隨鉆脈沖中子伽馬密度測井最佳源距的優化設計

張　鋒，韓忠悅，吳　赫，韓　飛

(中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院，山東 青島　266580)

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隨鉆脈沖中子伽馬密度測井最佳源距的優化設計

張鋒，韓忠悅，吳赫，韓飛

(中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院，山東 青島266580)

摘要：采用脈沖中子源進行密度測井，可避免傳統密度測井放射性源對環境的影響，更加安全、環保。目前國內隨鉆脈沖中子伽馬密度技術還處于起步階段，隨鉆中子伽馬密度儀參數優化設計是提高地層密度測量精度的關鍵。本研究通過由D-T中子源及2個伽馬探測器組成的隨鉆中子伽馬密度儀器，研究了源距對中子伽馬密度測井的影響，通過靈敏度和計數比統計性進行源距優化設計，得出最佳短源距為25～35 cm，長源距為60～65 cm，研究結果為隨鉆脈沖中子伽馬密度測井儀器研發提供技術支持。

關鍵詞：脈沖中子；伽馬射線；地層密度；源距；優化設計

地層密度測井最早出現在20世紀50年代，Odom[1]對密度測井的發展做出了重要貢獻。早期的地層密度測井儀使用放射源，通過記錄由地層返回到探測器的伽馬射線確定地層密度。在過去的半個世紀里，計算機硬件和電子工業經歷了重大變革，促進了測井儀器數據采集技術發展，但密度測井所用的放射源類型基本沒有變化。

測井服務公司必須對測井儀器進行嚴格保管，避免出現安全、健康和環境隱患[2]。因此，測井服務公司積極尋找替代源。Odom等[3]對康普樂PND-S儀器進行升級，利用非彈散射伽馬射線擴散長度完成套管井密度測量；斯倫貝謝公司Weller 等[4-5]首次推出包括脈沖中子密度測井在內的隨鉆測井平臺EcoScope，實現了隨鉆測井中 “無源化”密度測量。隨著科技進步，利用可控脈沖中子源替代傳統放射源是核測井發展的必然趨勢[6-8]。本文建立了隨鉆中子伽馬密度儀器-地層模型，通過蒙特卡羅方法對源距進行優化設計，確定中子伽馬密度測井儀器的最佳源距組合。

1蒙特卡羅模型建立

1.1中子伽馬密度測井原理

中子伽馬密度測井原理示于圖1。由D-T中子源產生的高能快中子進入地層后，與地層元素原子核發生非彈性散射，并釋放相應的特征伽馬射線；隨著中子能量的降低，中子與原子核發生彈性散射；當能量進一步降低變成熱中子時，將與原子核發生輻射俘獲反應，放出俘獲伽馬射線。利用中子與地層產生的非彈性散射伽馬射線作為伽馬源，通過探測次生伽馬射線可實現密度測井。

圖1　中子伽馬密度測井原理示意圖Fig.1　Neutron-gamma density loggingprinciple diagram

1.2模型建立

儀器模型示意圖示于圖2。地層半徑為10～70 cm，近探測器源距32 cm，遠探測器源距60 cm，井眼直徑20 cm，地層的徑向、縱向間隔均為5 cm；脈沖中子源發射的中子能量為14 MeV，脈沖寬度為20 μs；記錄的快中子能量為14 MeV，伽馬能窗為0.7～8.5 MeV；記錄非彈伽馬的時間窗為0～20 μs，俘獲伽馬的時間窗為25～100 μs；模擬追蹤5×107個粒子。鉆鋌的材料為無磁鋼，鉆鋌直徑為17.145 cm。

2最佳源距的優化設計

根據密度測量的靈敏度和計數比統計性確定探測器源距。一般情況下，源距越大，靈敏度越高，計數比統計性越差。因此，最佳源距要在滿足統計誤差的基礎上使靈敏度盡可能高。

圖2　儀器模型示意圖Fig.2　Tool model

2.1零源距

在儀器設計中，為了保證儀器密度響應，源距的選擇要避開零源距。為了研究D-T可控中子伽馬密度測井儀零源距的具體位置，選用純石灰石作為地層骨架(CaCO3，ρ=2.71 g/cm3)。當地層含氫指數為20%時，選取密度分別為1.74、2.05、2.36 g/cm3的地層，將NaI伽馬探測器設置在源距L=15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100 cm處，用蒙特卡羅方法(MCNP)模擬計算每種情況的非彈伽馬射線的計數與源距的關系。不同地層密度下各源距處非彈伽馬通量示于圖3。

圖3　不同地層密度下各源距處非彈伽馬通量Fig.3　Gamma ray flux at different spacing anddifferent density

由圖3可以看出，在近中子源處，密度越大的地層伽馬計數越高，密度越小的地層伽馬計數越低。隨源距增大，相同地層條件下探測器處光子通量幾乎成指數下降，在源距大約為24 cm處，圖中的幾條線幾乎交于一點，非彈伽馬計數幾乎都相等，即為零源距；隨著源距的進一步增大，不同地層密度探測器處脈沖幅度計數的差異逐漸增大，當源距較大以后，地層密度越大，伽馬脈沖幅度計數越小，探測器對于不同地層密度的計數差異也越大。因此，隨鉆可控源密度測井的零源距約為24 cm。考慮到儀器結構，短源距應該選在25～35 cm之間。

2.2密度靈敏度

2.2.1密度靈敏度與源距的關系

(1)

相對靈敏度隨長源距的變化關系示于圖4。以短源距20 cm為例，長源距從30 cm依次增加到100 cm，地層骨架為石灰巖，含氫指數為0.2，地層密度為2.189 g/cm3，計算不同源距組合時非彈伽馬計數比對密度測量的靈敏度。

圖4　相對靈敏度隨長源距變化關系Fig.4　 Relationship between the relativesensitivity and long spacing

由圖4可以看出，固定短源距，隨著長源距增大，非彈伽馬計數比對密度測量的靈敏度也增大。源距越大，非彈伽馬計數比對密度測量的靈敏度越大。

2.2.2密度靈敏度與探測器間距的關系

圖5　不同源距組合非彈伽馬計數比與地層密度的關系Fig.5　Relationship between count ratio anddifferent spacing combinations

不同源距組合非彈伽馬計數比與地層密度的響應關系結果示于圖5。為了分別考察兩個伽馬探測器的源距組合對密度響應的影響，固定一個探測器源距不變，變化另一個探測器位置，分析遠、近探測器間隔對非彈伽馬計數比值與地層密度的響應變化關系及密度靈敏度，得到兩個探測器不同間隔的密度響應規律。設定地層含氫指數為20%，固定近探測器在30 cm處，而將遠探測器分別放置于40、50、60、70、80 cm處。

由圖5可知，遠、近探測器間隔越大，非彈伽馬計數比值越大，且隨地層密度的變化率越大，即對于密度變化的靈敏度越高。

以密度為1.74 g/cm3和2.36 g/cm3的飽含水石灰巖地層為例，利用(1)式分別計算不同源距組合時，地層密度為1.74 g/cm3和2.36 g/cm3的相對靈敏度，同時計算出絕對靈敏度，計算結果列于表1。

表1　不同源距組合的靈敏度分析

由表1可以看出，短源距固定，長源距增大，遠、近探測器間距越大，測量密度的絕對靈敏度和相對靈敏度都增大；密度越大，相對靈敏度越低，絕對靈敏度與地層密度大小無關。因此，從密度測量靈敏度考慮，應盡可能增加源距和探測器間隔以提高密度測量的靈敏度。

3計數比統計性

實際中子伽馬密度ρ與非彈、俘獲伽馬計數比關系近似滿足下列關系：

(2)

其中，N1、N2分別為近、遠探測器非彈伽馬計數，N3、N4分別為近、遠探測器俘獲伽馬計數。

根據誤差傳遞公式，密度統計誤差Δρ

(3)

其中，DNN為N1、N2、N3和N4的誤差矩陣；K為密度ρ關于N1、N2、N3和N4導數矩陣,具體表達式如下：

(4)

根據實際測井條件，脈沖中子源產額為1×108n/s，遠探測器的截面積為44.82 cm2，鉆速為120 m/h，采樣間隔為0.1 m，探測器的探測器效率為25%，則可以求得誤差矩陣DNN。

固定短源距為30 cm，改變長源距32～86 cm，得出的不同源距組合的密度統計誤差示于圖6。

圖6　不同源距組合與統計誤差的關系Fig.6　Error at different spacing

從圖6可以看出，固定短源距，長源距越大，密度誤差越大。在近源距為30 cm時，為保證密度測量統計誤差小于0.05 g/cm3，長源距應小于65 cm。

綜合上述，考慮到零源距和儀器結構設計，短源距應為25～35 cm；根據密度靈敏度和測量統計誤差的要求，長源距應為60～65 cm。

4小結

(1) 中子伽馬密度測井儀的零源距大約為24 cm；隨著源距的增加，非彈散射伽馬計數的統計誤差變大；遠、近探測器間距越大，測量靈敏度越大，但統計誤差增大。

(2) 綜合考慮零源距、儀器結構確定中子伽馬密度測井儀短源距應為25～35 cm；密度測量誤差小于0.05 g/cm3，確定遠探測器最佳源距約為60～65 cm。

參考文獻：

[1]Odom R C. Pulsed neutron decay tool for measuring gamma radiation energy spectra for fast neutron inelastic collisions and thermal neutron capture events: US, 5374823[P]. 1994-12-20.

[2]Odom R C, Streeter R W, Hogan G P, et al. A new 1.625” diameter pulse neutron capture and inelasstic/capture spectral combination system provides answers in complex reservoirs: Spwla 35th Annual Logging Symposium[C]. Oklahoma: Tulsa 1994.

[3]Odom R C, Wilson R D, Ladtkow R K. Log examples with a prototype three-detector pulsed-neutron system for measurement of cased-hole neutron and density porosities: SPE Rocky Mountain Petroleum Technology Conference[C]. Colorado: keystone, 2001.

[4]Weller G, Griffiths R, Stoller C, et al. A new integrated LWD platform brings next-generation formation evaluation services: SPWLA 46th Annual Logging Symposium[C]. Louisiana: New Orleans 2005.

[5]Neuman C H, Sullivan M J, Belanger D L. An investigation of density derived from pulsed neutron capture measurements[C]∥SPE Annual Technical Conference and Exhibition. [S.I.]: Society of Petroleum Engineers, 1999.

[6]Streeter R W, G. I I, Rogers C B, et al. Cased hole exploration: modern pulsed neutron techniques for locating by-passed hydrocarbons in old wells[J]. SPE, 1996: 167-175.

[7]張鋒,袁超,劉軍濤,等. 隨鉆脈沖中子—伽馬密度測井響應數值模擬[J]. 地球科學：中國地質大學學報,2013,38(5):1 116-1 120.

Zhang Feng, Yuan Chao, Liu Juntao, et al. Numerical simulation on pulsed neutron-gamma ray density logging response in logging while drilling[J]. Earth Science-Journal of China University of Geosciences, 2013, 38(5): 1 116-1 120(in Chinese).

[8]張鋒,靳秀云,侯爽. D-T 脈沖中子發生器隨鉆中子孔隙度測井的蒙特卡羅模擬[J]. 同位素,2010,23(1):15-21.

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Optimized Design of Spacing in Pulsed Neutron Gamma Density Logging While Drilling

ZHANG Feng, HAN Zhong-yue, WU He, HAN Fei

(SchoolofGeosciences,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China)

Abstract:Radioactive source, used in traditional density logging, has great impact on the environment, while the pulsed neutron source applied in the logging tool is more safety and greener. In our country, the pulsed neutron-gamma density logging technology is still in the stage of development . Optimizing the parameters of neutron-gamma density instrument is essential to improve the measuring accuracy. This paper mainly studied the effects of spacing to typical neutron-gamma density logging tool which included one D-T neutron generator and two gamma scintillation detectors. The optimization of spacing were based on measuring sensitivity and counting statistic. The short spacing from 25 to 35 cm and long spacing from 60 to 65 cm were selected as the optimal position for near and far detector respectively. The result can provide theoretical support for design and manufacture of the instrument.

Key words：pulsed neutron; gamma rays; formation density; spacing; optimization design

收稿日期：2015-05-21;修回日期：2016-01-07

基金項目：國家自然科學基金(No.41374125, 41574119)；國家重大油氣專項(No.2011ZX0520-002)；中央高校基本科研業務費專項資金資助(14CX05011A)

作者簡介：張鋒(1970—)，男，山東莒南人，教授，從事核測井方法基礎、核測井資料處理及蒙特卡羅模擬等研究

中圖分類號：TL816+.3

文獻標志碼：A

文章編號：1000-7512(2016)02-0093-05

doi：10.7538/tws.2016.29.02.0093