1、第九章 中子測(cè)井(Neutron log)屬于放射性測(cè)井，它是利用巖石中含氫量來(lái)研究巖石性質(zhì)和孔隙度的一種測(cè)井方法。下井:中子源中子進(jìn)入巖層,同物質(zhì)原子核發(fā)生碰撞、減速、 散射、被俘獲的情況與地層H含量有關(guān)據(jù)記錄內(nèi)容分為(即探測(cè)對(duì)象不同分為)：中子-中子測(cè)井 neutron-neutron logging中子-伽瑪測(cè)井 neutron-gamma log中子壽命測(cè)井 netruon lifetime log中子-中子測(cè)井又分為：補(bǔ)償中子測(cè)井CNL、井壁中子測(cè)井SNP 普通中子測(cè)井常用中子源有：釙-鈹中子源、镅-鈹中子源、鐳-鈹中子源放射性元素放出42He與鈹反響放出中子，氫原子核俘獲中子的核反

2、響94Be+42He136C126C+10n+r11H+10n=21H+r另脈沖中子源31H +21H=01n +42He + 17.6mev14Mev用于非彈性散射伽瑪能譜測(cè)井及中子壽命測(cè)井高能快中子：能量10萬(wàn)電子伏特中能中子：100ev-10萬(wàn)電子伏特慢中子：100電子伏特0.1100電子伏特為超熱中子0.025電子伏特中子為熱中子一、中子與物質(zhì)的相互作用由中子源收射出來(lái)的快中子與組成物質(zhì)的原子核發(fā)生作用，分以下幾個(gè)階段。平均14Mev快中子碰撞原子核-發(fā)生彈性散射中子一局部能量傳給原子核，成為原子核動(dòng)能，中子能量減少，運(yùn)動(dòng)速度降低-繼續(xù)碰撞其它原子核.反復(fù)屢次，能量不斷損失，速度不斷減

3、慢，最后中子成為熱中子，此過(guò)程為快中子的減速過(guò)程。中子變?yōu)闊嶂凶雍?，就象分子熱運(yùn)動(dòng)一樣在物質(zhì)中進(jìn)行擴(kuò)散，此時(shí)再與原子核發(fā)生碰撞時(shí)，失去和得到的能量幾乎相等。巖石中不同元素對(duì)中子產(chǎn)生彈性散射幾率(散射截面)不同，H元素彈性散射截面最大。不同元素減速能力不同，輕原子核對(duì)中子減速起主要作用，特別是氫原子核與H碰撞，減速成熱中子過(guò)程最快，因此，高含H巖石中，快中子將很快減速成熱中子。中子測(cè)井據(jù)此來(lái)探測(cè)含氫量多少，并進(jìn)而判斷油氣地層。“減速長(zhǎng)度-用來(lái)描述快中子變?yōu)闊嶂凶拥臏p速過(guò)程。減速長(zhǎng)度定義為由快中子減速成熱中子所經(jīng)過(guò)的直線(xiàn)距離的平均值，單位為厘米。介質(zhì)含氫越多，減速長(zhǎng)度越短。也說(shuō)明氫元素對(duì)快中子的減

4、速能力最大。減速長(zhǎng)度主要由含氫量決定。氫原子核俘獲中子的核反響：11H +10n21H + r熱中子擴(kuò)散時(shí)，在原子核周?chē)Ａ魰r(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，易被原子俘獲。中子通過(guò)物質(zhì)時(shí)和原子核發(fā)生某種核反響幾率大小，引用有效截面的概念。設(shè)在單位體積中有n個(gè)原子核。每個(gè)原子核以面積為的圓形靶代替。靶的面積大小是這樣選定的，即當(dāng)入射的中子進(jìn)入靶內(nèi)時(shí)，就遭到碰撞而發(fā)生某種反響。面積稱(chēng)為有效截面。有效截面的概念原子核的幾何截面。發(fā)生散射過(guò)程的有效截面稱(chēng)為散射截面。發(fā)生俘獲過(guò)程的有效截面稱(chēng)為俘獲截面。發(fā)生兩種過(guò)程的總有效截面為全有效截面。單位體積物質(zhì)的有效截面為各個(gè)原子核有效截面的總和，稱(chēng)為宏觀有效截面。單個(gè)原子核的有效

5、截面，通常叫微觀有效截面。它是中子能量的一個(gè)比較復(fù)雜的函數(shù)。熱中子被元素原子核俘獲幾率取決于元素俘獲能力，通常用俘獲截面來(lái)量度，單位巴。氯元素特別是硼的俘獲截面很大元素原子核俘獲熱中子之后，處于激發(fā)態(tài)，當(dāng)它回到穩(wěn)定基態(tài)時(shí)，多余能量以伽瑪射線(xiàn)的形式釋放出來(lái)，該射線(xiàn)為俘獲伽瑪射線(xiàn)。不同元素俘獲后放出的能量不同。cl放出能量高達(dá)7MeV，因此cl存在時(shí)，而被氫吸收后所放出的rMeV。氯元素存在，測(cè)熱中子數(shù)顯著減少。而俘獲伽瑪射線(xiàn)卻又會(huì)普遍上升，所以用能譜測(cè)井儀能更清楚地根據(jù)cl的含量區(qū)分油層和水層，因?yàn)閏l大局部存在于地層水中，在油層中很少見(jiàn)。二、中子-中子測(cè)井原理1.中子-熱中子測(cè)井熱中子密度取決

6、于介質(zhì)對(duì)中子的減速特性介質(zhì)對(duì)中子的俘獲特性H一定，r大，熱中子密度分布變化由快漸緩慢，含H高時(shí)過(guò)程快。r小(40cm)，含H高介質(zhì)中，熱中子密度相對(duì)大。 r40cm，含H高介質(zhì)中，熱中子密度相對(duì)大。 r=40cm，含H高介質(zhì)中，熱中子密度幾乎相等，這一距離為“零源距。熱中子讀數(shù)隨含氫量增高呈指數(shù)規(guī)律降低，在巖石中，含H量直接反映著孔隙度的大小，因此lgN=a+b b-儀器常數(shù) a-與井徑、源距等有關(guān)的參數(shù) N-中子計(jì)數(shù)率假設(shè)存在cl時(shí)，熱中子被強(qiáng)吸收，N小，不能用此計(jì)算孔隙度為取消影響、采用補(bǔ)償 長(zhǎng)、短-源距法lgNL=-a1+b+c cl(氯)測(cè)結(jié)果 lgNS=-a2+b+c lgNL/NS

7、=(a1-a2)用熱中子探測(cè)器，由普通閃爍計(jì)數(shù)器涂上鋰、硼粒子熒光收光電脈沖記錄快中子超熱中子過(guò)程只與介質(zhì)的減速特性有關(guān)，與俘獲特性無(wú)關(guān)，因此其測(cè)量結(jié)果更能直接反映地層的含氫量。也就能準(zhǔn)確地反映地層的孔隙度。記錄超熱中子探測(cè)器，是由熱中子管外壁上加一層石蠟和一層鎘，鎘為吸收周?chē)鸁嶂凶?，只讓超熱中子通過(guò)，石蠟使超熱子熱中子記錄。為了減小井孔影響熱中子，采用貼井壁形式測(cè)量，稱(chēng)為：井壁超熱中子測(cè)井或“井壁中子測(cè)井，同樣以石灰?guī)r孔隙為單位進(jìn)行記錄。三、中子-伽瑪測(cè)井原理測(cè)量原子核俘獲熱中子之后放出的俘獲伽瑪射 線(xiàn)的強(qiáng)度。強(qiáng)度與兩因素有關(guān)：巖石對(duì)中子減速能力 H對(duì)熱中子俘獲能力 cl中子-r探測(cè)主要是巖

8、石中的H和cl的含量。H測(cè)中子-伽瑪射線(xiàn)強(qiáng)度H、cl 強(qiáng)度cl對(duì)中子-r影響結(jié)果與其對(duì)熱中子測(cè)井影響相反 四、應(yīng)用、巖性=N-(N)ma/(N)f-(N)ma - 總孔隙度，如地層中含泥質(zhì)、含氣體那么為視孔隙度2.判斷氣層，確定油、氣、水界面天然氣中含氫量比水和油中含氫量低得多，因此氣層中子測(cè)井顯示比油、水層幅度高，與致密巖性高值區(qū)別在于聲波(周波跳躍)，微電極(是否分開(kāi)等)。低礦化度地層中，油水在中子-r曲線(xiàn)上特征相同難以分開(kāi)。高礦化度地層水中，由于cl作用，使中子-r能量高、吸收大、區(qū)分油水層、劃分界面。r曲線(xiàn)進(jìn)行射孔定位。中子-r+其它=確定油層位置射孔六、刻度祝石灰?guī)r刻度*巖性：幾種常

9、見(jiàn)巖石的中子曲線(xiàn)反映如下：泥巖：泥巖總孔隙度大，含有大量吸附水和結(jié)晶水，在中子-中子及中子-r測(cè)井曲線(xiàn)上均顯示為低值。特別是在泥巖段井徑常擴(kuò)大，熱中子密度和次生r射線(xiàn)強(qiáng)度進(jìn)一步降低。泥巖在自然r曲線(xiàn)上顯示為高值，兩者結(jié)合，易把這和大孔隙度的滲透層區(qū)分開(kāi)。膠結(jié)很好致密砂巖、致密灰?guī)r、白云巖和硬石膏，中子-中子和中子-r曲線(xiàn)上顯示均為高值，而自然r曲線(xiàn)上為低值。含有低礦化度地層水的滲透性砂巖和裂隙石灰?guī)r：中子-中子和中子-r測(cè)井曲線(xiàn)上顯示為中等數(shù)值。自然r曲線(xiàn)顯示為低值，隨孔隙度增大或含泥質(zhì)增多，中子測(cè)井讀數(shù)降低，自然r測(cè)井隨泥質(zhì)增多而升高。孔隙中充滿(mǎn)高礦化度地層水砂巖和石灰?guī)r：中子-中子測(cè)井讀數(shù)

10、低中子-r讀數(shù)高cl，自然r測(cè)井曲線(xiàn)顯示為低值?？紫吨谐錆M(mǎn)天然氣的砂巖和石灰?guī)r：中子-中子和中子-r測(cè)井曲線(xiàn)顯高值，自然r測(cè)井顯低值。石膏層：中子-中子和中子-r測(cè)井曲線(xiàn)上顯低值，自然r上為低值(含結(jié)晶水)巖鹽層：中子-中子低值，中子-r高值。中子測(cè)井確定地層的孔隙度中子測(cè)井讀數(shù)是和巖石中含氫的總量有關(guān)，所以它反映的是總孔隙度。含氫指數(shù)：?jiǎn)挝惑w積中的氫原子數(shù)與單位體積純水中氫原子數(shù)之比。VH= VmaHma+VHf、ma、f中子孔隙度與含氫指數(shù)呈正比N=(1- )(N)ma+ (N)f=(N-(N)ma)/(N)f-(N)ma)一般N刻度是用石灰?guī)r刻度的流體(水)的中子孔隙度(N)f=1(N)

11、ma對(duì)于不同巖石，不同中子測(cè)井法、有不同的值，見(jiàn)表2-6。地層為含油氣純地層N=(1- )(N)ma+(N)mf(1-Shr)+Shr(N)hr =N-(N)ma)/(N)mf-(N)ma) -(Shr (N)hr-(N)mf)/(N)mf-(N)ma)=N/(1+Shr(N)hr-(N)mf)/(N)mf-(N)ma)N=(N-(N)ma)/(N)mf-(N)ma)為中子測(cè)井視孔隙度有油氣影響對(duì)，N減小，計(jì)算孔隙度低。利用上求時(shí)，對(duì)于油( N)hr=油-1.03對(duì)于氣(氣油和汽分別表示油和氣的密度如果單礦物加泥質(zhì)時(shí)用(N)sh表示泥質(zhì)的中子孔隙度，假設(shè)孔隙中充滿(mǎn)水時(shí)=(N-(nma/(N)f

12、-(N)ma-SH(N)sH-(N)ma(Nf-N)ma假設(shè)探測(cè)范圍內(nèi)充填泥漿濾液和剩余油氣時(shí)= (N-(N)ma/(N)mf-(N)ma -SH(N)sh-(N)ma)/(N)mf-N)ma) -Shr(N)hr-(N)mf)/(N)mf-(N)ma)=(N-SH(N)sh-(N)ma)/(N)mf-(N)ma) /(1+Shr(N)hr-(N)mf)/(N)mf-(N)ma)中子測(cè)井孔隙度*用中子測(cè)井計(jì)算的孔隙度是地層的含氫孔隙度或總孔隙度，當(dāng)?shù)貙又杏泻瑲淞亢芨叩氖啻嬖跁r(shí)，計(jì)算的孔隙度比實(shí)際值偏高，此時(shí)，需求石膏含量加以校正。一、中子壽命測(cè)井一)根本知識(shí)脈沖狀態(tài)工作中子源，研究中子暫態(tài)分

13、布中子源：提供140Mev高能中子流中子源每發(fā)出一次脈沖中子流。就可看到快中子與地層作用，從減速到吸收隨時(shí)間發(fā)生的不同作用所產(chǎn)生的r射線(xiàn)，在時(shí)間上也表現(xiàn)出先后次序。高能中子進(jìn)入地層非強(qiáng)性散射+放伽瑪射線(xiàn)+熱中子俘獲r射線(xiàn)消失活化r射線(xiàn)分析非彈性散射r射線(xiàn)能譜、研究某些對(duì)指示油水層有意義的元素，如等快中子非彈性散射伽瑪r能譜油井C/O。研究熱中子俘獲伽瑪r射線(xiàn)強(qiáng)度的衰減，可求熱中子衰減時(shí)間，確定巖層對(duì)中子的吸收性質(zhì)中子壽命測(cè)井與地層中吸收性強(qiáng)的cl含量有關(guān)。所以是區(qū)分油、水層，劃分油水界面，了解含水飽和度Sw、含油飽和度So(巖性、孔隙度、和地層水礦化度下)重要方法硅測(cè)井區(qū)分砂巖與碳酸巖CO2-

14、3(高阻砂碳酸巖)為利用非彈性散射-區(qū)分油氣水必取反響截面大、元素?cái)?shù)量多、特征r射線(xiàn)、易區(qū)分元素來(lái)進(jìn)行一般Mg、Fe、C的大，但一般砂巖中Mg、Fe含量少、宏觀截面不大。氧和硅Si雖然不太大，但含量高，所以宏觀截面大，只要儲(chǔ)層中孔隙度變化不大，硅在油、水層中含量一樣硅與巖性有關(guān)與孔隙有關(guān)氧：與巖性關(guān)系不大，其數(shù)量主要與地層中含油量與含水量有關(guān)，含水時(shí)氧含量高碳：與地層中含油與否有關(guān)特征譜：非彈r射線(xiàn)能量氧：6.19兆中子伏特碳：4.42兆中子伏特 區(qū)分油、水層C/O與So關(guān)系 (二)活化測(cè)井穩(wěn)定同位素被中子源照射放射性 次生的同位素活化穩(wěn)定同位素類(lèi)型含量與巖性、孔隙度有關(guān)，因此應(yīng)用此方法可以確

15、定巖性和放射性同位素分析三種性質(zhì)：1)活化反響截面所決定的射線(xiàn)強(qiáng)度；2)半衰期(適中)；3)射線(xiàn)的能譜特殊主要造巖礦物中：O16 Al27 Si28O16(n,p)N16 Al37(n,p)Mg27 Si28(n,p)Al28活化元素半衰期與特征能譜Si/ Al 測(cè)井巖性Al測(cè)井確定泥質(zhì)含量到達(dá)GR與SP效果Al/Si二、能譜測(cè)井某一能量范圍及假設(shè)干能量范圍時(shí)線(xiàn)強(qiáng)度自然伽瑪能譜測(cè)井U、Th、K中子俘獲伽瑪射線(xiàn)能譜法cl中子非強(qiáng)性散射伽瑪射線(xiàn)能譜法O/C中子源發(fā)出高能中子與地層元素發(fā)生非常性散射，地層中局部原子核被激發(fā)產(chǎn)生r射線(xiàn)。中子活化伽瑪射線(xiàn)能譜法Si中子源發(fā)出高能中子與地層元素發(fā)生非彈性散

16、射，地層中局部原子被激了產(chǎn)生r射線(xiàn)。地層中各主要造巖元素的中子非彈性散射微觀散射截面和特征的r射線(xiàn)的能量，如下表所示。另Na、Cl、P、Al、K其中非彈性散射截面都很小。(二)根本理論熱中子壽命測(cè)井通過(guò)研究俘獲r射線(xiàn)來(lái)了解巖層吸收性質(zhì)，它的根本理論是要說(shuō)明熱中子空間-時(shí)間分布與反映介質(zhì)吸收性質(zhì)的中子壽命值之間關(guān)系。熱中子的空間-時(shí)間分布滿(mǎn)足擴(kuò)散方程(三)解釋方法1.影響中子壽命測(cè)井結(jié)果的因素1)擴(kuò)散效應(yīng)：實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出，擴(kuò)散作用將使中子密度數(shù)據(jù)，降低數(shù)值和巖石孔隙有關(guān)，低孔地層中，降低可能25%補(bǔ)償：巖石骨架俘獲截面=真俘獲截面的1.6倍2)井眼條件影響，快中子熱中子分布。井眼消失，井眼影響不大且T2、T3時(shí)，曲線(xiàn)比值井眼消失雖d大或含鹽。3)侵入影響有效研究半徑R=2.1KF(Dt.KF) D-取決于介質(zhì)的H含量4)壓力和溫度：溫度和壓力只對(duì)含天然氣地層的一產(chǎn)生影響，流體侵入無(wú)法確定孔隙度，侵入消失那么可以確定5)層厚影響h3-4英尺 3-4ft2.確定Sw1)ma確定 實(shí)驗(yàn)室、經(jīng)驗(yàn)值，交會(huì)圖2)w：礦化度離子類(lèi)型 Nacl溶液3)h油氣 氣(油、壓、成份)g=rg)4)sh臨近泥巖層確定3.劃分油氣水界面上油氣下水將有(N油N水=e-t(油-水)N油N水=油水差異大時(shí)劃分氣油水界