第10章脈沖中子測井

1、第十章 脈沖中子測井 第九章講了中子測井，希望同學(xué)們掌握中子與地層相互作用，即中子測井的核物理基礎(chǔ)；掌握中子孔隙度測井的有關(guān)內(nèi)容，即超熱中子測井和熱中子測井，希望大家著重弄清楚補(bǔ)償中子孔隙度測井及其應(yīng)用。脈沖中子測井主要內(nèi)容: 脈沖中子測井：所謂脈沖中子指的是中子源每隔一定時(shí)間發(fā)射一定寬度的中子，照射地層，通過研究中子與地層的相互作用，以研究地層性質(zhì)。 脈沖中子測井的主要內(nèi)容 1 中子壽命測井 2 非彈性散射伽馬能譜測井 3中子活化測井§1 中子壽命測井（NLL）一、中子壽命測井 中子壽命測井（neutron lifetime log, NLL）也叫熱中子衰減時(shí)間測井(Thermal

2、 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。（？）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)。二、熱中子壽命與地層對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)刻所經(jīng)歷的平均時(shí)間。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： 當(dāng),2、宏觀俘獲截面

3、單位體積介質(zhì)中所有原子核的微觀俘獲截面之和，單位，一般定義一個(gè)基本的宏觀俘獲截面單位為，稱作俘獲單位并記作c.u.。3、與的關(guān)系表示地層的熱中子壽命，單位us；表示地層對熱中子的宏觀俘獲截面，單位cm-1； 其中A為某一待定的常數(shù)，為熱中子速度。也就是說，熱中子壽命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。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

4、的這種性質(zhì)。）三、中子壽命測井的基本原理 中子從其產(chǎn)生，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。 2. 熱中子的空間分布 熱中子產(chǎn)生后，它在地層中發(fā)生擴(kuò)散，地層中某點(diǎn)的熱中子密度按指數(shù)規(guī)律隨時(shí)間衰減： （1）式中： 衰減開始時(shí)的熱中子密度；經(jīng)過時(shí)間T的熱中子密度；巖石的熱中子壽命； 3. 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

5、伽馬射線強(qiáng)度，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； （2） T2時(shí)刻：探測器記錄的俘獲伽馬射線的計(jì)數(shù)率； （3） 將(2)式除以(3)式得: （）由（）式，對兩邊取對數(shù)得：（自然對數(shù)） 4. 用常用對數(shù)換算自然對數(shù)得： （）也就是說，如果分別在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（）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)算得到。 5. 中子壽命測井地質(zhì)意義（與地層性質(zhì)的關(guān)系來研究地層） 熱中子壽命與物質(zhì)的宏觀俘獲截面有關(guān)，即地層介質(zhì)的宏觀俘獲截面越大，則熱中子壽命越短，地層

6、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。見（P149,表9-2），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。 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)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)）四、中子壽命測井的應(yīng)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

7、含水飽和度不斷變化，油水界面向上移動(dòng) ，利用不同時(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。 看圖10-2，P160。TDT1完井后不久測量的，為實(shí)線； TDT2投產(chǎn)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。 4. 求孔隙度 對于不含油氣的純地層來說，地層的宏觀俘獲截面為：其中：為地層的宏觀俘獲截面（測井所得到）；巖石的骨架參數(shù)；巖石的流體參數(shù)； 則： 5. 求含水飽和度 (1) 如果已知，則對含油氣純地層來說：其中： 油氣的宏觀俘獲截面；整理得：式中： 巖石的宏觀俘獲截面；水的宏觀俘獲截面；孔隙度 （上述值均可查表求得） (2) 含

8、泥質(zhì)地層中：，分別為泥質(zhì)的體積含量和宏觀俘獲截面。§10-2 非彈性散射伽馬能譜測井一非彈性散射伽馬能譜測井 利用脈沖中子源向地層發(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。二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)生非彈性散射放出的伽馬射線能量是不同的，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

9、性散射伽馬能譜的。三非彈性散射伽馬能譜測井的應(yīng)用 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。我們可以通過記錄 C12和O16的非彈性散射伽馬射線的強(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)展了能譜測井。也就由來確定儲(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： 1確定含油飽和度 一般根據(jù)和含油飽和度的關(guān)系曲線來確定，見圖（10-4），P162。給定可由其它孔隙度測井資料得到；對應(yīng)對應(yīng)一個(gè) 2利用測井曲線劃分水淹層 利用在油、水層的差別可知，如果油層被

10、水淹，則對于水淹層下降，這也是劃分水淹層的依據(jù)。見圖10-6，P163 A、B層的曲線幅度明顯低于它們中間油層的幅度，說明A、B被水淹。3. 以定性指示巖性 假如記錄、的非彈性散射伽馬能譜，則可得到比。 砂巖的主要成分 石灰?guī)r的主要成分 因此，可由比劃分巖性。3. 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)。 孔隙度指數(shù)=§10-3 中子活化測井一中子活化測井的基本原理 1. 活化的概念 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，可以用來識別地層中存在的核素及濃度。二活化測井的幾種類型 1硅測井 利用高能快中子使儲(chǔ)層骨架中的硅活化,放出活化伽馬射線,并測量其強(qiáng)度值。（1.782）活化核反應(yīng)式：2鋁測井 快中子引起鋁核活化，放出能量為1.015和0.84的活化伽馬射線。活化核反應(yīng)式：三中子活化測井的應(yīng)用 1利用硅