地层元素测井仪器结构设计优化

徐琳

(中国石油集团测井有限公司大庆分公司,黑龙江大庆163412)

0 引 言

地层元素测井仪器测量高能中子激发的地层元素次生伽马射线,将伽马射线强度记录成伽马曲线,通过解谱分析,可计算地层中主要元素含量和矿物含量。斯伦贝谢公司1996年推出化学源地层元素测井仪器(ECS)[1],2015年推出脉冲中子源地层元素测井仪器(Litho_Scanner);哈里伯顿公司2009年推出化学源地层元素测井仪器(GEM)[2];贝克休斯公司2009年推出脉冲中子源地层元素测井仪器(FLeX)[3]。中国石油天然气集团测井有限公司2013年研发了地层元素测井仪器(FEM)。

为了安全、健康、环保,各大测井公司现阶段更倾向于使用脉冲中子源[4],脉冲中子源替代化学源是核测井发展的趋势[5]。本文利用脉冲中子地层元素测井仪器的原理建立基础物理模型,通过蒙特卡罗模拟方法模拟仪器结构变化对仪器响应的影响[6-7],综合比对分析,得出最优化的地层元素测井仪器结构参数。

1 蒙特卡罗模型建立

本文以国内外常见脉冲中子地层元素测井仪器结构为基础,建立地层元素测井仪器蒙特卡罗数值模拟模型(见图1)。模型中地层形状为水平方向圆柱体,地层高度120 cm,地层直径50 cm。井眼形状为与地层同轴水平方向圆柱体,井眼高度120 cm,井眼直径20 cm,井眼内流体是清水、纳基膨润土及植物胶混合物,3种物质质量比例为1 000∶25∶3。仪器形状为水平方向圆柱体,贴井壁放置,仪器内径13.5 cm,仪器外径14 cm。仪器外壳材质为铁含量较低的不锈钢;仪器屏蔽体为钨镍合金,放置在中子源和晶体探测器之间;探测器为锗酸铋(Bi4Ge3O12,简称BGO)晶体探测器,晶体探测器的尺寸为Φ7.62 cm×10.16 cm;硼套为硼含量10%的橡胶。

图1 地层元素测井仪器蒙特卡罗模型

模拟时,中子源发射14 MeV快中子,快中子与地层中元素的原子核发生非弹性散射,放射出非弹性散射伽马射线,快中子经过能量衰减减速形成热中子,热中子被地层中元素的原子核俘获,放射出俘获伽马射线。BGO晶体探测器则可以探测并记录这些非弹性散射伽马射线和俘获伽马射线。数据采集电路记录BGO晶体探测器内的伽马射线能量强度,采集到的伽马射线能量范围为0～10 MeV,分为256个测量道。

2 中子屏蔽体厚度和仪器响应关系

蒙特卡罗模型中,地层物质设置孔隙度为50%的完全含水砂岩,地层元素测井仪器源距30 cm。分别模拟了中子屏蔽体厚度为8、10、12、14、16、18、20 cm的地层元素测井仪器测量的曲线(见图2)。由模拟曲线可以看出,随着中子屏蔽体厚度增加,仪器计数率会逐渐降低,但是降低幅度有限,对采集的数据质量不会造成较大影响。

图2 配置不同厚度中子屏蔽体的地层元素测井仪器模拟曲线

地层元素测井仪器测量时,在模型中放置中子探测器,探测中子屏蔽体对快中子的屏蔽率。在中子屏蔽体厚度达到14 cm时,屏蔽体对快中子的屏蔽率达80%以上(见图3)。中子屏蔽体厚度超过14 cm时,快中子屏蔽率缓慢增加。因此,在条件允许的情况下,应该放置厚度大于14 cm的中子屏蔽体。

图3 快中子屏蔽率随中子屏蔽体厚度变化曲线

3 源距和仪器响应的关系

3.1 源距和计数率之间的关系

在蒙特卡罗模型中,地层物质设置孔隙度为50%的完全含水砂岩,中子屏蔽体厚度设置为14 cm。分别模拟源距为30、34、38、42、46、50、54 cm的地层元素测井仪器测量曲线(见图4),图4中氢峰、硅峰明显,符合地质和实际测量规律。由图4可见,计数率随源距的增大逐级降低,当源距为46、50、54 cm时,曲线特征峰变得平滑,波动性变小。

图4 不同源距条件下地层元素测井仪器模拟曲线

3.2 源距和噪音信号之间的关系

在地层元素测井仪器采集伽马信号时,如何消除低能量噪音信号是一项关键技术。低能量噪音会与高能量信号产生堆积,影响测量曲线形态。一般认为,0～0.5 MeV能量的伽马信号为噪音信号。

模拟源距为30、34、38、42、46、50、54 cm时地层元素测井仪器在孔隙度为50%的完全含水砂岩中的测量曲线。将能量强度为0～0.5 MeV的伽马射线计数率相加结果绘制成图5,由图5可见,随着源距的增大,能量强度为0～0.5 MeV的伽马射线其计数率会减少,测量到的曲线形态会更加准确。

图5 不同源距条件下0～0.5 MeV伽马射线计数率变化图

3.3 源距和纵向分辨能力之间关系

在蒙特卡罗模型中,距离地层元素测井仪器轴向方向25 cm内的地层物质设置为无,距离地层元素测井仪器轴向方向25～50 cm的地层物质设置为孔隙度50%的完全含水砂岩。分别模拟了源距为30、34、38、42、46、50、54 cm时地层元素测井仪器测量的曲线(见图6),模拟数据反映了仪器纵向分辨能力。

图6 不同源距条件下地层元素测井仪器轴向25～50 cm区间模拟曲线

地层元素测井仪器源距为46、50、54 cm时,能量强度为4～8 MeV的伽马射线计数率变化较小。源距为34、38、42 cm时,地层元素测井仪器采集到的伽马射线曲线有较多重合;源距为30 cm时,地层元素测井仪器纵向分辨率最好;源距为34、38、42 cm时,地层元素测井仪器纵向分辨率中等;源距为46、50、54 cm时,地层元素测井仪器纵向分辨率较差。

通过源距和噪音信号之间的关系可以看出源距增大会减少噪音信号。通过源距和计数率之间的关系和本节前面的分析可以看出,源距增大会减少计数率和纵向分辨能力。各种因素综合考虑后认为,源距为42 cm时,能够保证仪器的计数率和纵向分辨能力较好,同时最大程度减少噪音信号。

4 晶体探测器尺寸和仪器响应的关系

地层元素测井仪器晶体探测器是获取次生伽马曲线数据的关键,其尺寸大小不仅影响仪器整体结构,还对仪器计数率有较大的影响。通过模拟不同尺寸BGO晶体探测器测量曲线,对比分析最优探测器晶体探测器尺寸。

通常地层元素测井仪器BGO晶体探测器尺寸为Φ7.62 cm×10.16 cm,加装保温瓶后,仪器直径一般大于13.5 cm,由于直径较粗造成该仪器相比直径为9 cm的常规测井仪器更容易遇阻遇卡,并且在套管井中应用受套管内径所限。通过模拟分析,尝试是否可以减小BGO晶体探测器直径及增大BGO晶体探测器高度,获得同等或相近的测量效果。

模型设置源距为42 cm、中子屏蔽体厚度为16 cm,地层物质孔隙度为50%的完全含水砂岩。通过图7可见,装配高度相同、直径越大的BGO晶体探测器,地层元素测井仪器测得的计数率越高;装配直径相同、高度越大的BGO晶体探测器,地层元素测井仪器测得的计数率越高。

图7 放置不同尺寸BGO晶体探测器的地层元素测井仪器模拟曲线

晶体探测器的体积增大会增加测得的计数率,根据圆柱体体积公式,晶体探测器的直径增大对晶体探测器的体积增大按指数性增加,高度增加对晶体探测器的体积增大按线性增加。通过模拟发现,直径5 cm的BGO晶体探测器,在晶体探测器高度大于20 cm时,地层元素测井仪器测得的计数率不会显著增加。尺寸为Φ5 cm×24 cm和Φ7.62 cm×10.16 cm的BGO晶体探测器体积相近,但计数率相差27%。这意味着装配尺寸为Φ5 cm×24 cm的BGO晶体探测器的地层元素测井仪器,想要获得和装配尺寸为Φ7.62 cm×10.16 cm BGO晶体探测器的地层元素测井仪器同等测量效果,在测井时测速需要降低27%。

5 结 论

(1)在中子屏蔽体厚度达到14 cm时,屏蔽体对快中子的屏蔽率达80%以上;中子屏蔽体厚度超过14 cm时,快中子屏蔽率缓慢增加。地层元素测井仪器中应放置厚度大于14 cm的中子屏蔽体。

(2)综合考虑源距增大对计数率、仪器纵向分辨力、干扰信号的影响,地层元素测井仪器源距应设定为42 cm。

(3)采用Φ5 cm×20 cm的BGO晶体探测器代替Φ7.62 cm×10.16 cm的BGO晶体探测器,这样可以将仪器直径降低至少2.62 cm,减少工程风险,但是需要降低仪器测速。