張　麗　于華偉（山東科技大學(xué) 資源與土木工程系　泰安 709）（中國(guó)石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院　青島 66580）

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D-D次生源計(jì)數(shù)對(duì)密度測(cè)量的影響

張麗1于華偉2
1（山東科技大學(xué) 資源與土木工程系泰安 271019）
2（中國(guó)石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院青島 266580）

摘要為研究D-D源密度測(cè)量過程中俘獲γ計(jì)數(shù)對(duì)密度測(cè)量的影響，本文首先分析D-D源密度測(cè)量的原理，其次研究D-D源與地層反應(yīng)產(chǎn)生的γ射線類型，并采用蒙特卡羅模擬方法對(duì)比分析了D-D源和D-T源密度測(cè)量過程中次生γ強(qiáng)度高低。結(jié)果表明，D-D源密度測(cè)量過程中次生γ以俘獲γ為主；盡管D-D源的中子產(chǎn)額遠(yuǎn)低于D-T源，但在源距大于50 cm后低孔隙地層中D-D源俘獲γ計(jì)數(shù)高于D-T源非彈γ計(jì)數(shù)；此外，高孔隙地層中D-D源俘獲γ計(jì)數(shù)也可以通過調(diào)整源距大小滿足密度測(cè)量的要求。因此，使用D-D源測(cè)量的次生γ計(jì)數(shù)能夠滿足密度測(cè)量的統(tǒng)計(jì)精度要求。

關(guān)鍵詞D-D源，俘獲γ，密度測(cè)量，蒙特卡羅模擬

山東科技大學(xué)人才引進(jìn)科研啟動(dòng)基金(No.2014RCJJ040)、國(guó)家自然科學(xué)基金(No.41304095)、山東省自然科學(xué)基金(No.ZR2013DQ012)、青島市科

技計(jì)劃(No.14-2-4-65-jch)、中國(guó)石油大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目(No.SY-A201405)資助

第一作者：張麗，女，1984年出生，2013年于中國(guó)石油大學(xué)（華東）獲博士學(xué)位，講師，主要研究方向?yàn)楹藴y(cè)井蒙特卡羅模擬研究

Supported by Talent Introduction and Scientific Research Initiating Fund of Shandong University of Science and Technology(No.2014RCJJ040),National Natural Science Foundation of China(No.41304095),Shandong Provincial Natural Science Fund(No.ZR2013DQ012),Qingdao City Science and Technology Program(No.14-2-4-65-jch),Teaching Reform Project of China University of Petroleum(No.SY-A201405)

First author:ZHANG Li,female,born in 1984,graduated from China University of Petroleum(East China)with a doctor’s degree in 2013,lecturer,focusing on the simulation of Monte Carlo and nuclear logging

Effect of density measurement on D-D induced gamma counting

ZHANG Li1YU Huawei2
1(Department of Resources and Civil Engineering,Shandong University of Science and Technology,Tai’an 271019,China)2(College of Geo-Resources and Information,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)

AbstractBackground:The controllable neutron source is used to replace the chemical gamma source to measure the formation density in oil exploration.Purpose:The effect of capture gamma counting on density is studied in the process of D-D source density measurement.Methods:Firstly,the principle of D-D source density measurement is analyzed,and the type of gamma-ray source in the process of D-D source and the formation is studied.In addition,the intensity of induced gamma between D-D and D-T source density measurement is compared using Monte Carlo simulation method.Results &Conclusion:The capture gamma takes a large proportion on D-D induced gamma density measurement.Although neutron yield of D-D source is far lower than that of D-T source,the capture gamma counting of D-D source is higher than inelastic gamma counting of D-T source with the distance from the source more than 50 cm in the low porosity formation.In addition,the capture gamma counting can be obtained by adjusting the source size to meet the requirements of density measurement in high porosity formation.Therefore,the counting of D-D induced gamma can meet the statistical accuracy of the density measurement.

Key wordsD-D source,Capture gamma,Density measurement,Monte Carlo simulation

可控中子源替代傳統(tǒng)的化學(xué)放射源進(jìn)行密度測(cè)井成為核測(cè)井發(fā)展的必然趨勢(shì)[1-3]。它克服了傳統(tǒng)密度測(cè)井中放射源輻射大、操作困難等缺點(diǎn)，成為當(dāng)前密度測(cè)井的關(guān)鍵技術(shù)[4-5]。1995年，國(guó)外油服公司（如斯倫貝謝）開始研究使用D-T可控中子源的密度測(cè)井方法及儀器，并在隨后的幾十年里將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際油田作業(yè)。但是D-T源壽命短（國(guó)內(nèi)產(chǎn)品大約幾十到300 h）、成本高、使用的放射性氚靶存在潛在危險(xiǎn)[6-8]。與D-T源相比，D-D可控中子源具有壽命長(zhǎng)（超過1000 h）、成本低，而且由于不使用放射性氚氣、安全性更高等優(yōu)點(diǎn)[9]。為此，Badruzzaman等[10-12]提出應(yīng)用D-D源進(jìn)行密度測(cè)量的方法，但是他們認(rèn)為由于D-D源的能量較低且中子產(chǎn)額較D-T源低一個(gè)量級(jí)，而使中子在地層中次生的γ射線強(qiáng)度太低，以致于測(cè)量γ射線的統(tǒng)計(jì)誤差較大，不足以滿足測(cè)井儀器的計(jì)數(shù)精度要求，因此沒有對(duì)D-D源次生γ在地層中的強(qiáng)度分布做進(jìn)一步的研究。

本文著重論證D-D源測(cè)量地層的可行性問題。在分析D-D源與地層相互作用機(jī)理、明確D-D源密度測(cè)量過程中次生γ類型的基礎(chǔ)上，對(duì)比D-D源與D-T源在不同地層中次生γ強(qiáng)度的高低，通過探討基于D-D次生源開展密度測(cè)量的可行性，在此過程中對(duì)次生γ源的影響因素進(jìn)行歸納，為開展下一步方法研究提供依據(jù)。

1　可控中子源密度測(cè)量原理

在可控源密度測(cè)量過程中，脈沖中子發(fā)生器發(fā)出的快中子與地層原子發(fā)生反應(yīng)，其反應(yīng)過程有彈性散射、非彈性散射、熱中子俘獲，而在反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生γ射線的過程只有非彈性散射和熱中子俘獲。該γ射線在輸運(yùn)中發(fā)生衰減，衰減規(guī)律與傳統(tǒng)γ-γ密度測(cè)井機(jī)理相同。因此，可以選用快中子與地層元素原子核發(fā)生俘獲反應(yīng)產(chǎn)生的γ射線作為次生γ源來測(cè)量地層密度[13-15]。

γ射線從產(chǎn)生之后就會(huì)發(fā)生衰減，最后在探測(cè)器處測(cè)量未被吸收的γ射線的響應(yīng)為[16]：

式中：φ（En,）是中子通量；Ni表示地層中第i種元素的原子密度；σi(E)是第i種元素的非彈性散射截面；Nγ(Eγ)表示中子與第i種元素→發(fā)生非彈性散射之后釋放出的γ射線數(shù)；f（μ（ Eγ）,）是γ擴(kuò)散函數(shù)，此函數(shù)與地層的密度相關(guān)；μ是γ擴(kuò)散因子，并且DRF(Eγ)是γ射線探測(cè)器響應(yīng)函數(shù)。

由式(1)可知，測(cè)量的γ強(qiáng)度不僅由γ射線的衰減（衰減函數(shù)與地層密度相關(guān)）決定，同時(shí)還受到了中子空間分布的影響?？煽卦疵芏葴y(cè)量中應(yīng)用較多的是D-T源，D-D源的性能在一定程度上也滿足密度測(cè)量的要求，但兩者在性能上有一定差別，具體區(qū)別如表1所示[17]。

表1　D-D和D-T源性能對(duì)比圖Table 1　The comparison chart of D-D and D-T source performance.

從表1可以看出，在應(yīng)用上述兩種中子源進(jìn)行密度測(cè)量時(shí)，由于其性能有一定的區(qū)別，與地層元素的反應(yīng)也有區(qū)別。目前商用的D-D中子源產(chǎn)額大部分為106、D-T源是108。但最近國(guó)外文獻(xiàn)顯示：現(xiàn)在的D-D中子源甚至可以具備108產(chǎn)額了，斯倫貝謝公司最近將測(cè)井用的D-T源提高到了109產(chǎn)額[18-19]。在應(yīng)用可控中子源進(jìn)行密度測(cè)量時(shí)，γ射線主要來自于中子與原子核發(fā)生非彈性散射和熱中子俘獲反應(yīng)。

1.1 D-T源密度測(cè)量

氘-氚(D-T)中子發(fā)生器發(fā)射的能量為14 MeV的高能中子射入地層后，依次與地層中的元素發(fā)生非彈性、彈性散射以及俘獲作用，其中快中子的非彈性散射和熱中子的俘獲都會(huì)釋放出γ射線。這些次生的γ射線可以用來替代傳統(tǒng)密度測(cè)井中的137Cs放射源來測(cè)量地層密度，其中很多研究表明[20-23]，非彈性散射產(chǎn)生的γ射線與地層密度相關(guān)性更高一些，因此可以優(yōu)選快中子與地層元素作用產(chǎn)生的非彈性散射γ射線作為一個(gè)“次生的”γ源來測(cè)量地層的密度值。

其中，地層快中子非彈性散射γ射線計(jì)數(shù)，主要來自碳、氧、硅、鈣的貢獻(xiàn)[24]。表2為以上幾種元素的非彈反應(yīng)閾能。

表2　地層常見元素非彈性散射的閾能Table 2　Inelastic scattering threshold value of common formation elements.

由表2可見，D-T源密度測(cè)井中，14 MeV的中子與地層主要元素即12C、16O、28Si、40Ca反生非彈散射產(chǎn)生的γ射線的能量分別為4.78 MeV、6.51 MeV、1.84 MeV、3.82 MeV。

1.2 D-D源密度測(cè)量

在應(yīng)用D-D源進(jìn)行密度測(cè)量時(shí)，脈沖源釋放出的能量為2.5 MeV的快中子與地層反應(yīng)，產(chǎn)生γ射線的過程有非彈性散射、熱中子俘獲。由表2可以看出，當(dāng)使用D-D中子源進(jìn)行密度測(cè)量，可以發(fā)生非彈性散射的主要是Si元素，而C、O、Ca元素的主要非彈反應(yīng)閾能都要大于2.5 MeV，因此不以非彈性散射為主。

為驗(yàn)證D-D源密度測(cè)量過程中非彈γ和俘獲γ的貢獻(xiàn)，采用蒙特卡羅的方法模擬得到孔隙度分別為0%、10%、20%的飽含淡水砂巖(SiO2)地層中不同源距(6 cm、18 cm、30 cm、45 cm、60 cm)處非彈γ占總γ貢獻(xiàn)的比例，如表3所示。

表3　砂巖地層非彈γ比例Table 3　The inelastic gamma ratio of sandstone formation.

從表3可以看出，純砂巖地層中距D-D源18 cm處，總γ射線以非彈γ為主，其計(jì)數(shù)占總γ計(jì)數(shù)的47%；而在60 cm處以俘獲γ為主，非彈γ貢獻(xiàn)減弱，只占3%；在高孔隙地層中，非彈γ比例分別降為10%和1%。

產(chǎn)生該結(jié)果的原因是純砂巖地層只有Si元素發(fā)生非彈性散射和熱中子俘獲，O元素基本不參與反應(yīng)；而在高孔隙砂巖地層，H元素的加入影響俘獲γ的空間分布。由于其它元素不發(fā)生非彈性散射，因此當(dāng)?shù)貙硬皇巧皫r或石英含量很少時(shí)，這3%的砂巖誤差不會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生較大影響，但如果是低孔隙的純砂巖地層，3%的誤差已經(jīng)超過了儀器的允許誤差，必須進(jìn)行校正。同樣，純灰?guī)r(CaCO3)地層中非彈和俘獲γ隨源距的變化規(guī)律如表4所示。

表4　灰?guī)r地層非彈γ比例Table 4　The inelastic gamma ratio of limestone formation.

由表4，在18 cm處非彈γ的計(jì)數(shù)僅占1%，總γ射線以俘獲γ為主，而到了離源距離更大的60 cm處，非彈γ的比例僅有0.1%，因此使用D-D源在灰?guī)r地層產(chǎn)生的γ射線主要是俘獲γ的貢獻(xiàn)。

綜上所述，D-D中子源與地層反應(yīng)進(jìn)行密度測(cè)量，產(chǎn)生的γ射線主要是俘獲γ，該γ射線在輸運(yùn)中發(fā)生衰減，衰減規(guī)律與傳統(tǒng)γ-γ密度測(cè)井機(jī)理相同。因此，可以選用快中子與地層元素原子核發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的俘獲γ射線作為次生γ源來測(cè)量地層密度。其中，地層中熱中子俘獲截面大，對(duì)熱中子俘獲γ計(jì)數(shù)貢獻(xiàn)較大的核素主要有：1H、28Si、35Cl、40Ca、56Fe，它們的特征峰對(duì)應(yīng)的能量分別為2.23 MeV、3.54 MeV、4.93 MeV、6.11 MeV、6.64 MeV、7.42 MeV、6.42 MeV、7.64 MeV。

2　模型的建立

為考察應(yīng)用D-D源進(jìn)行密度測(cè)量過程中次生俘獲γ計(jì)數(shù)的影響，采用蒙特卡羅模擬程序建立三維地層模型，模擬不同條件下D-D和D-T源發(fā)射的快中子經(jīng)地層減速到達(dá)探測(cè)器的計(jì)數(shù)。模型的具體條件為：井眼直徑為7.9 cm，地層徑向半徑為150cm、高為250 cm，把整個(gè)地層劃分成環(huán)距為5cm、厚度10 cm的相鄰柵元；測(cè)井儀器外徑為7.9cm，脈沖中子源處于儀器前端5-15 cm處，脈沖寬度為40μs；探測(cè)器采用5 cm×10 cm的NaI晶體。在中子源和探測(cè)器之間放置理想屏蔽體。通過記錄不同源距處的γ射線通量，對(duì)比分析應(yīng)用D-T源和D-D源進(jìn)行密度測(cè)量的次生γ源的分布情況。

3　D-D與D-T源次生γ對(duì)比

本文設(shè)置D-T發(fā)生器的產(chǎn)額為1×108n·s-1、D-D發(fā)生器的產(chǎn)額為2×107n·s-1，則得到的純灰?guī)r和純砂巖地層中次生γ射線隨不同源距的分布，結(jié)果如圖1所示。

圖1　純灰?guī)r(a)和純砂巖(b)地層次生γ源隨源距分布Fig.1　Distribution of the induced gamma change with spacing in pure limestone formation(a)and pure sandstone formation(b).

從圖1可以看出，對(duì)于D-T源，當(dāng)源距小于50cm時(shí)，非彈γ占主要貢獻(xiàn)；50 cm左右時(shí)非彈γ和俘獲γ對(duì)次生γ源的貢獻(xiàn)相當(dāng)，之后俘獲γ貢獻(xiàn)占優(yōu)。而對(duì)于D-D源，在源距大于40 cm之后，總γ射線以俘獲γ為主。并且D-D源與D-T源相比，源距大于50 cm后，D-D源產(chǎn)生的俘獲γ的強(qiáng)度要大于D-T源的非彈γ。國(guó)外某廠家使用D-T源的隨鉆密度測(cè)井儀器的γ源距約為90 cm，在此距離處的D-D俘獲γ計(jì)數(shù)要遠(yuǎn)高于D-T非彈γ計(jì)數(shù)。因此，在純灰?guī)r和純砂巖地層的D-D次生γ不會(huì)由于計(jì)數(shù)偏低而造成較大的統(tǒng)計(jì)誤差。

除了純巖石骨架地層，俘獲γ還對(duì)地層中的流體比較敏感，因此還分析了不同孔隙度的砂巖地層情況，圖2(a)、(b)分別是孔隙度20%和40%、飽含淡水的砂巖地層中次生γ射線通量隨源距的分布。

對(duì)比圖1(b)、圖2(a)、(b)，雖然砂巖的孔隙度增加了，但對(duì)于D-T源，其非彈γ的貢獻(xiàn)基本不變，而對(duì)于D-D源，俘獲γ的計(jì)數(shù)變化率增大了。當(dāng)源距大于50 cm后，D-D俘獲γ的變化率和D-T非彈γ的變化率基本一致，但是D-D俘獲γ的計(jì)數(shù)略低。分析原因主要是由于地層中氫元素的影響，不僅影響俘獲γ的空間分布，對(duì)其強(qiáng)度大小也有一定影響。

但是由于距D-D源80 cm處的俘獲γ計(jì)數(shù)與距D-T源90 cm處的非彈γ計(jì)數(shù)基本相當(dāng)，所以即使在孔隙度或巖性不同的地層中，也可以通過調(diào)整源距的大小，使D-D源次生γ計(jì)數(shù)達(dá)到D-T源密度測(cè)井的計(jì)數(shù)量級(jí)。因此，如果使用D-D源進(jìn)行密度測(cè)量，并不會(huì)存在次生γ計(jì)數(shù)偏低而引起統(tǒng)計(jì)精度差的問題。

4　結(jié)語(yǔ)

本文通過分析D-D源與地層相互作用過程，明確了D-D源密度測(cè)量過程中次生γ類型，以及次生γ強(qiáng)度高低對(duì)密度測(cè)量可行性的影響，得到了以下結(jié)論，并提出下一步研究計(jì)劃。

1)D-D源密度測(cè)量時(shí)，應(yīng)用的次生γ主要為俘獲γ，特別是當(dāng)源距大于40 cm時(shí)，非彈γ的貢獻(xiàn)很小，可忽略。

2)雖然D-D源的中子產(chǎn)額較D-T源低一個(gè)數(shù)量級(jí)，但當(dāng)?shù)貙雍瑲淞枯^低且源距大于50 cm時(shí)，D-D俘獲γ計(jì)數(shù)高于D-T非彈γ計(jì)數(shù)；即使地層含氫量增加時(shí)，D-D俘獲γ計(jì)數(shù)略低，但也滿足密度測(cè)量的統(tǒng)計(jì)精度要求，因此D-D源的俘獲γ計(jì)數(shù)的高低不會(huì)對(duì)密度測(cè)量產(chǎn)生較大影響。

3)D-D源密度測(cè)量中俘獲γ作為次生γ源，影響因素多且復(fù)雜，如地層含氫量、元素種類和含量等，要想提高密度測(cè)量的精度，需要進(jìn)一步分析其變化規(guī)律，針對(duì)其影響因素提出合理的校正方案。

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收稿日期：2016-01-11，修回日期：2016-02-15

Corresponding author:YU Huawei,E-mail:yhwlog@163.com

通信作者：于華偉，E-mail:yhwlog@163.com

DOI:10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.030502

中圖分類號(hào)TL99，TE19