脉冲中子密度测井中的γ场和中子场特性

程亮，吴文圣 （油气资源与探测国家重点实验室 （中国石油大学 （北京）），北京 102249）

何景枝 （安徽省勘查技术院，安徽 合肥 230031）

脉冲中子密度测井中的γ场和中子场特性

程亮，吴文圣 （油气资源与探测国家重点实验室 （中国石油大学 （北京）），北京 102249）

何景枝 （安徽省勘查技术院，安徽 合肥 230031）

中子场和γ场特性直接或间接影响脉冲中子密度的测量精度。应用蒙特卡洛数值模拟方法，计算了一个脉冲周期内，中子场和γ场的时间特性、空间特性和在地层中的衰减特性。由此得出，总中子时间谱和总γ时间谱均为方波，强度在中子脉冲停止后瞬间达到最大；非弹性γ强度在中子脉冲期间较为稳定。快中子场、非弹性γ场在脉冲期间以中子源为中心呈球状分布；脉冲停止后，强度峰值分布在以源为中点的圆环上。热中子场的强度峰值总是分布在以中子源为中点的圆环上。快中子场在介质相同时，孔隙度越大，衰减越快 （气层除外）；孔隙度相同时，介质的原子密度和含氢量越大，衰减越快；非弹性γ场的衰减受地层密度和孔隙度双重影响。

脉冲中子密度测井；中子场；γ场；蒙特卡洛模拟

脉冲中子密度测井方法的原理是以脉冲中子源在中子脉冲发射期间产生的非弹性散射γ射线作为密度测井的γ源，非弹性散射γ射线在扩散过程中与地层产生以康普顿效应为主的核反应，由探测器记录经过康普顿效应的γ射线来求取地层密度［1～7］。

与现有的γ源密度测井比较，脉冲中子密度测井有如下优势：①源可控，对人和环境伤害小；②可以在裸眼井中测量，也可以为没有裸眼井密度测井资料的套管井提供地层密度值；③几乎不受地层泥质含量或孔隙中天然气的影响。该测井方法在20世纪90年代后期已投入商业应用，国内在该方面的研究起步较晚。

在脉冲中子密度测井中，当快中子进入地层后，在中子源周围将出现快中子场、热中子场、非弹性散射γ场和俘获γ场［8］，这些中子场和γ场均直接或间接影响地层密度的求取，因此，有必要开展中子场和γ场特性的研究。笔者以蒙特卡洛数值计算为基础［9，10］，研究相关中子场与γ场的时间、空间和衰减特性。

1 计算模型

计算模型设为圆柱体状［11］，高120cm，井眼半径为10cm，地层半径为70cm，为均质地层，岩性为砂岩，水泥环厚度30mm，套管为钢，厚7mm，井内介质为水。孔隙度和孔隙内介质随研究问题的不同而改变。脉冲密度测井仪器在套管井内居中放置，仪器外壳为钢，厚度2mm。脉冲中子源各向同性地发射能量为14.1MeV的中子，脉冲宽度为40μs，一个周期为100μs。探测器的源距可改变，探测器和中子源之间充满理想屏蔽体。

2 中子场和γ场的时间特性

图1显示的是100μs时间内总中子时间谱 （脉冲宽度为40μs），可以看出，在中子脉冲40μs内，总中子时间谱为一方波；总中子强度随时间的增大而增大，这主要是由于热中子数量增加造成的；当中子脉冲停止后，总中子强度在延时大约0.5μs后回落，这是由于中子源停止发射后，快中子减速到热中子需要一定的时间。上述中子总数时间分布的滞后性，在设计测量时间序列时应加以考虑。

图2显示的是100μs时间内热中子时间谱 （脉冲宽度为40μs），可以看出，在中子脉冲发射约1μs后，开始产生热中子，且数量迅速增加，7μs后增速变缓，中子脉冲停止后约0.5μs内达到最大值；其后，热中子数量将按照指数规律衰减，衰减的速度取决于地层的热中子俘获能力。

综合图1与图2可见，当脉冲发射停止后，地层中的中子数量主要是热中子，即使是在中子持续发射的40μs时间内，热中子在中子总数中的比例也是不可忽视的。

图1 脉冲宽度为40μs的总中子时间谱 图2 脉冲宽度为40μs的热中子时间谱

图3是100μs时间内的总γ时间谱和非弹性散射γ时间谱 （脉冲宽度为40μs），可以看出，在中子脉冲发射期间，非弹性散射γ强度较为稳定，这也是能把其看作密度测井的γ源的原因之一。非弹性散射γ在中子脉冲停止发射约0.5μs时间后迅速衰减，总γ强度在中子脉冲期间随时间的增加而逐渐增加，这说明热中子俘获γ强度在中子发射期间随着时间的增加而增加。中子停止发射后，γ射线随着时间的衰减主要是俘获γ射线的衰减。

根据上面对中子和γ时间谱的特征分析可以看出，对于一个脉冲周期，应选择在脉冲期间即0～40μs测量非弹性散射γ，在50μs以后的时间测量俘获γ。

图3 脉冲宽度为40μs的总γ时间谱和非弹性散射γ时间谱

3 中子场和γ场的的空间特性

计算时，设脉冲中子源的中点位于 （0，0，60）处。

3.1 快中子场的空间分布

图4显示的是快中子场在地层空间的分布，可以看出，脉冲发射期间，在半横截面地层中，快中子场强度最大点位于中子源点，快中子场以中子源为中心呈半圆形分布，此时，在整个地层空间中，快中子场以中子源为中心呈球状分布。在脉冲发射停止后的瞬间内，快中子场强度减弱，强度的中心偏离中子源，此时，在整个地层空间中，快中子场的强度峰值点分布在以中子源为中点，半径约为7cm的圆环上，该圆环面垂直于仪器轴。这是因为中子脉冲停止后，快中子减速到热中子需要一定的时间。

图4 快中子场的空间分布

3.2 非弹性散射γ场空间分布

非弹性散射γ场在地层空间的分布如图5所示，可以看出，在中子脉冲期间，在半横截面地层中，非弹性散射γ场近似以中子源为中心呈半圆形分布，在整个地层空间，非弹性散射γ场将围绕中子源呈近似球状分布。中子源附近的非弹性散射γ场强度最大，随着在地层纵向和径向上的延伸，强度逐渐减小。在脉冲发射停止后的瞬间内，非弹性散射γ场强度峰值偏离中子源点，在整个地层空间内，非弹性γ场的强度峰值点分布在以中子源为中点，垂直于仪器轴，半径约为7cm的圆环上。从图5可以看出，非弹性散射γ在地层中的穿透能力不强，这也决定了脉冲中子密度测井的径向探测深度有限。

图5 非弹性散射γ场的空间分布

3.3 热中子场空间分布

图6是热中子场的空间分布图。热中子场的分布具有以下特点：热中子场的强度峰值偏离中子源点，分布在以中子源为中点，垂直于仪器轴的圆环上；脉冲期间，热中子强度逐渐增大，在中子脉冲停止发射瞬间强度最大，其后强度逐渐衰减变小；与快中子场或非弹性γ场比较，热中子场随距离衰减的速度更快。

图6 热中子场的空间分布

4 快中子场和非弹性散射γ场的衰减特性

由于超热中子、热中子、俘获γ在地层中的衰减特性在文献 ［9］中已有结论，笔者主要对快中子场和非弹性散射γ场的衰减特性展开研究。

4.1 不同饱和度水时的衰减特性

计算时，设地层的孔隙度分别为0%、15%、30%和45%，孔隙中充满水，探测器源距L从10cm一直增加到90cm。

图7显示的是快中子通量随源距L的变化，可以看出，在半对数坐标上，随着源距的增大，快中子通量呈线性降低；地层孔隙度越大，快中子通量降低幅度越大，说明孔隙度越大，快中子通量衰减速度越快。这是因为当孔隙中只含水时，孔隙度越大，含氢量越高，地层中子减速能力越强。

图8显示的是非弹性散射γ通量随源距L的变化，可以看出，在半对数坐标上，随着源距的增大，非弹性散射γ通量呈线性降低；孔隙度越大，体积密度越小，非弹性散射γ通量衰减越慢，反之越快。这符合普通吸收方程形式，是利用非弹性散射γ求取地层密度的基础。但是，孔隙度越大，地层含氢量越高，快中子衰减越快，由快中子贡献的非弹性γ数量减少越快，也即非弹性γ通量衰减较快。地层密度、孔隙度对非弹性γ通量的正、反作用使其在不同地层衰减差别较小，衰减曲线间间隔较小，识别地层密度的灵敏度较低。随着探测器源距的增加，孔隙度或中子迁移影响逐渐减小，地层密度的影响逐渐增加。

图7 不同孔隙度地层快中子通量与源距的关系 图8 不同孔隙度地层非弹性γ通量与源距的关系

图9为相同孔隙度和孔隙介质条件下非弹性γ通量和快中子通量沿井眼分布情况的对比，可以看出，快中子通量比非弹性γ通量衰减的要快。该规律是固有的，因为中子源性质是固定的，非弹性γ的有效源是动态的，探测器接收到的γ射线可以看作是不同轴向地层贡献的总和，探测器附近γ射线随源距的增大而减少，与快中子通量随源距减少相关。

4.2 不同孔隙介质时的衰减特性

图9 快中子通量和非弹性γ通量衰减对比

源距处的非弹性γ通量，包含两方面信息：一是与饱含水层和油层的纯砂岩地层比较，饱含气层的非弹性γ通量衰减较慢，即密度小的地层，非弹性γ通量衰减慢，说明非弹性γ通量衰减中含有地层密度信息；二是在一定源距范围内，与纯砂岩地层比较，饱含油和水层的非弹性γ通量衰减快，说明非弹性γ通量衰减受中子迁移影响。

图10是4种不同地层条件不同源距处的快中子通量，可以看出，在源距L一定时，与纯砂岩地层相比，饱含气地层的快中子通量增加，饱含油和水地层的快中子通量降低，且源距越大差别越明显，这说明随着原子密度和含氢量的增加，快中子衰减加快。图11显示了4种不同地层条件下不同

5 结论

1）在中子脉冲期间，总中子时间谱为方波，因热中子数量增加，强度逐渐增加，在中子脉冲停止后瞬间达到最大值；总γ时间谱也为方波，因俘获γ数量增加，强度逐渐增加，在中子脉冲停止后瞬间达到最大值；非弹性散射γ强度在中子脉冲期间较为稳定；中子时间谱和γ时间谱均存在时间分布上的滞后性。

2）中子脉冲期间，快中子场、非弹性散射γ场均围绕中子源呈球状分布，强度峰值在中子源点处；脉冲停止后，强度峰值偏离中子源点，分布在以中子源为中点，垂直于仪器轴的半径不等的圆环上。热中子场强度峰值在中子脉冲期间或脉冲后均分布在以中子源为中点，垂直于仪器轴的圆环上。

3）当孔隙介质相同时，快中子场在地层中呈指数规律衰减，孔隙度越大，衰减越快 （气层除外）；非弹性γ场也呈指数规律衰减，但衰减受地层密度和孔隙度影响。当孔隙介质不同时，原子密度和含氢量大的地层，快中子场衰减快；由于受地层密度和孔隙度影响，非弹性γ场衰减规律复杂。

图10 不同孔隙介质地层快中子通量的衰减 图11 不同孔隙介质地层非弹性γ通量的衰减

4）由于非弹性散射γ场的衰减受中子场的影响，因此利用非弹性散射γ求取地层密度时，需要对中子场的影响进行校正。

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［9］黄隆基 .放射性测井原理 ［M］.北京：石油工业出版社，1985.112～205.

［10］裴鹿成，张孝泽 .蒙特卡罗方法及其在粒子输运中的应用 ［M］.北京：科学出版社，1980.5～50.

［11］吴文圣，付赓，张智，等 .小井径双源距碳氧比测井的影响因素及处理 ［J］.地球物理学报，2005，48（2）：459～464.

［编辑］ 龚丹

The Characteristics of Gamm a Fields and Neutron Fields in Pu lsed Neutron Density Logging

CHENG Liang，WUW ensheng，HE Jingzhi (First Author's Address:State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting，China University of Petroleum，Beijing 102249，China)

The characteristics of gamma fields and neutron fields would directly or indirectly influence themeasurement preci-sion of pulsed neutron density.With Monte Carlo numerical simulation，the time characteristics，space distribution characteristics and attenuation characteristics for gamma fields and neutron fields were calculated in a pulsed period.Calculated results showed that total neutron time spectrums and total gamma time spectrums were all square waves，their intensities reached the maximum level at themoment of neutron pulse disappearing;inelastic gamma intensity was very steady in neutron pulse period.The fast neutron filed and inelastic gamma field presented spherical distribution.After the neutron pulse was ceased，their intensity apexeswere distributed over a circle centering on source point.The intensive apexes of thermal neutron field are always distributed over a circle centering on source point;for the fast neutron field，when the porousmedia are the same except gas，the larger the porosity is，the faster the attenuation velocity is.When the porosity is invariable，the higher theatomic density and hydrogen bearing capacity are，the faster the attenuation velocitywould be;the attenuation of inelastic gamma field is influenced by formation density and porosity.

pulsed neutron density logging;neutron field;gamma field;Monte Carlo simulation

P631.84

A

1000-9752（2014）05-0077-06