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研究地层性质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En0.025ev,热中子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：MevnCHeBeNpHeAm7.51012642942379342241955Mev（2）脉冲中子源（加速器中子源）MevnHeHH588.1710422131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，单位是巴，即10-24cm2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。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核反应产生的新核是放射性核素（称为活化核），可发生衰变，产生或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、快中子的弹性散射是指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。一次弹性散射，中子可能的最大能量损失为：A为靶核的质量数、E0为入射中子的初始能量氢核，质量数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0.284E0中子与靶核每次弹性碰撞时，平均能量损失为：02)1(2EAAE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），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弹性散射截面的总和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τf称为减速时间，所移动的直线距离R称为减速距离2、岩石的宏观弹性散射截面岩石对快中子的宏观减速能力主要由含氢量决定石英：Lf=37cm方解石：Lf=35cm淡水：Lf=7.7cm中子在岩石中的减速长度定义为：62RLfR（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，直至被介质的原子核俘获为止。温度25℃时，标准热中子能量为0.025eV，速度为2.2×105cm/s2、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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——俘获伽马能谱测井3、岩石的宏观俘获截面及热中子寿命宏观俘获截面Σa：1cm3的介质中所有原子核微观俘获截面的和地层中常见核素的宏观俘获截面：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热中子的寿命τ：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。当地层中含有高俘获截面的核素时，τ就大大减小。高矿化度水层的τ要比油层小得多，因此可以确定油水界面和区分油水层。av1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rDereLree4)(/)()(4)(//222rereLLDLrteLrLrtettteeeDL/tttDL/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三、中子的探测2.792MeVαLinB73101054.780MeVαHnLi3110630.765MeVpHnHe311032利用以上反应产生的α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§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热中子的计数率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化成视石灰岩中子孔隙度1、由中子源产生5MeV的快中子二、物质的含氢指数1.含氢指数H定义：2.含氢指数H的表达式：MxNHa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：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MxNKHa含氢指数：对于淡水：H=1，而x=2，＝１，M=18因此含氢指数可由下式确定：代入得：H=kNa2/18=1，所以：kNa＝９MxNKHaMxH93.油气的含氢指数油气的分子式：CHx分子量：12+x密度：hhhxxH129对于石油（CnHnx):密度ρ00.25000005.2165.2495.24Hx如果ρ0=0.85H0=1.03455.0gH25.0gggH1636对于天然气（CH4)：hhxxH1294.饱和淡水纯石灰岩的含氢指数：maWHHH)1(水骨架H1maV单位体积纯石灰岩孔隙度既是含氢指数中子测井仪在饱含淡水的纯石灰岩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（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对饱含淡水的白云岩：N5.与有效孔隙度无关的含氢指数（1）泥质：因含束缚水和结晶水，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%49,49.00224NHOHCaSO时，（2）石膏：（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：hxowxoHSHSH)1(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岩石骨架处理时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应N=V3Hw=3V1（石灰岩）V2（石灰岩）V3（水）V1(石灰岩）V2(气)V3(水)NV3Hw=3三、补偿（热中子）中子孔隙度测井(CNL)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。因Lt«Le，当r足够大时，含有Lt的指数项与含有Le的指数项相比可忽略不计，上式近似为：eLrrtterrrNrN/)(122121)()(teteLrLrLrLrtteeeerrrNrN////12212211)()()()(4)(//222rereLLDKLrNteLrLrtettt)()(rKrNtt计数率N:计数率比值:r1—远探测器源距r2—近探测器源距Nt(r1)—远探测器计数率Nt(r2)—近探测器计数率Le—介质的减速长度Lt—介质的扩散长度分辨率：长源距长源距（38cm）探测深度为40cm短源距（26cm）探测深度为30cm探测深度随孔隙度增大而减小四、井壁（超热中子）中子孔隙度测井(SNP)中子探测器：记录超热中子计数率2.源距与超热中子探测1.仪器同位素中子源:产生5MeV快中子源距：一般在30~45cm，正源距探测超热中子原因：探测地层的含氢量时不受俘获特性的影响探测方法：在探测器外加热中子吸收剂（镉）做屏蔽，在屏蔽层与探测器之间加减速剂(石蜡等），将超热中子减速为热中子记录3.仪器刻度中子孔隙度API单位计数率4.补偿中子与井壁中子孔隙度测井的比较（1）都反应地层得含氢量，应用相同（2）克服俘获影响（3）CNL应用优于SNP：因为CNL对岩性分辨能力高于SNP。SNP:采用记录超热中子CNL:采用双源距补偿五、中子伽马测测井记录俘获伽马(中子伽马)计数率Nn-r发射5MeV的快中子中子源：伽马探测器（源距60-65cm）：1.仪器2.Nn-r与源距、氢、氯含量的关系（1）随L增大，Nn-r减少（2）L=35cm,含氢不同，Nn-r基本相同，但与含氯量有关（3）L35cm，含氢量增大，Nn-r增大，负源距L35cm，含氢量增大，Nn-r减少，正源距（4）L一定，盐水的Nn-r淡水Nn-r中子伽马测井选L=60~65cm，含氢量增大，Nn-r减少；含氯量增大，Nn-r增大。3.应用（1）划分岩性泥岩、泥灰岩，Nn-r低（含氢量高）致密岩石Nn-r高砂岩（孔隙性）：比泥岩高（2）判断气层气层，含氢量低，Nn-r高（3）划分高矿化度水层油层：视电阻率高，Nn-r相对较低水层：视电阻率低，SP负异常，Nn-r高一、基本原理脉冲中子源:产生14MeV快中子一个或两个伽马探测器:得到俘获伽马计数率§3热中子寿命测井（NLL）1v4545.525摄氏度时,热中子速度v=2.2×105cm/sτ—地层热中子寿命Σ—地层热中子宏观俘获截面二、测量τ和Σ的原理1.热中子守恒定律热中子密度随时间的变化率为：tn（1）产生率:快中子变成热中子之后热中子产生率nt