涂硼MRPC热中子探测器用于补偿中子测井的蒙特卡罗研究

贾文宝 曾 捷 单 卿 凌永生 黑大千 张 焱 魏勇红

（南京航空航天大学 材料科学与技术学院 南京 210016）

涂硼MRPC热中子探测器用于补偿中子测井的蒙特卡罗研究

贾文宝 曾 捷 单 卿 凌永生 黑大千 张 焱 魏勇红

（南京航空航天大学 材料科学与技术学院 南京 210016）

本文利用蒙特卡罗方法模拟了涂硼多气隙电阻板室(Multi-gap Resistive Plate Chamber, MRPC)热中子探测器和3He正比计数管在常规条件和欠平衡条件下的补偿中子测井中的响应。模拟结果表明，使用涂硼MRPC热中子探测器时，得到近远探测器计数随孔隙度而增加，且与使用3He正比计数管时得到的结果基本一致，说明涂硼MRPC热中子探测器可用于补偿中子测井。

蒙特卡罗方法，补偿中子测井，涂硼多气隙电阻板室(Multi-gap Resistive Plate Chamber, MRPC)热中子探测器

随着石油的开采，石油储量大幅减少，开采难度大的低压力、低渗透率的地层越来越被重视，为了提高油井石油产能，更好保护低压油气层，欠平衡钻井技术得到了大量的应用[1]，目前低密度欠平衡钻井液主要有充气钻井液、气体钻井液、泡沫钻井液和乳化钻井液等[2]，在此条件下的钻井中大量使用了中子补偿测井技术[3-4]。中子补偿测井技术在钻井中的应用主要通过补偿中子测井仪对地层的探测响应来获得相关参数，进而评价地层的储量情况。目前，补偿中子测井仪中使用的热中子探测器主要是3He正比计数管，但由于美俄对商业3He的限量供应[5]，3He气体大量减少，3He正比计数管的价格飙升很快，使得中子补偿测井技术的性价比大大变低。为减少3He正比计数管数量及价格对补偿中子测井的影响，我们拟寻找一种新型热中子探测器来代替3He正比计数管作为补偿中子测井技术中的热中子探测器，从而提高测井技术的性价比。

多气隙电阻板室(Multi-gap Resistive Plate Chamber, MRPC)研制于1995年[6]，具有探测效率高、抗辐照性能强、结构简单、成本低廉等优点，我们拟在内层玻璃涂上热中子转换体（碳化硼），研制出一种新型的热中子探测器，其结构示意图如图1所示。本文通过蒙特卡罗方法模拟了在常规条件和欠平衡条件下，补偿中子测井中的涂硼MRPC热中子探测器的响应并与3He正比计数管的响应进行比较，研究其是否如3He正比计数管一样可用于补偿中子测井中。

图1 涂硼MRPC热中子探测器结构示意图Fig.1 Structure of the boron-coated MRPC thermal neutron detector.

1 常规条件及欠平衡条件下的补偿中子测井

1.1补偿中子测井原理

补偿中子测井是利用中子源在井眼中向地层发射快中子，通过记录在离源距离不同的两个热中子探测器的计数率比来确定地层孔隙度，从而获得地层含氢量的信息，最终得到地层含油量解释的一种应用范围较广的石油测井方法。

1.2常规条件及欠平衡条件下补偿中子测井

在常规测井条件下，井眼中充满了液体，而液体中含有大量的能够对快中子进行减速、慢化的氢元素，因此在这种地层条件下，快中子在井眼中快速衰减，探测器探测到的热中子绝大部分是地层的贡献、井眼的贡献比较少。而在欠平衡条件下，井眼液不完全是液体而是带有一定的气体，相对于常规测井条件，此时井眼中能使快中子慢化的物质将会减少，探测器得到的计数结果主要是快中子直接被井眼热化的热中子，而来自地层的热中子只占较小的一部分。因此在采用补偿中子测井技术，使用两个探测器计数的比值来计算孔隙度，可以在很大程度上弥补了地层吸收性质、套管、水泥环及井眼液对孔隙度的影响，同时也提高了此项测井技术的准确度。即使这样，在欠平衡条件下补偿中子测井的准确性也要比常规条件下的测井差，但可以通过刻度来提高测井的准确性[7-8]。

2 Geant4[9]计算模型

利用Geant4程序进行数值模拟计算，计算模型如图2所示。井眼半径为10 cm，里面充满水或气体。地层为内外半径分别为10 cm和70 cm、高为140 cm的圆筒状几何模型，地层骨架为灰岩或砂岩，空隙里面充满水或者石油。屏蔽体为理想屏蔽体，水泥环的厚度为3 cm，套管厚度为0.3 cm。探测器为3He正比计数管或者涂硼MRPC，3He正比计数管大小为3 cm×20 cm，涂硼MRPC大小为3 cm ×2.5 cm×20 cm。源为4π空间均匀发射的、能量为14 MeV的中子源。每次模拟时抽样5×107个中子。

图2 补偿中子测井的模拟模型Fig.2 Sketch of compensated neutron logging in the simulation.

3 常规条件和欠平衡条件下的模拟结果

模拟中通过这两种探测器在两种条件下的测井响应，比较它们的响应曲线，研究涂硼MRPC热中子探测器能否在补偿中子测井中有较好的应用，对于两种不同条件下使用涂硼MRPC热中子探测器时各种环境对测井的影响不作进一步研究。

3.1常规条件下的补偿中子测井模拟

根据图2的模型，模拟井眼中饱含淡水，孔隙度变化依次为5%、10%、20%、30%、40%、50%的情况下，得到短源距和长源距探测器的计数之比(SS/LS)与孔隙度的关系如图3所示。

图3 不同介质SS/LS与孔隙度的关系Fig.3 Relationship between the porosity and SS/LS with different formation matrix in conventional conditions.■ Limestone boron-coated MRPC,● Limestone helium-3 proportional counter,▲ Sandston boron-coated MRPC,▼ Sandston helium-3 proportional counter

由图3，在地层是砂岩或是灰岩且为同一孔隙度时，在补偿测井中使用涂硼MRPC热中子探测器时得到近远探测器计数随孔隙度而增加，且与使用3He正比计数管时得到的结果基本一致。这表明涂硼MRPC和3He正比计数管一样，能够很好在补偿中子测井中使用。孔隙度增加，近远探测器的热中子计数比增加，这是由于随着孔隙度增加，地层快中子减速加强，远探测器的周围热中子通量密度比近探测器下降得快。

3.2欠平衡条件下的补偿中子测井模拟

利用上面的模拟模型，模拟在地层为灰岩，孔隙度依次为5%、10%、20%、30%、40%、50%，井眼物质为淡水和含氮气20%、40%、60%的淡水的情况下，得到SS/LS与孔隙度的关系，结果如图4所示。

从图4中可以看出，在欠平衡条件下的补偿中子测井中，使用涂硼MRPC热中子探测器得到的SS/LS与使用3He正比计数管的基本一致，二者的变化趋势一样，随孔隙度增加。因此用涂硼MRPC热中子探测器作为欠平衡条件下补偿中子测井的探测器是可行的，并且效果与3He正比计数管接近。同时也可以看出，使用这两种探测器在此条件下测井时，由于井眼中含有一定的气体时，近远探测器计数比与井眼只含淡水相比有一定的下降，并且气体的比例越高，近远探测器计数比越小，这将导致计算的空隙度降低。这是因为淡水中含氢量比气体高，对快中子的减速能力强，使探测器探测的热中子主要是从井筒而非地层中传递过来的。

图4 不同井眼物质SS/LS与孔隙度的关系Fig.4 Relationship between the porosity and SS/LS withdifferent material in underbalanced conditions.■ Boron-coated MRPC, fresh water,● Helium-3 proportional counter, fresh water,▲ Boron-coated MRPC, 20%,▼ Helium-3 proportional counter, 20%,◆ Boron-coated MRPC, 40%,Helium-3 proportional counter, 40%,► Boron-coated MRPC, 60%,Helium-3 proportional counter, 60%

4 结语

通过模拟结果可以看出：

(1) 在常规条件下，对于不同的地层介质，涂硼MRPC热中子探测器可以和3He正比计数管一样，在补偿中子测井中取得比较好的效果。

(2) 在欠平衡条件下，在补偿中子测井技术中使用涂硼MRPC热中子探测器作为探测器是可行的。虽然在欠平衡条件下的补偿中子测井中，使用此探测器和3He正比计数管得到的近远探测器计数比与孔隙度的敏感性与液体介质有关，且气体成分越多，测井效果越差，但是两种探测器得到的近远探测器计数比几乎一致，因此若通过一定的修正，使用涂硼MRPC作为热中子探测器，测井的准确性也会很高。

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2 屈平, 申瑞臣. 充气钻井液的影响因素分析[J]. 天然气工业, 2008, 28(1): 82-84

QU Ping, SHEN Ruichen. Effect analysis on cbm aerated drilling fluid[J]. Natural Gas Industry, 2008, 28(1): 82-84

3 王红涛, 张占松, 陈子善. 空气钻井补偿中子测井响应的蒙特卡罗模拟及应用[J]. 石油天然气学报, 2011, 33(6): 228-231

WANG Hongtao, ZHANG Zhansong, CHEN Zishan. Monte Carlo numerical simulation of compensated neutron log and its application in air drilling[J]. Journal of Oil and Gas Technology, 2011, 33(6): 228-231

4 吴文圣, 肖立志, 张龙海. 欠平衡和超平衡测井条件下气层的中子和密度测井响应特征[J]. 中国科学D辑:地球科学, 2008, 38(增刊1): 180-185

WU Wensheng, XIAO Lizhi, ZHANG Longhai. Response characteristics of the neutron and density log in under balanced and super balance logging[J]. Science China Earth Sciences, 2008, 38(Suppl 1): 180-185

5 IEEE-NSS——2009-summary neutron detector[G]. Tianchi Zhao, 2010

6 Zeballos E C, Crotty I, Hatzifotiadou D, et al. A new type of resistive plate chamber: the multi-gap RPC[J]. Nuclear Instruments and Methods, 1996, A374: 132-137

7 张海花, 于华伟, 朱頔, 等. 欠平衡条件补偿中子测井校正的蒙特卡罗研究[J]. 测井技术, 2010, 34(5): 419-423

ZHANG Haihua, YU Huawei, ZHU Di, et al. Monte Carlo applied to correction of compensated neutron logging in under balanced condition[J]. Well Logging Technology, 2010, 34(5): 419-423

8 王新光, 张峰. 欠平衡钻井条件下钻井液的密度对中子孔隙度测井的影响[J]. 测井技术, 2009, 33(3): 293-298

WANG Xinguang, ZHANG Feng. Effect of drilling fluid density on neutron porosity in under balanced drilling[J]. Well Logging Technology, 2009, 33(3): 293-298

9 Agostinelli S, Allison J, Amako K, et al. Geant4—a simulation toolkit[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2003, 506: 250-303

CLCTL816+.3

Monte Carlo simulation on the application of boron-coated MRPC thermal neutron detector to the compensated neutron logging

JIA Wenbao ZENG Jie SHAN Qing LING Yongsheng HEI Daqian ZHANG Yan WEI Yonghong
(College of Material Science and Technology, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Background:The compensated neutron logging technology is widely used in oil exploration and development. The neutron detector commonly used in this technology is the helium-3 proportional counter. Due to the decreasing in supply of the helium-3 gas, the price of the helium-3 proportional counter rises quickly. Purpose: The aim is to develop a new type of neutron detector to replace the helium-3 tubes in the compensated neutron logging technology. Methods: A new thermal neutron detector coated with a layer of thermal neutron convertor in the inner glass of the Multi-gap Resistive Plate Chamber (MRPC) was developed. Under the conventional and underbalanced conditions, Monte Carlo method was used to simulate the response of the boron-coated MRPC thermal neutron detector and helium-3 proportional counter employed in compensated neutron logging technology. Results: It is shown that the SS/LS increases with the rise of porosity using either the boron-coated MRPC thermal neutron detector or the helium-3 proportional counter, and the results of these two detectors are basically identical. Conclusion: It indicates that the boron-coated MRPC thermal neutron detector can be used for compensated neutron logging.

Monte Carlo method, Compensated neutron logging, Boron-coated Multi-gap Resistive Plate Chamber (MRPC) thermal neutron detector

TL816+.3

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.060201

中央高校基本科研业务费专项资金(No.NS2012055)资助

贾文宝，男，1968年出生，1999年于兰州大学获博士学位，核技术及应用研究

2013-10-21，

2013-12-12