中子测井(Neutron log)1 油矿地球物理测井 教学课件

1、第九章 中子测井(Neutron log)属于放射性测井，它是利用岩石中含氢量来研究岩石性质和孔隙度的一种测井方法。下井:中子源中子进入岩层,同物质原子核发生碰撞、减速、 散射、被俘获的情况与地层H含量有关据记录内容分为(即探测对象不同分为)：中子-中子测井 neutron-neutron logging中子-伽玛测井 neutron-gamma log中子寿命测井 netruon lifetime log中子-中子测井又分为：补偿中子测井CNL、井壁中子测井SNP 普通中子测井常用中子源有：钋-铍中子源、镅-铍中子源、镭-铍中子源放射性元素放出42He与铍反响放出中子，氢原子核俘获中子的核反

2、响94Be+42He136C126C+10n+r11H+10n=21H+r另脉冲中子源31H +21H=01n +42He + 17.6mev14Mev用于非弹性散射伽玛能谱测井及中子寿命测井高能快中子：能量10万电子伏特中能中子：100ev-10万电子伏特慢中子：100电子伏特0.1100电子伏特为超热中子0.025电子伏特中子为热中子一、中子与物质的相互作用由中子源收射出来的快中子与组成物质的原子核发生作用，分以下几个阶段。平均14Mev快中子碰撞原子核-发生弹性散射中子一局部能量传给原子核，成为原子核动能，中子能量减少，运动速度降低-继续碰撞其它原子核.反复屡次，能量不断损失，速度不断减

3、慢，最后中子成为热中子，此过程为快中子的减速过程。中子变为热中子后，就象分子热运动一样在物质中进行扩散，此时再与原子核发生碰撞时，失去和得到的能量几乎相等。岩石中不同元素对中子产生弹性散射几率(散射截面)不同，H元素弹性散射截面最大。不同元素减速能力不同，轻原子核对中子减速起主要作用，特别是氢原子核与H碰撞，减速成热中子过程最快，因此，高含H岩石中，快中子将很快减速成热中子。中子测井据此来探测含氢量多少，并进而判断油气地层。“减速长度-用来描述快中子变为热中子的减速过程。减速长度定义为由快中子减速成热中子所经过的直线距离的平均值，单位为厘米。介质含氢越多，减速长度越短。也说明氢元素对快中子的减

4、速能力最大。减速长度主要由含氢量决定。氢原子核俘获中子的核反响：11H +10n21H + r热中子扩散时，在原子核周围停留时间相对较长，易被原子俘获。中子通过物质时和原子核发生某种核反响几率大小，引用有效截面的概念。设在单位体积中有n个原子核。每个原子核以面积为的圆形靶代替。靶的面积大小是这样选定的，即当入射的中子进入靶内时，就遭到碰撞而发生某种反响。面积称为有效截面。有效截面的概念原子核的几何截面。发生散射过程的有效截面称为散射截面。发生俘获过程的有效截面称为俘获截面。发生两种过程的总有效截面为全有效截面。单位体积物质的有效截面为各个原子核有效截面的总和，称为宏观有效截面。单个原子核的有效

5、截面，通常叫微观有效截面。它是中子能量的一个比较复杂的函数。热中子被元素原子核俘获几率取决于元素俘获能力，通常用俘获截面来量度，单位巴。氯元素特别是硼的俘获截面很大元素原子核俘获热中子之后，处于激发态，当它回到稳定基态时，多余能量以伽玛射线的形式释放出来，该射线为俘获伽玛射线。不同元素俘获后放出的能量不同。cl放出能量高达7MeV，因此cl存在时，而被氢吸收后所放出的rMeV。氯元素存在，测热中子数显著减少。而俘获伽玛射线却又会普遍上升，所以用能谱测井仪能更清楚地根据cl的含量区分油层和水层，因为cl大局部存在于地层水中，在油层中很少见。二、中子-中子测井原理1.中子-热中子测井热中子密度取决

6、于介质对中子的减速特性介质对中子的俘获特性H一定，r大，热中子密度分布变化由快渐缓慢，含H高时过程快。r小(40cm)，含H高介质中，热中子密度相对大。 r40cm，含H高介质中，热中子密度相对大。 r=40cm，含H高介质中，热中子密度几乎相等，这一距离为“零源距。热中子读数随含氢量增高呈指数规律降低，在岩石中，含H量直接反映着孔隙度的大小，因此lgN=a+b b-仪器常数 a-与井径、源距等有关的参数 N-中子计数率假设存在cl时，热中子被强吸收，N小，不能用此计算孔隙度为取消影响、采用补偿 长、短-源距法lgNL=-a1+b+c cl(氯)测结果 lgNS=-a2+b+c lgNL/NS

7、=(a1-a2)用热中子探测器，由普通闪烁计数器涂上锂、硼粒子荧光收光电脉冲记录快中子超热中子过程只与介质的减速特性有关，与俘获特性无关，因此其测量结果更能直接反映地层的含氢量。也就能准确地反映地层的孔隙度。记录超热中子探测器，是由热中子管外壁上加一层石蜡和一层镉，镉为吸收周围热中子，只让超热中子通过，石蜡使超热子热中子记录。为了减小井孔影响热中子，采用贴井壁形式测量，称为：井壁超热中子测井或“井壁中子测井，同样以石灰岩孔隙为单位进行记录。三、中子-伽玛测井原理测量原子核俘获热中子之后放出的俘获伽玛射 线的强度。强度与两因素有关：岩石对中子减速能力 H对热中子俘获能力 cl中子-r探测主要是岩

8、石中的H和cl的含量。H测中子-伽玛射线强度H、cl 强度cl对中子-r影响结果与其对热中子测井影响相反 四、应用、岩性=N-(N)ma/(N)f-(N)ma - 总孔隙度，如地层中含泥质、含气体那么为视孔隙度2.判断气层，确定油、气、水界面天然气中含氢量比水和油中含氢量低得多，因此气层中子测井显示比油、水层幅度高，与致密岩性高值区别在于声波(周波跳跃)，微电极(是否分开等)。低矿化度地层中，油水在中子-r曲线上特征相同难以分开。高矿化度地层水中，由于cl作用，使中子-r能量高、吸收大、区分油水层、划分界面。r曲线进行射孔定位。中子-r+其它=确定油层位置射孔六、刻度祝石灰岩刻度*岩性：几种常

9、见岩石的中子曲线反映如下：泥岩：泥岩总孔隙度大，含有大量吸附水和结晶水，在中子-中子及中子-r测井曲线上均显示为低值。特别是在泥岩段井径常扩大，热中子密度和次生r射线强度进一步降低。泥岩在自然r曲线上显示为高值，两者结合，易把这和大孔隙度的渗透层区分开。胶结很好致密砂岩、致密灰岩、白云岩和硬石膏，中子-中子和中子-r曲线上显示均为高值，而自然r曲线上为低值。含有低矿化度地层水的渗透性砂岩和裂隙石灰岩：中子-中子和中子-r测井曲线上显示为中等数值。自然r曲线显示为低值，随孔隙度增大或含泥质增多，中子测井读数降低，自然r测井随泥质增多而升高。孔隙中充满高矿化度地层水砂岩和石灰岩：中子-中子测井读数

10、低中子-r读数高cl，自然r测井曲线显示为低值。孔隙中充满天然气的砂岩和石灰岩：中子-中子和中子-r测井曲线显高值，自然r测井显低值。石膏层：中子-中子和中子-r测井曲线上显低值，自然r上为低值(含结晶水)岩盐层：中子-中子低值，中子-r高值。中子测井确定地层的孔隙度中子测井读数是和岩石中含氢的总量有关，所以它反映的是总孔隙度。含氢指数：单位体积中的氢原子数与单位体积纯水中氢原子数之比。VH= VmaHma+VHf、ma、f中子孔隙度与含氢指数呈正比N=(1- )(N)ma+ (N)f=(N-(N)ma)/(N)f-(N)ma)一般N刻度是用石灰岩刻度的流体(水)的中子孔隙度(N)f=1(N)

11、ma对于不同岩石，不同中子测井法、有不同的值，见表2-6。地层为含油气纯地层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)为中子测井视孔隙度有油气影响对，N减小，计算孔隙度低。利用上求时，对于油( N)hr=油-1.03对于气(气油和汽分别表示油和气的密度如果单矿物加泥质时用(N)sh表示泥质的中子孔隙度，假设孔隙中充满水时=(N-(nma/(N)f

12、-(N)ma-SH(N)sH-(N)ma(Nf-N)ma假设探测范围内充填泥浆滤液和剩余油气时= (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)中子测井孔隙度*用中子测井计算的孔隙度是地层的含氢孔隙度或总孔隙度，当地层中有含氢量很高的石膏存在时，计算的孔隙度比实际值偏高，此时，需求石膏含量加以校正。一、中子寿命测井一)根本知识脉冲状态工作中子源，研究中子暂态分

13、布中子源：提供140Mev高能中子流中子源每发出一次脉冲中子流。就可看到快中子与地层作用，从减速到吸收随时间发生的不同作用所产生的r射线，在时间上也表现出先后次序。高能中子进入地层非强性散射+放伽玛射线+热中子俘获r射线消失活化r射线分析非弹性散射r射线能谱、研究某些对指示油水层有意义的元素，如等快中子非弹性散射伽玛r能谱油井C/O。研究热中子俘获伽玛r射线强度的衰减，可求热中子衰减时间，确定岩层对中子的吸收性质中子寿命测井与地层中吸收性强的cl含量有关。所以是区分油、水层，划分油水界面，了解含水饱和度Sw、含油饱和度So(岩性、孔隙度、和地层水矿化度下)重要方法硅测井区分砂岩与碳酸岩CO2-

14、3(高阻砂碳酸岩)为利用非弹性散射-区分油气水必取反响截面大、元素数量多、特征r射线、易区分元素来进行一般Mg、Fe、C的大，但一般砂岩中Mg、Fe含量少、宏观截面不大。氧和硅Si虽然不太大，但含量高，所以宏观截面大，只要储层中孔隙度变化不大，硅在油、水层中含量一样硅与岩性有关与孔隙有关氧：与岩性关系不大，其数量主要与地层中含油量与含水量有关，含水时氧含量高碳：与地层中含油与否有关特征谱：非弹r射线能量氧：6.19兆中子伏特碳：4.42兆中子伏特 区分油、水层C/O与So关系 (二)活化测井稳定同位素被中子源照射放射性 次生的同位素活化稳定同位素类型含量与岩性、孔隙度有关，因此应用此方法可以确

15、定岩性和放射性同位素分析三种性质：1)活化反响截面所决定的射线强度；2)半衰期(适中)；3)射线的能谱特殊主要造岩矿物中：O16 Al27 Si28O16(n,p)N16 Al37(n,p)Mg27 Si28(n,p)Al28活化元素半衰期与特征能谱Si/ Al 测井岩性Al测井确定泥质含量到达GR与SP效果Al/Si二、能谱测井某一能量范围及假设干能量范围时线强度自然伽玛能谱测井U、Th、K中子俘获伽玛射线能谱法cl中子非强性散射伽玛射线能谱法O/C中子源发出高能中子与地层元素发生非常性散射，地层中局部原子核被激发产生r射线。中子活化伽玛射线能谱法Si中子源发出高能中子与地层元素发生非弹性散

16、射，地层中局部原子被激了产生r射线。地层中各主要造岩元素的中子非弹性散射微观散射截面和特征的r射线的能量，如下表所示。另Na、Cl、P、Al、K其中非弹性散射截面都很小。(二)根本理论热中子寿命测井通过研究俘获r射线来了解岩层吸收性质，它的根本理论是要说明热中子空间-时间分布与反映介质吸收性质的中子寿命值之间关系。热中子的空间-时间分布满足扩散方程(三)解释方法1.影响中子寿命测井结果的因素1)扩散效应：实验室实验结果指出，扩散作用将使中子密度数据，降低数值和岩石孔隙有关，低孔地层中，降低可能25%补偿：岩石骨架俘获截面=真俘获截面的1.6倍2)井眼条件影响，快中子热中子分布。井眼消失，井眼影响不大且T2、T3时，曲线比值井眼消失虽d大或含盐。3)侵入影响有效研究半径R=2.1KF(Dt.KF) D-取决于介质的H含量4)压力和温度：温度和压力只对含天然气地层的一产生影响，流体侵入无法确定孔隙度，侵入消失那么可以确定5)层厚影响h3-4英尺 3-4ft2.确定Sw1)ma确定 实验室、经验值，交会图2)w：矿化度离子类型 Nacl溶液3)h油气 气(油、压、成份)g=rg)4)sh临近泥岩层确定3.划分油气水界面上油气下水将有(N油N水=e-t(油-水)N油N水=油水差异大时划分气油水界