第七章脉冲中子能谱测井

1第七章脉冲中子能谱测井由脉冲中子发生器产生的高能中子进入地层后，与地层中的原子核发生非弹性散射、弹性散射、辐射俘获等核反应，产生超热中子、热中子和各种次生γ射线。脉冲中子能谱测井就是通过测量和分析这些射线场的时间和空间分布，来确定地层的岩性、孔隙度、流体饱和度及油田开发动态测试。通常有两种脉冲中子能谱测井方法可以完成过套管进行储层评价和饱和度监测。一种是测量热中子衰减时间，即中子寿命测井。一种是测量非弹性散射γ能谱来确定地层中C和O的相对含量，即C/O能谱测井。其中，C/O测井方法的研究始于20世纪50年代，十多年后，出现了第一代C/O测井仪器（Tittman，Nelligan，Culver等人），但此时所用的中子源不是脉冲中子源。20世纪60年代首先出现了脉冲中子寿命测井仪（Youmans等人），并应用于石油行业。1970年，由Culver等人把中子寿命测井仪器的脉冲中子发射系统应用于C/O仪器，并成功投入现场实践。在这以后，由于生产上的需要，脉冲中子测井技术进入了快速发展期。各大石油公司都相继推出了各自的脉冲中子测井仪器。哈里伯顿公司1982年推出了多门热中子衰减时间测井仪TMD（直径43mm）。1990年推出大直径的脉冲能谱γ测井仪PSGT，采用先进探头设计和资料处理，使得C/O仪器在较大的孔隙度范围内及不同的井眼条件下能取得准确的含油饱和度。1994年推出的TMDL是在原有TMD技术的基础上，增加了远程探测器进行能谱测量的能力，这些能谱数据能够提供岩性信息，其本底测量的数据可用于氧活化水流速度测量。但是，中子寿命测井只有在高化度环境才能取得很好的结果，当低矿化度地层或未知地层矿化度的情况下，中子寿命测井资料无法进行解释；而这时C/O能谱测井却能取得可靠的结果。如果把这两种脉冲中子能谱测井方法相结合，将会取得很好的效果，还可以获得一些其它方面的有用信息。另一方面，为了满足大直径仪器测井施工的要求，通常需要关井和拔出生产油管，这限制了大直径脉冲中子仪器的应用。于是，哈里伯顿公司1998年推出的新型脉冲中子能谱测井仪器RMT。这种新型仪器是以C/O能谱测井仪PSGT为基础，结合中子寿命测井方法TMDL，并兼顾过油管测量的需求，是一种小直径、多功能的油藏监测仪器。该仪器除了提供大直径脉冲中子能谱测井仪所能提供的所有信息外，还可以提供一种主要反映井眼流体类型的C/O测量值（指示井眼的持油率）。2第一节脉冲中子能谱测井的物理基础由脉冲中子发生器产生的14.1MeV的高能快中子射入地层后，首先与地层物质的原子核发生非弹性散射，这个过程几乎是立即发生的（大约是10-8~10-7s）。在受激发的原子核向基态跃迁时，发射非弹性散射γ射线。接着发生的过程是弹性散射。在地层中经过10-6~10-3s的弹性散射之后，几乎所有的快中子都被慢化成热中子，并不断地被周围的原子核俘获，释放出俘获γ射线。最后发出的是在活化反应过程中生成的活化核衰变而产生的活化γ射线。图7-1是快中子轰击原子核时产生γ射线的时间框架图。由于这三种γ射线之间有一定的时间延迟，因此，可以从时间上将这几种不同核反应过程中所产生的γ射线区分开来，这就有了不同的脉冲中子能谱测井方法。图7-1快中子诱发γ射线的时间框架图一．非弹性散射能量为14.1MeV的高能快中子进入地层，首先与地层中某些核素的原子核发生非弹性散射，快中子先被原子核（即靶核）吸收形成复核，而后放出一个能量较低的中子。部分中子的能量转变成原子核的激发能，使靶核处于激发态，即处于较高能级。激发态的是不稳定的，在很短的时间内发出一个或几个光子，并释放出多余的能量而回到基态。这个作用过程的前后系统的总动能不守恒，故称为非弹性散射，在此过程中发出的γ射线称为非弹性γ射线。在中子发射后的10-8~10-7s时间间隔内，非弹性散射是中子损失能量的主要方式。可以1100uuss11000000uuss11000000uuss～～若若干干天天非非弹弹性性散散射射γγ射射线线俘俘获获γγ射射线线活活化化γγ射射线线NN图7-2非弹性散射能谱3认为非弹性散射和由此产生的γ射线是在中子发射的同时进行的。当中子发射停止，该过程立即终止。其它作用过程是在中子发射停止以后的时间内发生的，利用这一特点，可以把非弹性散射γ射线与其它过程中产生的γ射线区分开来。碳氧比能谱测井方法就是利用地层中不同核素的快中子反应截面及诱发的γ射线能量不同的原理，通过探测器记录非弹性散射γ射线能谱，处理并分析γ射线能谱，计算C12、O16、Si28和Ca40等核素的产额，进而确定储层流体饱和度等参数。图7-2是哈里伯顿公司用BGO晶体在10in井眼，7in套管井中测得的非弹性散射能谱，地层分别是孔隙度为36%的饱含油砂岩，孔隙度为35%的盐水砂岩，孔隙度为26%的淡水石灰岩。图中上面一组曲线是对下面曲线进行5倍放大后所得的的结果。二．弹性散射高能中子经过若干次非弹性碰撞，中子损失能量，当中子能量不足以再发生非弹性散射后，便通过发生弹性散射进一步慢化。所谓弹性散射，是指中子与原子核碰撞后，系统的总动能不变，中子所损失的动能全部转化成反冲核的动能，而反冲核仍处于基态。中子发射后的10-6~10-3s时间内，主要发生弹性散射。在中子发射停止后，可立即测量超热中子衰减时间谱，以此确定快中子再地层中的慢化时间，进而求出孔隙度。同时直到下个发射中子周期开始，大约在小于1000μs的时间内，可以测量热中子的衰减时间谱，以确定热中子寿命和地层流体饱和度。三．辐射俘获14.1MeV的快中子在地层中经过非弹性散射、弹性散射过程后，被慢化成热中子。热中子在地层中扩散，逐渐被地层的原子核俘获，原子核俘获一个热中子而变为激发态的复核。复核放出一个或几个光子后，回到基态。这就是辐射俘获反应，在此过程中放出的γ射线称为俘获γ射线。测量辐射俘获强度随时间的变化，可间接反映热中子的衰减过程。图7-3俘获γ能谱4由于不同的原子核具有不同的核能级，它们俘获热中子后放出的γ射线能量也不同。脉冲中子俘获能谱测井就是利用这一原理，记录中子辐射俘获过程产生的俘获γ射线能谱，通过一定的数学方法处理并分析记录的γ射线谱，来确定地层中H1、Si28、Cl35、Ca40和Fe56等核素的产额，进而获得地层的岩性和流体有关信息。图7-3是哈里伯顿公司用BGO晶体在实验井中测量得到的俘获γ能谱。测量的井眼条件和地层条件和图7-2相同。四．中子活化稳定核素在中子的照射下，产生核反应，变成放射性核素的过程称为中子活化反应。这些放射性核素也称活化核，它们是不稳定的，在10-3~104s时间内发生衰变，并放出β射线和γ射线。此过程产生的γ射线称为活化γ射线。在其它作用过程中，活化γ射线的强度很低且变化很慢，可以当作本底处理。快中子和热中子都能够使原子核活化。中子活化伽马测井就是通过测量并分析活化γ能谱，研究地层的化学成分或井眼的水流速度。常用的活化测井方法有硅活化、铝活化和氧活化。下面简单介绍RMT仪器测量中用到的硅活化和氧活化方法。快中子引起的硅活化反应式是HAlnSi112813102814产生的放射性Al28将按下式衰变SiAl28142813通过测量分析硅活化产生的γ射线可以确定地层的岩性。快中子引起的氧活化反应可简单地表示为pNOn1616产生的N16将以7.13s的半衰期进行衰变，衰变核通射线探测器中子发生器O16N16O16(6.13MeV)β衰变半衰期7.13s氧活化nO16*图7-4氧活化水流速度测量原理图5过释放6.13MeV(67%)、7.12MeV(4.9%)等高能γ射线退激ON1616脉冲中子氧活化水流速度测量方法是先由中子发生器发射一段时间中子，把仪器周围纵向上一段水活化。在水流动方向上设置多个γ射线探测器，当活化水流经某探测器时，该探测器计数率增大。通过测量时间谱，计算出水流从中子源流到探测器的时间tm。又知道中子源到γ射线探测器晶体中央的距离l，则水流的速度v为l/tm。在已知流动截面面积的情况下，通过水流速度还可以计算出流量。图7-4是氧活化水流速度测量原理图。图7-5是RMT仪器测得的氧活化γ能谱，上面的曲线为近探测器得到的能谱，下面的为远探测器能谱，OAI为氧活化窗，OBI为本底窗。同时，可根据康普顿比OAI/OBI来判断水流是在套管内还是在套管外。图7-5氧活化γ能谱第二节RMT仪器结构、技术指标和特点RMT仪器是双探测器、多测量模式的脉冲中子能谱储层监测仪器。具有高分辨率、高灵敏度、耐温、耐压、应用范围广等特点。一．RMT仪器的结构1．仪器组成RMT测井仪主要有三大部分，如图7-6所示，包括伽马遥测短节、电源和RMT仪器部分。而RMT仪器部分又包括探头/中子发生器短节、能谱处理等几部分。其中，探头/中子发生器短节包括以下部分，多门存储器板、能谱接口板、能谱模数转换器板、增益调节板、光电倍增管（PMT）、低压和高压电源、闪归一化计数能量道址6烁探测器和中子发生器。中子发生器由离子源高电压、离子源转换开关（配电板）、高压倍增器和中子发生管组成。光电倍增管（PMT）低压电源调节一级高压变压器（和光电倍增管一起应用）到30v,并提供时钟脉冲来驱动高压变压器。光电倍增管高压调节器调节光电管上的高电压。能谱接口板上的微调控制器通过子程序监视远探头采集的非弹性能谱门，并且调节光电倍增管电压以维持电流增益。该子程序决定高压值。高压控制器从约692v到1138v之间调节高压值，远、近两个探头高压都被调节,但两者均受远探头增益的控制。探头部分有“近距离”和“远距离”两个γ射线探头，光电倍增管和相关辅助电子元件(线路)、两个闪烁BGO晶体。当γ射线和探测器相互作用时,产生一个光脉冲,光脉冲被光电倍增管转换成电压脉冲,这个电压脉冲被传输到增益调节板。增益调节板调节探头的脉冲幅度。并且提供输出到多门存储器面板上的信号的增幅和能谱模数转换器（ADC）信号的增幅。增益调节板输出的探头计数传给能谱模数转换器（ADC）和多门采集器面板。两个探头常用于记录能谱和总计数率。两个探测器晶体是直径为1.4in(35mm)闪烁锗酸秘（BGO）晶体。其中近源距晶体的长度是1in，晶体中心和源的距离是11.5in；远源距晶体的长度是6in，晶体中心和源的距离是20.5in。这里的锗酸秘晶体放置在特殊的保温容器中，以保证在温度为150oC的环境中，6个小时以内，探测器的温度保持在可以接受的范围内（小于70oC）。多门存储板用于存储确定岩层中热中子中寿命的数据。远、近探头的脉冲经图7-6RMT仪器结构7增益调节板处理后进入多门存储板。计数被微调控制器记忆存储，微调控制器从属于遥测系统，并由遥测系统传输数据（每隔1秒12次,经过μLAN）来控制。存在于过油管谣传短节内（TTTC）。能谱模/数字转换器（ADC）也接收来自增益调节板的信息。能谱模/数转换器（ADC）转换来自远、近探头数字脉冲幅度，增益调节板输入到能谱模数转换器，然后数字化数据并输出到能谱接口板上。能谱接口板是一块多用途面板,它控制着中子发生器和远、近探头采集能谱数据和调节光电倍增管的高电压,它也含有传输能谱数据到遥测短节的微调控制器。二．RMT仪器的技术指标RMT仪器的技术指标如表7-1所示。表7-1RMT仪器的技术指标仪器长度5.48m仪器直径2.125in(54mm)探测器晶体BGO晶体源距长源距20.5in(52.07cm)，短源距11.5in(29.2cm)耐温163℃(325oF)耐压15000psi中子能量14.1MeV工作频率C/O模式10kHz，俘获模式800Hz源强1×108中子/秒纵向分辨率24in(61cm)测量精度2%采样率每英尺4个或10个点探测深度C/O模式20~31cm，俘获模式25~46cm测井速度C/O模式1.0m/min，俘获模式4.75m/min三．RMT的测量条件81．非弹性C/O测量模式在低矿化度（矿化度小于20000ppm）或未知地层水矿化度的储层适用。主要是测量地层的剩余油饱和度，对