推靠式碳氧比测井仪探测系统的结构设计

孙 亮

（大庆油田测试技术服务分公司 黑龙江 大庆）

0 引言

近年来，随着油田开发的不断深入，国内各油田对地层参数测井技术提出了更高的要求。作为目前主流的过套管剩余油饱和度测井仪，双源距碳氧比能谱测井仪也亟需优化设计仪器结构，提高仪器整体性能，以满足油田开发中后期以及低孔低渗条件下的测井需求。传统的双源距碳氧比测井仪的设计理念是利用远探测器采集来自地层的伽马射线，利用近探测器采集来自井眼的伽马射线，通过数据处理对地层响应进行井眼补偿。一种新的结构设计思路是，把测井仪推靠到套管内壁上，在探测器与井内介质之间设置伽马射线屏蔽体，让近、远探测器都主要记录来自地层方向的伽马射线，利用近探测器纵向分辨率好、双探测器统计精度优于单探测器的原理，提高仪器的测量精度和薄层分辨能力。

针对该设计思路开展了前期理论研究，结果显示，将测井仪推靠至套管内壁，并在面向井眼一侧设置屏蔽体，可以降低井内介质变化对近、远探测器的影响，提高探测器区分地层的能力及薄油层分辨率，探测器的源距小于42cm时，可以对50cm厚的薄油层进行有效识别，相较于仪器居中的情况，仪器推靠至井壁后，地层探测深度有所增加[1、2]。

基于理论研究结果制定了仪器结构设计方案，制造了推靠式碳氧比测井仪的试验样机并开展了模拟井刻度试验及现场试验。

1 仪器结构设计方案

推靠式碳氧比测井仪试验样机继承双源距碳氧比测井仪及脉冲中子全谱测井仪的技术优势，利用一个中子发生器和2个伽马探测器，可以实现碳氧比测井、中子寿命测井和活化水流测井等三种测井功能[3、4]。

试验样机针对DDCO-III双源距碳氧比测井仪的探测系统进行改造，并设计加装了推靠器以便在测井过程中将仪器推靠至套管内壁。

1.1 铅屏蔽体屏蔽效果数值模拟

研究结果表明，在探测晶体与井内介质之间设置伽马射线屏蔽体可以有效降低井眼影响，提高测井仪器响应地层的能力。为了优化设计探测器系统中屏蔽体的结构，需要了解屏蔽体对伽马射线的屏蔽效果。

伽马射线穿过屏蔽体时，与屏蔽体的原子发生光电效应、康普顿效应和电子对效应，能量降低或消失，并偏离原来的入射方向，没有与屏蔽体发生相互作用的伽马射线穿过吸收层，能量保持不变，可以被探测晶体探测到。某一单能伽马射线束穿过屏蔽体时，其强度（探测晶体计数率）的衰减遵循指数规律，

式中，Ｉ0和Ｉ为分别为穿过屏蔽体前、后的伽马射线强度；为屏蔽体的线性吸收系数，单位为cm[1]；为屏蔽体的厚度[5]。

为了解铅屏蔽体对伽马射线的屏蔽效果，建立了铅屏蔽体屏蔽效果数值模拟模型，如图1所示。图中灰色部分为圆环状屏蔽体（两次计算分别设置屏蔽介质为铅和空气），“+”位置放置各项同性的伽马点源，伽马射线能量分别为4.44 MeV（碳元素特征能量）、6.13 MeV（氧元素特征能量），每次计算粒子数为5×109个，记录屏蔽体各圆环屏蔽体外表面的伽马射线总流量。通过对比屏蔽介质为铅和空气两种状态下的计数率即可得到不同厚度情况下的铅屏蔽效果，如图2所示。

图1 屏蔽效果数值模拟模型剖面图（长度单位：mm）

图2 铅的屏蔽效果与屏蔽体厚度的关系

由图中可以看出，铅屏蔽体对伽马射线的屏蔽效果与屏蔽体厚度之间呈指数关系，伽马射线的计数率随着屏蔽体厚度的增大而逐渐减少，这与式（1）给出的物质对伽马射线的吸收规律相符。

1.2 偏心探测器组结构设计

伽马射线的有效计数率与探测晶体的体积成正比，即探测晶体直径越大，有效计数率越高。屏蔽体屏蔽效果研究结果显示，屏蔽体厚度越大，对伽马射线的屏蔽效果越好。结合DDCO-III碳氧比测井仪的尺寸要求，设计了如图3所示的推靠式碳氧比测井仪的偏心探测系统。

图3 偏心探测系统结构示意图

图4为偏心探测系统的剖面示意图。如图4所示，BGO近、远探测晶体直径为40mm，晶体封装外壳壁厚为5mm，包围在晶体外侧的半月形铅屏蔽体使探测器在保温瓶内偏心放置，屏蔽体最大厚度为12mm，开口角度为110°。偏心探测器组与半月形铅屏蔽体组成的系统外径为62mm，可直接替换DDCO-III碳氧比测井仪的探测器组进行测井。

图4 偏心探测器系统剖面示意图

按照式（1）给出的公式对曲线进行拟合，即可得到铅屏蔽体对碳、氧的特征能量的伽马射线的线性吸收系数C和O，利用积分法估算伽马射线通过半月形铅屏蔽体后的强度衰减，综合考虑碳氧计数窗宽度及仪器其它壳体（外壳、保温瓶、晶体封装外壳等）对伽马射线的吸收等因素，将有约80%以上的来自井内介质的伽马射线无法被偏心探测系统中的BGO晶体记录，近、远都主要记录来自地层方向的伽马射线。

1.3 推靠器结构设计

为了保证更多来自地层的伽马射线进入探测晶体，需要使用推靠器将仪器推靠至套管内壁上，从而进一步降低井内介质对测量结果的影响。

推靠器整体材质为钛钢（TC11），外径为89mm，可与DDCO-III双源距碳氧比测井仪、PNST脉冲中子全谱测井仪进行无缝连接。测井时，通过指令控制电机驱动推靠臂，最大推出距离约为32mm，推靠臂推出至套管内壁，使偏心探测器尽可能靠近地层，以响应来自地层方向的伽马射线，降低井眼影响。

为保证仪器在测井过程中正常工作，在推靠臂上安装滚轮，避免推靠臂与井壁的直接摩擦，减少阻力，同时，在推靠臂驱动杆一端安装弹簧，保证推靠臂推出后具有一定的伸缩空间，以降低仪器卡井几率；提高推靠臂收缩仓的密封性，以免井液进入推靠器内部导致推靠器无法正常工作。

2 模拟井刻度试验

为了考察仪器的性能指标，针对改造后的推靠式碳氧比测井仪开展了模拟井刻度试验。

试验在测试技术服务分公司检测实验中心地层参数实验室的模拟井中进行，选取的2口模拟井的地层饱和度分别为100%油砂岩和100%水砂岩，套管外径139.7mm，井内介质为水，水泥环厚度为30mm，每口井有5个地层，孔隙度分别为16%，20%，25%，30%和35%。

首先利用DDCO-III碳氧比测井仪进行定点测量，然后将同一支碳氧比测井仪的探测器更换为偏心探测器并加装推靠器在相同的条件下进行测井，分别得到各层位的碳氧比值，进而可以计算出两支仪器在不同孔隙度下的灵敏度（（C/O油－C/O水）/C/O水），结果如表1所示。从表1可以看出，相比于DDCO-III双源距碳氧比测井仪，采用新型结构的推靠式碳氧比测井仪在不同孔隙度条件下的灵敏度均有明显提高，说明其具有更好的油水分辨能力。相对于DDCO-III双源距碳氧比测井仪，推靠式碳氧比测井仪两个探测器的灵敏度差异不明显，说明推靠式碳氧比测井仪两个探测器均反映地层信息，受井眼影响较小。

表1 试验样机与DDCO-III碳氧比测井仪模拟井试验结果对比

3 现场应用实例

为了考察仪器的现场适应性及测试效果，在大庆油田采油十厂进行了4口井的现场试验，使用DDCOIII碳氧比测井仪和推靠式碳氧比测井仪分别对每口井进行测量。试验样机一次测井成功率100%，推靠器工作正常。

图5 朝87-更普XX井碳氧比测井资料处理结果

图5给出了朝87-更普XX井的碳氧比测井资料预处理结果。如图5所示，相比于DDCO-III碳氧比测井仪，加装新型探测系统并采用推靠式测井方式测井的试验样机，两个探测器的数据一致性更好，受井眼影响更小，对油层的识别能力更强。

4 结论及建议

在前期理论研究的基础上，开展了铅屏蔽体屏蔽效果数值模拟研究，制定了推靠式偏心探测系统的设计方案，制造了偏心探测系统及偏心推靠器，与DDCOIII碳氧比测井仪进行了配接调试，并开展了模拟井试验和现场试验。试验结果显示，探测器在仪器内部偏心并利用推靠器将测井仪推靠至套管内壁进行测量可有效提高碳氧比测井灵敏度，降低井眼影响。

由于采用了小尺寸探测晶体，并加装了背屏蔽，探测器有效计数率降低，建议在测井过程中降低测速，以保证测井质量。

[1]孙 亮.推靠式碳氧比测井响应随源距变化的数值模拟[J].测井技术，2011，35（6）

[2]郑 华，丁有贵.碳氧比测井地层探测深度的理论研究[J].测井技术，1999，23（1）

[3]郑 华，刘宪伟，董建华.双源距碳氧比测井技术研究[J].测井技术，2005，29（2）

[4]郑 华，董建华，刘宪伟.PNST脉冲中子全谱测井仪[J].测井技术，2011，35（1）

[5]复旦大学，清华大学，北京大学合编.原子核物理实验方法（第三版）[M].北京：原子能出版社，1997