氧活化教材分析.docx

1、氧活化教材分析第一节 历史回顾用中子活化井眼周围原子核并测量衰变伽马射线的测井思想最早在1939年提出,60-70年代，研究中子活化测井的目的是测量地层中氧、硅、铝等元素的相对含量，想解决岩性、泥质含量和含水饱和度等问题。这期间许多作者提出了各种地层元素的活化测井方法，也开发出了使用脉冲中子源进行连续定量测量的仪器，但是由于各种原因，没有获得广泛认同。1979年，在SPE期刊JPT上发表了一篇文章，详细叙述了中子氧活化测量水流方法的理论推导过程和实验样机试验结果4。这项研究成果得出了两个重要结论，即水流与测量仪器的相对速度可以通过不同源距探测器计数率的比值来确定；水流与测量仪器的距离可以通过能

2、谱中不同能窗计数率比值确定。这就为中子氧活化水流测井奠定了基础，目前Atlas使用的两种水流测井方案5和Halliburton使用的一种水流测井方案就源自这项研究结果，Schlumberger公司也曾使用过这种测量方案。我公司引进俄罗斯布谷利马的仪器也使用该方案。1991年，Schlumberger公司的研究人员发明了另一种测量方案脉冲测量方案WFL。脉冲活化是一种新型氧活化技术，是示踪技术和中子活化技术的结合。脉冲中子氧活化不是测量多个探测器计数率的比值，而是通过测量时间谱，计算被活化的水流从中子源流到探测器的时间。后来，为了在多相流中应用这项技术，该公司的研究人员又开发了FVL，分别用可被

3、活化的水溶和油溶标记物来测量水流和油流速度。第二节 物理基础一、 中子的一般概念中子是组成原子核的基本粒子之一。它的静止质量是1.00866原子质量单位(一个原子质量单位等于C12原子质量的1/12，即等于1.6605310-27千克)。中子所带的电荷量小于电子电荷的10-18。因此，可以说，中子是不带电的中性粒子。因为中子不带电，所以当它射入物质时，它和原子核外的电子几乎不发生作用，故中子不需要克服库仑力的障碍，能量很低的中子也能很容易地进入原子核内部，引起各种核反应。能量较高的中子穿透能力更强，它们常常可以穿透套管和水泥环的阻挡而进入几十厘米深的地层中，与地层内各种元素的原子核发生核反应。

4、中子的这种宝贵特性，常常为人们所利用，氧活化测井和油田所有其它中子测井方法都是利用中子的这一特性。中子的核物理实验表明，中子的能量不同，与地层中各种元素的原子核发生反应的主要类型也不同。所以，在讨论中子与地层中各种元素的原子核发生反应之前，有必要知道中子的分类及能量。按其能量的高低可分为四类：1.慢中子（0E1Kev）2.中能中子（1KevE500Kev）这类中子同原子核的主要作用是弹性散射。3.快中子（500KevE10Mev）二、 中子的产生目前，碳氧比能谱测井中的中子是由脉冲中子发生器产生的。脉冲中子发生器的关键部件是中子管，产生中子的反应是氘-氚（D-T）反应，反应的公式如下： D+T

5、=+n+17.6Mev其中中子的能量是14Mev。三、 中子与地层的相互作用因为中子是不带电的中性粒子，所以，中子与地层的相互作用，都是中子与地层元素的原子核之间的作用。在作用过程中，由于中子能量和靶核质量各不相同，所以可以产生各种不同型式的核反应，与碳氧比测井有关的主要有以下几种型式：1.非弹性散射（n，n）能量为E的入射中子与靶核作用时，中子被靶核吸收形成复合核，然后中子在以较低的能量发射出来，靶核则仍留在激发态上，这种作用过程称为非弹性散射。用符号记作（n，n）。符号中的第一个n表示入射中子，n则表示散射后的中子。激发核一般又通过反射伽玛射线返回基态，我们把经过非弹性散射反应所放出的伽玛

6、射线称为非弹性散射伽玛射线。非弹性散射只有对快中子才是比较重要的作用方式。快中子的非弹性散射理论是碳氧比能谱测井方法最重要的理论基础。2.弹性散射（n，n）中子与靶核象两个小球一样作弹性碰撞，碰撞后中子损失部分能量，改变了原来的运动方向。中子损失的这部分能量都给了核，变成了核的动能，于是核向另一方向运动，称为反冲核，作用前后总动能不变，这种作用称为弹性散射。发生这种散射时，中子的能量一般都低于靶核的第一激发能级的能量，因此，反应后，反冲核不会处于激发态。弹性散射以符合（n，n）表示。第一个n表示入射中子，第二个n表示被散射后的中子。利用弹性散射可使中子的速度减低，将快中子变为慢中子。在碳氧比能

7、谱测井中，由中子源发射的14Mev的高能中子，在最初的极短时间内（约10-810-7秒），经过一、二次非弹性散射而损失掉大量的能量。此后，中子已没有足够的能量再发生非弹性散射，只能经过弹性散射来继续减速。弹性散射一般发生在14Mev中子进入地层后的10-610-8秒之间。3.辐射俘获（n， ）入射中子进入原子核，被靶核俘获，形成复合核，复合核比原来核多了一个中子，经常处于激发态，激发态回到基态时放出一个或几个伽玛光子，作用后中子不存在了，生成的核是靶核的另一种同位素。这种反应，称为辐射俘获，用符合记作（n， ）。在（n， ）反应中放出的伽玛射线，称为俘获伽玛射线。 如前所述，碳氧比能谱测井所依

8、据的基本理论是快中子非弹性散射理论，它所测量的主要伽玛射线是非弹性散射伽玛射线，所以，碳氧比能谱测井通常又被称为快中子非弹性散射伽玛能谱测井。另外，在传统碳氧比能谱测井理论中，有两种主要干扰因素。其一是：记录到的 射线能谱不纯是非弹性散射谱。因为快中子入射到地层后，经若干次非弹性散射后，能量大大降低，最后变为热中子，大量存在的热中子，将被地层中元素（如氢、硅、钙、铁等）俘获，元素俘获热中子也将发射 射线，其特征 射线能量范围很大，探测系统不能分辨哪些是非弹性散射 射线，哪些是俘获 射线，只能混着测。解决的办法是按一定周期脉冲发射快中子，在中子发射时间内，记录到非弹性散射 射线和俘获 射线的总谱

9、。在中子发射时间外，记录到的是纯俘获 射线谱（这里可以忽略中子活化等其它作用），把总谱减去一定比例的俘获谱认为是纯净的非弹谱。再由此谱计算出碳氧比值。显然，这是一种补偿办法。其二是：与快中子发生非弹性散射作用的介质并不都是地层的，如井眼流体、水泥环等。这些非地层介质对碳氧比测量也是有影响的。只要进行必要的环境校正,这些影响是可以减少到最低限度的。(D,T)反应加速器中子源能够发射出14MeV的快中子，高能中子辐照井眼周围和地层中的物质，可以发生弹性散射、非弹散射、转移反应等反应，还可以在中子能量逐渐降低后发生俘获辐射反应。通过(n,p)转移反应，可以活化O、Si、Al等核素，生成半衰期为秒至分

10、钟量级放射性核素。反应后，16O转化成16N(T1/2=7.13s)。 通过测量氧活化后发射的伽马射线可以探测到氧的存在： (1)能量超过10MeV的快中子被用来活化氧原子核以产生氮同位素。放射性氮同位素发生b 衰变，半衰期是7.13s。16N b 衰变之后发射高能g射线，其中主要是能量为6.13MeV的射线，占16N衰变的69%。16O(n,p)反应的阈能是10.2MeV，这对井内14MeV中子发生器来说是最合适的。由于能量高，6.13MeV的伽马射线可以穿透几十厘米厚的井眼物质，如井内流体、油管、套管、水泥等。第三节 测量模式及原理最早设计的中子活化测量方案立足于探测地层核素。水中含氧而烃

11、中不含氧，似乎氧活化测井对地层评价特别有意义。然而，主要岩石成分(SiO2、CaCO3和CaCO3 MgCO3)在重量上约含有一半的氧，井眼尺寸又是变化的，这些对测井结果的影响几乎全部掩盖了仪器对地层流体饱和度变化的响应。硅活化测井确实能提供更可靠和更有用的信息，能够区分碳酸盐和硅酸盐。但是，由于井眼效应很严重，要想区分硅浓度的微小变化是不可能的。地层氧活化测井和硅活化测井都依赖于测速和源距的优化，这两种核素活化后的半衰期较短，长寿命放射性产物的测量就可能需要更慢的测速和特长的源距。总之，由于受到技术水平的限制，使用中子活化方法测量地层参数的尝试最终以失败告终。一、连续测量模式确定水流与仪器间

12、的相对速度v: 如图1所示，除非水流速度特低，活化计数率是流速如下函数： 考虑使用两个探测器，可以推导出 图1活化后计数率与速度水流的关系拟合出的流速计算公式为 对连续测量模式而言，存在最佳测井速度问题。有两个因素对测井速度有影响：仪器与水流间相对速度越大，水流接受到的辐照越少；另一方面，相对速度越大，辐照和测量之间的间隔越短。所谓最佳测井速度，是指能使探测器计数率最高的仪器与水流间相对速度。优化的测速可以由下式计算： 不同源距的最佳测速不同，对3ft源距和活化水7.13s半衰期而言，最优化的测速(相对水流)约是17ft/min。二、脉冲测量模式美国石油学会和环保署曾共同组织人员评价哪种测井方

13、法适合于检测注入井的机械完整性，由于氧活化是一项特别针对水流的技术，它也在被评价之列。作为对这种应用兴趣的回应，Schlumberger改进了测量方法，开发出脉冲活化技术（WFL）。通过在感兴趣区实施一系列点测，可得到水流剖面。实际上，井眼、水泥环和地层中的不流动的氧也会被活化，因此连续测量方法需要在已知零流量层段对仪器进行刻度。后续测量的计数率减去零流量时测量到的氧活化计数率，得到流动氧产生的净计数率。由于实际流动氧计数率并不太高，因此刻度计数率的准确与否十分关键。另外，刻度层段必须与被测层段条件相匹配，包括油管、套管、水泥材料以及诸如岩性、孔隙度和含水饱和度等地层参数相匹配。脉冲活化是一种

14、新型氧活化技术，用于探测垂直水流和提供水流速度和流量的定量结果。活化时间是1-15s，后续测量时间是20-60s。若不存在水流，两个探测器测量到的活化伽马射线计数率应该随时间呈指数衰减。对于流动的水，由于活化时间很短，可以在探测器记录中呈现出来。流速可以从源距/时间计算出来。流动回路上的实验结果和理论预期结果吻合很好。测量到的时间谱包含本底、静态氧活化计数和流动氧活化计数三部分，可以用线性回归的方法解出三部分信号(见图2)。图2 TDT远探测器测量5-1/2in套管外7m/min水流若中子脉冲时间宽度为ta，活化水从中子源流到探测器的时间tm可以用下式求出 (12)式中f(t)是中子脉冲过后探

15、测器计数率随时间变化函数。这里假设了f(t)基本服从高斯分布，所以用(1-21)式第二项就可以求出活化水流时间谱中峰位对应的时间。若以L表示源距，水流速度为 脉冲中子氧活化技术与传统氧活化技术相比，主要优点在于不用寻找零流量层段进行刻度，因而可以更准确地判断是否存在管外窜流。新技术的一个主要特点是，直接测量计数率流动剖面，即在已知距离上测量流动时间。合理地选择源距以及活化时间之后，使用一个探测器就可以满足从2ft/min到140ft/min的较大的测量范围。利用活化总计数率，以及,对窜流位置的估计，还可以定性得到窜流流量9,10。继Schlumberger之后，Halliburton提出了一种

16、异曲同工的测量方案。他们让中子发生器持续地间断发射一段时间，在发射间歇记录活化计数率，然后突然完全停止发射中子，观测此后未被活化的水流到达探测器的时间。这种方案的优点是，由于经过了较长时间的活化，计数率相对较高，因而统计精度比较高，一般不必做多遍重复测量。第四节 各种测量方案的比较连续测量脉冲中子氧活化技术在1980年代逐渐成熟起来。从发表文献上看，Atlas应用得比较好。连续测量方案的好坏，直接反映在单位时间内中子发射的有效时间。如表1所示，使用中子寿命时序模式时，中子产额有效率最低，综合为10%左右，各家差异也较大，俄罗斯的则低达万分之一；C/O工作模式的中子效率在30%左右；在Halli

17、burton专门为连续测井设计的模式下，中子效率则高达45%。与脉冲测量相比，连续测量的优点在于：1) 在多水流条件下可以测量和提取出上下水流；2) 在较短时间内可以覆盖一段完整的垂向井段；3) 脉冲测量受窜流和热对流影响较大，这种方法测不到这种低速水流。表1 各种连续测量方案的比较公司名称方案名称中子时效伽马时效SchlumbergerTDT-DB / RST-CS15.0%08.2%AtlasPDK-10005.3%12.5%AtlasRPM-C/O38.0%05.0%HalliburtonRMT-C/O24.0%12.0%HalliburtonTMD-L06.4%12.0%Hallibu

18、rtonSpFL45.0%50.0%布谷利马NG-30.014%86.0%脉冲测量方案最早由Schlumberger公司在1990年代初提出，用于探测垂直水流和提供水流速度和流量的定量结果。流动回路实验结果和理论预期结果吻合很好，该方法的最大优点在于不用找零流量层刻度仪器。Halliburton使用的脉冲测量技术虽然有别于Schlumberger的技术，但也属于渡越时间法的一类。大庆测井公司和本公司的脉冲中子氧活化测井仪使用的就是Schlumbereger的方案。氧活化测量水流预计精度：目前收集到的材料中，Schlumberger对WFL给出测量精度为2ft/min，Halliburton对S

19、pFL给出的测量精度也是2ft/min。我们相信这两家仪器代表了当代仪器的最高水平。通过分析比较知，Halliburton的SpFL连续测量方案和Schlumberger的WFL脉冲测量方案是两种最佳方案，如果一支仪器能够分别实现这两种方案，则会相互补充、更加有效。第五节 脉冲中子氧活化测井仪一、脉冲中子氧活化测井原理氧活化测井是一种新的测量水流速度的测井方法。中子发生器发射14.1MeV快中子可以和水中的氧核发生如下反应： 而反应产生的16N要以7.13s的半衰期进行衰变,其反应式如下:图3 笼统井与上反井测井示意图 16N衰变发射出的射线能量不是单一的,但主要是6.13MeV和7.11Me

20、V两种能量的射线。通过对16N发射的射线进行探测，可以知道仪器周围16的分布情况，从而判断出仪器周围水的流动情况。根据源距和活化水通过探测器的时间决定流动速度。通过测量活化水通过探测器的时间，流动速度可由V=L/t决定，这里，L是源距，t是活化和探测之间的平均时间。通过流动速度可计算出流量。测井时，根据井下管柱及井下工具情况判断水流方向。当水流向下时，仪器中子源在上、探测器在下；当水流向上时，仪器探测器在上、中子源在下。如图3所示。二、仪 器 结 构脉冲中子氧活化测井仪包括中子发生器、探测器、信号采集及传输电路等3个功能单元。井下仪器将探测器采集的模拟信号转变为数字信号经电缆传送到地面接口板，

21、经计算机处理后实时显示测井数据并打印出图。1中子发生器该单元主要用来发射14.1MeV快中子，活化水中的氧核，发射频率为120秒，时序图如图4 。主要由中子管、高压电源、灯丝电流电路、阳极脉冲电路组成。电路框图如图5所示。图4 发射中子时序高压电源采用-90kV高压，当给井下仪供电时，启动中子管离子源和加热氘储存器，离子源内的氘分子被电离成带正电荷的氘离子，形成了阳极放电电流，待此电流稳定后，加靶压，即中子管靶极得到一负加速电压，在此电压作用下，由离子源所产生的部分氘离子被加速，轰击氚靶，发生氘氚反应，放出能量为14.1MeV单能快中子。图5 中子发生器电路框图图6 探测器电路方框图 2 3

22、4 5 7 1 6 地 图2-5 中子管结构示意图 注释：1、管壳 2、加速电极 3、靶极 4、阴极 5、阳极 6、磁场 7、氘存储器中子管是中子发生器的核心部件。按照各部分的功能，中子管由离子源、加速系统和靶极构成。这三部分密封在一个玻璃壳中，所以。这种中子管称为密封中子管（图2-5为中子管结构示意图）。中子管里的阳极、阴极、磁场及氘存储器构成了离子源。中子管工作时，以适当的电流加热钛丝，使氘存储器放出氘气。在阳极脉冲的作用下，由于自然放射性等原因形成的少量离子被加速后射向阴极，使阴极产生二次电子。同时，阳极脉冲使这些电子飞向阳极。由于磁场的存在，这些电子将以螺旋线轨迹运动，因而使电子运动路

23、程加长，增加了电子与氘分子碰撞使之电离的几率。氘离子聚集在阴极筒中。显然，由于阳极电压是脉冲型式的，所以离子源也是以脉冲方式工作的。 在中子管的轴线方向上，阴极筒上有一个引出孔。加速电极与靶极等电位。在加速电极所形成的电场作用下，氘离子被引出，并在加速空间里加速。加速电极对离子形成一个电透镜，氘离子进入加速电极筒后产生散焦，以便使氘离子束均匀地轰击到靶面上。当靶受到高速氘离子轰击时，便产生了氘氚反应，产生14Mev的高能快中子。2探测器电路探测器部分的主要作用是探测16N发射的6.13MeV的伽马射线，它主要包括探头部分（晶体和光电倍增管）、高压电源、信号采集处理电路三部分。探测核辐射的简单过

24、程是：当核辐射进入闪烁体时，使闪烁体中的原子受激，而后产生荧光。然后利用光导和光反射物质使大部分荧光光子被收集到光电倍增管的光阴极上，光子在光阴极上打出光电子，光电子在光电倍增管中倍增，最后倍增的电子束在阳极上产生电压脉冲，此脉冲被记录系统记录下来。光电倍增管由一个光阴极、多个打拿极和一个阳极组成。它是把光脉冲转变为电脉冲的元件。根据测量原理，我们采用三组NaI(Tl)晶体探测器探测伽马射线，它们到中子管的距离可调。每组探头输出的伽马脉冲被放大后，经比较和整形电路处理，形成方波信号分别进入传输电路。每一组探测器的电路框图见图6。图7 井下传输电路方框图3信号采集、传输及控制时序信号采集、传输及

25、控制时序部分要实现以下功能：（1）采集三个探测器经过氧能窗比较后的脉冲计数，并传输到地面；（2）由计算机实时显示三个探测器的时间谱，并记录时间谱数据；（3）向中子发生器提供发射中子同步控制信号。电路方框图如图7。三、技 术 指 标仪器外径：42mm；仪器耐温：125、耐压：60MPa；中子产额：1108n/s；可以测量双向水流速度；点测时，流量测量范围和精度：10-600 m3/d10%； 四、仪 器 刻 度在模拟井实验时，分二种情况模拟水流：（1）仪器中子源在上、探测器在下，测量5-1/2英寸套管内向下的水流。这相当于笼统正注。（2）仪器中子源在上、探测器在下。仪器置于2-1/2英寸油管内，

26、油管内水不流动。仪器测量油管和5-1/2英寸套管之间方向向下的水流。两种刻度实验的结果见图8a和图8b。在同一张图中对应相同流量的不同实验数据点是重复测量的结果，在模拟井动态刻度中，分别对10-600m3/d流量范围进行标定。实验数据如表2所示。实验数据显示，在20-400m3/d范围内，仪器测量流量和模拟井配比的实际流量相符，测量误差小。图8a 测量套管水流响应图8b 测量油套间水流响应表2 仪器对不同流量水流的响应情况序号实 配 水 流 量(m3/d)测 量 水 流 量(m3/d)相 对 误 差（%）110.011.010.0220.021.05.0330.029.71.0450.051.

27、32.65100.099.70.36200.0199.40.37300.0287.04.38400.0381.14.79500.0454.99.010600.0540.010.0五、测井工艺脉冲中子氧活化测井主要用于测量笼统正注井、笼统上返井和配注井。笼统正注井是套管中有油管，油管的喇叭口在要测量地层的上部的井，测井时仪器从油管中经过，从喇叭口下部开始测井。上返井是喇叭口在要测量地层的下部，注入的流体从喇叭口出来后经由油管和套管环形空间向上流动，进入地层。配注井在油管和套管之间安装了封隔器和水嘴，它可以控制向某个层段注入清水和驱油液增产原油。脉冲中子氧活化测井采用密闭测井工艺及点测测量方式。测

28、井时，根据井下管柱及井下工具情况判断水流方向。当水流向下时，仪器中子源在上、探测器在下；当水流向上时，仪器探测器在上、中子源在下。1.笼统注聚井的施工工艺及测井质量控制1）笼统注聚井的施工工艺（1）记录稳定注入量及压力，到总站停聚合物泵，防止泵的损坏。（2）关注水闸门和井口总闸门，安装井口防喷装置。（3）井口防喷装置与井口连接后，缓慢打开总闸门，下放仪器。（4）仪器下放到500m时，首先打开注水闸门 ，然后到总站打开注聚合物泵。（5）仪器下放过测量井段，压力恢复到关井压力后，根据测井项目要求采取测井。（6）替注水量达到设计值后，开始测量。（7）曲线测完后，将电缆起到距井口10m处停绞车，用人将

29、仪器拉到防喷管内，到总站关掉注聚合物泵，然后关掉主水闸门和总闸门，起出仪器。（8）安装上原井口装置，打开总闸门和注水闸门，然后到总站开注聚合物泵。2）测井质量控制（1）派专人监视井口总流量，并与通知单上的总注入量核对。（2）检查中子产额。如果中子产额低，测量15个时间谱，否则测量10个。（3）根据井下工具及管柱情况，判断水流方向，当水流向下时，仪器中子源在上、探测器在下；当水流向上时，仪器探测器在上、中子源在下。（4）测井过程中，首先测量总流量，仪器停在该井第一个储层上方5米位置测量、然后顺着水的流动进行下一个点测量，直到测量到零流量。如果有明显流量增加，必须重复测量来证实。（5）如为上返井则

30、在油管中测量总流量及个层吸入量。2.配注井的施工工艺及测井质量控制1）配注井的施工工艺（1）记录稳定注入量及压力，关注水闸门、井口总闸门，安装井口防喷装置。（2）井口防喷装置与井口连接后，缓慢打开总闸门，下放仪器。（3）打开井口注水闸门，观察注入量与关井前一致。（4）替注水量达到设计值后，下放仪器至封隔器上5m，开始测量。（5）测完曲线后，将电缆起到距井口10m处停绞车，用人将仪器拉到防喷管内。（6）确认仪器在防喷管内，关闭注水闸门和井口总闸门，起出仪器。（7）安装上原井口装置，打开总闸门和注水闸门。2）测井质量控制配注井先测下水流后测上水流。（1）总流量：仪器停在该井第一个封隔器上方5米位置

31、测量。（2）水嘴进液量：仪器依次停在水嘴上部的封隔器与水嘴之间及是水嘴与水嘴下部的封隔器之间进行测量，两个流量差为水嘴进液量。源和选择的探头（当前选用的探头）要尽量避开封隔器和水嘴。（3）源和探头均在泥岩层内，空间不够时让探头尽量接近下一个目的层的上界。（4）根据管住情况判断下水流的储层，从上至下顺着水的流动进行测量，直到测量到零流量。如果有明显流量增加，必须重复测量来证实。源和探头要尽量避开油管节箍。（5）根据管住情况判断上水流的储层，从下至上顺着水的流动进行测量，直到测量到零流量。如果有明显流量增加，必须重复测量来证实。源和探头要尽量避开油管节箍。六、实 际 应 用 效 果脉冲中子氧活化测井仪自2001年投入生产以来，共测井五十多口，在实际应用中，该仪器解决了上返注入井和配注井的聚合物注入剖面测井问题，同时还在注入井的找窜找漏方面，取得了较好的效果，