中子測井(Neutron log)1 油礦地球物理測井 教學課件

1、第九章 中子測井(Neutron log)屬于放射性測井，它是利用巖石中含氫量來研究巖石性質(zhì)和孔隙度的一種測井方法。下井:中子源中子進入巖層,同物質(zhì)原子核發(fā)生碰撞、減速、 散射、被俘獲的情況與地層H含量有關(guān)據(jù)記錄內(nèi)容分為(即探測對象不同分為)：中子-中子測井 neutron-neutron logging中子-伽瑪測井 neutron-gamma log中子壽命測井 netruon lifetime log中子-中子測井又分為：補償中子測井CNL、井壁中子測井SNP 普通中子測井常用中子源有：釙-鈹中子源、镅-鈹中子源、鐳-鈹中子源放射性元素放出42He與鈹反響放出中子，氫原子核俘獲中子的核反

2、響94Be+42He136C126C+10n+r11H+10n=21H+r另脈沖中子源31H +21H=01n +42He + 17.6mev14Mev用于非彈性散射伽瑪能譜測井及中子壽命測井高能快中子：能量10萬電子伏特中能中子：100ev-10萬電子伏特慢中子：100電子伏特0.1100電子伏特為超熱中子0.025電子伏特中子為熱中子一、中子與物質(zhì)的相互作用由中子源收射出來的快中子與組成物質(zhì)的原子核發(fā)生作用，分以下幾個階段。平均14Mev快中子碰撞原子核-發(fā)生彈性散射中子一局部能量傳給原子核，成為原子核動能，中子能量減少，運動速度降低-繼續(xù)碰撞其它原子核.反復屢次，能量不斷損失，速度不斷減

3、慢，最后中子成為熱中子，此過程為快中子的減速過程。中子變?yōu)闊嶂凶雍螅拖蠓肿訜徇\動一樣在物質(zhì)中進行擴散，此時再與原子核發(fā)生碰撞時，失去和得到的能量幾乎相等。巖石中不同元素對中子產(chǎn)生彈性散射幾率(散射截面)不同，H元素彈性散射截面最大。不同元素減速能力不同，輕原子核對中子減速起主要作用，特別是氫原子核與H碰撞，減速成熱中子過程最快，因此，高含H巖石中，快中子將很快減速成熱中子。中子測井據(jù)此來探測含氫量多少，并進而判斷油氣地層。“減速長度-用來描述快中子變?yōu)闊嶂凶拥臏p速過程。減速長度定義為由快中子減速成熱中子所經(jīng)過的直線距離的平均值，單位為厘米。介質(zhì)含氫越多，減速長度越短。也說明氫元素對快中子的減

4、速能力最大。減速長度主要由含氫量決定。氫原子核俘獲中子的核反響：11H +10n21H + r熱中子擴散時，在原子核周圍停留時間相對較長，易被原子俘獲。中子通過物質(zhì)時和原子核發(fā)生某種核反響幾率大小，引用有效截面的概念。設在單位體積中有n個原子核。每個原子核以面積為的圓形靶代替。靶的面積大小是這樣選定的，即當入射的中子進入靶內(nèi)時，就遭到碰撞而發(fā)生某種反響。面積稱為有效截面。有效截面的概念原子核的幾何截面。發(fā)生散射過程的有效截面稱為散射截面。發(fā)生俘獲過程的有效截面稱為俘獲截面。發(fā)生兩種過程的總有效截面為全有效截面。單位體積物質(zhì)的有效截面為各個原子核有效截面的總和，稱為宏觀有效截面。單個原子核的有效

5、截面，通常叫微觀有效截面。它是中子能量的一個比較復雜的函數(shù)。熱中子被元素原子核俘獲幾率取決于元素俘獲能力，通常用俘獲截面來量度，單位巴。氯元素特別是硼的俘獲截面很大元素原子核俘獲熱中子之后，處于激發(fā)態(tài)，當它回到穩(wěn)定基態(tài)時，多余能量以伽瑪射線的形式釋放出來，該射線為俘獲伽瑪射線。不同元素俘獲后放出的能量不同。cl放出能量高達7MeV，因此cl存在時，而被氫吸收后所放出的rMeV。氯元素存在，測熱中子數(shù)顯著減少。而俘獲伽瑪射線卻又會普遍上升，所以用能譜測井儀能更清楚地根據(jù)cl的含量區(qū)分油層和水層，因為cl大局部存在于地層水中，在油層中很少見。二、中子-中子測井原理1.中子-熱中子測井熱中子密度取決

6、于介質(zhì)對中子的減速特性介質(zhì)對中子的俘獲特性H一定，r大，熱中子密度分布變化由快漸緩慢，含H高時過程快。r小(40cm)，含H高介質(zhì)中，熱中子密度相對大。 r40cm，含H高介質(zhì)中，熱中子密度相對大。 r=40cm，含H高介質(zhì)中，熱中子密度幾乎相等，這一距離為“零源距。熱中子讀數(shù)隨含氫量增高呈指數(shù)規(guī)律降低，在巖石中，含H量直接反映著孔隙度的大小，因此lgN=a+b b-儀器常數(shù) a-與井徑、源距等有關(guān)的參數(shù) N-中子計數(shù)率假設存在cl時，熱中子被強吸收，N小，不能用此計算孔隙度為取消影響、采用補償 長、短-源距法lgNL=-a1+b+c cl(氯)測結(jié)果 lgNS=-a2+b+c lgNL/NS

7、=(a1-a2)用熱中子探測器，由普通閃爍計數(shù)器涂上鋰、硼粒子熒光收光電脈沖記錄快中子超熱中子過程只與介質(zhì)的減速特性有關(guān)，與俘獲特性無關(guān)，因此其測量結(jié)果更能直接反映地層的含氫量。也就能準確地反映地層的孔隙度。記錄超熱中子探測器，是由熱中子管外壁上加一層石蠟和一層鎘，鎘為吸收周圍熱中子，只讓超熱中子通過，石蠟使超熱子熱中子記錄。為了減小井孔影響熱中子，采用貼井壁形式測量，稱為：井壁超熱中子測井或“井壁中子測井，同樣以石灰?guī)r孔隙為單位進行記錄。三、中子-伽瑪測井原理測量原子核俘獲熱中子之后放出的俘獲伽瑪射 線的強度。強度與兩因素有關(guān)：巖石對中子減速能力 H對熱中子俘獲能力 cl中子-r探測主要是巖

8、石中的H和cl的含量。H測中子-伽瑪射線強度H、cl 強度cl對中子-r影響結(jié)果與其對熱中子測井影響相反 四、應用、巖性=N-(N)ma/(N)f-(N)ma - 總孔隙度，如地層中含泥質(zhì)、含氣體那么為視孔隙度2.判斷氣層，確定油、氣、水界面天然氣中含氫量比水和油中含氫量低得多，因此氣層中子測井顯示比油、水層幅度高，與致密巖性高值區(qū)別在于聲波(周波跳躍)，微電極(是否分開等)。低礦化度地層中，油水在中子-r曲線上特征相同難以分開。高礦化度地層水中，由于cl作用，使中子-r能量高、吸收大、區(qū)分油水層、劃分界面。r曲線進行射孔定位。中子-r+其它=確定油層位置射孔六、刻度祝石灰?guī)r刻度*巖性：幾種常

9、見巖石的中子曲線反映如下：泥巖：泥巖總孔隙度大，含有大量吸附水和結(jié)晶水，在中子-中子及中子-r測井曲線上均顯示為低值。特別是在泥巖段井徑常擴大，熱中子密度和次生r射線強度進一步降低。泥巖在自然r曲線上顯示為高值，兩者結(jié)合，易把這和大孔隙度的滲透層區(qū)分開。膠結(jié)很好致密砂巖、致密灰?guī)r、白云巖和硬石膏，中子-中子和中子-r曲線上顯示均為高值，而自然r曲線上為低值。含有低礦化度地層水的滲透性砂巖和裂隙石灰?guī)r：中子-中子和中子-r測井曲線上顯示為中等數(shù)值。自然r曲線顯示為低值，隨孔隙度增大或含泥質(zhì)增多，中子測井讀數(shù)降低，自然r測井隨泥質(zhì)增多而升高?？紫吨谐錆M高礦化度地層水砂巖和石灰?guī)r：中子-中子測井讀數(shù)

10、低中子-r讀數(shù)高cl，自然r測井曲線顯示為低值。孔隙中充滿天然氣的砂巖和石灰?guī)r：中子-中子和中子-r測井曲線顯高值，自然r測井顯低值。石膏層：中子-中子和中子-r測井曲線上顯低值，自然r上為低值(含結(jié)晶水)巖鹽層：中子-中子低值，中子-r高值。中子測井確定地層的孔隙度中子測井讀數(shù)是和巖石中含氫的總量有關(guān)，所以它反映的是總孔隙度。含氫指數(shù)：單位體積中的氫原子數(shù)與單位體積純水中氫原子數(shù)之比。VH= VmaHma+VHf、ma、f中子孔隙度與含氫指數(shù)呈正比N=(1- )(N)ma+ (N)f=(N-(N)ma)/(N)f-(N)ma)一般N刻度是用石灰?guī)r刻度的流體(水)的中子孔隙度(N)f=1(N)

11、ma對于不同巖石，不同中子測井法、有不同的值，見表2-6。地層為含油氣純地層N=(1- )(N)ma+(N)mf(1-Shr)+Shr(N)hr =N-(N)ma)/(N)mf-(N)ma) -(Shr (N)hr-(N)mf)/(N)mf-(N)ma)=N/(1+Shr(N)hr-(N)mf)/(N)mf-(N)ma)N=(N-(N)ma)/(N)mf-(N)ma)為中子測井視孔隙度有油氣影響對，N減小，計算孔隙度低。利用上求時，對于油( N)hr=油-1.03對于氣(氣油和汽分別表示油和氣的密度如果單礦物加泥質(zhì)時用(N)sh表示泥質(zhì)的中子孔隙度，假設孔隙中充滿水時=(N-(nma/(N)f

12、-(N)ma-SH(N)sH-(N)ma(Nf-N)ma假設探測范圍內(nèi)充填泥漿濾液和剩余油氣時= (N-(N)ma/(N)mf-(N)ma -SH(N)sh-(N)ma)/(N)mf-N)ma) -Shr(N)hr-(N)mf)/(N)mf-(N)ma)=(N-SH(N)sh-(N)ma)/(N)mf-(N)ma) /(1+Shr(N)hr-(N)mf)/(N)mf-(N)ma)中子測井孔隙度*用中子測井計算的孔隙度是地層的含氫孔隙度或總孔隙度，當?shù)貙又杏泻瑲淞亢芨叩氖啻嬖跁r，計算的孔隙度比實際值偏高，此時，需求石膏含量加以校正。一、中子壽命測井一)根本知識脈沖狀態(tài)工作中子源，研究中子暫態(tài)分

13、布中子源：提供140Mev高能中子流中子源每發(fā)出一次脈沖中子流。就可看到快中子與地層作用，從減速到吸收隨時間發(fā)生的不同作用所產(chǎn)生的r射線，在時間上也表現(xiàn)出先后次序。高能中子進入地層非強性散射+放伽瑪射線+熱中子俘獲r射線消失活化r射線分析非彈性散射r射線能譜、研究某些對指示油水層有意義的元素，如等快中子非彈性散射伽瑪r能譜油井C/O。研究熱中子俘獲伽瑪r射線強度的衰減，可求熱中子衰減時間，確定巖層對中子的吸收性質(zhì)中子壽命測井與地層中吸收性強的cl含量有關(guān)。所以是區(qū)分油、水層，劃分油水界面，了解含水飽和度Sw、含油飽和度So(巖性、孔隙度、和地層水礦化度下)重要方法硅測井區(qū)分砂巖與碳酸巖CO2-

14、3(高阻砂碳酸巖)為利用非彈性散射-區(qū)分油氣水必取反響截面大、元素數(shù)量多、特征r射線、易區(qū)分元素來進行一般Mg、Fe、C的大，但一般砂巖中Mg、Fe含量少、宏觀截面不大。氧和硅Si雖然不太大，但含量高，所以宏觀截面大，只要儲層中孔隙度變化不大，硅在油、水層中含量一樣硅與巖性有關(guān)與孔隙有關(guān)氧：與巖性關(guān)系不大，其數(shù)量主要與地層中含油量與含水量有關(guān)，含水時氧含量高碳：與地層中含油與否有關(guān)特征譜：非彈r射線能量氧：6.19兆中子伏特碳：4.42兆中子伏特 區(qū)分油、水層C/O與So關(guān)系 (二)活化測井穩(wěn)定同位素被中子源照射放射性 次生的同位素活化穩(wěn)定同位素類型含量與巖性、孔隙度有關(guān)，因此應用此方法可以確

15、定巖性和放射性同位素分析三種性質(zhì)：1)活化反響截面所決定的射線強度；2)半衰期(適中)；3)射線的能譜特殊主要造巖礦物中：O16 Al27 Si28O16(n,p)N16 Al37(n,p)Mg27 Si28(n,p)Al28活化元素半衰期與特征能譜Si/ Al 測井巖性Al測井確定泥質(zhì)含量到達GR與SP效果Al/Si二、能譜測井某一能量范圍及假設干能量范圍時線強度自然伽瑪能譜測井U、Th、K中子俘獲伽瑪射線能譜法cl中子非強性散射伽瑪射線能譜法O/C中子源發(fā)出高能中子與地層元素發(fā)生非常性散射，地層中局部原子核被激發(fā)產(chǎn)生r射線。中子活化伽瑪射線能譜法Si中子源發(fā)出高能中子與地層元素發(fā)生非彈性散

16、射，地層中局部原子被激了產(chǎn)生r射線。地層中各主要造巖元素的中子非彈性散射微觀散射截面和特征的r射線的能量，如下表所示。另Na、Cl、P、Al、K其中非彈性散射截面都很小。(二)根本理論熱中子壽命測井通過研究俘獲r射線來了解巖層吸收性質(zhì)，它的根本理論是要說明熱中子空間-時間分布與反映介質(zhì)吸收性質(zhì)的中子壽命值之間關(guān)系。熱中子的空間-時間分布滿足擴散方程(三)解釋方法1.影響中子壽命測井結(jié)果的因素1)擴散效應：實驗室實驗結(jié)果指出，擴散作用將使中子密度數(shù)據(jù)，降低數(shù)值和巖石孔隙有關(guān)，低孔地層中，降低可能25%補償：巖石骨架俘獲截面=真俘獲截面的1.6倍2)井眼條件影響，快中子熱中子分布。井眼消失，井眼影響不大且T2、T3時，曲線比值井眼消失雖d大或含鹽。3)侵入影響有效研究半徑R=2.1KF(Dt.KF) D-取決于介質(zhì)的H含量4)壓力和溫度：溫度和壓力只對含天然氣地層的一產(chǎn)生影響，流體侵入無法確定孔隙度，侵入消失那么可以確定5)層厚影響h3-4英尺 3-4ft2.確定Sw1)ma確定 實驗室、經(jīng)驗值，交會圖2)w：礦化度離子類型 Nacl溶液3)h油氣 氣(油、壓、成份)g=rg)4)sh臨近泥巖層確定3.劃分油氣水界面上油氣下水將有(N油N水=e-t(油-水)N油N水=油水差異大時劃分氣油水界