随钻非标井眼密度测井仪结构优化设计

李国梁 袁 伟 齐 波 赵 越

（中海油田服务股份有限公司油田技术事业部，河北 三河 065201）

随钻密度测井仪器是随钻测井中很重要的一种仪器，为测井解释提供地层密度信息和孔隙度，同时为地层评价和油藏描述提供数据支撑。目前市场上大多仪器采用的是标准井眼作业，针对某些区域缺乏非标井眼尺寸的测量工具适用性问题，可以通过对旋转导向作业条件和井下工具优化设计的研究来提高入井成功率和钻井时效，此时很有必要设计出一套非标井眼仪器满足市场需要。

1 仪器简介与设计概述

图1 为仪器探测器部分机械结构示意图，主要由放射源仓、屏蔽体、长源距晶体、短源距晶体组成。其中，源仓、长源距晶体和短源距晶体外面都有peek 窗口，伽马源通过peek 窗口进入地层，经过地层的散射吸收后，散射后的光子通过各自的peek 窗进入长短探测器晶体里面。由于地层密度不一样，散射到晶体的计数率就不同。伽马射线与物质的相互作用主要有电子对效应、康普顿效应和光电效应，而其中只有康普顿效应才与地层的密度成正比关系。密度仪器采用单能为 0.662MeV 的Cs137 源，只能发生光电效应和康普顿效应，因此可以测量地层密度。

随钻密度标准675 仪器已经有比较完整的MC模拟器[2-3]，模拟与实验都验证过模拟器设计合理可靠。同时，675 仪器有完备的实测数据，通过测量的数据质量和市场反馈，得知该仪器设计和制造是符合测井需求的。为了达到标准井眼的675仪器测量水平，非标井眼随钻密度测井仪[4-5]的方案设计是基于标准仪器675 的基础上进行的。

非标随钻密度仪器外径是9-1/2in，标准675 仪器外径是6-3/4in，很明显两种仪器的外径不一样，这样导致最直接的问题是两支仪器探测器得到的计数率不一样，进而测量的密度值不同。为了得到相同的计数率和探测特性，就非常有必要对仪器扶正器进行优化设计。

扶正器设计拟有两种方案，分别为探测器浅埋和探测器深埋方案。

（1）维持翼肋厚度不变。如图1 所示，即维持源、晶体到扶正器外表面的距离（40.375mm）不变，而晶体到扶正器轴的距离由原值64.4mm 增至77.1 mm。该方案简称“探管浅埋方案”。

图1 仪器探测器结构示意图

（2）维持源和晶体相对于仪器轴线距离不变。即增大扶正器厚度，保持晶体到仪器轴线距离为64.4mm，晶体到扶正器外表面的距离由40.375mm 增加到53.075mm。该方案简称“探管深埋方案”。

“探管浅埋方案”最大优点是完全继承了标准675 仪器的各种探测特性，能够满足计数率精度、纵向和径向探测特性，缺点是对仪器整个探测器结构部分重新设计，改动比较大，与675 仪器之间的通用性变差。“探管深埋方案”优点在于仪器结构与675 保持一直，只是增加了扶正器的厚度，换句话说只需要在675 基础上更换扶正器就可以作业，通用性强。缺点在于需要对扶正器的窗体结构进行优化。考虑到仪器的适用性、通用性和维护便捷性，采用“探管深埋方案”是比较不错的选择。

2“探管深埋方案”存在问题和解决方案

2.1 存在问题

在探测器深埋的扶正器设计方案中，源、长短探测器的peek 窗厚度也增加不少，明显改变了入射伽马射线进入peek 窗的计数率，造成射线作用区域发生改变，影响入射射线与探测器晶体作用从而导致计数率和能谱形状发生改变。

图2 和图3 中的黑色线为675 仪器的试验曲线，可以看出，单纯的增加扶正器的厚度，不优化扶正器的出射窗，长源距探测器得到的谱型没有发生多大变化，能够满足测量需求。此时，短源距探测器却在0.2-0.3MeV能量范围内，谱型出现一个台阶，发生了畸变，这严重影响短探测器的能窗计数率，进而导致密度测量不准确。导致谱型发生变化的原因，是因为扶正器厚度的增加，伽马射线入射探测器窗的角度发生变化，由于厚度的增加，有一部分入射伽马射线入射到扶正器的本体上，而不是直接进入到探测器里面的晶体中，这样一来计数率就发生变化，就出现了图所示的台阶。

图2 长源距实验与模拟谱型

图3 短源距实验与模拟谱型

2.2 解决方案

利用“探管深埋方案”的GEANT4 模拟器对放射源窗、屏蔽材料、远源距窗和近源距窗进行模拟，模拟结果发现，放射源窗增大，近远源距的探测效率变大，且不改变近远源距的探测能谱谱型。屏蔽材料变更，探测效率增大，中高能区的能谱谱型发生明显改变，高能区偏低，且中能偏高区不再出现明显台阶区。

短源距窗有内窗与外窗，模拟计算结果表明不改变内窗的前提下，外窗增大对改善近源距探测效率非常有限。内窗增大表现出明显的数值优势，其谱型上类似于屏蔽材料变更带来的改变。方案中增大了放射源窗，远源距窗和近源距窗内窗，结果表明优化后的设计在探测效率和能谱谱型上效果都较理想。

同时用GEANT4 模拟器对仪器性能响应进行了模拟，结果表明该优化方案的近远源距径向、纵向和环井敏感角响应正常。响应值介于标准仪器675 和标准仪器800 的响应值之间，这与非标井眼测井仪直径介于标准仪器675 和标准仪器800 仪器直径相符。

探测器埋深方案的机械结构变动集中在扶正器上，因此仪器研发的成本较变动整个仪器机械结构的成本低，且也没有标准仪器800 近源距能谱中密度测量敏感区出现台阶的现象，但近源距探测效率偏低，在实际测量中可能需要适当增加测量时间。

总之，改变探测器的窗口，实质是改变入射探测器伽马射线的入射角度，让更多的伽马射线进入探测中，达到与标准675 仪器一样的探测效果。为了评估测量的精度，有必要在刻度井群中进行实测数据验证和误差分析。

3 测量精度与不确定分析

针对“探管深埋方案”的优化方案，有必要在刻度井中进行实测验证和测量精度的分析。由以上的研究可知，探管深埋方案对长源距的测量影响不大，主要是短源距能谱出现台阶现象，这里主要分析短源距的测量精度与不确定度。

密度测量精度定义为：

仪器在9 口刻度井中进行了测试，分别得到计数率和对应的密度值，如表1 所示。通过与标称值比较，9 口井的测量精度均满足小于5%的测量要求。选择W8 井进行不确定度分析，计算结果如表2 所示，从30s 统计不确定度来看，长短源距均小于0.015g/cm3的测量要求。

表1

表2

刻度井群的9 口实验井代表着仪器测量的密度范围，从表1 和表2 的计算结果来看，测量精度和不确定分析结果完全满足测井需求，同时也与标准675 仪器测量效果一致，因此说明优化后的扶正器结构是合理的。

4 结论

“探管深埋方案”是随钻非标井眼密度测井仪器较理想的设计方案，同时优化放射源窗口，屏蔽材料和近远探测器的窗口，能够很好的增加入射伽马射线的计数率，避免短源距谱型出现台阶现象，同时不影响仪器的径向和纵向探测特性，满足测量精度小于5%和不确定小于0.015g/cm3的测量要求。