張 鋒，袁 超

（中國石油大學地球資源與信息學院，山東青島266555）

0 引 言

目前電纜補償中子孔隙度測井常采用241Am-Be中子源和2個3He管，通過記錄近、遠探測器的熱中子計數(shù)比值來獲取中子孔隙度［1－4］。近20年發(fā)展的隨鉆核測井技術(shù)普遍利用化學源，從隨鉆補償密度中子測井儀器CDN到方位中子密度測井儀AND都采用同位素中子源［5－6］。由于241Am原料少，在隨鉆井下鉆桿上裝有放射源風險更為嚴重，因此尋找同位素中子源的替代者顯得尤為重要。利用脈沖中子發(fā)生器的無源中子測量在電纜測井中已應(yīng)用了50年，且采用脈沖中子源是未來核測井發(fā)展的方向［7］。斯倫貝謝公司在新一代隨鉆測井儀器中也采用了D-T脈沖中子管進行補償熱中子孔隙度測井［8－10］。本文將通過對比利用241Am－Be中子源和DD中子管產(chǎn)生的中子進入地層發(fā)生作用后的熱中子計數(shù)及兩探測器的計數(shù)比值，來研究利用D－D脈沖中子管進行補償中子孔隙度測井的可行性。

1 利用D-D中子管進行孔隙度測井的可行性

D-D脈沖中子發(fā)生器產(chǎn)生中子的核反應(yīng)為［11－13］

產(chǎn)生的快中子能量為2.45MeV，由于其中子能量低，采用較薄的中子慢化材料就可以獲得較高的熱中子通量，且要求更少的放射性防護材料，應(yīng)用更方便和廉價。另外，D－D脈沖中子管的靶壽命比D－T中子管更長。目前國產(chǎn)的D－D中子管產(chǎn)額可以達到5×106n／s，而國外的產(chǎn)額可以達到107n／s，已經(jīng)在材料、醫(yī)學和核物理實驗等方面得到廣泛應(yīng)用［14－17］。

241Am－Be中子源中241Am的α衰變半衰期為T1／2＝432.2a，伴生γ射線強度很低，平均中子能量為4.2～5MeV，中子發(fā)射率為（2.22～2.74）×106n／（s·Ci），是中子測井中常用的中子源。一般補償中子孔隙度測井采用的中子源活度為18Ci，其中子產(chǎn)額約為4×107n／s。從中子產(chǎn)額來看，D－D中子管與241Am－Be中子源相當，且由于其中子能量更低，在離中子源近的位置處探測到的熱中子計數(shù)多而遠的位置探測到的熱中子計數(shù)少，長短源距處的熱中子計數(shù)比值隨著孔隙度的不同變化更大，即對孔隙度的反映更靈敏。因此，從中子管的特性來看，利用D－D中子管進行補償中子孔隙度測井是可行的。

2 D-D中子管補償中子孔隙度的蒙特卡羅模擬

2.1 蒙特卡羅模擬方法及計算模型

2.1.1 蒙特卡羅模擬方法

MCNP程序是一種模擬中子、光子和電子聯(lián)合輸運的軟件，通過對中子、光子或電子與原子核發(fā)生碰撞時的位置、能量、運動方向、反應(yīng)類型、源分布等方面進行抽樣，通過記錄中子、光子或電子來反映其在物質(zhì)中的輸運［18］。

利用MCNP－4C［19］軟件對D－D中子管產(chǎn)生的快中子與地層元素發(fā)生作用過程進行模擬，分別記錄不同探測器位置處的熱中子。為了研究問題的方便沒有考慮3He管對中子的響應(yīng)。模擬時所選取的截面數(shù)據(jù)為ENDF／B－VI.0，追蹤的歷史中子數(shù)目為5×107，記錄能量范圍為0～0.1eV的熱中子，計數(shù)誤差小于0.5%，計算時間為150min。

2.1.2 計算模型

利用蒙特卡羅方法建立裸眼井條件下的計算模型，井眼直徑為20cm，井眼內(nèi)充滿淡水；地層部分設(shè)為內(nèi)外半徑分別為10cm和70cm、高為147cm的圓筒，分別填充不同巖性和流體物質(zhì)。模擬時把整個地層劃分成高3cm、環(huán)距2cm共1 470個柵元。測井儀器直徑為85mm，采用D－D脈沖中子源，位于距儀器下端25cm處，源和探測器之間填充理想屏蔽體（見圖1）。

圖1 計算模型

2.2 D-D中子管補償中子孔隙度測井源距的選擇

2.2.1 熱中子通量與源距變化關(guān)系的對比

利用前面的計算模型，井眼內(nèi)充滿水、地層分別為孔隙度10%和40%的飽含水砂巖。測井儀的結(jié)構(gòu)和尺寸相同，中子源分別為D－D中子管和241Am－Be中子源，記錄不同源距處的熱中子計數(shù)，模擬結(jié)果見圖2。

從圖2可見，選用D－D中子管和241Am－Be中子源時，熱中子計數(shù)都隨著源距的增加而呈指數(shù)減少，由于241Am－Be中子源產(chǎn)生中子的能量高，在地層中慢化時減速長度大，因此熱中子計數(shù)隨源距增加變化慢。在該種井眼和地層條件下可以得到，D－D中子管時的零源距大約為10cm，而用241Am－Be中子源時的零源距稍大于D－D中子管，大約為15cm，即中子能量越大，減速長度越大，零源距越大。

為了對比2種中子源在同一源距處記錄的熱中子計數(shù)高低，模擬得到孔隙度分別為10%和40%這

圖2 不同中子源時的熱中子計數(shù)與源距的關(guān)系

圖3 D-D和241Am-Be中子源的熱中子計數(shù)比隨源距的變化規(guī)律

2種地層條件下，D-D中子管和241Am-Be中子源時的熱中子計數(shù)比值與源距的關(guān)系見圖3。

在源距小于20cm時，采用D－D中子管時的熱中子計數(shù)高于241Am－Be中子源，是因為241Am－Be中子源產(chǎn)生的中子能量高，快中子減速長度大，源距越小的區(qū)域慢化的熱中子越少；當源距大于20cm時，同一位置處241Am－Be中子源產(chǎn)生的中子慢化后的熱中子計數(shù)高于D－D中子管，且地層孔隙度越大，同一源距處2種中子源的熱中子計數(shù)相差也越大。

在常規(guī)地層條件下，按照補償中子孔隙度測井所設(shè)計的源距，采用D－D脈沖中子管時短源距處的熱中子計數(shù)大約是241Am－Be中子源的90%，而長源距只有50%。因此，利用D－D脈沖中子管進行中子孔隙度測井要增加探測器的熱中子計數(shù)，需提高DD中子管的中子產(chǎn)額，這是D－D中子管補償中子孔隙度測井的關(guān)鍵所在。

2.2.2 源距的選擇

D－D中子管產(chǎn)生的中子經(jīng)地層慢化后熱中子分布比241Am－Be中子源小，計數(shù)率低。選擇最佳源距時，①取決于遠近探測器的計數(shù)統(tǒng)計性；②考慮對地層孔隙度測井響應(yīng)的靈敏度。

考慮實際補償熱中子孔隙度測井，常規(guī)地層條件下短源距一般選取20～30cm，假定短源距為26 cm，其相對1個源中子的熱中子計數(shù)為NS，依次改變長源距，相應(yīng)熱中子計數(shù)為NL，則孔隙度分別為10%和30%飽含水砂巖地層的近遠探測器處的熱中子計數(shù)比值及動態(tài)變化見表1。

表1 不同地層的計數(shù)比值特性

顯然短源距一定時，隨著長源距的增加，近遠探測器熱中子計數(shù)比值、反映地層孔隙度變化的近遠熱中子計數(shù)比差及相對差值都要增加。因此，單純從孔隙度測井響應(yīng)來看，長源距越大，對孔隙度的變化越靈敏，長源距選擇越遠越好。實際儀器設(shè)計中遠探測器的長度和直徑可以為近探測器的2倍，其熱中子探測的靈敏體積為近探測器的8倍，故要保證遠近探測器熱中子計數(shù)統(tǒng)計性差別不大，長源距一般選擇范圍為45～55cm。

2.3 D-D中子管補償中子孔隙度測井的探測特性

2.3.1 中子孔隙度測井的探測深度

為了對比2種中子源的中子孔隙度測井的探測深度，建立裸眼井條件下的計算模型，井眼充滿淡水，地層為孔隙度10%的飽含水砂巖，在徑向上從井壁開始每隔2cm依次把地層改變?yōu)榭紫抖葹?0%的飽含水砂巖。儀器尺寸不變，且貼井壁測量；中子源分別為D-D中子管和241Am-Be中子源；長、短源距分別為50cm和22.5cm，模擬得到不同位置處的熱中子計數(shù)隨改變地層性質(zhì)的徑向厚度d的關(guān)系（見圖4）。

從結(jié)果可見，2種中子源產(chǎn)生的中子進入地層后，在不同位置處記錄的熱中子計數(shù)隨改變地層性質(zhì)徑向厚度的變化規(guī)律不同。在近探測器處采用D－D中子管時開始熱中子計數(shù)很高，隨著改變地層性質(zhì)的徑向厚度增加下降很快，達到20cm時幾乎不再發(fā)生變化，而241Am－Be中子源計數(shù)稍低于D-D中子管，達到飽和徑向厚度的值略為增加；遠探測器處規(guī)律和近探測器正好相反，241Am－Be中子源的熱中子計數(shù)高，D－D中子管對應(yīng)的熱中子計數(shù)低，且在孔隙度較小的地層計數(shù)相差不大。因此，利用D－D中子管時，隨著改變地層孔隙度的徑向厚度的變化，近遠探測器處的熱中子計數(shù)比值變化最大，對孔隙度反映也最敏感。

圖4 不同探測器處的熱中子計數(shù)隨改變地層性質(zhì)徑向厚度的變化關(guān)系

圖5 同中子源時的熱中子計數(shù)比值與改變地層孔隙度的徑向厚度關(guān)系

圖6 不同中子源時的中子孔隙度探測深度

為了對比補償中子孔隙度測井的探測深度，根據(jù)模擬結(jié)果得到的近、遠探測器熱中子計數(shù)比值見圖5。以孔隙度為10%飽含水砂巖地層時的近遠探測器熱中子計數(shù)比值為基準，得到隨著改變地層孔隙度的徑向厚度得到的熱中子計數(shù)比值與基準比值的差，并對最大差值進行歸一化，并且規(guī)定熱中子計數(shù)比差值達到最大差值的90%時所對應(yīng)的地層徑向厚度為中子孔隙度的探測深度，得到2種中子源時的探測深度特性關(guān)系見圖6。

圖7 近遠探測器處熱中子計數(shù)絕對比值與孔隙度的關(guān)系

從圖5中可見，當?shù)貙涌紫抖容^小時，2種中子源得到的熱中子計數(shù)比值相差不大，隨著改變地層孔隙度的徑向厚度增加，比值都要增加，但D-D中子管對應(yīng)的比值上升快，然后達到飽和比值。圖6反映出2種中子源的探測深度略有差別，D-D中子管的探測深度為23.75cm，而241Am-Be中子源的探測深度約為25cm。因此利用D-D中子管進行中子孔隙度測井會影響其探測深度，但影響很小，與常規(guī)補償中子孔隙度測井探測深度差別不大。

2.3.2 中子孔隙度測井的響應(yīng)靈敏度

利用上面的計算模型，地層孔隙度分別為5%、8%、10%、12%、15%、18%、20%、23%、25%、28%、30%、32%、35%、38%和40%，骨架為石灰?guī)r，孔隙內(nèi)飽含水，分別采用D-D中子管和241Am-Be中子源，模擬記錄遠近探測器處相應(yīng)的熱中子計數(shù)，得到比值隨孔隙度的變化關(guān)系見圖7。

從圖7可見，2種中子源對應(yīng)的熱中子計數(shù)比值隨著孔隙度的增加變化規(guī)律不同，D－D中子管上升快，而241Am－Be中子源上升慢，即利用D－D中子管進行補償中子孔隙度測井時的響應(yīng)靈敏度高。

規(guī)定補償中子孔隙度測井的近遠探測器計數(shù)比值R和孔隙度φ的關(guān)系為補償中子孔隙度測井的響應(yīng)函數(shù)，其響應(yīng)曲線的斜率為孔隙度靈敏度。實際工作中常用相對孔隙度靈敏度S來表示

根據(jù)式（1）及相應(yīng)數(shù)據(jù)，分別計算2種中子源時不同孔隙度地層的中子孔隙度測井相對靈敏度，結(jié)果見表2。

表2 2種中子源的孔隙度靈敏度對比

由表2可知，采用相同的源距時D－D中子管的近遠探測器計數(shù)比值大，且其孔隙度靈敏度和相對靈敏度都要高于241Am－Be中子源。隨著地層孔隙度的增加，2種中子源時的孔隙度靈敏度都要增加，而相對靈敏度都要下降。因此，在進行補償中子孔隙度測井時，在遠近探測器的源距相同的情況下，D－D脈沖中子源時對地層孔隙度的靈敏度增加。

3 結(jié) 論

（1）D－D中子管產(chǎn)生的中子能量為2.45MeV，中子產(chǎn)額可以達到（5×106）～107n／s，且由于其脈沖特性不具有放射性，在補償中子孔隙度測井中可以替代241Am－Be等同位素中子源。

（2）利用蒙特卡羅方法模擬得到，D－D中子管產(chǎn)生的快中子進入地層后，其熱中子通量隨源距的增加而降低，小于20cm時相對1個源中子時的熱中子計數(shù)高于241Am－Be中子源，而大于20cm時其熱中子相對計數(shù)小于241Am－Be中子源；且近探測器的源距選擇20～30cm、遠探測器的源距選擇45～55cm。

（3）在低孔隙度（小于20%）地層，不考慮熱中子計數(shù)高低的情況下，利用D－D中子管的熱中子計數(shù)比值略大于241Am－Be中子源；在高孔隙度（大于20%）地層，D-D中子管的熱中子計數(shù)比值遠遠大于241Am-Be中子源，且對地層孔隙度靈敏度增加；孔隙度越大，對孔隙度反映越敏感。

（4）利用D-D中子管進行補償中子孔隙度測井，只要保證足夠的中子產(chǎn)額，遠近探測器處的熱中子計數(shù)統(tǒng)計性得到保證，探測深度略為降低，地層孔隙度測量的靈敏度增加。

［1］ 黃隆基.核測井原理［M］.東營：中國石油大學出版社，2000：249-259.

［2］ 龐巨豐.測井原理及儀器［M］.北京：科學出版社，2008：371－375.

［3］ 姬銅芝，劉 杰，申建輝.BZC－IB型補償中子測井儀及其應(yīng)用［J］.石油儀器，2006，20（6）：48－50.

［4］ 閆水浪，李養(yǎng)剛，袁昌林.高精度遙測補償中子測井儀［J］.石油儀器，2003，17（6）：35－36.

［5］ Clark S B，Holenka J.Logging While Drilling：A Three－year Perspective［J］.Oilfield Review，1992：30－44.

［6］ Holenka J，Best D，Evans M，et al.Azimuthal Porosity While Drilling［C］∥SPWLA 36th Annual Logging Symposium，1995.

［7］ Aitken J D，Adolph R，Evans M，et al.Radiation Sources in Drilling Tools：Comprehensive Risk Analysis in the Design，Development and Operation of LWD Tools［J］.SPE73896，2002.

［8］ Weller G，EI－Halawani T，Tribe I，et al.A New Integrated LWD Platform Delivers Improvement Drilling Efficiency，Well Placement，and Formation Evaluation Services［C］∥SPE96652，2005.

［9］ Scott Fricke，David P Madio.Thermal Neutron Porosity Using Pulsed－neutron Measurements［C］∥SPWLA 49th Annual Symposium，2008，Paper L.

［10］Weller G，Griffiths R，Stoller C，et al.A New Integrated LWD Platform Brings Next－generation Formation Evaluation Services［C］∥SPWLA 46th Annual Symposium，2005，Paper H.

［11］Durisi E，Zanini A，Manfredotti C，et al.Design of an EpithermalColumn for BNCT Based on D－D Fusion Neutron Facility［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research：A，2004，574（1）：363－369.

［12］Jung Kim，Choi H D.Development of D－D Neutron Generator［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research：B，2005，241（1）：917－920.

［13］Kim I J，Jung N S，Jung H D，et al.A D－D Neutron Generator Using a Titanium Drive－in Target［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics：B，2008，266（2）：829－833.

［14］Atsuhiko Morioka，Satoshi Sato，Masaharu Kinno，et al.Irradiation and Penetration Tests of Boron－doped Low Activation Concrete Using 2.45and 14MeV Neutron Sources［J］.Journal of Nuclear Materials，2004，329－333：1619－1623.

［15］Koivunoro H，Bleuel D L，Nastasi U，et al.BNCT Dose Distribution in Liver with Epithermal D－D and DT Fusion－based Neutron Beams［J］.Applied Radiation and Isotopes，2004，61：853－859.

［16］Reijonen J，Gicquel F，Hahto S K，et al.D－D Neutron Generator Development at LBNL［J］.Applied Radiation and Isotopes，2005，62：757－763.

［17］Toshiaki Shimizu，Hitoshi Sakane，Michihiro Shibata，et al.Measurements of Activation Cross Sections of（n，p）and（n，α）Reactions with D－D Neutrons in the Energy Range of 2.1～3.1MeV［J］.Annals of Nuclear Energy，2004，31：975－990.

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

［19］Briemeisterr J F.MCNPTM－A General Monte Carlo NParticle Transport Code：Version 4C［R］.Los Alamos National Laboratory Report LA－13709－M.