隨鉆非標井眼密度測井儀結構優化設計

李國梁 袁 偉 齊 波 趙 越

（中海油田服務股份有限公司油田技術事業部，河北 三河 065201）

隨鉆密度測井儀器是隨鉆測井中很重要的一種儀器，為測井解釋提供地層密度信息和孔隙度，同時為地層評價和油藏描述提供數據支撐。目前市場上大多儀器采用的是標準井眼作業，針對某些區域缺乏非標井眼尺寸的測量工具適用性問題，可以通過對旋轉導向作業條件和井下工具優化設計的研究來提高入井成功率和鉆井時效，此時很有必要設計出一套非標井眼儀器滿足市場需要。

1 儀器簡介與設計概述

圖1 為儀器探測器部分機械結構示意圖，主要由放射源倉、屏蔽體、長源距晶體、短源距晶體組成。其中，源倉、長源距晶體和短源距晶體外面都有peek 窗口，伽馬源通過peek 窗口進入地層，經過地層的散射吸收后，散射后的光子通過各自的peek 窗進入長短探測器晶體里面。由于地層密度不一樣，散射到晶體的計數率就不同。伽馬射線與物質的相互作用主要有電子對效應、康普頓效應和光電效應，而其中只有康普頓效應才與地層的密度成正比關系。密度儀器采用單能為 0.662MeV 的Cs137 源，只能發生光電效應和康普頓效應，因此可以測量地層密度。

隨鉆密度標準675 儀器已經有比較完整的MC模擬器[2-3]，模擬與實驗都驗證過模擬器設計合理可靠。同時，675 儀器有完備的實測數據，通過測量的數據質量和市場反饋，得知該儀器設計和制造是符合測井需求的。為了達到標準井眼的675儀器測量水平，非標井眼隨鉆密度測井儀[4-5]的方案設計是基于標準儀器675 的基礎上進行的。

非標隨鉆密度儀器外徑是9-1/2in，標準675 儀器外徑是6-3/4in，很明顯兩種儀器的外徑不一樣，這樣導致最直接的問題是兩支儀器探測器得到的計數率不一樣，進而測量的密度值不同。為了得到相同的計數率和探測特性，就非常有必要對儀器扶正器進行優化設計。

扶正器設計擬有兩種方案，分別為探測器淺埋和探測器深埋方案。

（1）維持翼肋厚度不變。如圖1 所示，即維持源、晶體到扶正器外表面的距離（40.375mm）不變，而晶體到扶正器軸的距離由原值64.4mm 增至77.1 mm。該方案簡稱“探管淺埋方案”。

圖1 儀器探測器結構示意圖

（2）維持源和晶體相對于儀器軸線距離不變。即增大扶正器厚度，保持晶體到儀器軸線距離為64.4mm，晶體到扶正器外表面的距離由40.375mm 增加到53.075mm。該方案簡稱“探管深埋方案”。

“探管淺埋方案”最大優點是完全繼承了標準675 儀器的各種探測特性，能夠滿足計數率精度、縱向和徑向探測特性，缺點是對儀器整個探測器結構部分重新設計，改動比較大，與675 儀器之間的通用性變差。“探管深埋方案”優點在于儀器結構與675 保持一直，只是增加了扶正器的厚度，換句話說只需要在675 基礎上更換扶正器就可以作業，通用性強。缺點在于需要對扶正器的窗體結構進行優化。考慮到儀器的適用性、通用性和維護便捷性，采用“探管深埋方案”是比較不錯的選擇。

2“探管深埋方案”存在問題和解決方案

2.1 存在問題

在探測器深埋的扶正器設計方案中，源、長短探測器的peek 窗厚度也增加不少，明顯改變了入射伽馬射線進入peek 窗的計數率，造成射線作用區域發生改變，影響入射射線與探測器晶體作用從而導致計數率和能譜形狀發生改變。

圖2 和圖3 中的黑色線為675 儀器的試驗曲線，可以看出，單純的增加扶正器的厚度，不優化扶正器的出射窗，長源距探測器得到的譜型沒有發生多大變化，能夠滿足測量需求。此時，短源距探測器卻在0.2-0.3MeV能量范圍內，譜型出現一個臺階，發生了畸變，這嚴重影響短探測器的能窗計數率，進而導致密度測量不準確。導致譜型發生變化的原因，是因為扶正器厚度的增加，伽馬射線入射探測器窗的角度發生變化，由于厚度的增加，有一部分入射伽馬射線入射到扶正器的本體上，而不是直接進入到探測器里面的晶體中，這樣一來計數率就發生變化，就出現了圖所示的臺階。

圖2 長源距實驗與模擬譜型

圖3 短源距實驗與模擬譜型

2.2 解決方案

利用“探管深埋方案”的GEANT4 模擬器對放射源窗、屏蔽材料、遠源距窗和近源距窗進行模擬，模擬結果發現，放射源窗增大，近遠源距的探測效率變大，且不改變近遠源距的探測能譜譜型。屏蔽材料變更，探測效率增大，中高能區的能譜譜型發生明顯改變，高能區偏低，且中能偏高區不再出現明顯臺階區。

短源距窗有內窗與外窗，模擬計算結果表明不改變內窗的前提下，外窗增大對改善近源距探測效率非常有限。內窗增大表現出明顯的數值優勢，其譜型上類似于屏蔽材料變更帶來的改變。方案中增大了放射源窗，遠源距窗和近源距窗內窗，結果表明優化后的設計在探測效率和能譜譜型上效果都較理想。

同時用GEANT4 模擬器對儀器性能響應進行了模擬，結果表明該優化方案的近遠源距徑向、縱向和環井敏感角響應正常。響應值介于標準儀器675 和標準儀器800 的響應值之間，這與非標井眼測井儀直徑介于標準儀器675 和標準儀器800 儀器直徑相符。

探測器埋深方案的機械結構變動集中在扶正器上，因此儀器研發的成本較變動整個儀器機械結構的成本低，且也沒有標準儀器800 近源距能譜中密度測量敏感區出現臺階的現象，但近源距探測效率偏低，在實際測量中可能需要適當增加測量時間。

總之，改變探測器的窗口，實質是改變入射探測器伽馬射線的入射角度，讓更多的伽馬射線進入探測中，達到與標準675 儀器一樣的探測效果。為了評估測量的精度，有必要在刻度井群中進行實測數據驗證和誤差分析。

3 測量精度與不確定分析

針對“探管深埋方案”的優化方案，有必要在刻度井中進行實測驗證和測量精度的分析。由以上的研究可知，探管深埋方案對長源距的測量影響不大，主要是短源距能譜出現臺階現象，這里主要分析短源距的測量精度與不確定度。

密度測量精度定義為：

儀器在9 口刻度井中進行了測試，分別得到計數率和對應的密度值，如表1 所示。通過與標稱值比較，9 口井的測量精度均滿足小于5%的測量要求。選擇W8 井進行不確定度分析，計算結果如表2 所示，從30s 統計不確定度來看，長短源距均小于0.015g/cm3的測量要求。

表1

表2

刻度井群的9 口實驗井代表著儀器測量的密度范圍，從表1 和表2 的計算結果來看，測量精度和不確定分析結果完全滿足測井需求，同時也與標準675 儀器測量效果一致，因此說明優化后的扶正器結構是合理的。

4 結論

“探管深埋方案”是隨鉆非標井眼密度測井儀器較理想的設計方案，同時優化放射源窗口，屏蔽材料和近遠探測器的窗口，能夠很好的增加入射伽馬射線的計數率，避免短源距譜型出現臺階現象，同時不影響儀器的徑向和縱向探測特性，滿足測量精度小于5%和不確定小于0.015g/cm3的測量要求。