周 悅 于華偉 王 猛 杜本強(qiáng) 劉志杰

1（中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部 三河 065201）

2（中國石油大學(xué)（華東） 青島 266580）

目前，可控D-T 源中子孔隙度測井儀器通常采用3He中子探測器進(jìn)行熱中子的探測，考慮到3He氣體短缺、中子探測領(lǐng)域廣泛等消耗產(chǎn)出問題，使用新型Cs2LiYCl6:Ce（CLYC）探測器對傳統(tǒng)3He 中子探測器進(jìn)行替換是核測井探測器選擇的新方向。隨著探測器設(shè)計(jì)制造工藝的發(fā)展，國外公司已經(jīng)制造出能夠在井下高溫環(huán)境中工作且滿足熱中子和γ光子探測計(jì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的新型雙粒子晶體探測器。2012年，法國SAINT-GOBAIN 公司推出了新型CLYC 探測器［1］，能夠滿足γ 射線探測，還因?yàn)榫哂懈邿嶂凶咏孛?Li核素的存在可以對熱中子進(jìn)行吸收測量；Shah等［2?3］通過實(shí)驗(yàn)對新型雙粒子探測器的探測特征進(jìn)行了分析，認(rèn)為中子和γ 射線在衰減快慢上存在較明顯差異，從而經(jīng)過甄別處理后能有效識別熱中子計(jì)數(shù)；張泉瀅等［4］研究設(shè)計(jì)了基于CLYC 探測器的核測井儀器模型，認(rèn)為新型CLYC 探測器在中子等粒子探測問題上滿足測井需求標(biāo)準(zhǔn)，減少了探測器的使用數(shù)量且改善了儀器的縱向分辨率問題。相比于中子孔隙度測井中常規(guī)使用的3He 中子探測器，目前對于CLYC 探測器的熱中子探測效率研究較少，簡單采用同源距位置處的探測器替換缺乏理論依據(jù)，容易造成熱中子接收計(jì)數(shù)低，影響測量結(jié)果精度，因此需要對新型CLYC 探測器的熱中子探測特征及替換3He中子探測器的可行性進(jìn)行分析研究。

對于新型CLYC 探測器，其在對地層孔隙度的測量與設(shè)計(jì)源距位置、響應(yīng)結(jié)果精度聯(lián)系密切，因此為了獲取CLYC 探測器的熱中子探測特征，需要對其在不同6Li 純度和探測器尺寸下的熱中子計(jì)數(shù)通量進(jìn)行分析；另外，由于需要對3He中子探測器進(jìn)行替換使用，因此對比分析了兩者關(guān)于熱中子的接收響應(yīng)結(jié)果。本文擬利用蒙特卡羅模擬方法確定新型CLYC 探測器熱中子探測效率，進(jìn)而對比研究其與3He 中子探測器的響應(yīng)差異性與替換可行性，為中子孔隙度測井儀器的探測器選擇設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 CLYC 晶體探測器及可控源中子孔隙度測井原理

1.1 熱中子性質(zhì)及CLYC 探測器熱中子測量原理

對于熱中子而言，按照動(dòng)能大小分類其能量范圍都處于0.025 eV附近［5］。由于熱中子穿透能力較強(qiáng)，能夠透過套管并且與地層發(fā)生一系列的反應(yīng)，因此廣泛應(yīng)用在石油測井中［5］。同時(shí)，熱中子呈電中性，不能直接引起物質(zhì)的電離與激發(fā)，對中子的探測主要通過其他物質(zhì)與其相互作用后產(chǎn)生次級帶電粒子，從而實(shí)現(xiàn)識別探測［6］。

CLYC 探測器中富含熱中子截面高的6Li 元素，粒子探測原理以核反應(yīng)為基礎(chǔ)，熱中子與6Li元素的核反應(yīng)過程如下：

反應(yīng)產(chǎn)物為4He 和氚核的帶電粒子，且此時(shí)反應(yīng)Q值達(dá)到 4.78 MeV，相比于 CLYC 探測器，3He 中子探測器的核反應(yīng)過程為：

1.2 可控源中子孔隙度測井原理

可控源中子孔隙度測井通常采用D-T中子源和距離源不同位置的兩個(gè)3He 中子探測器，源釋放出高能快中子經(jīng)過地層減速慢化作用后變?yōu)闊嶂凶硬⑸⑸浠鼐?，被探測器接收計(jì)數(shù)；地層中氫元素對快中子存在極強(qiáng)的減速作用，通過近、遠(yuǎn)兩個(gè)探測器測得計(jì)數(shù)率的比值確定地層含氫指數(shù)。由于氫元素通常存在于地層孔隙中的水或石油等流體中，因此氫的含量與地層孔隙度有關(guān)，從而獲取地層孔隙度［5，7］。

2 計(jì)算模型

為了獲取CLYC 探測器的熱中子探測特征，首先需要確定不同6Li 元素純度、不同探測器尺寸下CLYC探測器的熱中子計(jì)數(shù)通量，另外，在驗(yàn)證分析中子探測器替換的可行性時(shí)，需要與可控源中子孔隙度測井通常采用的3He探測器進(jìn)行對比分析。因此，本文基于蒙特卡羅模擬軟件（Monte Carlo Nparticle Transport Code，MCNP）分別構(gòu)建計(jì)算模型對上述問題進(jìn)行研究。

2.1 CLYC探測器模型及基準(zhǔn)檢測

圖1模擬252Cf源釋放的快中子經(jīng)過聚乙烯慢化劑減速后變?yōu)闊嶂凶忧易罱K被CLYC探測器接收的粒子探測過程。該模型中放射源與CLYC探測器之間的間距為25 cm，晶體尺寸為4 cm×3 cm×3 cm；探測器外殼為鋁殼，長度為17.5 cm；整個(gè)空間內(nèi)充滿空氣，桌子材質(zhì)采用木制，聚乙烯慢化劑厚度從0 cm間隔變化到9 cm，進(jìn)而得到不同聚乙烯慢化劑厚度下的CLYC 探測器熱中子計(jì)數(shù)接收響應(yīng)；每次模擬時(shí)抽樣108個(gè)粒子，以保證模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)精度。

圖1 CLYC探測器模型Fig.1 CLYC detector model

在模擬數(shù)據(jù)可靠性上，基于CLYC 探測器的熱中子測量實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)［8］，通過蒙特卡羅軟件模擬得到對應(yīng)實(shí)驗(yàn)室操作環(huán)境下的熱中子探測響應(yīng)結(jié)果，并進(jìn)行歸一化處理，如圖2 所示。經(jīng)觀察可得，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)均表現(xiàn)出熱中子計(jì)數(shù)先增加后減少的趨勢，峰值處對應(yīng)慢化劑厚度相差1 cm 左右。分析認(rèn)為：252Cf 源釋放出快中子經(jīng)過慢化劑減速過程中，當(dāng)慢化劑厚度較小時(shí)，高能中子經(jīng)過慢化劑減速變?yōu)闊嶂凶?，表現(xiàn)為促進(jìn)熱中子產(chǎn)生；隨著慢化劑厚度逐漸增大，高能中子經(jīng)過慢化劑減速為熱中子之后又被加以吸收，因此曲線趨勢表現(xiàn)為先上升后下降。另外，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)相比，兩者之間存在差異，但認(rèn)為該差異程度不影響CLYC 探測器熱中子探測特征進(jìn)一步研究，分析認(rèn)為差異的存在可能是構(gòu)建的計(jì)算模型較為簡單造成的，尤其存在于CLYC探測器模型與實(shí)際探測器之間。

圖2 CLYC熱中子計(jì)數(shù)隨聚乙烯慢化劑厚度的變化Fig.2 Changes of CLYC thermal neutron count with the thickness of polyethylene moderator

2.2 測井計(jì)算模型

圖3對應(yīng)裸眼井條件下雙源距中子儀器、井眼、地層的三維模型，儀器貼井壁放置，井眼內(nèi)充滿淡水，地層設(shè)置為圓柱狀且對應(yīng)不同孔隙下含水純灰?guī)r地層；探測器位置根據(jù)分析需求從10 cm 變化到95 cm，單次變化間距對應(yīng)5 cm；使用的中子源類型為釋放14 MeV 快中子的可控D-T 源。由于本文需要針對CLYC 探測器與3He 中子探測器的熱中子探測特征進(jìn)行研究，在記錄熱中子時(shí)配合使用F4卡與Fm卡，其他影響熱中子探測效率的因素在不作說明情況下加以忽略。

圖3 中子測井計(jì)算模型Fig.3 Calculation model of neutron logging

3 CLYC探測器熱中子探測特征研究

目前，包括實(shí)驗(yàn)室等使用更多的為6Li元素純度高達(dá)95%的CLYC 探測器［9］，而未經(jīng)人工提純的天然CLYC 晶體中6Li 元素純度在7%左右，同時(shí)當(dāng)提純工藝操作存在缺陷或者提純工藝不斷發(fā)展均會影響6Li 元素純度，而6Li 元素對熱中子探測起到關(guān)鍵作用。為了分析6Li 元素純度對熱中子計(jì)數(shù)效率的影響，保持探測器晶體尺寸一定，首先對不同6Li 元素純度下的CLYC探測器熱中子計(jì)數(shù)響應(yīng)開展分析研究工作。

3.1 不同6Li元素純度

選取6Li 元素純度分別為7%、30%、50%、60%、70%、80%、90%、95%和100%的CLYC探測器，根據(jù)蒙特卡羅方法模擬得到快中子經(jīng)過聚乙烯減速劑且被晶體探測器接收后熱中子計(jì)數(shù)通量與6Li 元素純度的關(guān)系。

圖4 CLYC熱中子計(jì)數(shù)隨6Li純度的變化Fig.4 Changes of CLYC thermal neutron count with the 6Li purity

通過觀察圖4 可得，當(dāng)CLYC 探測器尺寸一定僅6Li 元素純度變化時(shí)，隨著探測器晶體中6Li 元素純度的提高，熱中子的計(jì)數(shù)通量也在逐漸增大；當(dāng)6Li元素純度達(dá)到80%及以上時(shí)，熱中子計(jì)數(shù)增加幅度趨于平緩。綜合觀察整體可知，6Li元素純度高對熱中子探測起到促進(jìn)作用，反之，則存在抑制作用。分析認(rèn)為：CLYC 探測器通過晶體中的6Li 元素與熱中子之間發(fā)生核反應(yīng)從而實(shí)現(xiàn)熱中子的接收計(jì)數(shù)，當(dāng)6Li元素純度越高時(shí)，此時(shí)熱中子反應(yīng)越劇烈，因此出現(xiàn)上述響應(yīng)結(jié)果。

3.2 不同晶體尺寸

為了觀察CLYC探測器在不同晶體尺寸下的熱中子計(jì)數(shù)通量響應(yīng)，保持CLYC晶體中6Li元素純度為95%，選取晶體尺寸分別為5 cm、10 cm、15 cm、20 cm 和25 cm（底面直徑均為10 cm）進(jìn)行模擬研究，得到熱中子計(jì)數(shù)通量與探測器晶體尺寸的關(guān)系如圖5所示。

圖5 CLYC熱中子計(jì)數(shù)隨晶體尺寸的變化Fig.5 Changes of CLYC thermal neutron count with the crystal size

根據(jù)圖5的熱中子響應(yīng)結(jié)果可得，當(dāng)CLYC探測器的6Li元素純度固定僅探測器晶體尺寸改變時(shí)，隨著晶體尺寸的增加，熱中子的探測計(jì)數(shù)也在相應(yīng)增多，說明探測器晶體尺寸的增加會提高熱中子的探測計(jì)數(shù)。分析認(rèn)為：當(dāng)CLYC 探測器晶體尺寸越大時(shí)，6Li 元素的含量越多，這就意味著存在更多的6Li元素與熱中子間的核反應(yīng)，從而有利于熱中子的探測。

3.3 CLYC與不同氣壓下3He探測器

為了確定探測器替換的可行性，需要對比研究CLYC探測器與3He中子探測器的熱中子計(jì)數(shù)差異?？紤]到目前中子測井儀器在探測器設(shè)計(jì)時(shí)近、遠(yuǎn)源距處分別選用內(nèi)部氣壓不同的兩個(gè)3He 探測器，因此，保持探測器尺寸一定（兩者均對應(yīng)?3 cm×4 cm），選取內(nèi)部氣壓分別為1×105～16×105Pa 間各個(gè)整數(shù)級大氣壓下的3He 探測器。通過模擬得到CLYC 探測器與不同內(nèi)部氣壓下3He 中子探測器對應(yīng)的熱中子計(jì)數(shù)通量，響應(yīng)結(jié)果如圖6所示。

圖6 3He熱中子計(jì)數(shù)隨內(nèi)部氣壓的變化Fig.6 Changes of 3He thermal neutron count with the internal pressure

觀察圖6 中3He 探測器熱中子計(jì)數(shù)隨其內(nèi)部氣壓的變化關(guān)系，可以得到隨著3He 探測器內(nèi)部氣壓的升高，熱中子的計(jì)數(shù)通量也會相應(yīng)增加，當(dāng)其內(nèi)部氣壓高達(dá)10×105Pa及以上時(shí)，熱中子接收計(jì)數(shù)增加幅度逐漸趨于平緩。另外，對比圖中CLYC 探測器的熱中子響應(yīng)結(jié)果可得，它的計(jì)數(shù)通量約對應(yīng)4.5×105Pa下3He探測器的熱中子計(jì)數(shù)。已知，為了防止統(tǒng)計(jì)誤差過大，中子孔隙度測井儀器一般采用內(nèi)部氣壓較高的3He 探測器以保證粒子計(jì)數(shù)，即認(rèn)為在更多情況下CLYC 探測器的熱中子探測能力弱于前者。

4 基于CLYC 探測器的可控源中子孔隙度測井可行性分析

為了考察CLYC 晶體探測器替換3He 中子探測器應(yīng)用于可控源中子測井儀器的可行性，需要針對其使用后得到的近遠(yuǎn)探測器熱中子計(jì)數(shù)率比值響應(yīng)加以進(jìn)一步分析研究。

目前，已知CLYC晶體探測器與3He中子探測器在相同尺寸規(guī)格下，前者的熱中子探測能力一般弱于后者，因此CLYC 晶體探測器在可控源中子孔隙度測井儀器中應(yīng)用時(shí)，設(shè)計(jì)的源距位置可能需要更近，進(jìn)而提高熱中子探測計(jì)數(shù)、降低統(tǒng)計(jì)誤差并且改善儀器響應(yīng)結(jié)果精度。中子孔隙度儀器設(shè)計(jì)時(shí)，源距一般采取零源距及正源距位置，為了保證CLYC探測器源距位置選取的合理性，在與基于3He 中子探測器可控源中子儀器探測響應(yīng)對比之前，本文首先確定其零源距位置。

4.1 CLYC探測器零源距

對于中子孔隙度測井，放射源與中子探測器中點(diǎn)間的距離稱為源距，在含氫指數(shù)較大的地層粒子計(jì)數(shù)率隨源距增大下降得快，而含氫指數(shù)較小的地層計(jì)數(shù)率隨源距增大下降得慢。在某一位置處，不同含氫指數(shù)地層對應(yīng)的粒子計(jì)數(shù)率相同，將該失去地層孔隙度靈敏度的源距位置定義為零源距［10］。

圖7 CLYC熱中子計(jì)數(shù)隨源距的變化Fig.7 Changes of CLYC thermal neutron count with source spacing

選取含氫指數(shù)分別為5%和25%的灰?guī)r含水地層，改變探測器源距位置使其由10 cm 變化到95 cm，通過模擬得到不同源距處CLYC探測器熱中子計(jì)數(shù)響應(yīng)變化關(guān)系。根據(jù)圖7 能夠確定，當(dāng)探測器選用CLYC 探測器時(shí)，其零源距位置基本認(rèn)為在25 cm 處，即認(rèn)為其源距大小需在25 cm 及以上區(qū)間。

4.2 可行性分析

考慮到基于3He中子探測器的可控源中子孔隙度儀器已經(jīng)進(jìn)行商業(yè)化測井勘探使用并且產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，如果將CLYC探測器替換3He探測器后兩者對應(yīng)的中子近遠(yuǎn)比響應(yīng)結(jié)果高度近似，會有極大程度上降低3He 探測器供應(yīng)不足的壓力、改善應(yīng)用新型探測器后儀器刻度標(biāo)定的復(fù)雜性等問題。同時(shí)，探測器源距的選取對于儀器響應(yīng)結(jié)果精度以及地層孔隙度靈敏度等存在決定性作用［11］。因此，將3He 中子探測器近遠(yuǎn)源距位置分別為25 cm（內(nèi)部氣壓4×105Pa）和65 cm（內(nèi)部氣壓10×105Pa）的可控源儀器作為參照［12］，根據(jù)它的地層孔隙度探測響應(yīng)，優(yōu)選出CLYC探測器的源距位置并且驗(yàn)證基于該探測器的可控源中子儀器應(yīng)用的可行性，其中遠(yuǎn)CLYC 探測器源距保證在65 cm及以下，使其盡可能接近3He探測器粒子探測統(tǒng)計(jì)精度（兩者近、遠(yuǎn)探測器尺寸均對應(yīng)?2.54 cm×7.62 cm）。

對比兩種探測器關(guān)于熱中子近遠(yuǎn)比值響應(yīng)關(guān)系時(shí)，基于零源距位置與遠(yuǎn)源距上限，本文分別考慮了標(biāo)準(zhǔn)源距附近的CLYC 探測器源距組合設(shè)計(jì)，分別為：25～55 cm、25～60 cm、25～65 cm、30～55 cm、30～60 cm、30～65 cm 等，以此確定灰?guī)r含水刻度井情況下的CLYC探測器最優(yōu)源距設(shè)計(jì)并對其應(yīng)用可行性加以驗(yàn)證。

圖8 熱中子近遠(yuǎn)比隨地層孔隙度的變化Fig.8 Near/far detector ratio with the formation porosity

如圖8 所示，經(jīng)過模擬得到不同孔隙含水灰?guī)r地層（含氫指數(shù)0%～25%）的熱中子探測接收情況，對比分析3He 探測器和CLYC 探測器的近遠(yuǎn)比響應(yīng)變化關(guān)系可得，不同源距組合類別對應(yīng)的近遠(yuǎn)比值均呈現(xiàn)出隨孔隙度增加而增加的趨勢，但變化幅度不同；另外，當(dāng)CLYC 探測器的源距組合采用25～60 cm 時(shí)，與3He 探測器的中子響應(yīng)近似程度極高，甚至存在數(shù)據(jù)點(diǎn)重合現(xiàn)象，同時(shí)也與前文CLYC 探測器計(jì)數(shù)較低，遠(yuǎn)源距需要更近這一分析相吻合。

綜上所述，通過源距優(yōu)化，CLYC探測器在可控源中子孔隙度儀器中替代3He探測器的應(yīng)用存在一定的可行性。

5 結(jié)語

1）CLYC 晶體探測器在進(jìn)行熱中子探測接收時(shí)，主要受到6Li元素純度及晶體尺寸影響。當(dāng)對應(yīng)的6Li 元素純度越高、晶體尺寸越大時(shí)，熱中子探測效率越高。

2）3He中子探測器內(nèi)部氣壓越大時(shí)，對應(yīng)的熱中子探測能力越強(qiáng)，而6Li 純度（95%）的CLYC 探測器熱中子探測能力大約對應(yīng)4.5×105Pa下3He探測器。

3）CLYC 晶體探測器對應(yīng)的零源距基本位于25 cm 處，在灰?guī)r含水地層中，當(dāng)CLYC 探測器的源距設(shè)計(jì)相比于3He探測器更近即采用25～60 cm的源距組合時(shí)，與其中子孔隙度響應(yīng)最為接近，同時(shí)基本認(rèn)可CLYC 探測器的替換性，為今后儀器探測器選取設(shè)計(jì)提供了一定依據(jù)。