中子測(cè)井原理及應(yīng)用

1、授課人：李品授課人：李品單位：武漢地大華睿地學(xué)技術(shù)有限責(zé)任公司單位：武漢地大華睿地學(xué)技術(shù)有限責(zé)任公司常規(guī)中子孔隙度測(cè)井常規(guī)中子孔隙度測(cè)井常規(guī)中子孔隙度測(cè)井常規(guī)中子孔隙度測(cè)井 一、中子測(cè)井的一般原理 二、中子-中子測(cè)井 三、中子-伽瑪測(cè)井（一）彈性碰撞中的快中子能量損失 在實(shí)際的彈性散射過程中，中子與靶核并不總是正面碰撞，因此，每次碰撞后，中子損失的能量并不相同，這與散射角有關(guān)。當(dāng)快中子與原子核碰撞多次，使中子能量降低為0.025ev時(shí)，這時(shí)的中子為熱中子。中子變?yōu)闊嶂凶訒r(shí)，就像分子熱運(yùn)動(dòng)一樣在物質(zhì)中進(jìn)行擴(kuò)散，當(dāng)它再與原子核發(fā)生碰撞時(shí)，失去和得到的能量幾乎相等。 對(duì)于初始能量為2mev的快中子，

2、在不同元素中減速為熱中子所需的評(píng)價(jià)碰撞次數(shù)如下表所示一、中子測(cè)井的一般原理一、中子測(cè)井的一般原理（二）減速長度 此外，還可以用“減速長度”來描述快中子變?yōu)闊嶂凶拥臏p速過程。減速長度定義為由快中子減速成熱中子所經(jīng)過的直線距離的平均值，單位為厘米。表2-5是中子起始能量為3.7-7mev的減速長度從表2-5看出，介質(zhì)含氫越多，減速長度越短，這也說明氫元素對(duì)快中子的減速能力最大一、中子測(cè)井的一般原理一、中子測(cè)井的一般原理 （三）熱中子的擴(kuò)散與俘獲 快中子減速成熱中子后，同氣體分子的擴(kuò)散類似，便從密度大的地方向密度小的地方擴(kuò)散。熱中子擴(kuò)散時(shí)，由于速度較慢，在原子核周圍停留的時(shí)間相對(duì)較長，因而很容易被原

3、子核俘獲。熱中子被元素原子核俘獲的幾率取決于元素的俘獲能力，通常用“俘獲截面”來量度。單位為巴。巖石中主要元素的俘獲截面如表2-6所示 元素的原子核俘獲熱中子之后，處于激發(fā)狀態(tài)，當(dāng)它回到穩(wěn)定的基態(tài)時(shí)，多余的能量便以伽馬射線的形式釋放出來。該射線稱為俘獲伽馬射線，或次生伽馬射線。不同元素俘獲熱中子后放出的俘獲伽馬射線的能量存在一定的差別，特別是氯元素釋放出的俘獲伽馬射線能量要比一般元素高一些，且伽馬射線的數(shù)目也相對(duì)多些。因此，當(dāng)巖石中有氯元素存在時(shí)，測(cè)得的熱中子數(shù)講顯著減少，但測(cè)得的俘獲伽馬射線卻又會(huì)普遍提高。一、中子測(cè)井的一般原理一、中子測(cè)井的一般原理二、中子二、中子-中子測(cè)井中子測(cè)井 中子-

4、中子測(cè)井包括兩種方法，一種是記錄探測(cè)器周圍熱中子密度的中子中子-熱中子測(cè)熱中子測(cè)井井；另一種是記錄探測(cè)器周圍超熱中子密度的中子-超熱中子密度的中子中子-超熱中子測(cè)井超熱中子測(cè)井。1、中子、中子-熱中子測(cè)井熱中子測(cè)井 由上節(jié)分析可知，由中資源發(fā)出的快中子在周圍介質(zhì)中減速成熱中子，一直到被俘獲之前，離中子源一定距離的探測(cè)器周圍，熱中子的密度取決于兩個(gè)因素，即介質(zhì)對(duì)中子的減速特性和俘獲特性。 假定介質(zhì)的俘獲能力一定，即在不含有強(qiáng)俘獲能力的元素時(shí)，介質(zhì)的減速能力越大，快中子變?yōu)闊嶂凶铀?jīng)歷的路程便越短。于是，熱中子將主要分布在中子源附近，而在離源較遠(yuǎn)的地方，熱中子數(shù)目相對(duì)減少。由于沉積巖中氫元素的減速

5、能力最強(qiáng)，因此，在含氫量大的巖石中，熱中子的空間分布范圍較小。（一）中子-中子測(cè)井原理二、中子二、中子-中子測(cè)井中子測(cè)井 根據(jù)理論可以計(jì)算，中子源周圍的熱中子密度與距中子源的距離r具有如圖2-13所示的關(guān)系 實(shí)際測(cè)井時(shí)，為了提高儀器的探測(cè)深度，通常使用的源距為45-60cm。在這種情況下，含氫高的地層，測(cè)得的熱中子讀數(shù)為低值。并隨著含氫量的增高其讀數(shù)按指數(shù)規(guī)律降低。由于在不含有結(jié)晶水的巖石中，含氫量的高低直接反映著孔隙度的大小，因此，中子-熱中子測(cè)井讀數(shù)同巖石的孔隙度之間具有如下的關(guān)系： lgn=a+b （2-26） 式中：n為熱中子計(jì)數(shù)率 a為與井徑、源距等有關(guān)的系數(shù)， b為儀器常數(shù)（一）中

6、子-中子測(cè)井原理1、中子、中子-熱中子測(cè)井熱中子測(cè)井二、中子二、中子-中子測(cè)井中子測(cè)井（一）中子-中子測(cè)井原理 利用式（2-26），可以在已知系數(shù)a和b的情況下，由中子-熱中子測(cè)井讀數(shù)求得探測(cè)地層的孔隙度。但是，當(dāng)含氫量一定的巖石中還含有俘獲能力很大的元素（如氯元素時(shí)），由于熱中子被強(qiáng)烈吸收，使熱中子密度明顯降低（見圖2-13）.此時(shí)，測(cè)井讀數(shù)將不再是巖石含氫量的單衣反映，由此計(jì)算的巖石孔隙度將產(chǎn)生較大的誤差。1、中子、中子-熱中子測(cè)井熱中子測(cè)井二、中子二、中子-中子測(cè)井中子測(cè)井（一）中子-中子測(cè)井原理 視石灰?guī)r孔隙度單位 實(shí)際的補(bǔ)償中子測(cè)井是利用計(jì)算裝置計(jì)算長、短源距計(jì)數(shù)率的比值，并將它直接

7、換算成孔隙度單位進(jìn)行記錄的。為此，補(bǔ)償中子測(cè)井儀通常都在刻度井內(nèi)已知孔隙度的純石灰?guī)r地層上進(jìn)行刻度，由此獲得的孔隙度單位稱為“石灰?guī)r孔隙度”。顯然，它在純石灰?guī)r地層上等于地層的真孔隙度。但在非石灰?guī)r地層，或在其它地層上，用這種方式刻度的儀器測(cè)得的孔隙度將與地層的真孔隙度不同，稱為“視石灰?guī)r孔隙度”。巖性校正巖性校正二、中子二、中子-中子測(cè)井中子測(cè)井二、中子二、中子-中子測(cè)井中子測(cè)井2、中子、中子-超熱中子測(cè)井超熱中子測(cè)井 這種方法在于記錄探測(cè)器周圍中子變?yōu)闊嶂凶又暗某瑹嶂凶用芏?。由于快中子轉(zhuǎn)化為超熱中子的過程只與介質(zhì)的減速特性有關(guān)，而與俘獲特性無關(guān)。因此，這種方法的測(cè)量結(jié)果能更直接地反映地層

8、的含氫量，也就是能更準(zhǔn)確地反映地層的孔隙度。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，一起周圍超熱中子的空間分布與熱中子的分布具有相同的規(guī)律。即在含氫量一定的地層中，隨著離中子源距離的增大，超熱中子密度（或儀器的計(jì)數(shù)率）迅速降低；在源距大于某一距離（零源距）時(shí)，含氫量高的地層，測(cè)得的超熱中子密度減小，反之，測(cè)得的超熱中子密度增大。在通常采用大源距進(jìn)行測(cè)量的情況下，超熱中子測(cè)量結(jié)果同熱中子測(cè)量結(jié)果相似，即測(cè)得的計(jì)數(shù)率越低，表明一起周圍介質(zhì)的含氫量越高。 采用一種專門的超熱中子探測(cè)器可以記錄超熱中子。這種探測(cè)器可由熱中子計(jì)數(shù)管在其外壁上加一層石蠟和一層鎘構(gòu)成。鎘的作用是吸收周圍的熱中子，只讓超熱中子通過，并使之進(jìn)入石蠟層。

9、然后再經(jīng)石蠟減速成熱中子，便可被熱中子計(jì)數(shù)管記錄。 為了減小井孔的影響，目前超熱中子測(cè)井普遍采用貼井壁方式進(jìn)行測(cè)量，稱為“井壁超熱中子測(cè)井”或“井壁中子測(cè)井”。同樣以石灰?guī)r孔隙度進(jìn)行記錄。三、中子三、中子-伽馬測(cè)井伽馬測(cè)井 這種方法在于測(cè)量巖石中元素原子核俘獲熱中子之后所放出的俘獲伽馬射線的強(qiáng)度。這一強(qiáng)度與兩個(gè)因素有關(guān)，即巖石對(duì)中子的減速能力和對(duì)熱中子的俘獲能力。在沉積巖的元素中，對(duì)這兩種特性起決定作用的是氫和氯，因此，中子伽馬測(cè)井結(jié)果主要與巖石中的含氫量和含氯量有關(guān)。 當(dāng)巖石中不含有俘獲能力較強(qiáng)的元素時(shí)，中子-伽馬射線的空間分布基本上取決于熱中子的分布，如圖2-14中的曲線1，2，3所示。即

10、當(dāng)巖石的含氫量一定時(shí)，中子-伽射線強(qiáng)度隨源距的增加而迅速減?。辉谠淳噍^大(大于50厘米)時(shí)，含氫量越高的地層，測(cè)得的中子-伽馬射線強(qiáng)度越低。 實(shí)際測(cè)井時(shí)，一般選用的源距大于50厘米。實(shí)驗(yàn)證明，隨著巖石含氫的增高，測(cè)得的中子-伽馬射線強(qiáng)度也具有按指數(shù)下降的規(guī)律。因此，也可用中子-伽馬測(cè)井來確定巖石的孔隙度。（一）中子-伽馬測(cè)井原理 但是，對(duì)相同含氫量的巖石而言，如果含氯量不同時(shí)，在含氯量高的巖石中，無論采用的源距如何，測(cè)得的中子-伽馬射線強(qiáng)度均有所增高。這是因?yàn)槁仍胤@熱中子之后放出的伽馬射線能量較高，且數(shù)量較多(能放出三個(gè)伽馬量子，而一般元素俘獲熱中子后僅放出一個(gè)伽馬量子)的緣故。從這一點(diǎn)看

11、出，氯元素對(duì)中子-伽馬測(cè)井結(jié)果的影響，正好與氯對(duì)熱中子測(cè)井的影響相反。 根據(jù)以上的分析看出，用中子-伽馬測(cè)井結(jié)果來定量研究巖石的孔隙度時(shí)，巖石中氯元素的存在，必將使計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差。同時(shí)，井孔以及進(jìn)入探測(cè)器的自然伽碼射線也將對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。因此，用這種方法來研究巖石的孔隙度不如上述兩種方法理想。但是，利用氯元素能使中子-伽馬測(cè)井讀數(shù)增高的特性，在有利的條件下，可用于定性區(qū)分油、水層。另外，在含氣層上，由于探測(cè)范圍內(nèi)含氫量較少，測(cè)得的中子伽馬讀數(shù)也可能比相同條件下的油層有所增高。這時(shí)，也可用中子-伽馬測(cè)井資料定性區(qū)分油、氣層。三、中子三、中子-伽馬測(cè)井伽馬測(cè)井（二）中子-伽馬測(cè)井

12、缺點(diǎn)分析地層的含氫指數(shù)中子-伽馬測(cè)井缺點(diǎn)分析三、中子三、中子-伽馬測(cè)井伽馬測(cè)井純水的含氫指數(shù)1、純水的含氫指數(shù)鹽水、油、氣的含氫指數(shù)2、鹽水的含氫指數(shù) 純灰?guī)r孔隙度為，若孔隙中飽含淡水，則其含氫指數(shù)為hw=1=。若孔隙中含有殘余油氣，則地層的含氫指效為 n=hhshr+hw(1-shr) (7-5) 或 n=hhsho+hw(1-sho) (7-6) 式中shr殘余油氣飽和度；sho沖洗帶含水(泥漿濾液)飽和度 整個(gè)中括號(hào)中的數(shù)可用swh表示，有時(shí)稱為(淡水)等效飽和度，它反映孔隙中流體含氫量。 中子測(cè)井是在飽含淡水的純灰?guī)r刻度井中刻度的，若不考慮巖性和挖掘效應(yīng)(見本章第二節(jié))的影響，測(cè)得的孔

13、隙度就是地層的含氫指數(shù). 5.與有效孔隙度無關(guān)的含氫指數(shù) (1)泥質(zhì)：泥質(zhì)伴生有化學(xué)結(jié)晶水和束縛水，所以它具有很大的含氫指數(shù)，一般可達(dá)0.15-0.30，因而在含泥質(zhì)的地層中，含氫指數(shù)大于地層的有效孔隙度。 (2)石膏：石膏的分子式是caso42h2o，其含氫指數(shù)約為0.49，與孔隙度為49%的灰?guī)r相當(dāng)。 (3)巖性影響：當(dāng)儀器以純石灰?guī)r為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行刻度時(shí)，其它巖性的巖石骨架顯示為一定數(shù)值的等效含氫量?？紫抖鹊扔诹愕纳皫r，顯示為負(fù)含氫指數(shù)，而白云巖顯示為正的含氫指數(shù)。4.孔隙灰?guī)r的含氫指數(shù)第二節(jié) 超熱中子測(cè)井的應(yīng)用 熱中子測(cè)井的主要用途是測(cè)定地層的孔度、確定油氣接觸面以及與其它孔隙度測(cè)井方法組合

14、判定地層的巖性。 這一方法的物理基礎(chǔ)，決定了它的優(yōu)點(diǎn)和和缺點(diǎn)。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量結(jié)果只與周圍介質(zhì)的減速特性有關(guān)，與地層含氫量的關(guān)系比較筒單，突出了對(duì)含氫數(shù)的識(shí)別能力而受地層中熱中子吸收劑尤其是含氯量的影響較小。其缺點(diǎn)是對(duì)井的影響敏感、探測(cè)深度小、計(jì)數(shù)效率低。井壁中子測(cè)井在一定程度上克服了這些缺點(diǎn)，若將來能研制出對(duì)超熱中子有更高探測(cè)效率的計(jì)數(shù)管或晶體，此方法還可進(jìn)一步改善。 超熱中子測(cè)井可以用api單位顯示出可以直接用孔隙度線性比例尺記錄。因儀器是以石灰?guī)r為標(biāo)準(zhǔn)刻度的，所以測(cè)得結(jié)果以石灰?guī)r孔隙度為單位。圖7-3右邊的曲線就是井壁中子孔隙度(snp)測(cè)井線。利用這條曲線可以和圖中左邊的自然伽馬和井徑曲線

15、組合，定性地劃分巖性剖間。 1)確定地層孔隙度 中子測(cè)井儀是用石灰?guī)r進(jìn)行刻度的。對(duì)石灰?guī)r地層，中子測(cè)井的讀數(shù)即為地層的真孔隙度。 但對(duì)于其他巖性，就要進(jìn)行巖性校正。圖2-20是由圖2-18轉(zhuǎn)換而來的，圖中標(biāo)出了不同巖性的曲線，實(shí)線為井壁中子，虛線為補(bǔ)償中子，由圖中可以看出，對(duì)于石灰?guī)r，井壁中子和補(bǔ)償中子是同一條線，而且是直線，即中子測(cè)井得出的視石灰?guī)r孔隙度即為地層的真孔隙度。 例如用補(bǔ)償中子測(cè)井得出視石灰?guī)r孔隙度14%，對(duì)于石灰?guī)r即為地層的真孔隙度；對(duì)于白云巖，地層的真孔隙度為7%；對(duì)于砂巖， 地層的真孔隙度為18%，如圖2-20中標(biāo)有的虛線所示。單獨(dú)用中子測(cè)井確定孔隙度時(shí)。！。！ 2)中子-

16、密度、中子-聲波組合確定地層孔隙度和判斷巖性 圖2-21是中子-密度測(cè)井確定巖性和孔隙度的交會(huì)圖。通過補(bǔ)償密度測(cè)井和補(bǔ)償中子測(cè)井讀數(shù),在圖中得出交會(huì)點(diǎn),由交會(huì)點(diǎn)的位置即可得出相應(yīng)的巖性和孔隙度。 圖2-22是用中子-聲波交會(huì)圖確定巖性和孔隙度的圖。根據(jù)聲波測(cè)井和補(bǔ)償中子測(cè)井的讀數(shù)，用此圖可求出孔隙度和巖性。 3)用補(bǔ)償中子(cnl)與補(bǔ)償?shù)貙用芏?fdc)測(cè)井曲線劃分含氣地層 對(duì)于含氣地層，體積密度變低，fdc的視石灰?guī)r孔隙度增大，地層的含氫量減少，補(bǔ)償中子的視石灰?guī)r孔隙度減小，因此將兩條曲線重疊可劃分氣層。圖2-23是劃分含氣層的實(shí)例，井段18841922m，中子測(cè)井孔隙度(n)很低，密度測(cè)

17、井孔隙度(d)高，兩者出現(xiàn)明顯差異，同時(shí)自然伽馬測(cè)井曲線低，井徑平直，并縮徑，而該層的頂、底皆為泥巖層，這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣層顯示。中子伽瑪?shù)膽?yīng)用 1.砂泥巖剖面 在砂泥質(zhì)剖面中，中子伽馬測(cè)井曲線能清楚地把砂層與泥巖區(qū)別開：砂巖的讀數(shù)高、泥巖的讀數(shù)低。砂巖的讀數(shù)隨孔隙度增大(孔隙中為油或水)和泥質(zhì)含量增高而降低。通常，中子伽馬出線與自然伽馬曲線配合能有效地識(shí)別巖性。 2.碳酸鹽巖剖面 致密的石灰?guī)r或白云巖顯示為高讀數(shù)，泥巖、泥灰?guī)r顯示為低讀數(shù)。石灰?guī)r、白云巖的孔隙度(孔隙中為油或水)越大、或含泥質(zhì)趣高讀數(shù)越低。在大段致密石灰?guī)r中，低自然伽馬和低中子伽馬，往往是孔際裂縫帶的特征。 3.膏鹽剖面 當(dāng)井剖

18、面中有石膏、巖鹽等化學(xué)巖時(shí)，放射性測(cè)井資料顯得特別重要。因?qū)@些地層，電測(cè)井曲線一般顯示不好。硬石膏在中子伽馬曲線上是高讀數(shù)；石膏含氫指數(shù)為0.49故顯示為低讀數(shù)。鉀鹽和巖鹽本來應(yīng)該有很高的中子伽馬讀數(shù)，但往往由于井徑擴(kuò)大而形成較低的讀數(shù)。一、劃分地質(zhì)剖面中子伽瑪?shù)膽?yīng)用 圖9-4是用中子伽馬和自然伽馬曲線劃分巖性的例子。根據(jù)中子伽馬的低值和自然伽馬的高值，能夠很容易地把三個(gè)泥巖層分出來。而灰?guī)r在曲線上的顯示與泥巖相反，中子伽馬為高值，自然伽馬計(jì)數(shù)率為低值。含有泥質(zhì)的砂巖在曲線上的顯示居于泥巖與灰?guī)r之間。 當(dāng)泥漿濾液侵入不深時(shí)，在中子伽馬探測(cè)范圍內(nèi)尚有天然氣存在于孔隙中，與孔隙中含水或油相比，其

19、含氫指數(shù)低，對(duì)快中子減速能力差，對(duì)伽馬射線的吸收能力也差，故有較多的中子或伽馬射線能到達(dá)探測(cè)器，中子和中子伽馬計(jì)數(shù)率都很高。尋找氣層和劃分氣水界面 當(dāng)泥漿侵入地層較深時(shí)，中子伽馬探測(cè)范圍內(nèi)(5060厘米深)的天然氣全被泥漿濾液驅(qū)出，氣層的特征在中子伽馬曲線上難以顯示出來，如圖9-6中射第1條中子伽馬曲線.但在固井后，由于重力分異作用泥漿濾液沉淀天然氣又回到套管附近，恢復(fù)了氣層的特點(diǎn)。 如圖9-6中的第2條中子伽馬曲線是在固井后一年半測(cè)得的，氣層顯示已非常清楚。所以對(duì)比不同時(shí)間測(cè)得的中子伽馬曲線是尋找氣層的一種方法。一般在固井后相隔一周測(cè)兩條中子伽馬曲線就可以判斷由泥漿侵入造成的差別。 指的是從中子源發(fā)射的快中子， 經(jīng)地層散射(減快)，又能回到探測(cè)器的中子。所以這種測(cè)井又叫中子-中子測(cè)井。它在地層中所滲入的平均深度的大小由地層的含氫量所決定。當(dāng)含氫量很大時(shí)，快中子很快減速成熱中子，快中子滲人到地層內(nèi)的深度就淺。當(dāng)含氫量小時(shí)，快中子減速成熱中子慢，滲入地層的深度就大。所以說這個(gè)深度不是一個(gè)固定的值。一般認(rèn)為在低孔隙地層深