中子孔隙度测井汇总课件.ppt
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1、第3章 同位素中子源测井 放射性中子源放射性中子源 发射的中子能量只有几发射的中子能量只有几MeV,中子,中子与地层的相互作用过程为弹性散射、俘获辐射和与地层的相互作用过程为弹性散射、俘获辐射和热中子活化核反应。热中子活化核反应。 根据测量对象的不同,分为超热中子测井、热中根据测量对象的不同,分为超热中子测井、热中子测井和中子伽马测井;最早出现的是中子伽马子测井和中子伽马测井;最早出现的是中子伽马测井,先用盖革米勒计数管,后又出现闪烁体探测井,先用盖革米勒计数管,后又出现闪烁体探测器;随着中子探测器,尤其是测器;随着中子探测器,尤其是He-3计数管的应计数管的应用,超热中子和热中子测井问世。用
2、,超热中子和热中子测井问世。第3章 同位素中子源测井 一、中子与地层的作用及扩散理论 1、中子与地层物质原子核的作用、中子与地层物质原子核的作用 (1)弹性散射)弹性散射 中子与原子核发生碰撞后,系统的总动能不变,中子中子与原子核发生碰撞后,系统的总动能不变,中子所损失的能量全部转变为反冲核的动能,剩余核处于所损失的能量全部转变为反冲核的动能,剩余核处于基态基态 ; 中子通过弹性碰撞损失能量的过程,不会伴随伽马射中子通过弹性碰撞损失能量的过程,不会伴随伽马射线产生;线产生;第3章 同位素中子源测井 每次弹性碰撞快中子损失的能量与靶核的质量数每次弹性碰撞快中子损失的能量与靶核的质量数A,碰撞前中
3、子的能量及散射角有关;,碰撞前中子的能量及散射角有关; 氢核和中子弹性碰撞时损失的能量最大,氢是最氢核和中子弹性碰撞时损失的能量最大,氢是最好的中子减速剂。好的中子减速剂。 (2)辐射俘获核反应)辐射俘获核反应 靶核俘获一个热中子而变为激发态的核,然后复靶核俘获一个热中子而变为激发态的核,然后复核放出一个或几个光子,回到基态,这就是辐射核放出一个或几个光子,回到基态,这就是辐射俘获反应。俘获反应。 第3章 同位素中子源测井 氢俘获一个热中子后会放出能量为氢俘获一个热中子后会放出能量为2.23MeV的伽的伽马射线,微观截面为马射线,微观截面为0.332b; 氯原子核俘获热中子后放出的主要伽马射线
4、有:氯原子核俘获热中子后放出的主要伽马射线有:1.17、1.95、6.11、6.62和和 7.42MeV,在常见地层,在常见地层核素中俘获能力最强;核素中俘获能力最强; 硅俘获热中子放出的伽马射线:硅俘获热中子放出的伽马射线:3.54MeV和和4.93MeV; 钙俘获热中子放出的伽马射线有:钙俘获热中子放出的伽马射线有:1.94、4.42和和6.42MeV。第3章 同位素中子源测井 (3)活化反应)活化反应 快中子和热中子都能使原子核活化,使稳定核素快中子和热中子都能使原子核活化,使稳定核素转变为放射性核素,这些核素成为活化核按其固转变为放射性核素,这些核素成为活化核按其固有的半衰期进行衰变,
5、并释放出有的半衰期进行衰变,并释放出或或粒子,这种粒子,这种反应称为中子活化反应。反应称为中子活化反应。第3章 同位素中子源测井 2、含氢指数、含氢指数 地层对快中子的地层对快中子的减速能力减速能力主要决定于它的主要决定于它的含氢量含氢量。 在中子测井中,将淡水的含氢量规定为一个单位,在中子测井中,将淡水的含氢量规定为一个单位,而而1cm3任何岩石或矿物中的氢核数与同样体积的淡任何岩石或矿物中的氢核数与同样体积的淡水的氢核数的比值定义为它的含氢指数,用水的氢核数的比值定义为它的含氢指数,用H或者或者HI来表示,与单位体积中介质的氢核数成正比。来表示,与单位体积中介质的氢核数成正比。第3章 同位
6、素中子源测井 (1)含氢指数的表达公式)含氢指数的表达公式 对于化合物,其含氢原子核数目为:对于化合物,其含氢原子核数目为: 其中其中NA为阿伏伽德罗常数,为阿伏伽德罗常数,x为一个化合物分子为一个化合物分子中含有的氢原子数,中含有的氢原子数,为化合物的密度,为化合物的密度,M为化合为化合物的摩尔质量。物的摩尔质量。MxNNA)(MxNkHA第3章 同位素中子源测井 对于淡水,其含氢指数可以表示为:对于淡水,其含氢指数可以表示为: 则有则有 化合物的含氢指数为:化合物的含氢指数为:1911812)(AAAkNkNMxNkH9AkNMxH9第3章 同位素中子源测井 (2)原油和天然气的含氢指数)
7、原油和天然气的含氢指数 液态烃的含氢指数与淡水接近,而天然气(分子式液态烃的含氢指数与淡水接近,而天然气(分子式为)的氢浓度很低,并且随温度和压力而变化,为)的氢浓度很低,并且随温度和压力而变化, 含氢指数很小。含氢指数很小。 烃的分子式为烃的分子式为 ,其含氢指数可以写为:,其含氢指数可以写为:xxxnnxH129)12(9xnCH第3章 同位素中子源测井 甲烷(甲烷(CH4)的含氢指数为:的含氢指数为: 原油(原油(CH2)的含氢指数为:)的含氢指数为: 若原油密度为若原油密度为0.85g/cm3,含氢指数为,含氢指数为1.09;地层;地层条件下若天然气密度为条件下若天然气密度为0.2g/
8、cm3,含氢指数为,含氢指数为0.45。44425. 241249129CHCHCHxxHOOOxxH286. 121229129第3章 同位素中子源测井 (3)与有效孔隙度无关的含氢指数)与有效孔隙度无关的含氢指数 对于石膏,其分子式为对于石膏,其分子式为 ,密度为,密度为2.32g/cm3,则有,则有 泥质:主要包括束缚水、粘土矿物结晶水等,因泥质:主要包括束缚水、粘土矿物结晶水等,因此泥质具有很高的含氢指数,主要取决于泥质孔此泥质具有很高的含氢指数,主要取决于泥质孔隙体积和矿物成分,一般可达隙体积和矿物成分,一般可达0.150.3。OHCaSO24249. 03664324032. 24
9、99MxH第3章 同位素中子源测井 (4)与岩性有关的等效含氢指数)与岩性有关的等效含氢指数 对快中子减速其主要作用的是氢,但其他原子核也有对快中子减速其主要作用的是氢,但其他原子核也有减速作用。减速作用。 假设能量为假设能量为2MeV的中子要热化成热中子,选用不同的中子要热化成热中子,选用不同的减速剂所需要的热化碰撞次数相差很大,的减速剂所需要的热化碰撞次数相差很大,1H核:核:18.2, 12C核:核:114,16O核:核:150;而能量为;而能量为1MeV的的中子热化成热中子,中子热化成热中子,28Si核:核:244;40Ca核:核:340。 因此岩石骨架虽然不含氢,但具有等效的含氢指数
10、。因此岩石骨架虽然不含氢,但具有等效的含氢指数。第3章 同位素中子源测井 (5)孔隙性纯岩石地层的含氢指数)孔隙性纯岩石地层的含氢指数 孔隙度为孔隙度为、充满淡水的纯岩石含氢指数表达式为:、充满淡水的纯岩石含氢指数表达式为: 中子测井时测得的孔隙度实质上就是等效含氢指数;中子测井时测得的孔隙度实质上就是等效含氢指数;刻度条件:使饱含淡水石灰岩地层的含氢指数等于充刻度条件:使饱含淡水石灰岩地层的含氢指数等于充淡水孔隙度,则石灰岩地层淡水孔隙度,则石灰岩地层 其他岩性地层,需要进行岩性校正;只有岩性、孔隙其他岩性地层,需要进行岩性校正;只有岩性、孔隙流体、井眼条件与仪器刻度条件相同时含氢指数等于流
11、体、井眼条件与仪器刻度条件相同时含氢指数等于总孔隙度。总孔隙度。WmaHHH)1 (0maHH第3章 同位素中子源测井 (6)挖掘效应)挖掘效应 与饱含淡水的地层相比,地层含有天然气时,一与饱含淡水的地层相比,地层含有天然气时,一部分孔隙空间的水被气代替,不仅含氢指数减小,部分孔隙空间的水被气代替,不仅含氢指数减小,而且还会造成岩石对快中子的减速能力,即天然而且还会造成岩石对快中子的减速能力,即天然气使中子孔隙度减小的量比含氢指数减小的量还气使中子孔隙度减小的量比含氢指数减小的量还要小,相等于挖掘了一定体积的骨架,生成了一要小,相等于挖掘了一定体积的骨架,生成了一个负的含氢指数附加值,这一效应
12、称为挖掘效应。个负的含氢指数附加值,这一效应称为挖掘效应。第3章 同位素中子源测井中子能量中子能量/MeVH(g=1)C(=1.6)O(g=1)H2OD2O3.00.7250.86519.219.856.862.66.410.511.92.00.6030.70717.718.248.650.05.310.110.91.00.4630.5215.916.242.242.63.89.710.20.500.3750.41114.715.038.639.13.19.49.90.250.3280.35213.714.137.938.22.79.19.50.100.2930.30913.213.336.8
13、37.12.48.89.2中子能量从中子能量从E0变到变到1.44eV时相应的中子减速长度时相应的中子减速长度 第3章 同位素中子源测井 挖掘效应的大小与岩性、孔隙度、含水饱和度及天挖掘效应的大小与岩性、孔隙度、含水饱和度及天然气的含氢指数有关,天然气的含氢指数越小,气然气的含氢指数有关,天然气的含氢指数越小,气占的孔隙体积越大,挖掘效应的作用就越强。占的孔隙体积越大,挖掘效应的作用就越强。第3章 同位素中子源测井 3、扩散理论、扩散理论 (1)中子注量和中子注量率)中子注量和中子注量率 中子注量:在空间一定点上,在一段时间间隔内,中子注量:在空间一定点上,在一段时间间隔内,不论以任何方向射入
14、以该点为中心的小球体的中不论以任何方向射入以该点为中心的小球体的中子数目与该球体的最大截面积的比值定义为中子子数目与该球体的最大截面积的比值定义为中子注量,常用注量,常用表示,单位是表示,单位是n/cm2或或cm-2。第3章 同位素中子源测井 中子注量率:空间一定点上,单位时间内接收到的中子中子注量率:空间一定点上,单位时间内接收到的中子注量称为中子注量率,常用注量称为中子注量率,常用表示,单位为表示,单位为n/(cm2s) 或或(cm-2s-1),又称为中子通量。,又称为中子通量。 对于放射性核素中子源,设测量位置和源相距为对于放射性核素中子源,设测量位置和源相距为R,且,且R远大于源的尺寸
15、,则可以把中子源看成点源,由于其远大于源的尺寸,则可以把中子源看成点源,由于其放出的中子基本上是各向同性的,所以在放出的中子基本上是各向同性的,所以在R处的中子注处的中子注量率可按照下式计算:量率可按照下式计算: 式中:式中:Q是中子源的强度,即每秒钟放出的中子总数。是中子源的强度,即每秒钟放出的中子总数。24 RQ第3章 同位素中子源测井 (2)扩散方程)扩散方程 若介质的宏观俘获截面为若介质的宏观俘获截面为a,中子的通量为,中子的通量为,则,则每秒钟每立方厘米被吸收的中子数为每秒钟每立方厘米被吸收的中子数为a,满足平,满足平衡方程:衡方程: 除中子源所在的位置外,除中子源所在的位置外,S=
16、0,故有,故有0a2SD02222kdrdrdrdDka/2第3章 同位素中子源测井 根据边界条件,最终可以得到:根据边界条件,最终可以得到: 表示无限介质内每秒钟放出一个中子点源周围在表示无限介质内每秒钟放出一个中子点源周围在定态下的中子通量分布。定态下的中子通量分布。 定义扩散长度为定义扩散长度为L :kreDrr41)(aDkL/1/1LreDrr/41)(第3章 同位素中子源测井 (3)双组扩散理论)双组扩散理论 把中子减速过程分为两个阶段:快中子减速阶段把中子减速过程分为两个阶段:快中子减速阶段和热中子扩散阶段。和热中子扩散阶段。 快中子减速阶段快中子减速阶段 快中子的通量分布为快中
17、子的通量分布为 : D1为快中子扩散系数,为快中子扩散系数,L1为快中子减速长度。为快中子减速长度。LrerDr/1141)(第3章 同位素中子源测井 热中子的扩散阶段热中子的扩散阶段 慢化的快中子经过地层的进一步作用变成热中子,慢化的快中子经过地层的进一步作用变成热中子,热中子在扩散过程中又会被原子核吸收,因此热热中子在扩散过程中又会被原子核吸收,因此热中子的通量满足方程为:中子的通量满足方程为: 其解为其解为 :0112a2222aD)(41)(21/22212222LrLreeLLLrDr第3章 同位素中子源测井 4、中子伽马射线的空间分布、中子伽马射线的空间分布 热中子通量在地层中的分
18、布主要由地层的减速性热中子通量在地层中的分布主要由地层的减速性质(含氢量)决定,但发生热中子质(含氢量)决定,但发生热中子 反应放反应放出的中子伽马射线与氢及其它几种核素都有关。出的中子伽马射线与氢及其它几种核素都有关。 热中子分布的整个范围就是一个空间伽马源,其热中子分布的整个范围就是一个空间伽马源,其源强度是地层中的核素每俘获一个热中子平均产源强度是地层中的核素每俘获一个热中子平均产生的光子数生的光子数a、宏观俘获截面、宏观俘获截面和热中子通量和热中子通量的的乘积。乘积。 ),(n第3章 同位素中子源测井热中子分布热中子分布伽马分布伽马分布第3章 同位素中子源测井 二、超热中子测井井壁中子
19、孔隙度测井(SNP) 超热中子测井记录能量略高于热中子的中子,记超热中子测井记录能量略高于热中子的中子,记录超热中子仍采用热中子探测器,如录超热中子仍采用热中子探测器,如He-3管。管。 方法:探测器外加热中子吸收剂(镉)作屏蔽方法:探测器外加热中子吸收剂(镉)作屏蔽层层目的是用来吸收热中子;目的是用来吸收热中子; 屏蔽层与探测器之间加慢化剂(塑料,石蜡等屏蔽层与探测器之间加慢化剂(塑料,石蜡等高高H物质)物质)目的是使穿过屏蔽层的超热中子迅目的是使穿过屏蔽层的超热中子迅速变为热中子。速变为热中子。 第3章 同位素中子源测井 1、超热中子通量的空间分布、超热中子通量的空间分布 测井时分布于中子
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