基于CLYC探测器的可控源中子孔隙度测井数值模拟研究

2021-04-20于华伟杜本强刘志杰

核技术 2021年4期

周悦于华伟王猛杜本强刘志杰

1（中海油田服务股份有限公司油田技术事业部三河 065201）

2（中国石油大学（华东）青岛 266580）

目前，可控D-T 源中子孔隙度测井仪器通常采用3He中子探测器进行热中子的探测，考虑到3He气体短缺、中子探测领域广泛等消耗产出问题，使用新型Cs2LiYCl6:Ce（CLYC）探测器对传统3He 中子探测器进行替换是核测井探测器选择的新方向。随着探测器设计制造工艺的发展，国外公司已经制造出能够在井下高温环境中工作且满足热中子和γ光子探测计数标准的新型双粒子晶体探测器。2012年，法国SAINT-GOBAIN 公司推出了新型CLYC 探测器［1］，能够满足γ 射线探测，还因为具有高热中子截面6Li核素的存在可以对热中子进行吸收测量；Shah等［2−3］通过实验对新型双粒子探测器的探测特征进行了分析，认为中子和γ 射线在衰减快慢上存在较明显差异，从而经过甄别处理后能有效识别热中子计数；张泉滢等［4］研究设计了基于CLYC 探测器的核测井仪器模型，认为新型CLYC 探测器在中子等粒子探测问题上满足测井需求标准，减少了探测器的使用数量且改善了仪器的纵向分辨率问题。相比于中子孔隙度测井中常规使用的3He 中子探测器，目前对于CLYC 探测器的热中子探测效率研究较少，简单采用同源距位置处的探测器替换缺乏理论依据，容易造成热中子接收计数低，影响测量结果精度，因此需要对新型CLYC 探测器的热中子探测特征及替换3He中子探测器的可行性进行分析研究。

对于新型CLYC 探测器，其在对地层孔隙度的测量与设计源距位置、响应结果精度联系密切，因此为了获取CLYC 探测器的热中子探测特征，需要对其在不同6Li 纯度和探测器尺寸下的热中子计数通量进行分析；另外，由于需要对3He中子探测器进行替换使用，因此对比分析了两者关于热中子的接收响应结果。本文拟利用蒙特卡罗模拟方法确定新型CLYC 探测器热中子探测效率，进而对比研究其与3He 中子探测器的响应差异性与替换可行性，为中子孔隙度测井仪器的探测器选择设计提供依据。

1 CLYC 晶体探测器及可控源中子孔隙度测井原理

1.1 热中子性质及CLYC 探测器热中子测量原理

对于热中子而言，按照动能大小分类其能量范围都处于0.025 eV附近［5］。由于热中子穿透能力较强，能够透过套管并且与地层发生一系列的反应，因此广泛应用在石油测井中［5］。同时，热中子呈电中性，不能直接引起物质的电离与激发，对中子的探测主要通过其他物质与其相互作用后产生次级带电粒子，从而实现识别探测［6］。

CLYC 探测器中富含热中子截面高的6Li 元素，粒子探测原理以核反应为基础，热中子与6Li元素的核反应过程如下：

反应产物为4He 和氚核的带电粒子，且此时反应Q值达到 4.78 MeV，相比于 CLYC 探测器，3He 中子探测器的核反应过程为：

1.2 可控源中子孔隙度测井原理

可控源中子孔隙度测井通常采用D-T中子源和距离源不同位置的两个3He 中子探测器，源释放出高能快中子经过地层减速慢化作用后变为热中子并散射回井眼，被探测器接收计数；地层中氢元素对快中子存在极强的减速作用，通过近、远两个探测器测得计数率的比值确定地层含氢指数。由于氢元素通常存在于地层孔隙中的水或石油等流体中，因此氢的含量与地层孔隙度有关，从而获取地层孔隙度［5，7］。

2 计算模型

为了获取CLYC 探测器的热中子探测特征，首先需要确定不同6Li 元素纯度、不同探测器尺寸下CLYC探测器的热中子计数通量，另外，在验证分析中子探测器替换的可行性时，需要与可控源中子孔隙度测井通常采用的3He探测器进行对比分析。因此，本文基于蒙特卡罗模拟软件（Monte Carlo Nparticle Transport Code，MCNP）分别构建计算模型对上述问题进行研究。

2.1 CLYC探测器模型及基准检测

图1模拟252Cf源释放的快中子经过聚乙烯慢化剂减速后变为热中子且最终被CLYC探测器接收的粒子探测过程。该模型中放射源与CLYC探测器之间的间距为25 cm，晶体尺寸为4 cm×3 cm×3 cm；探测器外壳为铝壳，长度为17.5 cm；整个空间内充满空气，桌子材质采用木制，聚乙烯慢化剂厚度从0 cm间隔变化到9 cm，进而得到不同聚乙烯慢化剂厚度下的CLYC 探测器热中子计数接收响应；每次模拟时抽样108个粒子，以保证模拟结果统计精度。

图1 CLYC探测器模型Fig.1 CLYC detector model

在模拟数据可靠性上，基于CLYC 探测器的热中子测量实验分析数据［8］，通过蒙特卡罗软件模拟得到对应实验室操作环境下的热中子探测响应结果，并进行归一化处理，如图2 所示。经观察可得，实验数据和模拟数据均表现出热中子计数先增加后减少的趋势，峰值处对应慢化剂厚度相差1 cm 左右。分析认为：252Cf 源释放出快中子经过慢化剂减速过程中，当慢化剂厚度较小时，高能中子经过慢化剂减速变为热中子，表现为促进热中子产生；随着慢化剂厚度逐渐增大，高能中子经过慢化剂减速为热中子之后又被加以吸收，因此曲线趋势表现为先上升后下降。另外，实验数据和模拟数据相比，两者之间存在差异，但认为该差异程度不影响CLYC 探测器热中子探测特征进一步研究，分析认为差异的存在可能是构建的计算模型较为简单造成的，尤其存在于CLYC探测器模型与实际探测器之间。

图2 CLYC热中子计数随聚乙烯慢化剂厚度的变化Fig.2 Changes of CLYC thermal neutron count with the thickness of polyethylene moderator

2.2 测井计算模型

图3对应裸眼井条件下双源距中子仪器、井眼、地层的三维模型，仪器贴井壁放置，井眼内充满淡水，地层设置为圆柱状且对应不同孔隙下含水纯灰岩地层；探测器位置根据分析需求从10 cm 变化到95 cm，单次变化间距对应5 cm；使用的中子源类型为释放14 MeV 快中子的可控D-T 源。由于本文需要针对CLYC 探测器与3He 中子探测器的热中子探测特征进行研究，在记录热中子时配合使用F4卡与Fm卡，其他影响热中子探测效率的因素在不作说明情况下加以忽略。

图3 中子测井计算模型Fig.3 Calculation model of neutron logging

3 CLYC探测器热中子探测特征研究

目前，包括实验室等使用更多的为6Li元素纯度高达95%的CLYC 探测器［9］，而未经人工提纯的天然CLYC 晶体中6Li 元素纯度在7%左右，同时当提纯工艺操作存在缺陷或者提纯工艺不断发展均会影响6Li 元素纯度，而6Li 元素对热中子探测起到关键作用。为了分析6Li 元素纯度对热中子计数效率的影响，保持探测器晶体尺寸一定，首先对不同6Li 元素纯度下的CLYC探测器热中子计数响应开展分析研究工作。

3.1 不同6Li元素纯度

选取6Li 元素纯度分别为7%、30%、50%、60%、70%、80%、90%、95%和100%的CLYC探测器，根据蒙特卡罗方法模拟得到快中子经过聚乙烯减速剂且被晶体探测器接收后热中子计数通量与6Li 元素纯度的关系。

图4 CLYC热中子计数随6Li纯度的变化Fig.4 Changes of CLYC thermal neutron count with the 6Li purity

通过观察图4 可得，当CLYC 探测器尺寸一定仅6Li 元素纯度变化时，随着探测器晶体中6Li 元素纯度的提高，热中子的计数通量也在逐渐增大；当6Li元素纯度达到80%及以上时，热中子计数增加幅度趋于平缓。综合观察整体可知，6Li元素纯度高对热中子探测起到促进作用，反之，则存在抑制作用。分析认为：CLYC 探测器通过晶体中的6Li 元素与热中子之间发生核反应从而实现热中子的接收计数，当6Li元素纯度越高时，此时热中子反应越剧烈，因此出现上述响应结果。

3.2 不同晶体尺寸

为了观察CLYC探测器在不同晶体尺寸下的热中子计数通量响应，保持CLYC晶体中6Li元素纯度为95%，选取晶体尺寸分别为5 cm、10 cm、15 cm、20 cm 和25 cm（底面直径均为10 cm）进行模拟研究，得到热中子计数通量与探测器晶体尺寸的关系如图5所示。

图5 CLYC热中子计数随晶体尺寸的变化Fig.5 Changes of CLYC thermal neutron count with the crystal size

根据图5的热中子响应结果可得，当CLYC探测器的6Li元素纯度固定仅探测器晶体尺寸改变时，随着晶体尺寸的增加，热中子的探测计数也在相应增多，说明探测器晶体尺寸的增加会提高热中子的探测计数。分析认为：当CLYC 探测器晶体尺寸越大时，6Li 元素的含量越多，这就意味着存在更多的6Li元素与热中子间的核反应，从而有利于热中子的探测。

3.3 CLYC与不同气压下3He探测器

为了确定探测器替换的可行性，需要对比研究CLYC探测器与3He中子探测器的热中子计数差异。考虑到目前中子测井仪器在探测器设计时近、远源距处分别选用内部气压不同的两个3He 探测器，因此，保持探测器尺寸一定（两者均对应ø3 cm×4 cm），选取内部气压分别为1×105～16×105Pa 间各个整数级大气压下的3He 探测器。通过模拟得到CLYC 探测器与不同内部气压下3He 中子探测器对应的热中子计数通量，响应结果如图6所示。

图6 3He热中子计数随内部气压的变化Fig.6 Changes of 3He thermal neutron count with the internal pressure

观察图6 中3He 探测器热中子计数随其内部气压的变化关系，可以得到随着3He 探测器内部气压的升高，热中子的计数通量也会相应增加，当其内部气压高达10×105Pa及以上时，热中子接收计数增加幅度逐渐趋于平缓。另外，对比图中CLYC 探测器的热中子响应结果可得，它的计数通量约对应4.5×105Pa下3He探测器的热中子计数。已知，为了防止统计误差过大，中子孔隙度测井仪器一般采用内部气压较高的3He 探测器以保证粒子计数，即认为在更多情况下CLYC 探测器的热中子探测能力弱于前者。

4 基于CLYC 探测器的可控源中子孔隙度测井可行性分析

为了考察CLYC 晶体探测器替换3He 中子探测器应用于可控源中子测井仪器的可行性，需要针对其使用后得到的近远探测器热中子计数率比值响应加以进一步分析研究。

目前，已知CLYC晶体探测器与3He中子探测器在相同尺寸规格下，前者的热中子探测能力一般弱于后者，因此CLYC 晶体探测器在可控源中子孔隙度测井仪器中应用时，设计的源距位置可能需要更近，进而提高热中子探测计数、降低统计误差并且改善仪器响应结果精度。中子孔隙度仪器设计时，源距一般采取零源距及正源距位置，为了保证CLYC探测器源距位置选取的合理性，在与基于3He 中子探测器可控源中子仪器探测响应对比之前，本文首先确定其零源距位置。

4.1 CLYC探测器零源距

对于中子孔隙度测井，放射源与中子探测器中点间的距离称为源距，在含氢指数较大的地层粒子计数率随源距增大下降得快，而含氢指数较小的地层计数率随源距增大下降得慢。在某一位置处，不同含氢指数地层对应的粒子计数率相同，将该失去地层孔隙度灵敏度的源距位置定义为零源距［10］。

图7 CLYC热中子计数随源距的变化Fig.7 Changes of CLYC thermal neutron count with source spacing

选取含氢指数分别为5%和25%的灰岩含水地层，改变探测器源距位置使其由10 cm 变化到95 cm，通过模拟得到不同源距处CLYC探测器热中子计数响应变化关系。根据图7 能够确定，当探测器选用CLYC 探测器时，其零源距位置基本认为在25 cm 处，即认为其源距大小需在25 cm 及以上区间。

4.2 可行性分析

考虑到基于3He中子探测器的可控源中子孔隙度仪器已经进行商业化测井勘探使用并且产生经济效益，如果将CLYC探测器替换3He探测器后两者对应的中子近远比响应结果高度近似，会有极大程度上降低3He 探测器供应不足的压力、改善应用新型探测器后仪器刻度标定的复杂性等问题。同时，探测器源距的选取对于仪器响应结果精度以及地层孔隙度灵敏度等存在决定性作用［11］。因此，将3He 中子探测器近远源距位置分别为25 cm（内部气压4×105Pa）和65 cm（内部气压10×105Pa）的可控源仪器作为参照［12］，根据它的地层孔隙度探测响应，优选出CLYC探测器的源距位置并且验证基于该探测器的可控源中子仪器应用的可行性，其中远CLYC 探测器源距保证在65 cm及以下，使其尽可能接近3He探测器粒子探测统计精度（两者近、远探测器尺寸均对应ø2.54 cm×7.62 cm）。

对比两种探测器关于热中子近远比值响应关系时，基于零源距位置与远源距上限，本文分别考虑了标准源距附近的CLYC 探测器源距组合设计，分别为：25～55 cm、25～60 cm、25～65 cm、30～55 cm、30～60 cm、30～65 cm 等，以此确定灰岩含水刻度井情况下的CLYC探测器最优源距设计并对其应用可行性加以验证。

图8 热中子近远比随地层孔隙度的变化Fig.8 Near/far detector ratio with the formation porosity

如图8 所示，经过模拟得到不同孔隙含水灰岩地层（含氢指数0%～25%）的热中子探测接收情况，对比分析3He 探测器和CLYC 探测器的近远比响应变化关系可得，不同源距组合类别对应的近远比值均呈现出随孔隙度增加而增加的趋势，但变化幅度不同；另外，当CLYC 探测器的源距组合采用25～60 cm 时，与3He 探测器的中子响应近似程度极高，甚至存在数据点重合现象，同时也与前文CLYC 探测器计数较低，远源距需要更近这一分析相吻合。

综上所述，通过源距优化，CLYC探测器在可控源中子孔隙度仪器中替代3He探测器的应用存在一定的可行性。