《地球物理测井方法》第九章中子测井课件

1、第九章 中子测井（Neutron logging）第1页，共82页。中子测井主要用于识别岩性，计算孔隙度、（套管井）饱和度利用中子源照射地层（向地层发射中子）用中子探测器或伽马探测器探测中子与地层的相互作用后的中子或伽马射线主要测井方法有：中子孔隙度测井、中子寿命测井、次生伽马能谱测井(C/O)、元素俘获谱测井（ECS)第2页，共82页。1 中子测井的核物理基础一、中子和中子源1.中子：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按能量可分：En1ev,超热中子En0.025

2、ev,热中子第3页，共82页。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）连续中子源（同位素中子源）：镅-铍中子源：5Mev特点:体积小,制备简单,连续发射中子,使用方便第4页，共82页。（2）脉冲中子源（加速器中子源，中子管）靶14Mev用直流高压加速到0.126Mev能量优点：强度高，发射单色中子，可人为控制（产生脉冲中子）中子源强度：中子源单位时间内发射的中子数缺点：寿命短，一般只有几百个小时第5页，共82页。核聚变（核能）较轻的原子核聚合成较重的原子核而释放能量最常见是氘和氚聚合成较重的氦，释放出能量理论上，只需公斤氘和公斤锂（通过锂可以得到氚）就可以保证聚变核

3、电站以兆瓦/天的功率发电。得到这么大的功率需要万吨煤通过电解海水，可以得到大量的氘；锂也要从海水里提取，但要比提取氘难度大第6页，共82页。2006年，中国、印度、日本、俄罗斯、韩国、美国和欧盟的代表在法国(反应堆地址所在国)签署国际热核聚变实验反应堆计划（）联合实施协定，总投资额为100亿欧元,欧盟承担50;预计35年创造可控制的产生聚变的物理条件：氘和氚的混合气体被加热到一亿度以上“托卡马克”型磁场约束法利用巨大环形超导磁场，对等离子体进行加热、约束第7页，共82页。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靶核发生非弹性散射的几

4、率，单位是靶恩，即10-24cm2（10-28m2) 快中子被靶核吸收,再放出一个较慢的中子, 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（随中子能量增大及靶核质量数的增大而增大）第8页，共82页。3、中子非弹性散射的应用 脉冲中子发生器产生的快中子射入地层，在10-8-10-6秒内主要发生非弹性散射,产生射线,选择记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” 用以区分油水层第9页，共82页。（二）快中子对核的活化快中子与某些稳

5、定核素发生核反应产生的新核是放射性核素（称为活化核）,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”，用于识别岩性第10页，共82页。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较慢第11页，共82页。（三）快中子的弹性散射及减速过程1、快中子的弹性散射 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 中子发生器发射的快中子进入地层后，

6、弹性散射一般发生在10-6-10-3s之间。第12页，共82页。一次弹性散射，中子可能的最大能量损失为：A：靶核的质量数、E0：入射中子的初始能量氢核，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第13页，共82页。中子与靶核每次弹性碰撞时，平均能量损失为：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），而与碳核碰撞时，每次碰撞平均损失14%的能量。氢核对中子的减速能力最强。第14页，共82页。2、快中子减速时间和减速长度减速时间:快中子

7、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减速距离:移动的直线距离R 第15页，共82页。岩石对快中子的减速能力主要由含氢量决定石英：Le=37cm方解石：Le=35cm淡水：Le=7.7cm中子的减速长度为：第16页，共82页。（四）热中子扩散和被俘获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。热中子:温度25时，能量为0.025eV，速度为2.2105cm/s第17页，共82页。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第18页，共82页。不同原子核俘

8、获热中子放出的俘获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H、Si、Cl、Ca、Fe第19页，共82页。3、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 Mg Al Si Ca B31.6 0.329 0.0045 0.0016 0.46 0.215 0.13 0.43 710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。第20页，共82页。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

9、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为热中子的扩散长度De、Dt为快中子和热中子的扩散系数第21页，共82页。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第22页，共82页。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，记录中子第23页，共82页。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

10、热中子,得到计数率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换成视石灰岩中子孔隙度1、由中子源产生5MeV的快中子第24页，共82页。二、物质的含氢指数H1.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：第25页，共82页。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：第26页，共82页。对于淡水：H=1，而x=2，M=18因此物质的含氢指数可由下式确定：代入得：H=kNa2/18=1，所以：kNa第27页，共82

11、页。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=0.85H0=1.034第28页，共82页。对于天然气（CH4)：第29页，共82页。4.饱和淡水纯石灰岩的含氢指数： 水骨架H单位体积纯石灰岩孔隙度既是含氢指数，对淡水石灰岩第30页，共82页。 中子测井仪在饱含淡水的纯石灰岩（孔隙度已知）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，常称中子孔隙度或视石灰岩中子孔隙度（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 第31页，共82页。5.与有效孔隙度无关的含氢指数（1）泥质：因含束缚水和

12、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：第32页，共82页。（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，其含氢指数为：第33页，共82页。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石灰岩骨架处理时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

13、应应该：N SXO(=XO)第34页，共82页。N= V3 Hw= 3V1（石灰岩）V2 （石灰岩）V3（水） V1( 石灰岩） V2(气)V3(水)N1m,和较准，用半幅点分层h1m,受围岩影响第54页，共82页。五、应用（主要在套管井求饱和度）响应方程(1)含水纯岩石ma、w 岩石骨架及地层水的宏观俘获截面适用条件：孔隙度中到高,泥质含量小,地层水矿化度高(大于50000ppm)的地层。第55页，共82页。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第56页，共82页。（2）含油气纯地层h油气的宏观俘获截面第57页，共82页。（3

14、）含油气泥质岩石Vsh泥质含量sh泥岩的宏观俘获截面第58页，共82页。硼中子寿命测井(BNLL)一.原理向地层挤注一定数量，一定浓度的硼酸溶液硼酸更容易渗透到地层孔隙内的水中一段时间后，地层孔隙中自由水含量高的地方，硼含量高注硼酸前后分别测热中子寿命硼的俘获截面非常大第59页，共82页。2.主要用途求生产井的剩余油饱和度水淹级别评价低矿化度地层求含水饱和度第60页，共82页。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：计算含水饱和度与矿化度无关缺点：测速非常低，仪器昂贵，探测深度浅4 次生伽马能谱测井

15、第61页，共82页。第62页，共82页。核素28Si40Ca12C16O非弹性散射伽马（Mev）1.783.734.436.13第63页，共82页。核素1H28Si35Cl40Ca56Fe俘获伽马(Mev)2.233.441.95 6.116.64 7.426.147.64第64页，共82页。BGO非弹性散射伽马能谱图（仪器谱）1. C 、O、Si、Ca的非弹性散射伽马能谱第65页，共82页。BGO俘获伽马能谱图（仪器谱）2. H、Si、Cl、Ca、Fe的非弹性散射伽马能谱第66页，共82页。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Si计数率

16、曲线（俘获），Si,Ca计数率比值曲线（俘获），Ca,Si计数率比值（非弹），C,O比计数率比值（非弹）1.第67页，共82页。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第68页，共82页。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第69页，共82页。三、能谱数据处理输出的各种比值曲线及其意义比值测量性质参数名称符号其它意义C/O非弹性射散射指示油气COR ,岩性Cl

17、/H俘获指示含盐量的比值SIRSW,Vsh, H/(Si+Ca)俘获指示孔隙度比值PIR岩性,VshFe/(Si+Ca)俘获指示铁含量比值IIRVsh ,岩性Si/ (Si+Ca)俘获及非弹性射散射指示岩性的比值LIRS/ (Si+Ca)俘获及非弹性射散射指示硬石膏含量的比值AIR 岩性第70页，共82页。四、c/o 应用非弹性模式：13 25cm俘获模式： 20 30cm探测深度：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 第71页，共8

18、2页。当孔隙度小于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）谱仪建的砂岩公式第72页，共82页。脉冲中子组合测井第73页，共82页。测量模式:1.C/O-2D模式:双探测器非弹性及俘获伽马谱测量,得到C/O,Si/Ca,Ca/Si2.PNC模式:俘获伽马时间和能量谱测量,得到宏观俘获截面3.PRISM模式:中子活化水流和示踪测量4.PNHI模式:测井眼流体持率第74页，共82页。元素俘获(ECS)测井简介1.仪器结构和测量原理:AmBe中子源,发射5Mev的中子锗酸铋 BGO闪烁晶体探测器(对高能的伽马光子探测效率高),记录非弹性散射伽马和俘获伽马能谱解非弹

19、性散射伽马谱,得到C,O,Si,Ca等元素的含量解俘获伽马谱,得到Si,Ca,S,Fe,Ti,Gd等元素的含量第75页，共82页。应用氧化物闭合模型技术得到矿物含量由各种元素的丰度或浓度得到粘土矿物,石英,长石,云母及菱铁矿,黄铁矿的含量地质依据：1、地壳上有100多种元素，但前9中元素质量占全部元素质量的98.13%,只要精确测量到这些元素的含量，就完全能去确定地层的矿物含量2、当矿物的化学成分稳定时，矿物中的元素的百分比基本保持不变第76页，共82页。2、地层对快中子的减速能力主要取决于地层的含 量，而对热中子的俘获能力取决于地层的含 量。当地层含天然气时，由于 效应的影响，使得测量的中子孔隙度比实际地层孔隙度偏 。 1、伽马射线与物质的作用有 、 和 ；其中，密度测井利用的是 效应。第77页，共82页。3、原子核衰变时能发射 ， 和 射线；其中 射线不易被物质吸收，是放射性测井的主要探测对象。 4、根据伽马射线与地层的 效应测定地层密度，同时利用 效应和 效应测定地层的 。5、康普顿散射是中等能量的