（无线电物理专业论文）pnn测井时间谱的多尺度分析及反演研究.pdf

摘要 p n n ( 脉冲中子一中子) 测井是通过远、近两个h e 3 计数管记录热中子时间谱，通 过获取地层宏观俘获截面来确定含水饱和度的套管井储层评价测并技术。本文旨在从 p n n 测井时间谱中提取出更多的储层信息，提高p n n 解释的精度，以期将p n n 测井资 料更好地用于地层评价。 针对p n n 测井时间谱，根据小波的多尺度分析理论，采用基于阈值收缩的多尺度 滤波方法，在最优小波基选取的基础上，讨论阈值的选取及阈值的量化处理，分别在纵 向和横向对热中子时间谱进行了滤波处理。滤波结果显示热中子计数随时间呈指数规律 衰减，满足时间谱后处理的需要。 编程实现了阻尼最小二乘法( l m 算法) ，通过对理想信号的单指数、双指数及多 指数反演对算法进行了验证，并分析了噪声、布点数对算法的影响。基于p n n 时间谱 由多个指数衰减叠加而成，采用阻尼最小二乘法对热中子时间谱进行多指数反演，得到 光滑连续的热中子寿命谱( f 谱) 。首先对模拟数据的热中子寿命谱进行了系统研究，分 析了地层水矿化度、孔隙度、饱和度以及源距的选取对热中子寿命本征值的影响，热中 子寿命谱的双峰分别反映井眼和地层对热中子的俘获能力，时间道的选取会影响热中子 寿命谱的峰值个数。然后研究了p n n 实测数据的热中子寿命谱，分析不同地层和不同 套管对寿命谱的影响，并且热中子时间谱可定性分辨油水层。这些探索为中子寿命测井 解释提供了一种新方法。 关键词：p n n 测井，热中子时间谱，多尺度分析，多指数反演，热中子寿命谱 i n v e s t i g a t i o no ft h em u l t i - s c a l ea n a l y s i sa n dm u l t i e x p o n e n t i a l i n v e r s i o na l g o r i t h mo fp n n l o g g i n gt i m es p e c t r u m x uj i n g ( r a d i op h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f g u a nj i t e n ga n dp r o f f a n gw e n j i n g a b s t r a c t p u l s e dn e u t r o n n e u t r o nl o g g i n gi sam e t h o dt h a tc a nd e t e r m i n ew a t e r s a t u r a t i o nb ym e a n s o ft h ef o r m a t i o nm a c r o s c o p i ca b s o r p t i o nc r o s ss e c t i o na c c o r d i n gt ot h e r m a ln e u t r o nt i m e s p e c t r u mb yu s i n gt w od i f f e r e n th e - 3n e u t r o nd e t e c t o r i no r d e rt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo f l o g g i n gd a t aa p p l i e dt ot h ee v a l u a t i o no fs t r a t a , t h em e a n so fe x t r a c t i n gt h ee s s e n t i a lf e a t u r e s o fs t r a t aa n de s t a b l i s h i n gt h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i p sb e t w e e np n n l o g g i n gd a t aa n dt h e s t r a t ai sa p p l i e di nt h i sp a p e r f r o mt h et h e o r yo fm u l t i s c a l ea n a l y s i so fw a v e l e t ，t h em u l t i - s c a l ea n a l y s i sb a s e do n t h r e s h o l ds h r i n ko fl o g g i n gc u r v ea r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yo nt h eb a s i so ft h eo p t i m u m w a v e l e tb a s es e l e c t e db ym e a n so fc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t t h es e l e c t i o na n dq u a n t i f i c a t i o no f t h r e s h o l ds h r i n ki sd i s c u s s e d t h ep n nl o g g i n gc u r v et h r o u g ht h em u l t i s c a l e a n a l y s i si s s t u d i e d t h ea n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h et h e r m a ln e u t r o nc o u n tr a t i oa t t e n u a t sa st i m eg o e so n t h ec o n c l u s i o ni ss a t i s f i e d 淅mt h ep o s tp r o c e s s i n go f t i m es p e c t r u m l e v e n b e r g m a r q u a r d ti si m p l e m e n t e db ym e a n so fp r o g r a m m i n g t h ea l g o r i t h mi s v e r i f i e d t h r o u g hs i n g l e - e x p o n e n t i a li n v e r s i o n ，d o u b l e e x p o n e n t i a li n v e r s i o na n dm u l t i 。e x p o n e n t i a li n v e r s i o n a n dt h ee f f e c t i o no fn o i s ea n dt h en u m b e ro fa r r a n g e m e n tp o i n t si s a n a l y z e d u s i n gad a m pl e a s t - s q u a r e si n v e r s i o na l g o r i t h m ，t h e r m a ln e u t r o nt i m es p e c t r u mc a n b ei n v e s e d a c c o r d i n gt om u l t i e x p o n e n t i a li n v e r s i o na l g o r i t h m ，t h es m o o t ha n ds u c e s s i v e t h e r m a ln e u t r o nl i f es p e c t r u m ( cs p e c t r u m ) i sd e v e l o p e d f i r s t l y , t h ets p e c t r u mi ss t u d i e db ys i m u l a t i o nd a t at oa n a l y z et h ee f f e c to ff o r m a t i o n w a t e rs a l i n i t y , p o r o s i t y , o i ls a t u r a t i o na n dd i s t a n c eo nt h ee i g e nv a l u eo ft h e r m a ln e u t r o nl i f e s i m u l a t i o n sr e s u l t ss h o wt h a tt h ed o u b l e - p e a ko fxs p e c t r u mr e v e a l st h ea b i l i t yo ft h ew e l l b o r e a n dt h ef o r m a t i o nt o c a p t u r et h e r m a ln e u t r o n ；a n dt h ea p p e a r a n c eo fs i n g l e - p e a ko r d o u b l e p e a kf o rts p e c t r u md e p e n d so nt h et i m ec h o s i n g t h er e s e a r c hs h o w st h a tt h e a p p l i c a t i o no fxs p e c t r u mt oa c t u a ll o g g i n gd a t am a yi d e n t i f yo i la n dw a t e rz o n e s e c o n d l y ，t h e 下s p e c t r u mi ss t u d i e db ya c t u a ll o g g i n gd a t a , t h ee f f e c to f s t r a t aa n dc a s e d w e l li sa n a l y z e d t h er e s e a r c hs h o w st h a tt h ea p p l i c a t i o no fzs p e c t r u mt oa c t u a ll o g g i n gd a t a m a yi d e n t i f yo i la n dw a t e rz o n e t h e r e f o r et h i sm e t h o dm a ya m e l i o r a t el o g g i n gi n t e r p r e t a t i o n o fn e u t r o nl i f ea n di m p r o v em a r k e tv a l u e b ym e a n so fu p p e rr e s e a r c h ，t h ets p e c t r u m 、i t hm o r el o g g i n gi n f o r m a t i o ni sr e c o g n i z e d c l e a r l y ，t h e nm o r et e c h n i c a ls u p p o gw i l lb ep r o v i d e df o rn e u t r o nl i f el o g g i n g k e yw o r d s ：p u l s e d n e u t r o n - n e u t r o n l o g g i n g ，t h e r m a l n e u t r o nt i m e s p e c t r u m ， m u l t i s c a l ea n a l y s i s ，m u l t i e x p o n e n t i a li n v e r s i o n ，t h e r m a ln e u t r o nl i f es p e c t r u m 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：刁年q 月) 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：卅年够月劣e t 日期：弘7 年争月节目 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究目的及意义 第1 章前言 中子寿命测井是在套管井中评价储层含油性的重要方法之一。传统的套管井储层评 价测井方法有中子寿命测井( t o t ) 和碳氧比( c o ) 能谱测井。中子寿命测井( t d t ) 要求矿 化度在1 0 0 0 0 0p p m 左右，在油田开发中后期，由于长期注水，储层的地层水矿化度普遍 偏低，一般在4 0 0 0p p m 至5 0 0 0p p m 左右。碳氧比( c o ) 能谱测井虽然不受地层水矿化度的 影响，但由于受井筒内流体影响严重，测井前必须洗井；仪器直径( 8 9m m ) 偏大，必须 起出油管才能测井；计数率低、统计误差偏大；只有当储层孔隙度大于2 0 的条件下才 能应用等问题在一定程度上限制了c o 能谱测井的应用。而h o t w e l l 公司推出的脉冲 中子一中子( p n n ) i 则井，直接测量高能脉冲中子发射后地层中热中子数量随时间的变化关 系，克服了上述测量方法中的不足，采用独特的测量方式，即通过特有的处理手段和解 释方法，在不洗井、不关井条件下成功地实现了过套管或油管的储层水淹状况分析，含 水饱和度、孔隙度求取，剩余油分布，以及储层内多种矿物含量定量求取等多重任务， 为油田的后期开发及剩余油开采提供了一种非常重要的监测手段。 传统的中子寿命测井方法是先记录脉冲中子激发的俘获伽马时间谱，再求出地层的 热中子宏观俘获截面或与它呈反比关系的热中子寿命，并把热中子寿命看成是地层单一 参数，由此计算出地层含水饱和度，最后用宏观俘获截面和含水饱和度曲线评价水淹等 级。这种以确定的单一参数为基础的简单方法，在评价测井所面对的复杂介质系统时必 然会遇到难以克服的困难。尤其当孔隙水的矿化度分布不稳定或低于5 0 酊时，即使只 要求定性区分仍有产油潜力的油层和完全水淹的地层，用现有方法得到的结论可信度也 很低。为挖掘中子寿命测井对套管井评价的潜力，研发一种新的数据处理和解释方法， 本文将热中子寿命看成是反映井眼一地层介质系统物理性质的一种尺度，将测得的时域 中的数据转换到寿命域，将连续变化的时间谱转换为连续的寿命谱，采用多尺度分析方 法对脉冲中子一中子测井数据进行处理和解释。p n n 测井仪器在每一个深度点采集的原 始数据是一组带有统计误差的时间道热中子计数，可构成一条影响因素较少的多指数衰 减曲线，适合本文研究的需要。文中采用的实测数据是用p n n 采集的，而数值模拟的 对象也是这一系统。 第1 章前言 1 2 国内外研究现状及分析 1 2 1p n n 测井的研究现状 目前许多公司利用脉冲中子技术推出了几种较为先进的套管井剩余油饱和度测井 技术仪器。它们有康普乐公司的脉冲中子衰减能谱测并仪p n d s ，斯伦贝谢公司的储层 饱和度测井仪r s t ，哈里伯顿公司的储层监测仪r m t ，贝克- 5 可特拉斯公司的脉冲中子 油藏动态监测器r p m ，另外就是h o t w e l l 公司的脉冲中子一中子测井仪p n n t 。p n n 测井技术，是利用动态监测资料寻找剩余油分布的新方法，它是奥地利h o t w e l l 公 司开发的一项测井新技术。该技术直接测量热中子的时间衰减谱，具有独特的技术优势， 在数据采集和处理方面均作了改进，可在更低的低矿化度和低孔隙度等地层条件测量， 应用效果好，拓展了脉冲中子测井技术的地质应用范引2 】。在美国的墨西哥湾地区、委 内瑞拉的马拉开波湖地区以及哥伦比亚、埃及、叙利亚、波兰、阿曼、克罗地亚、罗马 尼亚、阿塞拜疆等国家都曾应用p n n 技术提供的服务，并取得了较好的效果。特别在阿 塞拜疆，根据p n n 解释采取措施后，平均产量增长达到以前的1 0 倍【3 】。到2 0 0 8 年，p n n 测井技术已在美国、加拿大、墨西哥，委内瑞拉等1 6 个国家测试数百1 2 1 井【4 】。 在国内，大港油田进行了3 口井的阶斟测井试验，在不提供裸眼井测井资料的情况 下，运用该技术进行解释，其符合率较高 4 1 。奥地利h o t w e l l 公司为了推行p n n 技术， 2 0 0 3 年9 月在胜利油田胜利采油厂免费测了2 1 5 1 井。虽然解释工程师远在欧洲，不了解胜 利油田的具体地质情况，但其解释结果与实际试油结果非常吻合，这说明该技术比较适 用予胜利油田的地质状况。若在胜利油田应用，相信会带来巨大的经济效益和社会效益， 具有广阔的应用前景【3 】。2 0 0 4 年6 月，大港油田测试公司引进了国内第一套n 州测井技术。 至i j 2 0 0 7 年的8 月份，已经成功测试7 0 余井次，为油田的稳产、增产措施提供了重要的依 据，产生了良好的经济效益和社会效益【4 1 。 目前针对从国外引进p n n 测井仪器，对其中的一些基本原理、影响因素缺乏清晰的 认识，必须做深入细致的研究；而国外h o t w e l l 公司提供的一些数据参数是否能够得 到，也需要我们进行研究。 1 2 2 多尺度分析研究现状 2 0 世纪8 0 年代初g r o s s m a n 和m o r l e t 5 】首次提出小波的概念，给出了函数展开和 表示的新方法。随后，m a l l “6 1 提出了多分辨分析的理论，为正交小波基的构造提供了 标准的方法。在多分辨分析的基础上d a u b e c h i e s 7 】构造了具有紧支撑集的正交小波函数， 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 崔锦泰则构造了基于样条的双正交小波【8 】。为了增强小波变换的实用性，m a l l a t 【6 】提出 了塔式算法。该算法在小波变换中的地位相当于f o u r i e r 变换中的f f t 。至9 0 年代初， 经典小波理论已经建立起来并在各个领域广泛应用。 多分辨分析( m u l t i r e s o l u t i o n a n a l y s i s ，简写为m r a ) 是小波理论的核心。虽然有一 些特殊的小波不能和任何多分辨分析相对应，但是理论研究表明“好”的小波一定是由 多分辨分析生成的 9 1 。d a u b e c h i e s1 7 1 在多分辨率分析正交小波基的基础上进一步限制小 波基函数的紧支特性，构造出了正交紧支撑小波基。理论分析证明正交紧支撑且对称的 小波只有h a r r 小波【埘。为了构造具有紧支撑且对称的小波，只有放弃部分正交性要求， 由此诞生了双正交小波，在此基础上崔锦裂8 】给出了用样条函数构造双正交紧支撑对称 小波的方法。 国外，a n d r e a s 等】曾用小波的多尺度特性确定海相地层中的不整合面、层序旋回 界面等地质界面。g u a n 掣旺】总结了小波变换在石油工业中已取得的研究成果并预测了将 来的发展趋势。i s h as a h n i e t 等【9 】提出用多分辨率多尺度分析理论来对油藏描述进行改进。 国内，余厚全等【1 3 】利用小波变换的多分辨率特性对地震和测井信号进行了时频分析和处 理，结果表明，小波变换的多分辨率分析对于分析处理具有时变谱特性的非平稳信号十 分有效。许少华等【1 4 】通过对小波函数与尺度参数的恰当选择提出了多尺度分析在测井资 料高分辨率处理中的应用。焦翠华等5 j 提出零通小波分层法，它能够根据不同分层规模 的需要，选用不同的尺度对测井曲线进行分层，该方法具有很强的适应性和灵敏性，分 层效果好。阎辉等【l6 】针对多井对比中的层位识别问题，提出了利用自适应小波变换进行 地层自动划分方法，该方法可根据各个井测井信息的不同自动调整小波变换尺度参数。 付正文等【1 7 】研究了超声成像测井图像中的小波变换边缘的检测方法，该方法可以从不同 尺度下的边缘图像中检测出不同细节的地质特征。黄捍东等【18 1 明在多尺度小波分解理论 的基础上，提出利用速度剖面和测井曲线的多尺度小波分解结果反演储层厚度以及检测 酸岩盐裂缝分布。张学庆等【2 0 】应用小波分析提取出测井段的分频能量特征向量，并作为 神经网络的输入，实现了小波神经网络的测井分段油水解释。陈科贵等【2 1 1 利用多尺度分 析方法对s p 和g r 澳i i 井资料的小波系数对储层进行了划分。并应用于实际测井资料的处 理，取得了不错的效果。房文静、李霞等人【2 2 1 利用m o r l e t d , 波基对测井曲线进行连续小 波变换，研究了沉积旋回的多尺度特性，经实例证明此方法是可行的。周曲曼、章成广1 2 3 讨论了在声波信号处理中所使用的小波变换方法，以及用这种方法所实现的滤波功能， 证明了小波变换方法滤波的灵活性和在对声波信号进行重构和分解过程中的有效性。 第1 章前言 1 2 - 3 多指数反演算法的研究现状 多指数反演算法【2 4 j 是孔隙介质核磁共振( n m r ) 应用的基础。p m m m e r 、肖立志等 人1 2 5 j 分别应用奇异值分解( s v d ) 和非负最小二乘法o 附l s ) 等，实现了多指数反演处理。 基于奇异值分解法的m a p l i i ，是目前国际上广泛采用的t 2 谱反演算法。王忠东、翁爱 华等人分别从多重角度对多指数算法进行过讨论。2 0 0 3 年，王忠东 2 6 1 提出基于整体迭代 修正的核磁共振弛豫多指数反演算法。s i i 玎迭代算法是基于d i n e s 和l y t t l e 【2 7 】提出来的改 善代数重建a r t ( p d g e b r a i cr e c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e s ) 算法收敛性能技术的一种整体迭代 修正多指数反演算法。s i r t 和a r t ( a l g e b r a i cr e c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e s ) 是数据模型重建 过程中最经典的两种迭代重建算法。2 0 0 6 年，童茂松、李莉等人【2 8 1 采用阻尼最, b - 乘方 法，结合奇异值分解技术对泥质砂岩的激发极化衰减谱进行了多指数反演。 1 3 研究内容 ( 1 ) p n n 测井数据的多尺度滤波处理。 a 不同的小波变换具有不同的特点，同时分别包含不同的小波基，不同的小波基具有 不同的性质，因此，要根据实际应用择优选取合适的小波变换方法及小波基。 b 在最优小波基选取的基础上，对p n n 测井时间谱进行纵、横方向上的多尺度滤波， 研究噪声对p n n 测井信号的影响，做出滤波后热中子计数的色谱图，用于实际测井资 料的分析和研究。 ( 2 ) 多指数反演程序。 采用多指数反演算法，即l e v e v b e r g m a r q u a r d t ( l - m ) 法对模拟得到的热中子计数进 行反演，得到热中子寿命谱。分析布点数、数据点和噪声对热中子寿命谱的影响。 ( 3 ) p n n 模拟数据的热中子寿命谱。 以蒙特卡洛方法模拟得到的p n n 测井数据为基础，研究不同井眼、地层条件下的热 中子寿命谱。对反演得到的热中子寿命谱进行定性分析。 a 分析矿化度、孔隙度、饱和度对热中子寿命谱的影响。 b 分析源距对热中子寿命谱的影响。 ( 4 ) p n n 测井信号的热中子寿命谱。 对实际p n n 测井数据进行多指数反演，定性分析不同地层及不同套管对热中子寿 命谱的影响。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 4 研究技术路线 如图1 1 为课题研究的技术路线： 图1 - 1 课题研究的技术路线示意图 f i g l - it e c h n o l o g yr o a d m a po fs u b j e c ts t u d y 5 第2 章p n n 测井原理 第2 章p n n 测井原理 p n n ( p u l s e dn e u t r o n n e u t r o n ) 测井仪是脉冲中子一中子仪器的简称，它是通过远、近 两个h e 3 计数管探测热中子，由热中子的时间谱求出地层的宏观截面，进而求取含水饱 和度的新一代套管井储层评价测井技术。 p n n 测井基本原理f 2 9 1 是利用脉冲中子发生器向地层发射能量为1 4 1m e v 的快中子， 经过一系列的非弹性碰撞( 主要发生在中子后1 0 墙s 1 0 7 s ) 和弹性碰撞( 1 0 击s 1 0 。3s ) 过 程当中子能量与组成地层的原子处于热平衡状态时，中子不再减速，变为热中子此时 它的能量是0 0 2 5e v ，热中子在地层中扩散并与原子核发生俘获辐射核反应。孙测井 仪器利用长、短两个探测器记录从快中子束发射3 0 “s 后的1 8 0 0g s 时间内的6 0 道热中子 计数时间谱，根据各道记录的热中子数据可以有效地求取地层的宏观俘获截面及储层 的含氢指数。并能在低矿化度地层水条件下，分辨近井地带的油水分布，计算含油饱和 度，划分水淹级别，求取储层孔隙度，计算储层内泥质含量及主要矿物含量等。 2 1p n n 测井仪器 p n n 测井仪器【1 1 由下井仪器和地面仪器两部分组成。下井仪器主要包括4 个短节： 通信及套管接箍探测器( c c l ) ；自然伽马探测器( g r ) ；中子探测器：中子发生 器。地面仪器( 组合接口) 包括：供电系统；通信；深度编码器；采集控制 计算机。 2 1 1 中子发生器 中子发生器是一种小型的加速器中子源，能够产生能量为1 4 1m e v 的快中子。其 核反应过程为：d + 丁专；h e + 刀+ 1 7 6m e v ，核心部件为氚靶( 3 h ) 、氘( 2 h ) 离子源和 离子加速系统组成。 该中子管的中子发射的脉冲宽度为1 3 “s ，产额为1 8 1 0 8s 1 ；重复发射脉冲的时 间为7 5m s ，输出脉冲中子的频率可以为每秒钟1 0 到2 0 个脉冲。 2 1 2 热中子探测器 此探测器特别适合于探测超热中子，其核反应为：3 胁+ 刀一r + p ，探测 效率较高，在探测热中子时计算管的外面包一镉屏蔽层以滤掉热中子【3 0 l 。p n n 测井仪 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 中在距离探测器部分底部0 2 5m 和o 5 7m 处分别放置一个热中子探测器，来探测热中 子，通过获取不同源距处的热中子时间谱分析套管井中流体、孔隙度以及饱和度等信息。 2 2 快中子和地层的相互作用 能量为1 4 1m e v 的快中子进入地层，与地层的原子核发生非弹性散射、弹性散射、 原子核的活化以及热中子辐射俘获。这些作用所表现出来的一些特征可以用来预测地层 的特性3 1 1 。 2 2 1 非弹性散射 快中子先被地层原子核吸收形成复核，然后再放出一个能量较低的中子，靶核仍处 于激发态，常常通过发射y 射线的方式释放出激发能而回到基态。其反应式为： n + ：x 专a 芝x + n j _ 芝xj 乏x + y 式中，刀为快中子，x 为地层原子。不同的原子核发生非弹性散射的阈能不同，其中c 、 o 、s i 、c a 的阈能分别为4 8m e v 、6 5 1m e v 、1 8 4m e v 和3 8 4m e v ；因此快中子在 进入地层后和这些主要元素的原子核发生非弹性散射，同时发出伽马射线，发生时间很 短，一般发生在0 0 1 一o 1 s 时间间隔内【l 】o 在p n n 测井过程中，由于脉冲时间宽度很小，因此发生非弹性散射的时间很短。 2 2 2 弹性散射 中子与原子核发生碰撞后系统的总动能不变，中子所损失的能量全部转化为反冲核 的动能。快中子经过多次弹性散射后就会变成热中子，而地层对快中子减速起主要作用 的是氢原子核。 在p n n 测井中，快中子很快经过地层慢化变成热中子，但是不同源距的探测器探 测到的热中子计数主要决定于地层的减速能力，因此利用其自身数据可以确定地层孔隙 度，这是p n n 优于其它饱和度测井仪的地方所在。 2 2 3 辐射俘获核反应 原子核俘获一个热中子变为激发态的复核，然后复核通过放出y 光子而回到基态， 就是辐射俘获核反应，其反应式为： ：n + ：x 4 芑x + y 7 第2 章p n n 测井原理 不同的物质对热中子的俘获能力不同，常见矿物和流体的俘获截面如表2 1 所示。 表2 - 1常见矿物和流体的热中子宏观俘获截面 t a b l e 2 - 1t h ef o r m a t i o nm a c r o s c o p i ca b s o r p t i o nc r o s s s e c t i o no fc o m m o nm i n e r a la n dn u i d 矿物c u 矿物乏= c u 矿物，c u 石英 4 2 6 岩盐 7 5 3 油 1 6 2 2 方解石7 0 7铁1 9 3天然气5 1 6 白云石 4 7 硼9 9 4 0 5砂岩 8 1 0 硬石膏 1 2 5 镉 1 1 3 3 1 5 石灰岩 1 2 石膏1 8 4淡水2 2白云岩8 菱镁矿 1 4 4 盐水 3 0 1 3 0 泥岩 3 5 5 5 2 3 脉冲中子在地层中的时间分布 ( 1 ) 快中子在地层中的累积 设中子源每微秒射入地层s 个中子，在班时间内地层中子增量为s d t ，再经过时间 f ，这些快中子已有一部分慢化为热中子，剩下的快中子d n l 为 d n i ( ，) = s e 一却d t( 2 一1 ) 式中，3 , 1 = l r y , 才是快中子的慢化时间。 积分( 2 1 ) 式可得 n i ( ，) = s r l ( 1 一e - 2 t t ) = n l o ( 1 一p 一 。)( 2 2 ) 由上式可知：中子脉冲宽度t 增大，地层中快中子数将按指数规律增加，最终将 逼近其最大值s 刃；若源强和中子脉冲宽度不变，快中子慢化时间长的地层可积累较 多的快中子；含氢指数小的地层( 低孔或含气层) 快中子“活着”的多。 ( 2 ) 热中予在地层中的累积 热中子似d 在以时间地层中的增量为 d n 2 ( f ) = l ( t ) d t 一如n 2 ( t ) d t ( 2 3 ) 式中，2 2 = i r 2 ，勿为热中子寿命，在脉冲持续期内，( f ) 由( 2 - 2 ) 式确定。积分后得 2 ( ，) = s f 2 【( 1 一p 一如) 一_ i 二兰生_ ( p 一却一e - , h ) 】 ( 2 4 ) 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 由于， 丑如，增大时，( 2 - 4 ) 式可简化为 2 ( f ) = s r 2 ( 1 一e - a 一) = n 2 0 ( 1 一e - 2 2 t )( 2 5 ) 当中子脉冲宽度f 足够长时，使源中子注入量、快中子数和热中子数达到平衡，则有 s = l o = 如n 2 0( 2 - 6 ) 或 n 2 。= s r 2 = 拿i 。( ，) ；l 。= s r l( 2 7 ) 厶 由( 2 4 ) 式可看出：中子脉冲宽度t 增大，地层中快中子和热中子数都将按指数规 律增加，最终将分别逼近其最大值；热中子寿命长的地层( 低孔、低含氢指数、低矿 化度) 可积累较多的热中子，对脉冲中子中子测井有利：为保证热中子计数的统计 精度，中子脉冲宽度应等于或大于0 5 倍地层中子寿命勿。 ( 3 ) 热中子在地层中的衰减 若脉冲宽度为乃则脉冲结束时快中子数为 n l r = s r l ( 1 一p 一妒)( 2 8 ) 而热中子数为 2 7 = s f 2 ( 1 _ e - h r ) 一( p 唧一e 唧) 】 ( 2 9 ) 一如 其近似式为 2 r = s r 2 【( 1 一e - a , r ) ( 2 - l o ) 此后，热中子数将按下式衰减 2 ( r ) = 去【p _ 钆p 哪】+ n 2 砧 ( 2 _ 1 1 ) 其近似式为 2 ( f ) = n 27 e 一砧 ( 2 1 2 ) 2 4p n n 测井热中子时间谱 快中子经过井眼、地层很快慢化成热中子，然后热中子随时间按照指数规律衰减， 测井时测到的计数率主要包括两部分贡献：井内介质包括流体和套管对热中子衰减计 第2 章p ? c - n 测井原理 数的贡献n i ：地层部分对热中子衰减计数的贡献，。 图2 1 表示发射中子脉冲后热中子计数随时间的理论衰减曲线，没考虑统计降落。 总计数衰减曲线可分为三个区： a 区：在开始时热中子计数率低，然后很快增加到最大值，这段时间反映热中子的 慢化；然后热中子计数率开始按照指数规律衰减，井中介质对热中子的俘获起主要作用， 即井内流体和套管的作用，称作井眼区； 糌 籁 走 m 廿 瘊 ： 。 a b 1 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0 衰减时间仙 图2 - 1 热中子计数衰减曲线组成示意图 f i 9 2 - 1 t h ea t t e n u a t i o nc u r v eo ft h e r m a ln e u t r o nc o u n tr a t e b 区：地层的贡献逐步增加，而井的影响迅速降低，称为过渡区，这个过程是扩散 影响指示区；如果井眼和地层的宏观截面差别大，热中子扩散的方向在此区域发生逆转； c 区：热中子计数衰减曲线的斜率与地层计数，随时间指数变化的斜率相同，地 层的贡献占绝对优势，称为地层区。其衰减率主要决定于地层的热中子宏观俘获截面。 此段4 0 道计数的统计精度，对测井最终解释成果的可信度起决定性作用。 另外由于测量的是热中子，且聊州一次脉冲发射的时间间隔很长，达到7 5m s ，远 远大于地层的热中子寿命，因此不像其它测量伽马射线的寿命测井存在本底区，在计数 时间末端反映的仍然是地层的热中子衰减规律。 随着时间的不同，井眼和地层在整个计数中所占的贡献比在发生变化，开始阶段 主要是井眼阶段的贡献，通常情况下井眼部分的宏观截面大于地层的宏观截面，也就是 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 说井眼部分的介质对热中子的俘获能力强，因此总的热中子计数衰减主要反映井眼介质 对热中子的俘获，在确定井眼部分的宏观截面时可选择这一时间段；随着时间的推移， 式( 2 1 1 ) 中第一项很快变得很小，即井眼部分对热中子总计数的贡献变得很小，这时地 层对热中子的俘获起主要作用，总的计数衰减主要反映地层对热中子的俘获能力，因此 确定地层的宏观截面数据的起始点的选择显得尤为重要。 2 5 宏观俘获截面的计算方法 如图2 2 所示，是利用m c n p ( 蒙特卡洛模型) 模拟孔隙度为3 0 地层水是淡水的 砂岩地层短源距4 2 5g m 处3 0 - - - , 1 8 0 0 邮共6 0 道的热中子计数率值的对数。由热中子时 间谱的计数采用各自相应的时间间隔，并且计数点在谱线上滑动求平均的方法得到宏观 俘获截面。一般选取3 6 个计数点，即时间间隔为1 0 8 0 微秒，把数据分成6 组，每组6 个点的计数分别表示为n 。，n 。，n ：，n 3 ，n 。，n ，利用公式： 铸 籁 太 ，一t 2 一f l f2 l 一 1nn1 1nn2 0 2 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 01 8 0 0 时间蜩 ( 2 1 3 ) 图2 - 2 热中子时间谱图与宏观截面计算方法 f i g2 - 2 t h e r m a ln e u t r o nt i m es p e c t r aa n dm a c r o s c o p i cc r o s ss e c t i o nc o m p u t i n gm e t h o d 实际计算取作： 铲三喜最=903 i ni nn j3 瓦 ( 2 - 1 4 )。 智j 一 + 3n f + 3 、7 第2 章p n n 测井原理 每组求得的宏观俘获截面为： 牛等，则= 吉喜， 2 5 1 地层本征值 地层本征值只与地层本身的热中子俘获特性有关，而与扩散过程和井眼影响无关。 只有本征值对纯地层才有下述关系： = 研( 1 一伊) + w s w c p + z | i l ( 1 一s w ) 缈 ( 2 1 6 ) s 。：生掣掣( 2 - 1 7 r ) 沁2 i 萨 式中，、，、。和。分别为地层、骨架、孔隙水和烃类的热中子宏观俘获截面，q 为孔隙度，s 。为含水饱和度。 当式中：矿化度c 。= 5 0k p p m ，s 。= 0 4 ，。2 2 2 + 0 4x5 0 = 4 4 2c u ，。= 7 e u ， = 2 2c u ，缈= o 3 时，= 1 4 2 c u 。 显然地层本征值与地层本身的骨架、孔隙度、水型以及油水分布有关，为了研究 这些因素对本征值的影响，建立均匀介质模型，分别改变地层水的矿化度、孔隙度、水 型和岩性，记录相应的热中子时间谱，研究岩性参数、孔隙度、孔隙流体类型和水型对 地层的影响。 2 5 2 流体的宏观截面 不同流体对热中子的俘获衰减不同，俘获截面也不同，为了研究油和不同矿化度水 的热中子俘获特性，分别采用从理论上计算和应用蒙特卡罗模拟的方法研究热中时间 谱，从而计算流体的宏观俘获截面。 2 5 3 不同元素以及流体的计算值 根据理论数据，列出几种主要元素的吸收截面，并由物质质量的组成转化出典型的 流体的宏观截面，其中油的分子式采用c 。h 2 n + 2 ，密度分别采用o 8 7g c m 3 和0 8g c m 3 ， 由表2 2 中数据可以看出，一般情况下油的宏观截面大于2 2c u ，这主要是由油的化学 组成决定的。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表2 2 主要元素和流体对热中子的吸收截面 t a b l e 2 - 2t h em a j o re l e m e n t sa n df l u i d sa b s o r p t i o nc r o s ss e c t i o nt ot h e r m a ln e u t r o n 元素符号 y _ , c m 2 g - i 元素符号 龇m 2 g - 1 流体 z e u ho 1 9 8a l0 0 0 5 1 3油( 0 8 7 )2 5 6 9 l i6 1s i0 0 0 3 4 油( 0 8 ) 2 2 7 4 5 b4 2 3s0 0 0 9 8清水2 2 0 c0 1 7 1 0 - 3c l0 5 6 4 0 0 0 p p m 水 2 3 3 8 o1 0 2 x 1 0 。5k0 0 3 27 0 0 0 p p m 水2 4 4 2 n a0 0 1 3 9c a0 0 0 6 51 0 0 0 0 p p m 水2 5 4 5 m g o 0 0 1 6f e0 0 2 7 5 1 5 0 0 0 p p m 水 2 7 2 0 由以上内容，可以总结出p n n 测井仪的潜力有以下三点： 1 、目前使用p n n ，主要是利用长短源距处的热中子时间谱确定地层的宏观截面以 及补偿中子孔隙度，处理方法还有较大的潜力，可以根据时间谱的计数曲线重叠确定泥 质含量、天然气的探测；利用孔隙度重叠识别流体和饱和度； 2 、在低孔隙度、低矿化度条件下测量效果不好，可以采用测一注测方法确定饱和度； 3 、热中子时间谱是全谱，计数逐道采集、存储，这为数据再处理提供了多种可能。 地层是测量的主要物理参数，而地层性质和井眼条件不同时，在时间谱中能正确反映 这一参数的谱段的起始点和终点是变化的。应根据时间谱衰减率的实际变化，变更时间 门的起止道址，滑动或分段求出变化的s i g m a 值，进行适当组合以用于不同目的。 脉冲中子一中子( p n n ) 测井克服了传统中子寿命的缺点，有效地实现了过套管或 油管的储层监测：结合常规裸眼井测井资料，能够更加有效、准确地实现储层参数；采 用直接测量储层热中子的方式计算储层参数，克服了由于延迟伽玛和本底伽玛的影响； 由于受矿化度的影响小，使得该套方法具有广泛的实用性。 第3 章多尺度分析理论 第3 章多尺度分析理论 小波变换1 3 2 , 3 3 1 是处理非平稳信号的有效方法之一，是经典傅立叶分析的重大突破， 它克服了傅立叶变换单一频域化分析的缺点，能够有效实现信号时一频域局部化分析。 多尺度分析方法是s m a l l a t 和y m e y e r 3 4 】在1 9 8 8 年提出的，它可将在此之前所有正交基的 构造统一起来，使小波理论产生突破性进展。同时，在多尺度分析理论的基