造岩元素中子γ测井仪器结构优化研究

张浩宇吴文圣熊世涛

1（中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室 北京 102249）

2（中国石油集团测井有限公司 西安 710077）

造岩元素测井过程中，当仪器内的中子源向地层发射快中子时，地层中的元素原子核会先后与之发生非弹性散射及辐射俘获核反应，两个过程中产生的两种类型的次生γ射线的γ能谱被晶体探测器记录，后续经过数据处理可以获得地层中单个元素的含量，进一步可得到地层矿物类型和含量［1-3］。造岩元素测井总体来说是用单一元素的俘获γ能谱和混合地层的俘获γ能谱求解各元素含量的过程，包括Al、Ba、C、Ca、Cl、Cu、Fe、H、K、Mg、Mn、Na、Ni、S、Si、Ti等16种地层元素，是一种简约的地层元素测井方法。造岩元素中子γ测井仪器主要由氘氚中子源、屏蔽体、溴化镧闪烁体探测器组成。其中仪器的外壳材料、硼套结构长度、屏蔽体结构及溴化镧晶体探测器到中子源的距离（源距）都是影响γ探测器计数和能谱的因素，对地层孔隙度和岩性的识别测定有着至关重要的影响［4-7］。所以，为了获得较好的计数和能谱，本文需要对该仪器的参数（外壳材料、硼套结构长度、屏蔽体及源距）进行优化研究。

1 仪器及蒙特卡罗模型建立

本文所使用的造岩元素中子γ测井仪器如图1所示，中子源采用的是14 MeV的氘氚脉冲中子源，保证快中子和地层产生非弹及俘获反应［8-10］。探测器为直径2.54 cm、长3.8 cm的圆柱形溴化镧晶体，可以探测并记录非弹性散射γ射线和俘获γ射线，同时0~10 MeV能量强度的γ射线也可由数据采集电路记录下来［11］。在探测器与中子靶之间还有一个直径7 cm、厚10.62 cm的屏蔽体，屏蔽体材料为铅，主要用以屏蔽仪器内部的γ射线，并且探测器外部包裹厚度为0.3 cm、长为15 cm的硼套，用以屏蔽热中子。

图1 测井仪器结构示意图Fig.1 Structure diagram of logging instrument

通过以上述测井仪器结构为基础，建立造岩元素中子γ测井蒙特卡罗数值模拟模型［12-16］。探测器、屏蔽体、中子靶、硼套的材料、外径、长度参数与实际仪器参数一致。井眼直径取15 cm，井眼内视情况充淡水或真空，井眼外地层部分半径为80 cm，根据情况可填充所需物质。为了使测量精度更高，将地层划分为一个一个的小栅元。仪器贴井壁测量，整个模型高150 cm，模型如图2所示。

图2 仪器井眼地层的MCNP模型Fig.2 MCNP model for instrument borehole formation

2 仪器结构优化设计

2.1 外壳材料的优化

为保证造岩元素中子γ测井仪器耐高温、高压的特性，仪器外壳一般所使用的材料是0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢。高强度、高硬度和抗腐蚀是0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢材料的优良特性，但是大量的Fe元素却存在于0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢外壳材料上，造成的结果为Fe元素在与快中子的相互作用下发生非弹性散射生成0.8 MeV的γ射线，以及与热中子反应生成7.64 MeV的俘获γ射线，对测量地层中的Fe元素产生很大的干扰，所以应该设法改进。

为了减少仪器外壳部分干扰的γ射线，在了解了多种材料的元素质量比进行对比后，候选材料决定选为Fe含量较少的TC11钛钢。蒙特卡罗模型中，设置除外壳材料外其他仪器参数不变，地层填充等体积的灰岩与石英，地层孔隙度为20%，孔隙中饱和含水。图3展示了在不同外壳材料下探测器记录的地层非弹性散射γ能谱及地层俘获γ能谱。分析图3可以判断出，通过探测器记录下的地层非弹性散射γ能谱及俘获能谱在仪器为0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢材料外壳时都有Fe的贡献，且能谱中Fe峰较为明显。而对TC11钛钢材料而言，其消除Fe峰影响的能力较强，当用TC11钛钢材料作为造岩元素中子γ测井仪的外壳材料时，探测器记录的非弹性散射γ能谱和俘获能谱Fe的贡献较小，在能谱中Fe峰不明显，所以用TC11钛钢材料作为外壳材料能起到良好的抗干扰效果。

图3 TC11钛钢和0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢非弹性散射能谱(a)、俘获能谱(b)对比Fig.3 Comparison of inelastic energy spectrum(a)and capture energy spectrum(b)of TC11 and 0Cr17Ni4Cu4Nb

2.2 硼套结构长度优化

硼套的长度优化为不断增加硼套的长度，硼套厚0.3 cm，初始长度为15 cm，按硼套中心点保持于探测晶体中心点不变，每隔5 cm增加硼套长度。蒙特卡罗模型中，设置仪器其他参数保持不变，地层填充等体积的灰岩与石英，地层孔隙度为20%，孔隙中饱和含水。探测器记录地层非弹性散射γ能谱及地层俘获γ能谱，绘制出图4。

图4 不同硼套长度的地层非弹性散射能谱(a)、俘获谱(b)Fig.4 Formation inelastic spectrum(a)and capture spectrum(b)of different boron sleeve lengths

通过对图4的观察，发现硼套长度的增加对低能段（0~6 MeV）的能谱影响几乎可以忽略不计，高能段（6~10 MeV）非弹性散射γ能谱及俘获谱的谱形在硼套长度增大到接近25 cm后基本不再改变。同时看出，随着硼套长度的增加，非弹性散射γ能谱、俘获能谱中杂峰的数量明显减少。进一步来看，杂峰主要来源于仪器所含元素的非弹γ射线和内部热中子在外壳元素上的俘获γ射线，所以杂峰数量的减少也代表着仪器外壳部分干扰的γ射线减少，使元素测量结果更准确。

硼套的结构优化为在考虑仪器外壳材料的情况下，分析不同硼套长度及硼套嵌入（即硼套嵌于仪器外壳上）、非嵌入（即硼套位于仪器内壁）对地层俘获能谱谱形的影响。蒙特卡罗模型设置同上，仪器外壳材料分别选用0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢和TC11钛钢，硼套长度经过上述研究定为15 cm、29 cm进行对比研究。通过探测器记录下地层俘获γ能谱，不同仪器外壳材料的地层俘获γ能谱对比如图5所示。通过图5可以看出，硼套长度为15 cm时，TC11钛钢外壳材料的地层俘获谱在8.02 MeV处出现杂峰，而当硼套长度设置为29 cm时，杂峰数则有所减少。在考虑0Cr17Ni4Cu4Nb中Fe元素的存在会影响俘获谱7.72 MeV的Al峰计数率，以及将硼套置于小直径整体钛钢管工艺的复杂性，本次测井仪器硼套长度结构优化选用长29 cm的硼套嵌于TC11钛钢材料仪器外壳上最为合适。

图5 0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢(a)、TC11钛钢外壳(b)材料地层俘获能谱Fig.5 Formation capture energy spectrum of 0Cr17Ni4Cu4Nb shell(a)and TC11 shell(b)

2.3 屏蔽体结构

2.3.1 屏蔽体材料

屏蔽体是为防止中子源产生的中子直接进入仪器探测器影响探测结果而设置的。2012年，西安交通大学严慧娟等［17］通过实验得到了钨镍铁、铁、铅、铜、石墨、硼砂和聚乙烯7种屏蔽材料的屏蔽率变化结果，得出钨镍铁是所选几种材料中屏蔽效果最好的。

图6是当仪器中分别放置这7种屏蔽材料，其他设置参数均为仪器原始参数，地层填充等体积的灰岩与石英，地层孔隙度为20%，孔隙中饱和含水时得到的非弹谱和俘获谱曲线。可以看出，当屏蔽材料为聚乙烯和石墨时，非弹谱与俘获谱整体计数率最大且彼此接近，明显高于其他屏蔽材料的计数，屏蔽效果差。铅和钨镍铁对非弹谱的作用非常接近，整体计数率均较低，且在俘获谱中钨镍铁形成的计数率最低，可以得出钨镍铁屏蔽效果最好。

图6 屏蔽材料对非弹谱和俘获谱的影响(a)非弹谱，(b)俘获谱，(c)归一化非弹谱，(d)归一化俘获谱Fig.6 Influence of shielding materials on inelastic and capture spectrums(a)Inelastic spectrum,(b)Capture spectrum,(c)Normalized inelastic spectrum,(d)Normalized capture spectrum

2.3.2 屏蔽体厚度

假设地层填充等体积的灰岩与石英，地层孔隙度为20%，孔隙中饱和含水时，在保持仪器其他原始参数不变的情况下，屏蔽体的厚度分别按2 cm、4 cm、6 cm、8 cm和10 cm变化，绘制出非弹谱和俘获谱随屏蔽体厚度变化情况，如图7所示。可以看出，屏蔽体厚度的改变基本上不改变非弹谱和俘获谱的谱形。虽然整体上计数率随屏蔽体厚度的增加而减小，但当屏蔽体厚度大于4 cm后，屏蔽体厚度的改变在非弹谱和俘获谱计数率上产生的数量级差很小，如图8所示。因此，屏蔽体厚度对非弹谱及俘获谱的影响可忽略不计，厚度可维持初始厚度10.62 cm，这样更贴合仪器结构设计的需求。

图7 屏蔽体厚度对非弹谱和俘获谱的影响(a)非弹谱，(b)俘获谱，(c)归一化非弹谱，(d)归一化俘获谱Fig.7 Influence of shield thickness on inelastic spectrum and capture spectrum(a)Inelastic spectrum,(b)Capture spectrum,(c)Normalized inelastic spectrum,(d)Normalized capture spectrum

图8 屏蔽体厚度对非弹谱和俘获谱计数率影响对比Fig.8 Comparison of shield thickness on inelastic spectrum and capture spectrum count rates

2.3.3 屏蔽体直径

假设地层填充等体积的灰岩与石英，地层孔隙度为20%，孔隙中饱和含水时，在保持仪器其他原始参数不变的情况下，根据仪器结构设屏蔽体的直径分别为7 cm、8.2 cm、9.4 cm、10.6 cm和11.8 cm时，非弹谱和俘获谱曲线随屏蔽体直径变化情况如图9所示。可见，随着屏蔽体直径的增大，非弹谱和俘获谱的计数率下降，亦即屏蔽体的屏蔽效果越好。屏蔽体直径的改变对计数率的影响如图10所示，随着屏蔽体直径增大，在半对数坐标上计数率呈线性递减。考虑到仪器的内部结构，屏蔽体直径取为11.8 cm最优。

图9 屏蔽体直径对非弹谱和俘获谱的影响(a)非弹谱，(b)俘获谱，(c)归一化非弹谱，(d)归一化俘获谱Fig.9 Influence of shield diameter on inelastic spectrum and capture spectrums(a)Inelastic spectrum,(b)Capture spectrum,(c)Normalized inelastic spectrum,(d)Normalized capture spectrum

图10 屏蔽体直径对非弹性散射能谱和俘获谱计数率影响对比Fig.10 Comparison of shield diameter on inelastic spectrum and capture spectrum count rates

2.4 源距优化

源距优化为不断改变中子源到探测晶体的距离，模拟时设源距分别为23 cm、28 cm、33 cm、38 cm、43 cm、48 cm、53 cm和58 cm。仪器其他参数设置均为原始参数，地层填充等体积的灰岩与石英，地层孔隙度为20%，孔隙中饱和含水。计算得到的非弹γ、俘获γ及总γ计数率随不同源距的变化曲线如图11所示。由图11可知，在半对数坐标上探测器的非弹性γ计数率随源距增加而线性减小，俘获γ计数率以及非弹γ与俘获γ的总计数率均随源距先增大而后呈线性减小，且非弹γ随源距的衰减速度稍快于俘获γ。

图11 探测器γ计数率随源距的变化Fig.11 Variation of detector gamma count rate with source distance

由探测器得到的非弹γ能谱和俘获γ能谱曲线如图12所示。可见，非弹能谱曲线也随源距增加而降低，当源距不超过38 cm，各主要特征峰几乎同幅度降低。当源距大于38 cm以后，能谱曲线变形，各特征峰变化的趋势不一致。能谱曲线变形虽由蒙特卡罗模拟统计误差及源距共同引起，但在本次实验中统计误差都控制在可接受范围内，仅需考虑源距因素即可。故从俘获谱曲线看，当源距大于38 cm后，曲线在高能部分的变化趋势开始不一致；源距为23 cm其整体计数率较低。因此，源距不宜过大（大于38 cm），也不应太小（小于23 cm）。结合仪器的其他机械结构，源距取为37.6 cm。

图12 源距对非弹谱和俘获谱的影响(a)非弹谱，(b)俘获谱，(c)归一化非弹谱，(d)归一化俘获谱Fig.12 Influence of source distance on inelastic and capture spectrums(a)Inelastic spectrum,(b)Capture spectrum,(c)Normalized inelastic spectrum,(d)Normalized capture spectrum

3 优化后仪器性能模拟测试

当经过上述模拟确定了造岩元素中子γ测井仪的最佳优化参数后，仪器探测深度、纵向分辨率、适用井眼范围也会发生改变，因此需利用图2所示MCNP模型进行仪器测试，而且针对不同的性能测试需要改变对应的井眼地层环境。

3.1 探测深度

以石灰石（CaCO3）设计地层，由于γ射线的穿透能力受地层密度的影响较大，通过改变地层孔隙度来改变对应地层的密度值，孔隙度分别为5%、30%。孔隙中饱和含水，根据灰岩骨架密度可得到对应密度分别为2.62 g∙cm-3、2.19 g∙cm-3。分别在两种密度情况下对探测深度进行测试，测试条件为不断地改变地层的径向深度，深度变化为5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm、30 cm、35 cm、40 cm、45 cm、50 cm、55 cm、60 cm、65 cm。测试过程中记录不同孔隙度地层不同径向深度下非弹、俘获谱的总计数率，结果处理时将地层径向深度的增加不会带来非弹、俘获谱总计数率变化的饱和段定为给探测器提供100%地层信息的径向深度，即此时径向积分几何因子达到1。最后绘制出了径向积分几何因子G随地层径向深度R变化的曲线，非弹和俘获信息的径向积分几何因子分别如图13所示，取G=0.9时对应的R值为仪器的探测深度［18-19］。由图13分析可知，随着地层孔隙度的减小，仪器对地层非弹信息的探测深度变化为18~22.85 cm，俘获信息的探测深度变化为30.02~38.94 cm。根据探测深度定义取最大探测深度，即造岩元素中子γ测井仪器的探测深度为38.9 cm。

图13 非弹性散射信息(a)、俘获信息(b)的径向积分几何因子Fig.13 Radial integral geometric factors of inelastic information(a)and captured information(b)

3.2 纵向分辨率

以石英（SiO2）设计薄层、石灰石（CaCO3）设计围岩层，薄层及围岩孔隙度均为10%，孔隙中饱和含水，薄层和围岩的地层密度由骨架密度确定，分别为2.49 g∙cm-3、2.54 g∙cm-3。测试条件为不断改变薄层的纵向厚度，厚度变化为35 cm、40 cm、45 cm、50 cm，并且从模型底部开始逐渐上移进行测量。取地层底部纵坐标为-50 cm，此时仪器中子源与探测器的中心点纵坐标取为38.9 cm，薄层中心点纵坐标位置变化为-21.0 cm、-11.0 cm、-1.10 cm、8.90 cm、19.90 cm、28.90 cm、38.90 cm、48.90 cm、58.90 cm、68.90 cm、78.90 cm。测试过程中记录对应厚度下薄层不同纵向位置测量得到的俘获谱的Si峰相对计数率。然后绘制出在不同薄层厚度的条件下Si峰相对计数率随薄层纵向位置的变化曲线，如图14所示。由图14分析可知，当薄层在地层纵向上移动时，Si峰相对计数率逐渐上升，到达极大值后开始逐渐下降，响应曲线两边对称；当薄层厚度逐渐增加，Si峰相对计数率的极大值逐渐增大，当薄层厚度增加到一定程度后，该极大值处于稳定，几乎不再随薄层厚度而变化。具有Si峰极大值的最小薄层厚度为40 cm，即造岩元素中子γ测井仪器的纵向分辨率为40 cm。

图14 Si峰相对计数率变化曲线Fig.14 Change curve of relative counting rate of Si peak

3.3 井眼范围

以石英（SiO2）和石灰石（CaCO3）设计地层，其中石英及石灰石在地层骨架体积中占比一致，均为50%。地层孔隙度设置为10%，在孔隙中为饱和含水状态。地层密度由骨架密度确定，为2.54 g∙cm-3。井内充满淡水泥浆，测试过程中按7 cm、18 cm、29 cm、40 cm改变井眼的直径，记录不同井眼直径下的地层俘获谱。通过利用Si、Ca、H元素的标准谱对其进行能谱解谱处理，最终得到Si、Ca元素的干重值［20-21］。分析Si、Ca元素干重计算结果随井眼尺寸的变化情况，并与理论值进行对比，测试仪器在对应井眼尺寸下的适用情况。

绘制在不同井眼尺寸的条件下Si、Ca元素计算值与理论值对比结果图，如图15所示。结果显示：在改变井眼尺寸的条件下，Si、Ca元素干重反演结果的绝对误差均基本处于稳定不变的，分别约为0.01、0.02，且都在被允许的误差范围内。因此，造岩元素中子γ测井仪可在7~40 cm的井眼尺寸下获得较为准确的元素干重值。

图15 Si、Ca元素干重计算结果Fig.15 Calculation results of dry weight of Si and Ca elements

4 结语

通过对造岩元素中子γ测井仪器外壳材料、硼套结构长度、屏蔽体结构及源距变化的蒙特卡罗模拟结果分析及仪器优化后的性能模拟测试，我们得出以下结论：

1）仪器外壳由于与热中子反应会产生少量的干扰信号，建议选择TC11钛钢做仪器外壳。

2）硼套主要是屏蔽热中子不使其进入仪器内反应产生干扰信号，本次测井仪器硼套长度结构优化选用长29 cm的硼套嵌于TC11钛钢材料仪器外壳上最为合适。

3）仪器内部屏蔽体主要是屏蔽中子源所产生的中子，不让其进入探测器区域，若中子进入到探测器所处区域会和周围的各种部件材料中的原子核发生反应产生很强的干扰信号，我们得出钨镍铁做屏蔽体效果最好，直径取为11.8 cm最优，厚度对钨镍铁屏蔽效果影响不大。

4）源距对谱的影响体现在计数率上，源距的选择决定了谱的稳定性，通过仪器结构设计确定源距为37.6 cm最优。

5）通过仪器性能模拟测试确定出优化后的造岩元素中子γ测井仪器的探测深度为38.9 cm，纵向分辨率为40 cm，且可在7~40 cm的井眼尺寸下获得较为准确的元素干重值。

作者贡献声明张浩宇：负责论文的编写及修改工作；吴文圣：负责文章思路的提出及文章内容的最终敲定；熊世涛：负责资料的搜集及整理。