蔡曉波, 柏林, 呂海泉, 程靜

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所, 河北 邯鄲 056027)

0　引　言

當(dāng)石油測(cè)井過(guò)程中遇到大斜度井、水平井和散砂層等惡劣井眼環(huán)境,常規(guī)電纜測(cè)井不能正常下放到目的層。泵出式測(cè)井系統(tǒng)安裝在鉆具內(nèi)下井,到達(dá)目標(biāo)層自動(dòng)釋放完成測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集,可以有效解決惡劣井況儀器下井困難的問(wèn)題[1-3]。然而,由于受鉆具尺寸限制,固有外徑會(huì)造成密度測(cè)井儀器射線窗口和可選探測(cè)器的靈敏體積較小,導(dǎo)致儀器整體探測(cè)效率低下,相應(yīng)地在伽馬射線能譜分窗口后,其長(zhǎng)源距巖性能窗(Lith)計(jì)數(shù)率過(guò)低,影響巖性計(jì)算。以上設(shè)計(jì)問(wèn)題通常需要在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)多次標(biāo)定和改型才能解決,試驗(yàn)過(guò)程中需要頻繁使用放射性活度較大的137Cs源,增加了損害人員健康的安全風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)泵出式密度測(cè)井儀器研制過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題,擬采用蒙特卡羅核仿真程序進(jìn)行數(shù)值模擬[4-5],對(duì)儀器外殼材質(zhì)、儀器探測(cè)窗尺寸、包裹探測(cè)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真,為儀器性能改進(jìn)提供指導(dǎo)性建議。

1　泵出式密度測(cè)井儀長(zhǎng)源距巖性測(cè)量原理

儀器測(cè)井時(shí),使用137Cs放射源發(fā)出的662 keV特征伽馬射線,與地層物質(zhì)產(chǎn)生相互作用,發(fā)生康普頓散射后,經(jīng)歷復(fù)雜的粒子遷移過(guò)程,當(dāng)射線能量低于100 keV時(shí),發(fā)生強(qiáng)烈的光電吸收效應(yīng),此時(shí)就利用光電效應(yīng)來(lái)測(cè)量地層的巖性[6-7]。

儀器的長(zhǎng)源距探測(cè)器接收不同能量的伽馬射線,經(jīng)過(guò)電子線路處理并輸出與入射射線能量成正比的核脈沖信號(hào),通過(guò)脈沖幅度分析形成伽馬能量譜線。完成電子線路設(shè)計(jì)時(shí),在長(zhǎng)源距探測(cè)器伽馬能量譜線上開(kāi)了3個(gè)窗口(見(jiàn)圖1)[8]:Lith為巖性能窗,用于求取巖性參數(shù);LS為密度能窗,對(duì)于一般泥漿的井,用LS段信息求取密度值,對(duì)于重晶石泥漿,需要LU高能段計(jì)算密度。LU為長(zhǎng)道高能能窗,LL為長(zhǎng)道低能能窗。

圖1　能量窗口劃分圖1 cps=1 s-1,下同

在儀器初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中,外徑已給定,為保證儀器可承壓140 MPa,儀器外殼及探測(cè)窗口材料都需選用抗壓強(qiáng)度大的金屬材料且承壓窗口的設(shè)計(jì)尺寸較小,致使長(zhǎng)源距探測(cè)器的巖性能窗Lith計(jì)數(shù)率在測(cè)量地層巖性時(shí)變化較小,對(duì)外界的巖性變化響應(yīng)不靈敏,從而導(dǎo)致測(cè)井失敗。

為充分研究該儀器長(zhǎng)源距探測(cè)器的巖性響應(yīng)過(guò)程,使用MCNP程序模擬伽馬射線在地層中產(chǎn)生的光電效應(yīng)和康普頓散射,通過(guò)比較探測(cè)窗口幾何尺寸的變化引起各能量窗口計(jì)數(shù)率差異,計(jì)算儀器探測(cè)靈敏度,通過(guò)設(shè)計(jì)修正,給出系統(tǒng)改進(jìn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

2　仿真建模

用于解決粒子輸運(yùn)問(wèn)題的MCNP程序(Monte Carlo N-Particle Transport Code),可以處理任意三維幾何結(jié)構(gòu)問(wèn)題;可在OUTP輸出文件中提供柵元粒子活動(dòng)情況、記數(shù)和記數(shù)漲落表等輸出信息等。通過(guò)仿真137Cs放射源產(chǎn)生的伽馬射線粒子在地層中的隨機(jī)輸運(yùn)過(guò)程,分析探測(cè)器窗口結(jié)構(gòu)給儀器測(cè)量帶來(lái)的影響。

2.1　結(jié)構(gòu)模型

以測(cè)井儀軸向幾何中心為軸心Z建立笛卡爾坐標(biāo)系,以源倉(cāng)中心軸線為X軸,垂直于Z軸和X軸建立坐標(biāo)Y軸(見(jiàn)圖2)。將長(zhǎng)源距探測(cè)器(1)、探測(cè)器外殼(2)、探測(cè)窗口(3)、芯體(5)、源倉(cāng)(6)、外殼體(7)、井液、模擬地層鋁(Al)模塊、模擬地層鋁加鐵(Al+Fe)模塊等組件分別定義為獨(dú)立幾何單元,幾何單元的數(shù)據(jù)單位為cm。分別定義組成獨(dú)立幾何單元的每個(gè)曲面。

2.2　長(zhǎng)源距MCNP仿真建模

參照泵出式密度測(cè)井儀的幾何模型(見(jiàn)圖2),進(jìn)行MCNP建模編碼和完成可視化核對(duì)。

在建模過(guò)程,大量的工作主要是設(shè)定INP輸入文件中的柵元Card、曲面Card和數(shù)據(jù)Card。

(1) 柵元Card和曲面Card。根據(jù)泵出式密度測(cè)井儀的實(shí)際尺寸和在地層中的具體狀態(tài)進(jìn)行輸入,見(jiàn)表1的MCNP輸入文件。

(2) 數(shù)據(jù)Card:源描述SDEF Card。儀器內(nèi)部的137Cs放射源可以視為各向同性點(diǎn)源,發(fā)射的光子初始能量為662 keV。

參照MCNP的編寫(xiě)規(guī)則,分析模型幾何屬性,編寫(xiě)輸入Card的代碼(見(jiàn)表1)。

編寫(xiě)完成后,逐行檢查曲面描述和幾何單元描述結(jié)果。運(yùn)行可視化軟件MCNP Visual Editor,導(dǎo)入輸入Card文件,查看模型中各曲面是否表達(dá)準(zhǔn)確、各幾何單元邊界是否閉合。泵出式密度測(cè)井儀可視化模型示意圖如圖3所示。

圖3　泵出式密度可視化模型示意圖

3　模擬計(jì)算及輸出結(jié)果分析

3.1　模擬計(jì)算

運(yùn)行MCNP4C的MS-DOS批處理文件,進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算。在輸出結(jié)果中,助記名為F4:P1的探測(cè)器計(jì)數(shù)值對(duì)應(yīng)1tally 4的抽樣值。抽樣結(jié)果表征了穿過(guò)幾何單元1的平均通量。該方案中儀器外殼體材料采用鎢合金(W-Ni-Fe),芯體采用不銹鋼(Cr-Ni-Fe)。模擬地層井壁介質(zhì)分別采用鋁(Al)、鋁加鐵(Al+Fe)。長(zhǎng)源距探測(cè)窗尺寸分別采用W1=Φ19 mm×10 mm、W2=Φ30 mm×14.5 mm。經(jīng)過(guò)109個(gè)源粒子運(yùn)算后,在out文件中查找仿真數(shù)據(jù)列表tally 1、tally 4。

3.2　計(jì)算結(jié)果匯總

通過(guò)MCNP核模擬程序的運(yùn)行,得到不同探測(cè)窗口尺寸下模擬地層鋁(Al)模塊和鋁加鐵(Al+Fe)模塊的儀器長(zhǎng)源距Lith、LL、LU能窗接收射線粒子的概率和探測(cè)器接收射線粒子的概率總量的模擬結(jié)果。匯總W1和W2的模擬仿真結(jié)果(見(jiàn)表2和表3)。

表2　能窗接收射線粒子概率仿真數(shù)據(jù)

表3　探測(cè)器接收射線粒子概率總量仿真數(shù)據(jù)

3.3　計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1能窗計(jì)數(shù)率分析

在泵出式密度儀器中,地層光電吸收截面指數(shù)Pe與低能段巖性能窗計(jì)數(shù)率NLith和高能LS能窗的計(jì)數(shù)率NLS之比呈函數(shù)關(guān)系[9-10]

(1)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和關(guān)系曲線的提取,該函數(shù)關(guān)系可以表征為

(2)

式中,k和b可通過(guò)刻度標(biāo)定后取得數(shù)據(jù);c是與儀器無(wú)關(guān)的修正常數(shù)?；?jiǎn)式(2)為

(3)

定義儀器探測(cè)靈敏度η為單位吸收指數(shù)變化時(shí),引起的能窗計(jì)數(shù)率比值的變化。則η可表征為

(4)

取不同的巖性Pe值和巖性窗口譜數(shù)據(jù)的計(jì)數(shù)率,將式(3)代入式(4),可知

(5)

由式(5)可見(jiàn),Pe1、Pe2和c為常數(shù),儀器探測(cè)靈敏度只隨儀器的參數(shù)k變化。斜率k值越大,儀器的靈敏度越高。對(duì)表2進(jìn)行計(jì)數(shù)率變換,當(dāng)外形尺寸為W1和W2時(shí),能窗計(jì)數(shù)率值見(jiàn)表4所示。

將表4中的各能量窗口計(jì)數(shù)率值代入?yún)?shù)k,對(duì)探測(cè)窗口W1和W2的仿真結(jié)果進(jìn)行計(jì)算,可知,kLith≈0.049;kLith≈-0.328。

表4　能窗計(jì)數(shù)率值

將參數(shù)k代入式(5)求解儀器探測(cè)靈敏度η,即有ηW1≈0.003;ηW2≈0.023。比較ηW1和ηW2可知,當(dāng)窗口從W1改變?yōu)閃2時(shí),儀器探測(cè)靈敏度有了較大的改善。

3.3.2總計(jì)數(shù)率分析

對(duì)表3進(jìn)行計(jì)數(shù)率變換,窗口為W1和W2時(shí),不同模擬地層介質(zhì)的探測(cè)器表面收到的總計(jì)數(shù)率,見(jiàn)表5所示。

表5　探測(cè)器接收總計(jì)數(shù)率

從表5可知,窗口尺寸產(chǎn)生W1到W2的變化后,長(zhǎng)源距探測(cè)器在不同的模擬地層介質(zhì)中接收的有效計(jì)數(shù)率增加了近3倍。

3.4　討論

窗口尺寸W1=Φ19 mm×10 mm時(shí),模擬地層介質(zhì)(Al)和介質(zhì)(Al+Fe)巖性窗口Lith計(jì)數(shù)率差異較小(見(jiàn)表4),通過(guò)能窗計(jì)數(shù)率分析計(jì)算其探測(cè)靈敏度只有0.003。采用窗口尺寸W2=Φ30 mm×14.5 mm時(shí),不同巖性計(jì)數(shù)率差異增大,其探測(cè)靈敏度為0.023。對(duì)比可知,窗口尺寸W2的探測(cè)靈敏度相比W1,有了較大改善,但是相比較LDT密度測(cè)井儀器靈敏度0.064依然有較大改進(jìn)空間。對(duì)總計(jì)數(shù)率分析可知,窗口尺寸的變化所引入的計(jì)數(shù)率有效值增加近3倍,長(zhǎng)源距探測(cè)效率提高。因此,儀器設(shè)計(jì)中探測(cè)窗口尺寸發(fā)生變化,結(jié)果顯示W(wǎng)2優(yōu)于W1。

在儀器設(shè)計(jì)過(guò)程中,當(dāng)密度窗口確定后,繼續(xù)提高巖性窗口計(jì)數(shù)率,有利于提高探測(cè)靈敏度,并且有利于減少放射性漲落誤差。但是若窗口設(shè)計(jì)尺寸過(guò)大時(shí),對(duì)于低Pe值地層的探測(cè)又將會(huì)引入較大的誤差。在關(guān)注窗口尺寸的同時(shí),應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化窗口內(nèi)部結(jié)構(gòu),改變窗口材質(zhì),能進(jìn)一步提高儀器巖性測(cè)量能力。

4　結(jié)　論

(1) 對(duì)泵出式密度測(cè)井儀的長(zhǎng)源距窗口進(jìn)行了MCNP模擬仿真,觀察并分析仿真結(jié)果,可知不同的探測(cè)窗口尺寸會(huì)直接影響儀器巖性測(cè)量。

(2) 仿真結(jié)果顯示,適當(dāng)增大探測(cè)窗口尺寸,能夠擴(kuò)大不同地層巖性計(jì)數(shù)率Lith的差異,提高探測(cè)巖性的靈敏度,且能譜總計(jì)數(shù)率也會(huì)相應(yīng)提高,即探測(cè)效率得到提高。

(3) 模擬結(jié)果為優(yōu)化設(shè)計(jì)儀器給出指導(dǎo)性建議。