第9章 中子測井(2課時)

1、621礦場地球物理礦場地球物理西安石油大學石油工程學院西安石油大學石油工程學院高高 輝輝2009.92009.9622第第9 9章中子測井章中子測井 ( (Neutron logging) )9.1 9.1 概述概述9.2 9.2 中子測井的核物理基礎中子測井的核物理基礎9.3 9.3 超熱中子測井超熱中子測井9.4 9.4 熱中子測井熱中子測井9.5 9.5 中子伽馬測井中子伽馬測井6239.1 9.1 概述概述中子測井的定義中子測井的定義 利用中子和地層相互作用的各種效應，來研究鉆井剖面地層性質(zhì)的一類測井方利用中子和地層相互作用的各種效應，來研究鉆井剖面地層性質(zhì)的一類測井方法統(tǒng)稱為中子測井

2、。法統(tǒng)稱為中子測井。 包括：包括：中子中子熱中子測井、中子熱中子測井、中子超熱中子測井、中子超熱中子測井、中子伽馬測井、中子活化伽馬測井、中子活化測井、非彈性散射伽馬能譜測井、中子壽命測井等測井、非彈性散射伽馬能譜測井、中子壽命測井等。9.1 9.1 概述概述中子源中子源與原子核作用與原子核作用探測各種能級中子探測各種能級中子孔隙度、巖性、流體性質(zhì)孔隙度、巖性、流體性質(zhì)624第第9 9章中子測井章中子測井 ( (Neutron logging) )9.1 9.1 概述概述9.2 9.2 中子測井的核物理基礎中子測井的核物理基礎9.3 9.3 超熱中子測井超熱中子測井9.4 9.4 熱中子測井熱

3、中子測井9.5 9.5 中子伽馬測井中子伽馬測井6259.2 9.2 中子測井的核物理基礎中子測井的核物理基礎一、中子和中子源一、中子和中子源 中子是組成原子核不帶電的中性微小粒子，它中子是組成原子核不帶電的中性微小粒子，它與質(zhì)子以很強的核力結(jié)合在一與質(zhì)子以很強的核力結(jié)合在一起起，形成穩(wěn)定的原子核。，形成穩(wěn)定的原子核。 要使中子從原子核里釋放出來，需要給中子一定能量要使中子從原子核里釋放出來，需要給中子一定能量。當中子獲得。當中子獲得大于結(jié)大于結(jié)合能的能量合能的能量時，就可以時，就可以從原子核中發(fā)射出來從原子核中發(fā)射出來。 中子的能量分類：中子的能量分類：慢中子（慢中子（0-1KeV0-1Ke

4、V）、中能中子（）、中能中子（1KeV-0.5MeV1KeV-0.5MeV） 、快、快中子（大于中子（大于0.5MeV0.5MeV） 以某種方式，給原子核以能量，引起核反應，把中子從原子核中釋放出來以某種方式，給原子核以能量，引起核反應，把中子從原子核中釋放出來的裝置叫的裝置叫中子源中子源。 測井用中子源分類：測井用中子源分類：同位素中子源、脈沖中子源同位素中子源、脈沖中子源9.2 9.2 中子測井的核物理基礎中子測井的核物理基礎626二、中子和物質(zhì)的作用二、中子和物質(zhì)的作用 中子射入物質(zhì)時，要和物質(zhì)的原子核發(fā)生一系列核反應，即：中子射入物質(zhì)時，要和物質(zhì)的原子核發(fā)生一系列核反應，即：快中子非彈

5、性快中子非彈性散射、快中子對原子核的活化、快中子的彈性散射、熱中子的俘獲散射、快中子對原子核的活化、快中子的彈性散射、熱中子的俘獲。1 1、快中子非彈性散射、快中子非彈性散射 快中子先被靶核吸收形成復核，而后再放出一個較低能量的中子，靶核處快中子先被靶核吸收形成復核，而后再放出一個較低能量的中子，靶核處于較高能級的激發(fā)狀態(tài)，這種于較高能級的激發(fā)狀態(tài)，這種快中子與靶核的作用叫非彈性散射快中子與靶核的作用叫非彈性散射。 而激發(fā)態(tài)的靶核常以而激發(fā)態(tài)的靶核常以射線的形式釋放出能量回到基態(tài)，這種射線的形式釋放出能量回到基態(tài)，這種射線叫作射線叫作非彈性散射伽馬射線非彈性散射伽馬射線。 9.2 9.2 中子

6、測井的核物理基礎中子測井的核物理基礎6272 2、快中子對原子核的活化、快中子對原子核的活化 快中子與穩(wěn)定的原子核作用會發(fā)生快中子與穩(wěn)定的原子核作用會發(fā)生(n(n，)、(n(n，P)P)核反應。生成新的放射核反應。生成新的放射性核素，這種作用叫性核素，這種作用叫活化核反應活化核反應。 活化形成的新核素，有一定的半衰期，其衰變產(chǎn)生的活化形成的新核素，有一定的半衰期，其衰變產(chǎn)生的射線叫活化伽馬射線射線叫活化伽馬射線。 如如SiSi2828(n(n，p)Alp)Al2828，AlAl2828衰變放射出衰變放射出射線，衰變式為：射線，衰變式為：3 3、快中子的彈性散射、快中子的彈性散射 快中子與靶核發(fā)

7、生碰撞后中子和靶核組成的系統(tǒng)的總動能不變，中子的能量降快中子與靶核發(fā)生碰撞后中子和靶核組成的系統(tǒng)的總動能不變，中子的能量降低、速度減慢，它所損失的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榘泻说?、速度減慢，它所損失的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榘泻?( (反沖核反沖核) )的動能，靶核仍處于基態(tài)，的動能，靶核仍處于基態(tài)，這種這種碰撞叫快中子的彈性散射碰撞叫快中子的彈性散射。 快中子在多次彈性散射中將逐漸降低能量減小速度，快中子在多次彈性散射中將逐漸降低能量減小速度，最后成為熱中子最后成為熱中子。 9.2 9.2 中子測井的核物理基礎中子測井的核物理基礎原子核吸收中子后放出一個質(zhì)子p、同時形成新原子核的核反應。 原子核吸收中子后放出粒子、同時形

8、成新原子核的核反應。 628 一個中子和一個原子核發(fā)生彈性散射的幾率叫微觀彈性散射截面一個中子和一個原子核發(fā)生彈性散射的幾率叫微觀彈性散射截面s s，其單位是，其單位是巴巴( (即即b=10b=10-24-24cmcm2 2) )。 1 1立方厘米物質(zhì)原子核的微觀彈性散射截面之和叫宏觀彈性散射截面立方厘米物質(zhì)原子核的微觀彈性散射截面之和叫宏觀彈性散射截面ss。 不同的核素放射截面不同，而且發(fā)生一次散射平均損失的中子能量也不同。不同的核素放射截面不同，而且發(fā)生一次散射平均損失的中子能量也不同。9.2 9.2 中子測井的核物理基礎中子測井的核物理基礎 可以看出可以看出氫氫(H)(H) 是對中子最好

9、的減速核素。是對中子最好的減速核素。629 可以用不同的參數(shù)來表示物質(zhì)對中子減速能力大小，減速長度可以用不同的參數(shù)來表示物質(zhì)對中子減速能力大小，減速長度LsLs是其中之一。是其中之一。減速能力大，則減速能力大，則LsLs短，反之則長。短，反之則長。LsLs定義為：定義為：式中：式中：RdRd為減速距離，它是中子減速為熱中子所移動的直線距離。為減速距離，它是中子減速為熱中子所移動的直線距離。9.2 9.2 中子測井的核物理基礎中子測井的核物理基礎 中子減速過程的長短，中子減速過程的長短，物質(zhì)對中子減速能力的大小和物質(zhì)所含核素的種類物質(zhì)對中子減速能力的大小和物質(zhì)所含核素的種類以及數(shù)量有關(guān)以及數(shù)量有

10、關(guān)。62104 4、熱中子的俘獲、熱中子的俘獲 形成熱中子后，形成熱中子后，中子不再減速中子不再減速，只是在介質(zhì)中由熱中子密度大的區(qū)域向密度小，只是在介質(zhì)中由熱中子密度大的區(qū)域向密度小的區(qū)域擴散，的區(qū)域擴散，直至被介質(zhì)原子核俘獲直至被介質(zhì)原子核俘獲。 在輻射俘獲核反應中，靶核俘獲一個熱中子，形成處于激發(fā)態(tài)的復核，然后，在輻射俘獲核反應中，靶核俘獲一個熱中子，形成處于激發(fā)態(tài)的復核，然后，以以射線形式放出過剩能量，靶核回到甚態(tài)。射線形式放出過剩能量，靶核回到甚態(tài)。釋放的釋放的射線叫俘獲伽馬射線或中子射線叫俘獲伽馬射線或中子伽馬射線伽馬射線。 描述擴散及俘獲特性的參數(shù)有擴散長度描述擴散及俘獲特性的參

11、數(shù)有擴散長度LdLd、宏觀俘獲截面、宏觀俘獲截面aa和熱中子壽命和熱中子壽命tt等參數(shù)。等參數(shù)。物質(zhì)對熱中子俘獲吸收能力越強，擴散長度就越短。物質(zhì)對熱中子俘獲吸收能力越強，擴散長度就越短。9.2 9.2 中子測井的核物理基礎中子測井的核物理基礎6211宏觀俘獲截面宏觀俘獲截面aa 一個原子核俘獲熱中子的幾率叫一個原子核俘獲熱中子的幾率叫該原子核的微觀俘獲截面該原子核的微觀俘獲截面，1 1立方厘米物質(zhì)中立方厘米物質(zhì)中所有原子核的微觀俘獲截面之和是宏觀俘獲截面所有原子核的微觀俘獲截面之和是宏觀俘獲截面aa。常見核素中常見核素中氯核氯核(Cl(Cl) )對熱中子俘獲截面是最大的。對熱中子俘獲截面是最

12、大的。9.2 9.2 中子測井的核物理基礎中子測井的核物理基礎62129.2 9.2 中子測井的核物理基礎中子測井的核物理基礎熱中子壽命熱中子壽命tt 從熱中子生成開始到它被俘獲吸收為止從熱中子生成開始到它被俘獲吸收為止所經(jīng)過的平均時間叫熱中子壽命，它和所經(jīng)過的平均時間叫熱中子壽命，它和宏觀俘獲截面的關(guān)系是：宏觀俘獲截面的關(guān)系是：為熱中子移動速度，常溫下，為熱中子移動速度，常溫下，=0.22cm/s=0.22cm/s。 高礦化度水層的高礦化度水層的aa比油層大得多，而比油層大得多，而tt又比油層小的多，據(jù)此，發(fā)又比油層小的多，據(jù)此，發(fā)展了中子壽命測井，并形成了套管井區(qū)分油、氣、水層和計算展了中

13、子壽命測井，并形成了套管井區(qū)分油、氣、水層和計算SwSw的常規(guī)測的常規(guī)測井方法。井方法。6213三、中子探測器三、中子探測器 中子測井探測的是超熱中子和熱中子中子測井探測的是超熱中子和熱中子。利用超熱中子、。利用超熱中子、 熱中子和探測器物質(zhì)的熱中子和探測器物質(zhì)的原子核發(fā)生核反應，放出電離能力很強的帶電粒子來記錄中子。常用的三類探測器：原子核發(fā)生核反應，放出電離能力很強的帶電粒子來記錄中子。常用的三類探測器：硼探測器、鋰探測器、氦三硼探測器、鋰探測器、氦三(He(He3 3) )探測器。探測器。 利用核反應所產(chǎn)生的帶電粒子利用核反應所產(chǎn)生的帶電粒子或或p p使探測器的計數(shù)管氣體電離形成脈沖電流

14、，使探測器的計數(shù)管氣體電離形成脈沖電流，產(chǎn)生電壓負脈沖，或使探測器的閃爍晶體形成閃爍熒光，產(chǎn)生電壓負脈沖來接收記產(chǎn)生電壓負脈沖，或使探測器的閃爍晶體形成閃爍熒光，產(chǎn)生電壓負脈沖來接收記錄中子。錄中子。 超熱中子與熱中子探測器的區(qū)別在于超熱中子與熱中子探測器的區(qū)別在于： 前者在探測器外層加有對熱中子吸收能前者在探測器外層加有對熱中子吸收能力很強的鎘，吸收掉熱中子力很強的鎘，吸收掉熱中子，內(nèi)層再加有把進入的超熱中子減速為熱中子的石蠟，內(nèi)層再加有把進入的超熱中子減速為熱中子的石蠟，以增大對超熱中子的計數(shù)效率。以增大對超熱中子的計數(shù)效率。9.2 9.2 中子測井的核物理基礎中子測井的核物理基礎6214

15、第第9 9章中子測井章中子測井 ( (Neutron logging) )9.1 9.1 概述概述9.2 9.2 中子測井的核物理基礎中子測井的核物理基礎9.3 9.3 超熱中子測井超熱中子測井9.4 9.4 熱中子測井熱中子測井9.5 9.5 中子伽馬測井中子伽馬測井62159.3 9.3 超熱中子測井超熱中子測井一、超熱中子測井的基本原理一、超熱中子測井的基本原理 超熱中子測井是探測超熱中子密度超熱中子測井是探測超熱中子密度，以，以反映地層中子減速特性，劃分儲集層的測反映地層中子減速特性，劃分儲集層的測井方法。井方法。 右圖是一種超熱中子測井儀的示意右圖是一種超熱中子測井儀的示意圖，叫井壁

16、超熱中子測井儀圖，叫井壁超熱中子測井儀 (SNP)(SNP)。 超熱中子探測器和中子源貼靠井超熱中子探測器和中子源貼靠井 壁以減小井眼的影響。壁以減小井眼的影響。 超熱中子測井儀的示意圖超熱中子測井儀的示意圖9.3 9.3 超熱中子測井超熱中子測井6216 由中子源發(fā)出的快中子在地層中運動和地層中的各種原子核發(fā)生彈性散射，由中子源發(fā)出的快中子在地層中運動和地層中的各種原子核發(fā)生彈性散射，逐逐漸損失能量、降低速度，成為超熱中子漸損失能量、降低速度，成為超熱中子。 其其減速過程的長短減速過程的長短( (當入射中子能量一定時當入射中子能量一定時) ) 與地層中原子核的種類及其數(shù)量與地層中原子核的種類

17、及其數(shù)量有關(guān)有關(guān)。不同靶核與中子發(fā)生彈性散射的截面不同，每次散射的平均能量損失不同，。不同靶核與中子發(fā)生彈性散射的截面不同，每次散射的平均能量損失不同，減速長度減速長度LsLs不同，故不同，故不同核素組成不同巖性的地層，在孔隙度相同的情況下，減不同核素組成不同巖性的地層，在孔隙度相同的情況下，減速長度是不同的速長度是不同的。 但是在地層中的所有核素中，但是在地層中的所有核素中，氫是減速能力最強的核素氫是減速能力最強的核素，遠遠超過其它核素，遠遠超過其它核素，它的存在及含量就決定著地層的減速長度的大小它的存在及含量就決定著地層的減速長度的大小。 因此，當孔隙中因此，當孔隙中100%100%充滿水

18、時，孔隙度越大則地層減速長度就越短。充滿水時，孔隙度越大則地層減速長度就越短。9.3 9.3 超熱中子測井超熱中子測井6217 充滿水的砂巖、石灰?guī)r和白云砂巖充滿水的砂巖、石灰?guī)r和白云砂巖等三種巖性的巖石減速長度和孔隙度的等三種巖性的巖石減速長度和孔隙度的關(guān)系曲線。由圖可以看出關(guān)系曲線。由圖可以看出LsLs隨隨增大而增大而縮短，而且孔隙度相同、巖性不同的地縮短，而且孔隙度相同、巖性不同的地層減速長度不同層減速長度不同。9.3 9.3 超熱中子測井超熱中子測井62189.3 9.3 超熱中子測井超熱中子測井 孔隙度不同，巖性不同，超熱中子在孔隙度不同，巖性不同，超熱中子在中子源周圍的分布不同。中

19、子源周圍的分布不同。孔隙度越大，含孔隙度越大，含氫量越多，減速長度氫量越多，減速長度LsLs越小，則在源附越小，則在源附近的超熱中子越多?？紫抖仍叫?，減速長近的超熱中子越多。孔隙度越小，減速長度度LsLs越大，則在較遠的空間形成有較多越大，則在較遠的空間形成有較多的超熱中子的超熱中子。如果把探測器放在較遠的地。如果把探測器放在較遠的地方，接收記錄超熱中子的計數(shù)率，則孔隙方，接收記錄超熱中子的計數(shù)率，則孔隙度大的計數(shù)率低，孔隙度小的計數(shù)率高。度大的計數(shù)率低，孔隙度小的計數(shù)率高。6219 如果把探測器放在較近的地方則情況相反，即如果把探測器放在較近的地方則情況相反，即孔隙度大，計數(shù)率高，孔隙度孔隙

20、度大，計數(shù)率高，孔隙度小，計數(shù)率低小，計數(shù)率低。 當探測器放在某一個位置時，計數(shù)率與孔隙度當探測器放在某一個位置時，計數(shù)率與孔隙度 的大小無關(guān)。的大小無關(guān)。 探測器到源之間的距離叫源距，探測器到源之間的距離叫源距，第一種情況的源距叫長源距，第二種情況的源第一種情況的源距叫長源距，第二種情況的源距叫短源距，第三種情況叫零源距。距叫短源距，第三種情況叫零源距。 實際工作中用的是長源距實際工作中用的是長源距，測井記錄的超熱中子的計數(shù)率越大，反映巖層的孔，測井記錄的超熱中子的計數(shù)率越大，反映巖層的孔隙度越小，反之計數(shù)率越小，反映巖層的孔隙度越大。隙度越小，反之計數(shù)率越小，反映巖層的孔隙度越大。 超熱中

21、子被核素俘獲的截面非常小超熱中子被核素俘獲的截面非常小，其空間分布不受巖層含氯量的影響（即地，其空間分布不受巖層含氯量的影響（即地層水礦化度的影響層水礦化度的影響) )，所以能夠較好地反映氫含量的多少，即較好地反映巖層孔隙，所以能夠較好地反映氫含量的多少，即較好地反映巖層孔隙度的大小。度的大小。9.3 9.3 超熱中子測井超熱中子測井6220二、超熱中子測井資料應用二、超熱中子測井資料應用1 1、確定地層孔隙度、確定地層孔隙度 超熱中子測井主要的用途是確定地層超熱中子測井主要的用途是確定地層孔隙度孔隙度。 超熱中子測井可以用標準化中子測井超熱中子測井可以用標準化中子測井單位，單位， “ “AP

22、IAPI中子測井單位中子測井單位”，以曲線，以曲線形式顯示超熱中子強度隨井深的變化，還形式顯示超熱中子強度隨井深的變化，還可以用石灰?guī)r孔隙度單位，以曲線形式顯可以用石灰?guī)r孔隙度單位，以曲線形式顯示孔隙度隨深度的變化，如圖所示。示孔隙度隨深度的變化，如圖所示。9.3 9.3 超熱中子測井超熱中子測井6221 孔隙度相同巖性不同的地層，超熱中子的計數(shù)率不同。使用的儀器以石灰?guī)r孔孔隙度相同巖性不同的地層，超熱中子的計數(shù)率不同。使用的儀器以石灰?guī)r孔隙度為標準刻度，隙度為標準刻度，它所記錄的孔隙度是石灰?guī)r孔隙度它所記錄的孔隙度是石灰?guī)r孔隙度。 對于其它巖性的巖石，對于其它巖性的巖石，石灰石灰?guī)r孔隙度含有

23、由于巖性不同巖石巖孔隙度含有由于巖性不同巖石骨架造成的附加孔隙度骨架造成的附加孔隙度，所以求，所以求砂巖或白云巖的孔隙度必須做巖砂巖或白云巖的孔隙度必須做巖性校正性校正，用巖性影響校正圖版進，用巖性影響校正圖版進行校正。行校正。9.3 9.3 超熱中子測井超熱中子測井含氣時還要做孔隙流體校正含氣時還要做孔隙流體校正“挖掘效應挖掘效應”校正。校正。6222 “挖掘效應挖掘效應”是是由于超熱中子測井不能直接測定巖石的含氫指數(shù)由于超熱中子測井不能直接測定巖石的含氫指數(shù)，而，而是測定地層中子是測定地層中子減速長度減速長度。當巖石骨架中含天然氣時，相當于骨架的一。當巖石骨架中含天然氣時，相當于骨架的一部

24、分被部分被“挖空挖空”，挖掉了部分影響巖石減速能力的核素，巖石對中子的，挖掉了部分影響巖石減速能力的核素，巖石對中子的減速長度會增大，這一變化在中子測井中顯示為中子孔隙度減少。減速長度會增大，這一變化在中子測井中顯示為中子孔隙度減少。9.3 9.3 超熱中子測井超熱中子測井62232 2、 交會圖法確定孔隙度與巖性交會圖法確定孔隙度與巖性 超熱中子測井與聲波測井或密度超熱中子測井與聲波測井或密度測井組合構(gòu)成交會圖，可以用來確測井組合構(gòu)成交會圖，可以用來確定孔隙度與巖性，定孔隙度與巖性， 已知超熱中子測井石灰?guī)r孔隙度已知超熱中子測井石灰?guī)r孔隙度和密度測井的體積密度值，就可用和密度測井的體積密度值

25、，就可用圖版確定孔隙度與巖性。圖版確定孔隙度與巖性。9.3 9.3 超熱中子測井超熱中子測井巖性校正巖性校正6224泥質(zhì)和油氣影響校正泥質(zhì)和油氣影響校正泥質(zhì)含氫指數(shù)大，含泥巖總孔隙度泥質(zhì)含氫指數(shù)大，含泥巖總孔隙度NN大于巖層有效孔隙度。大于巖層有效孔隙度。式中式中和和IHIH表示密度和含氫指數(shù)，表示密度和含氫指數(shù)， 、S S、V V分別代表總孔隙度、飽和度和相對分別代表總孔隙度、飽和度和相對體積，下標體積，下標mama、shsh、w w、o o和和b b分別代表骨架、泥質(zhì)、地層水、油氣和測井值。分別代表骨架、泥質(zhì)、地層水、油氣和測井值。9.3 9.3 超熱中子測井超熱中子測井wmashmash

26、wmaowoDVS1mawmashshmawowoNIHIHIHIHVIHIHIHIHS162253 3、中子、密度測井曲線重疊法劃分巖性、中子、密度測井曲線重疊法劃分巖性 中子與密度測井所得的石灰?guī)r孔隙中子與密度測井所得的石灰?guī)r孔隙度曲線重疊，可用來定性直觀判斷巖度曲線重疊，可用來定性直觀判斷巖性。若巖石由單一礦物組成，曲線重性。若巖石由單一礦物組成，曲線重疊法的解釋，如表所示。疊法的解釋，如表所示。9.3 9.3 超熱中子測井超熱中子測井62264 4、估計油氣密度、估計油氣密度 天然氣的存在會使超熱中天然氣的存在會使超熱中子測井得到的孔隙度偏小子測井得到的孔隙度偏小，而而使密度測井得到的

27、孔隙度偏大使密度測井得到的孔隙度偏大。 因此，在已知含油氣飽和因此，在已知含油氣飽和度度 (S(Sh h) ) 的條件下，可以用下的條件下，可以用下圖由圖由SNPCSNPCDCDC的比值估計出的比值估計出油氣的密度度油氣的密度度h h。9.3 9.3 超熱中子測井超熱中子測井S Sh h/%/%SNPCSNPCDCDC6227含氫指數(shù)含氫指數(shù) 地層對快中子的減速能力主要取決于地層含氫量，在中子測井中，地層對快中子的減速能力主要取決于地層含氫量，在中子測井中，規(guī)定淡規(guī)定淡水的含氫量為水的含氫量為1 1個單位，用以衡量地層中其它巖石和礦物的含氫量個單位，用以衡量地層中其它巖石和礦物的含氫量。1cm

28、1cm3 3的任的任何巖石和礦物中含氫量與同樣體積淡水中含氫量的比值，稱為該巖石或礦物的何巖石和礦物中含氫量與同樣體積淡水中含氫量的比值，稱為該巖石或礦物的含氫指數(shù)含氫指數(shù)，用，用IHIH表示，表示，IHIH與單位體積介質(zhì)中的氫核數(shù)成正比，故：與單位體積介質(zhì)中的氫核數(shù)成正比，故： 式中式中:b b為介質(zhì)真密度為介質(zhì)真密度(g/cm(g/cm3 3) )；M M為介質(zhì)化合物的克分子量為介質(zhì)化合物的克分子量;n;nh h為介質(zhì)化合為介質(zhì)化合物每個分子中的氫原子數(shù)。物每個分子中的氫原子數(shù)。9.3 9.3 超熱中子測井超熱中子測井bhMnKIH 6228常數(shù)常數(shù)K K值可由淡水含氫量定義求出：值可由淡

29、水含氫量定義求出：121612IHKMnKwhw9K所以，所以，K K取取9 9，對于由任何化合物組成的介質(zhì)其含氫指數(shù)：，對于由任何化合物組成的介質(zhì)其含氫指數(shù)：9.3 9.3 超熱中子測井超熱中子測井bh9IH h h=n=nh h/M/M稱為氫原子密度指數(shù)，近似表示氫元素原子量占化合物克分子量稱為氫原子密度指數(shù)，近似表示氫元素原子量占化合物克分子量的比值。的比值。6229 顯然，顯然，地層礦物的含氫指數(shù)取決于該礦物中氫核個數(shù)和礦物的真密度地層礦物的含氫指數(shù)取決于該礦物中氫核個數(shù)和礦物的真密度。常見沉積巖礦物中，水和油氣是主要的含氫礦物。常見沉積巖礦物中，水和油氣是主要的含氫礦物。故地層的含氫

30、指數(shù)主要取故地層的含氫指數(shù)主要取決于水、油、氣的含量和密度決于水、油、氣的含量和密度。9.3 9.3 超熱中子測井超熱中子測井mafmabIHIHIHIHNfmabmaD62309.3 9.3 超熱中子測井超熱中子測井鹽水的含氫指數(shù)鹽水的含氫指數(shù)鹽水溶有鹽水溶有NaClNaCl，從而使鹽水的含氫指數(shù)減小，通常按照下式計算：，從而使鹽水的含氫指數(shù)減小，通常按照下式計算：)1 (CwHw 對于裸眼井，中子測井探測的是沖洗帶，上式應當用泥漿濾液的密度和礦對于裸眼井，中子測井探測的是沖洗帶，上式應當用泥漿濾液的密度和礦化度。套管井測井時，沖洗帶消失，要用地層水的密度和礦化度。化度。套管井測井時，沖洗帶

31、消失，要用地層水的密度和礦化度。w w表示鹽水密度；表示鹽水密度；C C表示表示NaClNaCl濃度。濃度。62319.3 9.3 超熱中子測井超熱中子測井油氣的含氫指數(shù)油氣的含氫指數(shù) 液態(tài)烴的含氫指數(shù)與水相近，而天然氣的含氫指數(shù)很低，并且隨溫度和液態(tài)烴的含氫指數(shù)與水相近，而天然氣的含氫指數(shù)很低，并且隨溫度和壓力而變。油氣的含氫指數(shù)可根據(jù)其組分和密度來估算。壓力而變。油氣的含氫指數(shù)可根據(jù)其組分和密度來估算。對分子式為對分子式為CHxCHx（分子量為（分子量為12+x12+x）和密度為）和密度為h h的烴，含氫指數(shù)為的烴，含氫指數(shù)為：hhxxH129對于成分以甲烷為主的天然氣，上式可近似表示為：

32、對于成分以甲烷為主的天然氣，上式可近似表示為：ggH2 . 2對于成分以對于成分以CxHnxCxHnx為主的石油，根據(jù)原油化學分析結(jié)果有：為主的石油，根據(jù)原油化學分析結(jié)果有：ox5 . 24ooooH5 . 2165 . 24962329.3 9.3 超熱中子測井超熱中子測井飽和淡水純石灰?guī)r的含氫指數(shù)飽和淡水純石灰?guī)r的含氫指數(shù) 飽和淡水的純石灰?guī)r，其孔隙度為飽和淡水的純石灰?guī)r，其孔隙度為，則其含氫量為，則其含氫量為Hw=Hw=1= 1= 。因。因此，若中子孔隙度測井儀在飽和淡水的純石灰?guī)r刻度井中進行含氫指數(shù)刻度，則此，若中子孔隙度測井儀在飽和淡水的純石灰?guī)r刻度井中進行含氫指數(shù)刻度，則它測量的含

33、氫指數(shù)對飽和淡水的純石灰?guī)r就是其孔隙度。它測量的含氫指數(shù)對飽和淡水的純石灰?guī)r就是其孔隙度。 對于飽和淡水的純石灰?guī)r對于飽和淡水的純石灰?guī)rN N=；飽和淡水的純砂巖飽和淡水的純砂巖N N略小于略小于，因為砂，因為砂巖骨架（石英）的宏觀減速能力小于石灰?guī)r骨架；巖骨架（石英）的宏觀減速能力小于石灰?guī)r骨架；飽和淡水的純白云巖飽和淡水的純白云巖N N略大略大于于，因為白云巖骨架的宏觀減速能力大于石灰?guī)r骨架。這種差別是中子孔隙度，因為白云巖骨架的宏觀減速能力大于石灰?guī)r骨架。這種差別是中子孔隙度測井的巖性影響，也是區(qū)分巖性的依據(jù)。測井的巖性影響，也是區(qū)分巖性的依據(jù)。62335 5、定性指示高孔隙度氣層、定性

34、指示高孔隙度氣層 孔隙中孔隙中含有天然氣，則會使超含有天然氣，則會使超熱中子測井的孔隙度值與相同孔熱中子測井的孔隙度值與相同孔隙度的水層、油層相比偏低，這隙度的水層、油層相比偏低，這個特點可用來顯示氣層個特點可用來顯示氣層。與中子。與中子測井含氣顯示相反，測井含氣顯示相反，天然氣會使天然氣會使密度測井石灰?guī)r孔隙度增大密度測井石灰?guī)r孔隙度增大。所。所以中子測井孔隙度和密度測井孔以中子測井孔隙度和密度測井孔隙度曲線重疊，明顯的幅度差是隙度曲線重疊，明顯的幅度差是氣層特征。氣層特征。9.3 9.3 超熱中子測井超熱中子測井氣層氣層6234第第9 9章中子測井章中子測井 ( (Neutron logg

35、ing) )9.1 9.1 概述概述9.2 9.2 中子測井的核物理基礎中子測井的核物理基礎9.3 9.3 超熱中子測井超熱中子測井9.4 9.4 熱中子測井熱中子測井9.5 9.5 中子伽馬測井中子伽馬測井62359.4 9.4 熱中子測井熱中子測井 利用中子源向地層發(fā)射的快中子經(jīng)與地層中的原子核發(fā)生彈性散射被減速為利用中子源向地層發(fā)射的快中子經(jīng)與地層中的原子核發(fā)生彈性散射被減速為熱中子，熱中子，探測熱中子密度的測井的方法叫熱中子測井探測熱中子密度的測井的方法叫熱中子測井。補償中子測井是較好的一種熱中子測井補償中子測井是較好的一種熱中子測井一、補償中子測井的補償原理一、補償中子測井的補償原理

36、 熱中子與超熱中子的能量相差不多，熱中子與超熱中子的能量相差不多，其空間分布規(guī)律與超熱中子的空間分布其空間分布規(guī)律與超熱中子的空間分布規(guī)律是一致的規(guī)律是一致的，即在長源距的情況下飽含流體的巖層孔隙度越大，熱中子的計，即在長源距的情況下飽含流體的巖層孔隙度越大，熱中子的計數(shù)率越低；孔隙度越小計數(shù)率越高。數(shù)率越低；孔隙度越小計數(shù)率越高。9.4 9.4 熱中子測井熱中子測井6236 由于熱中子能量與原子核處于熱平衡狀態(tài)，容易被原子核俘獲，同時伴生俘獲伽由于熱中子能量與原子核處于熱平衡狀態(tài)，容易被原子核俘獲，同時伴生俘獲伽馬射線。因此地層含氯量決定了巖石的俘獲特性。這就決定了熱中子的空間分布既與馬射線

37、。因此地層含氯量決定了巖石的俘獲特性。這就決定了熱中子的空間分布既與巖層的含氫量有關(guān)，又與含氯量有關(guān)。巖層的含氫量有關(guān)，又與含氯量有關(guān)。這對于用熱中子計數(shù)率大小反映巖層含氫量，這對于用熱中子計數(shù)率大小反映巖層含氫量，進而反映巖層孔隙度值來說，氯含量就是個干擾因素進而反映巖層孔隙度值來說，氯含量就是個干擾因素。 在均勻無限介質(zhì)中，對點狀快中子源造成的熱中子分布進行了理論推導，得到在均勻無限介質(zhì)中，對點狀快中子源造成的熱中子分布進行了理論推導，得到下列關(guān)系：下列關(guān)系：NtNt熱中子計數(shù)率，熱中子計數(shù)率，r r探測器到中子源的距離探測器到中子源的距離 ( (源距源距) )；D D擴散系數(shù)，擴散系數(shù)，

38、LsLs、LdLd分別為減速長度和擴散長度；分別為減速長度和擴散長度；K K與儀器有關(guān)的系數(shù)。與儀器有關(guān)的系數(shù)。9.4 9.4 熱中子測井熱中子測井6237孔隙度孔隙度 超熱中子參數(shù)超熱中子參數(shù) 熱中子參數(shù)熱中子參數(shù) (%)(%)Ls(cmLs(cm) )L Ld d(cm(cm) ) 淡水淡水 鹽水鹽水Ls(cmLs(cm) )L Ld d(cm(cm) )Ls(cmLs(cm) )L Ld d(cm(cm) ) 317.891.414.31.0713.11.08 1113.785.410.70.7428.50.75 2311.580.47.70.5145.60.523 3410.577.0

39、6.20.3934.20.401 509.173.65.80.2983.10.304 1007.068.82.80.1671.70.171實驗及計算的中子參數(shù)實驗及計算的中子參數(shù) 9.4 9.4 熱中子測井熱中子測井6238 由上式可見由上式可見計數(shù)率的大小不僅決定于巖層的減速性質(zhì)計數(shù)率的大小不僅決定于巖層的減速性質(zhì)( (反映含氫量反映含氫量) )，還與巖層的俘，還與巖層的俘獲性質(zhì)有關(guān)獲性質(zhì)有關(guān)。若采用源距不同的兩個探測器，記錄兩個計數(shù)率。若采用源距不同的兩個探測器，記錄兩個計數(shù)率Nt(r1)Nt(r1)和和Nt(r2)Nt(r2)，取這，取這兩個計數(shù)率比值，當源距兩個計數(shù)率比值，當源距r r

40、足夠大時，足夠大時，可以看出，可以看出，“比值比值”只與減速性質(zhì)有關(guān)，所以只與減速性質(zhì)有關(guān)，所以比值能很好地反映地層的氫含量比值能很好地反映地層的氫含量。9.4 9.4 熱中子測井熱中子測井sdLL 而且而且因熱中子的擴散長度因熱中子的擴散長度LdLd比快中子的減速長度比快中子的減速長度LsLs小很多，所以當源距小很多，所以當源距r r足夠大時，含有足夠大時，含有LdLd的指數(shù)項與含有的指數(shù)項與含有LsLs的指數(shù)項相比可以忽略不計。的指數(shù)項相比可以忽略不計。6239 現(xiàn)在使用的補償中子測井就是采用雙源距比值法的熱中子測井?，F(xiàn)在使用的補償中子測井就是采用雙源距比值法的熱中子測井。 右圖是補償中子

41、測井的示右圖是補償中子測井的示意圖，用長、短源距兩個探測意圖，用長、短源距兩個探測器接收熱中子，得到兩個計數(shù)器接收熱中子，得到兩個計數(shù)率率 Nt(r1)Nt(r1)、Nt(r2)Nt(r2)，根據(jù)用，根據(jù)用石灰?guī)r刻度的儀器得到的計數(shù)石灰?guī)r刻度的儀器得到的計數(shù)率比值率比值Nt(r1)/Nt(r2)(r1r2) Nt(r1)/Nt(r2)(r1r2) 與石灰?guī)r孔隙度與石灰?guī)r孔隙度?N N的關(guān)系，的關(guān)系，補補償中子測井直接給出石灰?guī)r孔償中子測井直接給出石灰?guī)r孔隙度值曲線隙度值曲線。9.4 9.4 熱中子測井熱中子測井6240二、補償中子測井的探測深度二、補償中子測井的探測深度 中子測井的探測深度指的

42、是中子測井的探測深度指的是從中子源出發(fā)又能達到探測器的中子，在地從中子源出發(fā)又能達到探測器的中子，在地層中所滲入的平均深度層中所滲入的平均深度，這個深度的大小由地層含氫量決定。，這個深度的大小由地層含氫量決定。 含氫量大的情況下，快中子很快減速為超熱中子、熱中子，快中子滲入到地含氫量大的情況下，快中子很快減速為超熱中子、熱中子，快中子滲入到地層內(nèi)部的深度就比較淺；含氫量很小的情況下，快中子滲入到地層內(nèi)的深度就層內(nèi)部的深度就比較淺；含氫量很小的情況下，快中子滲入到地層內(nèi)的深度就較深。因而較深。因而中子測井的探測深度不是個固定值，隨地層的含氫量不同而不同。中子測井的探測深度不是個固定值，隨地層的含

43、氫量不同而不同。9.4 9.4 熱中子測井熱中子測井6241 左圖是孔隙度為左圖是孔隙度為3535的砂巖地的砂巖地層中子測井的探測深度曲線，圖中層中子測井的探測深度曲線，圖中還給出了密度測井探測深度。還給出了密度測井探測深度。 由曲線可以看出，補償中子測井由曲線可以看出，補償中子測井(CNL) (CNL) 要比井壁超熱中子測井要比井壁超熱中子測井(SNP)(SNP)探探測深度大，而井壁超熱中子又比密度測深度大，而井壁超熱中子又比密度測井探測深度大。測井探測深度大。 9.4 9.4 熱中子測井熱中子測井CNL:CNL:探測深度范圍探測深度范圍20-30cm20-30cm。DEN:15cmDEN:

44、15cm。AC:30-50cmAC:30-50cm。6242三、補償中子測井的應用三、補償中子測井的應用 補償中子測井和井壁超熱中子測井的原理基本相同，所以它們的用途也基本相補償中子測井和井壁超熱中子測井的原理基本相同，所以它們的用途也基本相同。同。1 1、確定地層孔隙度、確定地層孔隙度 補償中子測井測量的是石灰?guī)r孔隙度，對于非石灰?guī)r地層，在確定地層孔隙補償中子測井測量的是石灰?guī)r孔隙度，對于非石灰?guī)r地層，在確定地層孔隙度時要進行巖性校正，校正圖版和井壁中子測井的巖性校正圖版類似。度時要進行巖性校正，校正圖版和井壁中子測井的巖性校正圖版類似。9.4 9.4 熱中子測井熱中子測井6243 井徑、泥

45、餅厚度、泥漿密井徑、泥餅厚度、泥漿密度和礦化度等井參數(shù)對測量值度和礦化度等井參數(shù)對測量值都有影響，如果是在套管井中都有影響，如果是在套管井中測井，測量值還受套管的厚度測井，測量值還受套管的厚度及直徑的影響，因此，及直徑的影響，因此，在求地在求地層孔隙度時，對這些影響因素層孔隙度時，對這些影響因素均應進行校正，校正也是用圖均應進行校正，校正也是用圖版進行的。版進行的。9.4 9.4 熱中子測井熱中子測井62442 2、CNLCNL與與FDCFDC測井交會求孔隙度、確定巖性測井交會求孔隙度、確定巖性 由密度測井由密度測井(FDC)(FDC)的體積密度和的體積密度和CNLCNL石灰?guī)r孔隙度值的交會點

46、，可確定地層石灰?guī)r孔隙度值的交會點，可確定地層的孔隙度的孔隙度NDND的大小和巖性。若是雙礦物巖石，可以確定雙礦物的比例。的大小和巖性。若是雙礦物巖石，可以確定雙礦物的比例。9.4 9.4 熱中子測井熱中子測井62453 3、D D- - N N曲線重疊直觀確定巖性曲線重疊直觀確定巖性 右圖是實測的密度測井與補償中子右圖是實測的密度測井與補償中子測井石灰?guī)r孔隙度重疊圖。測井石灰?guī)r孔隙度重疊圖。 規(guī)律和規(guī)律和FDCFDC與與SNPSNP石灰?guī)r孔隙度曲線石灰?guī)r孔隙度曲線重疊確定巖性是相同的。重疊確定巖性是相同的。9.4 9.4 熱中子測井熱中子測井6246 由于由于天然氣的含氫指數(shù)與體積密度比水或

47、油小的多天然氣的含氫指數(shù)與體積密度比水或油小的多, ,另外另外“挖掘效應挖掘效應”也增也增強了這種效果強了這種效果, ,因此因此, ,在在氣層處中子測井曲線含氫指數(shù)都比較低氣層處中子測井曲線含氫指數(shù)都比較低, ,密度測井曲線值也密度測井曲線值也比較低比較低。基于上述規(guī)律分析。基于上述規(guī)律分析, ,中子中子- -密度重疊法即是將中子曲線和密度曲線排放在密度重疊法即是將中子曲線和密度曲線排放在同一道中同一道中, ,中子曲線的圖頭刻度從左至右數(shù)值自高而低變化中子曲線的圖頭刻度從左至右數(shù)值自高而低變化; ;密度曲線的圖頭刻度密度曲線的圖頭刻度從左至右數(shù)值自低而高從左至右數(shù)值自低而高。當。當2 2條曲線

48、的圖頭刻度選擇在恰當數(shù)值時條曲線的圖頭刻度選擇在恰當數(shù)值時, ,中子測井曲線中子測井曲線和密度測井曲線在泥巖層重合在一起和密度測井曲線在泥巖層重合在一起, ,而在而在氣層處密度曲線較低位于中子曲線的左氣層處密度曲線較低位于中子曲線的左方方, ,中子曲線位于密度曲線的右方中子曲線位于密度曲線的右方,2,2條曲線重疊后呈現(xiàn)明顯的正異常條曲線重疊后呈現(xiàn)明顯的正異常, ,此時氣層區(qū)此時氣層區(qū)域清晰可見。域清晰可見。9.4 9.4 熱中子測井熱中子測井4 4、FDCFDC與與CNLCNL石灰?guī)r孔隙度曲線重疊定性判斷氣層石灰?guī)r孔隙度曲線重疊定性判斷氣層中子中子- -密度曲線重疊法密度曲線重疊法6247密度

49、密度中子中子9.4 9.4 熱中子測井熱中子測井6248 N(N(補償中子孔隙度補償中子孔隙度)-)-D(D(密度孔隙度密度孔隙度) )曲線重疊法是基于中子曲線重疊法是基于中子- -密度曲線重密度曲線重疊法的引申疊法的引申, ,目的是進一步提高判別精度。補償中子對天然氣敏感目的是進一步提高判別精度。補償中子對天然氣敏感, ,而天然氣的而天然氣的存在也對密度測井有一定的影響?？梢詫⑦@存在也對密度測井有一定的影響?？梢詫⑦@2 2種測井曲線經(jīng)過井眼和泥質(zhì)校正種測井曲線經(jīng)過井眼和泥質(zhì)校正, ,計算出各自的孔隙度值。由于計算出各自的孔隙度值。由于天然氣中含氫量比起水和油來說更少天然氣中含氫量比起水和油來

50、說更少, ,因而一般在因而一般在儲氣層顯示補償中子孔隙度儲氣層顯示補償中子孔隙度N低值低值, ,同時同時, ,由于由于“挖掘效應挖掘效應”的存在的存在, ,以及鉆井以及鉆井液侵入地層對長短源距探測器計數(shù)率產(chǎn)生不同程度的影響液侵入地層對長短源距探測器計數(shù)率產(chǎn)生不同程度的影響, ,其降低更趨于明顯。其降低更趨于明顯。又由于天然氣的密度低于水和油的密度又由于天然氣的密度低于水和油的密度, ,因而含氣層測得的密度孔隙度因而含氣層測得的密度孔隙度D值將值將偏高偏高。因此。因此, ,當當儲層含氣時補償中子孔隙度儲層含氣時補償中子孔隙度N偏低偏低, ,密度孔隙度密度孔隙度D偏高，而含偏高，而含水時補償中子孔

51、隙度水時補償中子孔隙度N值卻相應增高值卻相應增高。N N D D曲線重疊法曲線重疊法9.4 9.4 熱中子測井熱中子測井62499.4 9.4 熱中子測井熱中子測井密度密度中子中子6250 天然氣使天然氣使FDCFDC石灰?guī)r孔隙度增大，石灰?guī)r孔隙度增大，而使而使CNLCNL石灰?guī)r孔隙度減小。石灰?guī)r孔隙度減小。 左圖是左圖是FDCFDC與與CNLCNL的實測石灰?guī)r孔隙度曲的實測石灰?guī)r孔隙度曲線重疊圖。圖中在三個深度上明顯顯示出線重疊圖。圖中在三個深度上明顯顯示出含氣層。含氣層。9.4 9.4 熱中子測井熱中子測井62519.4 9.4 熱中子測井熱中子測井1 1、根據(jù)、根據(jù)GRGR曲線劃分滲透曲

52、線劃分滲透層（低層（低GRGR）2 2、根據(jù)泥漿侵入特征，確、根據(jù)泥漿侵入特征，確定油、氣、水層。定油、氣、水層。3 3、根據(jù)中子、密度曲線的、根據(jù)中子、密度曲線的關(guān)系，識別氣層。（低密關(guān)系，識別氣層。（低密度、低中子孔隙度）度、低中子孔隙度）62529.3 9.3 超熱中子測井超熱中子測井無阻流量：無阻流量： 45625m45625m3 36253氣：氣：3387m3387m3 3水：水：1.8m1.8m3 39.3 9.3 超熱中子測井超熱中子測井6254第第9 9章中子測井章中子測井 ( (Neutron logging) )9.1 9.1 概述概述9.2 9.2 中子測井的核物理基礎中

53、子測井的核物理基礎9.3 9.3 超熱中子測井超熱中子測井9.4 9.4 熱中子測井熱中子測井9.5 9.5 中子伽馬測井中子伽馬測井62559.5 9.5 中子伽馬測井中子伽馬測井 熱中子被俘獲，產(chǎn)生俘獲伽馬射線，接收記錄俘獲伽馬射線強度的測井就是中熱中子被俘獲，產(chǎn)生俘獲伽馬射線，接收記錄俘獲伽馬射線強度的測井就是中子伽馬測井。子伽馬測井。一、定義一、定義二、影響因素二、影響因素俘獲伽馬射線的空間分布主要和地層的含氫量有關(guān)，還受地層含氯量的影響。俘獲伽馬射線的空間分布主要和地層的含氫量有關(guān)，還受地層含氯量的影響。（1 1）N Nn-n-隨隨L L增大按指數(shù)規(guī)律下降；增大按指數(shù)規(guī)律下降；（2 2）L35cmL35cm為零源距，在此源距時，為零源距，在此源距時， N Nn-n-與地層含氫量（孔隙度）無關(guān)，反映含氯量與地層含氫量（孔隙度）無關(guān)，反映含氯量變化，含氯量增大，變化，含氯量增大，N Nn n-值增大；值增大；（3）當源距大于零源距時(長源距)，含氫量增大，計數(shù)率Nn-減小。測井采用的源距為正源距（大于零源距）。9.5 9.5 中子伽馬測井中子伽馬測井源距相同，源距相同，淡水的俘獲淡水的俘獲伽馬射線計伽馬射線計數(shù)率低于鹽數(shù)率低