脉冲中子测井剖析复习课程

脉冲中子测井剖析测井时用脉冲中子源向地层发射能量为14MeV的中子，测量经地层慢化而又返回井眼内的热中子或俘获伽马射线，根据计数率随时间的衰减，算出地层的热中子宏观俘获截面或寿命，可在裸眼井特别是套管井中求出地层的含水饱和度的一种测井方法。1、岩石的热中子宏观截面和寿命

（1）热中子寿命热中子寿命，是指热中子从产生的瞬间起到被俘获的时刻止所经历的平均时间。计算时，它等于热中子已有63.2%被俘获而剩下的还有原来热中子数的36.8%所经过的时间。（2）宏观俘获截面Σ

单位体积介质中所有原子核的微观俘获截面之和。（3）τ与Σ的关系热中子寿命与地层对热中子的宏观俘获截面成反比关系，即地层的宏观俘获截面越大，热中子寿命越小。（4）岩石的热中子寿命和宏观俘获截面①岩石中矿物的热中子宏观俘获截面石英、方解石、白云石的热中子宏观俘获截面都很小；氯的热中子俘获截面比硅、钙、镁、氢、氧等高一到几个数量级；矿物中硼、汞等宏观俘获截面特别大。②岩石骨架的热中子宏观俘获截面岩石Σ值范围砂岩8~13石灰岩8~10白云岩8~12岩浆岩15~18.6页岩25.2~66.2③孔隙流体的热中子宏观俘获截面纯水在常温下，地层水中通常含有氯，通常为；原油的热中子宏观截面通常范围为在天然气的热中子宏观截面与它的组成、地层压力和温度有关，一般为④泥质的宏观俘获截面粘土岩的宏观俘获截面主要是硼的贡献，其次是氯、氢、铝、钾、铁、钆等元素的贡献，粘土岩和储层中的泥质的宏观俘获截面变化范围为⑤地层的热中子宏观俘获截面纯岩石的热中子宏观俘获截面为：当地层含有泥质时：2、热中子寿命测井原理

（1）热中子的空间分布热中子产生后，它在地层中发生扩散，地层中某点的热中子密度按指数规律随时间衰减：（2）热中子寿命的测量原理任何时刻存在的俘获伽马射线的强度与仪器周围中子密度成正比。因此刻度后，我们记录（测量）俘获伽马射线强度，可以求得（计算出）热中子的寿命τ（或地层宏观俘获截面Σ）。T1时刻：探测器记录的俘获伽马射线的计数率，T2时刻：探测器记录的俘获伽马射线的计数率（3）中子寿命测井地质意义（与地层性质的关系来研究地层）在沉积岩中，氯核素的微观俘获截面比其他核素的微观俘获截面大得多。也就是说岩石的宏观俘获截面主要取决于地层中氯的含量，或说取决于地层水的矿化度。如果当地层水矿化度较高时，即氯的含量相对较高时，那么对于水层和油层来说，水层的宏观俘获截面要大于油层，而热中子寿命则小于油层。3、热中子寿命测井的应用

（1）划分油、水、气层利用双源距探测器的计数率比值，含油段和含气段有明显差异；矿化度较高的水层有比油层大的俘获截面（或较小的热中子寿命）。（2）监测油、水或气、水界面的变化油层在采油过程中含水饱和度不断变化，油水界面向上移动，利用不同时间测量的宏观俘获截面或中子寿命，则可以了解油水或气水界面变化情况。（3）求孔隙度

（4）求含水饱和度①如果已知，则对含油气纯地层来说：②含泥质地层中：4、注硼中子寿命测井对于矿化度较低的地层，热中子寿命测井不再适用。由于淡水的宏观截面和油的宏观截面相近；所以无法来区分油水性。思路：先测一条宏观截面曲线，此时有：在地层注入一定浓度的硼酸，再测量宏观截面，有：二、非弹性散射伽马能谱测井（碳氧比能谱测井）

利用脉冲中子源以一定的脉冲宽度和重复周期向地层发射14MeV的高能快中子，测量这些快中子与地层物质的核素发生非弹性散射放出的伽马射线的能谱，并对伽马射线进行能谱分析，求出碳氧等比值进而确定含油饱和度的一种测井方法。1、非弹性散射伽马能谱测井基本原理

（1）快中子的非弹性散射伽马射线地层中能与快中子发生非弹性散射而产生伽马射线的核素主要是，最显著的谱线是6.13MeV、4.43MeM、3.73MeV和1.78MeV，在测井中选用这四种核素作为碳、氧、硅、钙的指示核素。（2）测井原理14MeV的高能快中子打入地层，在发射中子的脉冲时间间隔内主要发生非弹性散射，并发射非弹性散射伽马射线，然后才能发生弹性散射，最后被地层俘获，这也是中子在地层中所经历的三个过程。根据不同反应的时间分布，按照时间先后仪器开有脉冲门、俘获门等，分别接收非弹性散射伽马射线和俘获伽马射线，利用多道脉冲幅度分析器进行伽马能谱分析，测量非弹性散射伽马射线和俘获伽马射线的强度，进而确定地层中存在的各种核素及其浓度，获取含油饱和度等地层参数。2、碳氧比能谱测井的应用

（1）确定含油饱和度一般根据和含油饱和度的关系曲线来确定，见图（10-4）。给定——可由其它孔隙度测井资料得到；（2）利用测井曲线划分水淹层利用在油、水层的差别可知，如果油层被水淹，则对于水淹层下降，这也是划分水淹层的依据。（3）岩性指数定性指示岩性纯碳酸盐岩，岩性指数接近于零；纯砂岩岩性指数近于1，但会受到套管外水泥环的影响；利用硅、钙非弹产额比指示岩性，几乎不受孔隙度、含油饱和度和地层水矿化度的影响。（4）确定孔隙度指数、泥质指数和矿化度指数用所记录的氢、钙、硅以及铁的俘获伽马射线的计数率，计算孔隙度指数、泥质指数和矿化度指数。3、目前国内的脉冲中子能谱仪（1）PND-S测井仪采用两种脉冲发射方式向地层发射高能快中子，一种是采用固定频率（1428Hz）的发射；另一种是采用伺服发射方式（200-1000Hz）。该仪器有远近两个（NaI）探头，其中长短源距分别为45.86cm和29.2cm。探测来自2种发射方式下的脉冲中子和地层发生核反应释放的次生非弹性散射、活化及俘获伽马射线。用CATO代替了传统的C/O值作为油的指示。采用非弹性散射能谱中105keV-4.5MeV能量范围（C、Ca、Si、Mg等元素）的非弹性散射伽马射线计数率与大于4.5Mev能量范围（氧的6.13Mev全能峰及5.62MeV，5.11Mev逃逸峰）的非弹性散射伽马射线计数率比值。（2）RST测井仪

RST具有非弹性-俘获、俘获-Σ等三种测量模式，通过GSO闪烁晶体探头测量快中子与地层核素发生非弹性散射，俘获自然释放出来的次生伽马射线进行能谱分析和热中子衰减时间分析，求取储层的C/O和宏观俘获截面的测井方法。（3）RMT测井仪

RMT中子发生器以两种方式发射14MeV的高能快中子，非弹性模式C/O测井模式脉冲中子发射频率为10kHz；俘获模式(TMDL多门热中子衰减时间测井模式)脉冲中子发射频率为800Hz。用双BGO闪烁晶体探测这些次生伽马射线。源距近探头29.2cm；远探头52.07cm。（4）RPM测井仪

RPM主要有两种模式，碳氧比能谱测井(C/O)模式和脉冲中子俘获测井(PNC)模式该测井仪以2种方式发射14MeV的高能快中子，非弹性散射方式脉冲中子发射频率为10kHz，俘获方式脉冲中子发射频率为1000Hz。（5）PNN测井仪简介

PNN（PulseNeutron-Neutron）测井仪是脉冲中子-中子仪器的简称，通过远、近两个He-3计数管探测热中子，由热中子的时间谱求出地层的宏观截面，进而求取含水饱和度的新一代的套管井储层评价测井技术。三、中子活化测井

1、中子活化测井的基本原理（1）活化的概念用脉冲中子源向地层发射14Mev的快中子，中子使地层中的某些稳定的核素转化成放射性核素——核被活化。（2）活化伽马射线活化核不稳定，且一般半衰期较短，活化核衰变放出活化伽马射线。注意：不同核衰变产生的射线的特征能量是不同的。因此，记录不同能量的活化射线，可以用来识别地层中存在的核素及浓度。2、氧活化测井氧的存在是根据监测氧原子核的快中子活化后放射出的伽马射线来确定的：水流的速度是根据中子源到探测器的距离及活化水通过探测器的时间确定出来的，是一种已知距离的时间测量。仪器参数及性能如下a)探测器源距近探测器源距