第10章脉冲中子测井

1、第十章 脉冲中子测井 第九章讲了中子测井，希望同学们掌握中子与地层相互作用，即中子测井的核物理基础；掌握中子孔隙度测井的有关内容，即超热中子测井和热中子测井，希望大家着重弄清楚补偿中子孔隙度测井及其应用。脉冲中子测井主要内容: 脉冲中子测井：所谓脉冲中子指的是中子源每隔一定时间发射一定宽度的中子，照射地层，通过研究中子与地层的相互作用，以研究地层性质。 脉冲中子测井的主要内容 1 中子寿命测井 2 非弹性散射伽马能谱测井 3中子活化测井§1 中子寿命测井（NLL）一、中子寿命测井 中子寿命测井（neutron lifetime log, NLL）也叫热中子衰减时间测井(Thermal

2、 Decay Time Log)，是最早投入使用的一种脉冲中子测井。测井时，利用脉冲中子源发射高能快中子（14Mev），脉冲照射地层，用伽马探测器探测经地层慢化产生的热中子被俘获放出的伽马射线，根据计数率随时间的衰减，进而计算热中子寿命和地层的热中子的宏观俘获截面，从而研究地层性质（特别是含油性）的一种测井方法。（？）在地层中，宏观俘获截面和热中子寿命主要与氯的含量有关，与地层水矿化度有关。二、热中子寿命与地层对热中子宏观俘获截面的关系 1、热中子寿命热中子寿命，是指热中子从产生的瞬间起到被俘获的时刻所经历的平均时间。计算时，它等于热中子中的63.2%被俘获所经过的时间： 当,2、宏观俘获截面

3、单位体积介质中所有原子核的微观俘获截面之和，单位，一般定义一个基本的宏观俘获截面单位为，称作俘获单位并记作c.u.。3、与的关系表示地层的热中子寿命，单位us；表示地层对热中子的宏观俘获截面，单位cm-1； 其中A为某一待定的常数，为热中子速度。也就是说，热中子寿命与地层对热中子的宏观俘获截面成反比关系，即地层的宏观俘获截面越大，热中子寿命越小。4、岩石的热中子寿命和宏观俘获截面常见岩石的主要矿物的俘获截面都很小，热中子寿命都很长，而孔隙流体的热中子俘获截面比大部分骨架矿物的大很多，因此，受到孔隙度的影响。(硼、汞等宏观俘获截面特别大，因此，微量的硼、汞就能使增大，目前的硼中子测井就是利用了硼

4、的这种性质。）三、中子寿命测井的基本原理 中子从其产生，经过和地层原子核发生非弹性散射，弹性散射，逐渐减速为热中子，热中子被俘获产生俘获伽马射线。1. 热中子寿命（） 热中子从其产生到它被吸收为止经历的平均时间指的是统计概念，即热中子从其产生到被吸收经历的时间有长、有短，我们讲的是一种平均值。 2. 热中子的空间分布 热中子产生后，它在地层中发生扩散，地层中某点的热中子密度按指数规律随时间衰减： （1）式中： 衰减开始时的热中子密度；经过时间T的热中子密度；岩石的热中子寿命； 3. 热中子寿命的测量原理 任何时刻存在的俘获伽马射线的强度与仪器周围中子密度成正比。因此刻度后，我们记录（测量）俘获

5、伽马射线强度，可以求得（计算出）热中子的寿命（或地层宏观俘获截面 ）。 T1时刻：探测器记录的俘获伽马射线的计数率； （2） T2时刻：探测器记录的俘获伽马射线的计数率； （3） 将(2)式除以(3)式得: （）由（）式，对两边取对数得：（自然对数） 4. 用常用对数换算自然对数得： （）也就是说，如果分别在T1,T2时间段内记录俘获伽马射线的计数率，则可以通过（）式刻度成热中子寿命，由热中子寿命与地层对热中子宏观俘获截面的关系，同样可以计算得到。 5. 中子寿命测井地质意义（与地层性质的关系来研究地层） 热中子寿命与物质的宏观俘获截面有关，即地层介质的宏观俘获截面越大，则热中子寿命越短，地层

6、介质的宏观俘获截面是指岩石中各个核素的微观俘获截面的总和。 在沉积岩中，氢核素的微观俘获截面比其他核素的微观俘获截面大得多。见（P149,表9-2），也就是说岩石的宏观俘获截面主要取决于地层中氯的含量，或说取决于地层水的矿化度。 问题： 如果当地层水矿化度较高时，即氯的含量相对较高时，那么对于水层和油层来说，水层的宏观俘获截面要大于油层，而热中子寿命则小于油层。（对否？）根据热中子寿命测量的性质研制出热中子寿命测井。（利用中子寿命来研究地层的性质）四、中子寿命测井的应用1. 划分油水层 矿化度较高的水层有比油层大的俘获截面（或较小的热中子寿命）。2. 观察油水或气水界面的变化 油层在采油过程中

7、含水饱和度不断变化，油水界面向上移动 ，利用不同时间测量的宏观俘获截面或中子寿命，则可以了解油水或气水界面变化情况。 看图10-2，P160。TDT1完井后不久测量的，为实线； TDT2投产三年后未停产测得的，长虚线； TDT3投产三年后又停产四个月测得的，为小点线。 4. 求孔隙度 对于不含油气的纯地层来说，地层的宏观俘获截面为：其中：为地层的宏观俘获截面（测井所得到）；岩石的骨架参数；岩石的流体参数； 则： 5. 求含水饱和度 (1) 如果已知，则对含油气纯地层来说：其中： 油气的宏观俘获截面；整理得：式中： 岩石的宏观俘获截面；水的宏观俘获截面；孔隙度 （上述值均可查表求得） (2) 含

8、泥质地层中：，分别为泥质的体积含量和宏观俘获截面。§10-2 非弹性散射伽马能谱测井一非弹性散射伽马能谱测井 利用脉冲中子源向地层发射14 Mev的高能快中子，测量这些快中子与地层物质的核素发生非弹性散射放出的伽马射线的能谱的一种测井方法。二非弹性散射伽马能谱测井基本原理 快中子与地层中不同核素发生非弹性散射放出的伽马射线能量是不同的，因此，只要对不同能量的伽马射线分别加以记录就可以确定地层中存在某种核素和它们各自的浓度。 我们知道，中子打入地层，先要进行非弹性散射，而后才能发生弹性散射，最后被地层俘获，这也是中子在地层中所经历的三个过程。因此，如果限定一定的时间，我们是可以测量非弹

9、性散射伽马能谱的。三非弹性散射伽马能谱测井的应用 岩石内常见的核素中，C12和O16都具有较大的快中子非弹性散射截面，并且产生的非弹性散射伽马射线均具有较高的能量。我们可以通过记录 C12和O16的非弹性散射伽马射线的强度确定C、O含量，而C12和O16又是油、气、水很好的指示元素，因此，利用非弹性散射伽马能谱测井发展了能谱测井。也就由来确定储层的含油饱和度。下面介绍了非弹性散射伽马能谱测井的主要应用： 1确定含油饱和度 一般根据和含油饱和度的关系曲线来确定，见图（10-4），P162。给定可由其它孔隙度测井资料得到；对应对应一个 2利用测井曲线划分水淹层 利用在油、水层的差别可知，如果油层被

10、水淹，则对于水淹层下降，这也是划分水淹层的依据。见图10-6，P163 A、B层的曲线幅度明显低于它们中间油层的幅度，说明A、B被水淹。3. 以定性指示岩性 假如记录、的非弹性散射伽马能谱，则可得到比。 砂岩的主要成分 石灰岩的主要成分 因此，可由比划分岩性。3. 确定孔隙度指数和泥质指数 用所记录的氢、钙、硅以及铁的俘获伽马射线的计数率，计算孔隙度指数和泥质指数。 孔隙度指数=§10-3 中子活化测井一中子活化测井的基本原理 1. 活化的概念 用脉冲中子源向地层发射14Mev的快中子，中子使地层中的某些稳定的核素转化成放射性核素核被活化。 2. 活化伽马射线 活化核不稳定，且一般半衰期较短，活化核衰变放出活化伽马射线。注意：不同核衰变产生的射线的特征能量是不同的。因此，记录不同能量的活化射线，可以用来识别地层中存在的核素及浓度。二活化测井的几种类型 1硅测井 利用高能快中子使储层骨架中的硅活化,放出活化伽马射线,并测量其强度值。（1.782）活化核反应式：2铝测井 快中子引起铝核活化，放出能量为1.015和0.84的活化伽马射线。活化核反应式：三中子活化测井的应用 1利用硅