第五章-放射性測井-2008

1、第五章 放射性測井 引入：放射性測井是近代物理的成果在測井工作中的應(yīng)用。放射性測井方法較之其它測井方法的優(yōu)點是適用的范圍廣，它可以在套管井中進(jìn)行測量，可以在空井和油基泥漿井中進(jìn)行測量。,一、核衰變及其放射性1）原子的結(jié)構(gòu)：原子核（質(zhì)子+中子）+核外電子2）放射性核素 核素：原子核中具有一定數(shù)量的質(zhì)子和中子并在同一能態(tài)上的同類原子 （同類核素的原子核中質(zhì)子數(shù)和中子

2、數(shù)都相同）。 同位素：原子核中質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同，但具有相同的化學(xué)性質(zhì)， 在元素周期表中占有同一位置。 放射性：原子核能自發(fā)地釋放α、β、? 的性質(zhì) 放射性核素： 不穩(wěn)定的核素 （ 其結(jié)構(gòu)和能量都會發(fā)生改變， 衰變成其他核素，并放出射線）。 放射性同位素：不穩(wěn)定的同位素。,3） 核衰變 核衰變：原子核自發(fā)地釋

3、放出一種帶電粒子，并蛻變成另外某種原子核， 同時放出伽馬射線。 核衰變常數(shù)λ：決定于該放射性核素本身的性質(zhì)，其值越大衰變越快。 一種元素經(jīng)過放射變成另一種元素的過程稱為衰變或蛻變。 例如 88Ra226 → 86Rn212+?(粒子) ?衰變 鐳

4、 氡(也是種放射性元素)  (注：原子核的表示方法 ZXA X元素符號，Z為質(zhì)子數(shù)，A為質(zhì)量數(shù)A=N+Z) 4) 放射性強（活）度 一定量的放射性核素，在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的核數(shù)。 單位 1居里=3.7×1010/s (Bq貝可勒爾）5）放射性射線的性質(zhì) α——2He4流，極易被吸收，電離本領(lǐng)強，在物質(zhì)中穿透距離很小。

5、 β——高速運動的電子流，在物質(zhì)中穿透距離較短。 ?——頻率很高的電磁波或光子流，不帶電，能量高，穿透力強。,6)衰變規(guī)律 對含有一大堆原子的放射性物質(zhì)來說，其中某一個原子何時放射衰變完全是偶然的，無法預(yù)計的，但是對許多原子的整體來說，某一時刻平均有多少原子發(fā)生衰變是符合統(tǒng)計規(guī)律的。這一規(guī)律是：某一時刻的衰變率 dN/dt (單位時間衰變的原子核數(shù)) 二者成正比

6、 當(dāng)時存在的原子核數(shù) N,即 dN/dt=－?N ?為衰變系數(shù)(比例系數(shù))，負(fù)號表示原子核數(shù)隨時間的增長而減小。 積分得到：N=Noe-?t No為最先參入衰變的原子核數(shù)(t=0時，N=No) N為衰變之中 t時刻存在的原子核數(shù),,7)半衰期以最先參與衰變的原子核數(shù)No為基數(shù)，衰變

7、成No/2時作用的時間T。 即當(dāng)N=No/2時所需的時間 No/2=Noe-?T 得到T＝ln2/?=0.693/? 各種物質(zhì)的衰變系數(shù)不同，所以半衰期不同，地質(zhì)上可利用半衰期很長的元素來確定地層的地質(zhì)年代。如：,元素名稱 半衰期 92U238 鈾

8、4.5×109年 K40 鉀 1.25×109年 Co60 鈷 5.27年 Cs137 銫 30年,二、天

9、然放射性的衰變性質(zhì) 1、天然放射性的來歷1）成系的(重元素:原子序數(shù)>81) 鈾系 92U238 82Pb206 (鉛) 釷系 90Th237 82Pb208 (鉛) 錒系 92Ac235 82Pb206 (鉛),,,,i)此三系通過?、?衰變，最后達(dá)到穩(wěn)定的鉛的同位素82Pb206 (鉛)

10、 ii)在?，?衰變的過程中，放出?、?粒子，伴隨放出?射線。,2） 不成系的(中等元素:原子序數(shù) 30≤Z≤81) 主要是鉀 19K39 19K40 19K41 19K40 是不穩(wěn)定的元素,它隨時都會可能放出?射線,2、天然放射性的衰變性質(zhì)1)天然放射性衰變分為： ?衰變、?衰變和 ?衰變。?衰變：放出?射線的衰變。通式為： ZXA → Z-2YA-4+?(二個正電荷)

11、 例如： ?衰變 92U238 → 90Th234+??衰變：放出?射線的衰變。通式為： ZXA → Z+1YA+?(一個負(fù)正電荷) 例如：?衰變 90Th234 → 91Pa234+ ??衰變：放出?射線的衰變。?射線通常是在?、?衰變的過程中，伴隨放出?射線。,2)?、?和 ?射線比較,三、天然放射性 1、火成巖的放射性 幾點規(guī)律：1) 火成巖所含放射性零散而不均勻

12、 2) 酸性 中性 基性 超基性 SiO2的含量 大 → 小 顏色 淺 → 深

13、 放射性元素含量 大 → 小 3)火成巖放射性元素主要是：鈾(U) 鐳(Ra) 釷(Th) 鉀(K),2、沉積巖的放射性 幾點規(guī)律： 1)沉積巖本身不含有放射性元素，其放射性元素來自火成巖。我們知道機械和化學(xué)力的綜合侵蝕作用以及搬運產(chǎn)生了沉積巖，由于搬運和沉積的環(huán)境不同，使各種沉積巖的放射性元素的含

14、量產(chǎn)生了差異 。,2)沉積巖的放射性強度取決于泥質(zhì)含量(粘土含量) 原因： a.粘土顆粒細(xì)，具有較大的比面(在沉積的過程中具有吸附放射性元素的能力大) 比面的含義是每顆粒的表面積之和。 b.粘土顆粒細(xì)，沉積的時間長(有充分的時間與放射性元素接觸)。 c.粘土沉積物中含有鉀K礦物（如水云母，正長石等)。,3)沉積物的顏色由淺→深,其放射性強度由小→大。 4)隨鉀含量

15、的增大，放射性強度增大。 5)孔隙度?和滲透率?減小，放射性強度增大。,3、變質(zhì)巖的放射性,正變質(zhì)巖：由火成巖變質(zhì)而來副變質(zhì)巖：由沉積巖變質(zhì)而來變質(zhì)巖的放射性取決于變質(zhì)巖的源巖,例如某井： 正片麻巖 副片麻巖 角閃巖 榴輝巖 蛇紋巖 自然r 大 小,,（黑云斜長片麻巖、 角閃

16、片麻巖）,（二云二長片麻巖、 花崗質(zhì)片麻巖）,,,四、自然伽馬測井原理,1) ?射線探測器探測到地層的 ?射線，并將?射線變換成電脈沖信號(每一道?射線變換成一個電脈沖信號)。,2)此脈沖信號送入井下的放大器進(jìn)行放大。,3)井下放大器放大的脈沖信號送入地面的放大器進(jìn)行放大（其原因時脈沖信號通過電纜之后會有些衰減)。,4)由于脈沖信號中混合一些干擾信號，需經(jīng)過鑒別器進(jìn)行鑒別，排除干擾。,5)將一些畸變的脈沖信號送入整形器進(jìn)行整形。

17、,6)規(guī)一后的波形送入計數(shù)率計電路，此電路把脈沖信號變換成與單位時間內(nèi)脈沖數(shù)成正比的電位差，記錄儀將該電位差連續(xù)地記錄下來，最后得到自然伽馬測井曲線。,五、自然伽馬測井曲線分析探測半徑： 對于煤、金屬鉆孔：d≤20cm R=25－45cm 對于油田鉆孔: d ≤ 30cm R=30－50cm,ab段：探測器遠(yuǎn)離界面上移，直到探測器中點離界面的距離為R，探測器的探測范圍內(nèi)是低放射性物質(zhì)。,bcd段：探測器上移過界面，直到

18、探測器中點離界面的距離為R。 1)隨探測器上移，探測器探測范圍內(nèi)的高放射性物質(zhì)逐漸增大，使曲線上升，直到探測器中點離界面的距離為R時為止。 2)探測器中點位于界面時，探測范圍內(nèi)的高低放射性物質(zhì)各占一半，所以為曲線的半幅值點。,de段：探測器中點離界面的距離為R時開始，直到探測器中點離頂界面的距離為R時為止。探測器的探測范圍內(nèi)是高放射性物質(zhì),efg段：分析方法同bcd段。gh段: 分析方法同ab段。 

19、;注：薄層用2/3幅值分層 。,六、自然伽馬測井儀的刻度 1、刻度的意義和分級 意義：為了使不同儀器,或者同一儀器在不同的時間,在同一的地層測定結(jié)果能夠作定量比較，必須進(jìn)行儀器刻度（用不同的秤，或者同一秤在不同的時間對某一東西秤的結(jié)果應(yīng)該一樣，就應(yīng)該對秤進(jìn)行統(tǒng)一刻度) 。,刻度分級： 一級刻度：國家統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)稱為一級刻度（標(biāo)準(zhǔn)刻度井）。 二級刻度：各制造廠和大的油田建立的標(biāo)準(zhǔn)稱為二級刻度（刻

20、度裝置或刻度井）。 三級刻度：一般現(xiàn)場使用的標(biāo)準(zhǔn)稱為三級刻度（刻度器、刻度塊）。 要求：低級的刻度裝置必須用高一級刻度裝置進(jìn)行檢查。,2、刻度井,定義 N高為高放射性混凝土中的讀數(shù)；N低為低放射性混凝土中的讀數(shù)； API是美國石油學(xué)會的縮寫； America Petroleum Institute,,七、自然伽馬測井曲線的影響因素,1、巖層厚度,(1) h>6ro

21、 h增大，幅值不再增大 用半幅值點分層（2）h<6ro h減小，幅值減小 用2/3幅值點分層,2、統(tǒng)計起伏(也稱統(tǒng)計漲落),1)現(xiàn)象 泥巖的放射性含量是均勻的，但在同一巖層的各點讀數(shù)不一樣其讀數(shù)在平均計數(shù)率n上下波動 。,經(jīng)理論計算得到：,絕對誤差,2)產(chǎn)生的原因：衰變規(guī)律,3)統(tǒng)計漲落的定義：在放射性源強不變，測量條件不變的情況下，在相等的時間間隔內(nèi)，重復(fù)觀測放射

22、性強度，每次記錄的數(shù)值不同，總是在某一數(shù)值(平均值)上下波動，這種現(xiàn)象稱為放射性漲落。,3、井參數(shù)的影響自然伽馬射線強度的吸收方程u為系數(shù)吸收，L為物質(zhì)的厚度；J?與J??為伽馬射線吸收前后的強度。與井參數(shù)有關(guān)的幾種吸收系數(shù),八、自然伽馬測井的應(yīng)用1、劃分巖性1）砂泥巖剖面 粗砂巖 中砂巖 細(xì)砂巖 泥巖 J? 小 → 大 SP幅度 大

23、 → 小 Ra 大 → 小 Vsh 小 → 大,2) 膏鹽剖面 鉀巖 泥巖 砂巖及其它巖石 巖鹽、石膏 特高 高 中等 最低,3) 碳酸鹽巖剖面 泥巖

24、 泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖 純石灰?guī)r、白云巖 最高 中等 最低,2、確定泥質(zhì)含量  泥質(zhì)含量與自然伽馬射線強度成正比，推導(dǎo)計算泥質(zhì)含量的方法同自然電位，可推導(dǎo)得到的計算泥質(zhì)含量公式如下：,式中J?, J?max,J?min分布為研究地層、純泥巖、純砂巖的自然伽馬測井強度，同樣要

25、進(jìn)行非線性校正:,C ＝ 3.7 新地層C ＝ 2.0 老地層,3 、劃分煤層 1)煤中的有機質(zhì)與無機質(zhì)都不含放射性物質(zhì)，所以J?低 。 2)煤的J?與煤的灰分含量有關(guān)。,,,4、其它 1)地層對比 J?與巖石孔隙中的流體(油或水)的性質(zhì)無關(guān)； J?與地層水、泥漿的礦化度無關(guān)； J?曲線的標(biāo)準(zhǔn)層容易獲得。,2)沉積環(huán)境分析 J?、SP、Ra與巖層的粒度、分選性、泥質(zhì)含量密

26、切相關(guān)，而這幾個量與沉積環(huán)境密切相關(guān)，所以可以利用J?、SP、Ra進(jìn)行沉積環(huán)境分析。,九、自然伽馬能譜測井1、測量原理,計數(shù)率,地球上的伽馬輻射大多數(shù)來源于三種放射性同位素的衰變：半衰期為1.3×109年的鉀40（40K）；半衰期為4.4×109年的鈾238（238U）；半衰期為1.4×1010年的釷232（232Th）。,通過伽馬能譜測井，可以獲得5條參數(shù)曲線：（1）以百分比表示的鉀含量曲線（K%）。

27、（2）以濃度表示的鈾含量曲線（Ｕppm）及釷含量曲線（Th ppm）。（3）合成的自然伽馬曲線 (總計數(shù)率曲線GRSL) (API)。（4）無鈾自然伽馬曲線（KTh）(API)。,測量譜段（能窗）的選擇：對K40選用1.46Mev 的光電峰；對U選用Bi214的能量為1.764Mev的光電峰；對Th選用Ti208能量為2.614Mev的光電峰。,其測量結(jié)果可列出三元一次聯(lián)立方程組求解：N1=a1U＋b1Th＋c1N2=a

28、2U＋b2Th＋c2KN3=a3U＋b3Th＋c3K 式中N1 、N2 、N3─分別為三個能譜段的計數(shù)率（扣除本底計數(shù)）；U 、Th、 K─表示地層中鈾、釷、鉀的含量；ai、bi、ci─為換算系數(shù)，表示地層中單位含量的鈾、釷、鉀在相應(yīng)能譜段的計數(shù)率,1）確定泥質(zhì)含量,2、應(yīng)用,,,,,2）劃分巖性,主要火成巖和沉積巖的Th、U、K,高硼潤土、凝灰?guī)r,砂巖,測井曲線表明U異常所造成的結(jié)果， 若未被探測出，將影響整

29、個層段粘土含量的確定（引自SPE Petroleum Production Handbook）說明一個富含鈾的地層，可能被錯誤地解釋為泥巖（采用簡單伽馬射線分析）。鈾含量的突然增加，是和附近深度處單一泥巖不同的現(xiàn)象。巖心分析表明，該層富含有機質(zhì)，這和鈾易被有機合成物所吸收相符合。,自然伽馬測井顯示在低于泥巖層下邊界的12836ft處有一個較純的砂巖。然而，從K的記錄道看到，頁巖層高濃度的鉀在12836ft下面繼續(xù)保持了幾英尺。經(jīng)

30、后來的巖心分析發(fā)現(xiàn)：過量的鉀是由于長石存在的結(jié)果，這是一條重要的經(jīng)驗，因為長石影響密度測井解釋中所用顆粒密度的選擇。,（SPE Petroleum Production Handbook）,表明長石對自然伽馬能譜測井和自然伽馬測井有影響,自然伽馬能譜測井指明Th、U、K的濃度。標(biāo)明含有云母的層段，表示了異常高的鉀含量。在這個層段上，GR測井曲線錯誤地暗示有不可忽略的粘土存在,（引自SPE Petroleum Production Han

31、dbook）,3）確定粘土類型,4）判斷沉積環(huán)境 Th/U>7 陸相氧化環(huán)境 Th/U<7 海相沉積 Th/U<2 海相黑色頁巖,第二節(jié) 密度測井一、伽馬射線與物質(zhì)的作用,1、光電效應(yīng),光電效應(yīng)或稱光電吸收，在伽馬射線的能量<0.5Mev(低能)時產(chǎn)生，過程如下： a ?量子與原子核發(fā)生作用時，它將所有的能量交給原子 ；,b 原子又將能量

32、幾乎全部交給一個殼層電子；,c 電子克服電離能脫離電子軌道，成為自由電子，稱為光電子。,d 而?量子被吸收，這種作用稱為光電效應(yīng)。,注意: a 光電效應(yīng)在K，L層等靠近核的內(nèi)層產(chǎn)生光電子的幾率(可能性)最大 。,b 光電吸收系數(shù)：伽馬量子穿過物質(zhì)時產(chǎn)生 光電效應(yīng)的幾率 τ＝KZ4.6 K為與入射伽馬量子有關(guān)的系數(shù)，K近

33、似與Er的三次方成反比， Z為原子序數(shù)。,k,L,e,2 、康普頓－吳有順散射 在伽馬射線的能量為0.5<Er<1.02Mev時產(chǎn)生，過程如下： a 當(dāng)入射?量子與原子中的一個電子發(fā)生作用 b ?量子將部分能量傳給電子,c ?量子本身成為散射?量子，即與原來運動方向成θ角射出。 d 而電子獲得能量脫離電子軌道，成為反沖電子，反沖電子與?量子原入射方向成Φ角,注意: a 可以證明 θ＝00時，?量

34、子無能量損失，反沖電子沒有獲得能量。即?量子與物質(zhì)沒有發(fā)生作用。 θ＝1800時， ?量子能量損失最大，反沖電子獲得能量最大。 θ＝0~1800時，θ越大， ?量子能量損失越大，反沖電子獲得能量越大 。,b 康吳散射的吸收系數(shù)：?量子與物質(zhì)作用時產(chǎn)生康吳散射的幾率；注有的書中用ne ，一般書中用ρe σe為每個?量子與原子

35、產(chǎn)生康吳散射的幾率稱為電子密度：單位體積中電子數(shù)稱為電子密度。ρ為體積密度， Z為原子序數(shù)，A為質(zhì)量數(shù)，Na為阿佛加德羅常數(shù) 6.602486*1023 克/分子,,,,,θ,3、形成電子對 在伽馬射線的能量為Er>1.02Mev時產(chǎn)生，過程如下： ?量子與原子核(主要是重元素的原子核)的力場相互作用，此時?量子的能量轉(zhuǎn)化為產(chǎn)生一個正電子和一個負(fù)電子，每個電子的能量為0.51Mev。,吸收系數(shù)：形成

36、電子對的幾率 K＝C1Z2（Ero-1.02) C1為比例系數(shù) Z為原子序數(shù) Ero為入射?量子的能量,4、吸收方程 ?射線通過物質(zhì)時，以上三種效應(yīng)都有可能產(chǎn)生 ，此時吸收方程,吸收系數(shù)μ：正比于物質(zhì)的密度注：1. 當(dāng)?量子的能量Er1.02Mev時，u=K以形成電子對為主。,2.測井使用的是中等能量的?源 所以u=σ，則中σ

37、e、 Na為常數(shù)，Z/A=0.5， 因此，當(dāng)L、Io一定時，I與ρ有關(guān)，這是密度測井的物理基礎(chǔ)。,二、?－?測井原理1、 ?－?測井原理概述,1) ?－?測井與自然?測井的區(qū)別 自然?：測量天然?射線強度(?源) ?-?測井：測量人工射線強度(散射?)，因此根本區(qū)別在于： ?-?測井儀中的下部有?源， 鉛餅 (a 防止?源直接照射探測器影響計數(shù)率， b

38、 延長探測器的壽命)。,,2)測量 a 目前?-?測井使用的?源為 Cs137(銫)源 能量為0.66Mev Co60(錮)源 能量為1.33Mev和1.17Mev 入射的是中等能量的?量子 b 中等能量的?量子入射物

39、質(zhì)，產(chǎn)生康吳散射，探測器接收散射?射線的強度。,二、 ?-? 測井原理1、 ?-? 測井原理概述,,3)值得注意的是 a.探測器記錄一次散射?射線的強度。原因是到探測器的散射?射線的散射角較大，所以散射?射線的能量較小(與入射的?射線的能量相比，能量損失很多)，故?-?測井主要記錄到一次散射?射線，多次散射?射線能量很低，容易產(chǎn)生光電效應(yīng)，被巖層吸收。,b.隨r距離加大，θ增大，隨散射角的增大， 散射?射線的能

40、量很快減小，所以?-?測井的探測深度不大，探測范圍不大。 探測范圍為：半徑為L/2左右，高度為 L的圓柱體，一般 L＝50－60cm，所以 r≤30cm。,c.記錄為探測器與?源的中點。 d. J??(?-? 測井)的單位為：脈沖/分。,2、 J??與密度ρ，源距L的關(guān)系,經(jīng)理論推導(dǎo)探測器接收到的散射?射線強度為：,式中K為常數(shù)，Q為源強，ρ為密度，L為源距 C= 0.06 Cs

41、137(銫)源 能量越低 0.07 Co60( 鈷)源 C值越大,,利用上式可以繪制J??，ρ，L的關(guān)系圖1)當(dāng)L<Lo時（小源距的情況下） J1.5<J2.7 密度小的J??小，密度大的J??大，這說明J??與密度成正比,2) 當(dāng)L=Lo時（零源距的情況下) J1.5=J2.7 這說明J??與密度無關(guān),3)當(dāng)L>Lo時（大源距的情況

42、下) J1.5>J2.7 密度大的J??小，密度小的J??大，這說明J??與密度成反比,測井使用大源距 L＝50－60cm J??與密度成反比,,密度測井-----康普頓效應(yīng),三、貼壁式密度測井,注意幾點:1.擴孔對?-?密度測井的影響 由于泥漿的密度比地層低得多，所以擴孔后，當(dāng)記錄點位于巖層中部時，探測范圍內(nèi)平均密度降低，而J??與ρ成反比，因此J??產(chǎn)生假異常。,2

43、.視密度的定義 在滲透層處，在井壁存在泥餅，因為泥餅的密度一般低于巖層的密度，所以用密度測井儀在井中測量時，所測到的密度值要小于實際的地層密度值ρb，為了將所測到的密度與實際地層的密度相區(qū)別，我們把所測到的密度稱為視密度，用 ρa表示：,ρmc為泥餅密度ρb為地層密度K為與泥餅厚度，源距等有關(guān)的參數(shù),3.雙源距井眼補償密度測井原理以上講到,當(dāng)泥餅不存在時： (ρa)l= (ρa)s , ?ρ=0，所以ρb= (ρa)l,當(dāng)

44、泥餅存在時：(ρa)l? (ρa)s ?ρ?0 所以 ρb= (ρa)l+?ρ,所以有：,,解方程得到:,,短源距,長源距,,,,四、巖性密度測井,光電吸收系數(shù)為：,K為與入射伽馬量子有關(guān)的系數(shù)，K近似與Er的三次方成反比； Z為原子序數(shù)。為了突出光電效應(yīng)，定義光電吸收指數(shù)：,同時定義體光電吸收指數(shù)：,對于多礦物來說：,,巖性密度測井同時測量光電吸收指數(shù)、體光電吸收指數(shù)和體積密度,巖性密度測井-----康普頓效應(yīng)+光電效應(yīng),對

45、泥質(zhì)砂巖來說有：,五、密度測井的應(yīng)用,1、確定孔隙度,,對于純地層來說：Vsh=0,3、識別煤層 煤的J??值大，GR小,第三節(jié) 中子測井一、中子與物質(zhì)的作用（中子測井理論基礎(chǔ)）,中子分類： 快中子 能量 >0.1 Mev (105ev) 速度快 中能中子 能量 105ev－102ev 速度中等 慢中子 能量 <100ev

46、 速度慢 超熱中子 0.1ev－100ev 熱中子 0.025ev,1.非彈性散射高能快中子與原子核碰撞屬非彈性碰撞(或稱為非彈性散射)。,非彈性散射截面：快中子與原子核發(fā)生非彈性碰撞的幾率(稱為非彈性散射截面?)； 1)?的大小取決于 a中子能量 b原子核的種類； 2)?的不同會使散射?射線的強度不同。,2、彈性散射 中等能量快中

47、子與原子核碰撞屬彈性碰撞(或稱為彈性散射),注意： 1)彈性散射截面微觀散射截面：一個中子與原子核發(fā)生彈性碰撞的幾率稱為微觀散射截面，用?s表示；宏觀散射截面：單位體積中全部的原子核微觀散射截面之和稱為宏觀散射截面， 用?s表示 ?s＝N ?s 為單位體積中的原子核數(shù)

48、 其中H的散射截面最大,2、彈性散射2)碰撞前后的能量變化,A 能量損失與Φ角的關(guān)系?＝00時；E2＝E1；能量無損失?＝1800時； ；中子能量損失最大B 能量損失與原子核質(zhì)量的關(guān)系當(dāng)A＝1時，即M=m，Φ=1800時，E2＝0，這說明經(jīng)彈性碰撞后，中子的能量全部損失。這種情況僅在原子核為H(氫)時，因為m中子＝M氫。由此可見：氫原子

49、對中子的減速能力最大,即是一種減速劑。,E1=中子碰撞前的能量E2=中子碰撞后的能量,3、熱中子俘獲1）概述,2）注意(1)俘獲截面 微觀俘獲截面：一個原子核俘獲熱中子的幾率稱為微觀俘獲截面用?a表示。 宏觀俘獲截面：單位體積中微俘獲截面之和稱為宏觀俘獲截面用?a表示 。 ?a＝N ?a 為單位體積中的原子核數(shù),(2)熱中子壽命 從熱中子產(chǎn)生到熱中子被俘獲所需要的

50、時間稱為熱中子壽命? t,熱中子速度V＝2.2×105cm,,綜上所述（中子作用）: 原子核獲得能量, 放出非彈性散射?射線高能快中子 快中子 超熱中子 熱中子 熱中子俘獲  減速過程 擴散過程(被俘獲) 放出俘獲 ? 射線 減

51、速長度Lf 擴散長度Lt 與H有關(guān) 與Cl有關(guān)(35Cl是影響熱中子擴散的主要核素),,,,,,注1：ξ=lnE1-lnE2=ln(E1/E2) 中子碰撞一次能量的自然對數(shù)減少的平均值 二次?射線——也稱俘獲 ? 射線 吸收

52、截面——也稱俘獲截面,注2：中子活化：一個穩(wěn)定的原子核，在中子的作用下變成新的放射性原子核的過程。,中子源—將中子從原子核中釋放出來的裝置,同位素中子源（連續(xù)中子源）,加速器中子源（脈沖中子源）,二、中子－?測井,2、引入含氫指數(shù)Hf,1、中子- ?測井與?-?測井比較,? 為密度，X為氫原子個數(shù)，M為總原子量。,二、中子－?測井,例如：水的含氫指數(shù) H2O ?＝1 M＝2×1 ＋ 1×16＝

53、18 H＝2 二個氫原子 一個氧原子所以,Hf(氣)=2.25*?氣=0.18Hf(油)=1.28*?油=1.09Hf(煤)=(0.38(無煙煤)，0.52(褐煤)， 0.60(煙煤)),,三、中子－中子測井1、中子－熱中子測井 測量 1) Jnn 即為中子－熱中子計數(shù)率 采用大源距 L＝50－60cm Jnn與含H

54、量成反比，與含Cl量成反比(原因是Cl的俘獲截面大，俘獲 的熱中子多，使留下來的熱中子數(shù)減小),實際：補償中子測井 CNL測量孔隙度稱為視石灰?guī)r孔隙度。視石灰?guī)r孔隙度：CNL儀通常在已知孔隙度的純石灰?guī)r上進(jìn)行刻度，此種刻度儀器如果在純石灰?guī)r中進(jìn)行測量便是真孔隙度，但在非石灰?guī)r上進(jìn)行測量，測到的孔隙度與地層的真孔隙度不同，稱為視石灰?guī)r孔隙度 。,2)補償中子測井 CNL

55、→中子孔隙度（單位%）,以上二式相減得：,消除Cl的影響,巖石孔隙度,2、中子－超熱中子測井 測量 1) Jnn中子－超熱中子，即為中子－超熱中子計數(shù)率。 采用大源距 L＝50－60cm Jnn與含H量成反比，與含Cl量無關(guān)(原因是Cl俘獲熱中子，不能俘獲比熱中子能量大的超熱中子),2) 貼壁中子 SNP → 中子孔隙度(視石灰?guī)r孔隙度) 單位% 。

56、 為了減小井孔的影響采用貼壁方式， SNP與巖石的孔隙度成正比。,四、中子測井的應(yīng)用,,1、確定巖石的孔隙度 CNL 對于純地層來說：,,對泥質(zhì)砂巖來說有：注1：流體（水）的中子響應(yīng)為100%當(dāng)Vsh=0時可以退化到純地層的計算公式,注2：當(dāng)?shù)?/p>

57、層含氣，求孔隙度時，需作校正。,所以有:,3.識別氣層 氣層上聲波時差大、或周波跳躍 偏大 氣層上密度測井值偏小 偏大

58、 CNL 氣層上CNL偏?。↗nr大） 偏小,,1、C/O比測井原理,第四節(jié) 脈沖中子測井(介紹）,一、碳氧比（C/O）能譜測井,碳氧比（C/O）能譜測井是一種脈沖中子測井方法，是目前唯一受地層水礦化度

59、影響小、可在套管井中測定含油飽和度的測井方法。,C/O能譜測井利用14百萬電子伏特（MeV）的脈沖快中子轟擊地層中各元素的原子核，發(fā)生非彈性散射，使其處于激發(fā)態(tài)后散放出伽馬射線（?射線），對這些?射線進(jìn)行時間和能譜分析，可以得到地層中碳（C）、氧（O）、硅（Si）、鈣（Ca）等元素的含量，從而計算出產(chǎn)層的含油飽和度、監(jiān)視油田開發(fā)過程中產(chǎn)層含油飽和度的變化情況。,處于激發(fā)態(tài)的地層各種元素的原子核將同樣釋放出具有不同核輻射特征能量的非彈性散

60、射?射線。例如碳（C12）的非彈性散射?射線的特征能量為4.43MeV氧（16O）為6.13MeV硅（28Si）為1.78MeV鈣（40Ca）為3.75 MeV等,非彈性散射：快中子與元素的原子核碰撞，中子被核吸收形成復(fù)合核，中子以較低能量散射出來，核處于激發(fā)態(tài)，放出伽馬射線又回到基態(tài)。,由于各種核反應(yīng)所誘發(fā)的分布在不同的時間里，中子源又是可控的脈沖式的單色源，所以只要適當(dāng)?shù)夭捎门c中子脈沖同步的測量技術(shù)，就可以有效地把非彈性散射

61、?射線與其它反應(yīng)所產(chǎn)生的?射線區(qū)分開來。,在實際測井中是采用碳的三個峰（即4.43、3.92、3.41MeV）和氧的三個峰（即6.13、5.62、5.11 MeV）范圍內(nèi)即C窗與O窗所包含的γ射線總計數(shù)之比來評價產(chǎn)層的油水含量和有關(guān)地質(zhì)參數(shù)（圖），這就是為什么稱之“C/O能譜”測井的理由所在。由于采用比值法，也減少了非彈性散射之外的?射線的影響，同時克服了可控脈沖中子源產(chǎn)額不穩(wěn)對測井所帶來的影響；提高了區(qū)分產(chǎn)層油水關(guān)系的靈敏度。,在油桶

62、、水桶模型中所測得的C和O非彈性散射伽馬能譜,2、實際測量的參數(shù),隨著微處理機的發(fā)展，在C/O能譜測井儀器中已將多道脈沖幅度分析器置于井下儀器中，在井下對脈沖信號進(jìn)行數(shù)字化處理，使數(shù)字信號通過電纜運輸?shù)降孛鎯x器，克服了因用電纜傳輸脈沖信號造成脈沖失真與丟失，提高了計數(shù)率和信噪比，從而提高了能譜測井的質(zhì)量。我國引進(jìn)西方阿特拉斯公司的C/O能譜測井儀已作了上述的改進(jìn)。,斯侖貝謝公司使用次生伽馬能譜測井儀（GST）不僅具有高計數(shù)率傳輸；還可進(jìn)

63、行多參數(shù)分析，可直接輸出C/O、Si/(Si＋Ca)、H/(Si＋Ca)、Cl/H、Fe/(Si＋Ca)、S/(Si＋Ca)等多種能譜計數(shù)比，能評價碳、樣、硅、鈣、氫、鐵、氯、硫等8種元素含量。這是C/O能譜測井儀的擴展。近兩年該公司又將GST發(fā)展過油管測井儀器（RST剩余油飽和度測井儀）。,3、C/O碳氧比測井資料解釋,C/O能譜測井資料解釋主要是求含油飽和度So，其解釋模型是建立在單位體積地層為油和巖石骨架中碳原子數(shù)目與水和巖石骨架

64、中氧原子的數(shù)目之比，即碳、氧原子密度之比。 這個比值與So、Ф有一定的關(guān)系。但在實際解釋中是用模型井得出的公式。式中（C/O）w――水層中C/O； （C/O）o――油層中C/O；（C/O）log――目的層測得的C/O；,,（一）中子壽命測井原理,二、中子壽命測井,中子壽命測井（NLL）又叫熱中子衰減時間測井（TDT）。它也是一種脈沖中子測井方法，是適應(yīng)高地層水礦化度的地質(zhì)條件。中子壽命測井能在

65、裸眼或套管井中進(jìn)行測井，從而求得剩余油飽和度和殘余油飽和度；估計孔隙度。,中子壽命測井是靠14MeV的脈沖快中子向地層發(fā)射中子流，在地層中進(jìn)行非彈性散射、彈性散射，經(jīng)過一段時間變成能量僅為0.025eV熱中子，熱中子由密度大的地方向密度小的地方擴散，再經(jīng)過一段時間（約幾十～幾百微妙）大部分（約63.7％）被巖石所吸收（俘獲）。測井中把熱中子從產(chǎn)生到被俘獲這一時間稱之“熱中子壽命”，用符號τ表示。τ值的大小與地層中巖石及流體的元素成分有關(guān)

66、，因而根據(jù)中子壽命可以了解地層的性質(zhì)，定量求有關(guān)參數(shù)。,式中：v為熱中子在介質(zhì)中的擴散平均速度。,衡量地層“俘獲”能力的大小，使用微觀俘獲截面σ（一個原子核俘獲熱中子的幾率）和宏觀俘獲截面Σ（一個熱中子在1cm3介質(zhì)中被俘獲的幾率），兩者關(guān)系為Σ＝N σ（式中N為1cm3介質(zhì)的原子核數(shù)目）。它們與中子壽命τ的關(guān)系為：,在實際測井中，并不是直接測量與τ有關(guān)的熱中子密度，而是測量與熱中子密度成正比的俘獲伽馬射線計數(shù)率N。使用電子技術(shù)形成門

67、Ⅰ、門Ⅱ、門Ⅲ(本底)，可測量門Ⅰ、門Ⅱ時間內(nèi)的俘獲伽馬計數(shù)率N1、N2。它們與τ、∑關(guān)系為：,,式中：ΔT＝t2－t1，t1 、t2分別為門Ⅰ、門Ⅱ開始的時刻。,,或,測量原理示意圖,由中子壽命測井原理可知：中子壽命測井儀器須具備以下3個功能：1.發(fā)射脈沖快中子；2.接收俘獲?射線；3.測得宏觀俘獲截面或中子壽命值。,（二 ）中子壽命測井解釋,泥巖砂巖泥巖,,,,1.中子壽命測井資料的定性解釋,(1)劃分巖性和滲透層如

68、圖所示： 泥巖段：Ⅰ、Ⅱ道門計數(shù)率為低值，兩者基本重合或幅度差較小，本底計數(shù)為高值。在滲透性好的砂巖段：Ⅰ、Ⅱ道門計數(shù)率較高，曲線幅度差較大，GR為低值。,(2)定性判斷油水層 參考圖，當(dāng)?shù)貙铀V化度較高時，由于水層氯含量比油、氣層高得多，故一般油層、氣層比巖性和孔隙度相同的鄰近水層的計數(shù)率更高、幅度差更大。,2）中子壽命測井資料的定量解釋 地層的宏觀俘獲截面是由組成地層的巖石骨架、膠結(jié)