駱慶鋒 范宇翔梁羽佳 劉容華郭廣鎏

(1.西安石油大學(xué) 陜西 西安 710065；2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司隨鉆測(cè)井中心 陜西 西安 710054)

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·開發(fā)設(shè)計(jì)·

可控源中子儀器鉆鋌結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)量影響的數(shù)值模擬研究

駱慶鋒1,2范宇翔1,2梁羽佳2劉容華1,2郭廣鎏1,2

(1.西安石油大學(xué) 陜西 西安 710065；2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司隨鉆測(cè)井中心 陜西 西安 710054)

可控源中子孔隙度隨鉆測(cè)井儀設(shè)計(jì)之初中子發(fā)生器、中子探測(cè)器在其自有鉆鋌上有兩種安裝方式，分別是放置在鉆鋌水眼內(nèi)和偏心放置在鉆鋌一側(cè)。由于中子發(fā)生器、中子探測(cè)器所處的位置不同，其周圍存在的流體和鉆鋌屏蔽效果存在差異，從而引起中子計(jì)數(shù)率、測(cè)量靈敏度和孔隙度差別。通過(guò)建立儀器模型，運(yùn)用MC(蒙特卡洛)數(shù)值模擬方法，計(jì)算了不同結(jié)構(gòu)下儀器的測(cè)量結(jié)果，為高靈敏度可控源孔隙度測(cè)量裝置的機(jī)械設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

隨鉆測(cè)井；可控源中子孔隙度；MC數(shù)值模擬；計(jì)數(shù)率；靈敏度

0 引 言

可控源中子孔隙度隨鉆測(cè)井是一種通過(guò)測(cè)量高能中子在地層中能量和強(qiáng)度的變化，從而獲得鉆遇地層孔隙度參數(shù)的測(cè)量方法。在設(shè)計(jì)該測(cè)量工具之初，研究不同機(jī)械布局對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的影響，不僅可以為測(cè)量工具的機(jī)械設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，而且還可以為測(cè)量結(jié)果的校正提供依據(jù)。研究機(jī)械布局對(duì)可控源中子孔隙度測(cè)井儀測(cè)井結(jié)果的影響，需要從中子孔隙度測(cè)量機(jī)理入手。本文通過(guò)MC數(shù)值模擬手段，重點(diǎn)討論了中子發(fā)生器、中子探測(cè)器在鉆鋌水眼內(nèi)以及側(cè)壁安裝時(shí)對(duì)中子計(jì)數(shù)率、測(cè)量靈敏度和孔隙度的影響，并在該數(shù)值模擬結(jié)果基礎(chǔ)上完成了可控源中子孔隙度隨鉆測(cè)井儀的研制。

1 可控源中子孔隙度測(cè)量基本原理

由于中子與原子核間的無(wú)規(guī)則碰撞，中子在介質(zhì)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)是一種雜亂無(wú)章的具有統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，即初始在地層內(nèi)某一位置具有某種能量及某一運(yùn)動(dòng)方向的中子，在稍晚些時(shí)候，將運(yùn)動(dòng)到地層內(nèi)的另一位置以另一能量和另一運(yùn)動(dòng)方向出現(xiàn)。這一現(xiàn)象稱之為中子在介質(zhì)內(nèi)的輸運(yùn)過(guò)程[1]。

中子在地層中運(yùn)動(dòng)，遇到原子核發(fā)生散射或吸收，散射時(shí)不僅損失能量，還會(huì)改變方向。在一定體積內(nèi)，中子密度n隨時(shí)間的變化率，等于它的產(chǎn)生率減去泄漏率和吸收率，即:

(1)

同位素中子源周圍的中子通量分布，只限于定態(tài)問(wèn)題，即中子密度n隨時(shí)間的變化率為零。因而有：

產(chǎn)生率-泄漏率-吸收率=0

(2)

由于中子密度n是距離、速度和方向的函數(shù)，描述中子輸運(yùn)過(guò)程的精確方程叫做玻爾茲曼輸運(yùn)方程，即：

(3)

則定態(tài)方程為：

(4)

熱中子密度、通量和計(jì)數(shù)率成正比，所以其分布形式是相同的[2 、3]。

2 數(shù)學(xué)模型的建立

用遷移方程解決粒子輸運(yùn)問(wèn)題著眼于中子的群體運(yùn)動(dòng)，而不涉及每一個(gè)中子的具體運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)。MC數(shù)值模擬方法與遷移方程不同之處是它著眼于跟蹤單個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)全過(guò)程—從它產(chǎn)生一直到死亡或永遠(yuǎn)離開系統(tǒng)，然后統(tǒng)計(jì)大量粒子的行為，得出我們欲求的解答。

用MC數(shù)值模擬方法模擬的實(shí)質(zhì)是：把粒子與原子核相互作用的概率分布應(yīng)用到隨機(jī)抽樣上，通過(guò)對(duì)大量粒子的跟蹤，直到跟蹤的粒子數(shù)目達(dá)到足以對(duì)某個(gè)探測(cè)區(qū)域內(nèi)粒子宏觀碰撞行為作出結(jié)論時(shí)為止。可以說(shuō)，MC數(shù)值模擬方法就是一種數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，它以物理實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量到的粒子與物質(zhì)相互作用的物理規(guī)律(如截面等)為基本數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬[4]。

3 偏心和居中條件下的可控源中子孔隙度測(cè)井

3.1 儀器模型的建立

假定鉆鋌直徑為6.75 in(1in=25.4 mm)，鉆頭直徑為8.5 in，孔隙度測(cè)井儀器直徑為40 mm，外殼壁厚5 mm，分別鑲嵌在鉆鋌水眼內(nèi)和側(cè)壁，其中在側(cè)壁開槽時(shí)探測(cè)器外側(cè)包有鈹青銅等材料，儀器與鉆鋌之間有減震材料，厚度都為5 mm。偏心時(shí)泥漿導(dǎo)流通道直徑分別為50 mm和70 mm，儀器放在泥漿導(dǎo)流通道時(shí)包括居中和貼下部放置，泥漿導(dǎo)流通道直徑為70 mm。模擬地層半徑為10.795 cm ～80 cm，高為150 cm，兩種計(jì)算模型如圖1、圖2所示。改變地層孔隙度，使其從0～40 p.u。

圖1 偏心模型

圖2 居中模型

3.2 熱中子計(jì)數(shù)的影響

在上述四種條件下，記錄源距為22.5 cm和50 cm處的熱中子，得到相應(yīng)的熱中子計(jì)數(shù)與孔隙度的關(guān)系，如圖3所示。

遠(yuǎn)近探測(cè)器處的熱中子計(jì)數(shù)隨孔隙度的變化趨勢(shì)與儀器在鉆鋌上的位置及泥漿導(dǎo)流通道尺寸有關(guān)。當(dāng)儀器處于鉆鋌中央直徑為70 mm的泥漿導(dǎo)流通道時(shí)，居中時(shí)近探測(cè)器的熱中子計(jì)數(shù)略大于貼下部放置，而對(duì)遠(yuǎn)探測(cè)器影響很小；同樣,當(dāng)儀器在鉆鋌上偏心放置、泥漿導(dǎo)流通道直徑不同時(shí)對(duì)遠(yuǎn)近探測(cè)器的熱中子計(jì)數(shù)影響也較小；儀器在鉆鋌上偏心放置、導(dǎo)流通道直徑為50 mm和泥漿導(dǎo)流通道內(nèi)居中放置且直徑為70 mm時(shí)的泥漿體積基本相同，對(duì)遠(yuǎn)近探測(cè)器的熱中子計(jì)數(shù)影響很大，偏心放置時(shí)的計(jì)數(shù)大約是居中放置時(shí)的1.5倍，且近探測(cè)器處隨著地層孔隙度的增加兩者變化趨勢(shì)基本相同；遠(yuǎn)探測(cè)器受儀器放置位置和地層孔隙度的影響都較大，其中在低孔隙度地層條件下偏心放置時(shí)的熱中子計(jì)數(shù)大約是居中放置的2.5倍，而隨著孔隙度增大，儀器放置不同引起熱中子的差異在減小，在孔隙度為30%～40%時(shí)差別為2.1倍。

圖3 熱中子計(jì)數(shù)與孔隙度的關(guān)系

3.3 中子孔隙度測(cè)井響應(yīng)

由于儀器放置鉆鋌中央泥漿導(dǎo)流通道時(shí)的位置對(duì)熱中子計(jì)數(shù)影響較小，利用上述模擬的結(jié)果，可以得到儀器偏心和居中兩種情況下近遠(yuǎn)探測(cè)器的熱中子計(jì)數(shù)比值與地層孔隙度的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 儀器不同放置情況時(shí)的熱中子計(jì)數(shù)比值與孔隙度的關(guān)系

從圖中可以看出，當(dāng)中子孔隙度測(cè)井儀器放置在鉆鋌泥漿導(dǎo)流通道時(shí)，熱中子計(jì)數(shù)比值要比偏心放置大，主要是由于測(cè)井儀器周圍存在泥漿濾液，對(duì)中子的慢化快，造成遠(yuǎn)近探測(cè)器的熱中子計(jì)數(shù)差異大。

4 偏心和居中條件下中子孔隙度的靈敏度

同樣在上述條件下，得到相應(yīng)的中子孔隙度絕對(duì)靈敏度和相對(duì)靈敏度關(guān)系，如圖5所示。

圖5 中子孔隙度的靈敏度

隨著地層孔隙度的增加，中子孔隙度的絕對(duì)靈敏度和相對(duì)靈敏度都下降，其中在孔隙度小于30%時(shí)偏心放置時(shí)的絕對(duì)靈敏度大于居中時(shí)的絕對(duì)靈敏度，孔隙度大于30%時(shí)變化規(guī)律正好相反。

5 結(jié) 論

綜上所述，在任何孔隙度條件下，儀器在偏心放置時(shí)的孔隙度測(cè)量相對(duì)靈敏度都要好于水眼內(nèi)放置，因此在鉆鋌上側(cè)壁開槽放置中子發(fā)生器、中子探測(cè)器，不僅可以增加儀器的探測(cè)深度，而且還可以提高測(cè)量的相對(duì)靈敏度。采用MC數(shù)值模擬方法模擬儀器鉆鋌結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)量結(jié)果的研究，可為高靈敏度的井下儀器設(shè)計(jì)提供幫助，同時(shí)為測(cè)量結(jié)果的環(huán)境因素校正處理提供依據(jù)。

[1] 黃隆基. 放射性測(cè)井原理[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，1985.

[2] 謝仲生，鄧 力.中子輸運(yùn)理論數(shù)值模擬計(jì)算方法 [M]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2005.

[3] 謝仲生，俎金花，尹邦華.中子-中子測(cè)井的數(shù)值模擬[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1988.22(4)

[4] 張 鋒，王新光.脈沖中子-中子測(cè)井響應(yīng)因素的數(shù)值模擬[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2009,33(6)

Numerical simulation for measuring data with different topological designs

of controllable neutron porosity tool

LUO Qingfeng1,2FAN Yuxiang1,2LIANG Yujia2LIU Ronghua1,2GUO Guangliu1,2
(1.Xi’anshiyouuniversity,Xi’an，Shaanxi710065，China;2.ChinaPetroleumLoggingCO.LTD,Xi’an,Shaanxi710054,China)

There were two mounting means for the neutron tube and detector at the beginning of the development of controllable neutron porosity tool, one was to place the tool in the middle of the drill collar and the other was in one side of the drill collar, which left the opposite side for mud diversion. Because the neutron tube and detector were placed in different places, fluid around them and shielding effect of the drill collar were not equal, thus caused differences among neutron count rate, porosity and sensitivity. By establishing the tool model, along with mathematical simulation, we numerically calculated the results under different conditions. It has been verified that mathematical simulation can provide theoretical foundation for the mechanical layout of high sensitivity controllable porosity instruments.

LWD (logging while drilling)， controllable neutron porosity， numerical simulation， count rate， sensitivity

駱慶鋒，男，1977年生，高級(jí)工程師，1999年畢業(yè)于南華大學(xué)核物理專業(yè)，現(xiàn)在中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司隨鉆測(cè)井中心從事技術(shù)工作。E-mail:shiyoucejing@163.com

P631.8+17

A

2096-0077(2015)01-0027-03

2014-07-12 編輯：姜婷)