可控源中子仪器钻铤结构对测量影响的数值模拟研究

骆庆锋 范宇翔梁羽佳 刘容华郭广鎏

(1.西安石油大学 陕西 西安 710065；2.中国石油集团测井有限公司随钻测井中心 陕西 西安 710054)



·开发设计·

可控源中子仪器钻铤结构对测量影响的数值模拟研究

骆庆锋1,2范宇翔1,2梁羽佳2刘容华1,2郭广鎏1,2

(1.西安石油大学 陕西 西安 710065；2.中国石油集团测井有限公司随钻测井中心 陕西 西安 710054)

可控源中子孔隙度随钻测井仪设计之初中子发生器、中子探测器在其自有钻铤上有两种安装方式，分别是放置在钻铤水眼内和偏心放置在钻铤一侧。由于中子发生器、中子探测器所处的位置不同，其周围存在的流体和钻铤屏蔽效果存在差异，从而引起中子计数率、测量灵敏度和孔隙度差别。通过建立仪器模型，运用MC(蒙特卡洛)数值模拟方法，计算了不同结构下仪器的测量结果，为高灵敏度可控源孔隙度测量装置的机械设计提供了理论依据。

随钻测井；可控源中子孔隙度；MC数值模拟；计数率；灵敏度

0 引 言

可控源中子孔隙度随钻测井是一种通过测量高能中子在地层中能量和强度的变化，从而获得钻遇地层孔隙度参数的测量方法。在设计该测量工具之初，研究不同机械布局对测量结果造成的影响，不仅可以为测量工具的机械设计提供指导，而且还可以为测量结果的校正提供依据。研究机械布局对可控源中子孔隙度测井仪测井结果的影响，需要从中子孔隙度测量机理入手。本文通过MC数值模拟手段，重点讨论了中子发生器、中子探测器在钻铤水眼内以及侧壁安装时对中子计数率、测量灵敏度和孔隙度的影响，并在该数值模拟结果基础上完成了可控源中子孔隙度随钻测井仪的研制。

1 可控源中子孔隙度测量基本原理

由于中子与原子核间的无规则碰撞，中子在介质内的运动是一种杂乱无章的具有统计性质的运动，即初始在地层内某一位置具有某种能量及某一运动方向的中子，在稍晚些时候，将运动到地层内的另一位置以另一能量和另一运动方向出现。这一现象称之为中子在介质内的输运过程[1]。

中子在地层中运动，遇到原子核发生散射或吸收，散射时不仅损失能量，还会改变方向。在一定体积内，中子密度n随时间的变化率，等于它的产生率减去泄漏率和吸收率，即:

(1)

同位素中子源周围的中子通量分布，只限于定态问题，即中子密度n随时间的变化率为零。因而有：

产生率-泄漏率-吸收率=0

(2)

由于中子密度n是距离、速度和方向的函数，描述中子输运过程的精确方程叫做玻尔兹曼输运方程，即：

(3)

则定态方程为：

(4)

热中子密度、通量和计数率成正比，所以其分布形式是相同的[2 、3]。

2 数学模型的建立

用迁移方程解决粒子输运问题着眼于中子的群体运动，而不涉及每一个中子的具体运动细节。MC数值模拟方法与迁移方程不同之处是它着眼于跟踪单个粒子的运动全过程—从它产生一直到死亡或永远离开系统，然后统计大量粒子的行为，得出我们欲求的解答。

用MC数值模拟方法模拟的实质是：把粒子与原子核相互作用的概率分布应用到随机抽样上，通过对大量粒子的跟踪，直到跟踪的粒子数目达到足以对某个探测区域内粒子宏观碰撞行为作出结论时为止。可以说，MC数值模拟方法就是一种数学实验方法，它以物理实验方法测量到的粒子与物质相互作用的物理规律(如截面等)为基本数据，进行数学模拟[4]。

3 偏心和居中条件下的可控源中子孔隙度测井

3.1 仪器模型的建立

假定钻铤直径为6.75 in(1in=25.4 mm)，钻头直径为8.5 in，孔隙度测井仪器直径为40 mm，外壳壁厚5 mm，分别镶嵌在钻铤水眼内和侧壁，其中在侧壁开槽时探测器外侧包有铍青铜等材料，仪器与钻铤之间有减震材料，厚度都为5 mm。偏心时泥浆导流通道直径分别为50 mm和70 mm，仪器放在泥浆导流通道时包括居中和贴下部放置，泥浆导流通道直径为70 mm。模拟地层半径为10.795 cm ～80 cm，高为150 cm，两种计算模型如图1、图2所示。改变地层孔隙度，使其从0～40 p.u。

图1 偏心模型

图2 居中模型

3.2 热中子计数的影响

在上述四种条件下，记录源距为22.5 cm和50 cm处的热中子，得到相应的热中子计数与孔隙度的关系，如图3所示。

远近探测器处的热中子计数随孔隙度的变化趋势与仪器在钻铤上的位置及泥浆导流通道尺寸有关。当仪器处于钻铤中央直径为70 mm的泥浆导流通道时，居中时近探测器的热中子计数略大于贴下部放置，而对远探测器影响很小；同样,当仪器在钻铤上偏心放置、泥浆导流通道直径不同时对远近探测器的热中子计数影响也较小；仪器在钻铤上偏心放置、导流通道直径为50 mm和泥浆导流通道内居中放置且直径为70 mm时的泥浆体积基本相同，对远近探测器的热中子计数影响很大，偏心放置时的计数大约是居中放置时的1.5倍，且近探测器处随着地层孔隙度的增加两者变化趋势基本相同；远探测器受仪器放置位置和地层孔隙度的影响都较大，其中在低孔隙度地层条件下偏心放置时的热中子计数大约是居中放置的2.5倍，而随着孔隙度增大，仪器放置不同引起热中子的差异在减小，在孔隙度为30%～40%时差别为2.1倍。

图3 热中子计数与孔隙度的关系

3.3 中子孔隙度测井响应

由于仪器放置钻铤中央泥浆导流通道时的位置对热中子计数影响较小，利用上述模拟的结果，可以得到仪器偏心和居中两种情况下近远探测器的热中子计数比值与地层孔隙度的关系，如图4所示。

图4 仪器不同放置情况时的热中子计数比值与孔隙度的关系

从图中可以看出，当中子孔隙度测井仪器放置在钻铤泥浆导流通道时，热中子计数比值要比偏心放置大，主要是由于测井仪器周围存在泥浆滤液，对中子的慢化快，造成远近探测器的热中子计数差异大。

4 偏心和居中条件下中子孔隙度的灵敏度

同样在上述条件下，得到相应的中子孔隙度绝对灵敏度和相对灵敏度关系，如图5所示。

图5 中子孔隙度的灵敏度

随着地层孔隙度的增加，中子孔隙度的绝对灵敏度和相对灵敏度都下降，其中在孔隙度小于30%时偏心放置时的绝对灵敏度大于居中时的绝对灵敏度，孔隙度大于30%时变化规律正好相反。

5 结 论

综上所述，在任何孔隙度条件下，仪器在偏心放置时的孔隙度测量相对灵敏度都要好于水眼内放置，因此在钻铤上侧壁开槽放置中子发生器、中子探测器，不仅可以增加仪器的探测深度，而且还可以提高测量的相对灵敏度。采用MC数值模拟方法模拟仪器钻铤结构对测量结果的研究，可为高灵敏度的井下仪器设计提供帮助，同时为测量结果的环境因素校正处理提供依据。

[1] 黄隆基. 放射性测井原理[M]. 北京：石油工业出版社，1985.

[2] 谢仲生，邓 力.中子输运理论数值模拟计算方法 [M]. 西安：西北工业大学出版社，2005.

[3] 谢仲生，俎金花，尹邦华.中子-中子测井的数值模拟[J].西安交通大学学报，1988.22(4)

[4] 张 锋，王新光.脉冲中子-中子测井响应因素的数值模拟[J].中国石油大学学报，2009,33(6)

Numerical simulation for measuring data with different topological designs

of controllable neutron porosity tool

LUO Qingfeng1,2FAN Yuxiang1,2LIANG Yujia2LIU Ronghua1,2GUO Guangliu1,2
(1.Xi’anshiyouuniversity,Xi’an，Shaanxi710065，China;2.ChinaPetroleumLoggingCO.LTD,Xi’an,Shaanxi710054,China)

There were two mounting means for the neutron tube and detector at the beginning of the development of controllable neutron porosity tool, one was to place the tool in the middle of the drill collar and the other was in one side of the drill collar, which left the opposite side for mud diversion. Because the neutron tube and detector were placed in different places, fluid around them and shielding effect of the drill collar were not equal, thus caused differences among neutron count rate, porosity and sensitivity. By establishing the tool model, along with mathematical simulation, we numerically calculated the results under different conditions. It has been verified that mathematical simulation can provide theoretical foundation for the mechanical layout of high sensitivity controllable porosity instruments.

LWD (logging while drilling)， controllable neutron porosity， numerical simulation， count rate， sensitivity

骆庆锋，男，1977年生，高级工程师，1999年毕业于南华大学核物理专业，现在中国石油集团测井有限公司随钻测井中心从事技术工作。E-mail:shiyoucejing@163.com

P631.8+17

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2096-0077(2015)01-0027-03

2014-07-12 编辑：姜婷)