元素测井中元素俘获标准谱的获取方法

摘要

本发明提供一种元素测井中元素俘获标准谱的获取方法，建立模型、校验模型等步骤，其核心是按照碳氧比饱和度刻度井的条件建立仿真模型，然后使用建立好的仿真模型来计算得到元素俘获标准谱。本发明的初始仿真模型是根据刻度井以及测井仪器的设计尺寸建立的，同时对测井仪器的某些结构进行了合理优化，减小了建模的难。保温瓶的内壳、外壳中间是真空，我们将保温瓶的内壳、外壳合并到一起，将仪器的真空部分合在一起。建立模型需要的MCNP输入卡包括栅元卡、曲面卡、材料卡、计数卡四个部分。本发明无需建立大量的刻度井，只需在少量的刻度井内进行常规的刻度实验，成本很低。

说明书

技术领域

本发明涉及元素测井中一种元素俘获标准谱的获取方法。

背景技术

目前，元素测井中使用的元素俘获标准谱大多是采用仪器在填充纯净物 质或者是某种元素的氧化物的刻度井中测量得到。测量元素俘获标准谱需要 使用中子源将刻度井中的待测量物质活化，使其放出伽马射线，使用仪器测 量这些物质的俘获伽马能谱作为元素测井中使用的元素俘获标准谱。元素测 井使用的元素俘获标准谱包括硅、钙、硫、铁、钛、钆、氢、氯等多种元素， 用测量的方法获取这些元素俘获标准谱需要建立大量的刻度井，建设周期长， 建设成本昂贵，具有一定的危险性，不利于元素测井的推广。

发明内容

本发明提出一种使用计算机仿真软件来获取元素测井中元素俘获标准谱 的方法，其按照刻度井实际的条件(测井仪器、井眼条件、地层条件等)来 建立仿真模型，使用蒙特卡罗数值模拟软件MCNP5来计算硅、钙、硫、铁、 钛、钆、氢、氯等多种元素的标准谱。

本发明的技术方案：

该元素测井中元素俘获标准谱的获取方法，包括以下步骤：

1)建立模型：

根据刻度井以及测井仪器的设计尺寸建立初始仿真模型，同时将整个模 型中的空气部分置成真空；

上述初始仿真模型的MCNP输入卡包括栅元卡、曲面卡、材料卡、计数 卡四个部分；

上述栅元卡描述仪器的各个部件的结构信息，包括晶体类型、探头封装、 保温瓶、仪器外壳、各个部件之间的空隙、井液、套管、水泥环、地层；

上述曲面卡描述围成各个部件的面的位置以及尺寸信息；

上述材料卡记录仪器的各个部件的材料成分；

上述计数卡记录模拟计算中使用的放射源的类型、能量、强度以及最终 的统计类型；

2)校验模型：

上述校验模型包括校正和验证的步骤；

上述校正是指在刻度井中进行实验来对初始模型进行校正，用于减小测 井仪器的实际尺寸与设计尺寸的差异；上述刻度井为水+砂岩刻度井；

上述验证是指对于校正好的模型还需要在多口刻度井中进行实验，利用 实验数据与仿真得到的数据进行对比，从而验证校正过的模型是否正确；上 述多口刻度井分别为油+砂岩刻度井、水+灰岩刻度井、纯水刻度井；

上述校正或验证的具体步骤如下：

(1)测井仪器下放到刻度井里贴一侧井壁，使用定点测量的方式以保证 中子源处于刻度井的中心位置；

(2)测井仪器通电检查，仪器正常后开始测量；

(3)将测量得到的伽马俘获能谱与建立好的初始仿真模型计算得到的伽 马俘获谱能谱放在一起对比，对仿真模型进行校验；

若实测的伽马俘获能谱与仿真的俘获能谱的铁峰不一致，则模型中的铁 的厚度需要调整；

若实测伽马俘获能谱的氢峰与仿真的俘获伽马能谱的氢峰不一致，则模 型中的孔隙度需要调整；

验证的标准是：在感兴趣的能量段内，实测谱与计算谱的残差绝对值的 和Δ小于设定值；

3)计算仿真的元素俘获标准谱：

使用已经校验过的仿真模型，计算元素俘获标准谱；

4)计算仿真其它元素的俘获标准谱

对模型中的探测器、屏蔽体不做改动，地层材料使用元素俘获标准谱中的某 种元素的单质来替换，其他部分的材料用单质氧来替换，模型的尺寸、密度 不要改变，依此模型来计算其它某种元素俘获标准谱。

上述设定值为0.1。

本发明的优点：

1、成本低。本发明无需建立大量的刻度井，只需在少量的刻度井内进行 常规的刻度实验，成本很低。

2、速度快。本发明可采用多台计算机并行计算，大大缩减了标准谱的获 取周期。

3、安全性高。本发明只需要进行少量的中子源实验，对环境、实验人员 的伤害小。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是在砂岩刻度井中实测的俘获伽马能谱；

图3是校正之后仿真模型计算得到的俘获伽马能谱；

图4是两者的对比图，图中的横坐标是伽马射线的能量单位是MeV，纵坐 标是伽马射线计数率经过归一化之后的结果；其中，带●的曲线为实测砂岩的 能谱，带▲的曲线为模拟计算得到的砂岩能谱。

具体实施方式

本发明的核心是按照碳氧比饱和度刻度井的条件建立仿真模型，然后使 用建立好的仿真模型来计算得到元素俘获标准谱。

1、建立模型。本发明的初始仿真模型是根据刻度井以及测井仪器的设计 尺寸建立的，同时对测井仪器的某些结构进行了合理优化，减小了建模的难。 例如高能中子、光子在空气中运动轨迹、能量几乎不发生改变，所以我们将 整个模型中的空气部分置成真空，这样能节约建模的时间同时减少MCNP运 行的机时；保温瓶的内壳、外壳中间是真空，我们将保温瓶的内壳、外壳合 并到一起，将仪器的真空部分合在一起。建立模型需要的MCNP输入卡包括 栅元卡、曲面卡、材料卡、计数卡四个部分。具体如下：

C栅元卡

C曲面卡

C计数卡+材料卡

MODE N P

IMP：N 1 12r 0

IMP：P 1 12r 0

SDEF erg＝14 par＝1 pos＝0 0-27.5 axs＝0 0 1 rad＝d1 ext＝d2 cel＝8

si1 0 1.97

si2 5

2、校验模型。校验模型分为校正和验证两个部分，由于刻度井在建设的 过程中，不能保证与图纸设计的尺寸完全一致，包括测井仪器的实际尺寸总 会与设计尺寸略有差异，虽然差异不大，但是为了保证仿真得到的元素俘获 标准谱的精度，我们通过在刻度井中进行实验来对初始模型进行校正来减小 这些差异；对于校正好的模型我们还需要在多口刻度井中进行实验，利用实 验数据与仿真得到的数据进行对比，从而验证校正过的模型是否正确。本发 明共选用了四口刻度井来进行实验，分别为水+砂岩井、油+砂岩井、水+灰岩 井、纯水井，水砂岩刻度井用来校正模型，其他三口刻度井用来验证仿真模 型。

实验步骤如下：

(1)测井仪器下放到刻度井里贴一侧井壁，由于刻度井较浅，需要使用 定点测量的方式，保证中子源处于刻度井的中心位置。

(2)测井仪器通电检查，仪器正常后开始测量，测量是注意观察俘获伽 马能谱的谱型，保证测量结果有足够的统计精度。

将测量得到的伽马俘获能谱与建立好的初始仿真模型计算得到的伽马俘 获谱能谱放在一起对比，对仿真模型进行校验。仪器的尺寸与设计尺寸的差 异会导致实测的伽马俘获能谱与仿真的俘获能谱的铁峰不一致，刻度井的地 层孔隙度的差异会导致实测伽马俘获能谱的氢峰与仿真的俘获伽马能谱的氢 峰不一致，通过这两个比较明显的峰来校正仿真模型。铁峰不一致则模型中 的铁的厚度需要调整，氢峰不一致则模型中的孔隙度需要调整。而验证的标 准是：在感兴趣的能量段内，实测谱与计算谱的残差绝对值的和(Δ)小于 0.1，用校正好的仿真模型分别计算俘获伽马能谱并与实测的能谱做比较，计 算Δ，下表为各不同刻度井的结果

刻度井 Δ 砂岩刻度井 0.072094612 黄铁矿刻度井 0.051872332 灰岩刻度井 0.060769614 硬石膏刻度井 0.073072631

表1 四个刻度井的Δ

图2是实测的砂岩刻度井内的测量俘获伽马能谱结果与仿真的俘获伽马能 谱。

计算仿真的元素俘获标准谱。

使用已经校验过的仿真模型，计算元素俘获标准谱。对模型进行如下处 理：模型中的探测器、屏蔽体不做改动，地层材料使用元素俘获标准谱中的 某种元素的单质来替换，其他部分的材料用单质氧来替换，模型的尺寸、密 度不要改变，依此模型来计算元素俘获标准谱即可。