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1、第三章核测井第1页，共80页，编辑于2022年，星期二 核核测测井井(放放射射性性测测井井)：以以物物质质的的原原子子核核物物理理性性质质为为基基础础的的测测井井方方法法。它它是是根根据据岩岩石石及及其其孔孔隙隙流流体体和和井井内内介介质质(套套管管、泥泥浆浆等等)的的核核物物理理性性质质来来研研究究钻钻井井地地质质剖剖面面，寻寻找找煤煤、石石油油等等有有用用矿矿藏藏，研研究究油油气气田田开发及油气井工程的测井方法。开发及油气井工程的测井方法。引言引言第2页，共80页，编辑于2022年，星期二放放射射性性测测井井优优点点：它它是是唯唯一一能能够够确确定定岩岩石石及及其其孔孔隙隙流流体体化化学学
2、元元素素含含量量的的测测井井方方法法。既既可可以以在在裸裸眼眼井井又又可可以以在在套套管管井井中中测测量量，而而且不受井眼介质的影响。且不受井眼介质的影响。放射性测井放射性测井缺点缺点：成本高；测速低；需要一定的放射性防护措施。：成本高；测速低；需要一定的放射性防护措施。核核测测井井适适用用条条件件：不不仅仅适适用用于于一一般般的的泥泥浆浆井井，而而且且也也适适用用于于油油基基泥泥浆浆井井、高高矿矿化化度度泥泥浆浆井井、空空气气钻钻井井(裸裸眼眼井井、套套管管井井)等等，是一种适用范围较大的测井方法。是一种适用范围较大的测井方法。引言引言第3页，共80页，编辑于2022年，星期二第一节第一节
3、自然伽马和伽马能谱测井自然伽马和伽马能谱测井 自自然然伽伽马马测测井井(Gamma(Gamma Ray)Ray)和和自自然然伽伽马马能能谱谱测测井井(Natural(Natural Gamma Gamma Spectrometry)Spectrometry)均均是是以以研研究究岩石的自然放射性为基础的放射性测井方法。岩石的自然放射性为基础的放射性测井方法。第4页，共80页，编辑于2022年，星期二一、伽马测井的核物理基础一、伽马测井的核物理基础(一一)原子核的衰变及其放射性原子核的衰变及其放射性1.1.原子的结构原子的结构原原子子：由由原原子子核核及及其其核核外外电电子子层层组组成成的的一一种
4、种很很微微小小的的粒粒子子，直直径径大大约约为为1010-8-8cmcm。原原子子核核的的直直径径大大约约为为1010-14-141010-13-13cmcm，由由中中子子和和质质子子组组成成。质质子子就就是是氢氢原原子子核核，带带1 1个个单单位位正正电电荷荷，中中子子是是不不带带电电的的粒粒子子，其其质质量量几几乎乎与与质质子子相相同同，约约为为1 1个个原原子子质质量量单单位位(U U)，(质质量量数数为为1212的的碳碳元元素素的一个原子质量的的一个原子质量的1/121/12为一个原子质量单位为一个原子质量单位)。第一节第一节 自然伽马和伽马能谱测井自然伽马和伽马能谱测井第5页，共80
5、页，编辑于2022年，星期二第一节第一节 自然伽马和伽马能谱测井自然伽马和伽马能谱测井第6页，共80页，编辑于2022年，星期二 原子呈中性：原子呈中性：原子核中的质子数原子核中的质子数=核外电子数核外电子数元素的元素的原子序数原子序数(Z)(Z)：原子核中的质子数目；：原子核中的质子数目；元素的元素的质量数质量数(A)(A)：中质子数中子数；：中质子数中子数；原原子子核核：Z ZX XA A；X X代代表表元元素素符符号号，右右上上角角质质量量数数A A，左下角原子序数，左下角原子序数Z Z。例：例：6 6C C1212表示质量数为表示质量数为1212的碳原子核。的碳原子核。第一节第一节 自
6、然伽马和伽马能谱测井自然伽马和伽马能谱测井第7页，共80页，编辑于2022年，星期二 元元素素：同同类类原原子子的的统统称称；决决定定元元素素化化学学性性质质的的是是元元素素的的原原子子序序数数，即即原原子子核核所所含含的的质质子子数数，与与其其质质量量数数无无关关。也也就就是是说说：原原子子序序数数相相同同而而质质量量数数不不同同的的各各元元素素其其化化学学性性质质是是相相同同的的，它它们们在在周周期期表表中中占占有同一位置。有同一位置。同位素：同位素：原子序数原子序数(原子核中质子数原子核中质子数)相同而中子数不同的核素。相同而中子数不同的核素。例：氢的同位素：例：氢的同位素：1 11 1
7、H H氕、氕、1 12 2H H氘、氘、1 13 3H H氚。氚。2.2.同位素与放射性核素同位素与放射性核素第一节第一节 自然伽马和伽马能谱测井自然伽马和伽马能谱测井第8页，共80页，编辑于2022年，星期二3.3.核衰变核衰变 核核衰衰变变：放放射射性性元元素素的的原原子子核核自自发发地地释释放放出出一一种种带带电电粒粒子子(粒粒子子或或 粒粒子子)，蜕蜕变变成成为为另另外外某某种种原原子子核核，同同时时放放射射出出伽马伽马()射线的过程。射线的过程。放射性：放射性：原子核能自发地释放出原子核能自发地释放出、射线的性质。射线的性质。第一节第一节 自然伽马和伽马能谱测井自然伽马和伽马能谱测井
8、第9页，共80页，编辑于2022年，星期二 放放射射性性核核衰衰变变的的规规律律：放放射射性性核核数数随随着着时时间间按按指指数数递递减减的的规规律律变变化化，且且这这种种变变化化与与任任何何作作用用(如如温温度度、压压力力、电电磁场等磁场等)无关，衰变速度唯一地取决于放射性元素本身。无关，衰变速度唯一地取决于放射性元素本身。若若以以N N0 0和和N N分分别别表表示示任任意意放放射射性性元元素素在在时时间间t=0t=0和和t t的的个个数数，则则放放射射性性元元素素衰衰变变规规律律可可用用下下列列关关系系式式表表示示，其其中中 为衰变系数。为衰变系数。第一节第一节 自然伽马和伽马能谱测井自
9、然伽马和伽马能谱测井第10页，共80页，编辑于2022年，星期二 半衰期：半衰期：指放射性元素从指放射性元素从t=0t=0时的时的N N0 0个原子开始，个原子开始，到有到有N N0 0/2/2个原子核发生衰变所经历的时间，用个原子核发生衰变所经历的时间，用T T表示。表示。第一节第一节 自然伽马和伽马能谱测井自然伽马和伽马能谱测井第11页，共80页，编辑于2022年，星期二 T T和和 一一样样，不不受受任任何何外外界界的的影影响响，而而且且是是与与时时间间无无关关的的常常量量。放放射射性性元元素素不不同同，其其半半衰衰期期也也不不同同，放放射射性性元元素素的的半半衰衰期期相相差差很很大大，
10、有有的的短短到到若若干干分分之之一秒，而有的则长达几十亿年。一秒，而有的则长达几十亿年。第一节第一节 自然伽马和伽马能谱测井自然伽马和伽马能谱测井第12页，共80页，编辑于2022年，星期二常见放射性核素半衰期常见放射性核素半衰期放射性核素放射性核素符号符号半衰期半衰期T T钾钾1919K K40401.31.310109 9 Y Y铯铯5555CsCs13713733 Y33 Y钡钡BaBa13113111.8 d11.8 d铟铟InIn113113100 min100 min钴钴CoCo60605.27 Y5.27 Y第一节第一节 自然伽马和伽马能谱测井自然伽马和伽马能谱测井第13页，共8
11、0页，编辑于2022年，星期二4.4.放射性活度与放射性比度放射性活度与放射性比度 一一定定量量的的放放射射性性核核素素，在在单单位位时时间间内内发发生生衰衰变变的的核核素素叫叫放射性活度放射性活度或或放射性强度放射性强度。活度的单位为活度的单位为居里居里(CiCi)：1Ci1Ci3.7103.7101010/S/S 1Ci 1Ci1000mCi1000mCi10000001000000 CiCi 另一单位：另一单位：贝克勒尔贝克勒尔 Bq Bq 1Bq1Bq1/S 1Ci1/S 1Ci3.7103.7101010BqBq第一节第一节 自然伽马和伽马能谱测井自然伽马和伽马能谱测井第14页，共8
12、0页，编辑于2022年，星期二 放放射射性性比比度度(比比放放射射性性、比比活活度度、放放射射性性浓浓度度)是是指指放放射射性性核核素素的的放放射射性性活活度度与与其其质质量量之之比比，其其单单位位为为Bq/gBq/g或或Ci/gCi/g。纯镭的放射性比度为。纯镭的放射性比度为1Ci/g1Ci/g。第一节第一节 自然伽马和伽马能谱测井自然伽马和伽马能谱测井第15页，共80页，编辑于2022年，星期二5.5.放射性射线的性质放射性射线的性质 放放射射性性物物质质通通过过衰衰变变能能够够放放出出三三种种放放射射性性射射线线，即即：、，它们具有不同的性质。它们具有不同的性质。射射线线：氦氦原原子子核
13、核流流，2 2He4 4，带带两两个个单单位位正正电电荷荷。质质量量大大，易易引引起起物物质质电电离离或或激激发发而而被被物物质质吸吸收收。射射线线电电离离本本领领最最强强，在在物物质质中中的的穿穿透透距距离离很很小小，在在空空气气中中约约为为2.5cm2.5cm左左右右，在在地层岩石中仅为地层岩石中仅为1010-3-3cmcm，因此，在井内根本探测不到，因此，在井内根本探测不到 射线。射线。第一节第一节 自然伽马和伽马能谱测井自然伽马和伽马能谱测井第16页，共80页，编辑于2022年，星期二 射射线线：射射线线是是高高速速运运动动的的电电子子流流，它它在在物物质质中中的的射射程程也也比比较较
14、短短，能能量量为为1Mev1Mev的的 射射线线在在铅铅中中的的射射程程仅仅为为1.48cm1.48cm。射射线线：射射线线是是频频率率非非常常高高的的电电磁磁波波(波波长长为为310310-11-111010-9-9cmcm)或或光光子子流流，不不带带电电荷荷，能能量量十十分分高高，一一般般在在几几十十万万电电子子伏伏特特以以上上，而而且且具具有有很很强强的的穿穿透透能能力力，能能够够穿穿透几十厘米的地层、套管及仪器外壳。透几十厘米的地层、套管及仪器外壳。第一节第一节 自然伽马和伽马能谱测井自然伽马和伽马能谱测井第17页，共80页，编辑于2022年，星期二 通通常常情情况况下下，、和和 射射
15、线线是是同同时时发发生生的的，由由于于 和和 射射线线的的穿穿透透能能力力弱弱，不不能能被被测测井井仪仪器器探探测测到到，而而 射射线线的穿透能力强，在井下能够被探测和记录。的穿透能力强，在井下能够被探测和记录。中性粒子射线不是由核衰变产生的，而是由特殊的中子中性粒子射线不是由核衰变产生的，而是由特殊的中子源产生的，其特点是能量高、穿透力强。源产生的，其特点是能量高、穿透力强。放射性测井探测器探测到的射线：中子射线和放射性测井探测器探测到的射线：中子射线和 射射线。线。第一节第一节 自然伽马和伽马能谱测井自然伽马和伽马能谱测井第18页，共80页，编辑于2022年，星期二1 1、放射性强度单位、
16、放射性强度单位1 1居里：单位时间内发生衰变的原子核数居里：单位时间内发生衰变的原子核数1 1居里居里=1=1克镭的源强克镭的源强=1=1克镭当量克镭当量/克（每克克（每克物质的放射性强度单位相当于物质的放射性强度单位相当于1 1克镭）克镭）=3.7*1010=3.7*1010次次/秒秒2 2、放射性剂量单位、放射性剂量单位单位质量的物质被射线照射时所吸收的能量来单位质量的物质被射线照射时所吸收的能量来度量射线强度为度量射线强度为放射性剂量放射性剂量。用。用伦琴伦琴表示。表示。而测井用的单位是而测井用的单位是微伦琴微伦琴/小时小时.单位时间内的射线剂量为单位时间内的射线剂量为剂量率剂量率二、常
17、用二、常用GRGR强度单位强度单位第19页，共80页，编辑于2022年，星期二3 3、条件单位、条件单位三、核衰变的统计涨落三、核衰变的统计涨落 测井时记录的是单位时间的脉冲数，测井时记录的是单位时间的脉冲数，不同的仪器不同的仪器记录数不同，记录数不同，为了为了统一单位统一单位和比较，必须使仪器在和比较，必须使仪器在统一统一标准下刻度，采取相同的单标准下刻度，采取相同的单位位 微伦琴微伦琴/小时小时 API API第一节第一节 自然伽马和伽马能谱测井自然伽马和伽马能谱测井 同一放射性元素在相同的时间间隔内，衰变次数不完全相同，总是同一放射性元素在相同的时间间隔内，衰变次数不完全相同，总是围绕一
18、平均值上下起伏。围绕一平均值上下起伏。统计涨落是由统计涨落是由核衰变本身的特性核衰变本身的特性所决定的，与所决定的，与环境和人环境和人的因素。的因素。第20页，共80页，编辑于2022年，星期二核射线探测器-闪烁记数管 它由光电倍增管和碘化钠晶体组成。它是利用被伽玛射线激发的物它由光电倍增管和碘化钠晶体组成。它是利用被伽玛射线激发的物质的发光现象来探测射线的。质的发光现象来探测射线的。伽玛射线伽玛射线碘碘化化钠钠晶晶体体光电倍增光电倍增管电子数管电子数逐级倍增逐级倍增大量电子最大量电子最后到达阳极后到达阳极使阳极电压使阳极电压瞬时下降产瞬时下降产生电压负脉生电压负脉冲，输入测冲，输入测量线路予
19、以量线路予以记录记录用单位时间记录的用单位时间记录的脉冲数来反映伽玛脉冲数来反映伽玛射线的强度射线的强度第21页，共80页，编辑于2022年，星期二GRGR测量的是岩层的自然放射性强度测量的是岩层的自然放射性强度(不用任何放射性源）不用任何放射性源）(一一)岩石的自然放射性岩石的自然放射性岩石中主要的放射性元素：岩石中主要的放射性元素：9292U U238 238 9090ThTh232232 1919K K4040三、自然伽马测井三、自然伽马测井(GR)Gamma-Ray Log(GR)Gamma-Ray Log 岩石的自然放射性强度主要主要取决于其岩石的自然放射性强度主要主要取决于其三三者
20、的者的比例比例，其含量与岩其含量与岩性、形成性、形成过程中的过程中的物理化学物理化学条件有关，因此，条件有关，因此，岩性岩性不同，不同，GRGR不同不同.火成岩火成岩 变质岩变质岩 沉积岩沉积岩第22页，共80页，编辑于2022年，星期二 沉积岩沉积岩骨架不骨架不含含重重矿物，除矿物，除钾钾岩外，其他岩石岩外，其他岩石本身本身基本上基本上不含不含放放射性，但在形成过程中会多少地射性，但在形成过程中会多少地吸附吸附些放射性元素。些放射性元素。强度最低的：强度最低的：硬石膏、石膏、不含钾的盐岩硬石膏、石膏、不含钾的盐岩 强度低的：强度低的：砂岩、灰岩、白云岩砂岩、灰岩、白云岩 强度较高的：强度较高
21、的：浅浅海相和海相和陆陆相沉积的相沉积的泥岩、泥灰岩、钙质岩、泥质砂泥岩、泥灰岩、钙质岩、泥质砂岩等岩等 强度高的：强度高的：钾岩、深水泥岩、页岩钾岩、深水泥岩、页岩 强度最高的：强度最高的：放射性软泥、彭土灰放射性软泥、彭土灰 除了钾岩及骨架含放射性元素的岩石外，岩石的除了钾岩及骨架含放射性元素的岩石外，岩石的GRGR强度随岩石颗强度随岩石颗粒变细而增加的。粒变细而增加的。通常情况下：地层的通常情况下：地层的GRGR主要取决与泥质含量。主要取决与泥质含量。(一一)岩石的自然放射性岩石的自然放射性第23页，共80页，编辑于2022年，星期二(二二)GR)GR 测井的基本原理测井的基本原理 射线
22、射线泥浆泥浆仪器外壳仪器外壳进入探进入探测器测器成比例的连成比例的连续电位差续电位差并记录成并记录成GRGR穿过穿过至至经传输经传输至地面至地面仪处理仪处理与单位时间脉冲数与单位时间脉冲数仪仪器器泥泥浆浆地面仪地面仪 射线射线电缆电缆处理成处理成GRGR单位：脉冲单位：脉冲/分钟分钟微伦琴微伦琴/小时小时APIAPI第24页，共80页，编辑于2022年，星期二(三三)GR)GR 曲线特征曲线特征(均匀理想模型地层点测均匀理想模型地层点测)GR(API)GR(API)当当上下围岩相同上下围岩相同时，曲时，曲线基本与地层中部线基本与地层中部对称对称，低低放射性地层对应放射性地层对应GRGR低，高低
23、，高放射性地层对应放射性地层对应GRGR高高h3d h3d 曲线幅度曲线幅度不受不受岩层厚度的影响岩层厚度的影响h3d h3d 曲线的最大或曲线的最大或最小最小受岩层厚度受岩层厚度的影的影响响第25页，共80页，编辑于2022年，星期二2 2、井参数影响、井参数影响d d增加增加裸眼井裸眼井对对GRGR吸收增加，但泥浆中所含一吸收增加，但泥浆中所含一定的放射性补偿了一部分，定的放射性补偿了一部分，影响小影响小套管井套管井：水泥环厚度增加水泥环厚度增加-GR-GR降低，钢对降低，钢对GRGR也要产生吸收也要产生吸收第27页，共80页，编辑于2022年，星期二3 3、统计涨落误差、统计涨落误差由于
24、涨落误差的存在，实测的由于涨落误差的存在，实测的GR GR 曲线出现许多曲线出现许多“小锯齿小锯齿”第28页，共80页，编辑于2022年，星期二4 4、测井速度、测井速度当当h h一定：一定：GRGR受受V V测测和时间常数的影响和时间常数的影响t=h/v vt=h/v v增加，增加，tt7TH/U7 陆相沉积、氧化环境、风化层陆相沉积、氧化环境、风化层TH/U7 TH/U7 海海相沉积、灰色、绿色页岩相沉积、灰色、绿色页岩TH/U2 TH/U2 海相黑色页岩、磷酸盐岩海相黑色页岩、磷酸盐岩(三三)NGS)NGS曲线应用曲线应用第43页，共80页，编辑于2022年，星期二第44页，共80页，编
25、辑于2022年，星期二含量矿含量矿物名称物名称U(mg/l)U(mg/l)Th(mg/l)Th(mg/l)K(%)K(%)膨润土膨润土1 1 20206 6 5050 0.50.5蒙脱石蒙脱石2 2 5 51414 24240.160.16高岭石高岭石1.51.5 3 36 6 19190.420.42伊利石伊利石1.51.5 4.54.5铝土矿铝土矿3 3 30301010 130130黑云母黑云母 0.010.016.76.7 8.38.3白云母白云母 0.010.017.97.9 9.89.8海绿石海绿石5.085.08 5.35.3绿泥石绿泥石 0.050.056.6.确定粘土矿物类型
26、确定粘土矿物类型 各种粘土矿物由于各自的地质成因及地球化学性质的不同，铀各种粘土矿物由于各自的地质成因及地球化学性质的不同，铀(U)(U)、钍、钍(Th)(Th)、钾、钾(K)(K)的含量也各的含量也各不相同不相同(见表见表)。一般来讲，在绝大多数粘土矿物中，钾和钍的含量高，而铀的含量相对较低。因此，。一般来讲，在绝大多数粘土矿物中，钾和钍的含量高，而铀的含量相对较低。因此，根据钍根据钍 、钾含量的比值，可以大致确定粘土矿物的类型。、钾含量的比值，可以大致确定粘土矿物的类型。(三三)NGS)NGS曲线应用曲线应用第45页，共80页，编辑于2022年，星期二本节的重点本节的重点u岩石的自然放射性
27、岩石的自然放射性uGRGR曲线的应用及影响因素曲线的应用及影响因素uNGSNGS曲线的应用与曲线的应用与GRGR曲线间的关系曲线间的关系u核衰变、核射线、放射性强度单位核衰变、核射线、放射性强度单位第46页，共80页，编辑于2022年，星期二第二节第二节 散射伽玛测井散射伽玛测井 地层密度测井地层密度测井Formation Density LogFormation Density Log第三章第三章 核测井核测井第47页，共80页，编辑于2022年，星期二一、伽马射线与物质的相互作用一、伽马射线与物质的相互作用 射线的能量射线的能量30Mev,1.02Mev)1.02Mev)+e-e原子核原子
28、核核外电子核外电子康普顿效应：康普顿效应：(0.2E(0.2E 1.02Mev)1.02Mev)e散射散射 的射线的射线E1E1 射线射线第48页，共80页，编辑于2022年，星期二光电效应：光电效应：(0.2(0.2 MevMev E E)光电子光电子 射线射线 一、伽马射线与物质的相互作用一、伽马射线与物质的相互作用第49页，共80页，编辑于2022年，星期二二、伽马射线的吸收二、伽马射线的吸收吸收：射线粒子的消失吸收：射线粒子的消失吸收系数：单位长度的物质对吸收系数：单位长度的物质对 射线的吸收概率。射线的吸收概率。电子对电子对t t 康普顿康普顿 光电效应光电效应 研究表明，研究表明，
29、射线强度衰减遵循指数衰减规律射线强度衰减遵循指数衰减规律 第50页，共80页，编辑于2022年，星期二三、密度测井的原理三、密度测井的原理(FDL)(FDL)1.1.电子密度的定义（电子密度的定义（e e）单位体积中岩石的电子数单位体积中岩石的电子数Z:Z:原子序数原子序数A A：质量数：质量数N0N0：阿伏加德罗常数：阿伏加德罗常数第51页，共80页，编辑于2022年，星期二2.FDL2.FDL测井的原理测井的原理每个电子的康普顿吸收系数：每个电子的康普顿吸收系数：e e物质的康普顿吸收系数：物质的康普顿吸收系数：=e e*e e(0.2E(0.2E 1.02Mev1.02Mev）：）：由此
30、可求出地层密度值由此可求出地层密度值3.FDL3.FDL的下井仪的下井仪1 1个放射性个放射性 源探测器源探测器 贴井壁测量贴井壁测量第52页，共80页，编辑于2022年，星期二4.FDL4.FDL存在的问题存在的问题泥饼的影响泥饼的影响 不规则井眼不规则井眼 贴井壁不好贴井壁不好地层密度值的影响大地层密度值的影响大提出了：提出了：FDC：三、密度测井的原理三、密度测井的原理(FDL)(FDL)第53页，共80页，编辑于2022年，星期二四、补偿密度测井的原理（四、补偿密度测井的原理（FDCFDC）利利用用长长短短源源距距的的测测量量结结果果来来计计算算有有泥泥饼饼影影响响条条件件下下被被测岩
31、石的真实密度值。测岩石的真实密度值。1 1个放射性源两个探测器贴井壁测量个放射性源两个探测器贴井壁测量计算公式：计算公式：X XL L、X XS S权权系系数数与与装装置置、源源距距、泥饼参数、岩石参数有关泥饼参数、岩石参数有关 mcmc与与h hmcmc、mcmc有关有关第54页，共80页，编辑于2022年，星期二 g/cm g/cm3 3影响因数：井径、极板曲率影响因数：井径、极板曲率1010英寸英寸 不能很好贴井壁，不能很好贴井壁，受泥饼影响大、受泥饼影响大、下下井井仪仪输出的测井曲线：密度值曲线与密度差值曲线输出的测井曲线：密度值曲线与密度差值曲线四、补偿密度测井的原理（四、补偿密度测
32、井的原理（FDCFDC）第55页，共80页，编辑于2022年，星期二五、密度测井曲线的应用五、密度测井曲线的应用1.1.划分岩层划分岩层G/cm3孔隙度增加孔隙度增加-密度下降密度下降密度值不能准确反映岩性密度值不能准确反映岩性2.2.求岩层孔隙度求岩层孔隙度适用条件：适用条件：纯岩层纯岩层砂岩砂岩=2.65 =2.65 灰岩灰岩=2.71 =2.71 白云岩白云岩=2.87=2.87盐岩盐岩=2.17 =2.17 硬石膏硬石膏=2.97 =2.97 淡水泥浆淡水泥浆=1=1盐水泥浆盐水泥浆=1.1 =1.1 克克/立方厘米立方厘米第56页，共80页，编辑于2022年，星期二第57页，共80页
33、，编辑于2022年，星期二含泥质岩层含泥质岩层岩石有多种矿物构成：岩石有多种矿物构成：3.3.密度与中子曲线重叠确定岩性、判别气层密度与中子曲线重叠确定岩性、判别气层4.4.密度中子交会图法密度中子交会图法确定岩性确定岩性 孔隙度孔隙度 岩石的骨架成分岩石的骨架成分第59页，共80页，编辑于2022年，星期二第三节第三节 中子测井中子测井Neutron LogNeutron Log第三章第三章 核测井核测井第61页，共80页，编辑于2022年，星期二 中子源：中子源：它由轰击粒子和靶组成它由轰击粒子和靶组成(氚为靶、氘为轰击离氚为靶、氘为轰击离子），中子源可分为同位素和脉冲中子源。子），中子源
34、可分为同位素和脉冲中子源。同同位位素素中中子子源源(核核衰衰变变产产生生轰轰击击离离子子，然然后后，轰轰击击其其它它元元素素产生中子产生中子)人不可控制；人不可控制；脉冲中子源脉冲中子源(用氘轰击氚产生中子用氘轰击氚产生中子)人可控制。人可控制。一、中子和中子源一、中子和中子源第62页，共80页，编辑于2022年，星期二放出伽马射线（次生伽马射线）放出伽马射线（次生伽马射线）基态原子核基态原子核快快n n碰撞碰撞激发态原子核（获得内激发态原子核（获得内能）能）变成变成 n n碰撞后的中子碰撞后的中子二、中子和物质的相互作用二、中子和物质的相互作用1.1.快中子非弹性散射阶段快中子非弹性散射阶段
35、第63页，共80页，编辑于2022年，星期二2.2.弹性散射阶段弹性散射阶段快快n nnn能量降低能量降低激激发发态态原原子子核核（获得动能）（获得动能）基基态态原原子子核核该过程的能量是守恒的该过程的能量是守恒的每次弹性碰撞的平均能量损失：每次弹性碰撞的平均能量损失：E=2AEn/(1+A)E=2AEn/(1+A)2 2A A越越小小-E E大大，A A越越大大-E E小小，元元素素周周期期表表中中，H H的的A A 最最小小，物质含物质含H H多，弹性散射时间短，减速能力强。多，弹性散射时间短，减速能力强。第64页，共80页，编辑于2022年，星期二3.3.热中子扩散阶段热中子扩散阶段热热
36、n激发态原子核激发态原子核（获得内能）（获得内能）原子核原子核放出伽马射线（次生放出伽马射线（次生伽马射线）伽马射线）回至回至第65页，共80页，编辑于2022年，星期二三、描述中子与物质相互作用各阶段的物理量三、描述中子与物质相互作用各阶段的物理量1.1.减速长度减速长度 H H最短（减速能力最强）。最短（减速能力最强）。从快中子变至热中子的这段时间为弹性散射时间。从快中子变至热中子的这段时间为弹性散射时间。物质的减速能力决定了减速长度，物质减速能力的物质的减速能力决定了减速长度，物质减速能力的大小用减速长度来表示。大小用减速长度来表示。第66页，共80页，编辑于2022年，星期二 岩岩层层
37、的的减减速速长长度度取取决决于于各各元元素素的的减减速速长长度度，所所有有元元素素中中氢氢的的减减速速能能力力最最强强，含含H H越越多多减减速速长长度度越越短短。地地层层含含H H，减速长度取决于含减速长度取决于含H H量。量。物质物质减速减速长度长度（cm)水水砂砂+22%水水干石英砂干石英砂7.717.055.01.1.减速长度减速长度第67页，共80页，编辑于2022年，星期二 扩散长度：描述热中子扩散阶段长短。扩散长度：描述热中子扩散阶段长短。热中子扩散阶段的长短与物质所含原子核的俘获能热中子扩散阶段的长短与物质所含原子核的俘获能力有关。力有关。宏观俘获截面：单位体积的地层对热中子的
38、俘获概宏观俘获截面：单位体积的地层对热中子的俘获概率。（描述地层对热中子的俘获能力）率。（描述地层对热中子的俘获能力）沉积岩中氯元素的沉积岩中氯元素的 最大，地层含氯，地层的最大，地层含氯，地层的 取决于含氯取决于含氯量。量。地层不含氯和其它较高的地层不含氯和其它较高的 元素，元素，H H的的 相对较高，地层的相对较高，地层的 在一在一定程度上反映定程度上反映H H量。量。2.2.扩散长度扩散长度3.3.宏观俘获截面宏观俘获截面第68页，共80页，编辑于2022年，星期二四、超热中子测井四、超热中子测井(Sidewall Neutron Porsity Log)(Sidewall Neutro
39、n Porsity Log)(一一)超热中子测井的基本原理超热中子测井的基本原理(贴井壁测量贴井壁测量)1.1.孔隙度与减速长度间的关系孔隙度与减速长度间的关系 由由于于中中子子源源出出来来的的中中子子在在地地层层中中运运动动、与与地地层层中中的的原原子子核核发发生生弹弹性性碰碰撞撞，能能量量损失，速度降低，成为超热中子，减速长度取决于元素的种类和含量。损失，速度降低，成为超热中子，减速长度取决于元素的种类和含量。同同-不同元素组成不同岩性的岩层不同元素组成不同岩性的岩层-减速长度不减速长度不同同 中中100%100%含水含水-地层的减速能力地层的减速能力-减速长度减速长度第69页，共80页，
40、编辑于2022年，星期二2.2.超热中子的空间分布超热中子的空间分布 F F 不同、岩性不同不同、岩性不同-超热中子在中子源周围的分布超热中子在中子源周围的分布不同。不同。F -F -含含H -L H -L S S -超热中子在源超热中子在源附近分布附近分布 -L L源小，源小，计数率高计数率高L L源大，计源大，计数率低数率低第70页，共80页，编辑于2022年，星期二（二）超热中子曲线的应用（二）超热中子曲线的应用1.1.确定岩层的孔隙度确定岩层的孔隙度视石灰岩视石灰岩F F：石灰岩的石灰岩的F Fnmanma=0=0砂岩的砂岩的F Fnmanma=-0.035=-0.035白云岩的白云岩
41、的F Fnmanma=0.05=0.05用石灰岩的用石灰岩的F Fnmanma=0=0算出的孔隙度是视石灰岩孔隙度。算出的孔隙度是视石灰岩孔隙度。而用岩石本身的骨架孔隙度算出的而用岩石本身的骨架孔隙度算出的F F为真为真F F第74页，共80页，编辑于2022年，星期二2.2.交会图法确定岩性、孔隙度、骨架成分交会图法确定岩性、孔隙度、骨架成分3.3.中子密度测井曲线重叠法确定岩性中子密度测井曲线重叠法确定岩性4.4.估计油气密度估计油气密度5.5.定性指示高孔隙度含气层定性指示高孔隙度含气层 F F中含天然气比同中含天然气比同F F含水、油的含水、油的F F 相对偏低（天然相对偏低（天然气的
42、含气的含H H量低），而量低），而F FD D则偏大。使用条件：高孔隙、侵入则偏大。使用条件：高孔隙、侵入浅的含气纯地层（下图）浅的含气纯地层（下图）（二）超热中子曲线的应用（二）超热中子曲线的应用第76页，共80页，编辑于2022年，星期二五、五、CNL-CNL-补偿中子测井补偿中子测井(Compensated Neutron Log)(Compensated Neutron Log)1.1.补偿中子测井的原理补偿中子测井的原理(探测热中子密度探测热中子密度)1 1）下井仪）下井仪2 2）原理）原理第78页，共80页，编辑于2022年，星期二 优点：减小地层俘获性能的影响，补偿井参数含氯量的
43、影响。优点：减小地层俘获性能的影响，补偿井参数含氯量的影响。利用两个不同源距探测器所测得的计数率之比来减小地层俘获性能的影响利用两个不同源距探测器所测得的计数率之比来减小地层俘获性能的影响含氢指数含氢指数=1=1立方厘米物质的氢核数立方厘米物质的氢核数/1/1立方厘米淡水的立方厘米淡水的H H核数。核数。补偿中子的探测器测得的计数率送至地面仪，经过适当的模拟装置自补偿中子的探测器测得的计数率送至地面仪，经过适当的模拟装置自动把计数率的比值转换为相应的含动把计数率的比值转换为相应的含H H指数，也即最终输出的曲线，常见指数，也即最终输出的曲线，常见的视石灰岩孔隙度。的视石灰岩孔隙度。1.1.补偿中子测井的原理补偿中子测井的原理(探测热中子密度探测热中子密度)2.2.用途用途 （与（与SNPSNP相同）相同）第79页，共80页，编辑于2022年，星期二 总结：总结：掌握中子测井的原理、及相关的概念、曲线的掌握中子测井的原理、及相关的概念、曲线的应用。应用。比较各类中子测井的优点缺点。比较各类中子测井的优点缺点。源距与计数率间、含源距与计数率间、含H H量、量、f f的关系。的关系。注：第四节注：第四节 脉冲中子测井（自学）脉冲中子测井（自学）第80页，共80页，编辑于2022年，星期二