第七章脉冲中子能谱测井分解.doc

第七章 脉冲中子能谱测井 由脉冲中子发生器产生的高能中子进入地层后，与地层中的原子核发生非弹性散射、弹性散射、辐射俘获等核反应，产生超热中子、热中子和各种次生γ射线。脉冲中子能谱测井就是通过测量和分析这些射线场的时间和空间分布，来确定地层的岩性、孔隙度、流体饱和度及油田开发动态测试。 通常有两种脉冲中子能谱测井方法可以完成过套管进行储层评价和饱和度监测。一种是测量热中子衰减时间，即中子寿命测井。一种是测量非弹性散射γ能谱来确定地层中C和O的相对含量，即C/O能谱测井。其中，C/O测井方法的研究始于20世纪50年代，十多年后，出现了第一代C/O测井仪器（Tittman，Nelligan，Culver等人），但此时所用的中子源不是脉冲中子源。20世纪60年代首先出现了脉冲中子寿命测井仪（Youmans等人），并应用于石油行业。1970年，由Culver等人把中子寿命测井仪器的脉冲中子发射系统应用于C/O仪器，并成功投入现场实践。在这以后，由于生产上的需要，脉冲中子测井技术进入了快速发展期。各大石油公司都相继推出了各自的脉冲中子测井仪器。哈里伯顿公司1982年推出了多门热中子衰减时间测井仪TMD（直径43mm）。1990年推出大直径的脉冲能谱γ测井仪PSGT，采用先进探头设计和资料处理，使得C/O仪器在较大的孔隙度范围内及不同的井眼条件下能取得准确的含油饱和度。1994年推出的TMDL是在原有TMD技术的基础上，增加了远程探测器进行能谱测量的能力，这些能谱数据能够提供岩性信息，其本底测量的数据可用于氧活化水流速度测量。但是，中子寿命测井只有在高化度环境才能取得很好的结果，当低矿化度地层或未知地层矿化度的情况下，中子寿命测井资料无法进行解释；而这时C/O能谱测井却能取得可靠的结果。如果把这两种脉冲中子能谱测井方法相结合，将会取得很好的效果，还可以获得一些其它方面的有用信息。另一方面，为了满足大直径仪器测井施工的要求，通常需要关井和拔出生产油管，这限制了大直径脉冲中子仪器的应用。于是，哈里伯顿公司1998年推出的新型脉冲中子能谱测井仪器RMT。这种新型仪器是以C/O能谱测井仪PSGT为基础，结合中子寿命测井方法TMDL，并兼顾过油管测量的需求，是一种小直径、多功能的油藏监测仪器。该仪器除了提供大直径脉冲中子能谱测井仪所能提供的所有信息外，还可以提供一种主要反映井眼流体类型的C/O测量值（指示井眼的持油率）。 第一节 脉冲中子能谱测井的物理基础 由脉冲中子发生器产生的14.1MeV的高能快中子射入地层后，首先与地层物质的原子核发生非弹性散射，这个过程几乎是立即发生的（大约是10-8~10-7s）。在受激发的原子核向基态跃迁时，发射非弹性散射γ射线。接着发生的过程是弹性散射。在地层中经过10-6~10-3s的弹性散射之后，几乎所有的快中子都被慢化成热中子，并不断地被周围的原子核俘获，释放出俘获γ射线。最后发出的是在活化反应过程中生成的活化核衰变而产生的活化γ射线。图7-1是快中子轰击原子核时产生γ射线的时间框架图。由于这三种γ射线之间有一定的时间延迟，因此，可以从时间上将这几种不同核反应过程中所产生的γ射线区分开来，这就有了不同的脉冲中子能谱测井方法。 图7-1 快中子诱发γ射线的时间框架图 一．非弹性散射 能量为14.1MeV的高能快中子进入地层，首先与地层中某些核素的原子核发生非弹性散射，快中子先被原子核（即靶核）吸收形成复核，而后放出一个能量较低的中子。部分中子的能量转变成原子核的激发能，使靶核处于激发态，即处于较高能级。激发态的是不稳定的，在很短的时间内发出一个或几个光子，并释放出多余的能量而回到基态。这个作用过程的前后系统的总动能不守恒，故称为非弹性散射，在此过程中发出的γ射线称为非弹性γ射线。在中子发射后的10-8~10-7s时间间隔内，非弹性散射是中子损失能量的主要方式。可以认为非弹性散射和由此产生的γ射线是在中子发射的同时进行的。当中子发射停止，该过程立即终止。其它作用过程是在中子发射停止以后的时间内发生的，利用这一特点，可以把非弹性散射γ射线与其它过程中产生的γ射线区分开来。 碳氧比能谱测井方法就是利用地层中不同核素的快中子反应截面及诱发的γ射线能量不同的原理，通过探测器记录非弹性散射γ射线能谱，处理并分析γ射线能谱，计算、、和等核素的产额，进而确定储层流体饱和度等参数。图7-2是哈里伯顿公司用BGO晶体在10in井眼，7in套管井中测得的非弹性散射能谱，地层分别是孔隙度为36%的饱含油砂岩，孔隙度为35%的盐水砂岩，孔隙度为26%的淡水石灰岩。图中上面一组曲线是对下面曲线进行5倍放大后所得的的结果。 二．弹性散射 高能中子经过若干次非弹性碰撞，中子损失能量，当中子能量不足