地层元素测井仪器结构参数的蒙特卡罗数值模拟

严慧娟，岳爱忠，赵均，张建民，王树声，林岩栋

（1.西安交通大学，陕西西安710049；2.中国石油集团测井有限公司技术中心，陕西西安710077）

地层元素测井仪器结构参数的蒙特卡罗数值模拟

严慧娟1，岳爱忠2，赵均1，张建民1，王树声2，林岩栋2

（1.西安交通大学，陕西西安710049；2.中国石油集团测井有限公司技术中心，陕西西安710077）

建立地层元素测井的蒙特卡罗方法数值模拟模型，分别对仪器的屏蔽体、硼套、源距等仪器参数对测井响应的影响进行数值模拟研究。单一屏蔽体材料中钨镍铁屏蔽率最高，组合材料中钨镍铁＋硼砂和钨镍铁＋聚乙烯的屏蔽率比相同厚度钨镍铁的屏蔽率略高一些，钨镍铁＋聚乙烯的效果更明显。实际仪器模型中11cm厚的钨镍铁屏蔽率大于0.9；硼套为10B与氟橡胶混合材料时其10B含量达到10%以上，达到降低仪器内部元素影响的效果；仪器外壳材料均可以采用沉淀不锈钢或铜，其对地层元素的解谱几乎没有影响。这些模拟结果可以为优化仪器结构参数提供参考。

地层元素测井；蒙特卡罗方法；数值模拟；仪器结构

0 引 言

地层元素测井通过测量中子在地层中产生的俘获伽马能谱和非弹性散射伽马能谱获取地层岩石骨架的主要元素种类和含量，确定岩性和骨架参数。最新的地层元素测井能够确定Si、Ca、Fe、S、Ti、Gd、 Mg、K、Mn、Al、H、Cl、C和O等14种元素的份额以及其中前10种元素的含量。在国外，30多年前出现自然伽马能谱和次生伽马能谱测井的时候，就开始研究地层元素测井技术，当时称之为地球化学测井。经过多年的发展，直到20世纪末才逐渐推出成型仪器。斯伦贝谢公司于1996年推出元素俘获谱测井仪器ECS［1］；哈里伯顿公司于2009年推出了一款类似仪器GEMTM［2］，这2款仪器都使用同位素中子源；贝克休斯公司于2009年推出了一款使用可控中子源的地层元素测井仪器FLeXTM［3］。

随着复杂岩性油气藏、页岩气、致密气等非常规油气藏勘探开发的深入，地层元素测井的作用得到越来越多重视，应用日益广泛。在页岩气和致密气勘探中，地层元素测井已经成为必测项目。地层元素测井可以直接、准确地确定岩性，这是其他测井方法无法比拟的。

大庆、胜利、华北、青海、克拉玛依和塔里木等油田利用国外仪器进行了测井试验和应用研究，在火山岩等复杂岩性识别与解释评价方面进行了有益的探讨［4－8］。但限于国外仪器应用的诸多不便，地层元素测井在国内并未得到规模应用。2011年，中国石油天然气集团公司支持立项研制地层元素测井仪器。本文就仪器设计部分的研究成果作一介绍。

1 蒙特卡罗计算模型的建立

在调研国外同类仪器后提出了地层元素测井仪器初步的几何结构和参数（包括源结构、源距、探测器、仪器外径和长度等）以及材料的类型等，建立仪器测井的蒙特卡罗方法数值计算模型（见图1）。测井模型基本参数中地层高度为130cm，直径为150 cm，井眼半径为10cm；仪器分为2段，2段尺寸分别为Φ12.7cm×70cm和Φ9cm×45cm，总长度为115cm；源为Am－Be中子源，屏蔽体材料为钨镍铁；探测器材料为BGO晶体；硼套材料为45%的硼粉打混氟橡胶。

图1 地层元素测井仪器蒙特卡罗方法数值计算模型

2 仪器屏蔽体的屏蔽性能

屏蔽体是为防止中子源产生的中子直接进入仪器探测器影响探测结果而设置的。其屏蔽性能是屏蔽材料选取和确定厚度的唯一目标。屏蔽性能一般用屏蔽率表示，描述了屏蔽体阻挡粒子穿过的能力。

2.1 理论计算模型

为测试屏蔽体的屏蔽效果，首先参照ISO技术标准［9］建立镅铍中子源，设置模型最左侧的垂直面为面源，向右水平发射中子，经过10cm厚的空气层进入屏蔽体，分别记录中子经过屏蔽体前后的中子流，最后获得屏蔽材料的屏蔽率。屏蔽体材料分别取钨镍铁、铁、铅、铜、石墨、硼砂和聚乙烯7种。各种材料屏蔽率随厚度的变化规律见图2。

图2 不同屏蔽材料的屏蔽率随厚度的变化规律

由图2可以很明显看出，随着屏蔽体厚度的增加，各种材料的屏蔽率都逐渐增大，其中钨镍铁是所选几种材料中屏蔽效果最好的，并且在厚度为14 cm时屏蔽率达到0.80，达到较好的屏蔽效果。

考虑到随着屏蔽层的加厚，热中子会逐渐增加。如果采用组合材料，即先用一定厚度的钨镍铁，再加一段其他材料，可能会取得更好的屏蔽效果。于是，计算了10cm厚度钨镍铁加3cm及5cm厚度其他材料作屏蔽体的情况，分别与屏蔽体是钨镍铁13 cm和15cm时屏蔽率进行比较，得到结果见表1。

表1 相同厚度情况下不同材料组合的屏蔽率比较

由表1可以看出，在所有组合材料中只有钨镍铁＋硼砂和钨镍铁＋聚乙烯的屏蔽率比相同厚度钨镍铁的屏蔽率略高一些，而其他组合材料反比钨镍铁的屏蔽率要低。

2.2 仪器模型

仪器结构如图1所示，在源和屏蔽体之间是沉淀不锈钢，它对中子也起到一定的屏蔽作用。从实际仪器设计考虑在源和屏蔽体之间也可以是空腔或其他材料。为了分析这2种情况下屏蔽体的屏蔽效果，建立了2种计算模型（见图3）。图3（a）所示为源和屏蔽体之间是沉淀不锈钢的局部模型图；图3（b）所示为源和屏蔽体之间是空腔的局部模型图。模拟计算得到2种情况下屏蔽率随屏蔽体厚度变化的规律（见图4）。

由图4可以看出，屏蔽体厚度4cm情况下源和屏蔽体之间是空气时的屏蔽率为0.63；源和屏蔽体之间是沉淀不锈钢时，由于铁对中子的慢化的作用，中子入射面的中子能量会相应降低，使得屏蔽率已经达到0.82。所以仪器内部的铁的影响不可忽略。在实际仪器中源和屏蔽体之间会填充轻型的慢化材料，屏蔽效果应该介于中间材料是空腔和沉淀不锈钢之间，厚度11cm的钨镍铁可以达到屏蔽率0.9以上，完全能够满足实际仪器要求。

3 硼套对探测器响应的影响

硼套是为了防止仪器外部的热中子进入仪器与仪器材料发生反应影响探测结果而设置的。在硼套厚度一定时，将10B与氟橡胶按照不同质量比例进行混合，使硼的浓度分别为0.3%、2.5%、10%、30%和50%，混合后的硼表面密度见表2。计算没有硼套情况进行比较，得到的能谱曲线见图5。

表2 不同混合比例下硼的表面密度

图5 不同硼混合比例能谱比较

由图5可看出，在无硼套到硼混合比例逐渐增大时，计数率逐渐降低，而且硼混合比例低时变化幅度大，硼混合比例高时变化幅度小。当硼混合比例达到10%之后随着硼混合比例增加曲线变化幅度非常小，可以近似认为硼混合比例为10%时接近饱和程度，即再增加硼混合比例，计数率变化不大，铁峰也没有显著的变化。硼混合比例10%的情况下，就可以较好地满足屏蔽仪器内部元素影响的效果。

4 源距对探测器响应的影响

根据仪器的基本结构，模拟计算中源距分别为41、43、45、47、49、51cm和53cm，得到总计数率随不同源距的变化曲线及不同源距探测器计数能谱曲线见图6。由图6可知，探测器总计数率随源距增加而减小；探测器计数能谱曲线也随源距增加而降低，且各主要特征峰几乎同幅度降低。源距增大，可以减小井眼的影响，但考虑到随着源距增大计数率不断减低，过低的计数率不利于仪器测量，所以仪器的源距不能过大。另外，仪器源距的选择还要综合考虑仪器的探测深度等因素。

图6 不同源距计数率变化曲线图

5 仪器外壳材料对探测器响应的影响

仪器外壳材料可以取沉淀不锈钢或铜。这里分别计算了2种材料对探测器响应影响规律，计算结果的能谱曲线见图7。

图7 外壳材料为沉淀不锈钢和铜的能谱曲线

由图7可以看出，外壳为沉淀不锈钢和铜的差别除在铁峰处差异稍大外，在其他能量区间相对偏差均在15%以内，对各主要峰值影响很小，对地层元素的解谱几乎没有影响。所以，外壳材料的选取采用沉淀不锈钢或铜均可以。

6 结 论

（1）在所选的单一屏蔽体材料中，钨镍铁是屏蔽率最高的；在选定的组合材料中，钨镍铁＋硼砂和钨镍铁＋聚乙烯的屏蔽率比相同厚度钨镍铁的屏蔽率略高一些，钨镍铁＋聚乙烯的效果更明显，所以屏蔽体的材料可以选取钨镍铁和聚乙烯的组合材料；在实际仪器模型中，11cm厚的钨镍铁可以达到屏蔽率大于0.9的要求。

（2）硼套为10B与氟橡胶混合材料时，其中的10B含量达到10%以上，即可以达到屏蔽仪器内部元素影响的效果。

（3）随着源距的增大，各能量段的计数率及总计数率都随之减小。源距的选取要同时综合考虑其他因素。

（4）仪器外壳材料采用沉淀不锈钢或铜均可以，对地层元素的解谱几乎没有影响。

［1］ Barson D，Christensen R，Decoster E，et al.Spectroscopy：The Key to Rapid，Reliable Petrophysical Answers［J］.Oilfield Review，2005：14－33.

［2］ Galford J，Quirein J，Shannon S，et al.Field Test Results of a New Neutron－Induced Gamma－Ray Spectroscopy Geochemical Logging Tool［C］∥New Orleans，Louisiana.2009：22.

［3］ Xiaogang Han，Richard Pemper，Teresa Tutt，et al.Environmental Corrections and System Calibration for a New Pulsed－Neutron Mineralogy Instrument［C］∥SPWLA 50th Annual Logging Symposium，June 21－24，2009.

［4］ 袁祖贵，楚泽涵.一种新的测井方法（ECS）在王庄稠油油藏中的应用［J］.核电子学与探测技术，2003，23（5）：417－423.

［5］ 魏国，赵佐安.元素俘获谱（ECS）测井在碳酸盐岩中的应用探讨［J］.测井技术，2008，32（3）：285－288.

［6］ 刘绪纲，孙建孟，郭云峰.元素俘获谱测井在储层综合评价中的应用［J］.测井技术，2005，29（3）：236－239.

［7］ 谭锋奇，李洪奇，姚振华，等.元素俘获谱测井在火山岩储层孔隙度计算中的应用 ［J］.国外测井技术，2008，168：27－30.

［8］ 刘应华，赵军，胡洪，等.ECS在塔里木复杂地层中的应用［J］.国外测井技术，2008，168：21－23.

［9］ ISO.Reference Neutron Radiations——Part 1：Characteristics and Methods of Production［S］.Geneva，Schweiz.2001.

Monte Carlo Numerical Simulation of Structure Parameters in Formation Elements Logging Tool

YAN Huijuan1，YUE Aizhong2，ZHAO Jun1，ZHANG Jianmin1，WANG Shusheng2，Lin Yandong2
（1.Xi’an Jiaotong Univeristy，Xi’an，Shaanxi 710049，China；2.Technical Center，China Petroleum Logging CO.LTD.，Xi’an，Shaanxi 710077，China）

The Monte Carlo simulation model of formation elements logging tool is established.With the model the effects of tool parameters including the shield，boron coating and source spacing are studied on logging responses.In the single shield materials，the shielding effect of Tungsten（W），Nickel（Ni）and Iron（Fe）is the best.In the combined shield materials，the shielding effect of W－Ni－Fe＋Boron（B）and W－Ni－Fe＋polyethylene is better then that of W－Ni－Fe with the same thickness；the shielding effect of W－Ni－Fe＋polyethylene is much better.In practical tool model，the shielding effect of 11cm thick of W－Ni－Fe material is above 0.9；if the Boron coating is the mixed material of10B and fluoro－elastomer，its10B content is more than 10%，which may reduce the tool’s internal elements influencing effect.The tool shells may use settling stainless steel or Copper（Cu），because they don’t have any influence on spectrum deconvolution of formation elements.The above results may be used as a reference for optimizing the tool structure design.

formation elements logging，Monte Carlo method，numerical simulation，tool structure

P631.84 文献标识码：A

2011－12－28 本文编辑 李总南）

齐德鹏，男，工程师，从事射孔技术管理工作。