第9章中子測井

1、2022-2-20測井方法1第九章第九章 中子測井中子測井 中子測井(NUETRON LOGGING)：種用中子和地層的相互作用的各種效應(yīng)，來研究井剖面地層性質(zhì)的各種測井方法的總稱。它包括中子熱中子、中子超熱中子、中子伽馬測井、中子活化測井以及非彈性散射伽馬能譜測井和中子壽命測井。 測井時，中子源向地層發(fā)射快中子，快中子在地層中運動與地層物質(zhì)的原子核發(fā)生各種作用，由探測器探測超熱中子、熱中子或次生伽馬射線的強度，研究地層的孔隙度、巖性及孔隙流體性質(zhì)等地質(zhì)問題。 2022-2-20測井方法2第一節(jié) 中子測井的核物理基礎(chǔ)第二節(jié) 超熱中子測井第三節(jié) 補償中子孔隙度測井（探測熱中子密度）第四節(jié) 中子伽

2、馬測井 第九章第九章 中子測井中子測井 2022-2-20測井方法3第一節(jié) 中子測井的核物理基礎(chǔ)v一、中子和中子源v二、中子和物質(zhì)的作用v三、中子探測器 2022-2-20測井方法4一一 中子和中子源中子和中子源 1 1、中子、中子(1) 組成原子核不帶電的中性微粒，它與質(zhì)子以很強的核力結(jié)合在一起，形成原子核。(2)中子的質(zhì)量 1.00887u；質(zhì)子的質(zhì)量1.00758u(3)中子的半衰期 中子的靜止質(zhì)量大于質(zhì)子和電子的靜止質(zhì)量之和，會自發(fā)的發(fā)生-衰變，它的半衰期為11.70.3min，因此，自然界幾乎不存在自由中子。(4)中子的分類2022-2-20測井方法5 當(dāng)中子與原子相互作用時，和核外

3、電子幾乎沒有庫侖力作用，而直接與原子核碰撞，其反應(yīng)幾率主要取決于核的性質(zhì)。因此，中子入射物質(zhì)后，主要是與原子核發(fā)生作用。中子能量不同（速度不同），它與物質(zhì)相互作用的行為也就大不相同，因此，目前使用的中子測井包括使用同位素中子源測井和加速器中子源中子測井。 一一 中子和中子源中子和中子源2022-2-20測井方法6根據(jù)中子的能量可將中子分為：高能中子 能量10 MeV 穿透能力極強快中子 10MeV10KeV 穿透能力極強中能中子 100eV10KeV 一一 中子和中子源中子和中子源慢中子 0.03eV100eV 超熱中子約為0.210ev熱中子約為0.025ev，熱中子標(biāo)準(zhǔn)速度2200M/S2

4、022-2-20測井方法7 2、中子源 能將原子核中的中子釋放出來的裝置。 質(zhì)子和中子在核中存在很強的核力作用，要使之從核中釋放出來，必須提供足夠的能量。用高能（帶電）粒子轟擊作靶的原子核，引起核反應(yīng)，釋放出中子。一般選用輕原子核作靶核（A小，結(jié)核能小，易產(chǎn)生中子），如4Be9和1H3。 測井用的中子源有兩類：同位素中子源、加速器中子源。 一一 中子和中子源中子和中子源2022-2-20測井方法8 同位素中子源：利用放射性同位素核衰變時放出的高能粒子（如粒子）去轟擊靶核，引起核反應(yīng)，釋放中子，這種中子源的特點是連續(xù)發(fā)射中子。發(fā)射中子的平均能量為45Mev。 如镅鈹（Am-Be）中子源，利用镅衰

5、變產(chǎn)生的a粒子去轟擊鈹，引起核反應(yīng)釋放出中子，產(chǎn)生中子能量平均為5Mev。 一一 中子和中子源中子和中子源)701. 5()(101264294422379324195MevQnCHeBeaHeNpAm2022-2-20測井方法9 加速器中子源（脈沖中子源）：用人工的方法（加速器）加速帶電粒子，去轟擊靶核，產(chǎn)生快中子，特點是人為控制脈沖式發(fā)射。 如（D-T）中子源： MevnHeTD588.171042一一 中子和中子源中子和中子源2022-2-20測井方法10幾個特性參數(shù)：1)源強：單位時間內(nèi)發(fā)射的中子數(shù) 中子產(chǎn)額：同位素中子源 每居里放射性物質(zhì)產(chǎn)生的放 射性強度 加速器中子源 單位強度流（

6、UA或UQ）在靶 上產(chǎn)生的中子數(shù)。2)半衰期間：發(fā)生轟擊粒子的放射性同位素的半衰期。（靶核的半衰期） 一一 中子和中子源中子和中子源2022-2-20測井方法11二二 中子和物質(zhì)的作用中子和物質(zhì)的作用 1、快中子的非彈性散射 高能快中子與地層發(fā)生作用時，快中子被靶核吸收形成復(fù)核，然后放出能量較低的中子，靶核仍處于激發(fā)態(tài)，而激發(fā)態(tài)的核放出特定能量的伽馬射線后回到基態(tài)。例如，12C和16O都能與14Mev的中子發(fā)生非彈性散射而激發(fā)釋放出射線，這是C/O能譜測井的基礎(chǔ)。 特點：將入射中子靶核作為一個系統(tǒng)，碰撞前后能量（動能）發(fā)生損失，所以是非彈性散射，或稱（n，n）核反應(yīng)，放出的伽馬射線稱為非彈性散

7、射伽馬射線。 2022-2-20測井方法12 非彈性散射截面：一個快中子與一個靶核非彈性散射的幾率，單位巴（10-24cm2）。原子核的能級是非連續(xù)的，只有當(dāng)入射的中子的能量至少大于靶核的第一激發(fā)能級時，才有可能發(fā)生非彈性散射，同位素中子源發(fā)射的中子能量較低，對非彈性散射的貢獻(xiàn)可忽略不記，因此，必須使用加速器中子源。在14Mev中子源發(fā)出中子后10-6秒時間內(nèi)主要發(fā)生此效應(yīng)。 二二 中子和物質(zhì)的作用中子和物質(zhì)的作用2022-2-20測井方法132、快中子對原子核的活化 快中子除發(fā)生（n，n）反應(yīng)外，還可發(fā)生（n，a），（n，p）核反應(yīng)。這些反應(yīng)產(chǎn)生新原子核。有一定的半衰期，衰變放射出帶電粒子和

8、射線，其中伽馬射線稱為次生活化伽馬射線。 活化測井：如：硅測井，鋁測井，鈣測井，氯測井 二二 中子和物質(zhì)的作用中子和物質(zhì)的作用硅活化：112813102814pAlnSi又有QSiAl28142813有效區(qū)分砂層和碳酸鹽巖 。2022-2-20測井方法14鋁活化： 二二 中子和物質(zhì)的作用中子和物質(zhì)的作用鈣活化：氯活化： 112712102713pMgnAl可確定巖性和泥質(zhì)含量，鋁是常見粘土礦物的指示元素，而硅是砂巖的指示元素。 4920104820CanCa3817103717ClnCl鈣是碳酸鹽巖的指示元素。 特點：反應(yīng)過程中，中子被吸收，產(chǎn)生新核，這些新核有些具有放射性 2022-2-20

9、測井方法15 3、快中子的彈性散射 (1)快中子的彈性散射 中等能量的中子與靶核碰撞，將部分能量傳給靶核，使之能量（動能）增加，仍處于穩(wěn)態(tài)，而快中子速度減慢，系統(tǒng)總的動能守恒，此過程即為快中子的彈性散射。對于同位素中子源中子測井，中子的初始能量較低，因此，從開始就以彈性散射為主。 14Mev的高能快中子經(jīng)一兩次非彈性散射后就不能再發(fā)生非彈性散射或核活化反應(yīng)，只能發(fā)生彈性散射而繼續(xù)減速，直至其能量為0.025ev左右，成為熱中子。 二二 中子和物質(zhì)的作用中子和物質(zhì)的作用2022-2-20測井方法16 (2)特點 入射中子被碰原子核系統(tǒng)，在碰撞前后總動能不變，中子損失的能量全部變成被碰核的動能，而

10、核仍處于穩(wěn)態(tài)，純減速過程。 (3)彈性碰撞能量損失 與靶核的A，入射中子能量E。及散射角（中子散射方向和入射方向的夾角）有關(guān)。當(dāng)為正碰撞時，中子損失能量最大。實驗證明，中子一次彈性碰撞可能損失的最大能量和平均能量分別為： 二二 中子和物質(zhì)的作用中子和物質(zhì)的作用020max) 1(2,)11(,)1 (2EAAEAAaEaE2022-2-20測井方法17 對氫核來說，A=1，a=0，Emax=E0，E=1/2E0，而對碳核，A=12，a=0.716，E=0.142E0，Emax=0.284E0。因此氫是巖石中最主要的減速元素，巖石對快中子的減速能力取決于巖石的含H量。 (4) 巖石宏觀散射截面微

11、觀散射截面s：一個中子與一個原子核發(fā)生彈性散射的幾率，單位1b=10-24cm2； 宏觀散射截面s：單位體積物質(zhì)中的原子核的微觀散射截面之和，單位cm-1 結(jié)論：純巖石的宏觀減速能力基本上決定于純巖石的孔隙度（含淡水條件）。二二 中子和物質(zhì)的作用中子和物質(zhì)的作用2022-2-20測井方法18 (5) 減速時間和減速距離 減速時間：快中子從初始能量減速為熱中子能量所需時間； 減速距離L：在減速時間內(nèi)，中子移動的直線距離。(6)熱化碰撞次數(shù) 中子從初始能量慢化到熱中子所需要的碰撞次數(shù)。 二二 中子和物質(zhì)的作用中子和物質(zhì)的作用2022-2-20測井方法19 4、熱中子擴散和俘獲 (1) 熱中子的擴散

12、 快中子經(jīng)減速到能量與地層原子處于熱平衡狀態(tài)時，中子不再減速，而像氣體分子一樣處于擴散過程。由密度大的地方向密度小的區(qū)域擴散，直到被地層原子核俘獲為止。(2)輻射俘獲核反應(yīng) 靶核俘獲一個熱中子而變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的復(fù)核，然后，復(fù)核放出一個或多個幾個光子，回到基態(tài)。 二二 中子和物質(zhì)的作用中子和物質(zhì)的作用2022-2-20測井方法20(3) 巖石對熱中子的宏觀俘獲截面a： 微觀俘獲截面：一個原子核俘獲熱中子的幾率； 宏觀俘獲截面a：一立方厘米所有原子微觀俘獲截面的總和。常見元素中： 二二 中子和物質(zhì)的作用中子和物質(zhì)的作用ClHCOMgAgSiCa31.60.3290.00450.00160.400.21

13、50.130.432022-2-20測井方法21 (4)熱中子壽命 從熱中子的生成時起到它被吸收為止所經(jīng)過的平均時間，它和宏觀俘獲截面的關(guān)系為：結(jié)論：巖石對熱中子的俘獲能力主要取決于含氯量（礦化度、地層水含量）另外：硼的a =710b，即使含量微小，也對測井將會有很大影響。 v為熱中子的移動速度。avt1二二 中子和物質(zhì)的作用中子和物質(zhì)的作用2022-2-20測井方法22三三 中子探測器中子探測器 中子測井中測量的熱中子、超熱中子均為慢中子。利用中子與某些原子核發(fā)生核反應(yīng)，放出帶電粒子而制成的將慢中子密度（熱中子、超熱中子）轉(zhuǎn)化成電脈沖數(shù)的裝置。 2022-2-20測井方法23第二節(jié)第二節(jié) 超

14、熱中子測井超熱中子測井 即通過中子源（同位素中子源）發(fā)射快中子，照射地層（與地層介質(zhì)作用）減速形成熱中子或超熱中子，中子探測器探測熱中子或超熱中子的密度（通量），不同地層，減速能力不同，計數(shù)率不同，以此尋找儲集層、確定孔隙度的一類測井方法，包括熱中子測井、補償中子測井和超熱中子測井（井壁中子）測井，統(tǒng)稱為中子孔隙度測井。 2022-2-20測井方法24 中子孔隙度測井（neutron porosity logging）：用點狀同位素中子源照射地層，用中子探測器測量熱中子計數(shù)率，并將計數(shù)率轉(zhuǎn)化為視石灰?guī)r孔隙度的一種中子測井方法。 井壁中子（sidewall neutron porosity lo

15、gging）SNP； 補償中子(compensated neutron porosity logging) CNL。 第二節(jié)第二節(jié) 超熱中子測井超熱中子測井 2022-2-20測井方法25z一、超熱中子測井的基本原理z二、決定熱中子計數(shù)率的因素z三、井壁中子孔隙度環(huán)境校正z四、井壁中子孔隙度的響應(yīng)方程 第二節(jié)第二節(jié) 超熱中子測井超熱中子測井 2022-2-20測井方法26一一 超熱中子測井的基本原理超熱中子測井的基本原理 井壁中子測井：（源，探測器裝在貼井壁的滑板上，測量超熱中子計數(shù)率來反映地層含H指數(shù)） 1、源距和超熱中子探測超熱中子探測 超熱中子計數(shù)率與源距的關(guān)系類似熱中子計數(shù)率與源距的關(guān)

16、系：零源距，長源距，短源距。但零源距的大小會比熱中子的零源距略小。 其中：短源距對含氫指數(shù)分辨率太低，一般不用；源距增加，對氫含量分辨率增加。2022-2-20測井方法27 探測器為選擇記錄超熱中子，采取兩項措施： (1)探測器外加熱中子吸收劑（鎘）作屏蔽層目的：吸收熱中子； (2)屏蔽層與探測器之間加減速器（塑料，石蠟等高H物質(zhì)）目的：使穿過屏蔽層的超熱中子迅速變?yōu)闊嶂凶印?2、測量方式 貼井壁測量。 一一 超熱中子測井的基本原理超熱中子測井的基本原理2022-2-20測井方法283、測量原理 同位素中子源發(fā)出快中子，在地層中的運動和地層中的各種原子核發(fā)生彈性散射，而逐漸損失能量、降低速度，

17、成為超熱中子，探測超熱中子密度，轉(zhuǎn)化為計數(shù)率，以此尋找儲集層、確定孔隙度的測井方法。 一一 超熱中子測井的基本原理超熱中子測井的基本原理2022-2-20測井方法294、儀器刻度 刻度原因：不同儀器（源距，探測器），導(dǎo)致計數(shù)率變化。 休斯頓大學(xué)的API中子測井標(biāo)準(zhǔn)井：三個孔隙不同的純石灰?guī)r地層（厚為6英尺，由6塊厚為1英尺、寬為5英尺的六面體組成），井眼居中，井徑7.875“，規(guī)定：把儀器零線與=19%的Indiana石灰?guī)r的曲線幅度之差的千分之一規(guī)定為一個API中子測井單位。5、曲線 井壁中子曲線記為SNP或SWN ，單位石灰?guī)r孔隙度單位。 一一 超熱中子測井的基本原理超熱中子測井的基本原理

18、2022-2-20測井方法30二二 決定熱中子計數(shù)率的因素決定熱中子計數(shù)率的因素 1、巖性的影響 快中子的減速過程過程，取決于地層中原子核的種類及其數(shù)量，不同靶核與中子發(fā)生彈性散射的截面不同，每次散射的平均能量損失不同，因而，它們的減速長度不同。在孔隙度相同的情況下，由下表和下頁圖可知，不同巖性的地層，快中子的減速長度不同。曲線關(guān)系近似差值（%）可能的估價物質(zhì)DN40巖鹽DN56砂巖D=N石灰?guī)rDN8.13白云巖DN16硬石膏DN1030泥巖DN28石膏2022-2-20測井方法31二二 決定熱中子計數(shù)率的因素決定熱中子計數(shù)率的因素2022-2-20測井方法322、孔隙度的影響 在地層中所有的

19、核素中，氫核減素能力最強，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其它核素。因此，地層的減速能力取決于地層中氫的含量，氫主要存在于孔隙流體中，因此，孔隙度增大，減速能力增強。 二二 決定熱中子計數(shù)率的因素決定熱中子計數(shù)率的因素2022-2-20測井方法333、源距對計數(shù)率的影響 孔隙度、巖性不同，造成超熱中子的空間分布不同，孔隙度增大，減速長度越小，則在源附近的超熱中子越多；相反，孔隙度越小，減速長度越大，則離源較遠(yuǎn)的空間超熱中子越多。探測器到源之間的距離稱為源距，因此：探測器離源較近：孔隙度越大，計數(shù)率越高，對應(yīng)長源距探測器離源較遠(yuǎn)：孔隙度越大，計數(shù)率越高，對應(yīng)短源距探測器離源某一位置：計數(shù)率與孔隙度無關(guān)，對應(yīng)零源距 實際

20、應(yīng)用的均為長源距中子測井。 二二 決定熱中子計數(shù)率的因素決定熱中子計數(shù)率的因素2022-2-20測井方法344、地層的含氫指數(shù) 氫是地層中最重要的減速劑，因此，氫含量的高低決定了地層的減速能力，實際用含氫指數(shù)來反映地層中氫元素的多少。任何物質(zhì)單位體積（1立方厘米）的氫核數(shù)與同樣體積淡水氫核數(shù)的比值。 根據(jù)規(guī)定，淡水（純水）含氫指數(shù)為1，而任何其它物質(zhì)的含氫指數(shù)將與其單位體積內(nèi)的氫核數(shù)成正比。二二 決定熱中子計數(shù)率的因素決定熱中子計數(shù)率的因素2022-2-20測井方法35式中：介質(zhì)密度，g/cm3； x介質(zhì)分子中的氫原子數(shù)； M介質(zhì)的分子量； K比例常數(shù)。 對于水：=1，x=2，M=18 （水分

21、子），規(guī)定其含氫指數(shù)為1，則1=K*2/18，得K=9，故：物質(zhì)的含氫指數(shù)為 二二 決定熱中子計數(shù)率的因素決定熱中子計數(shù)率的因素即：MxKHMxH92022-2-20測井方法36(1)飽和淡水純石灰?guī)r的含氫指數(shù) 孔隙度為的石灰?guī)r，則含氫指數(shù)為： H=Hma(1-)+Hw 中子孔隙度測井儀在飽和淡水的純石灰?guī)r刻度井中進行含氫指數(shù)刻度，使它測量的含氫指數(shù)即為飽和淡水純石灰?guī)r的。這里，也就人為的將巖石骨架的含氫指數(shù)定為0，也就是沒有考慮石灰?guī)r骨架的減速能力。若孔隙度為，則含氫指數(shù)為：Hw=1=，將中子孔隙度測井得到的含氫指數(shù)記為N ，并稱為中子孔隙度，其單位是石灰?guī)r孔隙度單位。 二二 決定熱中子計數(shù)

22、率的因素決定熱中子計數(shù)率的因素2022-2-20測井方法37 飽和淡水地層：砂巖：N略小于； 白云巖：N略大于； 石灰?guī)r：N等于； 以上是骨架宏觀減速能力不同造成（砂巖骨架的宏觀減速能力小于石灰?guī)r，白云巖骨架的減速能力大于石灰?guī)r），這種差別是中子測井的巖性影響，也是識別巖性的依據(jù)。 二二 決定熱中子計數(shù)率的因素決定熱中子計數(shù)率的因素2022-2-20測井方法38(2)油氣的含氫指數(shù) 液態(tài)烴與水的含氫指數(shù)相近，而天然氣的含氫指數(shù)很低，且隨溫度和壓力而變。 對分子式為CHx（分子量12+x），密度為h的烴： 二二 決定熱中子計數(shù)率的因素決定熱中子計數(shù)率的因素hxxHh129 對以CH4為主的天然氣

23、（g0.25），上式近似為 Hg=2.2g2022-2-20測井方法39對以CnHnx為主的石油，根據(jù)原油化學(xué)分析有： x=4-2.5g 則： 二二 決定熱中子計數(shù)率的因素決定熱中子計數(shù)率的因素oooHo)5 . 2165 . 24(9如o=0.85g/cm3，Ho=1.034。 2022-2-20測井方法40(3)與有效孔隙度無關(guān)的含氫指數(shù) a. 泥質(zhì)：束縛水、粘土礦物結(jié)晶水、泥質(zhì)具有很高的含氫指數(shù)（純泥巖的中子孔隙度作為泥質(zhì)的含氫指數(shù)），取決于泥質(zhì)孔隙體積和礦物成分。 b. 石膏：CaSO42H2O ，其孔隙度為零，但含氫指數(shù)約為0.49，得到的中子孔隙度為49%。 c. 巖性影響：純砂巖

24、的骨架含氫指數(shù)為-0.010.05，白云巖為0.010.085，石灰?guī)r為0。 二二 決定熱中子計數(shù)率的因素決定熱中子計數(shù)率的因素2022-2-20測井方法41 (4)挖掘效應(yīng) 沖洗帶有殘余油氣的純石灰?guī)r，有：，當(dāng)忽略巖性影響時，此式也可作為一般純巖石的含氫指數(shù)。 實際測井表明，輕烴對中子孔隙度測井的影響比上式嚴(yán)重。 假設(shè)Hh=0，則：n=xo，而把含天然氣的孔隙作為巖石骨架。但實際中測井中，含氣時，時常有Nxo，這表明：天然氣含氫濃度太低，以至把含天然氣的孔隙體積作為骨架還不足以說明天然氣影響（天然氣對快中子的減速能力比石灰?guī)r骨架還低，將顯示為負(fù)的含氫指數(shù)），我們把油氣對中子孔隙度測井的這種影響，稱為中子孔隙度測井的挖掘效應(yīng)。 二二 決定熱中子計數(shù)率的因素決定熱中子計數(shù)率的因素2022-2-20測井方法42三三 井壁中子孔隙度環(huán)境校正井壁中子孔隙度環(huán)境校正 刻度的標(biāo)準(zhǔn)條件：地層水井液為淡水，井徑7.875，溫度為75華氏度，壓力1個大氣壓，井壁無泥餅，不符合條件的，原則上講都必須校正。 (1)井徑校正； (2)水墊校正，滑板與地層間泥漿； (3)泥餅校正（普通泥漿，重晶石泥漿），泥餅厚度確定； (4)礦化度校正，影響不大； (5)溫度壓力校正（高溫使減速能力降低，高壓又使減速能力增強），校