泵出式密度测井仪长源距岩性MCNP仿真

蔡晓波, 柏林, 吕海泉, 程静

(中国船舶重工集团公司第七一八研究所, 河北 邯郸 056027)

0　引　言

当石油测井过程中遇到大斜度井、水平井和散砂层等恶劣井眼环境,常规电缆测井不能正常下放到目的层。泵出式测井系统安装在钻具内下井,到达目标层自动释放完成测井数据采集,可以有效解决恶劣井况仪器下井困难的问题[1-3]。然而,由于受钻具尺寸限制,固有外径会造成密度测井仪器射线窗口和可选探测器的灵敏体积较小,导致仪器整体探测效率低下,相应地在伽马射线能谱分窗口后,其长源距岩性能窗(Lith)计数率过低,影响岩性计算。以上设计问题通常需要在试验现场通过多次标定和改型才能解决,试验过程中需要频繁使用放射性活度较大的137Cs源,增加了损害人员健康的安全风险。

针对泵出式密度测井仪器研制过程中产生的问题,拟采用蒙特卡罗核仿真程序进行数值模拟[4-5],对仪器外壳材质、仪器探测窗尺寸、包裹探测器的结构设计进行仿真,为仪器性能改进提供指导性建议。

1　泵出式密度测井仪长源距岩性测量原理

仪器测井时,使用137Cs放射源发出的662 keV特征伽马射线,与地层物质产生相互作用,发生康普顿散射后,经历复杂的粒子迁移过程,当射线能量低于100 keV时,发生强烈的光电吸收效应,此时就利用光电效应来测量地层的岩性[6-7]。

仪器的长源距探测器接收不同能量的伽马射线,经过电子线路处理并输出与入射射线能量成正比的核脉冲信号,通过脉冲幅度分析形成伽马能量谱线。完成电子线路设计时,在长源距探测器伽马能量谱线上开了3个窗口(见图1)[8]:Lith为岩性能窗,用于求取岩性参数;LS为密度能窗,对于一般泥浆的井,用LS段信息求取密度值,对于重晶石泥浆,需要LU高能段计算密度。LU为长道高能能窗,LL为长道低能能窗。

图1　能量窗口划分图1 cps=1 s-1,下同

在仪器初始结构设计过程中,外径已给定,为保证仪器可承压140 MPa,仪器外壳及探测窗口材料都需选用抗压强度大的金属材料且承压窗口的设计尺寸较小,致使长源距探测器的岩性能窗Lith计数率在测量地层岩性时变化较小,对外界的岩性变化响应不灵敏,从而导致测井失败。

为充分研究该仪器长源距探测器的岩性响应过程,使用MCNP程序模拟伽马射线在地层中产生的光电效应和康普顿散射,通过比较探测窗口几何尺寸的变化引起各能量窗口计数率差异,计算仪器探测灵敏度,通过设计修正,给出系统改进最优化设计方案。

2　仿真建模

用于解决粒子输运问题的MCNP程序(Monte Carlo N-Particle Transport Code),可以处理任意三维几何结构问题;可在OUTP输出文件中提供栅元粒子活动情况、记数和记数涨落表等输出信息等。通过仿真137Cs放射源产生的伽马射线粒子在地层中的随机输运过程,分析探测器窗口结构给仪器测量带来的影响。

2.1　结构模型

以测井仪轴向几何中心为轴心Z建立笛卡尔坐标系,以源仓中心轴线为X轴,垂直于Z轴和X轴建立坐标Y轴(见图2)。将长源距探测器(1)、探测器外壳(2)、探测窗口(3)、芯体(5)、源仓(6)、外壳体(7)、井液、模拟地层铝(Al)模块、模拟地层铝加铁(Al+Fe)模块等组件分别定义为独立几何单元,几何单元的数据单位为cm。分别定义组成独立几何单元的每个曲面。

2.2　长源距MCNP仿真建模

参照泵出式密度测井仪的几何模型(见图2),进行MCNP建模编码和完成可视化核对。

在建模过程,大量的工作主要是设定INP输入文件中的栅元Card、曲面Card和数据Card。

(1) 栅元Card和曲面Card。根据泵出式密度测井仪的实际尺寸和在地层中的具体状态进行输入,见表1的MCNP输入文件。

(2) 数据Card:源描述SDEF Card。仪器内部的137Cs放射源可以视为各向同性点源,发射的光子初始能量为662 keV。

参照MCNP的编写规则,分析模型几何属性,编写输入Card的代码(见表1)。

编写完成后,逐行检查曲面描述和几何单元描述结果。运行可视化软件MCNP Visual Editor,导入输入Card文件,查看模型中各曲面是否表达准确、各几何单元边界是否闭合。泵出式密度测井仪可视化模型示意图如图3所示。

图3　泵出式密度可视化模型示意图

3　模拟计算及输出结果分析

3.1　模拟计算

运行MCNP4C的MS-DOS批处理文件,进行数据计算。在输出结果中,助记名为F4:P1的探测器计数值对应1tally 4的抽样值。抽样结果表征了穿过几何单元1的平均通量。该方案中仪器外壳体材料采用钨合金(W-Ni-Fe),芯体采用不锈钢(Cr-Ni-Fe)。模拟地层井壁介质分别采用铝(Al)、铝加铁(Al+Fe)。长源距探测窗尺寸分别采用W1=Φ19 mm×10 mm、W2=Φ30 mm×14.5 mm。经过109个源粒子运算后,在out文件中查找仿真数据列表tally 1、tally 4。

3.2　计算结果汇总

通过MCNP核模拟程序的运行,得到不同探测窗口尺寸下模拟地层铝(Al)模块和铝加铁(Al+Fe)模块的仪器长源距Lith、LL、LU能窗接收射线粒子的概率和探测器接收射线粒子的概率总量的模拟结果。汇总W1和W2的模拟仿真结果(见表2和表3)。

表2　能窗接收射线粒子概率仿真数据

表3　探测器接收射线粒子概率总量仿真数据

3.3　计算结果分析

3.3.1能窗计数率分析

在泵出式密度仪器中,地层光电吸收截面指数Pe与低能段岩性能窗计数率NLith和高能LS能窗的计数率NLS之比呈函数关系[9-10]

(1)

通过实验测试和关系曲线的提取,该函数关系可以表征为

(2)

式中,k和b可通过刻度标定后取得数据;c是与仪器无关的修正常数。化简式(2)为

(3)

定义仪器探测灵敏度η为单位吸收指数变化时,引起的能窗计数率比值的变化。则η可表征为

(4)

取不同的岩性Pe值和岩性窗口谱数据的计数率,将式(3)代入式(4),可知

(5)

由式(5)可见,Pe1、Pe2和c为常数,仪器探测灵敏度只随仪器的参数k变化。斜率k值越大,仪器的灵敏度越高。对表2进行计数率变换,当外形尺寸为W1和W2时,能窗计数率值见表4所示。

将表4中的各能量窗口计数率值代入参数k,对探测窗口W1和W2的仿真结果进行计算,可知,kLith≈0.049;kLith≈-0.328。

表4　能窗计数率值

将参数k代入式(5)求解仪器探测灵敏度η,即有ηW1≈0.003;ηW2≈0.023。比较ηW1和ηW2可知,当窗口从W1改变为W2时,仪器探测灵敏度有了较大的改善。

3.3.2总计数率分析

对表3进行计数率变换,窗口为W1和W2时,不同模拟地层介质的探测器表面收到的总计数率,见表5所示。

表5　探测器接收总计数率

从表5可知,窗口尺寸产生W1到W2的变化后,长源距探测器在不同的模拟地层介质中接收的有效计数率增加了近3倍。

3.4　讨论

窗口尺寸W1=Φ19 mm×10 mm时,模拟地层介质(Al)和介质(Al+Fe)岩性窗口Lith计数率差异较小(见表4),通过能窗计数率分析计算其探测灵敏度只有0.003。采用窗口尺寸W2=Φ30 mm×14.5 mm时,不同岩性计数率差异增大,其探测灵敏度为0.023。对比可知,窗口尺寸W2的探测灵敏度相比W1,有了较大改善,但是相比较LDT密度测井仪器灵敏度0.064依然有较大改进空间。对总计数率分析可知,窗口尺寸的变化所引入的计数率有效值增加近3倍,长源距探测效率提高。因此,仪器设计中探测窗口尺寸发生变化,结果显示W2优于W1。

在仪器设计过程中,当密度窗口确定后,继续提高岩性窗口计数率,有利于提高探测灵敏度,并且有利于减少放射性涨落误差。但是若窗口设计尺寸过大时,对于低Pe值地层的探测又将会引入较大的误差。在关注窗口尺寸的同时,应继续优化窗口内部结构,改变窗口材质,能进一步提高仪器岩性测量能力。

4　结　论

(1) 对泵出式密度测井仪的长源距窗口进行了MCNP模拟仿真,观察并分析仿真结果,可知不同的探测窗口尺寸会直接影响仪器岩性测量。

(2) 仿真结果显示,适当增大探测窗口尺寸,能够扩大不同地层岩性计数率Lith的差异,提高探测岩性的灵敏度,且能谱总计数率也会相应提高,即探测效率得到提高。

(3) 模拟结果为优化设计仪器给出指导性建议。