碳氧比能谱测井的蒙特卡罗模拟计算资料来自郑华、陈景霞的论文？

发布网友 发布时间：2022-04-24 13:31

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热心网友 时间：2023-10-14 13:01

双源距碳氧比能谱测井仪的近探器距中子源较近，易受高强度射线影响，从而导致探测器分辨率变低。为了避免中子源发射的中子直接照射探测器，必须在中子源和探测器之间放置一个屏蔽体，用来屏蔽快中子及高能γ射线。可通过实验的方法，确定屏蔽材料和尺寸，但为了节约时间和经费，还可采用蒙特卡罗模拟的方法进行理论计算来确定，模拟计算使用了MCNP-3B程序。

1.屏蔽材料的预选中子与物质的相互作用可分为两类：一类是散射，包括弹性散射和非弹性散射，这是快中子与物质相互作用过程中能量损失的主要形式；另一类是吸收，即中子被原子核吸收后仅产生其他种类的次级粒子，不再产生中子，如辐射俘获等核反应。

中子在较轻介质中主要通过弹性散射损失能量。物质对中子的减速能力ξ与靶核质量MA之间有如下关系：

由式（3-2-2）可以看出，靶核的质量数越小，其减速能力越强。所以常选用含氢物质和原子量小的物质作为快中子的减速剂，如选石墨、硼砂、聚乙烯等。

快中子在重介质中主要通过非弹性散射损失能量。靶核越重，其第一激发能一般越低，也越容易与中子发生非弹性散射。因此在中子屏蔽层中往往掺入重元素或重金属与减速剂组成交替屏蔽材料，其中重元素具有使较高能量中子减速和吸收γ射线双重作用，如选钨（W）、铅（Pb）、铜(Cu)、铁(Fe)。

快中子通过弹性散射和非弹性散射损失能量变为慢中子后，主要的反应过程是辐射俘获。此时应主要考虑热中子的吸收，通常选镉( Cd )作为热中子的吸收剂。由于用较薄的一层镉就能起到较好地吸收热中子的作用，所以没有考虑对它进行模拟计算。

2.物理模型结构模拟计算中模型的剖面如图3-2-7所示。

（1）测井仪器在套管内居中放置，仪器外径为φmm，壁厚4mm，模拟为纯铁（Fe），密度为7.86g/cm3。中子源位于( 0，0，0 )处，均匀地发射各向同性能量为14.1MeV的中子。在仪器内部距中子源垂直向上5cm处开始放置屏蔽体，并使其填充满仪器壳以内空间，屏蔽体材料分别选钨( W，密度为18.0g/cm3)、铁（Fe，密度为7.86g/cm3）、铅( Pb，密度为11.34g/cm3)、铜( Cu，密度为8.92g/cm3)、石墨( C，密度为2.50g/cm3)、硼砂(密度为1.8 g/cm3)、聚乙烯( H2，密度为0.96g/cm3)、锡( Sn，密度为7.29g/cm3)和钛（Ti，密度4.5 g/cm3）。

（2）模拟套管物质与测井仪器外壳相同，套管外径φ140mm，厚度为7mm。水泥环模拟物质为CaSiO3，密度为1.95g/cm3，厚度为30mm，外径为200mm。

（3）井内介质为水H2O，密度为1.00g/cm3。

（4）地层高度为1m，从－20cm至80cm；径高深度为60cm，半径为10～70cm。地层模拟为35%孔隙度的饱和水砂，即65%的石英砂（SiO2，密度为2.65g/cm3）加上35%的水。

（5）图3-2-7中距中子源垂直向上5～55cm处，每5cm为一段探测区间，探测器形状是一个φ80mm×50mm的圆柱，分别对探测器底面和侧面来的中子数进行记录，能区分为1～14MeV，均分为14道。

3.模拟结果首先对中子源与探测器之间无屏蔽体的情况进行了模拟，计算结果如图3-2-8所示带圆形点的曲线。图3-2-8、图3-2-9中横坐标表示屏蔽体厚度，以中子源垂直向上5cm处为0，图3-2-8的纵坐标是相对于中子源每发射一个中子时，探测区间能接收到能量为1～14MeV中子的几率。即使不做屏蔽处理，由于记录区间的表面积是固定的，随着源距增大，探测器对中子源所张的立体角变小，所记录的中子数就会相对减少。

考虑到单个原子核对中子的减速能力随其质数的增大而减小，物质对中子的阻止本领随其密度的增大而增大，将预选的屏蔽材料分为三组。其中核质量数大且物质密度大的为A组( W，Pb )（图3-2-9a），核质量数中等且物质密度也为中等的为B组（Cu、Fe、Sn、Ti）（图3-2-9b），核质量数小且物质密度也小的为C组(石墨、硼砂、聚乙烯)（图3-2-9c）。这里定义屏蔽率为在中子源与探测器之间放置屏蔽体时，探测器表面中子计数率与无屏蔽体时的中子计数率之比。屏蔽率随屏蔽体厚度的增加下降越快，表明屏蔽效果越好。从图3-2-9a中看出，A组中钨屏蔽效果好，B组中铜的屏蔽效果好，C组中石墨的屏蔽效果好。综合来看，若以屏蔽率等于0.2为标准，三组中不同材料的屏蔽体厚度依次应为：钨厚度约为12.5cm，铜厚度约为15cm，铁厚度约为16.5cm，铅厚度约为22cm等。可见在选择屏蔽体材料时，应首选钨，其次为铜和铁。

以上通过计算选出了几种屏蔽效果好的材料为钨、铜、铁，其屏蔽厚度选多少合适，应根据设计仪器时具体情况而定。图3-2-10显示的是φ81mm×50mm探测器侧面来的中子数与底面来的中子数的比值，随屏蔽体厚度变化关系，当侧面来的中子数大于等于底面来的中子数时，认为已达到了理想屏蔽效果。这时，对于钨屏蔽体厚度宜选17.5cm，可屏蔽掉该处约%的中子；对于铜屏蔽体厚度宜选22.5cm，可屏蔽掉约90%中子；对于铁屏蔽体厚度宜选24cm，可屏蔽掉90%的中子。

上述的模拟结果显示，使用钨屏蔽效果最好，设计仪器时不必考虑交替屏蔽。图3-2-8中带黑圆点的曲线，表示钨作为屏蔽体材料时中子到达探测器表面的几率，随屏蔽体厚度变化的关系。当中子源强度为1×108Bq、屏蔽体厚度为17.5cm时，探测器表面上每秒到达的中子数约为2×105个。图3-2-11给出了钨为屏蔽材料时，探测器表面的折合中子计数率( 1/中子源)、中子能量( MeV )和屏蔽体厚度( cm )间相互关系的三维图。从图中可以看出，随着屏蔽体厚度的增加到达探测器表面的中子中高能中子所占的比例急剧减小。

通过蒙特卡罗模拟计算看出，过去通过室内模型井实验，选择钨棒（φ74～84mm）× （180～240mm）作为碳氧比能谱测井仪器的屏蔽体是正确的。

五、金属杜瓦瓶的设计资料由四川省成都机械研究院刘光华提供。

碳氧比能谱测井仪器的探测器包括晶体、光电倍增管、线性放大器、1～2kV的高压直流电源，一般都放入金属杜瓦瓶中。当电子元器件工作时，电能会转变成热能。设计井下金属杜瓦瓶时，一是要测试、计算瓶内元器件每小时的发热量；二是瓶内温度维持多少度( 50～60℃)；三是在井下工作多长时间( 4～10h )，累积发热量。四是设计金属杜瓦瓶结构：了解井下工作温度( 125～150℃)和工作时间( 4～10h )，确定内外金属管材质，计算内管传导热，计算瓶口隔热物质传进去的热量，计算外管由外面传进去辐射热，计算三部分在工作时间内的累积进热量；五是确定吸热剂的数量及累积吸热量。计算结果：累积发热量＋累积进热量＝累积吸热量。金属杜瓦瓶的设计结束。

1.累积发热量假定瓶内电子元器件为3W。如果在井下连续工作10h的热量=2592cal/h×10h=2.592× 104cal。

2.累积进热量井下温度150℃,瓶内维持在55℃，连续工作10h，从外面进去的热量。经计算：金属杜瓦瓶的内管传导热Q1＝1330cal/h，通过瓶口进去的热量Q2＝144cal/h，从外面传进去的辐射热Q3＝2400cal/h。10h共进去热量＝（Q1＋Q2＋Q3）×10＝3.9×104cal。

3.累积吸热量吸热剂为低温合金，其熔解热＝6.5cal/g，密度＝7.5g/cm3，装低温合金金属管的容积＝П×( 5.9/2 )2×50＝1325cm3＝1300cm3。5.9cm、50cm分别是装低温合金金属管的内径、长度。低温合金重量＝7.5g/cm3×1300cm3＝9750g。低温合金吸热量＝6.5 cal/g×9750g＝63375cal。

累积发热量26kcal＋累积进热量3.9×104cal＝6.5×104cal，与累积吸热量6.34×104cal，基本平衡。

4.金属杜瓦瓶进行设计计算1）杜瓦瓶内管传导热量Q1的计算

式中　F——内管环面积，0.0002m2；L——内管长度，0.6m；ΔΤ——井下温度，150℃，瓶内维持温度55℃，温差150℃-55℃=95℃。

λ——不锈钢1Cr18Ni9Ti的导热系数，1.44×104cal/（m?h?℃）。

代入式（3-2-3），经计算Q1＝1.33×103cal/h，10h为1.33×104cal。

2）杜瓦瓶口通过石绵绒塞传进去的热量Q2计算

式中　F——石棉绒塞的园面积；L——石棉绒塞长度，0.2m；λ——石棉绒的导热系数，95cal/（m?h?℃）；ΔΤ——井下温度，150℃，瓶内维持温度55℃，温差150℃-55℃=95℃。

代入式（3-2-4），经计算Q2＝144cal/h，10h为1440cal。

3）杜瓦瓶外面传进去的辐射热量Q3计算

式中　C0——绝对黑体的辐射系数，4.9×103cal/（m2?h?°K4）；F——内筒表面积，0.3＋0.00324＝0.30324m2；T1——高温体，150℃换算成绝对温度为423°K；T2——低温体，55℃换算成绝对温度328°K；A1A2——外壁吸收系数，0.05。

代入式（3-2-5），经计算Q3＝2.4×103cal/h，10h为2.4×104cal。