碳氧比测井仪器原理及应用(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者:郭清生,罗正权,张爱娟

出版社:石油工业出版社

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碳氧比测井仪器原理及应用

碳氧比测井仪器原理及应用试读:

前言

本书是以笔者在1969年至2007年所取得的科研进展的基础上编写的,暗示了每个科研阶段核测井科研灵感产生的过程,展示了众多人百分之九十九的汗水,显示着一个团队坚韧不拔的毅力,伴随着大庆油田核测井事业的发展。编写本书的目的为:一、通过学习核测井的基本知识,培养核测井新人善于产生科研灵感、勇于创新的工作方法;二、学习核测井老团队不管道路如何曲折,为核测井奋斗一辈子始终如一的精神。

全书共分五章。第一章讲述核测井的基础知识。参考了郭余峰教授编写的《石油测井中核物理基础》、周介文教授编写的《放射性基础知识与放射性测井》、黄隆基教授编写的《放射性测井原理》。有些是段落摘抄,有些是根据自己理解编写。第二章讲述井下脉冲中子发生器。当初,最早接触的是西安石油仪器厂研究所提供的中子寿命脉冲中子发生器,因此西安仪器厂研究所的一些老同志是笔者的启蒙老师。在每个发展阶段,他们都给予了热情帮助。有些地方就是参考了他们的资料写成的。此外,东北师范大学原子核研究室的魏宝杰老师在自成靶中子管的研制和应用方面也给予了很大帮助。120kV高压电源是在北京原子能科学院高压电源基础上改进的。第三章介绍了核测井仪器的结构设计。讲述了笔者在每个核测井发展阶段,依靠实践产生科研灵感推动项目发展的过程,以及众多人付出的巨大努力。一个人只有溶于集体团队之中,才能有个人的创新。在地面与井下仪器数字化方面,北京核仪器厂、原子能科学院、北京航空航天大学通过项目合作,对核测井的发展都做出了很大贡献。第四章讲述核测井仪器井下几种伽马探测器。半导体探测器的基础知识笔者参考了吉林大学丁肇忠教授的讲课笔记。半导体探测器碳氧比测井资料是根据原子能科学院与地球物理研究所合作时的笔记整理写成。因笔者未参与该项目,也难免有不正确之处。在新探测器应用方面,始终得到吉林大学周介文等教授的帮助。有关光电倍增管的知识参考了厂家产品说明书,根据笔者的想法,说明如何应用。第五章给出了实验室内常用电子仪器小功率变压器的设计、估算公式,以及碳氧比测井人们比较关心的几种谱线、能段等,目的是为了给读者方便。对核测井的一些问题,谈了笔者的一些想法,目的是为了活跃学术气氛。

核测井方面的著作有《石油测井中的核物理基础》、《放射性测井原理》、《放射性基本知识与放射性测井》。这些著作重理论而实践较少,本书也算是对某些方面的实践吧。本书初稿成于2008年3月,其中最大的缺陷是未涉及地面仪器和井下仪器数字化问题,希望擅长于数字化测井的学者,特别是中青年碳氧比测井仪器和解释专家,能完善之。

本书参考了若干作者的著作或仪器说明书,在此一并表示衷心感谢。由于笔者精力、科研水平有限,书中存在的不足,敬请读者提出宝贵意见。2011年5月11日第一章 核测井基础知识

无论是现场利用核测井仪器进行测井的工作者,还是新核测井仪器研发者,譬如双向液流脉冲中子氧活化测井仪、双向四探测器中子—中子测井仪、双向地层饱和度测井仪(它是在中子管两端,一端放两个伽马射线探测器,测量碳氧比。另一端放两个氦三计数管,测量中子寿命),或是核测井曲线的解释工作者,掌握一些放射性基础知识都是十分必要的。掌握了这些基础知识,当研究新的测井方法、开发新的仪器时,就会选择放射源的类型、射线能量、射线强度,就能少走弯路或不走弯路,顺利完成生产和科研任务。第一节 中子源一、核衰变

放射性同位素的原子核自发地衰变,并放出放射性射线的性质称为放射性。在衰变过程中将放射出粒子,如α粒子、β粒子、γ射线,10这种现象称为核衰变。在1s内,有3.7×10次核衰变称为1Ci(居里)。例如:钋的原子核衰变:

原子序数为84以上的元素都有放射性。原子序数低于84的元素,只有某些元素具有自然放射性,如。

任何元素衰变时,它的数量按下述规律减少:

式中 N——放射性元素的原始含量;o

t——时间;

N——经过t时间后的放射性元素含量;

λ——衰变常数。

令放射性元素含量衰减一半,所需要的时间叫作半衰期T,即N 1=/N,t=T,代入式(1-1-1),经整理得:2o

显然,λ越大,半衰期越短,放射性元素衰减的越快。

λ的物理意义是1s原子核的衰变几率,不同种类的原子核的λ值是不同的。λ的倒数称为原子核的平均寿命,是指母体原子核在衰变前的平均生存时间,通常用τ表示。它与半衰变期T的关系如下式:二、核测井常用中子源

中子是由核反应产生的,在所有元素中除了氢的同位素之外,几乎全部原子核中都含有中子。当用α粒子、p质子、氘核、氚核及高能伽马量子轰击靶时,使靶生成激发态的复合核。如果激发能超过了复合核内的中子结合能时,中子就可以从原子核中分离出来,形成中子源。利用(α,n)核反应产生的中子源叫做放射性同位素中子源,即人工不可控中子源。

钋—铍中子源中,放射性同位素钋在衰变时放射出能量为5.3MeV的α粒子(),半衰期为138.3天,α粒子轰击()产生中子,核反应式如下:6

1Ci的钋—铍中子源每秒辐射出的中子数为2×10。中子能量分布在1~11MeV范围内,能谱主值位于3~5MeV。这种中子源的优点是–5伴生的伽马量子少,平均每放射出1个中子,伴生的伽马量子为10,因此对中子测量的读数干扰少;再者是价格便宜,缺点是半衰期短。

镅—铍中子源中,放射性同位素镅衰变时放出α粒子,去轰击铍产生中子。核反应式如下∶

镅—铍中子源的半衰期为433年,中子的能量分布在0.1~11.2MeV范围内,平均能量为5MeV。1Ci的镅—铍中子源每秒内辐射66出的中子数为2.2×10~2.7×10,伴生的伽马量子少。其伴生的伽马量子的能量,与碳元素被14.1MeV中子照射时,发生非弹性散射核反应产生的非弹性散射伽马量子的能量(-4.43MeV)相同。

为便于比较,现将几种类型中子源的数据列于表1-1-1。图1-1-1和图1-1-2分别为两种中子源的能量谱线。图1-1-1 钋—铍中子源中子能量谱线图1-1-2 镅—铍中子源中子能量谱线表1-1-1 常用(α,n)中子源及其特性

自发裂变中子源锎()在所有重核中,以锎作为中子源最合适,它的半衰期为85.5a,α衰变半衰期为2.64a。中子产额2.31×13-1-110sCi,中子平均能量2.2MeV。

按中子能量通常分为特快中子、快中子、中能中子、慢中子。

特快中子其能量在10~50MeV之间,这类中子与原子核作用时,除发生弹性散射和非弹性散射之外,还可以发生放射两个或两个以上的粒子核反应。快中子其能量在0.5~10MeV之间,这类中子与原子核的作用的主要形式是弹性散射和非弹性散射。中能中子其能量在1keV~0.5MeV之间,这类中子与原子核作用的主要形式是弹性散射。慢中子其能量在0~1keV之间,这类中子与原子核作用的主要形式是(n,n )和(n,γ)核反应。

慢中子包括热中子、冷中子、超热中子和共振中子。

热中子能量为0.025eV,冷中子能量低于热中子,超热中子能量大于等于0.5eV,共振中子能量在1~1000eV之间。共振中子与原子核作用时,能够产生强烈的共振吸收,吸收截面很大。三、人工可控中子源

通常用粒子加速器将p、d、α等带电粒子加速到一定能量,然后用它们去轰击原子质量比较低的靶核产生(p,n)、(d,n)和(α,n)核反应。这种类型的中子源叫作加速器中子源。模仿这种中子源,制成了测井中子管,中子管由加速电极、加速空间、离子源组成,实质上是一个小型加速器。

测井应用这种中子管制成人工可控中子源叫作井下中子发生器,由中子管、离子源控制电路、120kV高压电源组成。它的工作方式,可以做成像同位素中子源一样连续放射源,也可以做成脉冲式放射源。正因为有了井下脉冲中子源,才有了脉冲中子测井。

中子管内部发生两种核反应:(1)氘—氚核反应式。(2)氘—氘核反应式。

氘—氚核反应中,入射氘粒子能量达到0.126MeV时,反应截面最大,中子产额最高,发射14.1MeV中子。

氘—氘核反应中,入射粒子能量达到2MeV时,反应截面最大,中子产额最高,发射2.23MeV中子。

由于氘—氘核反应需要能量为2MeV,中子管靶极电压必须非常高,但是井下仪器只有120kV,所以该反应中子产额非常低。因此主要是氘—氚核反应产生14.1MeV的中子。

关于井下脉冲中子发生器,将在以后的章节中做详细讲述。四、快中子非弹性散射

快中子撞击到原子核上被靶核吸收,靶核形成复合核,复合核放射出一个能量较低的中子,余核仍处于激发态,余核通过放出伽马射线方式释放出激发能而跃迁到基态,这种核反应称为非弹性散射。由此反应产生的伽马射线,叫作非弹性散射伽马射线。

非弹性散射核反应式:

非弹性散射又称为(n,n′)核反应,其特点是反应前后的总动能不守恒,有一部分动能反应后转变为余核的激发能。中子的能量必须大于靶核的最低激发能级才能发生非弹性散射,即:

式中 Е——入射中子的能量;o

E——放出的伽马射线的最低能量;γ

M——反冲原子核的品质;

m——中子的能量。

一个快中子与一个靶核发生非弹性散射的几率叫做非弹性散射截-242面,单位是巴(b),即10cm。非弹性散射截面随着中子能量增大及靶核质量数的增加而增大。脉冲中子发生器发射14.1MeV的中子射-8-7入地层后,在最初10~10s的时间间隔内,中子的非弹性散射占支配地位,发射的伽马射线几乎全部为非弹性散射伽马射线。如果在中-8-71216子发射10~10s的间隔内,选择记录由C、O元素产生的非弹性散射4.43MeV及6.13MeV的伽马射线,就能得到反映井下地层剖面中含碳量和含氧量的测井曲线。表1-1-2列出几种核素的快中子非弹性散射截面。根据碳和氧一定能量段计数率的比值,用来区分油、水层的测井方法叫做碳氧比能谱测井。五、中子的弹性散射

弹性散射是中子与原子核作用的最简单形式,也是中子通过物质时能量损失的重要方式。中子源发射的高能中子,在最初极短的时间里,经过一二次非弹性散射损失了大部分能量。此后,中子已没有足够的能量再同原子核发生非弹性散射,只能通过弹性散射而继续减速并损失能量。

弹性散射是指中子与原子核碰撞后,它们的总动能不变,中子损失的能量全部转变为反冲核的动能,而反冲核仍然处于基态。中子和原子核发生弹性散射时,反应前后动能守恒。其核反应如下式:表1-1-2 几种核素的快中子非弹性散射截面

简化为(n,n′),反应截面用σ(n,n′)表示。反应截面大小和中子的能量及靶核的质量有关。弹性散射都发生在中子能量在几个MeV以下的情况,对快中子和慢中子来说,反应截面均较大,并随着中子能量的降低而增大,它和靶核质量数的关系是质量越小,截面越大。

每次弹性碰撞后,快中子能量的损失与靶核质量数、入射中子的初始能量E,以及散射角有关。由动量守恒和能量守恒定律可导出一次碰撞后和碰撞前的中子动能之比:

式中 E ——碰撞前的中子动能;1

E——碰撞后的中子动能;2

m ——中子质量;

M ——靶核质量;

M——碰撞前靶核质量;1

M——碰撞后靶核质量。2

由式(1-1-5)看出,中子碰撞后的动能E随散射角θ而变。2

当θ=0时,E=E即中子动能没有损失。21

当θ=180°时,即对头碰撞情况,中子的动能损失最大。22

这时,E / E=(M-m) /(M+m)21

式中 A——靶核的质量数;

α——表征质量数为A的核素使中子慢化的能力。

引入α参量之后得到:

因此,在一般情况下,一次碰撞以后,中子的动能应处于αE和1E之间,即:1

例如,对氢核来说,A=1,因而α=0,于是有E=0、ΔE=E。2max1这就是说,中子与氢核发生正碰撞时,中子就失去全部动能。对碳来说,A=12,因而α=0.715,于是有E=0.716E 、ΔE=0.284E。2min1max1

可见,氢是所有元素中最强的减速剂,这是中子测井方法测定地层含氢量及解决与含氢量有关各种地质问题的依据。六、辐射俘获核反应

原子核俘获热中子后变为处于激发态的复合核,复合核放出一个或几个伽马射线,而回到基态,这种核反应称为辐射俘获,其反应方程式为:

简称为( n ,γ)反应。中子管发射中子5μs后,快中子被井周围物质元素的原子核开始慢化为热中子,并被俘获放出伽马射线,俘获伽马射线存在的时间是1000μs。如果碳氧比能谱测井打中子频率为1kHz,测量非弹散射伽马射线时就不用减俘获伽马射线本底;若是用频率为10kHz、20kHz打中子就必须减20%~25%的本底。由此得出,中子寿命测井的打中子频率,最高是1kHz,最低是十几赫兹,即在10~1kHz之间选取。

试读结束[说明:试读内容隐藏了图片]

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