脈沖中子測井剖析課件

1、第十章第十章 脈沖脈沖(michng)中子測井中子測井 脈沖中子測井是使用脈沖中子源的一類(y li)測井方法，主要有熱中子壽命測井、碳氧比能譜測井和中子活化測井等。 第一頁，共四十七頁。 一、熱中子壽命一、熱中子壽命(shumng)測井（測井（NLL） 熱中子壽命測井（Neutron Lifetime Log），也稱熱中子衰減(shui jin)時間測井（Thermal Decay Time Log，TDT）。在地層中，宏觀俘獲截面和熱中子壽命主要在地層中，宏觀俘獲截面和熱中子壽命主要與氯的含量有關(guān)，與地層水礦化度有關(guān)。與氯的含量有關(guān)，與地層水礦化度有關(guān)。 第二頁，共四十七頁。 測井時用脈沖

2、中子源向地層發(fā)射能量為14MeV的中子，測量經(jīng)地層慢化(mn hu)而又返回井眼內(nèi)的熱中子或俘獲伽馬射線，根據(jù)計數(shù)率隨時間的衰減，算出地層的熱中子宏觀俘獲截面 或壽命 ，可在裸眼井特別是套管井中求出地層的含水飽和度的一種測井方法。 第三頁，共四十七頁。 1、巖石的熱中子宏觀截面、巖石的熱中子宏觀截面(jimin)和壽命和壽命 （1）熱中子壽命 熱中子壽命 ，是指熱中子從產(chǎn)生的瞬間起到被俘獲的時刻止所經(jīng)歷的平均時間。計算時，它等于熱中子已有63.2%被俘獲而剩下的還有原來(yunli)熱中子數(shù)的36.8%所經(jīng)過的時間 。)/(0)(teNtN第四頁，共四十七頁。（2）宏觀俘獲）宏觀俘獲(fhu)

3、截面截面 單位(dnwi)體積介質(zhì)中所有原子核的微觀俘獲截面之和。（3）與的關(guān)系熱中子壽命與地層對熱中子的宏觀俘獲截面成反比關(guān)系，即地層的宏觀俘獲截面越大，熱中子壽命越小。v1第五頁，共四十七頁。（4）巖石的熱中子壽命）巖石的熱中子壽命(shumng)和宏觀俘獲截面和宏觀俘獲截面 巖石中礦物的熱中子宏觀俘獲截面 石英、方解石、白云石的熱中子宏觀俘獲截面都很??； 氯的熱中子俘獲截面比硅、鈣、鎂、氫、氧等高一到幾個(j )數(shù)量級； 礦物中硼、汞等宏觀俘獲截面特別大 。 第六頁，共四十七頁。 巖石骨架的熱中子宏觀俘獲(fhu)截面巖石值范圍砂巖813石灰?guī)r810白云巖812巖漿巖1518.6頁巖25

4、.266.2第七頁，共四十七頁。 孔隙流體的熱中子宏觀俘獲截面(jimin) 純水在常溫下 ，地層水中通常含有氯，通常為 ； 原油的熱中子宏觀截面通常范圍為在 天然氣的熱中子宏觀截面與它的組成、地層壓力和溫度有關(guān) ，一般為 .1 .22uc.12022uc.2218uc.120uc第八頁，共四十七頁。 泥質(zhì)的宏觀俘獲截面 粘土巖的宏觀俘獲截面主要是硼的貢獻(gngxin)，其次是氯、氫、鋁、鉀、鐵、釓等元素的貢獻，粘土巖和儲層中的泥質(zhì)的宏觀俘獲截面變化范圍為 地層的熱中子宏觀俘獲截面 純巖石的熱中子宏觀俘獲截面為： .6625uc)1 ()1 (WhWWmaSS第九頁，共四十七頁。 當?shù)貙?d

5、cng)含有泥質(zhì)時： shshWhWWshmaVSSV)1 ()1 (第十頁，共四十七頁。2、熱中子壽命、熱中子壽命(shumng)測井原理測井原理 （1）熱中子的空間分布 熱中子產(chǎn)生后，它在地層中發(fā)生擴散，地層中某點的熱中子密度(md)按指數(shù)規(guī)律隨時間衰減： TeNN0第十一頁，共四十七頁。 （2）熱中子壽命的測量原理 任何時刻存在的俘獲伽馬射線的強度與儀器(yq)周圍中子密度成正比。 因此刻度后，我們記錄（測量）俘獲伽馬射線強度，可以求得（計算出）熱中子的壽命（或地層宏觀俘獲截面 ）。第十二頁，共四十七頁。 T1時刻：探測器記錄的俘獲(fhu)伽馬射線的計數(shù)率 ， T2時刻：探測器記錄的俘

6、獲伽馬射線的計數(shù)率 1N101TeNN2N202TeNN2112lnlnNNTT第十三頁，共四十七頁。 （3）中子壽命測井地質(zhì)意義（與地層性質(zhì)的關(guān)系來研究地層） 在沉積巖中，氯核素的微觀俘獲截面比其他(qt)核素的微觀俘獲截面大得多。 也就是說巖石的宏觀俘獲截面主要取決于地層中氯的含量，或說取決于地層水的礦化度。 第十四頁，共四十七頁。 如果當?shù)貙铀V化度較高時，即氯的含量相對(xingdu)較高時，那么對于水層和油層來說，水層的宏觀俘獲截面要大于油層，而熱中子壽命則小于油層。 第十五頁，共四十七頁。3、熱中子壽命、熱中子壽命(shumng)測井的應(yīng)用測井的應(yīng)用 （1） 劃分(hu fn)油、

7、水、氣層 利用雙源距探測器的計數(shù)率比值，含油段和含氣段有明顯差異；礦化度較高的水層有比油層大的俘獲截面（或較小的熱中子壽命）。第十六頁，共四十七頁。 （2） 監(jiān)測油、水或氣、水界面的變化 油層在采油過程中含水飽和度不斷變化，油水界面向上移動(ydng) ，利用不同時間測量的宏觀俘獲截面或中子壽命，則可以了解油水或氣水界面變化情況。 第十七頁，共四十七頁。（3） 求孔隙求孔隙(kngx)度度 （4）求含水飽和度 如果(rgu)已知，則對含油氣純地層來說： 含泥質(zhì)地層中： mawmahWWWmaSS)1 ()1 ()()()()()(hwmashshhWhmamaWVS第十八頁，共四十七頁。 4、

8、注硼中子壽命測井 對于礦化度較低的地層，熱中子壽命測井不再適用。 由于淡水(dnshu)的宏觀截面和油的宏觀截面相近；所以無法來區(qū)分油水性。第十九頁，共四十七頁。 思路： 先測一條宏觀截面曲線，此時(c sh)有： 在地層注入一定濃度的硼酸，再測量宏觀截面，有：hWWWmaSS)1 ()1 (11hWWWmaSS)1 ()1 (22第二十頁，共四十七頁。二、非彈性散射伽馬能譜測井（碳氧比能譜二、非彈性散射伽馬能譜測井（碳氧比能譜測井）測井） 利用脈沖中子源以一定的脈沖寬度和重復(fù)周期向地層發(fā)射14 MeV的高能快中子，測量這些快中子與地層物質(zhì)的核素發(fā)生非彈性散射放出的伽馬射線的能譜，并對伽馬射線

9、進行能譜分析，求出碳氧等比值進而確定含油飽和度的一種(y zhn)測井方法。 第二十一頁，共四十七頁。 1、非彈性散射伽馬能譜測井基本原理、非彈性散射伽馬能譜測井基本原理 （1）快中子的非彈性散射伽馬射線( m sh xin) 第二十二頁，共四十七頁。第二十三頁，共四十七頁。 地層中能與快中子發(fā)生(fshng)非彈性散射而產(chǎn)生伽馬射線的核素主要是 ， 最顯著的譜線是6.13MeV、4.43MeM、3.73MeV和1.78MeV，在測井中選用這四種核素作為碳、氧、硅、鈣的指示核素 。CaSiOC40281612,第二十四頁，共四十七頁。 （2）測井原理 14MeV的高能快中子打入地層，在發(fā)射中子

10、的脈沖時間間隔內(nèi)主要發(fā)生非彈性散射，并發(fā)射非彈性散射伽馬射線，然后(rnhu)才能發(fā)生彈性散射，最后被地層俘獲，這也是中子在地層中所經(jīng)歷的三個過程。第二十五頁，共四十七頁。 根據(jù)不同反應(yīng)的時間(shjin)分布，按照時間(shjin)先后儀器開有脈沖門、俘獲門等，分別接收非彈性散射伽馬射線和俘獲伽馬射線，利用多道脈沖幅度分析器進行伽馬能譜分析，測量非彈性散射伽馬射線和俘獲伽馬射線的強度，進而確定地層中存在的各種核素及其濃度，獲取含油飽和度等地層參數(shù)。第二十六頁，共四十七頁。2、碳氧比能譜測井的應(yīng)用、碳氧比能譜測井的應(yīng)用(yngyng) （1）確定含油飽和度 一般(ybn)根據(jù) 和含油飽和度的關(guān)

11、系曲線來確定 ，見圖（10-4）。 給定 可由其它孔隙度測井資料得到；OCoS第二十七頁，共四十七頁。（2）利用測井曲線劃分水淹層 利用 在油、水層的差別(chbi)可知，如果油層被水淹，則對于水淹層 下降，這也是劃分水淹層的依據(jù)。 OC /OC /第二十八頁，共四十七頁。（3）巖性指數(shù)(zhsh)定性指示巖性 純碳酸鹽巖，巖性指數(shù)接近于零；純砂巖巖性指數(shù)近于1，但會受到套管外水泥環(huán)的影響；利用硅、鈣非彈產(chǎn)額比指示巖性，幾乎不受孔隙度、含油飽和度和地層水礦化度的影響。 CaSiSilithYYYF第二十九頁，共四十七頁。（4）確定孔隙度指數(shù)(zhsh)、泥質(zhì)指數(shù)(zhsh)和礦化度指數(shù)(zhs

12、h) 用所記錄的氫、鈣、硅以及鐵的俘獲伽馬射線的計數(shù)率，計算孔隙度指數(shù)、泥質(zhì)指數(shù)和礦化度指數(shù)。 SiCaHYYYFSiCaFeshYYYFHClsalYYF第三十頁，共四十七頁。 3、目前國內(nèi)的脈沖中子能譜儀 （1）PND-S測井儀測井儀 采用兩種脈沖發(fā)射方式(fngsh)向地層發(fā)射高能快中子，一種是采用固定頻率（1428Hz）的發(fā)射；另一種是采用伺服發(fā)射方式(fngsh)（200-1000Hz）。 第三十一頁，共四十七頁。 該儀器有遠近兩個（NaI）探頭，其中長短源距分別為45.86cm和29.2cm。 探測來自2種發(fā)射方式下的脈沖中子和地層發(fā)生核反應(yīng)釋放的次生非彈性散射、活化及俘獲伽馬射線

13、。 用CATO代替(dit)了傳統(tǒng)的C/O值作為油的指示 。 第三十二頁，共四十七頁。 采用非彈性散射能譜中105keV-4.5MeV能量范圍（C、Ca、Si、Mg等元素）的非彈性散射伽馬射線計數(shù)率與大于4.5Mev能量范圍（氧的6.13Mev全能峰及5.62MeV，5.11Mev逃逸(toy)峰）的非彈性散射伽馬射線計數(shù)率比值。 第三十三頁，共四十七頁。 （2）RST測井儀測井儀 RST具有非彈性-俘獲、俘獲-等三種測量模式 ，通過GSO閃爍晶體探頭測量快中子與地層核素發(fā)生非彈性散射，俘獲自然釋放出來的次生伽馬射線進行能譜分析和熱中子衰減時間分析，求取儲層的C/O和宏觀俘獲截面(jimin)

14、的測井方法。 第三十四頁，共四十七頁。第三十五頁，共四十七頁。 （3）RMT測井儀測井儀 RMT中子發(fā)生器以兩種方式發(fā)射14MeV的高能快中子，非彈性模式C/O測井模式脈沖中子發(fā)射頻率為10kHz；俘獲模式(TMDL多門熱中子衰減時間測井模式)脈沖中子發(fā)射頻率為800 Hz。 用雙BGO閃爍晶體探測這些次生(cshng)伽馬射線。 第三十六頁，共四十七頁。 源距近探頭(tn tu)29.2cm；遠探頭(tn tu)52.07 cm 。第三十七頁，共四十七頁。 （4） RPM測井儀測井儀 RPM主要有兩種模式，碳氧比能譜測井(C/O)模式和脈沖中子俘獲測井(PNC)模式該測井儀以2種方式發(fā)射(f

15、sh)14MeV的高能快中子，非彈性散射方式脈沖中子發(fā)射(fsh)頻率為10kHz，俘獲方式脈沖中子發(fā)射(fsh)頻率為1000Hz 。第三十八頁，共四十七頁。第三十九頁，共四十七頁。第四十頁，共四十七頁。 （5）PNN測井儀簡介測井儀簡介 PNN（Pulse Neutron-Neutron）測井儀是脈沖中子-中子儀器的簡稱，通過遠、近兩個He-3計數(shù)管探測熱中子，由熱中子的時間譜求出地層的宏觀截面，進而求取含水飽和度的新一代的套管(to un)井儲層評價測井技術(shù)。 第四十一頁，共四十七頁。 三、中子活化測井 1、中子活化測井的基本原理 （1） 活化的概念 用脈沖中子源向地層(dcng)發(fā)射1

16、4Mev的快中子，中子使地層(dcng)中的某些穩(wěn)定的核素轉(zhuǎn)化成放射性核素核被活化。第四十二頁，共四十七頁。 （2） 活化伽馬射線 活化核不穩(wěn)定，且一般半衰期較短，活化核衰變放出活化伽馬射線。 注意：不同(b tn)核衰變產(chǎn)生的射線的特征能量是不同(b tn)的。因此，記錄不同(b tn)能量的活化射線，可以用來識別地層中存在的核素及濃度。第四十三頁，共四十七頁。 2、氧活化測井 氧的存在是根據(jù)(gnj)監(jiān)測氧原子核的快中子活化后放射出的伽馬射線來確定的：pNnO1116710168ON168167第四十四頁，共四十七頁。tsv/水流的速度水流的速度(sd)(sd)是根據(jù)是根據(jù)及及確定出來的，是一種已知距離的時間測量。確定出來的，是一種已知距離的時間測量。第四十五頁，共四十七頁。儀器參數(shù)及性能儀器參數(shù)及性能(xngnng)(xngnng)如如下下a) a) 探測器源距探測器源距近探測器源距近探測器源距 0.45m0.45m中探測器源距中探測器源距 0.90m0.90m遠探測器源距遠探測器源距 1.80m1.80mb)b)測量范圍及誤差測量范圍及誤差探測器種類探測器種類(zhngli)(zhngli) 探測范圍探測范圍 近探測器近探測器 0.7-2.1cm/s,0.7-2.1cm/s,10%10% 中探測器中探測器 2.1-38c