随钻脉冲中子伽马密度测井最佳源距的优化设计

张　锋，韩忠悦，吴　赫，韩　飞

(中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛　266580)



随钻脉冲中子伽马密度测井最佳源距的优化设计

张锋，韩忠悦，吴赫，韩飞

(中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛266580)

摘要：采用脉冲中子源进行密度测井，可避免传统密度测井放射性源对环境的影响，更加安全、环保。目前国内随钻脉冲中子伽马密度技术还处于起步阶段，随钻中子伽马密度仪参数优化设计是提高地层密度测量精度的关键。本研究通过由D-T中子源及2个伽马探测器组成的随钻中子伽马密度仪器，研究了源距对中子伽马密度测井的影响，通过灵敏度和计数比统计性进行源距优化设计，得出最佳短源距为25～35 cm，长源距为60～65 cm，研究结果为随钻脉冲中子伽马密度测井仪器研发提供技术支持。

关键词：脉冲中子；伽马射线；地层密度；源距；优化设计

地层密度测井最早出现在20世纪50年代，Odom[1]对密度测井的发展做出了重要贡献。早期的地层密度测井仪使用放射源，通过记录由地层返回到探测器的伽马射线确定地层密度。在过去的半个世纪里，计算机硬件和电子工业经历了重大变革，促进了测井仪器数据采集技术发展，但密度测井所用的放射源类型基本没有变化。

测井服务公司必须对测井仪器进行严格保管，避免出现安全、健康和环境隐患[2]。因此，测井服务公司积极寻找替代源。Odom等[3]对康普乐PND-S仪器进行升级，利用非弹散射伽马射线扩散长度完成套管井密度测量；斯伦贝谢公司Weller 等[4-5]首次推出包括脉冲中子密度测井在内的随钻测井平台EcoScope，实现了随钻测井中 “无源化”密度测量。随着科技进步，利用可控脉冲中子源替代传统放射源是核测井发展的必然趋势[6-8]。本文建立了随钻中子伽马密度仪器-地层模型，通过蒙特卡罗方法对源距进行优化设计，确定中子伽马密度测井仪器的最佳源距组合。

1蒙特卡罗模型建立

1.1中子伽马密度测井原理

中子伽马密度测井原理示于图1。由D-T中子源产生的高能快中子进入地层后，与地层元素原子核发生非弹性散射，并释放相应的特征伽马射线；随着中子能量的降低，中子与原子核发生弹性散射；当能量进一步降低变成热中子时，将与原子核发生辐射俘获反应，放出俘获伽马射线。利用中子与地层产生的非弹性散射伽马射线作为伽马源，通过探测次生伽马射线可实现密度测井。

图1　中子伽马密度测井原理示意图Fig.1　Neutron-gamma density loggingprinciple diagram

1.2模型建立

仪器模型示意图示于图2。地层半径为10～70 cm，近探测器源距32 cm，远探测器源距60 cm，井眼直径20 cm，地层的径向、纵向间隔均为5 cm；脉冲中子源发射的中子能量为14 MeV，脉冲宽度为20 μs；记录的快中子能量为14 MeV，伽马能窗为0.7～8.5 MeV；记录非弹伽马的时间窗为0～20 μs，俘获伽马的时间窗为25～100 μs；模拟追踪5×107个粒子。钻铤的材料为无磁钢，钻铤直径为17.145 cm。

2最佳源距的优化设计

根据密度测量的灵敏度和计数比统计性确定探测器源距。一般情况下，源距越大，灵敏度越高，计数比统计性越差。因此，最佳源距要在满足统计误差的基础上使灵敏度尽可能高。

图2　仪器模型示意图Fig.2　Tool model

2.1零源距

在仪器设计中，为了保证仪器密度响应，源距的选择要避开零源距。为了研究D-T可控中子伽马密度测井仪零源距的具体位置，选用纯石灰石作为地层骨架(CaCO3，ρ=2.71 g/cm3)。当地层含氢指数为20%时，选取密度分别为1.74、2.05、2.36 g/cm3的地层，将NaI伽马探测器设置在源距L=15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100 cm处，用蒙特卡罗方法(MCNP)模拟计算每种情况的非弹伽马射线的计数与源距的关系。不同地层密度下各源距处非弹伽马通量示于图3。

图3　不同地层密度下各源距处非弹伽马通量Fig.3　Gamma ray flux at different spacing anddifferent density

由图3可以看出，在近中子源处，密度越大的地层伽马计数越高，密度越小的地层伽马计数越低。随源距增大，相同地层条件下探测器处光子通量几乎成指数下降，在源距大约为24 cm处，图中的几条线几乎交于一点，非弹伽马计数几乎都相等，即为零源距；随着源距的进一步增大，不同地层密度探测器处脉冲幅度计数的差异逐渐增大，当源距较大以后，地层密度越大，伽马脉冲幅度计数越小，探测器对于不同地层密度的计数差异也越大。因此，随钻可控源密度测井的零源距约为24 cm。考虑到仪器结构，短源距应该选在25～35 cm之间。

2.2密度灵敏度

2.2.1密度灵敏度与源距的关系

(1)

相对灵敏度随长源距的变化关系示于图4。以短源距20 cm为例，长源距从30 cm依次增加到100 cm，地层骨架为石灰岩，含氢指数为0.2，地层密度为2.189 g/cm3，计算不同源距组合时非弹伽马计数比对密度测量的灵敏度。

图4　相对灵敏度随长源距变化关系Fig.4　 Relationship between the relativesensitivity and long spacing

由图4可以看出，固定短源距，随着长源距增大，非弹伽马计数比对密度测量的灵敏度也增大。源距越大，非弹伽马计数比对密度测量的灵敏度越大。

2.2.2密度灵敏度与探测器间距的关系

图5　不同源距组合非弹伽马计数比与地层密度的关系Fig.5　Relationship between count ratio anddifferent spacing combinations

不同源距组合非弹伽马计数比与地层密度的响应关系结果示于图5。为了分别考察两个伽马探测器的源距组合对密度响应的影响，固定一个探测器源距不变，变化另一个探测器位置，分析远、近探测器间隔对非弹伽马计数比值与地层密度的响应变化关系及密度灵敏度，得到两个探测器不同间隔的密度响应规律。设定地层含氢指数为20%，固定近探测器在30 cm处，而将远探测器分别放置于40、50、60、70、80 cm处。

由图5可知，远、近探测器间隔越大，非弹伽马计数比值越大，且随地层密度的变化率越大，即对于密度变化的灵敏度越高。

以密度为1.74 g/cm3和2.36 g/cm3的饱含水石灰岩地层为例，利用(1)式分别计算不同源距组合时，地层密度为1.74 g/cm3和2.36 g/cm3的相对灵敏度，同时计算出绝对灵敏度，计算结果列于表1。

表1　不同源距组合的灵敏度分析

由表1可以看出，短源距固定，长源距增大，远、近探测器间距越大，测量密度的绝对灵敏度和相对灵敏度都增大；密度越大，相对灵敏度越低，绝对灵敏度与地层密度大小无关。因此，从密度测量灵敏度考虑，应尽可能增加源距和探测器间隔以提高密度测量的灵敏度。

3计数比统计性

实际中子伽马密度ρ与非弹、俘获伽马计数比关系近似满足下列关系：

(2)

其中，N1、N2分别为近、远探测器非弹伽马计数，N3、N4分别为近、远探测器俘获伽马计数。

根据误差传递公式，密度统计误差Δρ

(3)

其中，DNN为N1、N2、N3和N4的误差矩阵；K为密度ρ关于N1、N2、N3和N4导数矩阵,具体表达式如下：

(4)

根据实际测井条件，脉冲中子源产额为1×108n/s，远探测器的截面积为44.82 cm2，钻速为120 m/h，采样间隔为0.1 m，探测器的探测器效率为25%，则可以求得误差矩阵DNN。

固定短源距为30 cm，改变长源距32～86 cm，得出的不同源距组合的密度统计误差示于图6。

图6　不同源距组合与统计误差的关系Fig.6　Error at different spacing

从图6可以看出，固定短源距，长源距越大，密度误差越大。在近源距为30 cm时，为保证密度测量统计误差小于0.05 g/cm3，长源距应小于65 cm。

综合上述，考虑到零源距和仪器结构设计，短源距应为25～35 cm；根据密度灵敏度和测量统计误差的要求，长源距应为60～65 cm。

4小结

(1) 中子伽马密度测井仪的零源距大约为24 cm；随着源距的增加，非弹散射伽马计数的统计误差变大；远、近探测器间距越大，测量灵敏度越大，但统计误差增大。

(2) 综合考虑零源距、仪器结构确定中子伽马密度测井仪短源距应为25～35 cm；密度测量误差小于0.05 g/cm3，确定远探测器最佳源距约为60～65 cm。

参考文献：

[1]Odom R C. Pulsed neutron decay tool for measuring gamma radiation energy spectra for fast neutron inelastic collisions and thermal neutron capture events: US, 5374823[P]. 1994-12-20.

[2]Odom R C, Streeter R W, Hogan G P, et al. A new 1.625” diameter pulse neutron capture and inelasstic/capture spectral combination system provides answers in complex reservoirs: Spwla 35th Annual Logging Symposium[C]. Oklahoma: Tulsa 1994.

[3]Odom R C, Wilson R D, Ladtkow R K. Log examples with a prototype three-detector pulsed-neutron system for measurement of cased-hole neutron and density porosities: SPE Rocky Mountain Petroleum Technology Conference[C]. Colorado: keystone, 2001.

[4]Weller G, Griffiths R, Stoller C, et al. A new integrated LWD platform brings next-generation formation evaluation services: SPWLA 46th Annual Logging Symposium[C]. Louisiana: New Orleans 2005.

[5]Neuman C H, Sullivan M J, Belanger D L. An investigation of density derived from pulsed neutron capture measurements[C]∥SPE Annual Technical Conference and Exhibition. [S.I.]: Society of Petroleum Engineers, 1999.

[6]Streeter R W, G. I I, Rogers C B, et al. Cased hole exploration: modern pulsed neutron techniques for locating by-passed hydrocarbons in old wells[J]. SPE, 1996: 167-175.

[7]张锋,袁超,刘军涛,等. 随钻脉冲中子—伽马密度测井响应数值模拟[J]. 地球科学：中国地质大学学报,2013,38(5):1 116-1 120.

Zhang Feng, Yuan Chao, Liu Juntao, et al. Numerical simulation on pulsed neutron-gamma ray density logging response in logging while drilling[J]. Earth Science-Journal of China University of Geosciences, 2013, 38(5): 1 116-1 120(in Chinese).

[8]张锋,靳秀云,侯爽. D-T 脉冲中子发生器随钻中子孔隙度测井的蒙特卡罗模拟[J]. 同位素,2010,23(1):15-21.

Zhang Feng, Jin Xiuyun, Hou Shuang. Monte Carlo simulation on compensated neutron porosity logging in LWD with DT pulsed neutron generator[J]. Journal of Isotopes, 2010, 23(1): 15-21(in Chinese).

Optimized Design of Spacing in Pulsed Neutron Gamma Density Logging While Drilling

ZHANG Feng, HAN Zhong-yue, WU He, HAN Fei

(SchoolofGeosciences,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China)

Abstract:Radioactive source, used in traditional density logging, has great impact on the environment, while the pulsed neutron source applied in the logging tool is more safety and greener. In our country, the pulsed neutron-gamma density logging technology is still in the stage of development . Optimizing the parameters of neutron-gamma density instrument is essential to improve the measuring accuracy. This paper mainly studied the effects of spacing to typical neutron-gamma density logging tool which included one D-T neutron generator and two gamma scintillation detectors. The optimization of spacing were based on measuring sensitivity and counting statistic. The short spacing from 25 to 35 cm and long spacing from 60 to 65 cm were selected as the optimal position for near and far detector respectively. The result can provide theoretical support for design and manufacture of the instrument.

Key words：pulsed neutron; gamma rays; formation density; spacing; optimization design

收稿日期：2015-05-21;修回日期：2016-01-07

基金项目：国家自然科学基金(No.41374125, 41574119)；国家重大油气专项(No.2011ZX0520-002)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(14CX05011A)

作者简介：张锋(1970—)，男，山东莒南人，教授，从事核测井方法基础、核测井资料处理及蒙特卡罗模拟等研究

中图分类号：TL816+.3

文献标志码：A

文章编号：1000-7512(2016)02-0093-05

doi：10.7538/tws.2016.29.02.0093