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1、第九章 中子测井（Neutron logging）,中子测井,主要用于识别岩性，计算孔隙度、饱和度,利用中子源照射地层（向地层发射中子）,根据中子与地层的相互作用研究地层性质,主要测井方法有：中子孔隙度测井、中子伽马测井、 中子寿命测井、次生伽马能谱测井(C/O),1中子测井的核物理基础,一、中子和中子源,1.中子：静止质量为一个原子质量单位的中性微粒，半衰期为11.7分钟，由核反应产生。,高能中子： En 10MeV快中子： 10KeV 10MeV中能中子： 100eV 10KeV慢中子： 0.03eV 100eV,2.中子源：由核反应产生中子的装置，分为连续中子源和脉冲中子源,（1）连续中
2、子源（同位素中子源）：,镅-铍中子源：,（2）脉冲中子源（加速器中子源）,优点：强度高，发射单色中子，可人为控制,中子源强度：中子源单位时间内发射的中子数,二、中子与地层的作用,（一）快中子的非弹性散射,1、概念,2、非弹性散射（微观）截面,一个中子与单位面积上的一个靶核发生非弹性散射的几率，单位是巴，即10-24cm2,快中子被靶核吸收形成复核，再放出一个较慢的中子，而仍处于激发态的靶核一般发射光子后回到基态。中子的能量必须大于靶核的最低激发能级才能发生非弹性散射,3、中子非弹性散射的应用,一般用中子发生器产生的14MeV中子射入地层，在10-8-10-6秒内主要由非弹性散射产生射线，选择记
3、录具有某些特征能量值的射线强度，可测出相应核素的相对含量。,如：分别测量由C12和O16非弹散射产生的4.43MeV和6.13MeV的射线强度的 “碳氧比能谱测井” 用以区分油水层,（二）快中子对核的活化,快中子可以与某些核素发生核反应产生的新核是放射性核素（称为活化核），可发生衰变，产生 或 ,对测井有实用价值的活化核反应：,Al28半衰期为2.3min，发射光子能量为1.728MeV,对应于活化测井中的“硅测井”，用于识别岩性,Mg27半衰期为9.5min，发射两个光子，能量分别为0.84MeV和1.015MeV.,对应于活化测井中的“铝测井”，可求泥质含量。,活化伽马射线的强度很低且变化
4、较慢,（三）快中子的弹性散射及减速过程,1、快中子的弹性散射,是指中子与原子核发生碰撞前后，系统的总动能不变，中子所损失的能量全部转变为原子核的动能，而原子核仍处于基态。,中子发生器发射的14MeV的中子进入地层后，弹性散射一般发生在10-6-10-3s之间。而同位素中子源产生的中子能量较低，开始就以弹性散射为主。,一次弹性散射，中子可能的最大能量损失为：,A为靶核的质量数、E0为入射中子的初始能量,氢核，质量数A=1，中子与氢核发生正碰撞时，中子将失去的最大能量是全部动能,碳核, A=12，,中子与碳核发生正碰撞时，中子可能损失的最大能量是0.284 E0,中子与靶核每次弹性碰撞时，平均能量
5、损失为：,靶核质量数A越小，中子的能量损失越大,氢核A=1，中子与氢核弹性碰撞时失去能量最多（平均失去50%的能量），氢核对中子的减速能力最强。,这是中子测井测定地层含氢量及解决与含氢量有关的各种地质问题的依据。,1cm3物质的所有原子核微观弹性散射截面的总和,3、岩石的快中子减速时间和减速长度,在岩石中，快中子由初始能量E0 减速到能量为En=0.025eV的热中子所需的时间f称为减速时间，所移动的直线距离R 称为减速距离,2、岩石的宏观弹性散射截面 ,岩石对快中子的宏观减速能力主要由含氢量决定,中子在岩石中的减速长度定义为：,R,（四）热中子扩散和被俘获,快中子经过一系列碰撞后能量逐渐减小
6、，最终与原子共处于热平衡状态，不再减速，此时称为热中子,1、热中子的扩散：,热中子从中子密度大的区域向中子密度小的区域扩散，直至被介质的原子核俘获为止。,温度25时，标准热中子能量为0.025eV，速度为2.2105cm/s,2、辐射俘获核反应,靶核俘获一个热中子后成为激发态的复核，放出光子后回到基态，反应中放出的射线称为俘获射线,不同原子核放出的射线具有不同的特征能量。,测量地层中俘获伽马总强度中子伽马测井,测量特定能量的俘获伽马俘获伽马能谱测井,3、岩石的宏观俘获截面及热中子寿命,宏观俘获截面a：1cm3的介质中所有原子核微观俘获截面的和,地层中常见核素的宏观俘获截面：,Cl H C O
7、Mg Al Si Ca B31.6 0.329 0.0045 0.0016 0.46 0.215 0.13 0.43 710,氯的俘获截面比岩石中其它常见元素的俘获截面大得多,岩石中若含微量的硼，宏观俘获截面也会显著增大,热中子的寿命：中子从变为热中子的瞬间起，到被吸收的时刻止，所经过的平均时间。,当地层中含有高俘获截面的核素时， 就大大减小。高矿化度水层的 要比油层小得多，因此可以确定油水界面和区分油水层。,4、超热中子和热中子通量的空间分布,中子通量：每秒钟内通过1cm3岩石的中子数,中子探测器的计数率与中子通量成正比,超热中子的通量：,热中子的通量：,Le为快中子减速长度，Lt为热中子的
8、扩散长度,De、Dt为快中子和热中子的扩散系数,5、超热中子计数率与源距、孔隙度关系,对孔隙度灵敏度为零的 L 称为零源距大于零源距，称为正源距小于零源距，称为负源距,（1）L 较小时，孔隙度（含氢量）越高计数率越高,（2）L 较大时，孔隙度越高计数率越低,三、 中子的探测,利用以上反应产生的或p粒子使探测器的计数管气体电离形成电脉冲信号，或使探测器的闪烁体形成闪烁荧光产生电脉冲信号，记录中子,2 中子孔隙度测井,一、测量原理,2、用中子探测器探测热中子或超热中子的计数率,3、计数率的大小主要决定于地层的含氢量,4、在刻度井中将计数率转化成视石灰岩中子孔隙度,1、由中子源产生5MeV的快中子,
9、二、物质的含氢指数,1.含氢指数H定义：,2.含氢指数H的表达式：,1cm3物质中的氢核数与1cm3淡水中氢核数的比值,1cm3物质中的氢核数：,式中：M化合物的摩尔质量，g/mol; 体积密度， g/cm3； x 每个分子中的氢原子数； Na 阿佛加得罗常数； K 待定系数,含氢指数：,对于淡水：H=1，而x=2，M=18,因此含氢指数可由下式确定：,代入得：H=kNa2/18=1，所以：kNa,3.油气的含氢指数,油气的分子式：CHx 分子量：12+x 密度：h,对于石油（CnHnx): 密度00.25,如果0=0.85,H0=1.034,对于天然气（CH4)：,4.饱和淡水纯石灰岩的含氢
10、指数：,孔隙度既是含氢指数,中子测井仪在饱含淡水的纯石灰岩刻度井中将热中子或者超热中子计数率刻度为孔隙度，记为N，常称中子孔隙度（即含氢指数）,对饱含淡水的纯石灰岩： N = 对饱含淡水的纯砂岩： N ,5.与有效孔隙度无关的含氢指数,（1）泥质：因含束缚水和结晶水，因而有很高的含氢指数。大小由泥质孔隙体积和粘土矿物成分决定,（2）石膏：,（3）岩性影响：仪器以纯石灰岩为标准刻度时 石灰岩骨架： H = 0 砂岩骨架： H = -0.01 -0.05 白云岩骨架： H = 0.01 0.085,（4）气的影响（挖掘效应影响）,因中子测井的探测范围是冲洗带，所以当冲洗带有残余气时，对纯石灰岩，其
11、含氢指数为：,测井时会出现 ：,N SXO=XO,当Hh=0,即把含天然气的孔隙体积当作岩石骨架处理时N还小于XO，这说明天然气对快中子的减速能力比石灰岩骨架还差，所以显示为负的含氢指数，把天然气对中子测井的这种影响称为挖掘效应,N= V3 Hw= 3,N V3 Hw= 3,三、补偿（热中子）中子孔隙度测井(CNL),1.仪器,同位素中子源：产生5MeV快中子 近探测器（35 40cm） 远探测器（50 60cm）,中子孔隙度,记录孔隙度曲线（视石灰岩孔隙度单位）,2.计数率比值（克服吸收性质的影响）,在石灰岩刻度井中获得远近探测器计数率比值与中子孔隙度的转换关系，将计数率比值转换为中子孔隙度
12、。,因LtLe，当r足够大时，含有Lt的指数项与含有Le的指数项相比可忽略不计，上式近似为：,计数率N:,计数率比值:,r1远探测器源距,r2近探测器源距,Nt(r1)远探测器计数率,Nt(r2)近探测器计数率,Le介质的减速长度,Lt介质的扩散长度,分辨率：长源距,长源距（38cm）探测深度为40cm,短源距（26cm）探测深度为30cm,探测深度随孔隙度增大而减小,四、井壁（超热中子）中子孔隙度测井(SNP),中子探测器：记录超热中子计数率,2.源距与超热中子探测,同位素中子源:产生5MeV快中子,源距：一般在3045cm，正源距,探测超热中子原因：探测地层的含氢量时不受俘获特性的影响,探
13、测方法：在探测器外加热中子吸收剂（镉）做屏蔽，在屏蔽层与探测器之间加减速剂(石蜡等），将超热中子减速为热中子记录,3.仪器刻度,4.补偿中子与井壁中子孔隙度测井的比较,（1）都反应地层得含氢量，应用相同,（2）克服俘获影响,（3）CNL应用优于SNP：因为CNL对岩性分辨能力高于SNP。,SNP:采用记录超热中子,CNL:采用双源距补偿,五、中子伽马测测井,记录俘获伽马(中子伽马)计数率Nn-r,伽马探测器（源距60-65cm）：,2. Nn-r与源距、氢、氯含量的关系,（1）随L增大，Nn-r减少,（2）L=35cm,含氢不同，Nn-r基本相同，但与含氯量有关,（3）L35cm，含氢量增大，
14、Nn-r减少，正源距,（4）L一定，盐水的Nn-r淡水Nn-r,中子伽马测井选L=6065cm，含氢量增大，Nn-r减少；含氯量增大，Nn-r增大。,3.应用,（1）划分岩性,泥岩、泥灰岩，Nn-r低（含氢量高）,致密岩石Nn-r高,砂岩（孔隙性）：比泥岩高,（2）判断气层,气层，含氢量低，Nn-r高,（3）划分高矿化度水层,油层：视电阻率高，Nn-r相对较低水层：视电阻率低，SP负异常，Nn-r高,一、基本原理,脉冲中子源:产生14MeV快中子,一个或两个伽马探测器:,得到俘获伽马计数率,3 热中子寿命测井（NLL）,25摄氏度时,热中子速度v=2.2105cm/s,地层热中子寿命,地层热中
15、子宏观俘获截面,二、测量和的原理,1.热中子守恒定律,热中子密度随时间的变化率 为：,（1）产生率:快中子变成热中子之后热中子产生率,（2）泄漏率:进出某一体积内的热中子数的变化率,当选择适当源距时为零,发射一定时间后为零,（3）吸收率：每秒每立方厘米介质俘获的中子数,假设热中子以速度v（cm/s）运动，介质的宏观俘获截面为a,则：每秒内热中子被俘获的平均几率是va,中子密度（每立方厘米介质的中子数）为n，则吸收率应为：,（4）在泄漏率及产生率为零时,设t=0时,n=n0,则c=lnn0,（5）发射中子脉冲后，选择时刻t1和t2测量，此时热中子密度n1,n2为：,设俘获伽马计数率为N1,N2.
16、且N1n1,N2n2, 中子寿命,T 两次测量俘获伽马计数率的间隔时间,N1 门I时间测量的俘获伽马计数率,N2 门II时间测量的俘获伽马计数率,三、测量和的方法,1.固定门测量法,（1）中子脉冲宽度50s ，2500 s发射一次,（2）从发射中子脉冲开始至门I开始计数的时间称为基本延时，一经选定测量中不变，淡水泥浆400us；盐水泥浆200us,（3）门I，门II，门III，门IV宽度都是200us，IIII连续; IV延时2200us, 门IV相当于自然伽马,（4）用门I，门II分别与门IV之差计算和,1）中子脉冲的宽度和间隔固定，不适应地层中子寿命值的变化。,2）各门宽度相同，使计数率差
17、别大，误差大。,缺点：,2.比例因子测量法,将寿命测井的各个时间间隔取为的倍数。,(1)比例因子法时间分配,脉冲宽度:;基本延时:3;门I:;其它门:2;中子脉冲周期:10,2）计算和,门I,N1,门II,门III,N2,Nb,用(N1-0.5Nb)和(0.5N2-0.5Nb)代入计算,四、影响测量结果的因素,1.侵入影响,中子寿命测井的探测深度约为3550cm（从井轴算起）,裸眼井:基本反映冲洗带,套管井:刚固井时测，侵入带未消失，受侵入影响;侵入带消失，反映原状地层,2.层厚影响,分层能力与源距，测速及时间常数有关,h1m,和较准，用半幅点分层,h1m,受围岩影响,3.背景值影响,提高域值
18、，使大于2.2MeV伽马光子计数，降低自然伽马及活化伽马影响,五、应用（主要求含水饱和度）,1.响应方程及应用,(1)含水纯岩石,ma、w 岩石骨架及地层水的宏观俘获截面,NLL ,对完全含水的纯地层NLL,对地层水含盐量不高的油层NLL ,中子寿命资料按含水纯岩石计算的地层孔隙度,（2）含油气纯地层,h油气的宏观俘获截面,（3）含油气泥质岩石,Vsh泥质含量,sh泥岩的宏观俘获截面,2.确定常数的方法,（3）地层水的宏观俘获截面：,（1）岩石骨架的宏观俘获截面,（2）泥质的宏观俘获截面：取解释井段内纯泥岩的宏观俘获截面,c 地层水等效NaCl矿化度,（4）油气的0g,P 地层压力,T 地层温
19、度,rg天然气对空气的比重,一、基本原理,脉冲中子源:,发射14MeV的快中子脉冲,伽马能谱仪:,测量非弹性散射伽马及俘获伽马能谱数据，处理后得到碳氧比或硅钙比等曲线,优点：计算含水饱和度与孔隙度及矿化度无关,缺点：测速非常低，仪器昂贵。,4 次生伽马能谱测井,二、次生伽马能谱,1.碳的非弹性散射伽马能谱,右边第一峰：快中子与C12发生非弹性散射产生的4.43MeV的伽马光子形成的光电峰,左边第一峰：4.43MeV的伽马光子与探测器发生电子对效应引起的电子对峰，能量为4.43-1.02=3.41MeV（双逃逸峰）,中间的峰：正电子又与一个电子复合成两个伽马光子，由其中的一个伽马光子引起的光电效
20、应峰（单逃逸峰）能量=4.43-0.51=3.92MeV,三个峰总计数率与碳含量成正比,2.氧的非弹性散射伽马能谱,右边第一峰： 6.14MeV的光电峰,左边峰：双逃逸峰6.14-1.02=5.12MeV,中间峰：单逃逸峰6.14-0.51=5.63MeV,三个峰总计数率与氧含量成正比,非弹性散射伽马能谱图,俘获伽马能谱图,三、次生伽马能谱的测量,阿特拉斯公司（与自然伽马能谱类似）,对给定的核素开设能窗,还原数据处理,记录硅计数率曲线（俘获），硅钙计数率比值曲线（俘获），钙硅计数率比值（非弹性），碳氧比计数率比值（非弹性）,1.,2.斯伦贝谢公司（GST）,测量非弹性散射伽马及俘获伽马的仪器谱
21、,1）中子脉冲持续20us，隔100us 发射一次,2）发射中子期间（ 20us 内），记录伽马谱（包括非弹性伽马，俘获伽马，活化伽马）,3）在2040us内记录本底谱（俘获+活化），则：发射谱-本底谱=净的非弹性谱,4）然后在4084us 测量俘获伽马仪器谱,三、能谱数据处理,输出的各种比值曲线及其意义,四、应用,非弹性模式：13 25cm俘获模式： 20 30cm,探测深度：,1.COR曲线的解释（1）用能谱仪对已知岩性和孔隙度，完全含油和完全含水的岩样测量碳氧比，得其差值R（2）绘COR与孔隙度的交会图 骨架点与完全含水的资料点连线为水线 骨架点与完全含油的资料点连线为油线,当孔隙度小于
22、15%时，COR 求含水饱和度分辨力较差,（3）建立经验公式,如大庆油田对锗（锂）谱仪建的砂岩公式,2.定性解释,（1）铁含量比值IIR,全井段接近0,不含砂,是碳酸盐岩，硫含量:在4920ft开始升高，说明为硬石膏层,指示套管鞋的位置,（2）岩性,LIR= Si/ (Si+Ca),在右道曲线上:COR在4975ft开始升高,油水界面上移到4975ft。,用SIR=Cl/H及宏观俘获截面油田井筒的下部一般积满水,往上为油,同内有油水界面,在4991ft向上:SIR开始降低,宏观俘获界面也下降,为油水界面。,（3）井筒油水界面,（4）水淹情况,在49604970ft附近,COR明显降低,SIR升高,说明地层发生早期水淹,
