基于探测特性曲线的随钻伽马测井仪优化方案

2022-06-06骆庆锋安旅行刘时语陈辉郭广鎏张清民

测井技术 2022年2期

骆庆锋,安旅行,刘时语,陈辉,郭广鎏,张清民

(1.中国石油集团测井有限公司测井技术研究院,陕西西安710077;2.西安交通大学核科学与技术学院,陕西西安710049)

0 引言

核测井是测井行业中重要的测井手段之一,是以核技术为基础的一系列测井方法,包括中子测井、伽马测井以及核磁共振测井3大类[1]。伽马测井可同时测量地层密度与有效光电吸收截面指数,该指数与地层中各种元素的原子序数有关,因此,可以用于指示地层岩性。伽马测井方法已成功应用于各种地层条件,并且对复杂岩性的含油气层的评价起了重要作用[2]。针对伽马测井仪器的优化、探测特性研究已有许多,如吴文圣等[3]研究了套管井中不同套管厚度下的双源距伽马测井仪器的光子响应行为,指出当套管和水泥环厚度小于4.4 cm时,常规的伽马测井仪对地层密度的变化反应仍然灵敏;吴文圣等[4]研究源距对探测深度的影响,给出了源距变化对探测深度积分几何因子曲线的影响;孙培伟等[5]研究了源距对双源距伽马测井仪脊肋线的影响,指出短源距减小将导致脊角增大。由于双源距伽马测井的关键参数较多,包括源距、放射源及探测器开窗尺寸、角度等,这些关键参数都会对测井性能产生较大的影响,目前针对双源距伽马测井仪器的研究成果还不够充分,尤其是该仪器的优化设计没有考虑到机械结构对探测深度曲线与层分辨率曲线的影响。

该文针对随钻伽马测井仪器(包含2种放射源开窗)的关键机械结构和探测特性进行优化、分析,提出了一种基于探测特性曲线的仪器优化思路,为随钻伽马测井仪器的设计提供了一定的指导。

1 伽马测井原理

伽马测井的原理是利用伽马源产生的伽马射线进入地层后,发生光电效应、康普顿效应与电子对效应,通过探测器记录来自地层的次级伽马射线,根据探测器的输出信号识别地层的岩性与密度。每种效应的反应截面都与地层成分有关,射线与地层发生的相互作用越少,探测器输出信号的分析就越简单,基于这种考虑,选择能量为662 keV的Cs-137放射源。由于电子对效应的反应能量阈值为1.022 MeV,选择较低能量的伽马射线,使其与地层的相互作用只有康普顿效应与光电效应。伽马射线与地层发生康普顿散射的截面与地层密度有关,而光电效应截面与地层的岩性有关,根据伽马射线与物质相互作用截面的不同,只要合理选择记录的事例能量范围,就可以得到地层密度,进行岩性识别。

2 仪器模型的建立

为更好地分析随钻伽马测井仪的性能,采用蒙特卡洛模拟软件(Monte Carlo N Particle Transport Code,MCNP)对仪器进行模拟。随钻伽马测井仪分为中子源部分与伽马源部分,伽马源部分的关键机械结构是优化的重点,因此,主要介绍伽马源部分机械结构参数。伽马源部分主要包括Cs-137放射源、近伽马探测器、远伽马探测器、源屏蔽体、探测器屏蔽体、源开窗以及探测器开窗。源开窗分为一段完整开窗(简称一段式开窗,见图1)与垂直窗加偏角窗两段组合开窗(简称两段式开窗,见图2)。该仪器的近伽马探测器开窗与探测器轴线不垂直,这样有利于提高伽马探测器的计数率,解决一般仪器计数率过少的问题。

图1 一段式开窗仪器伽马源部分示意图

图2 两段式开窗仪器伽马源部分示意图

这2种开窗结构的仪器采用的探测器均为NaI闪烁体探测器,其源距(源至探测器开窗中心距离)见表1。

表1 2种开窗结构的仪器源距

仪器的伽马源采用点源,伽马射线能量为662 keV,伽马射线在模拟中的发射方向根据研究内容有所不同。本文选择性地采用各向同性源、锥面源以及单向源这3种形式。源的周围以及探测器周围设置钨镍铁合金屏蔽体,用来减少非地层伽马射线导致的计数。

3 源屏蔽体对计数的影响

在进行仪器特性测试之前,要保证来自仪器的伽马计数不能占比过大,因此,要先对2种开窗结构的仪器进行屏蔽体厚度的优化,以选取合适的屏蔽体厚度。屏蔽体的作用是保证非地层伽马射线尽量少的被探测器记录,为了工程上实现方便,选择在源以及探测器部分分别加入屏蔽体,在固定探测器屏蔽体尺寸的情况下,研究源屏蔽体厚度变化对伽马探测器计数的影响,从而确定合适的源屏蔽体厚度。需要注意的是,屏蔽体不可能完全屏蔽所有非地层伽马射线,因此,屏蔽体设计中,评价屏蔽效果的指标以伽马计数基本稳定为宜。

本文中,屏蔽体均选用钨镍铁合金,密度为18 g/cm3,钨镍铁合金对中子有良好的屏蔽效果,也可以减少中子源的影响[6];同时钨镍铁合金原子序数高,密度大,是屏蔽伽马射线的合适材料[7]。源屏蔽体包围Cs-137放射源,由于其在径向的厚度变化较为困难,更改径向源屏蔽体厚度往往影响井的中间水道,因此,主要针对源屏蔽体轴向厚度进行优化分析。

图3 源屏蔽体对伽马探测器计数的影响

图3为伽马计数随源屏蔽体厚度变化的趋势,将伽马探测器计数进行归一化处理。

(1)

式中,xmin为计数最小值;xmax为计数最大值;x0为归一化后数值;x为原本计数值。

由于源屏蔽体不会影响来自地层中的伽马射线,因此,屏蔽体厚度的变化主要影响进入仪器本身而非地层的那部分伽马射线。由图3可见,对于一段式开窗仪器,当源屏蔽体厚度大于4.30 cm时,伽马探测器计数基本趋于稳定,近远伽马探测器归一化计数趋于0,屏蔽体基本屏蔽了来自探测器的伽马射线,继续增大屏蔽体厚度对屏蔽效果影响较小,考虑到仪器自身尺寸限制,选择源屏蔽体厚度为4.86 cm;对于两段式开窗仪器,当源屏蔽体厚度大于3.50 cm时,继续增大屏蔽体厚度对屏蔽效果影响较小,源屏蔽体厚度选为4.30 cm。

4 仪器探测深度

探测深度是仪器的关键特性之一,表征了伽马探测器计数在径向上所能反应的地层深度。一般采用水驱模型研究仪器的探测深度。水驱模型是指通过将探测器周围的地层不断用水驱替,记录探测器的计数变化。探测深度一般定义为当探测器计数达到最大值的90%时的地层径向深度[8]。

图4利用水驱模型,展示了一段式开窗仪器与两段式开窗仪器的探测深度曲线变化趋势。可以看出,2种开窗仪器的远伽马探测器计数随水驱替地层厚度增加呈单调增加的趋势;2种结构仪器的近伽马探测器计数随水驱替地层厚度增加呈先增大,后减小的趋势。其中,两段式开窗仪器的近伽马探测器的探测深度曲线的峰值为稳定值的2倍。

图4 仪器探测深度曲线

对于近伽马探测器来说(包含一段式开窗仪器与两段式开窗仪器),由于计数主要由康普顿散射贡献,在水驱替地层厚度较小时,主要是水与地层对伽马射线的衰减作用不同所导致的归一化计数变化。水衰减作用小于地层,从而水驱替地层会使伽马探测器计数增加;当水驱替地层厚度达到一定值时,水逐渐取代地层成为康普顿散射的主要物质,由于水的康普顿散射截面较小,使得归一化计数下降,2种作用产生了图4的峰值。这种峰值的存在,会使得根据伽马探测器计数计算得到的地层密度值偏小(计数越大,对应密度越小)。康普顿散射的主要散射区越集中,曲线的峰值越明显;康普顿散射区越分散,曲线峰值越不明显,这也是图4中2条远伽马探测器探测深度曲线没有出现峰值的原因。

在出射射线束固定的情况下,主要散射区的大小与源距、探测器开窗尺寸以及探测器开窗角度有关:①源距越大,主要散射区距离仪器越远,峰值出现位置越远;②探测器开窗越大,主要散射区越分散,峰越不明显;③探测器开窗角度越接近垂直方向,主要散射区越远离仪器,主要散射区也有所增大,峰向后移动且变平缓。由于2种开窗的仪器近伽马探测器源距基本一致,因此,主要考虑后2个因素对峰值的影响。两段式开窗尺寸小于一段式开窗尺寸(两段式开窗仪器为方形开窗,截面为1.0 cm×1.3 cm;一段式开窗仪器为圆柱形开窗,直径为2.4 cm);两段式开窗仪器中心线与仪器轴线的垂直线夹角为45°,而一段式开窗仪器中心线与仪器轴线的垂直线夹角为20°。因此,两段式开窗仪器近伽马探测器探测曲线的峰值更大且出现更早。

源距是影响仪器测井性能的主要因素,因其受到仪器机械结构的制约,可变化范围较小。两段式开窗仪器的近伽马探测器探测深度曲线峰值最明显,因此,首先对两段式开窗仪器的近伽马探测器的源距进行影响分析。如图5所示,源距越大,峰值位置偏移且峰值有所减小。但源距的选择不能单独考虑探测深度曲线的峰值,因为源距过大会使得计数过小,而随钻测井的缺点之一就是测量时间短、计数少。综合探测器机械结构考虑,两段式开窗仪器的近伽马探测器的源距选为17.39 cm。

图5 源距对两段式开窗仪器近伽马探测器探测深度曲线的影响

由于近伽马探测深度曲线中呈现较大的峰值,为了减小该峰值,可以将开窗角度改为垂直窗、增大开窗尺寸。尽管该仪器由于机械结构的限制,难以增大源距,但仍然模拟了增大源距后的结果,以进一步说明不同修改方案对探测深度曲线的影响。图6给出了两段式开窗仪器改变开窗为垂直窗、扩大开窗为1.0 cm×2.5 cm以及同时采用垂直窗和增大源距后的探测深度曲线。

图6 两段式开窗仪器近伽马探测器探测深度影响因素研究

由图6可知,开窗角度改变为垂直窗后,峰向后移动的同时,峰值也在逐渐变小,峰逐渐平缓;扩大开窗后,峰也会略微后移,同时峰更加平缓;在垂直窗的基础上,扩大源距,可以更好地减小峰值,此时峰相比初始状态已经被很大程度地平缓了。如图6所示,采用垂直窗且扩大近伽马探测器源距后,最终稳定值由最大值的40%提高到接近90%,减小了测量误差。

目前大多数随钻伽马测井仪器都是直窗,并且开窗较大、源距较大,较少遇到探测深度峰值,因此,还缺少针对探测深度曲线出现峰值的原因进行详细的论述。但应当指出,这种峰值对测井的影响很大,当实际测井遇到地层分界面时,探测深度峰值会使得测量密度结果突然偏大,可能导致对地层分析出现错误,因此,对探测深度曲线峰值影响因素的研究是十分必要的。

针对存在峰值的情况,如果难以更改仪器结构,可以对探测深度的定义进行一定的修正,从而尽量减小测量误差。常规的定义中,归一化计数到达0.9的点会由于峰值的存在而提前,但实际上伽马探测器计数尚未稳定,因此,这里提出一种探测深度的拓展定义,即归一化计数到达稳定值0.1范围以内,并且不会再超出稳定值0.1范围时的地层深度,称为其探测深度,这时的测量密度与真实密度的误差仅有10%。在这种定义下,一段式开窗仪器近、远伽马探测器的探测深度分别为8.95 cm、17.25 cm;两段式开窗仪器近、远伽马探测器的探测深度分别为10.25 cm、11.55 cm。

5 仪器层分辨率

与探测深度类似,层分辨率是指仪器在遇到垂直于仪器轴线的地层分界面时,仪器对地层的分辨能力。沿探测器轴线,逐渐用一种地层驱替另一种地层,同时观察仪器的归一化计数,计数由最大值的10%至最大值的90%时,地层分界面所变化的距离就是层分辨率。

与探测深度类似,层分辨率也受到主要散射区的影响。两段式开窗仪器近伽马探测器的层分辨率曲线中,平缓阶段以及谷值同样是由于不同物质对伽马射线的衰减以及散射同时作用所产生的效果(见图7)。层分辨率曲线与探测深度曲线的主要区别在于驱替的方式不同,层分辨率曲线是地层交界面垂直于探测器轴向,地层交界面沿探测器轴向移动;探测深度曲线是2种地层的交界面与探测器中心轴平行,地层交界面沿探测器径向移动。因此,对于探测深度曲线来说,在水与地层交界面穿过主要散射区后,大部分伽马射线也都被地层衰减了,即使水继续驱替地层,产生的影响也非常小;对于层分辨率曲线来说,在两个地层交界面穿过主散射区后,继续驱替会使得衰减作用进一步实现。由于一段式开窗仪器选取的开窗尺寸大于两段式开窗仪器,并且两段式开窗仪器的探测器开窗中心线与仪器轴线的垂直线夹角也大于一段式开窗仪器,从而两段式开窗仪器的主要散射区很小而一段式开窗仪器主要散射区很大,主要散射区物质的康普顿散射截面变化对一段式开窗仪器的影响远小于两段式开窗仪器。仪器层分辨率见表3。