醫(yī)學(xué)專題—脈沖中子測井課件

1、醫(yī)學(xué)專題脈沖中子測井第一節(jié)第一節(jié) 中子中子(zhngz)(zhngz)壽命測井壽命測井（NLLNLL）%一、中子(zhngz)壽命測井%二、熱中子壽命與地層對熱中子宏觀俘獲截面的關(guān)系%三、中子壽命測井的基本原理%四、中子壽命測井的應(yīng)用 第一頁，共三十九頁。醫(yī)學(xué)專題脈沖中子測井一一 中子中子(zhngz)(zhngz)壽命測壽命測井井 中子壽命測井（neutron lifetime log, NLL）也叫熱中子衰減時(shí)間測井(Thermal Decay Time Log)，是最早投入使用的一種脈沖中子測井。測井時(shí)，利用脈沖中子源發(fā)射高能快中子（14Mev），脈沖照射地層，用伽馬探測器探測經(jīng)地層慢化

2、產(chǎn)生的熱中子被俘獲放出的伽馬射線，根據(jù)計(jì)數(shù)率隨時(shí)間的衰減，進(jìn)而計(jì)算熱中子壽命和地層的熱中子的宏觀俘獲截面，從而研究地層性質(zhì)（特別是含油性）的一種測井方法(fngf)。在地層中，宏觀俘獲截面和熱中子壽命主要與氯的含量有關(guān)，與地層水礦化度有關(guān)。 第二頁，共三十九頁。醫(yī)學(xué)專題脈沖中子測井二二 熱中子壽命熱中子壽命(shumng)(shumng)與地層與地層對對熱中子宏觀俘獲截面的關(guān)系熱中子宏觀俘獲截面的關(guān)系 1、熱中子壽命 熱中子壽命，是指熱中子從產(chǎn)生的瞬間起到被俘獲的時(shí)刻(shk)所經(jīng)歷的平均時(shí)間，單位是us。計(jì)算時(shí)，它等于熱中子中的63.2%被俘獲所經(jīng)過的時(shí)間： )exp()(0tNtN當(dāng)t36

3、8. 0/ )(0NtN2、宏觀俘獲截面 單位體積介質(zhì)中所有原子核的微觀(wigun)俘獲截面之和，單位cm-1，一般定義一個(gè)基本的宏觀俘獲截面單位為10-3 cm-1 ，稱作俘獲單位并記作c.u.。 第三頁，共三十九頁。醫(yī)學(xué)專題脈沖中子測井3、與的關(guān)系 表示地層的熱中子壽命(shumng)，單位us； 表示地層對熱中子的宏觀俘獲截面，單位cm-1； 二二 熱中子壽命與地層對熱中子壽命與地層對熱中子宏觀俘獲熱中子宏觀俘獲(fhu)(fhu)截面的關(guān)系截面的關(guān)系 vA1其中(qzhng)A為某一待定的常數(shù)； 5 .45451A為熱中子速度,25oC為2.2x105cm/s。 也就是說，熱中子壽命

4、與地層對熱中子的宏觀俘獲截面成反比關(guān)系，即地層的宏觀俘獲截面越大，熱中子壽命越小。 第四頁，共三十九頁。醫(yī)學(xué)專題脈沖中子測井4、巖石的熱中子壽命和宏觀俘獲截面 常見巖石的主要礦物(kungw)的俘獲截面都很小，熱中子壽命都很長，而孔隙流體的熱中子俘獲截面比大部分骨架礦物(kungw)的大很多，因此，受到孔隙度的影響。(硼、汞等宏觀俘獲截面特別大，因此，微量的硼、汞就能使增大，目前的硼中子測井就是利用了硼的這種性質(zhì)。） 二二 熱中子壽命與地層對熱中子壽命與地層對熱中子宏觀俘獲截面熱中子宏觀俘獲截面(jimin)(jimin)的關(guān)的關(guān)系系 第五頁，共三十九頁。醫(yī)學(xué)專題脈沖中子測井三三 中子中子(z

5、hngz)(zhngz)壽命測井的基本原壽命測井的基本原理理 中子從其產(chǎn)生(chnshng)，經(jīng)過和地層原子核發(fā)生非彈性散射，彈性散射，逐漸減速為熱中子，熱中子被俘獲產(chǎn)生(chnshng)俘獲伽馬射線。 1. 熱中子壽命（） 熱中子從其產(chǎn)生到它被吸收為止經(jīng)歷的平均時(shí)間指的是統(tǒng)計(jì)概念，即熱中子從其產(chǎn)生到被吸收經(jīng)歷的時(shí)間有長、有短，我們講的是一種平均值。 第六頁，共三十九頁。醫(yī)學(xué)專題脈沖中子測井三三 中子中子(zhngz)(zhngz)壽命測井的基本原理壽命測井的基本原理n2.中子壽命測井的依據(jù)n 空間某一體積(tj)中子密度隨時(shí)間的變化率為吸收率泄漏率產(chǎn)生率-tn此式也稱為中子的守恒定律?？熘凶?/p>

6、在輕核中的減速時(shí)間f約為幾十微秒，大約在23個(gè)f，絕大多數(shù)的快中子都變成了熱中子，中子壽命測井在中子脈沖結(jié)束(jish)后200300us才開始計(jì)數(shù)，則空間所有的快中子都變成了熱中子，因而，在下次脈沖來之前，熱中子的產(chǎn)生率為0。第七頁，共三十九頁。醫(yī)學(xué)專題脈沖中子測井三三 中子中子(zhngz)(zhngz)壽命測井的基本原理壽命測井的基本原理n泄漏率是指進(jìn)出某一體積內(nèi)的中子數(shù)相抵消后造成的中子密度的變化率。在離源較近的區(qū)域，進(jìn)的少而出去(ch q)得多，對于較遠(yuǎn)區(qū)域，則是進(jìn)得多而出去(ch q)的少，選擇合適的源距，則可使泄漏率為零。則中子密度的變化率只取決于吸收率吸收率-tn而吸收率nvn

7、 Ktndtdnnln11第八頁，共三十九頁。醫(yī)學(xué)專題脈沖中子測井三三 中子中子(zhngz)(zhngz)壽命測井的基本原理壽命測井的基本原理n設(shè)t=0時(shí)，n = n0，則K=n0。則空間某一區(qū)域（點(diǎn)）不同時(shí)間(shjin)熱中子密度則表示為TeNN0此式是中子壽命(shumng)測井測量熱中子壽命(shumng)的依據(jù)。第九頁，共三十九頁。醫(yī)學(xué)專題脈沖中子測井3.不同時(shí)間熱中子的變化 熱中子產(chǎn)生后，它在地層中發(fā)生擴(kuò)散，地層中某點(diǎn)的熱中子密度(md)按指數(shù)規(guī)律隨時(shí)間衰減： 三三 中子中子(zhngz)(zhngz)壽命測井的基本原壽命測井的基本原理理TeNN0式中： N0衰減開始時(shí)的熱中子密

8、度； N經(jīng)過時(shí)間(shjin)T的熱中子密度； 巖石的熱中子壽命。第十頁，共三十九頁。醫(yī)學(xué)專題脈沖中子測井 4. 熱中子壽命的測量原理 任何時(shí)刻存在的俘獲伽馬射線的強(qiáng)度(qingd)與儀器周圍中子密度成正比。因此刻度后，我們記錄（測量）俘獲伽馬射線強(qiáng)度(qingd)，可以求得（計(jì)算出）熱中子的壽命（或地層宏觀俘獲截面）。 T1時(shí)刻：探測器記錄的俘獲伽馬射線的計(jì)數(shù)率N1； 三三 中子中子(zhngz)(zhngz)壽命測井的基本原壽命測井的基本原理理101TeNN（1）第十一頁，共三十九頁。醫(yī)學(xué)專題脈沖中子測井T2時(shí)刻：探測器記錄(jl)的俘獲伽馬射線的計(jì)數(shù)率； 三三 中子中子(zhngz)(z

9、hngz)壽命測井的基本壽命測井的基本原理原理202TeNN（2）將(1)式除以(2)式得: 1221TTeNN2112LnNLnNTT（3）由（3）式，對兩邊取對數(shù)(du sh)（自然對數(shù)(du sh)）得： 第十二頁，共三十九頁。醫(yī)學(xué)專題脈沖中子測井5. 用常用對數(shù)(chngyng-dush)換算自然對數(shù)得： 三三 中子中子(zhngz)(zhngz)壽命測井的基本原壽命測井的基本原理理2112)(*4343.0LnNLnNTT也就是說，如果(rgu)分別在T1,T2時(shí)間段內(nèi)記錄俘獲伽馬射線的計(jì)數(shù)率，則可以通過上式刻度成熱中子壽命，由熱中子壽命與地層對熱中子宏觀俘獲截面的關(guān)系，同樣可以計(jì)算

10、得到。 第十三頁，共三十九頁。醫(yī)學(xué)專題脈沖中子測井三三 中子中子(zhngz)(zhngz)壽命測井的基本原理壽命測井的基本原理n6. 地層(dcng)的宏觀截面2121lg35s300t12)lg(lg10466NNttNN，則若令伽馬計(jì)數(shù)率隨時(shí)間(shjin)的衰減如圖10-12，其中，地層衰減區(qū)的斜率決定于或，因此，應(yīng)在地層衰減區(qū)進(jìn)行N1和N2的測量。第十四頁，共三十九頁。醫(yī)學(xué)專題脈沖中子測井三三 中子中子(zhngz)(zhngz)壽命測井的基本原理壽命測井的基本原理n實(shí)際測井中N1和N2不可避免的要受到自然伽馬計(jì)數(shù)率的影響，因此，中子壽命測井采用了三個(gè)計(jì)數(shù)門，分別記錄N1、N2和Nb

11、，因此，實(shí)際上中子壽命的測量時(shí)的N1、N2應(yīng)分別對應(yīng)的是N1-Nb、N2-Nb。n熱中子密度的變化不僅是時(shí)間的函數(shù)，而且也是空間的函數(shù)。我們只是選擇了特定的源距后，進(jìn)行上述討論的。圖10-13給出了與源距的關(guān)系。當(dāng)源距大于520in，隨源距的增大而增大，當(dāng)源距為30in時(shí)，等于(dngy)的真值，而源距再大，則偏大。一般對于常見的儲(chǔ)層，源距選45cm較好，而且由于受到各種條件的限制，一般認(rèn)為測井得到的中子壽命和地層的宏觀俘獲截面稱為視值，而不是真值。第十五頁，共三十九頁。醫(yī)學(xué)專題脈沖中子測井四四 中子壽命中子壽命(shumng)(shumng)測井測量測井測量和的方法的方法n1、固定門測量法n

12、 中子的脈沖寬度、發(fā)射頻率、各個(gè)計(jì)數(shù)門的延遲時(shí)間和寬度都不變。n(1)中子脈沖寬度50us；每2500us發(fā)射一次中子脈沖；n(2)基本延時(shí)（發(fā)射脈沖1門計(jì)數(shù)），淡水(dnshu)泥漿選400us；鹽水泥漿選200us；n(3)設(shè)一個(gè)積分道和四個(gè)微分道。積分道記錄總的伽馬計(jì)數(shù)；門I II III IV寬度200us，前三個(gè)依次測量，而第四個(gè)延時(shí)2200us，記錄本底；利用門I、II確定和 ；第十六頁，共三十九頁。醫(yī)學(xué)專題脈沖中子測井四四 中子壽命測井測量中子壽命測井測量(cling)(cling)和的方法的方法n缺點(diǎn)：n(1) 中子的脈沖寬度和間隔不變，不能很好適應(yīng)地層，對于小的則應(yīng)使用較窄的

13、脈沖和較小的時(shí)間間隔；n(2)個(gè)微分道道寬相同，后面的計(jì)數(shù)率誤差(wch)較大。第十七頁，共三十九頁。醫(yī)學(xué)專題脈沖中子測井四四 中子壽命中子壽命(shumng)(shumng)測井測量測井測量和的方法的方法n2、比例因子法n 將中子壽命測井的各個(gè)時(shí)間間隔取為的整數(shù)倍，以適應(yīng)地層的變化，避免上述固定門的缺點(diǎn)，提高測量的精度。脈沖寬度為，基本延時(shí)為3，門I寬為1，其他(qt)門寬為2,中子脈沖周期為10。門I和II用來測量和，門III測量本底。n要求：保證N1/N22，使振蕩器的周期為;n 控制系統(tǒng)：根據(jù)振蕩頻率的變化適時(shí)調(diào)整各門的開門時(shí)間和寬度。第十八頁，共三十九頁。醫(yī)學(xué)專題脈沖中子測井 熱中子

14、壽命與物質(zhì)的宏觀俘獲截面有關(guān)，即地層(dcng)介質(zhì)的宏觀俘獲截面越大，則熱中子壽命越短，地層(dcng)介質(zhì)的宏觀俘獲截面是指巖石中各個(gè)核素的微觀俘獲截面的總和。 在沉積巖中，氫核素的微觀俘獲截面比其他核素的微觀俘獲截面大得多。也就是說巖石的宏觀俘獲截面主要取決于地層中氯的含量，或說取決于地層水的礦化度。 五、五、中子壽命(shumng)測井地質(zhì)意義第十九頁，共三十九頁。醫(yī)學(xué)專題脈沖中子測井六六 中子中子(zhngz)(zhngz)壽命測井的應(yīng)壽命測井的應(yīng)用用 1. 劃分油水層 礦化度較高的水層有比油層大的俘獲截面（或較小的熱中子壽命）。 2. 觀察油水或氣水界面的變化 油層在采油過程中含水

15、飽和度不斷變化，油水界面向上移動(dòng) ，利用(lyng)不同時(shí)間測量的宏觀俘獲截面或中子壽命，則可以了解油水或氣水界面變化情況。 第二十頁，共三十九頁。醫(yī)學(xué)專題脈沖中子測井TDT1完井后不久測量的，為實(shí)線；TDT2投產(chǎn)(tuchn)三年后未停產(chǎn)測得的，長虛線；TDT3投產(chǎn)三年后又停產(chǎn)四個(gè)月測得的，為小點(diǎn)線。 六中子壽命六中子壽命(shumng)(shumng)測井的應(yīng)測井的應(yīng)用用 第二十一頁，共三十九頁。醫(yī)學(xué)專題脈沖中子測井3. 求孔隙度 對于不含油氣的純地層(dcng)來說，地層(dcng)的宏觀俘獲截面為： 六六 中子壽命中子壽命(shumng)(shumng)測井的應(yīng)測井的應(yīng)用用 Wma)1

16、 (其中： 為地層的宏觀俘獲截面（測井所得到）； ma 巖石的骨架(gji)參數(shù)； w 巖石的流體參數(shù)； 則：mawma第二十二頁，共三十九頁。醫(yī)學(xué)專題脈沖中子測井4. 求含水(hn shu)飽和度 (1) 如果已知，則對含油氣純地層來說： 六六 中子中子(zhngz)(zhngz)壽命測井的應(yīng)壽命測井的應(yīng)用用 hWWWmaSS)1 ()1 (其中： k 油氣(yuq)的宏觀俘獲截面；整理得： )()(hWhmamaWS第二十三頁，共三十九頁。醫(yī)學(xué)專題脈沖中子測井式中： ma巖石的宏觀(hnggun)俘獲截面； w水的宏觀俘獲截面； 孔隙度 （上述值均可查表求得） (2) 含泥質(zhì)地層中： 六六

17、 中子中子(zhngz)(zhngz)壽命測井的應(yīng)壽命測井的應(yīng)用用 )()()()()(hwmashshhWhmamaWVSVsh，sh分別(fnbi)為泥質(zhì)的體積含量和宏觀俘獲截面。 第二十四頁，共三十九頁。醫(yī)學(xué)專題脈沖中子測井問題： 如果當(dāng)?shù)貙铀V化度較高時(shí)，即氯的含量相對較高時(shí)，那么對于水層和油層來說，水層的宏觀俘獲截面要大于油層，而熱中子壽命則小于油層。（對否？） 根據(jù)熱中子壽命測量的性質(zhì)(xngzh)研制出熱中子壽命測井。（利用中子壽命來研究地層的性質(zhì)(xngzh)） 六六 中子中子(zhngz)(zhngz)壽命測井的基本原壽命測井的基本原理理第二十五頁，共三十九頁。醫(yī)學(xué)專題脈沖中

18、子測井第二節(jié)第二節(jié) 非彈性散射伽馬能譜測井非彈性散射伽馬能譜測井 Q一非彈性散射伽馬能譜測井 Q二非彈性散射伽馬能譜測井基本原理 Q三非彈性散射伽馬能譜測井的應(yīng)用(yngyng) 第二十六頁，共三十九頁。醫(yī)學(xué)專題脈沖中子測井一一 非彈性散射伽馬能譜測井非彈性散射伽馬能譜測井 利用脈沖(michng)中子源向地層發(fā)射14 Mev的高能快中子，測量這些快中子與地層物質(zhì)的核素發(fā)生非彈性散射放出的伽馬射線的能譜的一種測井方法。 第二十七頁，共三十九頁。醫(yī)學(xué)專題脈沖中子測井二二 非彈性散射伽馬能譜測井基本原理非彈性散射伽馬能譜測井基本原理 快中子與地層中不同核素發(fā)生非彈性散射放出(fn ch)的伽馬射線

19、能量是不同的，因此，只要對不同能量的伽馬射線分別加以記錄就可以確定地層中存在某種核素和它們各自的濃度。 我們知道，中子打入地層，先要進(jìn)行非彈性散射，而后才能發(fā)生彈性散射，最后被地層俘獲，這也是中子在地層中所經(jīng)歷的三個(gè)過程。因此，如果限定一定的時(shí)間，我們是可以測量非彈性散射伽馬能譜的。 第二十八頁，共三十九頁。醫(yī)學(xué)專題脈沖中子測井三三 非彈性散射伽馬能譜測井的應(yīng)用非彈性散射伽馬能譜測井的應(yīng)用(yngyng)(yngyng) 巖石內(nèi)常見的核素中，C12和O16都具有較大的快中子非彈性散射截面，并且產(chǎn)生的非彈性散射伽馬射線均具有較高的能量。我們可以(ky)通過記錄 C12和O16的非彈性散射伽馬射線

20、的強(qiáng)度確定C、O含量，而C12和O16又是油、氣、水很好的指示元素，因此，利用非彈性散射伽馬能譜測井發(fā)展了C/O能譜測井。也就由C/O來確定儲(chǔ)層的含油飽和度。下面介紹了非彈性散射伽馬能譜測井的主要應(yīng)用。第二十九頁，共三十九頁。醫(yī)學(xué)專題脈沖中子測井1確定含油飽和度So 一般根據(jù)C/O和含油飽和度的關(guān)系曲線來確定，見右圖。 給定 可由其它孔隙度測井資料(zlio)得到；對應(yīng)C/O對應(yīng)一個(gè)So。 三三 非彈性散射伽馬能譜測井的應(yīng)用非彈性散射伽馬能譜測井的應(yīng)用(yngyng)(yngyng)第三十頁，共三十九頁。醫(yī)學(xué)專題脈沖中子測井2利用C/O測井曲線(qxin)劃分 水淹層 利用C/O在油、水層的差

21、別可知，如果油層被水淹，則對于水淹層C/O下降，這也是C/O劃分水淹層的依據(jù)。 A、B層的C/O曲線幅度明顯低于它們中間油層的幅度，說明A、B被水淹。 三三 非彈性散射伽馬能譜測井的應(yīng)用非彈性散射伽馬能譜測井的應(yīng)用(yngyng)(yngyng)第三十一頁，共三十九頁。醫(yī)學(xué)專題脈沖中子測井 3. 以Si/Ca定性指示巖性 假如記錄(jl)Si、Ca的非彈性散射伽馬能譜，則可得到Si/Ca比。 砂巖的主要成分SiO2 石灰?guī)r的主要成分CaCO3 因此，可由Si/Ca比劃分巖性。三三 非彈性散射伽馬能譜測井的應(yīng)用非彈性散射伽馬能譜測井的應(yīng)用(yngyng)(yngyng)第三十二頁，共三十九頁。醫(yī)

22、學(xué)專題脈沖中子測井4. 確定孔隙度指數(shù)和泥質(zhì)指數(shù) 用所記錄的氫、鈣、硅以及(yj)鐵的俘獲伽馬射線的計(jì)數(shù)率，計(jì)算孔隙度指數(shù)和泥質(zhì)指數(shù)。 三三 非彈性散射伽馬能譜測井的應(yīng)用非彈性散射伽馬能譜測井的應(yīng)用(yngyng)(yngyng)硅）俘獲伽馬計(jì)數(shù)率（鈣氫的俘獲伽馬計(jì)數(shù)率孔隙度指數(shù)硅）俘獲伽馬計(jì)數(shù)率（鈣鐵的俘獲伽馬計(jì)數(shù)率泥質(zhì)指數(shù)第三十三頁，共三十九頁。醫(yī)學(xué)專題脈沖中子測井第三節(jié)第三節(jié) 中子中子(zhngz)(zhngz)活活化測化測 6一中子活化測井的基本原理一中子活化測井的基本原理 6二活化測井的幾種二活化測井的幾種(j zhn)(j zhn)類型類型 6三中子活化測井的應(yīng)用三中子活化測井的應(yīng)用 第三十四頁，共三十九頁。醫(yī)學(xué)專題脈沖中子測井一一 中子中子(zhngz)(zhngz)活化測井的基本活化測井的基本原理原理 1. 活化的概念(ginin) 用脈沖中子源向地層發(fā)射14Mev的快中子，中子使地層中的某些穩(wěn)定的核素轉(zhuǎn)化成放射性核素核被活化。 2. 活化伽馬射線 活化核不穩(wěn)定，且一般半衰期較短，活化核衰變放出活化伽馬射線。注意：不同核衰變產(chǎn)生的射線的特征能量是不同的。因此，記錄不同能量的活化射線，可以用來識(shí)別地層中存在的核素