脉冲中子氧活化测井时间谱的模拟计算

姜亦忠 徐 琳 王建民 杜 辉

(大庆钻探工程公司测井公司 黑龙江大庆)

脉冲中子氧活化测井时间谱的模拟计算

姜亦忠 徐 琳 王建民 杜 辉

(大庆钻探工程公司测井公司 黑龙江大庆)

文章从氧活化测井基础出发,建立了测井仪器探测模型,应用中子活化和探测函数计算出了不同流速情况下的时间谱,计算的结果与实际测量的时间谱具有良好的一致性,证明该计算方法是可行的。该模拟计算方法可以为氧活化仪器设计和刻度系数的确定提供理论基础。

氧活化测井;脉冲中子;时间谱;模拟

0 引 言

脉冲中子氧活化测井技术已经在各油田得到了广泛的应用,而且取得了明显的效果。实际应用中,为了获得准确的流速,需要经过流动刻度装置对有效源距进行刻度,但目前的流动刻度装置很少能够满足放射性防护的要求,因此在实际应用中往往给出的是相对变化的流量。同时在新仪器的设计中,给出的源距没有理论基础,往往是根据经验给出的。为了解决仪器刻度和设计中的问题,更好地提高测量精度,从氧活化测井基本原理出发,模拟活化和测量的过程,通过模拟计算给出不同流速下的时间谱,为氧活化技术发展提供理论基础。

1 氧活化测量原理

中子发生器发射的高能中子辐照井眼周围和地层中的物质,发生多种核反应。受到10.2 MeV以上能量中子辐射时,水中的16O原子核能被活化成放射性16N原子核;半衰期为7.13 s,通过衰变再变回到16O原子核,并发射6.13 MeV和7.11 MeV能量的伽马射线。脉冲氧活化测井仪器中的中子发生器先发射1 s～20 s的中子脉冲,活化仪器周围流过的水,使其具有放射性。在水的流动方向上放置多个伽马射线探测器,探测记录活化水流经探测器产生的随时间变化的计数率分布谱。通过多次重复发射中子和记录伽马射线,降低伽马计数统计涨落,在计数率对时间的分布谱上,就能确定出活化水的到达时间。用此时间除以已知的中子发生器到探测器之间的距离,计算出水流速度[1、2]。由于高能中子和高能伽马射线可以穿透钢套管,因此这种方法可以测量油管内、油管外甚至套管外水流的速度,适用于在笼统注入井和分层注入井中测量注入剖面。该方法还可用于检测封隔器漏失和套管外水泥环中的窜流。

2 理论模型

应用蒙特卡洛方法可以计算氧活化的活化分布和探测器的响应函数,因此可以预测出水流动带来的探测器计数率的变化[3]。

式中,λ是衰变常数,S(t)是时间t时的中子源强度,t0是活化期的起始时刻,ta是活化时间,A是流动横截面积,D(z)是相对中子源位置的活化分布,R(z)是相对于探测器平面的探测器响应函数。L是探测器源距,v是流动速度。

3 计算模型

为了应用蒙特卡洛方法得到探测器响应函数和活化分布函数,建立了相应的计算模型,如图1所示,井筒为标准的139.7mm套管,井筒内为外径43mm的氧活化仪器,水流方向为y方向,中子源的位置为原点,探测器到中子源的距离为L=100 cm,水流在套管和仪器间的环形空间流动,流速为 v,经过中子源的活化,流到探测器被探测。

通过蒙特卡洛模拟可以得到活化分布函数和探测器响应函数。

图1 氧活化测井模型图

4 模拟计算结果

应用公式(1)计算活化期为2 s,源距100 cm情况下不同水流的活化分布和时间谱分布,时间谱测量间隔为0.1 s,如图2、3所示。从图中可以看出,随着流速的增加,活化分布越来越宽,幅度越来越小,这是由于流速越快,氧元素受中子源活化的时间越短,单位体积活化核分布越少。从时间谱中可以看出,流速越慢,测量到的伽马射线越少,分布越宽,这是由于流动过程中活化核的衰减造成的;当流速超过一定数值后,部分活化核没有衰减就流过了探测器,因此造成时间谱的峰值降低。

图2 不同流速情况下活化分布图

图3 不同流速下的时间谱

图4显示的是模拟计算的流速为5.27 cm/s的时间谱与实测的时间谱对比图,图5显示的是流速为9.25 cm/s的计算谱与实测谱对比图。

图4 流速5.27 cm/s实测谱与计算谱对比图

图5 流速9.25 cm/s实测谱与计算谱对比图

从图中可以看出,计算的时间谱与实测的时间谱对应得很好,计算的峰位与实测结果具有良好的一致性,证明该模拟计算方法是真实有效的。

5 结 论

氧活化测井技术已经在各油田开始大面积应用,而且取得了明显的应用效果,不同源距仪器经过刻度得到有效的源距,用于计算流速。由于国内多数流动刻度装置不具备放射性刻度条件,使得无法对仪器进行校准,带来测量误差。脉冲种子氧活化的模拟计算方法,通过理论推导给出了时间谱模拟计算公式,同时计算的结果与实测结果一致,为氧活化测井仪器的设计和刻度系数的计算提供了技术支持。

[1] 王建民,肖培琛.氧活化技术在聚合物注入剖面测井中的应用[J].测井技术,1999,23(3)

[2] 罗顺忠.核技术应用[M].哈尔滨工程大学出版社,2009

[3] D.C.Mckeon.Interpretation of oxygen activation logs for detecting water flow in producing and injection wells.SPW LA 32rid Annual Logging Symposium,1991

Simulation of time spectrum by oxygen activation logging.

Jiang Yiqing,Xu Lin,Wang Jianmin and Du Hui.

Based on the principle of oxygen activation logging,the theoretical model is built up and neutron activation and sensing function is derived.Using this function,the time spectrum of activated fluid at various speeds is calculated.The consistency between theoretical and fields results verifies the method.It will be very useful in the tool design and the determination of the calibration.

oxygen activation water flow 1ogging;pulse neutron;time spectrum;simulation

P631.8+17

B

1004-9134(2011)06-0005-02

姜亦忠,男,1968年生,高级工程师,1990年毕业于吉林大学物理系,现在大庆钻探工程公司测井公司从事测井仪器研发制造工作。邮编：163412

2011-07-13

刘雅铭)

PI,2011,25(6)：5～6

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