蒙特卡罗模拟在放射性测井中的应用
En 自然γ铀矿测井 LaBr3晶体探测效率的 MC 模拟

.
1 5 0
卡罗模 拟计算 中的系统简化描述 [ J ] .核 电子学 与 探 测技 术 , 2 0 0 7, 2 7 ( 4 ) : 7 9 3— 7 9 5 . [ 8 ] 侯 克 斌. 自然 伽 玛 测 井 及 其 影 响 因素 的 M o n t e
C a r l o 模拟 [ D] .成都 : 成都理工大学 , 2 0 1 0 .
P
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d 咖 s i n O d O f e d r =
一
K q p ( 1
e 一 ) 。
图2 MC N P模 型 示 意 图
当为饱 和矿层 时 , 即 卜 ∞ , 带 人 上 式 可
得:
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当进 行传 统 的平 均 含 量法 测井 时 , 岩 石 放
射性 物质 的伽 马 常数 K、 岩 层 密 度 P以及 岩 层
探测器与矿层相对位置/ ' G m
度地 层 , 矿层 厚 度选 择 为 1 0 c m 的薄 层 , 伽 马射
图 4 单一矿层 下相同探 测器长度不同 半径 的照射量率
3 . O x l 0
线能量分 别 选用 铀 、 钍、 钾 的 3个 特 征 能 量 1 . 4 6 、 1 . 7 6和 2 . 6 2 Me V。整 个模 拟 模 型如 图 2
参 考文 献
长度的照射量率
1 4 x1 o‘
1 . 2 × l ’ 】0 × l O
褥8 0 x 1 0 n 巅
拳 6 O × 1 0
[ 1 ] 池伟.国外核 测 井技 术 的发 展状 况 [ J ] .舰 船防
化, 2 0 0 6 , ( S 1 ): 2 6— 3 0 .
核测井中粒子随机游动的计算机模拟

核测井中粒子随机游动的计算机模拟
孙卫;樊晓光
【期刊名称】《核科学与工程》
【年(卷),期】2000(020)004
【摘要】系统地完成了核测井中粒子随机游动的数学模型的建立和计算机模拟过程的实现.对于核测井问题,利用Monte-Carlo方法模拟和跟踪了粒子的随机游动,进行了探测器计数响应值无偏统计量的数学估计;针对实现粒子随机游动的计算机模拟,选用MORSE程序完成了一测井实例.结果表明:利用此理论模型可以完成核测井问题中计数响应值的数值计算.
【总页数】5页(P348-352)
【作者】孙卫;樊晓光
【作者单位】西安交通大学理学院 710049 空军工程学院,西安 710038;空军工程学院,西安 710038
【正文语种】中文
【相关文献】
1.基于粒子系统的扦插植物愈伤组织计算机模拟 [J], 林文如;戈振扬
2.带电粒子在磁场中运动情况的计算机模拟实验 [J], 陈洁;姚若河
3.计算机模拟带电粒子在电磁场中的运动 [J], 涂泓;朱炯明;周昺路
4.计算机模拟带电粒子在电磁场中的运动 [J], 占亚波;于立志
5.放电镀膜时等离子体通道内粒子状态的计算机模拟 [J], 肖波;揭晓华;肖厚群
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蒙特卡罗模拟在放射性测井中的应用研究

技术应用与研究2018·0272Chenmical Intermediate当代化工研究蒙特卡罗模拟在放射性测井中的应用研究*崔 星(大庆油田测试技术服务分公司 黑龙江 163000)摘要:以蒙特卡罗模拟方法为研究对象,分析了蒙特卡罗模拟在放射性井应用的相关问题。
先分析了蒙特卡罗模拟的相关内容,并对其应用步骤进行阐述;之后结合放射性测井的处理要求,对蒙特卡罗模拟方法的运用思路进行了分析,希望能对相关人员工作有所帮助。
关键词:蒙特卡罗模拟;放射性测井;伽马能谱中图分类号:T 文献标识码:AApplication Research of Monte Carlo Simulation in Radioactive LoggingCui Xing(Daqing Oilfield Testing Technology Service Branch, Heilongjiang, 163000)Abstract :Taking Monte Carlo simulation method as the research object, the problems related to the application of Monte Carlo simulationin radioactive wells are analyzed. Firstly, the relevant content of Monte Carlo simulation is analyzed and its application steps are described. Then, combining with the processing requirements of radioactive logging, the application idea of Monte Carlo simulation method is analyzed, hoping to be helpful to relevant personnel.Key words :Monte Carlo simulation ; radioactive logging ; gamma spectrum前言目前,研究放射性测井问题的计算机分析方法主要包括扩散理论、蒙特卡罗模拟等,两种方法相比,蒙特卡罗模拟能够利用一系列的实验技术跟踪大量粒子历程,完成对粒子信息的模拟,最终完成复杂条件的测井信息的识别。
SBS改性沥青生产过程中的质量控制因素

技术应用与研究2018·0273Chenmical Intermediate当代化工研究SBS 改性沥青生产过程中的质量控制因素*陆明强 蒲旭斌 黄靖坚(佛山高富中石油燃料沥青有限责任公司 广东 528000)摘要:SBS改性沥青在生产过程中受到诸多因素影响,对基质沥青、添加剂和工艺参数的选用多数凭借工程施工经验,缺乏严谨的理论依据。
本文通过SBS改性沥青生产过程中剪切速率、剪切时间、剪切温度、发育时间对改性沥青三大指标各性能的影响进行试验研究,结果表明,SBS改性沥青的加工条件宜为:剪切速率控制在4000r/min至5000r/min之间,剪切时间控制在30min至40min之间,剪切温度控制在180℃至190℃之间,发育时间控制在3小时至3.5小时之间。
同时,实际生产中,应优选基质沥青,使各项参数控制在适宜的范围内。
关键词:SBS改性沥青;生产过程;质量;工艺参数;因素中图分类号:T 文献标识码:AQuality Control Factors in SBS Modified Asphalt Production ProcessLu Mingqiang, Pu Xubin, Huang Jingjian(Foshan Gaofu PetroChina Fuel Asphalt CO., LTD., Guangdong ,528000)Abstract :SBS modified bitumen in the process of production is affected by many factors, the matrix asphalt, additives and the selection oftechnological parameters of most with construction experience, the lack of rigorous theoretical basis. In this article, through the SBS modified bitumen production in the process of shear rate, shear time, temperature and shear development time affect the performance of modified bitumen three major indexes all experiment research, the results show that the SBS modified bitumen processing conditions suitable for: shear rate control at 4000 r/min to 5000 r/min, shear time control between 30 min to 40 min, shear temperature between 180 ℃ to 190 ℃, development time control between 3 hours to 3.5 hours. At the same time, in the actual production, we should be preferred matrix asphalt, which controls the various parameters in appropriate range.Key words :SBS modified bitumen ;productive process ;quality ;process parameters ;factor在基质沥青中加入一定比例的SBS改性剂,通过一定的生产工艺使改性剂分散于基质沥青中,同时加入一定比例的专属稳定剂,形成的SBS混合材料,再对沥青做改性处理,即为SBS改性沥青。
脉冲中子源密度测井俘获伽马射线强度的数值模拟

脉冲中子源密度测井俘获伽马射线强度的数值模拟潘保芝;张瑞;刘坤;李丁;蒋必辞【摘要】由于传统密度测井仪器中同位素中子源具有潜在的放射性危害,可控的脉冲中子源得到越来越广泛的应用.脉冲中子源发射的快中子,经过地层的减速作用和扩散作用被原子核俘获(吸收),并释放出俘获伽马射线.运用蒙特卡洛方法模拟快中子离开源后与地层之间的作用过程,得到了俘获伽马射线的强度分布;将俘获伽马射线作为伽马射线源进行密度测井研究,模拟经过地层吸收后剩余伽马射线强度的分布与地层密度的关系,以及测量条件对剩余伽马射线强度的影响.研究结果表明,剩余伽马射线强度随着地层密度的增加而减小.建立了剩余伽马射线强度与地层密度、孔隙度以及探测源距的拟合关系,可用于指导脉冲中子源密度测井仪器的设计.【期刊名称】《石油物探》【年(卷),期】2014(053)006【总页数】7页(P642-648)【关键词】脉冲中子源;俘获伽马射线;密度测井;数值模拟;蒙特卡洛方法【作者】潘保芝;张瑞;刘坤;李丁;蒋必辞【作者单位】吉林大学地球探测科学与技术学院,吉林长春130026;吉林大学地球探测科学与技术学院,吉林长春130026;中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,山东青岛266580;吉林大学地球探测科学与技术学院,吉林长春130026;吉林大学地球探测科学与技术学院,吉林长春130026【正文语种】中文【中图分类】P631.4为取代传统密度测井中的同位素中子源,各大石油公司都在研究利用脉冲中子源测量地层密度的方法。
脉冲中子源是一个小型的加速器,将氘核加速轰击锆氚靶上的氚核,通过聚变反应产生快中子[1]。
脉冲中子源以一定的脉冲宽度和重复周期向地层发射能量为14MeV的中子束。
与常规中子源相比,脉冲中子源具有源强度高且质量轻、释放出的中子能量单一等特点,特别是能够依赖电信号以脉冲的形式向外界发射中子,而当电信号停止,中子便不再发射,故没有放射性危害。
地层元素测井仪器结构参数的蒙特卡罗数值模拟

地层元素测井仪器结构参数的蒙特卡罗数值模拟严慧娟;岳爱忠;赵均;张建民;王树声;林岩栋【摘要】The Monte Carlo simulation model of formation elements logging tool is established With the model the effects of tool parameters including the shield, boron coating and source spacing are studied on logging responses. In the single shield materials, the shielding effect ofTungsten(W), Nickel (Ni) and Iron(Fe) is the best. In the combined shield materials, the shielding effect of W-Ni-Fe+Boron(B) and W-Ni-Fe+polyethylene is better then that of W-Ni-Fe with the same thickness ; the shielding effect of W-Ni-Fe+polyethylene is much better. In practical tool model, the shielding effect of 11 cm thick of W-Ni-Fe material is above 0. 9; if the Boron coating is the mixed material of 10B and fluoro-elastomer, its 10B content is more than 10%, which may reduce the tool's internal elements influencing effect. The tool shells may use settling stainless steel or Copper (Cu), because they don' t have any influence on spectrum deconvolution of formation elements. The above results may be used as a reference for optimizing the tool structure design.%建立地层元素测井的蒙特卡罗方法数值模拟模型,分别对仪器的屏蔽体、硼套、源距等仪器参数对测井响应的影响进行数值模拟研究.单一屏蔽体材料中钨镍铁屏蔽率最高,组合材料中钨镍铁十硼砂和钨镍铁十聚乙烯的屏蔽率比相同厚度钨镍铁的屏蔽率略高一些,钨镍铁十聚乙烯的效果更明显.实际仪器模型中11cm厚的钨镍铁屏蔽率大于0.9;硼套为10B与氟橡胶混合材料时其10B含量达到10%以上,达到降低仪器内部元素影响的效果;仪器外壳材料均可以采用沉淀不锈钢或铜,其对地层元素的解谱几乎没有影响.这些模拟结果可以为优化仪器结构参数提供参考.【期刊名称】《测井技术》【年(卷),期】2012(036)003【总页数】4页(P282-285)【关键词】地层元素测井;蒙特卡罗方法;数值模拟;仪器结构【作者】严慧娟;岳爱忠;赵均;张建民;王树声;林岩栋【作者单位】西安交通大学,陕西西安710049;中国石油集团测井有限公司技术中心,陕西西安710077;西安交通大学,陕西西安710049;西安交通大学,陕西西安710049;中国石油集团测井有限公司技术中心,陕西西安710077;中国石油集团测井有限公司技术中心,陕西西安710077【正文语种】中文【中图分类】P631.84地层元素测井通过测量中子在地层中产生的俘获伽马能谱和非弹性散射伽马能谱获取地层岩石骨架的主要元素种类和含量,确定岩性和骨架参数。
蒙特卡罗方法在实验核物理中的应用修订版课程设计

蒙特卡罗方法在实验核物理中的应用修订版课程设计一、课程设计背景和意义实验核物理是现代物理学的重要分支之一,它通过对核物质的实验研究来探究物质的性质和宇宙的演化。
而在实验核物理中,对于一些复杂的问题,如粒子的相互作用、反应过程的模拟等,常常需要进行数值模拟和计算。
蒙特卡罗方法是一种基于概率统计原理的数值计算方法,将问题建模成随机模型,通过随机抽样的方式进行模拟和计算。
它在实验核物理中有广泛的应用,如在粒子轨迹模拟中用于确定反应截面、在辐射测量中用于估算剂量等。
因此,深入了解蒙特卡罗方法在实验核物理中的应用,不仅有助于掌握相关技术,还能提高实验设计和数据分析的能力,有着重要的意义。
二、课程设计内容和目标本课程旨在通过理论学习和实践操作,使学生掌握蒙特卡罗方法在实验核物理中的应用,具体内容如下:2.1 蒙特卡罗方法基础知识•随机数的产生和分布•概率密度函数的定义和性质•蒙特卡罗积分的计算方法2.2 蒙特卡罗方法在实验核物理中的应用•粒子的轨迹模拟及反应截面的确定•辐射的测量和剂量估算•核工程中的应用2.3 实验操作•计算机程序的编写和调试•使用蒙特卡罗方法模拟和计算实验数据通过本课程的学习,学生应具有以下能力:•理解蒙特卡罗方法的基本原理和应用场景•掌握蒙特卡罗方法在实验核物理中的应用方法和技巧•能够编写程序进行模拟和计算,并对结果进行分析和解释三、教学方法和组织形式为了达到以上课程设计的目标,本课程采用以下教学方法和组织形式:3.1 讲授理论知识通过教师的讲授和学生的自学,掌握蒙特卡罗方法的基本原理和应用方法。
3.2 实验操作学生将会编写计算机程序进行蒙特卡罗模拟实验,在实验中掌握具体的实验技能。
3.3 实验报告学生将会在完成实验后撰写实验报告,对实验结果进行分析和解释。
四、教学进度安排和考核方式根据以上的课程内容和目标,本课程的教学进度安排如下:•第1周:蒙特卡罗方法基础知识•第2周:蒙特卡罗方法在实验核物理中的应用•第3-8周:实验操作和实验报告撰写考核方式如下:•平时成绩占30%,包括课堂参与和实验操作•期末实验报告占70%五、参考文献1.Forrest, R. A. (1976). Monte Carlo methods innuclear physics. Physics Reports, 25(2), 89-141.2.Wilson, P.R. (2000). Monte Carlo simulations innuclear physics. CRC Press.3.Giuntini, L., & Villari, R. (2013). Monte Carlomethods for radiation shielding. Springer.4.蔡敏, 侯玉明, 李月盘, & 曲学飞. (2008). 应用蒙特卡罗方法测定辐射源的半径. 北京科技大学学报, 30(6), 704-707.。
碘化钠和溴化镧探测器对_测井模型的MC模拟_王哲

0引言天然放射性核素主要有铀(238U)系列、钍(235Th)系列、锕(235U)系列和40K系列,除去1.76MeV和2.62MeV、1.46MeV三个特征峰外矿层中的谱峰一般为U系铀组0.760MeV、0.910MeV、1.001MeV,均为弱峰;U系镭组0.609MeV、1.12MeV0.352MeV;Th系0.239MeV1.620MeV0.960MeV、0.908MeV。
同时,人工放射性核素137Cs射线能量662keV对天然辐射的贡献也不能忽略。
LaBr3晶体对662keVγ射线能量分辨率小于3%,而合适大小NaI探测器探测器能量分辨率为6.5%,这是一个本质性的提高[1]。
晶体尺寸大小的提高是困难的,但是现在LaBr3晶体尺寸能够达到3×3英寸[2]。
MCNP已经被证明能够很好地模拟γ能谱,因此,本文选取了均匀分布在矿层中铀的几个典型的特征峰能量,能量分别为0.351MeV、0.609MeV、1.12MeV和 1.76MeV 的γ射线进行MC模拟。
用尺寸为Φ3×3inch的溴化镧和碘化钠探测器放在矿层模型计数率最高的中心位置进行模拟测量,用origin软件画出散点能谱图,分析比较溴化镧探测器和碘化钠探测器探测能谱的特点和区别。
1测井模型的模拟研究原理1.1溴化镧探测器工作原理及晶体性质LaBr3:Ce3+探测器探测γ射线工作原理为:γ射线进入LaBr3:Ce3+晶体中与晶体相互作用,使晶体的原子、分子电离和激发;被电离、激发的原子、分子退激时,一部分电离、激发能量以光辐射的形式释放出来,形成闪烁光;闪烁光尽可能多地收集到光电倍增管的光阴极上,光子被光阴极吸收后,发射出光电子;光电子在光电倍增管中倍增,倍增的电子束在阳极上被收集形成本征电流,并产生脉冲信号。
其晶体性质如表一所示。
碘化钠和溴化镧探测器对γ测井模型的MC模拟Monte Carlo Simulation of LaBr3:Ce and NaI(Tl)Detector onγ-ray Spectrometric of the Radioactive Model Well王哲Wang Zhe(东华理工大学,江西南昌330013)(East China Institute of Technology,Jiangxi Nanchang330013)摘要:LaBr3晶体闪烁探测器(<3%在662keV)比NaI探测器具有更高的能量分辨率,但自身放射性元素对低能谱探测有影响。
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2014年第29卷第5期2014,29(5):2301-2306地球物理学进展 Progress in Geophysicshttp//www.progeophys.cnISSN 1004-2903CN 11-2982/P袁超,周灿灿,张锋,等.2014.蒙特卡罗模拟在放射性测井中的应用.地球物理学进展,29(5):2301-2306,doi:10.6038/pg20140546.YUAN Chao,ZHOU Can-can,ZHANG Feng,et al.2014.Application of Monte Carlo simulation in nuclear well logging.Progress inGeophysics(in Chinese),29(5):2301-2306,doi:10.6038/pg20140546.蒙特卡罗模拟在放射性测井中的应用Application of Monte Carlo simulation in nuclear well logging袁超1,周灿灿1,张锋2,程相志1,窦洋3,胡松1,李华阳1YUAN Chao1,ZHOU Can-can1,ZHANG Feng2,CHENG Xiang-zhi 1,DOU Yang3,HU Song1,LI Hua-yang1收稿日期 2013-11-12; 修回日期 2014-06-16. 投稿网址 http//www.progeophys.cn基金项目 国家重大油气专项(2011ZX0520-008)、国家自然科学基金(41374125)、山东省自然科学基金(ZR2012DM002)和中石油基础研究项目(2011A-3904)联合资助.作者简介 袁超,男,1987年生,山东临朐人,在读博士研究生,从事核测井方法基础研究、核测井数据处理及应用.(E-mail:vipyuanchao@163.com)1.中国石油勘探开发研究院测井与遥感技术研究所,北京 1000832.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,青岛 2665803.中国地质大学(北京)海洋学院,北京 1000831.Research Department of Well-logging and Remote Sensing Technology,Research Institute of Petroleum Exploration and Development,PetroChina,Beijing100083,China2.School of Geosciences,China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580,China3.School of Marine Science,China University of Geoscience(Beijing),Beijing100083,China摘 要 蒙特卡罗模拟是放射性测井一种重要的数值模拟方法,利用通用程序MCNP可方便的建立地层模型,为放射性测井方法基础研究提供了简便有效的方法.借助于蒙特卡罗方法建立不同条件下计算模型,利用具体实例介绍了蒙特卡罗模拟在放射性测井中四大方面的应用:模拟不同条件下中子场及伽马场等核物理场分布,进而研究探测特性及测井响应,并可根据场分布特点形成不同测量方法;克服实体物理实验存在的困难,通过数值模拟方法开展对测井新方法的研究;可实现探测器类型和尺寸、源距及屏蔽体等仪器关键参数优化设计;通过模拟数据处理获得测井参数,建立与地质参数的响应关系,并研究各种影响因素的影响,形成数据处理方法.关键词 蒙特卡罗;数值模拟;放射性测井;应用 中图分类号 P631.8+17文献标识码 Adoi:10.6038/pg20140546Abstract Monte Carlo simulation is one of the most importantnumerical simulation methods in nuclear logging.Formationmodels can be built with MCNP special code,which provides asimple and effective approach to conduct fundamental study innuclear logging.In this paper,Monte Carlo method is used toset up different simulation models under different situations,and the application of Monte Carlo method in nuclear welllogging is demonstrated with simulation examples:distributionof nuclear physical field,including neutron and gamma field,can be simulated to study the investigation depth and loggingresponse,and measurement methods can be built based on thedistribution features of nuclear field;new logging method canbe developed with numerical simulation,and physicalexperiments can be avoided to some extent;the toolparameters,including the type and size of detector,spacing,shielding and so on,can be optimally designed;the loggingresponse can be established with the logging parameters,whichare derived from the simulation data,and geologicalparameters,and data processing method can be got through thestudy of the effect of influential factors on logging response.Keywords Monte Carlo;numerical simulation;nuclearlogging;application0 引 言随着计算机模拟技术的发展,蒙特卡罗模拟方法在物理学(Ye et al.,2011;徐英和洪治,2012)、化学(Dai et al.,2012)、热力学(王文和史琳,2002;赵胜喜等,2012)、医学(王屏等,2012;Ding et al.,2012)、经济学(柴洪和马竹书,2012;陈国栋,2012)及建筑学(Tan,2012)等都有广泛的应用.实际科学计算中问题往往是多维的,而问题难度随维数呈指数上升,传统数值方法难以解决这种问题;而蒙特卡罗方法研究问题的复杂性不依赖于问题的维数,所以能很好的处理多维问题(方再根,1988).目前研究放射性测井问题的计算机模拟方法主要有两种:一是利用扩散理论建立波尔兹曼方程并求解(黄隆基,1985),但建立的方程多为多变量微分方程,不能得到解析地球物理学进展 www.progeophys.cn 2014,29(5) 解,且数值解求解复杂;二是利用蒙特卡罗方法对给定的问题建立随机抽样模型,并用一系列随机数跟踪大量粒子历程的方法完成对粒子输运的模拟(Gardner et al.,2007).利用蒙特卡罗模拟方法可方便的改变各种实验条件,并且可实现实体物理实验很难实现或实现不了的实验条件,解决问题具有低成本、周期短的特点.所以,蒙特卡罗数值模拟方法为研究放射性问题提供了一种简便有效的方法,在放射性测井技术基础方法研究及仪器研发中具有重大的意义.本文从方法原理上介绍蒙特卡罗模拟方法,并建立不同的数值计算模型,利用具体的模拟实例说明蒙特卡罗方法在放射性测井中的应用,主要表现在核物理场分布、放射性测井新方法研究、测井仪器参数优化设计和测井响应及数据处理方法等四个方面.1 蒙特卡罗数值计算方法蒙特卡罗方法解决的基本问题是数值求积,下面利用简单问题说明蒙特卡罗数值求积方法(周铁等,2006).设有一个数值求积问题为I(f)=∫10f(x)dx,(1)考虑对积分的随机解释即某随机变量的期望,即:I(f)≈1N∑Ni=1f(Xi)defIN(f),(2)式中,Xi(i=1,2,…,N)为区间[0,1]上均匀分布的独立同分布随机变量.由弱大数定理,IN(f)将依概率收敛到I(f).IN(f)作为一个随机变量有EIN(f)=E1N∑Ni=1f(Xi())=1N∑Ni=1∫10f(x)dx=I(f),(3)相应于确定性形式的误差估计eN=IN(f)-I(f),“均方误差”为E eN2=E(IN(f)-I(f))2=1NE(f(Xi)-I(f))()2=1NVar(f),(4)Var(f)为f(X)的方差.由Schwartz不等式,可得E eN≤E eN槡2=Var(f)槡N.(5)因此,得到统计意义下蒙特卡罗方法的半收敛性,其收敛阶不依赖于问题的维数,这正是蒙特卡罗方法在处理高维问题的优越性所在.2 蒙特卡罗数值模拟(MCNP)及计算模型建立2.1 蒙特卡罗数值模拟(MCNP)蒙特卡罗方法模拟辐射输运的思想在19世纪40年代由美国Los Alamos实验室的科学家提出,1976年开发出了通用程序MCNP(ageneral Monte Carlo code for Neutronand Particle transport).MCNP是一套通用的、模拟三维空间中连续能量的中子、光子和电子联合输运的程序,中子和光子在物质中输运的宏观表现是大量粒子与原子核微观作用的平均结果.该方法建立一个概率模型或随机过程,通过逐一模拟和记录单个粒子的历程,根据中子及光子已知的分布函数,对中子或光子与原子核发生碰撞时的位置、能量、运动方向、反应类型、源分布等方面进行抽样,其平均结果反映中子和光子在物质中的输运(Briesmeister,2000).图1 单个中子随机历史Fig.1 The random history of a neutron图1为模拟中一个中子射入物质后的随机历程,如图所示,中子在1点发生碰撞,根据中子与物质的作用分布函数,抽取随机数确定反应类型,在此处抽取非弹性散射反应,放出非弹性散射伽马及中子;在2点与原子核发生(n,2n)反应,其中一个出射中子射出物质,另一个中子在3点被吸收.并产生一个光子在5点与物质发生散射作用离开物质,单粒子作用历史结束.MCNP通过跟踪大量粒子的作用历程,最终确定测井过程中发射中子与仪器、井眼、地层等物质元素原子核发生作用的宏观效果.2.2 蒙特卡罗计算模型建立用蒙特卡罗程序(MCNP)建立地层模型模拟计算中子、光子在地层中的输运时,用到的命令卡包括标题卡、栅元卡、曲面卡、数据卡,其中数据卡包括类型卡、栅元参数卡、曲面参数卡、源卡、计数卡,图2为利用蒙特卡罗方法建立的套管井条件下的地层模型示意图.3 应用实例模拟及分析利用蒙特卡罗方法可方便的建立各种地层模型,针对放射性测井中的问题可开展核物理场分布、放射性测井新方法、测井仪器参数优化设计和测井响应及数据处理方法等方面的研究.3.1 核物理场分布模拟利用蒙特卡罗方法建立地层模型,记录地层中不同位置处粒子的计数,可以模拟地层自然伽马场、中子场、次生伽马场空间分布.对核物理场的分布研究,可以直观显示粒子与地层元素原子核的相互作用结果,得到粒子与物质作用的时间特性和空间特性,为研究不同测井方法提供理论依据.图3为利用Am-Be中子源时在不同孔隙度饱含水砂岩地层中热中子场的分布,通过对热中子场的分布研究得到热中子的分布范围在40cm左右,孔隙度越低热中子的分布范围越广,孔隙度对热中子分布范围影响很大,这正是中子孔隙度测井的理论依据.通过研究中子场的分布规律,得出径向探测深度等特性,并根据场分布特点形成不同的测量方法.3.2 放射性测井新方法研究由于放射源会对人体和环境造成潜在的危害(Committee on Radiation Source and Replacement,2008),开2032 2014,29(5)袁超,等:蒙特卡罗模拟在放射性测井中的应用 (www.progeophys.cn)图3 不同孔隙度砂岩地层中热中子场分布Fig.3 Distribution of thermal neutron field in sandstone formation with different porosity图2 蒙特卡罗计算模型纵截面示意图Fig.2 Vertical cross-section of Monte Carlosimulation model example 图4 脉冲与测量时序设计Fig.4 Time sequence design of pulseemission and measurement展放射性实体物理实验存在很大困难,所以可以借助于数值模拟开展对放射性测井新方法的研究.本文中以对脉冲双伽马谱饱和度测井(张锋等,2010b;Zhang et al.,2011a;Zhang et al.,2011b)为例,说明蒙特卡罗模拟方法在放射性测井新方法研究中的应用.图4为脉冲中子双伽马谱饱和度测井采用的脉冲和时序设计,一个完整的测量时序分为3个时间段,在第一个时间段内中子源发射中子并采集伽马时间谱和非弹性散射伽3032地球物理学进展 www.progeophys.cn 2014,29(5)图5 脉冲中子双伽马谱饱和度测井响应Fig.5 Logging response of pulsed-neutron dualgamma spectrum saturation logging图6 不同中子源时热中子计数与源距关系Fig.6 The relationship of thermal neutron countingand spacing with different neutron sources图7 不同探测器响应特性Fig.7 Response feature of different detectors图8 宏观俘获截面与含水饱和度和孔隙度的关系Fig.8 The relationship of macro capture cross sectionand water saturation under different porosity图9 不同放射性地层厚度条件下方位自然伽马成像图Fig.9 Azimuthal gamma imaging in radioactiveformations with different thickness马能谱,第二个时间段内采集俘获伽马能谱,第三个时间段内记录本底能谱.利用蒙特卡罗方法建立地层模型,采用图4所示的脉冲和测量时序,模拟计算同时记录伽马能谱和伽马时间谱,通过数据处理得出不同含油饱和度条件下C/O与宏观俘获截面交会图,如图5所示.从图5可以看出,C/O与宏观俘获截面交会图上每一点表示在一定含油饱和度条件下C/O与宏观俘获截面值,地层孔隙度发生变化,其位置也随之改变,利用C/O与宏观俘获截面值的交会技术可以在孔隙度未知的情况下确定含油饱和度.3.3 测井仪器参数优化设计粒子探测器类型、尺寸、屏蔽体、源距等是研制放射性测井仪器重要参数,利用蒙特卡罗数值模拟方法可开展测井仪器参数优化设计研究,为放射性测井仪器研制提供理论依据.图6为是在不同孔隙度地层中利用不同中子源时模拟的热中子随源距的变化关系(张锋等,2010a;张锋等,2010b),从图上可以看出利用D-D、Am-Be和D-T中子源时零源距分别大约为10cm、12cm和12cm;获取零源距后,再4032 2014,29(5)袁超,等:蒙特卡罗模拟在放射性测井中的应用 (www.progeophys.cn)根据探测器计数统计性及测井响应特征可以确定出最佳源距.图7为不同粒子探测器能谱响应特性,从图中可以看出LaBr3探测器的能量分辨率最好,NaI探测器的次之,BGO探测器的最差.3.4 测井响应及数据处理方法研究通过蒙特卡罗方法建立不同地层模型,可方便设定和改变各种地层条件,模拟记录粒子与元素原子核相互作用产生的时间谱或能谱,通过谱数据处理得到相应测井参数,建立和地质参数之间的测井响应关系,并研究各种因素对测井响应的影响,形成数据处理方法.图8为不同孔隙度条件下地层宏观俘获截面与含水饱和度的三维关系图,从图上可以看出孔隙度一定时地层宏观俘获截面与含水饱和度呈现良好的相关性,且随着孔隙度的增大,利用地层宏观俘获截面确定含水饱和度的灵敏度增大.图9为模拟利用四个伽马探测器的随钻方位伽马测井仪器穿过不同厚度放射性地层的方位伽马成像图(袁超,2012),放射性地层的相对倾斜角度都为70°,图中从左向右模拟地层的厚度为40cm、80cm和100cm,从图上可以看出放射性地层的厚度对方位伽马成像图的影响很大,厚度越大成像图在井轴方向的展布越大,利用方位伽马成像图可以确定出放射性地层的相对倾斜角度及地层厚度.4 结 论4.1 蒙特卡罗数值模拟是一种放射性测井中重要的数值模拟方法,可以方便的改变各种实验条件,且可实现实体物理实验很难实现或实现不了的实验条件,为放射性测井基础研究提供了简便有效的方法.4.2 蒙特卡罗数值模拟方法在放射性测井中有四大方面应用:1)核物理场分布模拟:通过模拟不同条件下中子场及伽马场分布,可给出径向探测深度等特性,并根据场分布特点形成不同的测量方法;2)放射性测井新方法研究:避免实体物理实验存在的困难,通过数值模拟方法开展对放射性测井新方法的研究;3)测井仪器参数优化设计:可实现探测器类型和尺寸、源距及屏蔽体等测井仪器关键参数的优化设计;4)测井响应及数据处理方法研究:通过模拟计算得到的谱数据处理获得相应的测井参数,建立和地质参数之间的测井响应关系,并研究各种因素对测井响应的影响,形成数据处理及影响因素校正方法.致 谢 感谢审稿专家和编辑部老师的热情帮助.ReferencesBriesmeister J F.2000.MCNP-A General Monte Carlo N-ParticleTransport 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