給出了模擬結果及儀器在靜止流體中的實測時間譜圖。由圖6可以看出,中子爆發初期,計數率快速增加,爆發對應的2s時間段內,計數率高,小波動,相對平穩,中子爆發結束后,探測器計數率急劇衰減。實測譜和模擬譜具有較強一致性,表明了所建立的模型的正確性。但該模型也僅模擬了靜止態CO2流體中的活化時間譜,仍然不能解決流動態下的CO2時間譜的模擬問題。

圖5 MCNP模型

4 源距、探測器尺寸、溫度、壓力各因素對時間譜的影響

就目前的數值模擬狀況來看,只有梁慶寶的模型式(3)能夠模擬流動狀態下的CO2時間譜。筆者據此模型,對比了源距、探測器尺寸、溫度、壓力各因素對時間譜的影響(見圖7)。

從圖7中原始譜與參數變化后譜的對比可以看出,探測器尺寸增加,譜計數率提高,但峰位會模糊;源距增大,譜峰右移,計數率減小;溫度、壓力的變化將導致CO2密度變化,密度增大時的時間譜計數率增大,但峰位不變。

圖6 基于MCNP的靜態CO2模擬時間譜及實測時間譜

圖7 基于梁慶寶模型的不同參數下CO2流動時間譜模擬

5 模擬工作的突破口

1)修改MCNP源程序,在活化氧原子的隨機游動中添加流動項,以反應其隨時間按照流速向前運移的趨勢,實現對動態流體情形下時間譜的模擬。但如何構建所需的添加項需要進一步研究。

2)基于蒙特卡洛思想,借助Los Alamos國家實驗室發布的評價核數據庫[10],自行編制程序,實現對動態流體情形下活化時間譜的模擬。這需要研究評價核數據庫中數據的調用問題、流體流動項的構建問題等。

3)研究如何在微元模型中更精確地體現儀器參數的影響,如探測器晶體長度等,給出儀器參數的優化設計方案。

[1]張瑋,王鳳清,馬文衡,等.中子氧活化流量測試儀實流校準[J].石油鉆采,2012,34(4):104-106.

[2]徐海濤,吳畏.氧活化測井技術在二氧化碳吸氣剖面中的新應用[J].石油儀器,2011,25(5):42-45,48.

[3]姜亦忠,徐琳,王建民.脈沖中子氧活化測井時間譜的模擬計算[J].石油儀器,2011,25(6):5-6.

[4]梁慶寶.水平井油水兩相流條件下氧活化測井解釋校正[J].大慶石油地質與開發,2012,31(4):171-174.

[5]張鋒,首祥云,張絢華.碳氧比能譜測井中能譜及探測器響應的數值模擬[J].石油大學學報(自然科學版),2005,29(2):34-37.

[6]張鋒,孫建孟,孫燕.脈沖中子伽馬能譜測井中探測器響應的數值模擬研究[J].測井技術,2005,29(4):316-320.

[7]張鋒,張高龍.蒙特卡羅方法在中子活化在線分析系統設計中的應用[J].原子能科學技術,2006,40(4):480-485.

[8]張鋒,袁超,王新光.脈沖中子雙伽馬譜飽和度測井方法及數值模擬研究[J].地球物理學報,2010,53(10):2527-2533.

[9]張鋒,王新光.脈沖中子全能譜測井閃爍探測器響應特性的蒙特卡羅模擬[J].原子能科學技術,2009,43(1):90-96.

[10]張鋒.我國脈沖中子測井技術發展綜述[J].原子能科學技術,2009,43(增1):116-123.

[編輯] 洪云飛

P631.84

A

1673-1409(2014)32-0042-04

2014-07-24

國家自然科學基金項目(61273179);湖北省自然科學基金重點項目(2013CFA053);湖北省教育廳科學技術項目(Q20121216)。

董勇(1980-),男,博士(后),講師,現主要從事生產測井資料的解釋與研究、智能優化算法方面的教學與研究工作。