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1、第九章第九章 中子测井中子测井 中子测井(NUETRON LOGGING):种用中子和地层的相互作用的各种效应,来研究井剖面地层性质的各种测井方法的总称。它包括中子热中子、中子超热中子、中子伽马测井、中子活化测井以及非弹性散射伽马能谱测井和中子寿命测井。测井时,中子源向地层发射快中子,快中子在地层中运动与地层物质的原子核发生各种作用,由探测器探测超热中子、热中子或次生伽马射线的强度,研究地层的孔隙度、岩性及孔隙流体性质等地质问题。1第一节 中子测井的核物理基础第二节 中子孔隙度测井第三节 中子寿命测井 第四节 次生伽马能谱测井第十章第十章 中子测井中子测井 2第一节第一节 中子测井的核物理基础
2、中子测井的核物理基础v一、中子和中子源v二、中子和物质的作用v三、中子探测器 3一一 中子和中子源中子和中子源1 1、中子、中子 (1)组成原子核不带电的中性微粒,电荷上限10-18电子电荷。它与质子以很强的核力结合在一起,形成原子核。(2)中子的质量1.00887u;质子的质量1.00758u。(3)中子的半衰期 中子的静止质量大于质子和电子的静止质量之和,会 自 发 的 发 生-衰 变,它 的 半 衰 期 为11.70.3min,自然界几乎不存在自由中子。4(4)中子的分类 当中子与原子相互作用时,和核外电子几乎没有库仑力作用,而直接与原子核碰撞,其反应几率主要取决于核的性质。因此,中子入
3、射物质后,主要是与原子核发生作用。中子能量不同(速度不同),它与物质相互作用的行为也就大不相同,因此,目前使用的中子测井包括使用同位素中子源和加速器中子源,提供不同能量的快中子。一一 中子和中子源中子和中子源5一一 中子和中子源中子和中子源根据中子的能量可将中子分为:高能中子 能量10 MeV 穿透能力极强快中子 10MeV10KeV 穿透能力很强中能中子 100eV10KeV 慢中子 0.03eV100eV 超热中子约为0.210 eV热中子约为0.025 eV,热中子标准速度2200 m/s中子的能量指的是它的动能6 2、中子源:将原子核中的中子释放出来的装置。质子和中子在核中存在很强的核
4、力作用,要使之从核中释放出来,必须提供足够的能量。用高能(带电)粒子轰击作靶的原子核,引起核反应,释放出中子。一般选用轻原子核作靶核(A小,结核能小,易产生中子),如4Be9和1H3。测井用的中子源有两类:同位素中子源、加速器中子源。一一 中子和中子源中子和中子源7 利用放射性同位素核衰变时放出的高能粒子(粒子)去轰击靶核,引起核反应,释放中子,这种中子源的特点是连续发射中子。发射中子的平均能量为45Mev。(1)(a,n)中子源:利用同位素镭、钋、镅等核素核衰变产生的a粒子轰击靶核铍,发生(a,n)反应,发射中子。如镅铍(Am-Be)中子源,利用镅衰变产生的a粒子去轰击铍,引起核反应释放出中
5、子,产生中子能量平均为5Mev。一一 中子和中子源中子和中子源同位素中子源(2)自发裂变中子源。锎Cf252半衰期2.65y;产额2.311012/(s.g)8 (脉冲中子源):用人工的方法(加速器)加速带电粒子,去轰击靶核,产生快中子,特点是人为控制脉冲式发射。如(D-T)中子源:利用加速器夹带电粒子氘核加速到0.126MeV的能量,然后轰击靶核氚,生成a粒子和中子,中子的能量平均为14Mev。一、中子和中子源一、中子和中子源加速器中子源9中子源的几个特性参数:1)中子源强度:单位时间内发射的中子数。中子产额:同位素中子源:1Ci居里放射性物质产生的中子强度称为它的产额。脉冲中子源:把单位强
6、度束流也就是单位强度流(uA或uC)在靶核上产生的中子数称为它的产额。2)半衰期间:发生轰击粒子的放射性同位素的半衰期。(靶核的半衰期)一一 中子和中子源中子和中子源一定量的放射性核素在单位时间内发生核衰变的核数,1Ci3.71010次核衰变/s。10二二 中子和物质的作用中子和物质的作用 1、快中子的非弹性散射 高能快中子与地层发生作用时,快中子被靶核吸收形成复核,然后放出能量较低的中子,靶核仍处于激发态,而激发态的核放出特定能量的伽马射线后回到基态。例如,12C和16O都能与14Mev的中子发生非弹性散射而激发释放出射线,这是C/O能谱测井的基础。特点:将入射中子和靶核作为一个系统,碰撞前
7、后能量(动能)发生损失,所以是非弹性散射,或称(n,n)核反应,放出的伽马射线称为非弹性散射伽马射线。在14Mev中子源发出中子后10-6秒时间内主要发生此效应。11二二 中子和物质的作用中子和物质的作用 非弹性散射截面:一个快中子与一个靶核非弹性散射的几率,单位巴(10-24cm2)。原子核的能级是非连续的,只有当入射的中子的能量至少大于靶核的第一激发能级时,才有可能发生非弹性散射,同位素中子源发射的中子能量较低,对非弹性散射的贡献可忽略不记,因此,必须使用加速器中子源。高能快中子和碳发生非弹反应的释放伽马能量为4.43MeV。对其探测,可得到碳的含量。高能快中子和氧发生非弹反应的释放的能量
8、为6.14MeV、6.91MeV和7.12MeV。但前者强度高容易识别,而后两者不考虑。122、快中子对原子核的活化 快中子除发生(n,n)反应外,还可发生(n,a),(n,p)核反应。这些反应产生新原子核。有一定的半衰期,衰变放射出带电粒子和射线,其中伽马射线称为次生活化伽马射线。活化测井:如:硅测井,铝测井,钙测井,氯测井 二二 中子和物质的作用中子和物质的作用硅活化:又有快中子能量14MeV,反应截面为0.22b,Al28的半衰期2.3min,发射伽马光子的能量为1.782,探测之可以探测硅的含量。有效区分砂层和碳酸盐岩。13铝活化:二二 中子和物质的作用中子和物质的作用钙活化:氯活化:
9、可确定岩性和泥质含量,铝是常见粘土矿物的指示元素,而硅是砂岩的指示元素。钙是碳酸盐岩的指示元素。特点:反应过程中,中子被吸收,产生新核,这些新核有些具有放射性 14 3、快中子的弹性散射 (1)快中子的弹性散射 中等能量的中子与靶核碰撞,将部分能量传给靶核,使之能量(动能)增加,仍处于稳态,而快中子速度减慢,系统总的动能守恒,此过程即为快中子的弹性散射。对于同位素中子源中子测井,中子的初始能量较低,因此,从开始就以弹性散射为主。14Mev的高能快中子经一两次非弹性散射后就不能再发生非弹性散射或核活化反应,只能发生弹性散射而继续减速,直至其能量为0.025ev左右,成为热中子。二二 中子和物质的
10、作用中子和物质的作用15 (2)特点 入射中子被碰原子核系统,在碰撞前后总动能不变,中子损失的能量全部变成被碰核的动能,而核仍处于稳态,纯减速过程。(3)弹性碰撞能量损失 弹性碰撞能量损失与靶核的A、入射中子能量E0及散射角(中子散射方向和入射方向的夹角)有关。当为正碰撞时,中子损失能量最大。实验证明,中子一次弹性碰撞可能损失的最大能量和平均能量分别为:二二 中子和物质的作用弹性碰撞中子和物质的作用弹性碰撞16二二 中子和物质的作用弹性碰撞中子和物质的作用弹性碰撞 对氢核来说,A=1,a=0,Emax=E0,E=1/2E0,而对C,A=12,a=0.716,E=0.142E0,Emax=0.2
11、84 E0。因此氢是岩石中最主要的减速元素,岩石对快中子的减速能力取决于岩石的含H量。(4)能量减缩:每次碰撞后中子能量的自然对数差的平均值,表示物质对快中子的减速能力。17二二 中子和物质的作用弹性碰撞中子和物质的作用弹性碰撞n中子与化合物的弹性散射的平均对数能量减缩i为第i种核的平均对数能量减缩;Ni为单位体积物质中第i种核的个数;si为第i种核的微观散射截面,b;N物质中有n种原子。18(5)热化碰撞次数n热化碰撞次数:核物理将初始能量为E0的快中子减速为热中子所需的平均碰撞次数。若E0为2Mev,则H、C、O 的热化碰撞次数为 18、114、150。n说明,H为主要的减速剂。二二 中子
12、和物质的作用弹性碰撞中子和物质的作用弹性碰撞 随着散射核质量数增加而减小,与中子能量无关。H、C、O、Mg、Al、Si、Ca的分别为1、0.158、0.120、0.075、0.07、0.07、0.05。19(6)岩石宏观散射截面n微观散射截面s:一个中子与一个原子核发生弹性散射的几率,单位1b=10-24cm2;n宏观散射截面s:单位体积物质中的原子核的微观散射截面之和,单位cm-1n结论:纯岩石的宏观减速能力基本上决定于纯岩石的孔隙度(含淡水条件)二二 中子和物质的作用弹性碰撞中子和物质的作用弹性碰撞20二二 中子和物质的作用中子和物质的作用(7)减速时间f和减速长度Lf 减速时间f:快中子
13、从初始能量E0减速为热中子能量Et所需时间;减速距离L:在减速时间内,中子移动的直线距离。s.H 岩石中氢的宏观散射截面除氢以外岩石对中子的能量减缩s除氢以外岩石中的宏观散射截面21 4、热中子扩散和俘获 (1)热中子的扩散 快中子经减速到能量与地层原子处于热平衡状态时,中子不再减速,而像气体分子一样处于扩散过程。由密度大的地方向密度小的区域扩散,直到被地层原子核俘获为止。(2)辐射俘获核反应 靶核俘获一个热中子而变为激发态的复核,然后,复核放出一个或多个几个光子,回到基态。二二 中子和物质的作用中子和物质的作用22(3)岩石对热中子的宏观俘获截面a:微观俘获截面:一个原子核俘获热中子的几率;
14、宏观俘获截面a:一立方厘米所有原子微观俘获截面的总和。二二 中子和物质的作用中子和物质的作用ClHCOMgAgSiCa31.60.3290.00450.00160.400.2150.130.43结论:岩石对热中子的俘获能力主要取决于含氯量(矿化度、地层水含量)23 (4)热中子寿命 从热中子的生成时起到它被吸收为止所经过的平均时间,在数值上等于平均扩散自由程(1a)与热中子平均速度的比值。它和宏观俘获截面的关系为:另外:硼的a=710b,即使含量微小,也对测井将会有很大影响。即使硼B含量很少,也会造成地层水或岩石宏观俘获截面的显著增大,现在发展了注硼中子寿命测井。v为热中子的移动速度。二二 中
15、子和物质的作用中子和物质的作用24(5)扩散距离Ltn热中子产生到被俘获所经过的直线距离Lt,由核物理学,可知25(6)俘获核反应n热中子被俘获时,该核变成激发态的复核,然后释放出伽马射线退激,这种反应就叫俘获核反应,释放出的伽马射线叫俘获伽马射线。26(7)热中子和超热中子的空间分布n中子通量:空间上单位时间通过单位面积的中子数,探测器的计数率与之成正比。Le超热中子平均扩散长度;e表示超热中子的俘获截面;而且Le(De/Ee)1/2,De为超热中子的扩散系数。如果把热中的扩散长度写为Lt(Dt/Et)1/2,Dt为热中子扩散系数指数衰减的规律。27三三 中子探测器中子探测器 中子测井中测量
16、的热中子、超热中子均为慢中子。利用中子与某些原子核发生核反应,放出带电粒子而制成的将慢中子密度(热中子、超热中子)转化成电脉冲数的装置。28第二节第二节 中子孔隙度测井中子孔隙度测井 即通过中子源(同位素中子源)发射快中子,照射地层(与地层介质作用)减速形成热中子或超热中子,中子探测器探测热中子或超热中子的密度(通量),不同地层,减速能力不同,计数率不同,以此寻找储集层、确定孔隙度的一类测井方法,包括热中子测井、补偿中子测井和超热中子测井(井壁中子)测井,统称为中子孔隙度测井。29 中子孔隙度测井(neutron porosity logging)用点状同位素中子源照射地层,用中子探测器测量热
17、中子计数率,并将计数率转化为视石灰岩孔隙度的一种中子测井方法。井 壁 中 子(sidewall neutron porosity logging)SNP;补偿中子(compensated neutron porosity logging)CNL。第二节第二节 中子孔隙度测井中子孔隙度测井 30z一、超热中子测井的基本原理z二、决定热中子计数率的因素z三、井壁中子孔隙度环境校正z四、井壁中子孔隙度的响应方程 第二节第二节 中子孔隙度测井中子孔隙度测井 31一一 超热中子测井的基本原理超热中子测井的基本原理 井壁中子测井:(源,探测器装在贴井壁的滑板上,测量超热中子计数率来反映地层含H指数)1、源
18、距和超热中子探测超热中子探测 超热中子计数率与源距的关系类似热中子计数率与源距的关系:零源距,长源距,短源距。但零源距的大小会比热中子的零源距略小。其中:短源距对含氢指数分辨率太低,一般不用;源距增加,对氢含量分辨率增加。32 探测器为选择记录超热中子,采取两项措施:(1)探测器外加热中子吸收剂(镉)作屏蔽层目的:吸收热中子;(2)屏蔽层与探测器之间加减速器(塑料,石蜡等高H物质)目的:使穿过屏蔽层的超热中子迅速变为热中子。2、测量方式 贴井壁测量。一一 超热中子测井的基本原理超热中子测井的基本原理333、测量原理 同位素中子源发出快中子,在地层中的运动和地层中的各种原子核发生弹性散射,而逐渐
19、损失能量、降低速度,成为超热中子,探测超热中子密度,转化为计数率,以此寻找储集层、确定孔隙度的测井方法。一一 超热中子测井的基本原理超热中子测井的基本原理344、仪器刻度 刻度原因:不同仪器(源距,探测器),导致计数率变化。休斯顿大学的API中子测井标准井:三个孔隙不同的纯石灰岩地层(厚为6英尺,由6块厚为1英尺、宽为5英尺的六面体组成),井眼居中,井径7.875“,规定:把仪器零线与=19%的Indiana石灰岩的曲线幅度之差的千分之一规定为一个API中子测井单位。5、曲线 井壁中子曲线记为SNP或SWN,单位石灰岩孔隙度单位。一一 超热中子测井的基本原理超热中子测井的基本原理35二二 决定
20、热中子计数率的因素决定热中子计数率的因素 1、岩性的影响 快中子的减速过程过程,取决于地层中原子核的种类及其数量,不同靶核与中子发生弹性散射的截面不同,每次散射的平均能量损失不同,因而,它们的减速长度不同。在孔隙度相同的情况下,由下表和下页图可知,不同岩性的地层,快中子的减速长度不同。曲线关系近似差值(%)可能的估价物质DN40岩盐DN56砂岩D=N石灰岩DN8.13白云岩DN16硬石膏DN1030泥岩DN28石膏36二二 决定热中子计数率的因素决定热中子计数率的因素372、孔隙度的影响 在地层中所有的核素中,氢核减素能力最强,远远超过其它核素。因此,地层的减速能力取决于地层中氢的含量,氢主要
21、存在于孔隙流体中,因此,孔隙度增大,减速能力增强。二二 决定热中子计数率的因素决定热中子计数率的因素383、源距对计数率的影响 孔隙度、岩性不同,造成超热中子的空间分布不同,孔隙度增大,减速长度越小,则在源附近的超热中子越多;相反,孔隙度越小,减速长度越大,则离源较远的空间超热中子越多。探测器到源之间的距离称为源距,因此:探测器离源较近:孔隙度越大,计数率越高,对应长源距 探测器离源较远:孔隙度越大,计数率越高,对应短源距 探测器离源某一位置:计数率与孔隙度无关,对应零源距 实际应用的均为长源距中子测井。二二 决定热中子计数率的因素决定热中子计数率的因素394、地层的含氢指数 氢是地层中最重要
22、的减速剂,因此,氢含量的高低决定了地层的减速能力,实际用含氢指数来反映地层中氢元素的多少。任何物质单位体积(1立方厘米)的氢核数与同样体积淡水氢核数的比值。根据规定,淡水(纯水)含氢指数为1,而任何其它物质的含氢指数将与其单位体积内的氢核数成正比。二二 决定热中子计数率的因素决定热中子计数率的因素40式中:介质密度,g/cm3;x介质分子中的氢原子数;M介质的分子量;K比例常数。对于水:=1,x=2,M=18(水分子),规定其含氢指数为1,则1=K*2/18,得K=9,故:物质的含氢指数为 二二 决定热中子计数率的因素决定热中子计数率的因素即:41(1)饱和淡水纯石灰岩的含氢指数 孔隙度为的石
23、灰岩,则含氢指数为:H=Hma(1-)+Hw 中子孔隙度测井仪在饱和淡水的纯石灰岩刻度井中进行含氢指数刻度,使它测量的含氢指数即为饱和淡水纯石灰岩的。这里,也就人为的将岩石骨架的含氢指数定为0,也就是没有考虑石灰岩骨架的减速能力。若孔隙度为,则含氢指数为:Hw=1=,将中子孔隙度测井得到的含氢指数记为N,并称为中子孔隙度,其单位是石灰岩孔隙度单位。二二 决定热中子计数率的因素决定热中子计数率的因素42 饱和淡水地层:砂岩:N 略小于;白云岩:N略大于;石灰岩:N等于;以上是骨架宏观减速能力不同造成(砂岩骨架的宏观减速能力小于石灰岩,白云岩骨架的减速能力大于石灰岩),这种差别是中子测井的岩性影响
24、,也是识别岩性的依据。二二 决定热中子计数率的因素决定热中子计数率的因素43(2)油气的含氢指数 液态烃与水的含氢指数相近,而天然气的含氢指数很低,且随温度和压力而变。对分子式为CHx(分子量12+x),密度为h的烃:二二 决定热中子计数率的因素决定热中子计数率的因素 对以CH4为主的天然气(g0.25),上式近似为 Hg=2.2g44对以CnHnx为主的石油,根据原油化学分析有:x=4-2.5g 则:二二 决定热中子计数率的因素决定热中子计数率的因素如o=0.85g/cm3,Ho=1.034。45(3)与有效孔隙度无关的含氢指数 a.泥质:束缚水、粘土矿物结晶水、泥质具有很高的含氢指数(纯泥
25、岩的中子孔隙度作为泥质的含氢指数),取决于泥质孔隙体积和矿物成分。b.石膏:CaSO42H2O,其孔隙度为零,但含氢指数约为0.49,得到的中子孔隙度为49%。c.岩性影响:纯砂岩的骨架含氢指数为-0.010.05,白云岩为0.010.085,石灰岩为0。二二 决定热中子计数率的因素决定热中子计数率的因素46 (4)挖掘效应 冲洗带有残余油气的纯石灰岩,有:二二 决定热中子计数率的因素决定热中子计数率的因素当忽略岩性影响时,此式也可作为一般纯岩石的含氢指数。实际测井表明,轻烃对中子孔隙度测井的影响比上式严重。47二二 决定热中子计数率的因素决定热中子计数率的因素n假设Hh=0,则:N=xo,而
26、把含天然气的孔隙作为岩石骨架。但实际中测井中,含气时,时常有Nxo,这表明:天然气含氢浓度太低,以至把含天然气的孔隙体积作为骨架还不足以说明天然气影响(天然气对快中子的减速能力比石灰岩骨架还低,将显示为负的含氢指数),我们把油气对中子孔隙度测井的这种影响,称为中子孔隙度测井的挖掘效应。48二二 决定热中子计数率的因素决定热中子计数率的因素n挖掘效应的校正值可写为显然,挖掘效应校正值的大小与孔隙度、饱和度、天然气的含氢指数的大小有关,特别是当孔隙度较大、而天然气的含氢指数较小,校正值越大。上式中括号内也称为等效的含水饱和度,校正值与等效饱和度之间的关系可写为,49二二 决定热中子计数率的因素决定
27、热中子计数率的因素n对于石灰岩,K=1;对于砂岩,K约等于1.046;白云岩则约等于1.173。当等效饱和度等于0.5时,校正值最大。而且等效饱和度一般小于1?看看图103。50三三 井壁中子孔隙度环境校正井壁中子孔隙度环境校正 刻度的标准条件:地层水井液为淡水,井径7.875,温度为75华氏度,压力1个大气压,井壁无泥饼,不符合条件的,原则上讲都必须校正。(1)井径校正;(2)水垫校正,滑板与地层间泥浆;(3)泥饼校正(普通泥浆,重晶石泥浆),泥饼厚度确定;(4)矿化度校正,影响不大;(5)温度压力校正(高温使减速能力降低,高压又使减速能力增强),校正量较低。51四四 井壁中子孔隙度的响应方
28、程井壁中子孔隙度的响应方程 砂岩、白云岩、石灰岩实际刻度井建立含氢指数(中子孔隙度)与岩性及孔隙度的关系,其曲线特征如图107,注意一下视孔隙与真孔隙之间的不完全线性。含水纯岩石:注:对含有油气时,还需考虑挖掘效应影响。由上述方程可求得中子孔隙度:52四四 井壁中子孔隙度的响应方程井壁中子孔隙度的响应方程n含水泥质岩石n含水双矿物模型n含油气泥质岩石53四四 井壁中子孔隙度的响应方程井壁中子孔隙度的响应方程n对于原油,n对于原油,54补偿中子孔隙度测井补偿中子孔隙度测井 补偿中子测井:贴井壁的滑板上安装同位素源和远,近两个热中子探测器,用远、近探测器计数率的比值测量地层含氢指数。1.补偿原理
29、热中子易被核俘获,因此,热中子的空间分布不仅取决于地层的含氢量,还与含氯量有关,利用长短两个探测器分别记录两个计数率NL、NS,则其比值只与减速性质有关,只取决于含氢量。近探测器源距:3540cm(r1)远探测器源距:5060cm(r2)55 式中:Le、Lt分别对应快中子的减速长度和热中子的扩散长度。则:补偿中子孔隙度测井补偿中子孔隙度测井表明:当r1、r2一定后,Nt(r1)/Nt(r2)只取决于减速长度Le,即决定于岩石的含氢量,可将比值转化为含氢指数或CNL。56 2.仪器刻度 阿特拉斯在7.875纯石灰岩井中获得远近探测器计数率LS/SS与石灰岩孔隙度的转换关系。3.补偿中子孔隙度的环境校正 裸眼井图版 套管井图版 (1)井径校正 (2)泥饼校正 (3)泥浆密度校正,t;NN,白云岩:D;D150g/l 水层Jnr相对高,油层Jnr相对低,与电测资料结合,可划分油水过渡带。(4)在无孔隙度测井条件,可近似计算孔隙度 条件:低地层水矿化度和淡水泥浆 三三 应用应用68