姜亦忠 徐 琳 王建民 杜 輝

(大慶鉆探工程公司測(cè)井公司 黑龍江大慶)

脈沖中子氧活化測(cè)井時(shí)間譜的模擬計(jì)算

姜亦忠 徐 琳 王建民 杜 輝

(大慶鉆探工程公司測(cè)井公司 黑龍江大慶)

文章從氧活化測(cè)井基礎(chǔ)出發(fā),建立了測(cè)井儀器探測(cè)模型,應(yīng)用中子活化和探測(cè)函數(shù)計(jì)算出了不同流速情況下的時(shí)間譜,計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際測(cè)量的時(shí)間譜具有良好的一致性,證明該計(jì)算方法是可行的。該模擬計(jì)算方法可以為氧活化儀器設(shè)計(jì)和刻度系數(shù)的確定提供理論基礎(chǔ)。

氧活化測(cè)井;脈沖中子;時(shí)間譜;模擬

0 引 言

脈沖中子氧活化測(cè)井技術(shù)已經(jīng)在各油田得到了廣泛的應(yīng)用,而且取得了明顯的效果。實(shí)際應(yīng)用中,為了獲得準(zhǔn)確的流速,需要經(jīng)過(guò)流動(dòng)刻度裝置對(duì)有效源距進(jìn)行刻度,但目前的流動(dòng)刻度裝置很少能夠滿(mǎn)足放射性防護(hù)的要求,因此在實(shí)際應(yīng)用中往往給出的是相對(duì)變化的流量。同時(shí)在新儀器的設(shè)計(jì)中,給出的源距沒(méi)有理論基礎(chǔ),往往是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出的。為了解決儀器刻度和設(shè)計(jì)中的問(wèn)題,更好地提高測(cè)量精度,從氧活化測(cè)井基本原理出發(fā),模擬活化和測(cè)量的過(guò)程,通過(guò)模擬計(jì)算給出不同流速下的時(shí)間譜,為氧活化技術(shù)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

1 氧活化測(cè)量原理

中子發(fā)生器發(fā)射的高能中子輻照井眼周?chē)偷貙又械奈镔|(zhì),發(fā)生多種核反應(yīng)。受到10.2 MeV以上能量中子輻射時(shí),水中的16O原子核能被活化成放射性16N原子核;半衰期為7.13 s,通過(guò)衰變?cè)僮兓氐?6O原子核,并發(fā)射6.13 MeV和7.11 MeV能量的伽馬射線(xiàn)。脈沖氧活化測(cè)井儀器中的中子發(fā)生器先發(fā)射1 s～20 s的中子脈沖,活化儀器周?chē)鬟^(guò)的水,使其具有放射性。在水的流動(dòng)方向上放置多個(gè)伽馬射線(xiàn)探測(cè)器,探測(cè)記錄活化水流經(jīng)探測(cè)器產(chǎn)生的隨時(shí)間變化的計(jì)數(shù)率分布譜。通過(guò)多次重復(fù)發(fā)射中子和記錄伽馬射線(xiàn),降低伽馬計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)漲落,在計(jì)數(shù)率對(duì)時(shí)間的分布譜上,就能確定出活化水的到達(dá)時(shí)間。用此時(shí)間除以已知的中子發(fā)生器到探測(cè)器之間的距離,計(jì)算出水流速度[1、2]。由于高能中子和高能伽馬射線(xiàn)可以穿透鋼套管,因此這種方法可以測(cè)量油管內(nèi)、油管外甚至套管外水流的速度,適用于在籠統(tǒng)注入井和分層注入井中測(cè)量注入剖面。該方法還可用于檢測(cè)封隔器漏失和套管外水泥環(huán)中的竄流。

2 理論模型

應(yīng)用蒙特卡洛方法可以計(jì)算氧活化的活化分布和探測(cè)器的響應(yīng)函數(shù),因此可以預(yù)測(cè)出水流動(dòng)帶來(lái)的探測(cè)器計(jì)數(shù)率的變化[3]。

式中,λ是衰變常數(shù),S(t)是時(shí)間t時(shí)的中子源強(qiáng)度,t0是活化期的起始時(shí)刻,ta是活化時(shí)間,A是流動(dòng)橫截面積,D(z)是相對(duì)中子源位置的活化分布,R(z)是相對(duì)于探測(cè)器平面的探測(cè)器響應(yīng)函數(shù)。L是探測(cè)器源距,v是流動(dòng)速度。

3 計(jì)算模型

為了應(yīng)用蒙特卡洛方法得到探測(cè)器響應(yīng)函數(shù)和活化分布函數(shù),建立了相應(yīng)的計(jì)算模型,如圖1所示,井筒為標(biāo)準(zhǔn)的139.7mm套管,井筒內(nèi)為外徑43mm的氧活化儀器,水流方向?yàn)閥方向,中子源的位置為原點(diǎn),探測(cè)器到中子源的距離為L(zhǎng)=100 cm,水流在套管和儀器間的環(huán)形空間流動(dòng),流速為 v,經(jīng)過(guò)中子源的活化,流到探測(cè)器被探測(cè)。

通過(guò)蒙特卡洛模擬可以得到活化分布函數(shù)和探測(cè)器響應(yīng)函數(shù)。

圖1 氧活化測(cè)井模型圖

4 模擬計(jì)算結(jié)果

應(yīng)用公式(1)計(jì)算活化期為2 s,源距100 cm情況下不同水流的活化分布和時(shí)間譜分布,時(shí)間譜測(cè)量間隔為0.1 s,如圖2、3所示。從圖中可以看出,隨著流速的增加,活化分布越來(lái)越寬,幅度越來(lái)越小,這是由于流速越快,氧元素受中子源活化的時(shí)間越短,單位體積活化核分布越少。從時(shí)間譜中可以看出,流速越慢,測(cè)量到的伽馬射線(xiàn)越少,分布越寬,這是由于流動(dòng)過(guò)程中活化核的衰減造成的;當(dāng)流速超過(guò)一定數(shù)值后,部分活化核沒(méi)有衰減就流過(guò)了探測(cè)器,因此造成時(shí)間譜的峰值降低。

圖2 不同流速情況下活化分布圖

圖3 不同流速下的時(shí)間譜

圖4顯示的是模擬計(jì)算的流速為5.27 cm/s的時(shí)間譜與實(shí)測(cè)的時(shí)間譜對(duì)比圖,圖5顯示的是流速為9.25 cm/s的計(jì)算譜與實(shí)測(cè)譜對(duì)比圖。

圖4 流速5.27 cm/s實(shí)測(cè)譜與計(jì)算譜對(duì)比圖

圖5 流速9.25 cm/s實(shí)測(cè)譜與計(jì)算譜對(duì)比圖

從圖中可以看出,計(jì)算的時(shí)間譜與實(shí)測(cè)的時(shí)間譜對(duì)應(yīng)得很好,計(jì)算的峰位與實(shí)測(cè)結(jié)果具有良好的一致性,證明該模擬計(jì)算方法是真實(shí)有效的。

5 結(jié) 論

氧活化測(cè)井技術(shù)已經(jīng)在各油田開(kāi)始大面積應(yīng)用,而且取得了明顯的應(yīng)用效果,不同源距儀器經(jīng)過(guò)刻度得到有效的源距,用于計(jì)算流速。由于國(guó)內(nèi)多數(shù)流動(dòng)刻度裝置不具備放射性刻度條件,使得無(wú)法對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn),帶來(lái)測(cè)量誤差。脈沖種子氧活化的模擬計(jì)算方法,通過(guò)理論推導(dǎo)給出了時(shí)間譜模擬計(jì)算公式,同時(shí)計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果一致,為氧活化測(cè)井儀器的設(shè)計(jì)和刻度系數(shù)的計(jì)算提供了技術(shù)支持。

[1] 王建民,肖培琛.氧活化技術(shù)在聚合物注入剖面測(cè)井中的應(yīng)用[J].測(cè)井技術(shù),1999,23(3)

[2] 羅順忠.核技術(shù)應(yīng)用[M].哈爾濱工程大學(xué)出版社,2009

[3] D.C.Mckeon.Interpretation of oxygen activation logs for detecting water flow in producing and injection wells.SPW LA 32rid Annual Logging Symposium,1991

Simulation of time spectrum by oxygen activation logging.

Jiang Yiqing,Xu Lin,Wang Jianmin and Du Hui.

Based on the principle of oxygen activation logging,the theoretical model is built up and neutron activation and sensing function is derived.Using this function,the time spectrum of activated fluid at various speeds is calculated.The consistency between theoretical and fields results verifies the method.It will be very useful in the tool design and the determination of the calibration.

oxygen activation water flow 1ogging;pulse neutron;time spectrum;simulation

P631.8+17

B

1004-9134(2011)06-0005-02

姜亦忠,男,1968年生,高級(jí)工程師,1990年畢業(yè)于吉林大學(xué)物理系,現(xiàn)在大慶鉆探工程公司測(cè)井公司從事測(cè)井儀器研發(fā)制造工作。郵編：163412

2011-07-13

劉雅銘)

PI,2011,25(6)：5～6

·方法研究·