第九章中子测井新

第九章中子测井第九章中子测井（Neutronlogging）中子测井主要用于识别岩性、计算孔隙度、饱和度利用中子源照射地层（向地层发射中子）根据中子与地层的相互作用来研究地层性质的测井方法主要测井方法有：中子孔隙度测井、中子伽马测井、中子寿命测井、次生伽马能谱测井(C/O)。§1中子测井的核物理基础一、中子和中子源1.中子：静止质量为一个原子质量单位的中性微粒，半衰期为11.7分钟，由核反应产生。高能中子：En10MeV快中子：10KeV10MeV中能中子：100eV10KeV慢中子：0.03eV100eV按能量可分：En1ev,超热中子（0.2～10ev)En0.025ev,热中子与吸收物质原子处于平衡状态的中子称之为热中子，v=2.2X105cm／s。2.中子源：以某种形式，给原子核能量，引起核反应，把中子从原子核中释放出来的装置叫中子源。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：QnCHeBeNpHeAm1012642942379342241955Mev（2）脉冲中子源（加速器中子源）QnHeHH10422131靶14Mev用加速器加速到0.126Mev能量优点：强度高，发射单色中子，可人为控制中子源强度：中子源单位时间内发射的中子数二、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一个靶核发生非弹性散射的几率。14Mev高能快中子发生的几率高。快中子被靶核吸收形成复核，再放出一个较慢的中子，而仍处于激发态的靶核一般发射γ光子后回到基态。这种γ射线叫非弹性散射伽马射线。3、中子非弹性散射的应用一般用中子发生器产生的14MeV中子射入地层，在10-8-10-6秒内主要由非弹性散射产生γ射线，选择记录具有某些特征能量值的γ射线强度，可测出相应元素的相对含量。如：分别测量由C12和O16非弹散射产生的4.43MeV和6.13MeV的γ射线强度的“碳氧比能谱测井”——用以区分油水层（二）、快中子对核的活化快中子可以与某些核素发生(n，α)、(n，p)核反应,产生新的放射性核素→活化核，衰变产生的γ射线叫活化伽马射线对测井有实用价值的活化核反应：112813102814AlSiHnQγβSiAl2828Al28半衰期为2.3min，发射γ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112712102713MgAlHnMg27半衰期为9.5min，发射两个γ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（三）、快中子的弹性散射及减速过程1、快中子的弹性散射概念：是指中子与原子核发生碰撞后，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，而该核仍处于基态。中子发生器发射的14MeV的中子进入地层后，弹性散射一般发生在10-6-10-3s之间。而同位素中子源产生的中子能量较低，开始就以弹性散射为主。快中子在多次弹性散射中将逐渐降低能量减小速度，最后成为热中子。中子与靶核弹性碰撞时，平均能量损失为：02)1(2EAAE可见，靶核质量数A越大，中子的能量损失越小。氢核的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），氢核对中子的减速能力最强。这是中子测井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。1cm3物质的所有原子核微观散射截面的总和叫岩石的宏观散射截面。3、岩石的快中子减速时间和减速长度在岩石中，快中子由初始能量E0减速到能量为En=0.025eV的热中子所需的时间τs称为减速时间，所移动的直线距离称为减速距离Rd。2、岩石的宏观散射截面一个中子和一个原子核发生弹性散射的几率叫微观弹性散射截面σs，其单位是巴(即1b=10-24cm2)。岩石对快中子的宏观减速能力主要由含氢量决定表9-1石英：Ls=37cm方解石：Ls=35cm淡水：Ls=7.7cm中子在岩石中的减速长度定义为：R26defdsRL（四）、热中子扩散和被俘获快中子经过一系列碰撞后能量逐渐减小，最终与原子共处于热平衡状态，不再减速，此时称为热中子。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，直至被介质原子核俘获为止。26deftdRL扩散长度：从产生热中子起到其被俘获吸收为止，热中子移动的直线距离叫扩散距离Rt，则扩散长度Ld定义为：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γ光子后回到基态，反应中放出的γ射线称为俘获γ射线或中子伽马射线不同原子核放出的γ射线具有不同的特征能量。)11.6(36173617103517MevClClnCl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射线——俘获伽马能谱测井一个原子核俘获中子的几率叫该原子核的微观俘获截面σ3、岩石的宏观俘获截面地层中常见元素的微观俘获截面：ClHCOMgAlSiCaB31.60.3290.00450.00160.460.2150.130.43710氯的俘获截面比岩石中其它常见元素的俘获截面大得多岩石中若含微量的硼，宏观俘获截面也会显著增大宏观俘获截面Σa：1cm3的介质中所有原子核微观俘获截面的和。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：v=O.22cm／μs1ta4.55ta4.热中子的空间分布通量随r增大按指数规律减少。中子通量：每秒钟内通过1cm3岩石的中子数中子探测器的计数率与中子通量成正比5、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L0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；三、中子的探测目前主要用于慢中子探测的核反应有：2.792MeVαLinB73101054.780MeVαHnLi3110630.765MeVpHnHe311032中子测井探测的是超热中子和热中子。利用超热中子、热中子和探测器物质的原子核发生核反应，放出电离能力很强的带电粒子来记录中子。利用核反应所产生的带电粒子α或P使探测器的计数管气体电离形成脉冲电流，产生电压负脉冲，或使探测器的闪烁晶体形成闪烁荧光，产生电压负脉冲来接收记录中子。探测超热中子与探测热中子的探测器的区别在于前者在探测器外层加有对热电子吸收能力很强的镉，吸收掉热中子，内层再加有把进入的超热中子减速为热中子的石蜡，以增大对超热中子的计数效率。探测器：即硼探测器、锂探测器、氦三(He3)探测器。中子孔隙度测井的地质基础由中子源产生5MeV的快中子；用中子探测器探测热中子或超热中子的计数率；计数率的大小主要决定于地层的含氢量；在刻度井中将其转化成视石灰岩中子孔隙度。§2超热中子测井超热中子测井是探测超热中子密度，以反映地层中子减速特性，划分储集层的测井方法。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。叫井壁超热中子测井仪(SNP)一、超热中子测井的基本原理图9-1井壁中子测井仪示意图由中子源发出的快中子在地层中运动和地层中的各种原子核发生弹性散射，逐渐损失能量、降低速度，成为超热中子。其减速过程的长短(入射中子能量一定)与地层中原子核的种类及数量有关。因为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Ls不同。所以，在孔隙度相同的情况下由不同核素组成的不同岩性的地层，减速长度是不同的。由于在地层中的所有核素中，氢是减速能力最强的核素，远远超过其他核素，它的存在及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，孔隙越大则地层减速长度就越短。充满水的砂岩、石灰岩和白云岩三种岩性的岩石减速长度Ls和孔隙度φ的关系曲线。由图可以看出Ls随φ增大而缩短，而且孔隙相同、岩性不同的地层减速长度不同。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（长源距）的地方，接收记录超热中子的计数率，则孔隙度大的计数率低，孔隙度小的计数率高。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→→计数率与孔隙度大小无关。实际工作中用的是长源距,测井记录的超热中子的计数率越大，反映岩层的孔隙度越小，反之计数率越小，反映岩层的孔隙度越大。超热中子俘获截面非常小，其空间分布不受岩层含氯量的影响(地层水矿化度)，所以能够较好地反映氢含量的多少，即较好地反映岩层孔隙度的大小。二、超热中子测井资料应用1．确定地层孔隙超热中子测井可以用标准化中子测井单位，“API中子测井单位”以曲线形式显示超热中子强度随井深的变化还可以用石灰岩孔隙度单位，以曲线形式显示孔隙度随深度的变化。孔隙度相同岩性不同的地层，超热中子计数率不同。以石灰岩孔隙度为标准刻度记录的孔隙度是石灰岩孔隙度。对于其他岩性的岩石，石灰岩孔隙度包含有由于岩性不同岩石骨架造成的附加孔隙度。孔隙为零的纯砂岩和白云岩，用以石灰岩为标准刻度的仪器测量得到的石灰岩孔隙度，纯砂岩是-3.5％，白云岩为+5％。所以要求砂岩或白云岩的孔隙度必须做岩性校正。在由视石灰岩孔隙度求地层的真孔隙度时，除了要做岩性校正之外，还要进行泥饼、水垫等校正，含气地层还要做孔隙流体校正即“挖掘效应”校正。2．交会图法确定孔隙度与岩性超热中子测井与声波测井或密度测井组合构成交会图（图9-6）可以用来确定孔隙度与岩性3、中子、密度测井曲线重叠法划分岩性中子与密度测井所得的石灰岩孔隙度曲线重叠，可用来定性直观判断岩性。4．估计油气密度天然气的存在会使超热中子测井得到的孔隙度偏小，而使密度测井得到的孔隙度偏大。5．定性指示高孔隙度气层孔隙中含有天然气，则会使超热中子测井的孔隙度与相同孔隙度的水层、油层相比偏低，这个特点可用来显示气层。与上述情况相反，天然气会使密度测井石灰岩孔隙度增大。所以中子测井孔隙度φN和密度测井孔隙度φD曲线重叠，其明显的幅度离差是气层特征§3、补偿中子孔隙度测井1.仪器同位素中子源：产生5MeV快中子近探测器（3540cm）远探测器（5060cm）得到热中子计数率中子孔隙度记录孔隙度曲线（视石灰岩孔隙度单位）API单位比值热中子与超热中子的能量相差不多，其空间分布规律与超热中子的空间分布规律是一致的，即在长源距的情况下饱含流体的岩层的孔隙度越大，热中子的计数率越低；孔隙越小计数率越高。由于热中子能量与原子核处于热平衡状态，容易被原子核俘获，同时伴生俘获伽马射线。在组成沉积岩的核素中氯的热中子俘获截面最大，因此地层含氯量决定了岩石的俘获特性。这就决定了热中子的空间分布既与岩层的含氢量有关，又与含氯量有关。这对于用热中子计数率大小反映岩层含氢量，进而反映岩层孔隙度值来说，氯含量就是个干扰因素。//2224sdrLrLdtsdKLeeNrrrDLL式中Nt——热中子计数率；r——探测器到中子源的距离(源距)；D——扩散系数；Ls、Ld——分别为减速长度和扩散长度K——与仪器有关的系数。在均匀无限介质中，对点状快中子源造成的热中子分布进行了理论推导，得到计数率的大小不仅决定于岩层的减速性质(反映含氢量)，还与岩层的俘获性质有关。若采用源距不同的两个探测器，记录两个计数率Nt(r1)和Nt(r2)，取这两个计数率比值，当源距r足够大时，则有12/1221srrLttNrreNrr2.计数率比值（克服吸收性质的影响）在石灰岩刻度井中获得远近探测器计数率比值与中子孔隙度的转换关系，将计数率比值转换为中子孔隙度。分辨率：