第九章++中子测井

第九章中子测井中子测井的核物理基础超热中子测井热中子测井中子伽马测井内容小结思考题一、中子和中子源1、中子中子是组成原子核不带电的微小粒子，其质量约为一个氢原子核的质量，与质子以很强的核力结合在一起，形成稳定的原子核。第一节中子测井的核物理基础中能中子（1keV---0.5MeV）；快中子（能量大于0.5MeV）根据中子能量的大小，将中子分为慢中子（0---1keV）热中子）－超热中子（eV102.0{以某种方式，给原子核以能量，引起核反应，把中子从原子核中释放出来的装置叫中子源。测井使用两类中子源：同位素中源和加速器中子源。2、中子源241237495932941214260()(5.701)AmNpHeBeHeCnQMeV412017.588DTHenMeV同位素中子源（镅－铍中子源）：加速器（脉冲）中子源（D－T中子源）：二、中子与物质的作用根据入射中子的能量，中子与物质的作用分为：1、快中子非弹性散射快中子先被靶核吸收形成复核，而后再放出一个能量较低的中子，靶核处于较高能级的激发态，激发态的靶核以伽马射线的形式释放出能量以回到基态，释放出的伽马射线为非弹性散射伽马射线，此作用为非弹性散射。结果：1）、快中子能量降低；2）、产生非弹性散射伽马射线；3）、快中子与不同靶核产生的非弹性散射伽马射线的能量不同产生的几率与中子能量有关，中子能量越高，产生的几率越大。2、快中子对原子核的活化快中子与稳定的原子核作用会发生（n，α）、（n，p）核反应。生成新的放射性核素。此作用为活化核反应。特点：活化形成的新核素，油一定的半衰期，其衰变产生的伽马射线为活化伽马射线。2828),(AlpnSi如，28Al衰变放射出伽马射线衰变式为)782.1(28142813MeVQSiAl3、快中子的弹性散射快中子撞击一个原子核，撞击后中子和靶核组成的系统的总动能不变，中子能量降低，靶核仍处于基态，此作用为弹性散射。快中子经多次弹性散射后，能量逐渐减小，最后变为超热中子和热中子。快中子与不同靶核发生弹性散射时，快中子变为超热中子或热中子所需时间不同。1)特点：224101cmb宏观弹性散射截面：1立方厘米物质原子核的微观弹性散射截面之和。s2)描述此过程的参数：s微观弹性散射截面：一个快中子和一个原子核发生弹性散射的几率，单位为巴．62dsRL减速长度：介质对快中子的减速长度与减速距离有关，其关系如式（9－1）所示。sL（9－1）其中：为减速距离，为快中子减速为热中子所移动的直线距离。dR核素钙氯硅氧碳氢9.510.1.74.24.845每次散射最大能量损失%810122128100热化所需平均散射次数37131626115011518s表9-1氢核素是最好的快中子减速核。物质对快中子的减速能力取决于物质所含核素的种类及数量。单位体积介质所含氢核素的个数越多，其减速能力越强。由表9－1得出：4、热中子的俘获热中子的俘获：热中子形成后，有高密度区向低密度区扩散，在扩散过程中，被靶核俘获，形成复核，处于激发态的复核以伽马射线的形式放出多余的能量，靶核回到基态。释放的伽马射线叫俘获伽马射线。描述靶核俘获热中子能力的参数为：扩散长度、宏观俘获截面和热中子寿命。微观俘获截面：一个原子核俘获热中子的几率叫该原子核的微观俘获截面。宏观俘获截面：1立方厘米物质原子核的微观俘获截面之和叫宏观俘获截面。扩散长度：从热中子产生到被俘获，热中子移动的直线距离为，则扩散长度定义为：tR62tdRL表9-2几种核素的微观俘获截面核素钙氯硅氧碳氢硼镉Σ（b)0.42320.160.00160.00450.3297593500其中：镉、硼核对热中子的俘获截面最大，氯核对热中子的俘获截面也比较大。的微观俘获截面49000。热中子寿命：从热中子生成到它被俘获吸收为止所经过的平均时间。它与宏观俘获截面的关系为：aatv1其中：v为热中子移动速度，常温下，v=0.22cm/μs。注：1、地层对快中子的弹性散射截面越大，则对快中子的减速能力越强，快中子的减速距离越短。氢核素的减速能力强。地层中的氢:1、地层水（孔隙，泥质）2、石油及天然气。地层中的氯：地层水（地层水矿化度）2、地层对热中子的俘获截面越大，则对热中子的俘获能力越强，热中子扩散距离及寿命越短。氯核素的俘获能力强。三、中子探测器中子探测器：利用超热中子、热中子和探测器物质的原子核发生反应，放出电离能力很强的带电离子以记录中子的装置。硼探测器、锂探测器、氦三（）探测器，它们的核反应分别为：3HeQLinB7110QTnLi16QpTnHe13第二节超热中子测井一、超热中子测井的基本原理1、基本概念源距：快中子源和超热中子探测器之间的距离。零源距：超热中子探测器的计数率不随地层减速能力的变化而变化。正源距：大于零源距的源距。此时，超热中子探测器的计数率随地层减速能力的增强而减小。中子测井一般采用正源距。2、超热中子测井仪超热中子测井仪有快中子源和超热中子探测器组成。快中子源和超热中子探测器之间的距离为源距，一般使用同位素中子源及采用正源距。为减小井眼影响，测井时，快中子源和超热中子探测器贴靠井壁。如图9-1所示。3、测量原理由快中子源发出的快中子在地层中运动，与地层中的各核素发生弹性散射，能量逐渐减小，速度降低，成为超热中子，其减速过程的长短与地层中的核素类型及数量有关。不同岩性含水地层的减速长度与孔隙度的关系如图9-2所示。图9-1、井壁中子测井仪示意图探测器井眼中子源地层图9-2：孔隙度相同时，白云岩、石灰岩、砂岩的减速长度依次增加；岩性相同，随含水孔隙度的增加，减速长度减小，减速能力增加。图9-2减速长度与孔隙度的关系（饱含水纯地层）减速长度砂岩白云岩石灰岩孔隙度超热中子在空间的分布规律：以源为球心，呈对称分布，即超热中子密度在整个球面上是相同的。距源某一距离处，超热中子密度与介质的减速能力有关，减速距离越短，则在源附近的超热中子密度越大；反之，在远处超热中子密度大。源距的选择原则：测井时一般选择长源距（正源距）。即在此源距下，超热中子计数率随地层减速能力的增加而减小。超热中子计数率与减速能力的关系曲线如图9-3所示。图9-3、计数率与含水孔隙度的关系曲线计数率孔隙度砂岩石灰岩白云岩二、超热中子测井资料应用1、测井资料的刻度中子测井仪器一级裸眼井刻度是在淡水饱和的实验室标准井眼中进行的。其条件为：井径7-7/8英寸，井内充满淡水，无泥饼且仪器贴井壁，地层处于1大气压和75℉的条件下。其标准岩性地层包括：石灰岩、砂岩和白云岩。实验井提供三个石灰岩孔隙度点，孔隙度分别为26%、19%及1.9%。2、超热中子测井的输出超热中子测井的输出为用完全含水纯石灰岩地层刻度的石灰岩中子孔隙度。如图9-4所示。图9-4、超热中子测井曲线3、测井资料的应用1）、泥饼影响由于井壁中子测井仪为贴井壁测量，因此，测量结果不受井内介质的影响，但与泥饼有关。泥饼密度为1.4时：3/cmg）47882.027296.5()901255.026126.0()00326.000088.0(2mcsnpmcsnpmccorrhhh泥饼密度为2.53/cmg）1105.0385.3()016.1245.0()00041.000853.0(2mcsnpmcsnpmccorrhhh其中：-----泥饼厚度（英寸）；----超热中子孔隙度测井仪测量的视石灰岩孔隙度。mchsnp2）、应用（1）、确定地层孔隙度超热中子测井得到的地层孔隙度为视石灰岩孔隙度，其大小反映地层相对于方解石对快中子的减速能力。因此，其大小与地层岩性、孔隙流体性质有关。A、岩性：孔隙度为零的纯砂岩和白云岩，其视石灰岩孔隙度分别为-3.5%和5%。另外，石膏和泥岩的视石灰岩孔隙度比较大，前者为45%，后者大约为35%。B、孔隙流体性质：由于不同浓度的盐水、石油及天然气与淡水的减速能力不同，因此，当地层内含有这些流体时，测量的视石灰岩孔隙度与它们在孔隙内的相对含量有关。特别是当孔隙内含有天然气时，由于天然气的减速能力特别弱，致使测量的视石灰岩孔隙度特别低，即由“挖掘效应”所致。岩性影响校正图版如图9-5所示，0432.3047.10014.02snpsnpcorr砂岩：2494.18278.00034.02snpsnpcorr白云岩：图9-5、超热中子测井孔隙度岩性校正图版井壁中子测井孔隙度已知岩性的真孔隙度砂岩白云岩石灰岩孔隙流体影响的校正公式：)1(17.067.1)1(ppsmfhmfhrsnp其中：P-泥浆矿化度；。测井响应与校正量之和等于地层孔隙度。7.0h图9-6超热中子---密度测井交会图井壁中子孔隙度体积密度白云岩石灰岩砂岩天然气校正方向（2）、确定地层孔隙度和岩性中子孔隙度与声波时差或密度测井组合构成交会图，可以确定地层岩性及孔隙度。如图9-6所示。（3）、估计油气密度当地层含有天然气时，地层密度减小，密度孔隙度增加，而井壁中子孔隙度减小。应用二者比与油气饱和度及油气密度的关系，即可估计油气密度。如图9-7所示。图9-7、用估计油气密度图版DN/油气饱和度油气密度DN/（4）、定性指示高孔隙度气层当地层含有天然气时，地层密度减小，密度孔隙度增加，而井壁中子孔隙度减小。由此，在含气高孔隙地层，两条曲线出现明显的分离，如图9-8所示。图9-8、与曲线重叠显示气层ND高孔隙度无侵入低孔隙度无侵入高孔隙度被侵入低孔隙度被侵入泥质砂岩密度孔隙度中子孔隙度第三节补偿中子测井一、补偿中子测井的补偿原理补偿中子测井一是通过测量热中子计数率，确定地层的减速能力，判断地层岩性和计算地层孔隙度的一种测井方法。方解石淡水石英白云石泥岩石膏硬石膏常见介质对快中子的相对减速能力影响热中子计数率的因素：1）、源距源距一定的热中子探测器测量的热中子数与热中子在地层中的分布有关。（正源距）2）、地层对快中子的减速能力。地层减速能力越强，接收器的热中子计数率越低。3）、地层对热中子的俘获能力。地层对热中子的俘获能力越高，接收器的热中子计数率越低。图9-9补偿中子测井示意图减速阶段热运动阶段地层井眼长源距探测器短源距探测器中子源1、井下仪补偿中子测井仪如图9-9所示。一个快中子源、两个距源不同距离的热中子探测器。测井时仪器居中测量。2、补偿原理测井时，快中子源产生快中子，快中子打入地层后，与地层中的各种核素产生弹性散射，能量逐渐减弱，变为超热中子和热中子。在均匀无限介质中，点状快中子源产生的热中子的分布为：其中：-----热中子计数率；r----探测器到中子源的距离（源距）；D---扩散系数；、--分别为减速长度和扩散长度；K---与仪器有关的系数。tNSLdL)()(4)(/222rereLLDKLrNdsLrLrdsdt孔隙度超热中子参数热中子参数(%)L(cm)D(cm)淡水盐水L(cm)D(cm)L(cm)D(cm)317.891.414.31.0713.11.081113.785.410.70.7428.50.752311.580.47.70.5145.60.5233410.577.06.20.3934.20.401509.173.65.80.2983.10.3041007.068.82.80.1671.70.171表9-3实验及计算的中子参数L、D分别为减速长度和扩散长度从表9-3知：超热中子的减速长度小于扩散长度(L﹤D)；热中子的减速长度大于扩散长度(L﹥D)。当源距足够大时，两个探测器热中子计数率之比仅于地层的减速能力有关。sLrrtterrrNrN/)(212121)()(３、补偿中子测井的输出补偿中子测井的输出为用饱含水的石灰岩刻度的石灰岩孔隙度。N方解石淡水石英白云石泥岩石膏硬石膏地层对快中子的减速能力越强,其值越大.与地层岩性、孔隙流体性质、孔隙度有关。图9-10补偿中子测