第26卷第1期核電子學與探測技術Vol 26 No I2006年1月Nuclear Electronics Detection TechnologyJan.2006中子測井與天然氣探測技術秦緒英·2,肖立志,張元中(1.石油大學北京1022002.中石化石勘院南京石油物探研究所江蘇南京210014)摘要:簡單介紹了中子測量與地層含氫指數及地層孔隙度的關系介紹了地層含氣對中子測量的影響以及泥漿侵入對中子在含氣地層響應特征的影響。分析了中子測井儀器長短源距探測器受泥漿便入影響的差異,給出了通過對中子儀器長短源距計數率校正消除泥漿侵入影響的方法通過實際資料驗證,取得了比較好的結果關鍵詞:含氫指數;中子測量;天然氣;泥漿侵人校正中圍分類號:P618.130.2文獻標識碼:A文章編號:02580934(2006)01-00905由快中子源發(fā)射出的高能中子,在發(fā)射后△E2A(3)的極短時間內經過一二次非彈性碰撞損失掉大量的能量之后,只能經彈性散射而繼續(xù)減速每當中子與氫核碰撞時,每次碰撞平均會減次彈性碰撞后快中子損失的能量與靶核的質少一半的能量,而與碳核碰撞時,每次碰撞平均量數A、入射中子的初始能量E以及散射角0只損失14%的能量。靶核的質量數越大對快有關。當為180時,即發(fā)生正碰撞,中子損失中子的減速能力越差,而氫核的A最小,對快的能量最大,一次彈性碰撞中子可能的最大能中子的減速能力最強這決定了氫是所有元素中最強的中子減速劑,這是中子測井能有效量損失為;解決地層含氫量以及與此有關的地質問題的科Emx={1-[(A-1)/(A+1)]E學基礎。(1)中子源發(fā)射出的高能快中子減速到熱中子令a=[(A-1)/(A+1)]2,得到所需要的時間及所移動的距離是由巖石的宏觀△Emx=(1-a)E(2)減速能力決定的巖石是由多種元素組成的,其對氫核來說,質量數A=1,因而有,△Emx宏觀減速能力主要由含氫量來決定,水是地層E。這就是說中子與氫核發(fā)生正碰撞時,中中中子減速能力最強的物質,由其他輕元素組子就失去其全部動能,對碳核來說,質量數A=成的物質減速能力比水小1~2個數量級,由重12因而有a=0.716,因而中子與碳核發(fā)生正元素組成的物質宏觀減速能力更差。所以可碰撞時,中子可能失去的最大能量是0.284E近似地認為地層巖石的減速能力等于地層孔隙經過數學計算,中子在每次彈性碰撞時平均的中水或原油的減速能力(假設地層骨架中不含能量損失為:氫)。M凵中國煤化工質中形成的超熱中CNMHG的條件下與源距收稿日期:200506-09r的關系為作者簡介:秦緒英(1962—),男教授級高級工程師石油大學北京)博士生,從事測井技術研究工作9 4D,r(4)從此式可以看出,超熱中子注量率只和地=1.0637kg/m3,而石油的含氫指數為1.28Pm,層的減速性質有關而不受吸收性質的影響,可如果石油的密度為0.85g/cm3,則石油的含氫以很好地反映地層的含氫量,能準確地測定油指數為1.09,天然氣的含氫指數比水或油低2層或水層的孔隙度。據此形成了以探測氫元素個數量級?？梢娞烊粴庖鸬闹凶訙y量異常為基礎的地層孔隙度測量方法,所以中子測井分明顯,這是根據中子測量識別評價天然氣被認為屬于三孔隙度測井系列中的一種方法。儲層的物理基礎。實驗得到砂巖中子減速長度由于天然氣的含氫指數特別低,當地層孔與孔隙度的關系見表1及圖1,可以得出結隙中含有天然氣時,根據中子測量方法計算的論:孔隙度的對數值與減速長度呈近似的線性地層孔隙度誤差相對比較大。根據此機理,將3關系。種孔隙度測井系列結合起來結合巖心資料,分表1砂巖中子減速長度與孔腺度的關系析中子測量值與其他方法確定的孔隙度值的差孔隙度/%3.010.01.14-2263.850水異來檢測、評價天然氣儲層,使得中子測井成為L517.815.513.711.510.59.17天然氣儲層識別、評價的一種有效方法。在應用中子測井識別、評價天然氣儲層過程中特別是現在進入儲層定量評價及產能定量計算階段,發(fā)現在某些情況下計數的數值同地層測試數據會有一些比較大的偏差,經研究發(fā)現這種偏差是由泥漿濾液侵入地層導致。本文根據中子測量儀器長短源距探測深度不同受圖1實驗測量數據泥漿侵入影響的程度不同這一原理,探討了中在裸眼井測井時,滲透性地層一般有泥漿子測量泥漿侵入的校正方法并用實際資料進侵人,可以認為中子儀器短源距探測器主要受行了驗證。泥漿濾液影響為主,長源距探測器所受影響與1地層元素含氫指數及其影響泥漿侵人深度有關,所以泥漿侵入的影響不可忽略←0],特別是在利用中子測量方法對天然地層對快中子的減速能力主要取決于地層的含氫量,含氫量高的地層宏觀減速能力強減氣進行定量評價時。地層在不含天然氣時,經過刻度和其他因素影響校正,密度、聲波、中子速長度(Ls)小,假設地層骨架中不含氫,Ls反映孔隙度的大小,Ls越小孔隙度越大。為討論種孔隙度測井方法得到的地層孔隙度參數接近。當地層含有天然氣時,中子孔隙度參數偏方便,把淡水的含氫量定為1個單位,則1cm低,據此形成了中子測井識別評價天然氣的方的任何巖石或礦物中的氫核數與同體積淡水的氫核數的比值稱為該巖石或礦物的含氫指法在應用此方法的過程中,受到泥漿濾液侵人的干擾探索泥漿濾液侵入之前或未發(fā)生泥漿數2),用H表示。密度為p,分子量為M且每侵入條件下的天然氣與中子測量之間的函數關個分子中有z個氫核的單一分子組成的化合系是本文的技術核心之物的含氫指數為H=9x/M。鹽水的含氫指數為H=P(1-P),P為NaCl濃度(單位2中子測井與天然氣探測10-6)。液態(tài)烴的含氫指數與水接近,但是天然目前所用補償中子測井技術是用同位素中氣的氫濃度很低,因而當天然氣聚集在探測范子源在井眼中向地層發(fā)射快中子,在距離源距圍內的井眼附近時,中子測量所得到的含氫指不同的兩個觀測點上,用熱中子探測器測量經數會嚴重偏低。烴的含氫指數可以根據其組分過地層減速慢化并散射回井眼的熱中子,用兩和密度來計算。分子式為CHx(其分子量為12個洹汁斷寶計籲的比值測定地層的孔+X)密度為A的烴含氫指數為:中國煤化工熱中子注量率受H=[9x/(12+x)]ACNMHG距為n、n2的長、可以得出甲烷的含氫指數為2.25甲炊短兩個源距的探測器進行計數則熱中子注量般條件下(T=293.15K,P=101.325kPa)p率比為R=N=r2e-1n-/L般中子儀器在孔隙度為30%的灰?guī)r地N4(r2)層中進行刻度,設想淡水從井壁開始以SN()表示熱中子的計數率與熱中子的注100%侵入原始含氣飽和度S4=100%的地層量率成正比所以當源距n1n選定后,只與地研究表明長源距探測器的探測深度比短源距的層的減速長度(含氫量)有關,據此可以計算中要大,說明短源距受泥漿侵入的影響更徹底通子孔隙度值,一般關系是隨著R的增加,計算常泥漿侵入對中子測量有影響的徑向深度超不的孔隙度值(對數)在減小,見圖1(實驗數據)過65cm。長短源距注量率及其比值的J因子隨及圖2(實測數據),橫坐標為長短源距計數率侵入深度的關系,見文獻[1,2],根據文獻[6之比。9介紹的方法,計算出此地區(qū)一般泥漿侵入深度為30cm左右,得到長短源距比值J因子大約為0.2在含氣儲層有泥漿侵入發(fā)生時,利用以注量率比為基礎的中子測井方法進行天然氣探測時,測量結果受泥漿侵入的影響需要進行校正當侵入超過臨界界限值時,此影響自動消除對圖2某井1775~1990m井段實際測量數據特定的儀器而言,表征徑向探測特性的歸一化將天然氣的影響作為干擾因素進行校正,因子J,主要是泥漿侵入深度的函數,在有侵入或者是利用挖掘效應識別天然氣,本文方法的但又不是足夠深時,中子測量的計算結果(視孔核心是根據中子儀器長、短源距的探測深度不隙度)為同受泥漿侵入的影響不同這一原理,通過對計S(x)=Jk(x)%a+[1-Jx(x)]o(9數率的校正,消除泥漿侵入的影響,恢復天然氣9為無侵入時地層的視中子孔隙度;對中子測量的響應特征(天然氣富集使中子孔為無窮侵入時地層的視中子孔隙度;(x)為侵隙度明顯變小)再根據中子測量值及其他經過深度為x時地層的視中子孔隙度。從上式得校正或巖心刻度的孔隙度測井(經過環(huán)境校正到及巖心刻度的聲波測井或密度測井孔隙度),探測天然氣的存在。定義天然氣富集指數為90-1-JN(x[(x)一J(x)9]IA=f(9Ac+%-n)(7)(10)地層孔隙度是固定的,可以認為經過校正短源距探測器經過適當校正后可以得到無或巖心刻度的孔隙度測井與中子孔隙度的差是窮侵入時地層的視中子孔隙度,并根據一對同天然氣存在對中子測量的影響經過刻度可以時測量的探測深度不同的測井方法(深、淺側進一步定量評價天然氣的富集。向)計算出侵入深度x,則原狀氣層的視中子孔3泥漿侵入校正隙度可以計算出來2。圖3為根據本文介紹的方法對圖2數據進一般天然氣富集地層滲透性比較好,泥漿行處理得到的結果。圖4為處理前后數據對比濾液侵入地層是不可避免的泥漿濾液侵入氣圖,在圖4中,第1道CLL為長源距計數率,層,增加了井眼附近區(qū)域氫元素的密度,對長、CNS為短源距計數率;第2道NPHI、PORN分短源距探測器的計數率產生不同的影響侵入別為校正前后中子孔隙度值;第3道AC、DEN深度不同,影響的差別很大013.為了研究侵分別為聲波、密度測井值;第4道RNEU為長入深度對長短源距的注量率及其比值的影響,短源距計數率之比;第5道為兩條井徑值。定義中子測井的徑向幾何因子為:4天V凵中國煤化工J=(乎-9)/(%-%)CNMHG9為無侵入時的注量率或其比值;%為侵本頭例日郭水多斯益吧,該地區(qū)一般為入深度為x時的注量率或其比值;9為侵入深欠壓地層,盡管泥漿密度比較低,泥漿濾液侵入度超過中子探測范圍時的注量率或其比值。地層的現象還是十分普遍的。在該地區(qū)利用中11從圖5數據點的分布整體趨勢可以看出經過測試驗證為高產氣層的層位,其中子測量值比較高,對應的孔隙度值相對也大,出現這種現象,說明該地區(qū)中子測量結果受泥漿侵人影響比較嚴重,依據這樣的測井資料進行天然氣識別評價有一定的困難?！魷y井解釋圖3根據本文介紹的方法,對圖2數據L測試2進行處理得到本圖數據結果10152025圖5測井解釋的氣層及經過測試的高低產氣層中子測量值(CNL)與孔隙度(POR)交會圖測井解釋圖6針對圖5的數據,對測試為高產氣層的中子測量值進行校正后的結果5結論圖4原始測量數據及校正后的數據對比與圖2為同一并段數據由于含氫指數的差異,井眼周圍地層中含子測井進行天然氣大量識別、評價的過程中遇有天然氣使中子測井反映的地層孔隙度偏低到麻煩。在經過測試的高產氣層及一般氣層地在利用中子測井與其他孔隙度測井的差異評價層中,中子測量值的差別不大,見圖5。沒有體地層的含氣性時,中子測量又受到泥漿濾液侵現出天然氣對中子測井的響應特征,中子測量的影響,泥漿濾液侵入加大了含氣地層的中值分布散亂,甚至出現測試高產氣層對應高中子測量值。子測量值的現象,這是典型的泥漿侵入特征根利用中子測井儀器長短源距探測器受泥據這樣的測量結果是很難做出對地層進行測試漿侵入的影響不同這一原理,通過對長短源距的結論。對高產氣層的中子測量數據進行校正探測器中子測量計數率的校正可以消除泥漿侵后的結果見圖6,根據這樣的測量結果是可以對中子在含氣地層測量響應的影響,恢復含做出對地層進行測試結論的氣地層中子測井的響應特征圖5橫坐標是孔隙度值,縱坐標是中子測實際資料證明本文所介紹的方法有效。量值,三種符號分別是對應測并解釋層位的中子測量值與經過測試的層位的中子測量值,產參考文獻:氣量為3.638、2.3067、1.8296、7.0296、2.996[1]黃隆基核測井原理M]北京:石油大學出版社(萬m/d)等7個測試層段的數據在交會圖上中國煤化工按“測試1”進行標示將產量為1.8萬m/d)以2黃補償中子測井響下的層段用“測試2”進行標示,測試層段也是應CNMHG測井解釋的氣層。對高產層位的數據經過校正3]魏凱豐,等.天然氣流量計量中氣體密度的計算得到圖6的結果。哈爾濱理工大學學報,2004,9(3);53[4]胡忠.等中子測井源距選擇數值模擬研究[]江影方數據漢石油學院學報,2003,25(s1)研究[J].天然氣工業(yè),2004,24(5):68[5]吳文圣.中子Y測井儀的中子屏蔽研充[J]核電[10]Walls 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By studying the different effects of mud filtrate invasion to far receiver andshort receiver of neutron logging tools, the methods for mud filtrate invasion correcting to neutron logging have been developed, and good result has been given.Key words: hydrogen index; neutron logging; naturai gas correcting for mud filtrate invasion(上接第4頁, Continued from page4)[2]周佩珍,等,核軍備控制核查中的衛(wèi)星監(jiān)測技術[5廖國男(美)(周詩健等譯)大氣輻射導論[M],北[C]/全國第四屆核監(jiān)測學術會議論文選集[C]京:氣象出版社,1985,21~25199928.[6]賴祖武電磁干擾防護與電磁萊容[M]北京:原子[3]高能物理研究所宇宙線室,等.宇宙線物理學物理能出版社,1993,,184.學手冊(下冊)9分冊,北京:科學出版社,198[7]泰貫榮,等理科最新常用數據手冊[M]西安:陜[4]HT.古雪夫主(華明川,等譯).電離輻射防護輻西人民出版社,1983.,265~268射防護物理基礎(第一卷),[M].1993,北京:原子[8]張仲山等.Y射線暴對衛(wèi)星探測空間核爆的影響能出版社,184.J].防化研究,2001,(3):59Some consideration on detection of instantaneous radiationof nuclear burst from satellitZHANG Zhong-shan, GENG Xiao-bingInstitute of Chemical Defense, Beijing 102205, China)Abstract Feasibility of detecting instantaneous ionizing radiation of nuclear burst from satellite is ana-lyzed researched. The total-attenuation coefficient inmission nf earlv nuclear radiation(consist of X, y rays &neutron)from burst-point to synck中國煤化工d roughlyKey words: instataneous radiation of nuclear burst; detecCNMH Satellite: near-theearth nuclear burst; space nuclear burst near-Earth; unidirectional-plane-narrow beam mean-range; radiation-thickness total attenuation coefficient in vertical-transmission