田立立，張　鋒，王新光，劉軍濤

(中國石油大學(華東)地球科學與技術學院，山東 青島　266580)

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中子孔隙度測井探測器氣壓響應數(shù)值模擬

田立立，張鋒，王新光，劉軍濤

(中國石油大學(華東)地球科學與技術學院，山東 青島266580)

摘要：在補償中子孔隙度測井中He-3管利用(n,p)反應來探測熱中子，管內靈敏區(qū)所充氦氣氣壓對中子探測效率影響較大，決定中子孔隙度測量精度。利用蒙特卡羅方法模擬研究不同地層條件下遠、近探測器計數(shù)率隨He-3氣壓的變化規(guī)律。計算結果顯示，隨著He-3氣壓增大，近、遠探測器計數(shù)先增大再趨于平緩，計數(shù)比值略有增大，孔隙度靈敏度增加，孔隙度測量誤差呈冪指數(shù)減小，提高了測量精度。研究結果可為儀器研制過程中選擇He-3管提供技術支持。

關鍵詞：He-3管；靈敏區(qū)氣壓；中子；蒙特卡羅模擬

中子孔隙度測井是確定地層孔隙度的重要方法，其探測器一般使用BF3管和He-3管[1-2]。He-3管中子探測器是一種常用的中子探測器[3]，由于3He(n,p)3H反應截面很大，使He-3管中子探測器具有較高的探測效率，而熱中子探測效率與He-3管靈敏區(qū)體積、He-3管氣壓、氣體組合及入射中子能量等因素有關[4-8]。Ravazzani等[6]通過實驗測量不同He-3氣壓與不同氣體組合對He-3管探測特性的影響，得到一般He-3氣壓選擇范圍是4～8 atm。Lintereur等[9]利用實驗和數(shù)值模擬方法研究不同He-3氣壓對中子探測效率的影響，驗證了數(shù)值模擬方法對He-3管響應特性研究的可行性。

本文利用蒙特卡羅方法，模擬地層條件下He-3探測器的氣壓響應特性。建立不同孔隙度純砂巖地層模型，改變He-3管的氣壓，研究241Am-Be中子源產(chǎn)生的中子與地層作用后的He-3管探測響應特性，為補償中子孔隙度測井儀的結構參數(shù)優(yōu)化提供技術支持。

1He-3管熱中子探測原理

中子孔隙度測井主要通過源距不同的兩個探測器記錄來自于地層的熱中子，利用計數(shù)比值確定孔隙度。進入探測器中的熱中子與3He發(fā)生核反應：

帶有能量的質子與氚核通過計數(shù)管中的氣體時發(fā)生電離碰撞，使He-3氣體分子電離，形成大量的離子對，離子對在外加電場的作用下分別向正、負電極漂移，通過多次電離碰撞，電子不斷增值產(chǎn)生雪崩效應，形成放大信號被收集，信號與發(fā)生核反應的熱中子數(shù)有關，可通過該過程來探測熱中子。

2計算模型

利用蒙特卡羅方法建立的地層條件下計算模型[10]示于圖1。地層為高140 cm、內外半徑分別為10 cm和70 cm的圓筒狀模型，由SiO2(ρ=2.65 g/cm3)和H2O組成，孔隙度分別為0，10%，20%，30%、40%和50%。井眼充滿淡水，直徑20 cm，井中溫度為373 K。儀器緊貼井壁，241Am-Be中子源位于儀器下端，其中子能量分布[11]示于圖2。近探測器源距為22.5 cm，氦氣靈敏區(qū)尺寸為Φ2.5 cm×5 cm；遠探測器源距為45 cm，氦氣靈敏區(qū)尺寸為Φ2.5 cm×10 cm。靈敏區(qū)氦氣氣壓從1.01×105Pa變化到2.03×106Pa，其中1.01×105～8.11×105Pa間隔5.06×104Pa，8.11×105～2.03×106Pa間隔1.01×105Pa。模擬時源中子數(shù)為5×107，利用FMn卡記錄發(fā)生3He(n, p)3H反應的中子，計數(shù)誤差小于2%。

圖1　計算模型Fig.1　Simulation model

圖2　中子源能量分布Fig.2　Neutron source energy distribution

3結果與討論

3.1He-3管的響應特性

利用上述計算模型，模擬孔隙度為10%飽含水純砂巖地層時的中子輸運，近He-3中子探測器在所充氦氣氣壓不同時的中子能量分布示于圖3。由圖3可知，241Am-Be中子源產(chǎn)生的中子進入地層，經(jīng)過減速慢化后到達探測器(管內無3He)的中子能量主要分布在1 MeV以下，其強度約占總中子數(shù)的80.29%，且不同數(shù)量級能量的中子分布相當；在同樣的地層條件下，He-3探測器計數(shù)隨中子能量增加而急劇降低，隨著探測器中He-3氣壓的增大，不同能量段的中子計數(shù)都有所增大。

利用以上數(shù)據(jù)可得到不同He-3氣壓下熱中子(0～0.1 eV)的計數(shù)N1占總計數(shù)N的比值R=N1/N及中子探測效率η=N/N0，N0為管內無He-3時總中子相對計數(shù)，結果列于表1。

經(jīng)過地層減速后的中子進入探測器后主要是熱中子被記錄，且隨著氣壓增加，熱中子計數(shù)比變化較小，但中子探測效率增加，即在靈敏體積一定條件下，管內He-3氣壓決定了中子的探測效率。

圖3　不同氣壓情況下的中子能量分布Fig.3　Neutron energy distributionof different He-3 pressure

參數(shù)不同He-3氣壓下熱中子分布及探測效率無He-31.01×105Pa2.03×105Pa3.04×105Pa6.08×105Pa8.11×105Pa1.01×106PaN11.8246×10-45.2803×10-61.0027×10-51.4308×10-52.5027×10-53.0792×10-53.5652×10-5N5.4699×10-45.9434×10-41.1327×10-51.6222×10-52.8655×10-53.5471×10-54.1318×10-5R33.36%88.84%88.52%88.20%87.34%86.81%86.29%η—1.09%2.07%2.97%5.24%6.48%7.55%

注：表中計數(shù)為相對一個源中子的相對計數(shù)

3.2氣體壓強變化對中子計數(shù)的影響

圖4　遠、近探測器中子計數(shù)與氣壓變化關系Fig.4　Relationship of neutron count of near andfar detector with different pressure

采用同樣的計算模型，分別模擬孔隙為20%和40%的飽含水砂巖地層的中子輸運，利用模擬得到的中子計數(shù)乘以中子產(chǎn)額和探測器靈敏區(qū)橫截面積確定探測器中子計數(shù)，固定中子產(chǎn)額為4×107，遠、近探測器靈敏區(qū)橫截面積分別為25 cm2和12.5 cm2。分別改變遠、近探測器管內的He-3氣壓，遠、近探測器的中子計數(shù)隨氣體壓強的變化示于圖4。由圖4可知，在地層條件下，中子計數(shù)隨He-3氣壓的變化規(guī)律并不是線性的。隨著He-3氣壓的增大，中子計數(shù)的增加程度逐漸趨于平緩?？紫抖鹊脑龃笫沟锰綔y器的計數(shù)有所降低，可見高孔隙度地層中的水對中子有較強的減速效果。

3.3不同氣壓條件下中子孔隙度響應特性

3.3.1不同氣壓條件下孔隙度響應

利用圖1的計算模型，設置地層孔隙為10%、20%、30%、40%和50%的飽含水砂巖，分別在不同孔隙度地層模型下設置He-3氣壓為4、6、8、10 atm，保持其他結構參數(shù)不變。記錄不同孔隙度模型下近、遠探測器的中子計數(shù)率隨氣體壓強的變化，并計算二者的比值Ns/NL，同一坐標系下Ns/NL隨孔隙度的變化規(guī)律示于圖5。由圖5可以看出，隨著氣體壓強的增大，近、遠探測器的中子計數(shù)之比有所增加，且隨著孔隙度的增大，增加的程度也略有增大。

3.3.2不同氣壓條件下孔隙度靈敏度對比

利用圖5數(shù)據(jù)擬合氣壓為4.05×105、6.08×105、8.11×105、1.01×106Pa時近、遠探測器計數(shù)之比與孔隙度的響應關系式分別為：

R=3.736+0.127 6φ-0.000 834 6φ2

(1)

R=3.804+0.130 5φ-0.000 846 2φ2

(2)

圖5　Ns/NL隨孔隙度的變化Fig.5　Relationship of Ns/NLand porosity

R=3.846+0.134 2φ-0.000 878 7φ2

(3)

R=3.912+0.133 3φ-0.000 824 3φ2

(4)

表2　不同氣壓的孔隙度靈敏度對比

3.3.3He-3管氣壓對孔隙度測量誤差的影響

利用以上數(shù)據(jù)，擬合孔隙度與近、遠探測器計數(shù)比值的關系，根據(jù)誤差傳遞原理計算孔隙度測量誤差。測井速度500 m/h，中子源產(chǎn)額每秒4.0×107個時，不同氣壓及孔隙度條件下的中子孔隙度測量誤差示于圖6。由圖6可以看出，隨著氣壓的增大，孔隙度測量誤差呈規(guī)律下降。在當前模擬條件下，當要求在最高孔隙度為20%左右的地層中測量中子孔隙度，且孔隙度測量誤差小于1%時，則需要He-3氣壓不小于10 kPa。在實際應用中可根據(jù)地層條件適當提高He-3管氣壓，提高中子孔隙度測量精度。

考慮到探測器計數(shù)飽和問題，保持近探測器的He-3氣壓為4.05×105Pa，改變遠探測器的He-3氣壓分別為6.08×105、8.11×105、1.01×106Pa，計算三種探測器組合對中子孔隙度測量誤差的影響，結果示于表3。由表3可知，保持近探測器He-3氣壓不變，遠探測器He-3氣壓的增大同樣可以提高孔隙度測量精度。

圖6　中子孔隙度測量誤差隨氣壓的變化Fig.6　Relationship of neutron porositymeasurement error with different pressure

孔隙度φ近、遠探測器氣壓相同組合近、遠探測器氣壓不同組合4.05×105Pa6.08×105Pa8.11×105Pa1.01×106Pa6.08×105Pa8.11×105Pa1.01×106Pa10%0.68%0.58%0.52%0.51%0.61%0.57%0.56%20%1.39%1.18%1.06%0.98%1.23%1.14%1.07%30%2.12%1.80%1.63%1.48%1.86%1.72%1.61%

4小結

(1) He-3探測器氣壓的增大使中子計數(shù)增加，且增加的程度隨著氣壓升高而趨于平緩。

(2) 隨著He-3氣壓的增大，近、遠探測器的中子計數(shù)之比增加，同時氣壓增大時孔隙度靈敏度略有增加，相對孔隙度靈敏度基本保持不變。

(3) 隨著He-3氣壓的增大，中子孔隙度測量誤差呈冪規(guī)律下降，在實際應用中可根據(jù)地層條件適當提高He-3管氣壓，從而有效地提高中子孔隙度測量精度?？紤]到計數(shù)飽和，只提高遠探測器He-3氣壓，以提高測量精度。

參考文獻：

[1]黃隆基.核測井原理[M]. 東營：石油大學出版社，2000：249-259.

[2]付廣智,何彬,章喜喜,等. BF3中子探測器陣列探測效率的蒙特卡羅計算[J]. 核電子學與探測技術,2006,26(1):65-67.

Fu Guangzhi, He Bin, Zhang Xixi, et al. Detector efficiency computed with Monte Carlo method of the BF3neutron detector array[J]. Nuclear Electronics& Detection Technology, 2006, 26(1): 65-67(in Chinese).

[3]張明,施俊,任忠國.3He中子計數(shù)管的機理及結構[J]. 核電子學與探測技術,2009,29(5):1 170-1 171.

Zhang Ming, Shi Jun, Ren Zhongguo. The theory and configuration of3He neutron counting tube[J] . Nuclear Electronics& Detection Technology, 2009, 29(5): 1 170-1 171(in Chinese).

[4]楊巧榮. 4π球形3He中子探測器的蒙特卡羅模擬研究及設計[D]. 蘭州：蘭州大學,2011.

[5]劉應都,張國強,王宏偉,等.3He 正比計數(shù)器探測效率模擬及靈敏度刻度[J]. 核技術，2012,35(3):175-178.

Liu Yingdu, Zhang Guoqiang, Wang Hongwei, et al. Simulation of detection efficiency for a3He proportional counter and its sensitivity calibration[J]. Nuclear Techniques, 2012, 35(3): 175-178(in Chinese).

[6]Ravazzani A, Foglio P A, Jaime R, et al. Characterization of3He proportional counters[J]. Radiation measurements, 2006, 41(5): 582-593.

[7]Bystritsky V M, Slepnev V M, Boreiko V F, et al.3He detectors in experiments at the powerful pulsed accelerators[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 2002, 490(1-2): 344-355.

[8]夏凌志,張建民,楊志高,等. 蒙特卡羅方法在補償中子測并儀器設計中的應用[J]. 測井技術,2003,27(6):77-480.

Xia Lingzhi, Zhang Jianming, Yang Zhigao, et al. Application of Monte Carlo Method in compensated neutron log tool design[J]. WLT, 2003, 27(6): 477-480(in Chinese).

[9]Lintereur A, Conlin K, Ely J, et al.3He and BF3neutron detector pressure effect and model comparison[J]. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, 2011, 652(1): 347-350.

[10]張鋒,靳秀云,侯爽. D-T 脈沖中子發(fā)生器隨鉆中子孔隙度測井的蒙特卡羅模擬[J]. 同位素,2010,23(1):15-21.

Zhang Feng, Jin Xiuyun, Hou Shuang. Monte Carlo simulation on compensated neutron porosity logging in LWD with D-T pulsed neutron generator[J]. Journal of Isotopes, 2010, 23(1): 15-21(in Chinese).

[11]Fantidis J, Nicolaou G, Potolias C, et al. The comparison of four neutron sources for Prompt Gamma Neutron Activation Analysis (PGNAA) in vivo detections of boron[J]. Journal of Radio analytical and Nuclear Chemistry, 2011, 290 (2): 289-295.

Monte Carlo Study on Gas Pressure Response of He-3 Tube in Neutron Porosity Logging

TIAN Li-li, ZHANG Feng, WANG Xin-guang, LIU Jun-tao

(SchoolofGeosciences,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China)

Abstract:Thermal neutrons are detected by (n,p) reaction of Helium-3 tube in the compensated neutron logging. The helium gas pressure in the counting area influences neutron detection efficiency greatly, and then it is an important parameter for neutron porosity measurement accuracy. The variation law of counting rates of a near detector and a far one with helium gas pressure under different formation condition was simulated by Monte Carlo method. The results showed that with the increasing of helium pressure the counting rate of these detectors increased firstly and then leveled off. In addition, the neutron counting rate ratio and porosity sensitivity increased slightly, the porosity measurement error decreased exponentially, which improved the measurement accuracy. These research results can provide technical support for selecting the type of Helium-3 detector in developing neutron porosity logging.

Key words：Helium-3 tube; counting area gas pressure; neutron; Monte Carlo simulation

收稿日期：2015-04-20;修回日期：2016-01-05

基金項目：國家自然科學基金(41374125，41574119)；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助(14CX05011A)

作者簡介：田立立(1993—)，男，陜西咸陽人，碩士研究生，從事核測井方法基礎研究 通信作者：張鋒，教授，E-mail: zhfxy_cn@upc.edu.cn

中圖分類號：TL816+.3

文獻標志碼：A

文章編號：1000-7512(2016)02-0098-05

doi：10.7538/tws.2016.29.02.0098