用于孔隙度测井的中子发生器产额影响研究

褚庆军,于传武,姜世莲,杨陆,张羽,高鹏

(1.中国石油集团测井有限公司测井技术研究院,黑龙江大庆163412;2.中国石油天然气集团有限公司测井技术试验基地,陕西西安710077;3.中国石油集团测井有限公司质量安全监督中心,黑龙江大庆163412;4.中国石油集团测井有限公司制造公司,陕西西安710077;5.中国石油集团测井有限公司物资装备公司,黑龙江大庆163412)

0 引 言

中子应用技术在测井、探伤、照相等领域不断发展,中子发生器作为放射性同位素中子源的替代品,具有独特的优点,如可关断性和单能性[1],其研究和应用技术也在一直进步。常规中子测井通常使用镅铍同位素中子源作为放射源,近年来各国对测井环保要求越来越高,有些地区甚至禁止使用化学放射源测井。采用中子发生器替代化学源,可以很好地解决测井环保问题,并且由于中子脉冲时序可控,除了孔隙度还可以进行碳氧比能谱、地层元素、密度、剩余油饱和度等多种参数测量。中子产额是指单位时间内产出中子的个数,其稳定性是评价中子发生器性能的一项重要指标。与使用预制靶中子管相比,采用自生靶中子管的中子发生器中子产额更稳定,但与化学源的中子产额稳定性仍有较大差距。

本文对影响中子发生器中子产额的3种因素进行分析,总结了各因素对使用自生靶中子管的中子发生器中子产额的影响规律,剖析了目前较为成熟的两种中子发生器中子产额稳定措施的利弊,并提出一种用于可控源中子测井的孔隙度校正方法。

1 中子发生器工作原理及中子管结构

1.1 中子发生器工作原理

中子发生器是一种小型的粒子加速器中子源,其组成部分包括中子管、电源系统及控制系统[2],图1为中子发生器结构示意图。

图1 中子发生器结构示意图

中子发生器发射14.1 MeV高能中子的工作过程:①通过控制系统和电源给存储器供电,存储器发热释放所需氘气或氘-氚混合气;②通过控制系统和电源给离子源阳极电路供电,在离子源电磁场作用下,存储器释放的氘气或氘-氚混合气电离成氘、氚离子;③通过控制系统和电源给加速极供电,使加速极保持在70～120 kV高压下工作;④氘、氚离子从离子源被引出、加速并轰击靶,发生氘-氘或氘-氚核反应,产生所需高能中子[2-3]。

1.2 中子管结构

中子管采用玻璃或陶瓷材料制成密封外壳,可保持内部高度真空状态,整体结构主要由存储器、离子源、加速系统及靶构成。①存储器由加热用的钨铼丝和外面包裹的吸氢材料构成,在离子源工作时通过给存储器供电加热释放氘气或氘-氚混合气,离子源工作结束时存储器断电降温,以便快速彻底地将混合气吸附回存储器保证中子管内部的高度真空状态;②离子源种类较多,如冷阴极潘宁离子源、热阴极离子源、射频离子源、纳米管离子源等,目前多数国产中子管使用冷阴极潘宁离子源,它由阳极、阴极、对阴极(也称输出阴极)和磁钢构成;③加速系统由离子源的对阴极和聚焦加速极构成,聚焦加速极结构通常有法拉第筒加偏压电场或法拉第筒加磁场两种结构,氘、氚离子束的引出、聚焦和加速在加速系统内完成;④靶由靶体、靶膜、底座构成,根据不同制造工艺可以将靶分为预制靶和自生靶。

2 中子产额影响因素分析

相比于常用的镅铍同位素中子源,中子发生器中子产额稳定性较差,中子产额的波动影响使用中子发生器测井仪的测量结果,尤其对孔隙度测井和地层元素测井有影响。影响中子产额的因素有环境温度、中子管累计工作时间、中子管供电参数等。

2.1 环境温度

靶的制造工艺决定了中子管输出中子产额的热稳定性。预制靶中子管采用的工艺是按照加热-冷却-吸附的工序在靶膜上充氚气,再封装靶与中子管主体。中子管封装完毕后,为保证常温时管内真空度,要进行加热以排除杂质气体,排气温度不能超过250 ℃,否则会引起预制靶逸出大量氚气。该排气温度下预制靶中子管内部排气不彻底,导致环境温度100～150 ℃时预制靶中子管输出中子产额的稳定性较差。自生靶中子管采用的工艺是在封装靶与中子管主体前靶膜不充氚气,封装后采用超过400 ℃的排气温度排除杂质气体,然后在存储器、阳极、聚焦加速极这3路供电作用下,氘离子或氘、氚混合离子注入靶膜,若干小时后靶膜内气体浓度趋于稳定,中子产额也趋于稳定。自生靶中子管排气时不需要考虑靶膜气体逸出问题,可最大限度排出杂质气体,提高管内真空度。因此,自生靶中子管在环境温度低于150 ℃时保持了良好的中子产额稳定性[4]。

通过一组实验获得中子产额与环境温度随时间变化的数据,实验采用的是中国石油集团测井有限公司大庆分公司(简称大庆分公司)生产的某型号自生靶中子管。定义T为环境温度,通过调节存储器电压、电流,保持阳极电压2 kV、靶压100 kV、靶流100 μA不变,记录中子产额、阳极电流、存储器电流变化。得出结论:①中子管在60～150 ℃工作时,中子产额保持很好的输出稳定性;②随着T逐渐升高,中子产额逐渐下降,在60～150 ℃条件下,温度越高产额衰减速度越快,当T≤80 ℃中子产额变化较小(见图2)。

图2 中子产额与环境温度、时间的关系

2.2 中子管累计工作时间

中子管的寿命是指靶压不超过100 kV条件下、中子产额不低于1×108n/s的工作时间[5]。大庆分公司生产的自生靶中子管初始中子产额约为2×108n/s,表1统计了2003年—2010年11支中子管的工作时间。以平均每口井测井用时5 h计算,每口井中子产额下降幅度为0.92%。表2为中国某厂生产的3种型号预制靶中子管的相关数据[4],以平均每口井测井用时5 h计算,每口井中子产额下降幅度分别为13.87%、11.26%、5.39%。对比自生靶和预制靶中子管,中子产额均随着中子管工作时间的增长而逐渐下降,自生靶中子管下降速度明显慢于预制靶中子管。

表1 自生靶中子管应用情况表

表2 预制靶中子管应用情况表

2.3 中子管供电参数

中子管供电分3路,共6个参数,分别是存储器电压、存储器电流、阳极电压、阳极电流、靶压、靶流。其中,存储器电流受控于存储器电压,用于调节离子源内气压,与离子源阳极电压一起构成了离子源阳极电流的因变量;靶流是受控于靶压和阳极电流的因变量。因此,影响中子产额的供电参数可以确定为阳极电压、阳极电流、靶压。

为了测试这些因素对中子产额的影响,采用大庆分公司生产的自生靶中子管进行实验,温度为室温。相关参数定义:中子产额为N;阳极电压为Uan,取值为1.3～2.9 kV,采样间隔0.1 kV,误差为±5 V;阳极电流为Ian,取值为240～420 μA,采样间隔30～40 μA,误差为±3 μA;靶压为Utr,取值为80～125 kV,采样间隔5 kV,误差为±0.1 kV。通过实验,得到960组关于N、Uan、Ian、Utr的数据。图3(a)为保持某Ian不变且Utr等差变化时Uan与N的关系图,图3(b)为保持某Uan不变且Ian等差变化时Utr与N的关系图,图3(c)为保持某Uan不变且Utr等差变化时Ian与N的关系图。

图3 中子产额与阳极电压、阳极电流、靶压关系

当其他供电参数保持不变时,由以上数据可以得出结论:①N与Uan不是单纯的线性关系或指数关系,但存在1.6～1.8 kV、2.4～2.9 kV这2个近乎于坪区的区间;②N与Utr呈三次函数关系;③N与Ian呈线性函数关系。

综合以上分析,为了保持N稳定,使用中子发生器时应尽量保持T、Ian、Utr的稳定。给中子发生器加装保温瓶可以使T缓慢上升。使用闭环负反馈系统可以保证快速且精确地控制Utr供电电路,但对Ian实现快速精确地控制较为困难,实践中一般采用调整存储器电压对其进行控制。存储器电压发生变化时存储器温度也发生改变,进而影响管内气压,实现对Ian的控制,一般需要若干秒才能实现。使用闭环负反馈系统控制存储器电压时,反馈系数过大会使Ian值发生震荡、反馈系数过小会使调整Ian值稳定的速度过慢,并且合适的反馈系数会随着中子管工作时间变长、环境温度等因素的变化而发生改变。对于使用可控源的测井仪,测井时只能保证Utr的实时稳定。因此,通过定期在固定场所进行N的刻度(刻度因子包括T、Ian和Utr)并刻度N与测井工程值的关系,可实现对测井资料的高精度测量。

3 中子产额测量

3.1 中子产额的直接测量

中子发生器产生的快中子能量为14.1 MeV,目前测井常用的中子探测器如He -3管、半导体探测器、闪烁探测器等[6-7]均为热中子、超热中子或γ探测器,无论使用哪种探测器都需要对14.1 MeV快中子进行慢化才能进行测量。但慢化过程中井内流体、地层不同都会对测量结果产生影响,即使采用屏蔽措施也无法做到完全消除环境因素的影响。

在氘-氚核反应中,快中子与伴随α粒子总是成对出现,并且α粒子产额不受环境因素影响,仅与中子发生器效率有关,因此,对这些伴随粒子产额的绝对测量,是与中子产额的绝对测量等价的[6]。采用伴随粒子法,使用α探测器如闪烁探测器或半导体金-面垒探测器等替代快中子探测器,测量快中子产额既准确又简单。但这个方案实施起来却并不容易,由于α粒子穿透性差,在空气中射程不到10 cm,在固体和液体中的射程约为空气中射程的1‰,α探测器与中子管的靶之间不能有固体或液体障碍物,所以需要将α探测器与中子管集成为一体。

图4为一种测井仪器采用的伴随α中子管[7],与前文所述中子管相比增加了多个小的α探测器。当中子管的中子产额为107量级时,α计数率在1 000 n/s以上;产额增加至108量级时,α计数率可以满足精度要求。该中子管制造工艺复杂、成品率低,且尺寸较大,限制了其在可控中子源测井仪器中的普及应用。

图4 有伴随粒子探测功能的中子管示意图

3.2 中子产额的间接测量

由中子产额影响因素分析可知,对于使用自生靶中子管的中子发生器,定期进行N的刻度可以实现脱离探测器的中子产额间接测量。实施过程:选定一个Uan的典型工作值,将中子管的工作环境温度T划分为j个区间,在每个温度区间刻度中子产额、靶压、阳极电流的关系,形成中子产额刻度公式

Nca,i=Fi(Utr,Ian)

(1)

式中,i为温度区间的序数(i=1,2,…,j);Nca,i为第i个温度区间的中子产额刻度值,n/s;Fi为Utr与Ian构成的函数。这样就形成了中子产额与环境温度、供电参数的刻度关系。

为了验证刻度关系的准确性,用某型号自生靶中子管进行多次开机测试,每次实验间隔1～7 d,开机预热30 min后开始测试。表3是室温(25 ℃)条件下,保持2.7 kV阳极电压不变时记录的一组随机数据,刻度的中子产额Nca与实际测量的中子产额Nme的误差E均小于0.55%,在Utr、Ian的典型工作条件85～110 kV下该误差更小。因此,对于该自生靶中子管,中子产额的间接测量方案可靠,测量结果精度高。

表3 2.7 kV阳极电压下中子产额刻度值与测量值对比

4 利用中子产额刻度孔隙度

4.1 中子产额刻度的必要性

对于中子孔隙度、碳氧比能谱、地层元素、密度测井等使用放射源的测井方法,放射性强度与泥饼、井径、岩性、水泥环等环境因素都是测井数据的影响因素。化学源稳定性好,使用化学源的测井仪可以在刻度阶段将放射性强度以固定值融入到刻度系数中,测井时不再需要考虑放射性强度对测井数据的影响。使用可控源的测井仪则可以在刻度阶段将可变的放射性强度作为一个变量进行刻度,类似于环境影响校正,测井时将放射性强度数值带入刻度数据即可完成放射性强度影响校正。对于使用可控源的中子孔隙度测井仪,放射性强度与中子产额成正比。

测井过程中,为了保持孔隙度测量精度不受中子产额变化的影响,有必要实时稳定中子产额,或在测井前进行中子产额与孔隙度关系的刻度。为此,针对配置不同硬件的可控源中子孔隙度测井仪设计了两种中子产额对孔隙度资料的校正方法。

4.2 刻度方法

对于不能利用硬件进行中子产额直接监测的可控源中子孔隙度测井仪,进行中子产额与孔隙度关系刻度,并对比孔隙度校正前后效果,实施步骤如下。

(1)中子产额刻度。刻度Nca与Ti、Utr、Ian的对应关系,得到中子产额刻度公式。刻度时将测井仪置于烘箱内部,探测器部位放置刻度块,将工作温度划分为j个区间,对每个温度区间进行设置:设置m(m≥4)个Utr典型工作值Utr,x(x=1,2,…,m);设置n(n≥2)个Ian典型工作值Ian,y(y=1,2,…,n);并记录Utr,x、Ian,y和对应的中子产额实际测量值Nme,xy。如果没有满足刻度条件的场地或考虑到中子管寿命因素,可以只进行常温状态下的刻度,刻度时将仪器探测器置于砂岩模块标准中子刻度井的100%纯水层中段。使用大庆分公司生产的某型号自生靶中子管,采用室温条件下中子产额刻度计算公式[见式(1)],在环境温度为80 ℃时对中子产额进行计算,与实测中子产额相差小于2%,精度较高;当温度继续上升时产额下降较快。

测量Nme,xy时,为了尽量减小因探测器、放大电路的脉冲堆积产生的计数误差,使用远探测器作为Nme,xy的采样探测器。为了降低数据统计起伏,脉冲工作模式下从脉冲结束5 μs(可调)开始计时,累计40 μs(可调),连续工作模式下不间断测量,每个数据点累计60 s,可以将统计误差限制在±0.2%以内。取得由靶压典型工作值、阳极电流典型工作值及对应的中子产额测量值数据组成的数据集

A=(Utr,x,Ian,y,Nme,xy)

(2)

根据数据集A拟合出中子产额刻度公式

Nca=F(Utr,Ian,Ti)

(3)

式中,F(Utr,Ian,Ti)为Utr、Ian、Ti的拟合函数。

根据式(3)可衍生2个相关公式

Utr=F(Nca,Ian,Ti)

(4)

Ian=F(Utr,Nca,Ti)

(5)

式中,F(Nca,Ian,Ti)为Nca、Ian、Ti的拟合函数;F(Utr,Nca,Ti)为Utr、Nca、Ti的拟合函数。

(2)孔隙度刻度。孔隙度与Nca、短源距和长源距探测器计数比对应关系刻度。将仪器探测器置于总层数为c(c≥4)的砂岩模块标准中子刻度井中,设各层孔隙度值为φp(p=1,2,…,c);设置b(b≥4)个Nca的典型工作值Nca,q(q=1,2,…,b);并记录Nca,q、φp和对应的短源距和长源距探测器计数比Rpq。

设置Nca,q时,可以使用式(4)或式(5)。离子源阳极电流Ian为存储器电压和阳极电压共同控制的复合因变量,调节阳极电压会改变离子源输出离子束的单原子离子比例,影响式(4)、式(5)的精确度;调节存储器电压后Ian需缓慢变化一定时间才能稳定,所以Ian无法实现快速、精确调节。为了最大化刻度效率,故采用式(4),通过固定Ian、调节Utr来精确设置Nca,q。取得由刻度中子产额的典型工作值、各层孔隙度值及对应的短源距和长源距探测器计数比Rpq组成的数据集

B=(Nca,q,φp,Rpq)

(6)

根据数据集B拟合出孔隙度刻度公式

φ=f(R,Nca)

(7)

式中,φ为总孔隙度,p.u.;R为短源距和长源距探测器计数比;f(R,Nca)为R与Nca的拟合函数。

将Nca=F(Utr,Ian,Ti)带入式(7),得到由R、Utr、Ian,Ti拟合的函数

φ=f(R,Utr,Ian,Ti)

(8)

当Nca为固定值时,φ可简化为R的三次多项式,这符合化学源补偿中子测井仪孔隙度与探测器计数比的相应关系。

φ=a0+a1R+a2R2+a3R3

(9)

式中,a0、a1、a2、a3为刻度系数。

(3)孔隙度实时校正。测井时孔隙度φ的实时校正。测井时,实时记录Utr、Ian、R、T值,带入式(8)即可计算出经过中子产额校正的地层真实孔隙度。图5是大庆油田某区块某裸眼井使用阵列中子测井仪取得的孔隙度资料,该井井深1 250 m,井底温度不超过60 ℃。由于阵列中子测井仪的中子发生器没有温度探测器,并且没有中子产额温度刻度条件,所以只进行了室温状态下的中子产额供电参数刻度。图5中深度为1 190 ～1 213 m井段,第2道是未经中子产额校正的原始孔隙度测量段与重复段的曲线,孔隙度资料重复误差为18.6%,高于评价标准,数据显示Utr有2.5%～3.0%的幅度漂移,Ian有约2%的幅度漂移。第3道是进行中子产额校正的孔隙度曲线,重复性有明显改善,达6.43%,经过中子产额校正的孔隙度资料重复性得到极大改善。

图5 大庆油田某区块某井可控源中子孔隙度资料重复性校正前后对比

对于利用硬件进行中子产额实时监测的测井仪,如斯伦贝谢公司的NeoScope无源随钻测井平台,当监测到的中子产额变化幅度超出设定范围时,通过负反馈电路调整中子管供电参数,可以稳定中子产额。但通过调整供电参数,尤其是调整存储器供电电流,会使中子产额在一定范围内波动,其孔隙度资料也会受到影响。由于中子产额可以直接测量,故可跳过中子产额刻度这一步骤,直接进行孔隙度刻度和孔隙度实时校正,经资料处理后即可提升孔隙度资料的精度。

5 结 论

(1)综合考虑环境温度、累计工作时间等中子产额影响因素,自生靶中子管中子产额的稳定性明显优于预制靶中子管中子产额的稳定性。

(2)对于自生靶中子管,用供电参数计算中子产额的方案可靠,测量结果精度高。

(3)通过中子产额刻度、孔隙度刻度、孔隙度资料实时校正,可有效降低测井过程中环境温度、供电参数变化对孔隙度测量值的影响,大幅提高孔隙度资料的精度。