地球物理測(cè)井方法課件---中子測(cè)井

1、（北京）本科生課程地球物理測(cè)井方法CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM第 3 章 核測(cè)井 (Nuclear Logging)第1節(jié) 自然伽馬和伽馬能譜測(cè)井第2節(jié) 地層密度和巖性密度測(cè)井第3節(jié) 中子測(cè)井第3節(jié) 中子測(cè)井主要用于識(shí)別巖性，計(jì)算孔隙度、飽和度（套管井）利用中子源照射地層（向地層發(fā)射中子）用中子探測(cè)器或伽馬探測(cè)器探測(cè)中子與地層的相互作用后的中子或伽馬射線主要測(cè)井方法有：中子孔隙度測(cè)井、中子壽命測(cè)井、非彈性散射伽馬能譜測(cè)井(C/O)、元素俘獲譜測(cè)井（ECS)2GaoJ-3-31 中子測(cè)井的核物理基礎(chǔ)一、中子和中子源1.中子：半衰期為11.7分鐘，由核反應(yīng)產(chǎn)生。高能中

2、子： En 10 MeV快中子： 10 keV 10 MeV中能中子： 100 eV 10 keV慢中子： 0.03 eV 100 eV按能量可分：En1eV,超熱中子En0.025eV,熱中子3GaoJ-3-32.中子源：由核反應(yīng)產(chǎn)生中子的裝置，分為連續(xù)中子源和脈沖中子源（1）連續(xù)中子源（同位素中子源）：镅-鈹中子源：5MeV特點(diǎn)：體積小，制備簡(jiǎn)單，連續(xù)發(fā)射中子,使用方便。靶核中子源強(qiáng)度：源單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的中子數(shù)。4GaoJ-3-3（2）脈沖中子源（加速器中子源，中子管）靶14MeV用直流高壓加速到0.126MeV能量?jī)?yōu)點(diǎn)：強(qiáng)度高，發(fā)射單色中子，可人為控制（產(chǎn)生脈沖中子）。缺點(diǎn)：壽命短，一般

3、只有幾百個(gè)小時(shí)。5GaoJ-3-3核聚變（核能）較輕的原子核聚合成較重的原子核而釋放能量；最常見(jiàn)是氘和氚聚合成較重的氦，釋放出能量；通過(guò)電解海水，可以得到大量的氘；鋰也要從海水里提取，但要比提取氘難度大；理論上，1公斤氘和10公斤鋰（通過(guò)鋰可以得到氚）發(fā)的電相當(dāng)于1萬(wàn)噸煤地球上海水中有45萬(wàn)億噸氘，足夠人類(lèi)使用60億年6GaoJ-3-32006年，中國(guó)、印度、日本、俄羅斯、韓國(guó)、美國(guó)和歐盟的代表在法國(guó)(反應(yīng)堆地址所在國(guó))簽署國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆計(jì)劃（ITER）聯(lián)合實(shí)施協(xié)定，總投資額為100億歐元,歐盟承擔(dān)50，其余6方承擔(dān)50 ；預(yù)計(jì)35年創(chuàng)造可控制的產(chǎn)生聚變的物理?xiàng)l件：氘和氚的混合氣體被加

4、熱到一億度以上“托卡馬克”型磁場(chǎng)約束法利用巨大環(huán)形超導(dǎo)磁場(chǎng)，對(duì)等離子體進(jìn)行加熱、約束二、中子與地層的作用1. 快中子的非彈性散射（1） 概念（2）非彈性散射（微觀）截面 一個(gè)中子與單位面積上的靶核發(fā)生非彈性散射的幾率，單位是靶恩，即10-24cm2（10-28m2)快中子被靶核吸收,再放出一個(gè)較慢的中子, 激發(fā)態(tài)的靶核一般發(fā)射光子后回到基態(tài)。中子的能量必須大于靶核的最低激發(fā)能級(jí)才能發(fā)生非彈性散射（隨中子能量增大及靶核質(zhì)量數(shù)的增大而增大）7GaoJ-3-3（3）中子非彈性散射的應(yīng)用發(fā)生非彈性散射,產(chǎn)生射線,選擇記錄具有某些特征能量值的射線強(qiáng)度,可測(cè)出相應(yīng)核素的相對(duì)含量。核素28Si40Ca12C

5、16O非彈性散射伽馬（MeV）1.783.734.436.138GaoJ-3-32. 快中子對(duì)核的活化快中子與某些穩(wěn)定核素發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生的新核是放射性核素（稱(chēng)為活化核）,發(fā)生衰變,產(chǎn)生 或 對(duì)測(cè)井有實(shí)用價(jià)值的活化核反應(yīng)：Al28半衰期為2.3min，發(fā)射光子能量為1.728MeV對(duì)應(yīng)于活化測(cè)井中的“硅測(cè)井”，用于識(shí)別巖性活化伽馬射線的強(qiáng)度很低且變化較慢9GaoJ-3-33. 快中子的彈性散射及減速過(guò)程（1）快中子的彈性散射中子與原子核發(fā)生碰撞前后,系統(tǒng)的總動(dòng)能不變,中子所損失的能量全部轉(zhuǎn)變?yōu)樵雍说膭?dòng)能,而原子核仍處于基態(tài)快中子經(jīng)過(guò)非彈性散射后，降低了能量，沒(méi)有足夠的能量再發(fā)生非彈性散射時(shí)，它

6、和原子核碰撞時(shí)就只能發(fā)生彈性散射而繼續(xù)減速10GaoJ-3-3一次彈性散射，中子可能的最大能量損失為：A：靶核的質(zhì)量數(shù)，E0：入射中子的初始能量氫核，A=1，中子與氫核發(fā)生正碰撞時(shí)，中子將失去的最大能量是全部動(dòng)能碳核, A=12，中子與碳核發(fā)生正碰撞時(shí)，中子可能損失的最大能量是0.284 E011GaoJ-3-3中子與靶核每次彈性碰撞時(shí)，平均能量損失為：靶核質(zhì)量數(shù)A越小，中子的能量損失越大氫核A=1，中子與氫核彈性碰撞時(shí)失去能量最多（平均失去50%的能量），而與碳核碰撞時(shí)，每次碰撞平均損失14%的能量。氫核對(duì)中子的減速能力最強(qiáng)。12GaoJ-3-3（2）快中子減速時(shí)間和減速長(zhǎng)度減速時(shí)間:快中子

7、由初始能量E0 減速到能量為En=0.025eV的熱中子所需的時(shí)間f減速距離:移動(dòng)的直線距離R 13GaoJ-3-3巖石對(duì)快中子的減速能力主要由含氫量決定石英：Le=37cm方解石：Le=35cm淡水：Le=7.7cm中子的減速長(zhǎng)度為：14GaoJ-3-3GaoJ-3-315The slowing of fast neutrons with time by elastic collision with formation nuclei4. 熱中子擴(kuò)散和被俘獲（1）熱中子的擴(kuò)散：熱中子從中子密度大的區(qū)域向中子密度小的區(qū)域擴(kuò)散，直至被介質(zhì)的原子核俘獲為止。熱中子：溫度25時(shí)，能量為0.025eV，

8、速度為2.2105cm/s16GaoJ-3-3（2）輻射俘獲核反應(yīng)靶核俘獲一個(gè)熱中子后成為激發(fā)態(tài)的復(fù)核，放出光子后回到基態(tài)，反應(yīng)中放出的射線稱(chēng)為俘獲射線17GaoJ-3-3不同原子核俘獲熱中子放出的俘獲射線具有不同的特征能量。測(cè)量地層中俘獲伽馬總強(qiáng)度中子伽馬測(cè)井測(cè)量特定能量的俘獲伽馬俘獲伽馬能譜測(cè)井H、Si、Cl、Ca、Fe18GaoJ-3-3（3）宏觀俘獲截面及熱中子壽命宏觀俘獲截面a：1cm3的介質(zhì)中所有原子核微觀俘獲截面的和。地層中常見(jiàn)核素的微觀俘獲截面：Cl H C O Mg Al Si Ca B31.6 0.329 0.0045 0.0016 0.46 0.215 0.13 0.43

9、 710熱中子的壽命：中子從變?yōu)闊嶂凶拥乃查g起，到被吸收的時(shí)刻止，所經(jīng)過(guò)的平均時(shí)間。19GaoJ-3-3（4）超熱中子和熱中子通量的空間分布中子通量：每秒鐘內(nèi)通過(guò)1cm3巖石的中子數(shù) 中子探測(cè)器的計(jì)數(shù)率與中子通量成正比超熱中子的通量：熱中子的通量：Le為快中子減速長(zhǎng)度，Lt為熱中子的擴(kuò)散長(zhǎng)度De、Dt為快中子和熱中子的擴(kuò)散系數(shù)20GaoJ-3-3（5） (超)熱中子計(jì)數(shù)率與源距、孔隙度關(guān)系對(duì)孔隙度靈敏度為零的 L 稱(chēng)為零源距大于零源距，稱(chēng)為正源距小于零源距，稱(chēng)為負(fù)源距（1）L 較小時(shí)，孔隙度（含氫量）越高計(jì)數(shù)率越高（2）L 較大時(shí)，孔隙度越高計(jì)數(shù)率越低21GaoJ-3-3三、 中子的探測(cè)利用以

10、上反應(yīng)產(chǎn)生的或p粒子使探測(cè)器的計(jì)數(shù)管氣體電離形成電脈沖信號(hào)，或使探測(cè)器的閃爍體形成閃爍熒光產(chǎn)生電脈沖信號(hào)，記錄中子22GaoJ-3-32 中子孔隙度測(cè)井一、測(cè)量原理2.用中子探測(cè)器探測(cè)熱中子或超熱中子,得到計(jì)數(shù)率3.計(jì)數(shù)率的大小主要決定于地層的含氫量4.在淡水石灰?guī)r刻度井中建立計(jì)數(shù)率與孔隙度的轉(zhuǎn)換關(guān)系1.由中子源產(chǎn)生5MeV的快中子5.用轉(zhuǎn)換關(guān)系得到的孔隙度稱(chēng)為視石灰?guī)r中子孔隙度23GaoJ-3-3二、物質(zhì)的含氫指數(shù)H1. 含氫指數(shù)H定義：2. 含氫指數(shù)H的表達(dá)式：1cm3物質(zhì)中的氫核數(shù)與1cm3淡水中氫核數(shù)的比值1cm3物質(zhì)中的氫核數(shù)：24GaoJ-3-3式中：M化合物的摩爾質(zhì)量，g/mol

11、; 體積密度， g/cm3； x 每個(gè)分子中的氫原子數(shù)； NA Avogadro常數(shù)； K 待定系數(shù)含氫指數(shù)：25GaoJ-3-3對(duì)于淡水：H=1，而x=2，g/cm3 ，M=18 g/mol因此，物質(zhì)的含氫指數(shù)可由下式確定：代入得：H=KNA2/18=1，所以：KNA926GaoJ-3-33.油氣的含氫指數(shù) 油氣的分子式：CHx 分子量：12+x 密度：h對(duì)于石油（CnHnx): 密度00.25如果0=0.85H0=1.03427GaoJ-3-3對(duì)于天然氣（CH4)：28GaoJ-3-34.飽和淡水純石灰?guī)r的含氫指數(shù)( Hydrogen Index)： 水骨架H單位體積純石灰?guī)r孔隙度即是含氫

12、指數(shù)，對(duì)淡水石灰?guī)r29GaoJ-3-3 中子測(cè)井儀在飽含淡水的純石灰?guī)r（孔隙度已知）刻度井中將熱中子或者超熱中子計(jì)數(shù)率刻度為孔隙度，記為N，常稱(chēng)中子孔隙度或視石灰?guī)r中子孔隙度（即含氫指數(shù)） 對(duì)飽含淡水的純石灰?guī)r： N = 對(duì)飽含淡水的純砂巖： N 30GaoJ-3-35.與有效孔隙度無(wú)關(guān)的含氫指數(shù)（1）泥質(zhì)：因含束縛水和結(jié)晶水，因而有很高的含氫指數(shù)。大小由泥質(zhì)孔隙體積和粘土礦物成分決定 （2）石膏：31GaoJ-3-3（3）巖性影響：儀器以純石灰?guī)r為標(biāo)準(zhǔn)刻度時(shí) 石灰?guī)r骨架： H = 0 砂巖骨架： H = -0.01 -0.05 白云巖骨架： H = 0.01 0.085（4）氣的影響（挖掘效

13、應(yīng)影響） 因中子測(cè)井的探測(cè)范圍是沖洗帶，所以當(dāng)沖洗帶有殘余氣時(shí)，對(duì)純石灰?guī)r，其含氫指數(shù)為：32GaoJ-3-3測(cè)井時(shí)會(huì)出現(xiàn) ：N SXO=XO 當(dāng)Hh=0,即把含天然氣的孔隙體積當(dāng)作石灰?guī)r骨架處理時(shí)N還小于XO，說(shuō)明天然氣對(duì)快中子的減速能力比石灰?guī)r骨架還差，所以顯示為負(fù)的含氫指數(shù)，把天然氣對(duì)中子測(cè)井的這種影響稱(chēng)為挖掘效應(yīng)。應(yīng)該：N SXO(=XO)Hw=1, Hh033GaoJ-3-3N= V3 Hw= 3V1（石灰?guī)r）V2 （石灰?guī)r）V3（水） V1( 石灰?guī)r） V2(氣)V3(水)NN40巖 鹽DN56砂 巖D=N0石灰?guī)rDN813白云巖DN16硬石膏DN1030泥 巖DN40巖 鹽DN5

14、6砂 巖D=N0石灰?guī)rDN813白云巖DN16硬石膏DN1030泥 巖DN40巖 鹽DN56砂 巖D=N0石灰?guī)rDN813白云巖DN16硬石膏DN1030泥 巖DN40巖 鹽DN56砂 巖D=N0石灰?guī)rDN813白云巖DN16硬石膏DN1030泥 巖D1m,和較準(zhǔn)，用半幅點(diǎn)分層h1m,受?chē)鷰r影響60GaoJ-3-3發(fā)射中子脈沖后，選擇時(shí)刻t1和t2測(cè)量熱中子，得到計(jì)數(shù)率N1、N2PNN （脈沖中子中子測(cè)井）:測(cè)量熱中子計(jì)數(shù)率,得到熱中子壽命61GaoJ-3-3五、應(yīng)用（主要在套管井求飽和度）響應(yīng)方程(1)含水純巖石ma、w 巖石骨架及地層水的宏觀俘獲截面適用條件：孔隙度中到高,泥質(zhì)含量小,地層

15、水礦化度高(大于50000ppm)的地層。62GaoJ-3-3NLL 對(duì)完全含水的純地層NLL 對(duì)地層水含鹽量不高的油層 NLL 中子壽命資料按含水純巖石計(jì)算的地層孔隙度63GaoJ-3-3（2）含油氣純地層h油氣的宏觀俘獲截面64GaoJ-3-3一、基本原理脈沖中子源:發(fā)射14MeV的快中子脈沖伽馬能譜儀:測(cè)量非彈性散射伽馬及俘獲伽馬能譜數(shù)據(jù)，處理后得到碳氧比或硅鈣比等曲線優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算含水飽和度與礦化度無(wú)關(guān)缺點(diǎn)：測(cè)速非常低，儀器昂貴，探測(cè)深度淺4 次生伽馬能譜測(cè)井65GaoJ-3-366GaoJ-3-3核 素28Si40Ca12C16O非彈性散射伽馬（MeV）1.783.834.436.136

16、7GaoJ-3-3核 素1H28Si35Cl40Ca56Fe俘獲伽馬(MeV)2.233.441.95 6.116.64 7.426.147.64核 素28Si28Al16O48Ca活化伽馬 (MeV)1.7821.0130.8426.177.123.084 4.071BGO/NaI非彈性散射伽馬能譜圖（儀器譜）1. C 、O、Si、Ca的非彈性散射伽馬能譜GaoJ-3-368BGO/NaI俘獲伽馬能譜圖（儀器譜）2. H、Si、Cl、Ca、Fe的俘獲伽馬能譜GaoJ-3-369二、次生伽馬能譜的測(cè)量Baker Atlas公司的RPM對(duì)給定的核素開(kāi)設(shè)能窗還原數(shù)據(jù)處理記錄Si計(jì)數(shù)率曲線（俘獲），

17、Si,Ca計(jì)數(shù)率比值曲線（俘獲），Ca,Si計(jì)數(shù)率比值（非彈），C,O比計(jì)數(shù)率比值（非彈）1.70GaoJ-3-32. Schlumberger公司的GST測(cè)量非彈性散射伽馬及俘獲伽馬的儀器譜71GaoJ-3-31）中子脈沖持續(xù)20s，隔100 s 發(fā)射一次2）發(fā)射中子期間（ 20 s 內(nèi)），記錄伽馬譜（包括非彈性伽馬，俘獲伽馬，活化伽馬）3）在2040 s內(nèi)記錄本底譜（俘獲+活化），則：發(fā)射譜-本底譜=凈的非彈性譜4）然后在4084 s 測(cè)量俘獲伽馬儀器譜72GaoJ-3-3三、能譜數(shù)據(jù)處理輸出的各種比值曲線及其意義比值測(cè)量性質(zhì)參數(shù)含義符號(hào)其它意義C/O非彈性射散射指示油氣COR ,巖性Cl

18、/H俘獲指示含鹽量的比值SIRSW,Vsh, H/(Si+Ca)俘獲指示孔隙度比值PIR巖性,VshFe/(Si+Ca)俘獲指示鐵含量比值IIRVsh ,巖性Si/ (Si+Ca)俘獲及非彈性射散射指示巖性的比值LIRS/ (Si+Ca)俘獲及非彈性射散射指示硬石膏含量的比值A(chǔ)IR巖性73GaoJ-3-3四、C/O 應(yīng)用非彈性模式：13 25cm俘獲模式： 20 30cm探測(cè)深度：COR曲線的解釋?zhuān)?）用能譜儀對(duì)已知巖性和孔隙度，完全含油和完全含水的巖樣測(cè)量C/O，得其差值R（2）繪COR與孔隙度的交會(huì)圖 骨架點(diǎn)與完全含水的資料點(diǎn)連線為水線 骨架點(diǎn)與完全含油的資料點(diǎn)連線為油線 74GaoJ-3

19、-3當(dāng)孔隙度小于15%時(shí)，COR 求含水飽和度分辨力較差（3）建立經(jīng)驗(yàn)公式如大慶油田對(duì)鍺（鋰）譜儀建的砂巖公式75GaoJ-3-3五、中子俘獲伽馬能譜測(cè)井熱中子能與大多數(shù)元素發(fā)生俘獲反應(yīng)。利用中子與地層各種元素作用發(fā)生俘獲核反應(yīng)，瞬發(fā)的伽馬射線能量不同，測(cè)量和分析俘獲伽馬能譜，可以確定地層元素成分和含量，該測(cè)井方法稱(chēng)為中子俘獲伽馬能譜測(cè)井。該方法幾乎能確定地層中的全部元素成分，然后應(yīng)用氧化物閉合模型確定巖石的礦物組成，為復(fù)雜巖性識(shí)別和地層評(píng)價(jià)開(kāi)辟了新的途徑。因此，通常稱(chēng)為地層元素測(cè)井(Formation Element Logging)或地球化學(xué)測(cè)井(Geochemical Logging)。

20、GaoJ-3-376地質(zhì)應(yīng)用依據(jù)：礦物的化學(xué)成分穩(wěn)定時(shí)，礦物中的元素的百分比基本保持不變；地殼中有100多種元素，但前9種元素占全部元素質(zhì)量的98.13%，只要能精確測(cè)量這些元素的含量，則完全可確定地層的礦物含量。O(46.50%)、Si(25.70%)、Al(7.65%)、Fe(6.24%)、Ca(5. 79%) 、Mg(3.23%)、Na(1.81%)、K(1.34%) 等GaoJ-3-377地層元素測(cè)井儀器（Schlumberger 公司）ECS: Elemental Capture Spectroscopy tool采用單BGO探測(cè)器及Am-Be中子源，伽馬射線的能量范圍為0.68Me

21、V，縱向分辨率和探測(cè)深度分別為18in.和9in.，不受鉆井液類(lèi)型影響，能夠確定6種元素：Si、Ca、Fe、S、Ti和Gd。ECS能夠?qū)崿F(xiàn)的主要功能有實(shí)時(shí)的元素分析；不借助自然伽馬確定粘土含量；能夠進(jìn)行復(fù)雜儲(chǔ)層礦物分析及巖性識(shí)別。 ECS測(cè)井儀DetectorNPLCAcquisitionCartridgeAmBe SourceBGO Crystaland PMTBoron SleeveElectronicsHeat SinkDewar FlaskGaoJ-3-378地層元素測(cè)井儀器（Schlumberger公司）Litho Scanner 由高頻率的D-T脈沖中子發(fā)生器以及高分辨率的LaBr

22、3(溴化鑭)探測(cè)器，采用相應(yīng)的中子和伽馬屏蔽體來(lái)消除井眼等環(huán)境伽馬的影響，通過(guò)氧化物與巖性關(guān)系進(jìn)行復(fù)雜巖性識(shí)別。能量記錄范圍：110MeV，縱向分辨率18in.，輸出：元素產(chǎn)額、元素含量、TOC、礦物含量和骨架屬性等參數(shù)。能夠確定的元素種類(lèi)主要有Si、Ca、Fe、Mg、S、Al、K、C、Mn、Ti、Gd、Cu、Ni等13種元素。Litho Scanner儀器結(jié)構(gòu)示意圖GaoJ-3-379地層元素測(cè)井儀器（Halliburton公司）GEM測(cè)井儀GEMGamma ray Elemental Mineralogical Analysis Logging tool GEM測(cè)井儀采用Am-Be中子源和

23、BGO探測(cè)器，測(cè)井過(guò)程中能夠?qū)崟r(shí)輸出元素含量進(jìn)行地層巖性評(píng)價(jià)。儀器貼井壁測(cè)量，可在直徑20in.的井眼進(jìn)行測(cè)量；可以在油基鉆井液、水基鉆井液及空氣鉆井條件下使用，縱向分辨率為18in.，探測(cè)深度6in.；能夠確定Mg、Al、Si、K、Ca、Ti、Mn、Fe、Gd等8種元素含量，GEM能夠進(jìn)行礦物成分分析，確定骨架密度及孔隙度。GaoJ-3-380地層元素測(cè)井儀器（Baker Hughes公司）FLeXFormation Lithology eXplorer 由高頻率的D-T脈沖中子發(fā)生器、BGO晶體閃爍探測(cè)器、高速井下傳輸線路和高強(qiáng)度鈦外殼組成，并采用相應(yīng)的中子和伽馬屏蔽體來(lái)消除井眼等環(huán)境伽馬的影響，通過(guò)氧化物與巖性關(guān)系進(jìn)行復(fù)雜巖性識(shí)別。FLeX測(cè)井儀脈沖中子工作時(shí)序分為兩個(gè)階段，第一階段包括950個(gè)重復(fù)短周期，每個(gè)短周期工作時(shí)間為100s，其中1040s記錄非彈伽馬信息，50100s記錄俘獲伽馬信息；第二階段包括50個(gè)工作時(shí)間為100s的短周期，記錄伽馬本底譜，能夠確定Al、C、Ca、Fe、Gd、K、Mg、S、Si