1、主讲教师：吴 丰 单 位 ：资源与环境学院,石油工程测井,二零一二年十二月,1.划分岩性,2.计算地层的孔隙度,3.计算次生孔隙度,4.孔隙度曲线重叠法 识别气层,密度测井的用途,5.人工合成地震记录,岩性密度测井的用途,划分岩性。不同岩石的Pe、U值不同，存在明显差别，而且 Pe 、U受孔隙度的影响小，所以根据Pe 、U值可划分岩性。,如果岩石骨架由两种或三种矿物成分组成，可用Pe，U，b值来确定矿物组成含量。,求泥质含量。,识别地层中的重矿物。,中子测井也是一种核测井方法，它主要利用中子射线与地层的相互作用来划分储集层、确定地层孔隙度、识别流体性质（区分气层）。,1,2,3,放射源：中子流
2、,相互作用：与地层中的粒子,记录：伽马射线,用途：,中子测井可分为：,目前，主要用补偿中子测井和超热中子测井确定地层孔隙度。,中子伽马测井、中子热中子测井、超热中子测井等,中子的能量(En)：通常是指它的动能， En=1/2mV2,快中子 ：En 0.5MeV 中能中子：0.5MeV En 1KeV慢中子 ：En 1KeV,中子类测井是利用快中子轰击地层，测量经过减速而迁移到探测器并与探测器产生核反应的热中子或超热中子。,一、中子测井基础,1、中子,热中子：大约 0.010.025eV 超热中子：比热中子能量高的慢中子,一、中子测井基础,2、中子源,以某种方式给原子核提供能量，引起核反应，把中
3、子从原子核中释放出来的装置。,中子源发射中子的方式及其能量，决定了这些中子在地层中所能发生的核反应类型，从而也决定了中子测井的类型。,一、中子测井基础,2、中子源,连续中子源（核衰变产生轰击离子，然后，轰击其它元素产生中子）人不可控制,脉冲中子源（用氘轰击氚产生中子）人可控制,中子伽马测井,中子寿命测井,常用镅铍源,中子发生器,核 测 井,连续中子源：（人不可控制）利用放射性元素自发核衰变产生的轰击粒子给原子核提供能量来获得中子的装置称为连续中子源。连续中子源的反应速度不能人为控制，常用的如媚铍中子源：,一、中子测井基础,2、中子源,一、中子测井基础,2、中子源,脉冲中子源：（人可控制）给轰击
4、粒子加速去轰击靶从而产生中子的装置，特点是，可以控制，停止给轰击粒子加速，中子就不再产生，如氘氚中子源：,3、中子和物质的相互作用,一、中子测井基础,中子与地层的相互作用是中子测井的物理基础。中子源所发射中子的能量不同，中子与地层相互作用的行为不同。,3、中子和物质的相互作用,1）快中子非弹性散射阶段,放出伽马射线（次生伽马射线）,基态原子核,En大的快n,碰撞,激发态原子核（获得内能）,跃迁,n能量降低,碰撞后的中子,一、中子测井基础,2）快中子对原子核的活化,3、中子和物质的相互作用,一、中子测井基础,快中子除与原子核发生非弹性散射外，还能与地层中某些元素的原子核发生核反应，产生新的原子核
5、。中子的能量越高，反应的几率越大。由这些核反应产生的新原子核，有些是放射性核素，以一定的半衰期衰变，并发射或射线。这一过程中放出的伽马射线称为次生活化伽马射线。其中，分别以硅元素(Si)、铝元素(Al)的活化核反应为基础，产生了识别岩性的硅测井和铝测井。,3）快中子弹性散射阶段,快 n,n能量降低,原子核 （获得动能）,基态原子核,该过程的能量是守恒的,3、中子和物质的相互作用,一、中子测井基础,3）快中子弹性散射阶段,没有足够能量与地层发生非弹性散射或活化核反应的中子，只能经弹性散射继续减速。弹性散射阶段，快中子一次碰撞损失的能量与其初始能量和被碰原子核的质量数及散射角度等因素有关。,每次弹
6、性碰撞的平均能量损失：E=2AER/（1+A）2,A越小- E大， A越大- E小，元素周期表中，H的A最小，物质含H多，弹性散射时间短，减速能力强。,3、中子和物质的相互作用,一、中子测井基础,4）热中子扩散和俘获阶段（热中子从产生到被俘获的阶段）,快中子经过一系列的非弹性散射核弹性散射和弹性碰撞后，能量不断减弱。当中子的能量与组成地层的原子处于热平衡状态时，中子不再减速，处于这种能量的中子叫热中子。,3、中子和物质的相互作用,一、中子测井基础,热中子在地层中的运动称为扩散运动，即由密度高出向低处扩散。在扩散过程中，热中子若碰到原子核就会被原子核俘获，热中子消失，吸收热中子能量后的原子核将处
7、于激发状态。当处于激发状态的原子核退回到基态时，会放出伽马射线，热中子从产生到被俘获的过程称为热中子的扩散阶段。,4）热中子扩散和俘获阶段（热中子从产生到被俘获的阶段）,3、中子和物质的相互作用,一、中子测井基础,热n,激发态原子核（获得内能）,原子核俘获,放出伽马射线,回至,扩散时,热n消失,4）热中子扩散和俘获阶段（热中子从产生到被俘获的阶段）,3、中子和物质的相互作用,一、中子测井基础,5）中子的分类,按能量分级：,快中子,慢中子（超热中子、热中子）,中能中子,热中子探测器：含硼盖革计数管 闪烁计数器（晶体含硼、锂）,超热中子探测器：利用含氢介质减速，再用镉过滤器去掉热中子。,4、描述中
8、子与物质相互作用各阶段的物理量,1)减速长度Ls,2)扩散长度Ld,3)宏观俘获截面,Ls最短（减速能力最强）,含氢越多的物质，减速长度就越小，减速能力就越强。所有元素中氢(H)的减速能力最强。,物质对热中子俘获能力越强，扩散长度就越短。,岩石含氯(CL)量越高，岩石俘获截面越大，则俘获产生的中子伽马射线强度越大。,一、中子测井基础,沉积岩中氯元素的最大，地层含氯(CL)，地层的取决于含氯量。地层不含氯和其它较高的元素，氢（H）的相对较高，地层的在一定程度上反映含氢量。,3)宏观俘获截面,测井时，中子源随井下仪器放入钻孔中，由中子源放出的快中子经过一系列碰撞而减弱到热能状态，再经过一定距离的扩
9、散，最后被吸收。因此，中子在空间的分布是和物质的减速性质及吸收性质有关。中子-中子测井就是通过测量源附近中子分布状态来研究岩层减速性质或吸收性质的方法。由于氢对中子具有特别大的减速能力，所以岩石的减速性质主要由岩层中含氢量的多少决定。因而在不含结晶水的渗透性岩层中，岩层的减速性质主要和孔隙度有关。岩层的吸收性质主要由岩层中某些吸收能力特别强的元素所决定，例如氯、硼等。,中子测井原理：,中子测井原理：,中子源向地层发射快中子，快中子在地层中运动与地层物质的原子核发生各种作用，探测器将探测超热中子、热中子或次生伽马射线的强度，用来研究地层孔隙度、岩性以及孔隙流体性质等。,井下仪器的中子源发射出的快
10、中子进入地层，经过多次弹性散射将变为超热中子和热中子。,在快中子的减速过程中，氢是岩石对中子减速的决定因素，因此，含氢量的多少就直接决定了超热中子和热中子的空间分布。,二、超热中子测井(SNP，Sidewall Neutron Porosity Tool),测井原理：,超热中子测井的源距变化范围一般为3045cm，如斯仑贝谢的井壁中子测井仪的源距为42cm。SNP采用探测器和中子源贴靠井壁的方式侧量，可减小井眼的影响。,二、超热中子测井（SNP）,（一） 超热中子测井的基本原理（贴井壁测量）,SNP测井仪器图,二、超热中子测井SNP,（一） 超热中子测井的基本原理（贴井壁测量）,1、孔隙度与减
11、速长度间的关系,2、超热中子的空间分布,相同-不同元素组成不同岩性的岩层-减速长度不同,中100%含水- -地层的减速能力 -减速长度,不同、岩性不同-超热中子在中子源周围的分布不同。,研究表明，超热中子和热中子的计数率随源距（探测器与快中子源之间的距离）变化具有如下规律：,二、超热中子测井SNP,测井原理：,在快中子源附近，超热中子和热中子的计数率在含氢量高的地层中都比在含氢量低的地层中高；当与源之间的距离增加到某一临界值（Lo）时，含氢量不同的地层具有相同的超热中子和热中子计数率；之后，继续增大与源之间的距离，超热中子和热中子的通量在含氢量高的地层中都将比在含氢量低的地层中低。, -含H
12、-LS -超热中子在源附近分布 -,L源小，计数率低,L源大，计数率高,总结： 小源距：含氢量与记数率成正比 大源距：含氢量与记数率成反比,3、长、短、零源距与计数间的关系,零源距：计数率不随含H量的变化而变化。,长源距：大于零源距的源距。计数率与含H量成反比,短源距：小于零源距的源距。计数率与含H量成正比,（二）超热中子曲线的应用,1、确定岩层的孔隙度,2、交会图法确定岩性、孔隙度、骨架成分,3、中子-密度测井曲线重叠法确定岩性,4、估计油气密度,5、定性指示高孔隙度含气层,三、补偿中子测井CNL(Compensated Neutron Logging),1、补偿中子测井的原理 （探测热中子
13、密度）,补偿中子测井是一种热中子测井仪，具有一个中子源和两个探测器。CNL的长源距和短源距都采用正源距进行测量。一般长源距、短源距分别在5060cm、3540cm之间选择。,CNL通过长、短两源距探测器所测得的热中子计数率之比来减小地层俘获性能和消除井参数的影响，以较好地反映地层的含氢量。,三、补偿中子测井CNL,1、补偿中子测井的原理 （探测热中子密度）,1、补偿中子测井的原理 （探测热中子密度）,补偿中子的探测器测得的计数率送至地面仪，经过适当的模拟装置自动把计数率的比值转换为相应的含H指数，最终输出一条含氢指数曲线，也即常见的视石灰岩孔隙度曲线。,优点： 减小地层俘获性能的影响，补偿井参
14、数含氯量的影响。 利用两个不同源距探测器所测得的计数率之比来减小地层俘获性能的影响。,三、补偿中子测井CNL,含氢指数单位体积岩石和纯水的含氢量之比。,2、用途（与SNP相同）,如果地层含气，由于气的含氢指数非常小，会导致中子测井所测得的地层孔隙度低于地层真实孔隙度。这种现象称为“挖掘效应”，,补偿中子测井采用的是灰岩刻度： 灰岩CNL值为0 水是100。 通常情况下，泥岩束缚水含量比较高，所以补偿中子测井值为高值，通常都大于30%。 砂岩孔隙度高，补偿中子也较高，砂岩孔隙度越低，补偿中子也越低。 补偿中子测井对油层的反应不是很明显，但对于气层，由于挖掘效应的存在，补偿中子值会比实际孔隙度低，
15、地层含气量越大，补偿中子值越低。,超热中子测井和热中子测井资料,超热中子测井和热中子测井统称为中子孔隙度测井曲线，最终都输出一条含氢指数曲线或中子孔隙度曲线（或视石灰岩孔隙度曲线）。,超热中子测井和热中子测井资料,利用中子孔隙度测井资料可以定性确定岩性、识别气层，计算地层的孔隙度。由于地层含气会使中子孔隙度测井值偏低，密度测井得到的地层密度也偏低，但计算得到的密度孔隙度偏大。因此，将中子孔隙度与密度孔隙度重叠绘制，对油气层尤其敏感，此时，密度孔隙度会明显高于中子孔隙度。,超热中子测井和热中子测井资料,中子测井读数主要受地层中氢元素的影响，而当地层中不含泥质时，氢元素将主要存在于地层孔隙流体中，
16、因此，中子测井通过测量地层中氢的含量反映孔隙度的高低。,超热中子测井和热中子测井资料,但随着地层中泥质含量的增加，中子孔隙度测量值将逐渐增大；,当地层中含气时，超热中子测井、热中子测井测出的孔隙度都不能反映地层的实际孔隙度，其测量值将比实际的含氢指数还小，这种现象称为“挖掘效应”，此时必须进行相应的含气校正。,总结： 掌握中子测井的相关概念以及应用,特别：中子测井曲线对应气层有何显示，它如何与密度曲线配合识别气层？,四、中子伽马测井,四、中子伽马测井,热中子在地层内扩散的过程中，将不断被地层中的某些原子核俘获犷俘获热中子并从热中子获得能量的这些原子核将处于激发态，激发态的原子核在退激的过程中将
17、以伽马射线的方式释放出多余的能量。原子核俘获热中子并将多余能量以伽马射线方式释放出来的现象，测井中习惯上称之为中子伽马核反应，产生的伽马射线称为中子伽马射线。,（一）中子伽马测井原理,中子伽马测井值主要反映地层的含氢量，同时受到地层中含氯量的影响。,四、中子伽马测井,（一）中子伽马测井原理,同一地层被不同矿化度的地层水饱和时，在同一源距下，含高矿化度地层水时具有更高的伽马射线强度。,对比图中孔隙度分别为0、10和20的三个饱和相同地层水的含水纯砂岩地层的中子伽马射线强度（Jn）与源距（L）的关系曲线可知，中子伽马射线强度也具有临界源距的特征：当伽马射线探测器与源之间的距离（源距）小于临界源距时
18、，随地层孔隙度增加，伽马射线强度增加；当伽马射线探测器与源之间的距离（源距）大于临界源距时，随地层孔隙度增加，伽马射线强度减小。,中子伽马测井一般使用6065cm的源距。从图318可以看出，在这样的源距，随着地层含氢量增加，中子伽马射线强度值将逐渐减小。中子伽马测井的探测范围比超热中子、热中子测井的探测范围大。,四、中子伽马测井,（一）中子伽马测井原理,长源距计数：含H高-计数率低水层Jnr低值含H低-计数率高气层Jnr高值,气层：低中子(CNL)、高中子伽马(Jnr),20世纪70年代所测中子伽马曲线以计数率为单位，20世纪80年代后测得的中子伽马曲线一般都以条件单位记录。,中子伽马测井资料
19、不仅可以用于探井划分地层剖面、地层对比、识别气层、划分气水界面和油水界面，而且也是老井地质资料复查、动态监测的一项很重要的手段。,（二）中子伽马测井曲线,四、中子伽马测井,从图上可见，在相同孔隙度地层，由于含气层段的含氢量比含油、水层段的含氢量低得多，所以，气层的中子伽马测井显示高值。,（二）中子伽马测井曲线,P137,气水界面,当钻井液侵入较深时，中子伽马探测范围内的天然气可能被钻井液滤液全部驱出，导致气层特征在中子伽马测井曲线上反映不明显。在这种情况下，结合声波测井曲线在气层出现的“周波跳跃”现象能够更加准确地判定气层。,（二）中子伽马测井曲线,将声波、中子伽马测井曲线绘制在同一道中，在气
20、层声波、中子伽马测井曲线都将出现高值，当横坐标的增大方向相反时，在气层两条曲线会出现明显的分离。,中子寿命测井是一种特别适用于高矿化度地层水油田并且不受套管、油管限制的测井方法。它通过获得地层中热中子的寿命和宏观俘获截面来研究地层及孔隙流体性质，常用于套管井中划分油水层、计算地层剩余油饱和度、评价注水效率及油层水淹状况、研究水淹层封堵效果，为调整生产措施和二、三次采油提供重要依据，是油田开发中后期的主要测井方法之一。,五、中子寿命测井,Atlas公司：NLL（Neutron Lifetime Logging）,四、中子寿命测井,中子寿命测井仪：,Schlumberger公司：则称为热中子衰减时
21、间测井TDT（Thermal Delay Time Logging）,不同厂家仪器的测量原理相同。,中子寿命：是指从快中子变为热中子的瞬时起，到中子大部分（63.2）被岩石俘获止，热中子所经历的平均时间，一般用符号表示。,（一）中子寿命测井原理,在一般储集层中，的大小主要与含氯量有关。,1. 中子寿命,中子寿命（）与岩石的宏观俘获界面（）的关系为：,岩石的宏观俘获截面：指1cm3物质中所有原子核的微观俘获截面之和。,（一）中子寿命测井原理,在沉积岩中，除硼(B)以外，氯的微观俘获截面最大，岩石的宏观俘获截面主要取决于其中的氯含量，而地层中的氯元素一般以盐类离子的方式存在于地层水中。,岩石的微观
22、俘获截面：一个原子核俘获热中子的几率。,相同含水量条件下，随着地层水矿化度的增加，岩石的宏观俘获截面将逐渐增大，热中子的寿命将逐渐减小 。,（一）中子寿命测井原理,相同矿化度条件下，随着地层含水量的增加，岩石的宏观俘获截面将逐渐增大，热中子的寿命将逐渐减小；,当快中子变成热中子，热中子扩散过程中，地层内任意一点的热中子密度N可以表示为：,式中 N0初始热中子密度；N发射脉冲中子，经过T时间后地层内热中子的密度；地层内热中子的寿命。,（一）中子寿命测井原理,中子寿命测井在脉冲中子发射后的时间间歇内，选取两个适当的延迟时间T1、T2（称为T1门或门、T2门或门），分别在T1门、T2门内测量热中子被
23、俘获后释放出的俘获伽马射线，T1门、T2门的俘获伽马计数率分别为：,两式相比即得到：,（一）中子寿命测井原理,T1、T2是已知的，因此，中子寿命测井测量得到N1、N2后，由地面仪器可以计算得到热中子寿命或宏观俘获截面。,（一）中子寿命测井原理,中子寿命测井一次可输出两条计数率曲线和一条热中子寿命或地层宏观俘获截面曲线。,（二）中子寿命测井资料,门II,门I,俘获截面,?,宏观俘获截面基线 : 这是近几年为适应低矿化度油藏剩余油饱和度监测需要而逐渐发展成熟的硼中子寿命测井的输出曲线图。,宏观俘获截面基线,硼元素的俘获截面是氯元素俘获截面的22.5倍，且硼酸易溶于水不溶于油，因此，硼中子寿命测井的
24、原理就是用硼元素作为一种示踪剂。其基本过程为：首先测一条基线（即图320中的俘获截面基线），然后根据施工井的产层厚度、孔隙度、岩性、压力、温度等参数设计硼酸液浓度、注入量和注入压差，注完硼酸后再测量得到一条宏观俘获截面基线，利用两条曲线的幅度差就可以有效判断产层的含水状况和水淹程度。,（二）中子寿命测井资料,沉积岩石的宏观俘获截面主要取决于其中的氯含量。对储集层，岩石骨架和油的俘获截面都基本恒定，而地层水的俘获截面变化范围较大，为22.1120c.u.。在高矿化度的油藏中，地层水的等效NaCl浓度大，俘获截面值大，因此，用常规中子寿命测井就可以比较理想地划分出油水层；在低矿化度的油藏中，由于油
25、和淡水的俘获截面值相差不大，因此，常规中子寿命测井无法区分油水层，此时，可以借助注入硼等已知俘获截面的流体进入地层，进而通过不同状态下俘获截面的差异，达到区分油水层和水淹层的目的。,（二）中子寿命测井资料,注入硼酸前、后得到的2条俘获截面曲线可知：,（二）中子寿命测井资料,两次测得的俘获截面曲线之间发生了明显的分离现象。由此可以推断，该层段油藏发生了严重的水淹。图中的字母“G”表示强水淹。,1705.51709m油层段,17231726.6m油层段,孔隙度为的泥质地层的宏观俘获截面可以表示为：,当Vsh0时，有:,式中地层的宏观俘获截面，中子寿命测井值；地层岩石孔隙度；ma 岩石骨架的宏观俘获
26、截面；w地层水的宏观俘获截面；h油、气的宏观俘获截面。,（二）中子寿命测井资料,1.划分油气水层。（特征：水层大; 油层小；气层小）,（二）中子寿命测井资料用途,3.在高矿化度地层水条件下，求取地层含水饱和度Sw,2.研究油层水淹状况。 （特征：水层大; 油层小）,4.对采用HCl或含硼离子酸进行改造的地层，则可以采用中子寿命测井曲线检查储集层酸化效果。,碳氧比测井是一种重要的套管井测井方法。国外是从20世纪50年代初期开始研究，20世纪70年代初投入现场试验，我国20世纪80年代引进了Atlas等公司的碳氧比测井仪。国内大庆油田研制的仪器于1982年通过鉴定、投产应用。,六、碳氧比能谱测井(
27、C/O),碳氧比测井是利用脉冲中子源向地层发射能量为14MeV的高能快中子，分别测量地层中原子核与快种子发生非弹性散射时发出的伽马射线以及原子核俘获热中子时放出的伽马射线。,（一）碳氧比测井原理,不同原子核产生的非弹性散射伽马射线能量不同，因此，不同能量、不同强度的伽马光子反映了地层中不同核素的种类和浓度，通过选择测量快中子与地层中原子核发生非弹性散射而放出的伽马射线，就可以分析地层中各种元素及其含量。,（二）碳氧比测井资料,优点:是所计算的含油饱和度So、地层孔隙度势等参数受地层水矿化度影响很小。在套管井地层电阻率测量仪出现之前，它既克服了电阻率测井不能评价套管井中地层含油性的困难，又弥补了
28、中子寿命测井不能用于低矿化度地层水地区的不足。碳氧比测井的测速很低，仪器贵，只适用于中、高孔隙度地层的定量评价，这些都大大限制了它的大量应用。,碳氧比测井的探测深度较浅（约21.25cm)，故主要用于套管井测井，是套管井评价地层岩性、含油性和孔隙度、监测油层水淹状况的重要方法。,在岩性、物性基本相同的条件下，油层较水层或中、强水淹层碳氧比数值高，且碳氧比与硅钙比测井曲线均呈向增大方向变化的趋势；而中、强水淹层除了碳氧比数值降低之外，且呈碳氧比数值随硅钙比数值的增大而降低的变化趋势。,（二）碳氧比测井资料,（二）碳氧比测井资料,图为某井的C/O、Si/Ca测井曲线及解释结果，该井2号层为试油证实
29、的油层，1号层下半部为密闭取心资料证实的强水淹层，这两层突出地表现出上述测井曲线特征。,七、元素俘获测井ECS （Ele-mental Capture Spectroscopy）,元素俘获测井是斯伦贝谢公司研发的地球化学元素测井新技术，它的显著特点是不但可以确定粘土矿物含量及粘土矿物类型，而且还可以准确的给出地层中各种矿物的百分含量。,（一）元素俘获测井原理,ECS测井仪的前身是次生伽马能谱测井仪（GST）,ECS测井仪通过中子源向地层中发射4MeV的快中子，快中子与地层中元素发生非弹性散射，变为热中子后最终被俘获。由锗酸铋（BGO）晶体组成的探测器探测到伽马射线能谱，该谱主要由H、Cl、Si
30、、Ca、Fe、S、Ti、Gd等元素的谱组成。通过解谱和氧化物闭合模型得到地层中硅（Si）、钙（Ca）、铁（Fe）、硫（S）、钛（Ti）、钆（Gd）等化学元素的含量，利用这些元素与地层岩性之间的相关关系以及提供的岩石矿物含量，可以确定不同的岩性。,（二）元素俘获测井资料,榆31井山2段ECS测井处理成果图,2994.5米3002.5米常规自然伽马测井显示存在一厚达4m泥质夹层，常规测井解释砂岩4.5米。但该段取心为8米的石英砂岩，常规自然伽马测井解释岩性剖面与取心不符。但ECS测井处理结果显示，储层中硅质的含量在85%90%之间，解释为砂岩，与取心吻合很好。本区山西组一些井存在高自然伽马储层段，根据ECS测井可以识别砂岩中高自然伽马显示的层段是否是泥质夹层，在老井复查中起到重要指导作用。,
