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C原子质量的1/12，即等于1.66053×10千克)。中子所带的电荷量小于电子电荷的10。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。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（0 这类中子同原子核的主要作用是弹性散射。 3.快中子（500Kev 这类中子同原子核的主要作用是非弹性散射。 4.特快中子（E>10Mev） 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=α+n+17.6Mev 1 12 -27 -18 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10～10 -6 -8 -8 -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10～10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。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， 2 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钟量级放射性核素。反应后， 16 O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： 16,7.13sO(n,p)16N??????16O?? ?(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??衰变，半衰期是7.13s。16N ??衰变之后发射高能?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： C?e??L/v/v 考虑使用两个探测器，可以推导出 C1/C2?exp[?(LS2?LS1)/v] 拟合出的流速计算公式为 v?2.515/[ln(c1/c2)?0.0376] 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： vo?0.693Ls/T1/2 图1活化后计数率与速度水流的关系 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。 3 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)。 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 tm1?ta?[f(t)tdt]/[f(t)dt] 2???0?0(12) 式中f(t)是中子脉冲过后探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 vu?L/tm 图2 TDT远探测器测量5-1/2in套管外7m/min水流 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Halliburton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。 4 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SpFL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。 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 SchlumbergeTDT-DB / RST-CS 15.0% 08.2% r Atlas PDK-100 05.3% 12.5% Atlas RPM-C/O 38.0% 05.0% Halliburton RMT-C/O 24.0% 12.0% Halliburton TMD-L 06.4% 12.0% Halliburton SpFL 45.0% 50.0% NG-3 0.014% 86.0% 布谷利马 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： n?16O?16N?p 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: 16N?16O?? 16N衰变发射出的γ射线能量不是单一的,但主 要是6.13MeV和7.11MeV两种能量的γ射线。通过对 16N发射的γ射线进行探测，可以知道仪器周围16Ｏ的 油管套管分布情况，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。 源近中远传输电路远中近泥岩砂岩泥岩传输电路源图3 笼统井与上反井测井示意图 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，经计算机处理后实时显示测井数据并打印出图。 5
氧活化教材分析
