田立立，張　鋒，王新光，劉軍濤

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島　266580)

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中子孔隙度測(cè)井探測(cè)器氣壓響應(yīng)數(shù)值模擬

田立立，張鋒，王新光，劉軍濤

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島266580)

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

關(guān)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(cè)井是確定地層孔隙度的重要方法，其探測(cè)器一般使用BF3管和He-3管[1-2]。He-3管中子探測(cè)器是一種常用的中子探測(cè)器[3]，由于3He(n,p)3H反應(yīng)截面很大，使He-3管中子探測(cè)器具有較高的探測(cè)效率，而熱中子探測(cè)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(guān)[4-8]。Ravazzani等[6]通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量不同He-3氣壓與不同氣體組合對(duì)He-3管探測(cè)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(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究不同He-3氣壓對(duì)中子探測(cè)效率的影響，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法對(duì)He-3管響應(yīng)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(cè)器的氣壓響應(yīng)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(cè)響應(yīng)特性，為補(bǔ)償中子孔隙度測(cè)井儀的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供技術(shù)支持。

1He-3管熱中子探測(cè)原理

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

帶有能量的質(zhì)子與氚核通過計(jì)數(shù)管中的氣體時(shí)發(fā)生電離碰撞，使He-3氣體分子電離，形成大量的離子對(duì)，離子對(duì)在外加電場(chǎng)的作用下分別向正、負(fù)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(yīng)，形成放大信號(hào)被收集，信號(hào)與發(fā)生核反應(yīng)的熱中子數(shù)有關(guān)，可通過該過程來探測(cè)熱中子。

2計(jì)算模型

利用蒙特卡羅方法建立的地層條件下計(jì)算模型[10]示于圖1。地層為高140 cm、內(nèi)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(cè)器源距為22.5 cm，氦氣靈敏區(qū)尺寸為Φ2.5 cm×5 cm；遠(yuǎn)探測(cè)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(shí)源中子數(shù)為5×107，利用FMn卡記錄發(fā)生3He(n, p)3H反應(yīng)的中子，計(jì)數(shù)誤差小于2%。

圖1　計(jì)算模型Fig.1　Simulation model

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

3結(jié)果與討論

3.1He-3管的響應(yīng)特性

利用上述計(jì)算模型，模擬孔隙度為10%飽含水純砂巖地層時(shí)的中子輸運(yùn)，近He-3中子探測(cè)器在所充氦氣氣壓不同時(shí)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(jìn)入地層，經(jīng)過減速慢化后到達(dá)探測(cè)器(管內(nèi)無3He)的中子能量主要分布在1 MeV以下，其強(qiáng)度約占總中子數(shù)的80.29%，且不同數(shù)量級(jí)能量的中子分布相當(dāng)；在同樣的地層條件下，He-3探測(cè)器計(jì)數(shù)隨中子能量增加而急劇降低，隨著探測(cè)器中He-3氣壓的增大，不同能量段的中子計(jì)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(jì)數(shù)N1占總計(jì)數(shù)N的比值R=N1/N及中子探測(cè)效率η=N/N0，N0為管內(nèi)無He-3時(shí)總中子相對(duì)計(jì)數(shù)，結(jié)果列于表1。

經(jīng)過地層減速后的中子進(jìn)入探測(cè)器后主要是熱中子被記錄，且隨著氣壓增加，熱中子計(jì)數(shù)比變化較小，但中子探測(cè)效率增加，即在靈敏體積一定條件下，管內(nèi)He-3氣壓決定了中子的探測(cè)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(cè)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(jì)數(shù)為相對(duì)一個(gè)源中子的相對(duì)計(jì)數(shù)

3.2氣體壓強(qiáng)變化對(duì)中子計(jì)數(shù)的影響

圖4　遠(yuǎn)、近探測(cè)器中子計(jì)數(shù)與氣壓變化關(guān)系Fig.4　Relationship of neutron count of near andfar detector with different pressure

采用同樣的計(jì)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(yùn)，利用模擬得到的中子計(jì)數(shù)乘以中子產(chǎn)額和探測(cè)器靈敏區(qū)橫截面積確定探測(cè)器中子計(jì)數(shù)，固定中子產(chǎn)額為4×107，遠(yuǎn)、近探測(cè)器靈敏區(qū)橫截面積分別為25 cm2和12.5 cm2。分別改變遠(yuǎn)、近探測(cè)器管內(nèi)的He-3氣壓，遠(yuǎn)、近探測(cè)器的中子計(jì)數(shù)隨氣體壓強(qiáng)的變化示于圖4。由圖4可知，在地層條件下，中子計(jì)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(jì)數(shù)的增加程度逐漸趨于平緩。孔隙度的增大使得探測(cè)器的計(jì)數(shù)有所降低，可見高孔隙度地層中的水對(duì)中子有較強(qiáng)的減速效果。

3.3不同氣壓條件下中子孔隙度響應(yīng)特性

3.3.1不同氣壓條件下孔隙度響應(yīng)

利用圖1的計(jì)算模型，設(shè)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(shè)置He-3氣壓為4、6、8、10 atm，保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變。記錄不同孔隙度模型下近、遠(yuǎn)探測(cè)器的中子計(jì)數(shù)率隨氣體壓強(qiáng)的變化，并計(jì)算二者的比值Ns/NL，同一坐標(biāo)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(qiáng)的增大，近、遠(yuǎn)探測(cè)器的中子計(jì)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(duì)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(shí)近、遠(yuǎn)探測(cè)器計(jì)數(shù)之比與孔隙度的響應(yīng)關(guān)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(duì)比

3.3.3He-3管氣壓對(duì)孔隙度測(cè)量誤差的影響

利用以上數(shù)據(jù)，擬合孔隙度與近、遠(yuǎn)探測(cè)器計(jì)數(shù)比值的關(guān)系，根據(jù)誤差傳遞原理計(jì)算孔隙度測(cè)量誤差。測(cè)井速度500 m/h，中子源產(chǎn)額每秒4.0×107個(gè)時(shí)，不同氣壓及孔隙度條件下的中子孔隙度測(cè)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(cè)量誤差呈規(guī)律下降。在當(dāng)前模擬條件下，當(dāng)要求在最高孔隙度為20%左右的地層中測(cè)量中子孔隙度，且孔隙度測(cè)量誤差小于1%時(shí)，則需要He-3氣壓不小于10 kPa。在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)地層條件適當(dāng)提高He-3管氣壓，提高中子孔隙度測(cè)量精度。

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

圖6　中子孔隙度測(cè)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(yuǎn)探測(cè)器氣壓相同組合近、遠(yuǎn)探測(cè)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(jié)

(1) He-3探測(cè)器氣壓的增大使中子計(jì)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(yuǎn)探測(cè)器的中子計(jì)數(shù)之比增加，同時(shí)氣壓增大時(shí)孔隙度靈敏度略有增加，相對(duì)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(cè)量誤差呈冪規(guī)律下降，在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)地層條件適當(dāng)提高He-3管氣壓，從而有效地提高中子孔隙度測(cè)量精度?？紤]到計(jì)數(shù)飽和，只提高遠(yuǎn)探測(cè)器He-3氣壓，以提高測(cè)量精度。

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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(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(41374125，41574119)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(14CX05011A)

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

中圖分類號(hào)：TL816+.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-7512(2016)02-0098-05

doi：10.7538/tws.2016.29.02.0098