第10章脉冲中子测井.ppt

第十章 脉冲中子测井,第一节 中子寿命测井（NLL） 第二节 非弹性散射伽马能谱测井 第三节 中子活化测井,脉冲中子测井：所谓脉冲中子指的是脉冲中子源每隔一定时间发射一定宽度的中子，照射地层，通过研究中子与地层的相互作用，以研究地层性质。,第一节 中子寿命测井（NLL）,一、中子寿命测井 二、热中子寿命与地层对热中子宏观俘获截面的关系 三、中子寿命测井的基本原理 四、中子寿命测井的应用,一 中子寿命测井,中子寿命测井（neutron lifetime log, NLL）也叫热中子衰减时间测井(Thermal Decay Time Log)，是最早投入使用的一种脉冲中子测井。测井时，利用脉冲中子源发射高能快中子（14Mev），脉冲照射地层，用伽马探测器探测经地层慢化产生的热中子被俘获放出的伽马射线，根据计数率随时间的衰减，进而计算热中子寿命和地层的热中子的宏观俘获截面，从而研究地层性质（特别是含油性）的一种测井方法。在地层中，宏观俘获截面和热中子寿命主要与氯的含量有关，与地层水矿化度有关。,二 热中子寿命与地层对 热中子宏观俘获截面的关系,1、热中子寿命 热中子寿命，是指热中子从产生的瞬间起到被俘获的时刻所经历的平均时间，单位是us。计算时，它等于热中子中的63.2%被俘获所经过的时间：,当,2、宏观俘获截面 单位体积介质中所有原子核的微观俘获截面之和，单位cm-1，一般定义一个基本的宏观俘获截面单位为10-3 cm-1 ，称作俘获单位并记作c.u.。,3、与的关系 表示地层的热中子寿命，单位us； 表示地层对热中子的宏观俘获截面，单位cm-1；,二 热中子寿命与地层对 热中子宏观俘获截面的关系,其中A为某一待定的常数；,为热中子速度,25oC为2.2x105cm/s。,也就是说，热中子寿命与地层对热中子的宏观俘获截面成反比关系，即地层的宏观俘获截面越大，热中子寿命越小。,4、岩石的热中子寿命和宏观俘获截面 常见岩石的主要矿物的俘获截面都很小，热中子寿命都很长，而孔隙流体的热中子俘获截面比大部分骨架矿物的大很多，因此，受到孔隙度的影响。(硼、汞等宏观俘获截面特别大，因此，微量的硼、汞就能使增大，目前的硼中子测井就是利用了硼的这种性质。）,二 热中子寿命与地层对 热中子宏观俘获截面的关系,三 中子寿命测井的基本原理,中子从其产生，经过和地层原子核发生非弹性散射，弹性散射，逐渐减速为热中子，热中子被俘获产生俘获伽马射线。 1. 热中子寿命（） 热中子从其产生到它被吸收为止经历的平均时间指的是统计概念，即热中子从其产生到被吸收经历的时间有长、有短，我们讲的是一种平均值。,三 中子寿命测井的基本原理,2.中子寿命测井的依据 空间某一体积中子密度随时间的变化率为,此式也称为中子的守恒定律。快中子在轻核中的减速时间f约为几十微秒，大约在23个f，绝大多数的快中子都变成了热中子，中子寿命测井在中子脉冲结束后200300us才开始计数，则空间所有的快中子都变成了热中子，因而，在下次脉冲来之前，热中子的产生率为0。,三 中子寿命测井的基本原理,泄漏率是指进出某一体积内的中子数相抵消后造成的中子密度的变化率。在离源较近的区域，进的少而出去得多，对于较远区域，则是进得多而出去的少，选择合适的源距，则可使泄漏率为零。则中子密度的变化率只取决于吸收率,而吸收率,三 中子寿命测井的基本原理,设t=0时，n = n0，则K=n0。,则空间某一区域（点）不同时间热中子密度则表示为,3.不同时间热中子的变化 热中子产生后，它在地层中发生扩散，地层中某点的热中子密度按指数规律随时间衰减：,三 中子寿命测井的基本原理,式中： N0衰减开始时的热中子密度； N经过时间T的热中子密度； 岩石的热中子寿命。,4. 热中子寿命的测量原理 任何时刻存在的俘获伽马射线的强度与仪器周围中子密度成正比。因此刻度后，我们记录（测量）俘获伽马射线强度，可以求得（计算出）热中子的寿命（或地层宏观俘获截面）。 T1时刻：探测器记录的俘获伽马射线的计数率N1；,三 中子寿命测井的基本原理,（1）,T2时刻：探测器记录的俘获伽马射线的计数率；,三 中子寿命测井的基本原理,（2）,将(1)式除以(2)式得:,（3）,由（3）式，对两边取对数（自然对数）得：,5. 用常用对数换算自然对数得：,三 中子寿命测井的基本原理,也就是说，如果分别在T1,T2时间段内记录俘获伽马射线的计数率，则可以通过上式刻度成热中子寿命，由热中子寿命与地层对热中子宏观俘获截面的关系，同样可以计算得到。,三 中子寿命测井的基本原理,6. 地层的宏观截面,伽马计数率随时间的衰减如图10-12，其中，地层衰减区的斜率决定于或，因此，应在地层衰减区进行N1和N2的测量。,三 中子寿命测井的基本原理,实际测井中N1和N2不可避免的要受到自然伽马计数率的影响，因此，中子寿命测井采用了三个计数门，分别记录N1、N2和Nb，因此，实际上中子寿命的测量时的N1、N2应分别对应的是N1-Nb、N2-Nb。 热中子密度的变化不仅是时间的函数，而且也是空间的函数。我们只是选择了特定的源距后，进行上述讨论的。图10-13给出了与源距的关系。当源距大于520in，随源距的增大而增大，当源距为30in时，等于的真值，而源距再大，则偏大。一般对于常见的储层，源距选45cm较好，而且由于受到各种条件的限制，一般认为测井得到的中子寿命和地层的宏观俘获截面称为视值，而不是真值。,四 中子寿命测井测量和的方法,1、固定门测量法 中子的脉冲宽度、发射频率、各个计数门的延迟时间和宽度都不变。 (1)中子脉冲宽度50us；每2500us发射一次中子脉冲； (2)基本延时（发射脉冲1门计数），淡水泥浆选400us；盐水泥浆选200us； (3)设一个积分道和四个微分道。积分道记录总的伽马计数；门I II III IV宽度200us，前三个依次测量，而第四个延时2200us，记录本底；利用门I、II确定和 ；,四 中子寿命测井测量和的方法,缺点： (1) 中子的脉冲宽度和间隔不变，不能很好适应地层，对于小的则应使用较窄的脉冲和较小的时间间隔； (2)个微分道道宽相同，后面的计数率误差较大。,四 中子寿命测井测量和的方法,2、比例因子法 将中子寿命测井的各个时间间隔取为的整数倍，以适应地层的变化，避免上述固定门的缺点，提高测量的精度。脉冲宽度为，基本延时为3，门I宽为1，其他门宽为2,中子脉冲周期为10。门I和II用来测量和，门III测量本底。 要求：保证N1/N22，使振荡器的周期为; 控制系统：根据振荡频率的变化适时调整各门的开门时间和宽度。,热中子寿命与物质的宏观俘获截面有关，即地层介质的宏观俘获截面越大，则热中子寿命越短，地层介质的宏观俘获截面是指岩石中各个核素的微观俘获截面的总和。 在沉积岩中，氢核素的微观俘获截面比其他核素的微观俘获截面大得多。也就是说岩石的宏观俘获截面主要取决于地层中氯的含量，或说取决于地层水的矿化度。,五、中子寿命测井地质意义,六 中子寿命测井的应用,1. 划分油水层 矿化度较高的水层有比油层大的俘获截面（或较小的热中子寿命）。 2. 观察油水或气水界面的变化 油层在采油过程中含水饱和度不断变化，油水界面向上移动 ，利用不同时间测量的宏观俘获截面或中子寿命，则可以了解油水或气水界面变化情况。,TDT1完井后不久测量的，为实线； TDT2投产三年后未停产测得的，长虚线； TDT3投产三年后又停产四个月测得的，为小点线。,六中子寿命测井的应用,3. 求孔隙度 对于不含油气的纯地层来说，地层的宏观俘获截面为：,六 中子寿命测井的应用,其中： 为地层的宏观俘获截面（测井所得到）； ma 岩石的骨架参数； w 岩石的流体参数；,则：,4. 求含水饱和度 (1) 如果已知，则对含油气纯地层来说：,六 中子寿命测井的应用,其中： k 油气的宏观俘获截面； 整理得：,式中： ma岩石的宏观俘获截面； w水的宏观俘获截面； 孔隙度 （上述值均可查表求得） (2) 含泥质地层中：,六 中子寿命测井的应用,Vsh，sh分别为泥质的体积含量和宏观俘获截面。,问题： 如果当地层水矿化度较高时，即氯的含量相对较高时，那么对于水层和油层来说，水层的宏观俘获截面要大于油层，而热中子寿命则小于油层。（对否？） 根据热中子寿命测量的性质研制出热中子寿命测井。（利用中子寿命来研究地层的性质）,六 中子寿命测井的基本原理,第二节 非弹性散射伽马能谱测井,一非弹性散射伽马能谱测井 二非弹性散射伽马能谱测井基本原理 三非弹性散射伽马能谱测井的应用,一 非弹性散射伽马能谱测井,利用脉冲中子源向地层发射14 Mev的高能快中子，测量这些快中子与地层物质的核素发生非弹性散射放出的伽马射线的能谱的一种测井方法。,二 非弹性散射伽马能谱测井基本原理,快中子与地层中不同核素发生非弹性散射放出的伽马射线能量是不同的，因此，只要对不同能量的伽马射线分别加以记录就可以确定地层中存在某种核素和它们各自的浓度。 我们知道，中子打入地层，先要进行非弹性散射，而后才能发生弹性散射，最后被地层俘获，这也是中子在地层中所经历的三个过程。因此，如果限定一定的时间，我们是可以测量非弹性散射伽马能谱的。,三 非弹性散射伽马能谱测井的应用,岩石内常见的核素中，C12和O16都具有较大的快中子非弹性散射截面，并且产生的非弹性散射伽马射线均具有较高的能量。我们可以通过记录 C12和O16的非弹性散射伽马射线的强度确定C、O含量，而C12和O16又是油、气、水很好的指示元素，因此，利用非弹性散射伽马能谱测井发展了C/O能谱测井。也就由C/O来确定储层的含油饱和度。下面介绍了非弹性散射伽马能谱测井的主要应用。,1确定含油饱和度So 一般根据C/O和含油饱和度的关系曲线来确定，见右图。 给定 可由其它孔隙度测井资料得到；对应C/O对应一个So。,三 非弹性散射伽马能谱测井的应用,2利用C/O测井曲线划分 水淹层 利用C/O在油、水层的差别可知，如果油层被水淹，则对于水淹层C/O下降，这也是C/O划分水淹层的依据。 A、B层的C/O曲线幅度明显低于它们中间油层的幅度，说明A、B被水淹。,三 非弹性散射伽马能谱测井的应用,3. 以Si/Ca定性指示岩性 假如记录Si、Ca的非弹性散射伽马能谱，则可得到Si/Ca比。 砂岩的主要成分SiO2 石灰岩的主要成分CaCO3 因此，可由Si/Ca比划分岩性。,三 非弹性散射伽马能谱测井的应用,4. 确定孔隙度指数和泥质指数 用所记录的氢、钙、硅以及铁的俘获伽马射线的计数率，计算孔隙度指数和泥质指数。,三 非弹性散射伽马能谱测井的应用,第三节 中子活化测,一中子活化测井的基本原理 二活化测井的几种类型 三中子活化测井的应用,一 中子活化测井的基本原理,1. 活化的概念 用脉冲中子源向地层发射14Mev的快中子，中子使地层中的某些稳定的核素转化成放射性核素核被活化。 2. 活化伽马射线 活化核不稳定，且一般半衰期较短，活化核衰变放出活化伽马射线。注意：不同核衰变产生的射线的特征能量是不同的。因此，记录不同能量的活化射线，可以用来识别地层中存在的核素及浓度。,二 活化测井的几种类型,1硅测井 利用高能快中子使储层骨架中的硅活化,放出1.782MeV的活化伽马射线,并测量其强度值。活化核反应式：,2铝测井 快中子引起铝核活化，放出能量为1.015MeV和0.84M