第三章 中子测井.doc
第三章 中子测井概述中子测井利用中子与地层物质相互作用的各种效应，测量地层特性的测井方法的总称。根据中子测井仪器记录的对象不同可以分为： 按仪器结构特征的不同，可以分为普通中子测井，贴井壁中子测井，补偿中子测井等。从中子源发出的高能中子与地层物质的原子核发生各种作用，其结果是高能中子逐步减弱为超热中子和热中子，或被原子核吸收，发生核反应。中子与物质相互作用的类型有：非弹性散射；弹性散射；核俘获引起的核反应等。 探测仪器记录的低能中子的数量或原子核俘获中子发出的伽马射线的强度与地层对中子的减速能力和吸收特性有关。中子测井正是利用了这些特性对地层进行探测的。1）中子测井测量地层孔隙度的原理氢核与中子的质量几乎相等，是最强的减速物质。因此，中子测井的结果将反映地层的含氢量。在油层或水层中，储集空间中被含氢核的油或水充填，这样储集体中含氢量的多少反映岩石孔隙度的大小。因此，中子测井是一种孔隙度测井方法。2）油层和气层对中子的减速能力的差异非常明显，因此中子测井也是一种指示油气层的测井方法。3）氯是地层中重要的中子吸收物质，氯是大多数地层水的主要离子成分，可见中子测井对于划分油水层也有重要作用。4）中子与地层中的原子核发生非弹性散射，使原子核处于激发态，在退激时发出伽马射线。这些伽马射线的能量，反映靶原子核的能级结构。因不同的原子核其能级结构是不同的，因此发出的伽马射线的能量也是不同的。我们把这种不同原子核发生的伽马射线称为特征伽马射线。测量地层发射的伽马射线的能谱，就可以分析地层中元素的成分。例如：碳核的特征伽马射线为 氧核的特征伽马射线为 对于给定的中子源，中子与地层中的碳核和氧核发生非弹性散射次数的多少，取决于地层中相应核素的多少，取决于地层中相应的核素的丰度。即特征伽马射线的强度取决于地层中碳核、氧核的数目。显然，油层与水层单位体积中的碳核和氧核的数目是不同的。我们通过探测与的强度比，就可以定性判断地层是水层还是油层。这是碳氧比测井的原理。§1中子测井基本原理普通中子测井是利用地层中氢核对快中子的减速能力测量地层的含氢指数，进而确定地层孔隙度的测井方法。一、地层的含氢指数 自然界中，对中子减速能力最强的核素是氢核，岩石中的氢核的多少就决定了地层对中子的主要减速能力。为了度量地层对中子的减速能力，引入几个概念。1含氢量，含氢指数含氢量：单位体积中氢核的数目。含氢指数：单位体积岩石中的氢核数目与同体积的水的氢核数目之比。 含氢指数= 式中x是单个分子中含的氢核数目；M是分子量；是阿伏加德罗常数。2几种地层物质的含氢指数淡水： 盐水 盐离子占据一定的体积空间，使 有所下降。 p是以 ppm为单位的盐离子浓度。例如，则 油气的含氢指数 油气的含氢指数与油气的密度和成分有关。其含氢指数可根据其密度和成分计算（经验公式） （这里有一个数据表） 天然气 由上面的计算可知，水，含盐分的地层水，原油的含氢指数都接近于1，差别不大。但是天然气的含氢指数与1相差很大，天然气的含氢指数很小。由此可见，中子测井也提供了一种指示天然气的方法。岩石的含氢指数设岩石的孔隙度为，孔隙中饱和淡水，岩石骨架不含氢，则当地层孔隙度中同时含有水和油气时，其中为含水饱和度与地层孔隙度无关的含氢指数(i)岩石骨架的等效含氢指数，岩石骨架对中子的减速能力，在效果上等价于一定量的氢核对中子的减速能力。一般 。(ii)泥岩的含氢指数, (iii)矿物结晶水，例如，石膏()地层的含氢指数计算公式二、中子测井基本原理，仪器结构1原理 中子测井利 用地层中氢核对快中子的减速能力特性，测量地层的含氢指数，进而确定地层的孔隙度。2仪器的基本结构S中子源 ，R探测器（这里有一幅图）中子源 通常采用点状连续中子源，如AmBe中子源，平均中子能量 。中子源照射地层后，在地层中形成稳定的空间分布。中子测井测量地层减速后的超热中子，或热中子，或中子伽马射线源距的选择 一般取3545cm 例如： schlumberger的SNP取d=42cm探测器 分如下几种：（a）超热中子探测器：测量经地层减速后的超热中子（En=10.1ev），相应的仪器称为超热中子测井仪器。（b）热中子探测器：测量经地层减速后的热中子（En=0.10.001ev），相应的仪器称为热中子测井仪器。（c）伽马探测器：测量中子射入地层后产生的伽马射线强度或能谱，相应的仪器称为中子伽马测井仪器或中子伽马能谱测井仪器。几种中子探测器利用核反应如下：下面以超热中子测井为例进行详细讨论中子测井的一些细节问题及资料的应用。热中子的概念：当中子与周围介质的原子处于热平衡时，这些中子称为热中子，能量范围为：0.10.001ev§2超热中子测井超热中子测井测量经过地层减速后的超热中子，中子的能量范围为：10.1ev一、超热中子测井仪器的计数率响应、源距的选择、仪器的刻度。1、计数率的响应点状快中子源在无限均匀地层中形成稳定超热中子通量为：式中De为超热中子的扩散系数，为宏观散射截面；Le为超热中子的减速长度,， 为宏观吸收截面； 为平均散射自由程；为物质的有效原子量。显然，中子探测器的计数率，即， k为仪器结构有关的常数。几点定性讨论：计数率N与探测器距点源的距离r有关,且距离r增大，则减小，因此N减小；测得的计数率N与地层的特性有关，主要表现为公式中的De与Le的影响，这两个常数表达了地层的特性。当仪器结构一定时，则r和k固定，测得的计数率N与地层对快中子的减速特性有关。地层的特性由Le和De表示，而Le与De取决于地层中的含氢量。因此，用同一种仪器，在相同岩性的地层中测量计数率N的大小，就可以反映地层孔隙度的大小。这是中子测井测量孔隙度的原理。下面讨论选择什么样的测量条件，实现这种测量。2、源距的选择设有两个岩性相同，孔隙度分别为充满淡水的地层，<地层1： De1 Le1 测量计数率为N1地层2： De2 Le2 测量计数率为N2扩散系数表示的是体积元内穿出中子的能力。减速长度表达的是经多大的距离快中子变为超热中子。孔隙度大的地层中含氢核多，对中子的减速能力就大。因此，对中子的扩散系数就小，减速长度就小。即，De1>De2, Le1>Le2。反过来说，充满淡水的孔隙度小的地层扩散系数大，减速长度长。由有因为De1>De2 ，所以可见，用不同的源距r可得到三种情况： 令则 若选择的源距等于零源距，在这种情况下，对不同孔隙度的地层，测得的计数率相同，达不到利用中子测井测量不同地层的计数率确定孔隙度的目的。若选择的源距小于零源距，即孔隙度增大，计数率上升。这种源距称为负源距，对于中子测井无意义。这个称为零源距，对于普通地层，这个值为几厘米到几十厘米。若选择的源距大于零源距时，孔隙度增大，计数率减小。由前面的公式，随着源距的增加，比值呈指数减小。可见源距的增加仪器对地层探测的灵敏度就增加。然而另一个不利因素出现了，随着源距的增加，超热中子的通量呈指数下降，即计数率N本身的值急剧减小，测量的统计误差增大。这又使我们不能选择太大的源距。权衡地层探测的灵敏度和统计误差，通常中子测井的源距选择为3045cm。斯伦贝谢公司的SNP选择为42cm。3、仪器的刻度 由前面的讨论可知，一旦确定了仪器的源距，中子测井仪器测得的计数率取决于含水地层的扩散系数和减速长度 。N=而，又取决于地层的含氢指数和岩性，因此 N=地层的含氢指数与地层的孔隙度是有直接联系的，故N=中子仪器的刻度就是要利用标准地层确定仪器测量的N和的关系以及将仪器标准化。仪器标准化的内容包括：标准地层（标准井，孔隙度，岩性已知），采用标准单位（API），孔隙度刻度是仪器的标准单位向孔隙度的转换。其关系如下式：仪器刻度条件：（a）氢是以淡水的形式充满地层的孔隙度空间；（b）在饱含水的纯灰岩地层中，中子测井的孔隙度响应等于地层的真含氢指数，即为地层的真孔隙度。这样进行仪器刻度的实质在于，致密灰岩地层对快中子的减速能力作为计算孔隙度的参考基准。当某种地层对中子的减速能力与致密纯灰岩相同时，该地层的中子孔隙度值为零。以淡水饱和的纯灰岩地层作为标准地层刻度仪器后，仪器测得的地层孔隙度称为中子测井的视灰岩孔隙度。中子仪器刻度后对于饱和淡水的纯砂岩地层，测得的视灰岩孔隙度小于零。对于饱和淡水的纯白云岩地层，测得的视灰岩孔隙度大于零。为了确定仪器的N和的关系，需要一套不同值的标准刻度地层，孔隙度的范围为0所有地层可能遇到的最大孔隙度。HI：0HI砂HI灰HI白1.0实际地层测量的含氢指数HI等于地层中孔隙部分的含有氢指数加上地层骨架的等效含氢指数。4、计数率与孔隙度的关系图版各公司的仪器都有自己的校正图版，现在都实现软件中了。5、中子测井的探测深度，纵向分辨率参考相应仪器的指标，探测深度为约1520cm，纵向分辨率为0.5cm(取决于仪器的源距)。二、超热中子测井资料的影响因素，校正方法1、井眼影响及校正在井中测量的含氢指数并不是地层的真实含氢指数。测量的含氢指数是仪器探测范围内所有介质的含氢指数。由于中子测井的探测深度较浅，因此测量结果受井眼条件影响较大。为了减少井眼的影响，采用贴井壁测量。但是通常贴井壁测量并未把井眼影响减少到可以忽略的程度。井眼的影响主要表现在两个方面：井径增大，测量的增大；泥浆比重增大，使测得的含氢指数缓慢减小。井眼影响的校正方法：1图版校正； 2仪器测量时的自动井径校正； 3对于泥饼的影响，常利用图版进行校正。2、岩性的影响及校正地层对快中子的减速是地层中的氢核与岩石骨架共同作用的结果，即式中 是致密岩石骨架的等效含氢指数。实际应用中，可不用直接测量，而是通过测量，间接知道其影响。在已知岩性的条件下，对于饱和淡水的纯岩石，若已知真孔隙度，测量，则可求出 由上式 对于砂岩 ，约为=-0.035。可见砂岩测量的中子孔隙度要小于实际地层的真孔隙度。对于石灰岩 由于仪器是用纯灰岩刻度的，对于白云岩 ，0.0150.05左右。对岩性影响的中子孔隙度校正可用图版法。（这里有一幅图）3、孔隙流体性质的影响，天然气的挖掘效应挖掘效应：在含气地层中，中子测井的孔隙度响应比地层真实含氢指数小的现象称为挖掘效应。产生挖掘效应的原因：天然气对快中子的减速能力比同体积的岩石骨架对快中子的减速能力小。对于高能中子，骨架对快中子的减速能力接近氢核的减速能力。因此，在最初的几个自由程里，骨架所含原子核对中子的减速能力相对比较重要。如果岩石骨架被挖掉一部分，代之以气体，这就减少了骨架对快中子的碰撞几率，使中子的最初几个自由程更长，导致超热中子分布半径更大，进而使探测器处接受到的中子数增加，由于仪器的测量原理，中子记数率增加孔隙度减小。中子测井是利用地层中氢核对快中子的减速特性测量地层中的含氢指数，进而确定地层孔隙度的测井方法。地层的含氢指数 含氢量是单位体积中的氢核数。计算表明，淡水、矿化水、原油的含氢指数都接近于1，差别不大。但是天然气的含氢指数与淡水的含氢指数差别是很大的，天然气的含氢指数很小。因此中子测井资料结合密度测井资料，提供了一种指示天然气的方法。例如，对于纯灰岩地层若密度测井孔隙度要比中子孔隙度大几个孔隙度单位，则有可能是地层中天然气的影响。对含气地层要求准中子孔隙度，则要进行挖掘效应校正。水骨架V1天然气水骨架V2V1（a） （b）图1 挖掘效应示意图图1是两个不同的地层。地层（a）孔隙度为15%，100%含水；地层（b）孔隙度为30%，50%含水，50%含低压气。根据中子测井测量原理，两者的含氢指数相同，测量的中子孔隙度似乎也应该相同。但是，实际的中子孔隙度测量值并非如此。单纯根据含氢指数，预计地层（b）的中子孔隙度为，然而实际测量的中子孔隙度仅为。我们把这种在含气地层中，中子测井的孔隙度响应值比真实地层含氢指数小的现象，称为挖掘效应。在地层（b）中占地层15%的骨架被挖掉了，并且低密度的天然气取代了被挖掉的骨架部分的位置。如果将这两种情况“等同对待”就相当于忽视了被挖掉部分的岩石骨架与其代之的低压气体对中子减速、中子扩散、中子俘获和俘获射线等核过程对中子减速能力之间的差别。实际上，在含气地层中，挖掘效应是由于天然气对快中子的减速能力比同体积的岩石骨架对快中子的减速能力要小引起的。测量产生差别的机制是中子测井并不直接测量地层的含氢指数，而是通过测量地层的减速长度来间接测量地层的含氢指数，进而确定地层孔隙度。天然气对中子的减速长度比岩石骨架对中子的减速长度要大，测量的含氢指数小，进而测得的中子孔隙度读数小。所以对于含气地层尽管已经校正了被挖掉的体积，但，即还未校正天然气比同体积岩石骨架对中子减速能力小产生的影响，即。到达热中子能量图2 中子减速过程示意图理解挖掘效包含两个方面的内容：一方面是地层中的物质与中子相互作用的机制（核过程的差异），另一方面是仪器的基本测量原理。从中子源放出的高能中子，最初的几个平均自由程里，较后面碰撞损失能量的自由程要长一些，物理图像如图2所示。平均来说，最初的几个自由程占中子离开源的距离的大部分。即最初几个自由程中子经过的距离对确定中子的分布半径是重要的，然后中子以比较短的自由程在附近跳动。对于高能中子，岩石骨架所含原子核的减速能力接近于氢核的减速能力（对于中能中子和低能中子，氢核减速能力最强）。因此，在最初的几个自由程里，骨架所含原子核对中子的减速过程相对比较重要。如果骨架的一部分被“挖去”，代之于低压气体，这就减少了高能中子与骨架原子核的碰撞概率。使得中子的最初几个平均自由程更长，这导致热中子（超热中子）的空间分布半径明显的增大。即少了这部分被挖掉的骨架对热中子的碰撞吸收，使热中子的分布半径增大（Le增大）。测量地层的Le增大，因中子测井仪器的源距是固定的，这使中子探测器处的中子通量增高，测得的中子计数率增大，从而使测得的中子孔隙度值减小（这涉及源距选择方面的相关知识，通常源距的选择使计数率N大，孔隙度小）。由于热中子的能量比超热中子的能量小一些，因此热中子的减速过程更多地依赖于骨架的碰撞能量损失，挖掘效应更大一些。在含气地层中中子测井的挖掘效应可用来指示含气地层。对于含气地层由于挖掘效应的影响，中子测井的孔隙度值通常要比密度测井孔隙度和声波测井孔隙度小几个孔隙度单位。定性上，若灰岩地层的孔隙度较大，例如大于5%，则这种差异较易从原始测井资料上看出。此外，我们也可以应用组分分析程序计算的中子测井重构曲线与实际测井曲线的偏差分析出来。挖掘效应的校正为了使中子测井孔隙度与岩石的含氢指数一致，应在中子孔隙度值上再加一个校正值。 为等效淡水饱和度。影响挖掘效应大小的因素有，气的成分，岩性。校正方法：挖掘效应校正的公式：天然气含氢指数越大，孔隙度就越大，挖掘效应的影响就越大。利用中子测井求孔隙度时，对泥质，束缚水，岩石结晶水的校正。三、超热中子测井资料的应用1、求孔隙度体积模型求孔隙度要从上式中解出，与其它测井组合解释近似计算a)砂岩灰岩混合岩石 ， b)灰岩白云岩混合岩石（）,c)灰岩白云岩混合物（），2、中子密度测井组合判断岩性例子3、与地层密度测井组合识别气层。10
