第九章__中子测井

第九章中子测井(Neutronlog)利用中子与地层相互作用的各种效应，来研究钻井地质剖面的一类测井方法统称中子测井。它是利用岩石的另一种特性，即岩石中的含氢量来研究岩石性质和孔隙度等地质问题。这种测井方法在于将装有中子源和探测器的井下仪器下入井中，由中子源→中子→进入岩层,同物质的原子核发生碰撞将产生减速、扩散和被俘获几个过程，到达探测器。在这些过程中，探测器周围的中子分布状况，以及中子被俘获后所放出的伽马射线强度，与仪器周围的岩石性质，特别是岩石的含氢量有关。而储集层的含氢量又取决于它的孔隙度，因此，中子测井是目前广泛使用的一种孔隙度测井。根据中子测井的记录内容：可以将它分为中子-中子测井和中子-伽马测井。根据仪器的结构特点，中子—中子测井又可分为中子-超热中测井（SNP）—井壁中子测井中子-热中子测井（CNL）—补偿中子测井一、中子测井的核物理基础1中子和中子源中子是组成原子核的一种不带电荷的中性粒子，其质量与氢核的质量相近。中子与物质作用时，能穿过原子的电子壳层而与原子核相碰撞，所以它对物质的穿透能力较强。通常中子与质子以很强的核力结合在一起，形成稳定的原子核。要使中子从原子核里释放出来，就必须供给一定的能量。如果使原子核获得的能量大于中子结合能，中子就可能从核中发射出来。可以用α粒子、氘核d、质子p或γ光子轰击原子核，引起各种核反应，使中子从核内释放出来。这种产生中子的装置称中子源。一、中子测井的核物理基础因为不同能量的中子与原子核作用时有着不同的特点，所以通常根据中子的能量大小，可以把它分成几类：高能快中子：能量大于10万电子伏特；中能中子：能量在100电子伏特—10万电子伏特之间；慢中子：能量小于100电子伏特；其中0.1—100电子伏特的中子为超热中子；能量等于0.025电子伏特的中子为热中子。一、中子测井的核物理基础1中子和中子源中子测井所用的中子源有两类：即同位素中子源和加速器中子源。同位素中子源：如镅—铍（Am-Be）中子源，利用镅衰变产生的α粒子去轰击铍原子核，发生核反应而放出中子。产生的中子的平均能量约5MeV。该类中子源的特点是连续发射中子。加速器中子源：（亦称脉冲中子源），如D-T加速器中子源，用加速器加速氘核（D）去轰击氚核（T）产生快中子，其能量是14MeV。该类中子源的特点是人为控制脉冲式发射中子。二、中子与物质作用几种作用形式：（1）非弹性作用：高能快中子与原子核碰撞（2）弹性散射：高能快中子经一、二次非弹性散射后，能量降低，继续碰撞原子，降低能量和运动速度，而总能量不变，经多次碰撞，能量损失，速度降低，最后变为热中子。（3）辐射俘获：能量低的热中子在其他物质附近漫游，很容易被其他物质俘获而被吸收，其他物质由于俘获中子后则处于激发态，在由激发态向稳定态转变时，则易放出r射线。二、中子与物质的相互作用由中子源发射出来的快中子与组成物质的原子核发生作用，可以分为以下几个阶段：1.平均能量约4Mev的高能快中子→碰撞原子核--发生弹性散射——中子一部分能量→传给原子核，成为原子核动能，中子本身的能量减少，运动速度降低--继续碰撞其它原子核.反复多次，能量不断损失，速度不断减慢，最后中子成为岩石中不同元素对中子产生弹性散射几率(散射截面)不同，H元素弹性散射截面最大。不同元素减速能力不同，轻原子核对中子减速起主要作用，特别是氢原子核与H碰撞，减速成热中子过程最快，因此，高含H岩石中，快中子将很快减速成热中子。1.在减速过程中，中子与原子核正面碰撞一次可损失的最大能量ΔE为式中El中子碰撞前的能量式中A为原子量对于氢元素，质量A＝1，因而a＝0，ΔE＝El，即中子与氢核发生碰撞时，中子就失去全部能量。对于碳元素，A＝12，a＝0.716，中子与碳核碰撞时，中子损失的最大能量为0.28E1。显然A越大的元素，中子与它碰撞时能量损失越小。在实际的弹性散射过程中，中子与靶核并不总是正面碰撞，因此，每次碰撞后，中子损失的能量并不相同，这与散射角有关。当快中子与原子核碰撞多次，使中子能量降低为0.025电子伏特时，这时的中子为热中子。中子变为热中子之后，就象分子热运动一样在物质中进行扩散，当它再与原子核发生碰撞时，失去和得到的能量几乎相等。1.一个中子与一个原子核发生弹性散射的几率称为微观弹性散射截面δs，单位为巴（10-24cm2）。1cm3物质的原子核的微观弹性散射截面之和叫宏观弹性散射截面Σs。通常可以利用宏观弹性散射截面来描述这个减速过程。此外，还可用“减速长度Ls”来描述快中子变为热中子的减速过程。减速长度定义为由快中子减速成热中子所经过的直线距离的平均值，单位为厘米。下表为沉积岩中常见元素的散射截面和每次碰撞的最大能量损失以及中子能量由2百万电子伏特减速为热中子所需的平均碰撞次数。1.从表中可以看出，沉积岩中不同元素对中子产生弹性散射的几率(散射截面)不同，氢元素的弹性散射截面最大。另外，不同元素对中子的减速能力也不同，和氢核相碰撞，能量损失最大，减速成热中子的过程也最快。因此，在含氢量高的岩石中，快中子将很快减速成热中子。介质含氢越多，减速长度越短，这也说明氢元素对快中子的减速能力最大。氢是所有元素中最强的中子减速剂，这是中子测井法测定地层含氢量及解决与含氢量有关的各种地质问题的依据。2.热中子的扩散及被俘获快中子减速成热中子之后，同气体分子的扩散类似，便从密度大的地方向密度小的地方扩散。热中子扩散时，由于速度较慢，在原子核周围停留的时间相对较长，因而很容易被原子核俘获。标准热中子能量为0.025MeV，速度为2.2×105cm/s。热中子被元素原子核俘获的几率取决于元素的俘获能力，通常用“宏观俘获截面Σa”来量度。单位为巴。下表给出了沉积岩中常见的几种元素的微观俘获截面。氯元素特别是硼的俘获截面很大。在油、气井中，氯元素是常见的，因此，它的存在将使热中子被俘获的几率显著增加，热中子扩散的过程或扩散距离将缩短。所以含有高矿化度水的岩石比含油的同类岩石宏观俘获截面大。2.热中子的扩散及被俘获描述热中子扩散及俘获特性的参数有扩散长度Ld、宏观俘获截面Σa和热中子寿命τt参数。扩散长度：从产生热中子起到其被俘获吸收为止，热中子移动的距离。物质对热中子俘获吸收能力越强，扩散长度Ld就越短。微观俘获截面δ：一个原子核俘获热中子的几率称之。宏观俘获截面Σa：1cm3物质中所有原子核的微观俘获截面之和称之为宏观俘获截面。热中子寿命τt：从热中子生成开始到它被俘获吸收为止所经过的平均时间叫热中子寿命，它和宏观俘获截面的关系是：式中v为热中子移动速度，常温下，v＝0.22cm/μs，所以上式可写成：当地层中含有俘获截面高的元素时，τt就大大减小。高矿化度水的τt要比油层小的多，因此可以确定油水界面和区分油水层。2.热中子的扩散及被俘获元素的原子核俘获热中子之后，处于激发状态，当它回到稳定的基态时，多余的能量便以伽马射线的形式释放出来。该射线称为俘获伽马射线，或次生伽马射线。不同元素俘获热中子后放出的俘获伽马射线的能量存在一定的差别，特别是氯元素释放出的俘获伽马射线能量要比一般元素高一些，且伽马射线的数目也相对多些。因此，当岩石中有氯元素存在时，测得的热中子数将显著减少，但测得的俘获伽马射线却又会普遍增高。3.中子探测器中子探测器探测的是超热中子和热中子。热中子探测器通常由普通的闪烁计数器在其外壁上涂上锂或硼构成。由于锂和硼对热中子有强吸收性，并在吸收热中子后发生核反应而放射出α粒子，该粒子能使闪烁计数器中萤光体发光，从而在记数管中的阳极产生电脉冲，然后送入地面记录仪便可对其记录。超热中子探测器是热中子计数器在其外壁上加一层石蜡和一层镉构成。镉的作用是吸收探测器周围的热中子，而只让超热中子通过，并进入石蜡层，然后再经石蜡减速为热中子，便可被热中子计数管对其记录。4地层的含氢指数前面已经讲过，地层对快中子的减速能力主要决定于地层的含氢量。含氢量高的地层宏观减速能力强、减速长度小。为了方便，在中子测井中把淡水的含氢量规定为一个单位，用它来衡量地层中所有其它岩石或矿物的含氢量。单位体积的任何岩石或矿物中氢核数与同样体积的淡水中氢核数的比值，称为该岩石或矿物的含氢指数，用H表示。H与单位体积介质里的氢核数成正比，因而可用下式表示：式中，ρ是介质密度，单位为g／cm3；M是该化合物的克分子量；x是该化合物每个分子中的氢原子数；K是比例常数。⑴纯水的含氢指数按定义，淡水的含氢指数为1，由此确定出上式中的K值。因水的分子式为H2O，所以x＝2，M＝18，而水的密度ρ＝lg／cm3，由此求出K＝9代入上式得则用该式可求出任何密度为ρ，分子量为M且每个分子中有x个氢核的单一分子组成的物质的含氢指数。⑵盐水的含氢指数NaCl溶于水后占据了空间，而使盐水中氢的密度减小。计算盐水含氢指数的一般公式为Hw＝ρw(1-p)式中ρw为盐水的密度；p为NaCl的浓度。在测裸眼井时，渗透性地层一般都有侵入，中子测井探测范围内的水的矿化度，可以认为是与泥浆滤液的矿化度接近的。⑶油、气的含氢指数液态烃的含氢指数与水接近，然而天然气的氢浓度很低，并且随温度和压力而变化。因而当天然气很靠近井眼而处于中子测井探测范围内时，中子测井测出的含氢指数较小。烃的含氢指数可根据其组分和密度来估算。分子式为CHx(其分子量为12十x)和密度为ρh的烃的含氢指数为用此式可算出甲烷(CH4)的含氢指数为2.25ρ甲烷，而石油(nCH2)的含氢指数为1.28ρ油。若油的密度为ρ油＝0.85g/cm3，则含氢指数为1.09。⑷与有效孔隙度无关的含氢指数①泥质：泥质伴生有化学结晶水和束缚水，所以它具有很大的含氢指数，一般可达0.15—0.30，因而在含泥质的地层中，含氢指数大于地层的有效孔隙度。②石膏：石膏的分子式是CaSO4·2H2O，其含氢指数约为0.49，与孔隙度为49％的灰岩相当。③岩性影响：当仪器以纯石灰岩为标准进行刻度时，其它岩性的岩石骨架显示为一定数值的等效含氢量。孔隙度等于零的砂岩，显示为负含氢指数（-3%），而白云岩显示为正的含氢指数（5%）。二、中子测井中子测井包括两种方法：一种是记录探测器周围超热中子密度的中子—超热中子测井（SNP），亦称井壁中子测井；另一种是记录探测器周围热中子密度的中子—热中子测井（CNL），亦称补偿中子测井。1、中子—超热中子测井超热中子测井是探测探测器周围中子变为热中子之前的超热中子密度，以反映地层的中子减速特性，进而计算储层孔隙度和对储集层进行评价。右图是一种超热中子测井仪的井下仪器示意图，也叫井壁超热中子测井仪(SNP)。超热中子探测器和中子源贴靠井壁测量以减小井眼的影响。由中子源发出的快中子与地层中的原子核发生弹性散射，能量逐渐降低，而成为超热中子，其过程主要取决于上述所述的快中子的减速过程。1、中子—超热中子测井在组成地层的所有元素中，氢是减速能力最强的元素，远远超过其它元素，它的存在和含量就决定着地层的减速长度的大小。因此，当孔隙中100％充满水时，孔隙度越大则地层减速长度就越短。右图描述了这种关系，给出了充满水的砂岩、石灰岩和白云岩等三种岩性的岩石减速长度和孔隙度的关系曲线。由图可以看出Ls随φ增大而缩短，而且孔隙度相同、岩性不同的地层减速长度也不同。因此，孔隙度不同，岩性不同，超热中子在中子源周围的分布不同。孔隙度越大，含氢量越多，减速长度Ls越小，则在源附近的超热中子越多。相反，孔隙度越小，减速长度Ls越大，则在较远的空间形成有较多的超热中子。如果把探测器放在较远的地方，超热中子探测器的计数率，则对于孔隙度大的计数率低，孔隙度小的计数率高。如图1所示。如果把探测器放在较近的地方接收记录超热中子的计数率则有相反的情况，即孔隙度大，计数率高，孔隙度小，计数率低。当探测器放在某一个位置时，计数率与孔隙度的大小无关。如图2所示探测器到源之间的距离叫源距，第一种情况的源距叫长源距，第二种情况的源距叫短源距，第三种情况叫零源距。约40cm在实际工作中，通常用的是长源距探测器。所以，测井记录的