脉冲中子孔隙度测井屏蔽体的蒙特卡罗研究

于华伟，张 锋

（中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东 青岛 266580）

0 引言

在随钻脉冲中子孔隙度测井中，仪器屏蔽体的选择对于测井仪器的设计是非常重要的，中子屏蔽的效果会对测量结果产生影响[1]。如果屏蔽不好会使中子发生器发射的中子未与地层发生作用，而直接到达探测器，这会使测量的地层孔隙度误差增大，给油气层的评价产生干扰。传统的中子孔隙度测井都是使用化学中子源，而化学中子源具有强烈的放射性，存在着运输、储存和处理等严重问题，为了降低仪器的使用风险，本研究中的随钻中子孔隙度测井是使用脉冲中子源，可选的源有D-T或D-D[2]。由于测井仪器的中子源发生了变化，因此需要对中子屏蔽体进行重新设计。

本文使用核物理领域广泛使用的蒙特卡罗模拟程序（MCNP），分别针对随钻脉冲中子孔隙度测井中仪器的D-T和D-D脉冲中子源，采用分层、分能量段的方法，进行中子屏蔽体材料和结构设计，为今后进行这种新型测井仪器的研制打下基础[3]。

1 原理

1.1 脉冲中子孔隙度测井原理

随钻脉冲中子孔隙度测井是使用中子发生器以脉冲方式释放快中子，在相对中子源的不同距离的两个观测点上，分别放置两个热中子探测器（分别为近探测器和远探测器），测量经过地层慢化并扩散回井眼的热中子，用近探测器计数率与远探测器计数率的比值测定地层含氢量。由于氢通常含于地层孔隙内的液体中，所以含氢量与地层孔隙度有关，由此可计算出地层孔隙度[4]。

可以用于随钻脉冲中子孔隙度测井仪器的中子发生器主要有两种： D-T或D-D中子发生器，它们释放的中子能量分别为14 Mev、2.5 Mev[5-6]。

1.2 中子反应

中子与物质的相互作用主要有：弹性散射、非弹性散射、辐射俘获等。能量较高的快中子首先与物质发生非弹性散射反应,使其能量降低,然后比较倾向于弹性散射,当中子能量降低到热中子能区时,就很容易发生辐射俘获反应,被物质所吸收。

中子屏蔽通常采用多层结构，第一层一般为重金属,本文选取钨、铅、铜、铁、镍、锡等进行研究,它们具有较大的非弹性散射截面,可以把快中子能量迅速降至1 Mev 以下；第二层，中子与物质主要发生弹性散射损失能量,最有效的减速材料为含氢物质或原子量较小的物质，常见的有聚乙烯、聚四氟乙烯、石墨、碳化硼等；经过弹性散射之后,大多数中子能量降低到热中子能区,可以使用较薄的一层具有较大热中子吸收截面的元素将其吸收掉,常用的元素有硼或镉等[7-9]。表1列出了本文研究时用到的几种屏蔽材料的物理参数。

表1 屏蔽材料的物理参数

2 计算模型

本文使用在核测井领域广泛使用的蒙特卡罗模拟程序（MCNP），构建了仪器、井眼和地层的计算模型。脉冲中子孔隙度测井仪器主要包括一个中子发生器，两个3He中子计数管以及相应的电路和机械部件，中子发生器与近探测器之间及近、远探测器之间都放置屏蔽体。井眼直径为8.5in，仪器直径为6.75in，仪器装有探测器的一侧贴近井壁，井眼中充填淡水，地层为饱含淡水的石灰岩。如图1为MCNP构建的脉冲中子孔隙度测井模型，中子发生器与探测器之间及探测器与探测器之间都放置了屏蔽体，仪器各部件都放置在钻铤内，钻铤中间的通道为泥浆通道。

由于本文主要研究屏蔽体的材料和结构，所以使用抽样技巧只让中子发生器向探测器方向发射快中子，使用F2型计数分别对各种屏蔽材料计算屏蔽体与近探测器接触面上的中子通量。

3 模拟与讨论

由于各种屏蔽材料对不同能量中子的屏蔽效果不一样，所以对近探测器屏蔽体采用多层结构设计，第一层主要是将快中子能量减速到1 Mev以下，第二层结构主要是将能量在1 Mev以下的中子减速到热中子能区，而较薄的一层含硼或镉的物质就可以完全吸收掉热中子，所以只需对屏蔽体的前两层结构进行研究。本文针对随钻脉冲中子孔隙度测井仪器中使用的D-T和D-D脉冲中子源，使用蒙特卡罗模拟就不同屏蔽材料对初始能量为14 Mev、2.5 Mev和1 Mev的中子的屏蔽效果进行研究，分析、优选每层屏蔽结构的材料和长度。

3.1 D-T源14 Mev快中子屏蔽

分别选取表1列出的钨、铜、铁、铅、锡、镍等重金属，以及石墨、聚乙烯、聚四氟乙烯、碳化硼等轻核材料作为屏蔽体，研究它们对D-T源释放的14 Mev快中子的减速能力。对每一种屏蔽材料设置其长度从0 cm到30 cm变化，使用MCNP来记录通过近探测器与屏蔽体接触面的1～14 Mev中子通量，计算结果归一化到单个粒子，结果如图2所示。

图1 仪器的计算模型

图2 1～14 Mev中子通量随屏蔽长度的变化

从图2中可以看出在半对数坐标下，随着屏蔽体长度的增加，快中子的平均面通量基本都呈现线性减少的规律。面通量数值越小，说明对快中子的减速能力越强。对于D-T源发射的14 Mev快中子：钨的减速能力最强，增加相同的长度时，快中子计数减少得最快；其次是铜、镍、铅、锡和铁；而碳化硼、石墨、聚四氟乙烯、聚乙烯等轻核材料屏蔽快中子效果明显要差于重金属材料。

综上分析，单纯从减少中子计数的方面考虑，钨是最理想的屏蔽材料。但是在仪器设计时还要考虑仪器重量、造价等因素，由图2可以看出12 cm的钨和铜分别可以将98.77%和98.67%的快中子减速到1 Mev以下，所以可以选用铜或含钨合金作为D-T源的第一层快中子减速材料。

3.2 D-D源2.5 Mev快中子屏蔽

使用上面的研究方法，针对D-D源释放的2.5 Mev快中子，同样使用钨、铜、铁、铅、锡、镍等重金属，以及石墨、聚乙烯、聚四氟乙烯、碳化硼等轻核材料进行不同长度屏蔽效果的研究。由于D-D源发射的中子初始能量为2.5 Mev，所以使用MCNP记录通过近探测器与屏蔽体接触面的1～2.5 Mev中子通量，计算结果如图3所示。

图3 1～2.5 Mev中子通量随屏蔽长度的变化

从图3中可以看出，对于D-D源释放的能量为2.5 Mev的快中子：钨的减速能力最强，在增加相同的长度下，快中子计数减少得最快；其后依次是碳化硼（B4C）、聚乙烯、镍、铜、铁、石墨、聚四氟乙烯、铅以及锡。可见，由于D-D源释放的快中子能量相对较低一些，所以不仅重金属材料对其减速能力强，而且轻核材料对其的减速效果也比较好，特别是碳化硼和聚乙烯这两种材料，它们对这种能量中子的减速效果要好于铜、铁等重金属。

虽然，钨是最理想的屏蔽材料，但碳化硼、聚乙烯的效果也非常好，可以作为钨的替代材料，由图3可以看出6 cm的钨和碳化硼分别可以将98.12 %和97.69 %的快中子减速到1 Mev以下。综合考虑仪器重量、造价等因素，可以选用碳化硼替代钨作为D-D源的第一层快中子减速材料。

3.3 能量为1 Mev快中子屏蔽

由于屏蔽体的第二层结构的作用是继续慢化剩余的快中子、将能量为1 Mev以下的中子减速到热中子能区。所以，针对初始能量为1 Mev的快中子，同样使用上面用到的屏蔽材料进行不同长度屏蔽效果的研究。使用MCNP记录通过近探测器与屏蔽体接触面的5×10-7～1 Mev中子通量，计算结果如图4所示。

图4 5×10-7～1 Mev中子通量随屏蔽长度的变化

从图4中可以看出，对于初始能量为1 Mev的中子：碳化硼的慢化效果最好，其次是聚乙烯、石墨；重金属材料对于这个能量段的快中子慢化能力普遍要低于这几种轻核材料。所以碳化硼是1 Mev以下能量段的最佳屏蔽材料，由图4可以看出6 cm厚的碳化硼可以将98.38%的中子减速到热中子能区。因此，6 cm厚的碳化硼既可以作为D-T也可以作为D-D源的第二层屏蔽材料。

由于屏蔽体第二层的最佳材料为碳化硼，且其中硼元素具有非常大的热中子吸收截面（10B对热中子的吸收截面为3837 b），所以屏蔽体的第二层结构不仅起到了对中子减速的作用，还可以吸收掉产生的热中子，因此本文不用再对热中子的吸收进行单独研究。

4 结论

通过对随钻脉冲中子孔隙度测井仪器屏蔽结构的综合研究、分析，可以得出以下结论：

（1）仪器分别使用D-T和D-D源时，所选用的屏蔽材料和屏蔽体厚度是不同的，并且屏蔽体最好是两层结构；

（2）当仪器使用D-T源时，最理想的屏蔽体结构为第一层选12 cm的钨、第二层选6 cm碳化硼，其中第一层可以选用铜作为钨的替代材料；

（3）当仪器使用D-D源时，最理想的屏蔽体结构为第一层选6 cm的钨、第二层选6 cm碳化硼，其中第一层也可以选用碳化硼作为钨的替代材料；

（4）当屏蔽体第二层结构选用碳化硼时，可以很好的起到吸收热中子的作用，不用再专门设置热中子屏蔽层。

[1][1]吴文圣.中子γ测井仪的中子屏蔽研究[J].核电子学与探测技术, 2004, 24(1): 24-26.

[2]Committee on Radiation Source and Replacement.Radiation Source Use and Replacement [M].Abbreviated Version.Washington: National Academies Press, 2008.

[3]Briesmeister J F.MCNPTM , A General Monte Carlo N-Particle Transport Code, Version 4C[R].Report LA-13709-M.New Nexico: Los Alamos National Laboratory, 2000.

[4]黄隆基.核测井原理[M].东营:石油大学出版社,2000.102-119.

[5]Tak Pui Lou.Compact D-D/D-T neutron generators and their applications [D].Berkeley: University of California, 2003.

[6]Seabury E, Blackburn B, Chichester D, et al.Comparison of DD, DT and Cf-252 neutron excitation of light and medium mass nuclei for field PGNAA applications [J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 261 (2007): 839-844.

[7]赵新辉,谷德山,任万彬.基于MCNP程序模拟的14 Mev中子准直屏蔽材料的研究[J].东北师大学报:自然科学版,2006:38(4):59-63.

[8]曹琴琴.D-D和D-T中子源中子照相慢化准直屏蔽系统模拟设计[D].兰州大学,2006年.

[9]戴宏毅,杨化中,苏桐龄.用蒙特卡罗方法计算快中子屏蔽体的厚度[J].国防科技大学学报, 1996:18(01):129-134.