第八章 中子测井

.,利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。,第九章中子测井,.,第九章中子测井,第一节中子测井的核物理基础第二节超热中子测井第三节补偿中子孔隙度测井第四节中子伽马测井,.,一、中子和中子源,1.中子中子：原子核中不带电的中性微小粒子，它与质子以很强的核力结合在一起，形成稳定的原子核。中子分类：根据中子的能量可将中子分为：快中子：能量大于0.5Mev；中能中子：1kev0.5Mev之间；慢中子：01Kev之间；其中0.210eV中子为超热中子；能量等于0.025eV的中子为热中子。,第一节中子测井的核物理基础,.,2.中子源中子源：能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。测井用的中子源有两类：同位素中子源（连续，产生快中子）：,加速器中子源（脉冲，产生高能中子）：,平均能量为5MeV,第一节中子测井的核物理基础,.,二、中子和物质的作用,高能快中子+靶核=激发态复核=能量较低中子+非弹性散射伽马射线=基态靶核,1.快中子的非弹性散射,特点：将入射中子靶核作为一个系统，碰撞前后能量(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。,能量大于14MeV的中子发生非弹性散射的几率较大，而能量放射性原子核=活化核衰变+活化伽马射线,第一节中子测井的核物理基础,.,3、快中子的弹性散射（1）快中子的弹性散射中等能量的快中子与靶核碰撞，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，从开始就基本上以弹性散射为主，多次弹性散射后，变为热中子。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。,快中子+稳定靶核=能量较低的中子+反冲核=热中子+基态靶核,第一节中子测井的核物理基础,.,弹性碰撞能量损失：与靶核的A，入射中子能量E。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=180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：,对氢核来说，A=1，a=0，Emax=E0，E=1/2E0，而对碳核，A=12，a=0.716，Emax=0.284E0，E=0.142E0。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。,第一节中子测井的核物理基础,.,散射截面：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；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-1结论：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，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)。用中子测井估算孔隙度的物理基础。,2Mev中子弹性散射的特点,第一节中子测井的核物理基础,.,减速能力大小可用减速时间和减速距离表示。减速时间：快中子从初始能量减速为热中子能量所需时间；减速距离Ls：在减速时间内，中子移动的直线距离Rd。Ls=SQRT(Rd2/6)基本规律：散射截面越大，散射能量损失越大，减速能力越强，减速时间越短，减速距离Ls越小。,第一节中子测井的核物理基础,.,4.热中子扩散和俘获(1)热中子的扩散形成热中子后，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。,热中子从密度大的区域向外扩散=被原子核俘获（复核）=俘获伽马射线+基态靶核,第一节中子测井的核物理基础,.,(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；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。常见元素中：,几种核素的微观俘获截面,结论：氯元素的俘获截面最大。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）另外：硼的a=710b，即使含量微小，也对测井将会有很大影响。,第一节中子测井的核物理基础,.,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，它和宏观俘获截面的关系为：,v为热中子的移动速度。,第一节中子测井的核物理基础,扩散距离Rt：从产生热中子到其被俘获吸收为止，热中子移动的直线距离。扩散长度Ld：=Ls=SQRT(Rt2/6),结论：俘获截面越大，俘获吸收能力越强，扩散长度越短，热中子寿命约小。,.,三、中子探测器,测量对象：经中子与地层中核素发生弹性散射生成的热中子、超热中子。探测方法：超热中子、热中子与探测器物质的原子核发生反应=放出电离能力很强的带电离子=探测器内形成脉冲电流或闪烁荧光，产生电压负脉冲探测器类型：硼、锂、氦、锗热中子探测器：超热中子探测器：外层加有镉，吸收掉热中子；内层加有石蜡，把超热中子减速为热中子，增大对超热中子的计数率。,第一节中子测井的核物理基础,.,第二节超热中子测井,一、超热中子测井的基本原理二、决定超热（热）中子计数率的因素三、井壁中子孔隙度环境校正四、井壁中子孔隙度的响应方程,.,一、超热中子测井的基本原理,中子源快中子=弹性散射=超热中子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，而逐渐损失能量，降低温度，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，求取孔隙度的测井方法。,.,二、决定超热（热）中子计数率的因素,1.岩性的影响快中子的减速过程，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，由下图可知，不同岩性的地层，快中子的减速长度不同。,相同孔隙度条件下：砂岩的减速能力最差，白云岩的最好。,第二节超热中子测井,.,2.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，氢主要存在于孔隙流体中，因此，孔隙度增大，减速能力增强。,相同岩性条件下：孔隙度越高，减速能力越强。,有更多快中子变为慢中子,第二节超热中子测井,.,3.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：孔隙度越大，减速长度越小，则在源附近的超热中子越多；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，有：探测器离源较远：孔隙度越大，计数率越低，对应长源距；探测器离源较近：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。,第二节超热中子测井,.,4、地层的含氢指数氢是地层中最主要的减速剂。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，将淡水含氢指数定义为1，而任何其他物质的含氢指数将与其单位体积内的氢核数成正比。,第二节超热中子测井,即：,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，解得K=9,.,(1)饱和淡水纯石灰岩的含氢指数孔隙度为的石灰岩，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。,第二节超热中子测井,.,饱和淡水地层：砂岩：N；石灰岩：N=；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)，这种差别是岩性对中子测井的影响，也是识别岩性的依据。,N,第二节超热中子测井,.,(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：,对以CH4为主的天然气（g0.25），上式近似为Hg=2.2g,第二节超热中子测井,.,对以CnHnx为主的石油，根据原油化学分析有：x=4-2.5g则：,如o=0.85g/cm3，Ho=1.034。,第二节超热中子测井,.,(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%。,第二节超热中子测井,.,(4)挖掘效应冲洗带有残余油气的纯石灰岩，有：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。假设Hh=0，则：n=xo，而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NLd当r较大，分子分母的后一项可忽略。,第三节补偿中子测井,.,第三节补偿中子测井,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（1）井径校正（2）泥饼校正（3）泥浆密度校正（4）矿化度校正（5）温度压力校正,.,五、超热(补偿)中子测井应用1)确定地层孔隙度(1)石灰岩地层：直接反映地层孔隙度(2)其他岩性地层：需要进行岩性校正(3)气层：“挖掘效应”校正,.,2)交会图确定孔隙度和岩性,.,3)中子密度(石灰岩孔隙度)重叠法划分岩性,.,4)估算油气密度,已知含油饱和度，可用来求油气密度。,气层,.,5)定性指示高孔隙性气层,注意岩性的影响。,.,FDC与CNL石灰岩孔隙度曲线重叠定性判断气层天然气使FDC测井计算孔隙度增大，而使CNL测井计算孔隙度偏小。故二者在气层上有一定的幅度差，而且DN。右图是FDC与CNL的实测石灰岩孔隙度曲线重叠图。图中在三个深度上明显显示出含气层。,.,一、原理二、决定Jn的因素三、应用,第四节中子伽马测井,.,一、原理,同位素中子源发射快中子照射地层(经减速、俘获)辐射俘获射线伽马探测器记录俘获伽马射线强度记录计数率。不同地层，计数率不同，得出一条随深度变化的中子伽马计数率Nn-r曲线。,第四节中子伽马测井,.,(1)中子伽马计数率与源距关系关系同前面热中子计数率与源距关系，但零源距约为35cm，测井常用源距4565cm。在长源距条件下：致密岩石，减速长度增加，热中子密度大，俘获后生成Nn-r增加；气层含氢指数小，减速长度增加，热中子密度大，俘获后生成Nn-r增加。,二、决定Nn-r的因素,第四节中子伽马测井,.,(2)地层中子伽马计数率Nn-r与地层含氢量有关，也与地层含氯量有关(俘获截面很大，且放出的伽马光子也比氢多约3.1个)。高矿化度水层的Nn-r很高；致密层，气层Nn-r高，泥岩层Nn-r很低；可以用Nn-