基本介紹
- 中文名：核測井
- 外文名：nuclear logging
- 釋義：指將核技術套用於井中測量
- 勘探：石油、天然氣、煤以及金屬礦藏
- 別稱：放射性測井
- 主要分類：γ測井，中子測井
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基本概念
中子測井示意圖核測井(nuclearlogging)是指將核技術套用於井中測量，根據岩石及其孔隙流體的核物理性質，研究井的地質剖面，勘探石油、天然氣、煤以及金屬、非金屬礦藏，研究石油地質、油井工程和油田開發的核地球物理方法，又稱放射性測井。
岩石中各種元素原子核的核磁共振特性是不同的,它取決於原子核的磁旋比、同位素的天然含量和包含該元素的物質賦存狀態。利用物質核磁共振特性在鑽孔中研究岩石特性的方法,稱為核磁測井或核磁共振測井。核磁共振有許多特性,主要利用脈衝法研究岩石的弛豫特性,即從不平衡狀態向平衡狀態恢復過程的特性,包括縱向弛豫和橫向弛豫。研究弛豫過程可以用自由進動法也可以用自旋迴波法進行,早期的核磁測井儀是按自由進動法的原理沒計製造的。現代核磁測井儀則主要採用自旋迴波法。由於氫原子核具有最大的磁旋比和最高的共振頻率,是在鑽孔條件下最容易研究的元素。氫是孔隙液體中的主要成分,因此核磁測井是研究孔隙流體含量和存在狀態的有效方法,可以提供不同尺寸孔隙分布,包括自由流體孔隙度、毛細管孔隙度,以及束縛水飽和度、滲透率等重要參數,因此成為石油測井的重要方法。
主要分類
γ測井
含自然γ和γ —γ測井（散射測井）。前者又分自然γ和自然γ能譜測井；後者又分地層密度和岩性密度測井。
中子測井
主要含中子壽命測井、 一般中子測井和中子誘生γ測井。中子壽命測井也稱熱中子衰減時間測井；一般中子測井含熱中子測井和超熱中子測井；它們又含有單探測器中子和補償中子測井；中子誘生γ能譜測井通常包括快中子非彈性散射γ能譜測井（即C/O比測井）、中子俘獲γ能譜測井和中子活化γ能譜測井等。
放射性核素示蹤測井
核成像測井
如核磁共振成像測井等。
信息處理技術
採集和處理
核技術測試和分析的關鍵是信息的採集和處理。核測井信息的處理可分為信息採集處理和套用分析處理兩個階段。
核測井信息套用分析是以核測井樣品模擬刻度為基礎、以解譜和與其他信息融合為處理手段、以測井地質套用為目標的信息處理套用。
無論是核輻射強度測井還是全能譜測井，其套用基礎均離不開被測量對象(地層)必須與標準對象(刻度對象)具有相同或相近的儀器回響特徵、且符合線性疊加原理，這是進行核測井信息套用分析的基礎，是核測井信息地質套用的前提條件。核輻射強度測井評價認為，總強度與已知的地質信息存在固定的線性關係，通過標定即可進行對應的信息處理。
全能譜測井的標準譜獲得必須以被測量地區實際井所包含的物質特性為基礎，進行實際的全譜刻度，利用線性疊加原理確定混合譜標準，這是對全譜測井信息正演和對工作譜解析的基礎。剝譜技術、逆矩陣解譜、最小二乘解譜等是常用的解譜套用技術。
實際的測井環境條件與標準譜刻度條件不一致可能導致解譜的較大偏差，給套用帶來一定困難。測井處理中提出的環境校正可在某種程度上減少或消除這種偏差。測井環境校正處理的主要途徑有簡化理論評價、蒙特卡洛方法、模型井試驗等。測井處理中採用多次測量平均法、比值法、累積輻射處理、重疊技術等可有效提高核測井信息的套用效果。
核測井技術是隨著當代核技術的發展和石油、煤炭、地質礦產等對核測井技術發展的需要而迅速發展起來的尖端測井技術之一。隨著人工射線源技術、感測器技術、測量技術、信息處理技術與計算機技術的發展，核測井技術仍處在飛速發展之中。
射線源技術
核測井技術的大多數方法依賴於射線源性能，少部分方法利用井下地層的天然放射性進行測量。現有的測井用射線源主要是γ射線源和中子源。受井眼尺寸(偏小、彎曲、不規則等) 、井下環境(高溫、高壓等) 制約，地面實驗用加速器γ源等技術尚難以套用於測井領域。
測井常用的γ源多是放射性同位素源，主要用於示蹤測井。隨著核技術發展，核反應堆、加速器的不斷建造，核燃料循環體系的建立，為放射性核素套用提供了日益豐富的物質基礎。放射性同位素廣泛套用研究為更好利用現有設備資源開闢了新途徑。放射性同位素製備技術是同位素輻射技術套用的物質基礎。時下，人工製備放射性同位素的方法有3 種：反應堆生產的豐中子同位素，簡稱堆照同位素；加速器生產的貧中子同位素，簡稱加速器同位素；從核燃料廢物中提取的同位素，簡稱裂片同位素。
放射性同位素釋放的射線作為一種人工信息源，具有相當高的探測靈敏度，是常規化學分析無法比擬的，這一特徵被廣泛套用於同位素示蹤分析技術，在工農業技術研究中獲得了顯著的經濟、社會、環境效益。測井中的流體密度計、流體識別儀、γ射線探傷儀、厚度檢測儀等均利用了放射性同位素信息源技術。
中子源是中子與物質相互作用研究必須的信息源。測井常用的中子源有放射性同位素中子源、自發裂變中子源和人工脈衝中子源3 種。衡量中子源特性的指標是源強度、能量、單色性、γ 輻射和壽命(半衰期) 等。測井常用的A241m2Be 源是放射性同位素中子源，中子產額2×107/ s ，平均中子能量5 MeV；252Cf 是自發裂變中子源，中子產額2 ×108/ s ，平均中子能量
2. 35 MeV ；脈衝中子源(中子管技術) 常用T(d，n) 源，中子產額107～109/ s，強流中子管產額達1010/ s，平均中子能量14. 1 MeV。
套用射線源，必須注意放射性防護、放射性危險、放射性可控等要求，測井用中子源需向小體積、高強度、高度可控、高安全、高耐溫、耐壓指標發展。
感測器技術
感測器是能感受規定的被測量並按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。它是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，並能將檢測感受到的信息按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的輸出，滿足信息的傳輸、存儲、顯示、記錄和控制要求。感測器屬高新技術的瓶頸工業，它的地位非常重要。我國測井用的感測器技術較為先進，基本上與國際水平相近，但創新不夠，大多是引進、模仿和仿製，這與我國測井需要不相適應。努力致力於促進我國核測井感測器事業及其套用的發展，滿足核測井套用需要，是感測器生產和套用企業共同的努力方向。
測井用感測器的核心部件是探測器。不同的核輻射需要用不同的探測器測量。所有核探測器均基於射線與物質的相互作用原理，在物質中具有不同的空間分布、能量分布、時間分布和特徵作用而製作。
強度型核儀表利用放射源發出的射線(特別質子與γ射線) 與物質相互作用(吸收或散射) 後，射線強度降低從而檢測受測試物質的巨觀非電參數而設計出的一類儀表。
物質的成分與含量可通過放射源發出的射線與物質相互作用引起的射線強度的變化與誘發的特徵能譜加以確定，這種儀表統稱為物質成份與含量分析儀表。能譜分析型儀表同樣地具有這種成份與含量分析的功能。
測井中用已知活度的γ放射源和探測器共同組成探頭(測井儀) 下到鑽孔內，沿鑽孔連續測量從碳層中散射的γ射線強度，可探知介質的密度，從而確定地層岩性。這種γ測井技術有助於加快能源勘探開發速度，並降低成本。
中子水分計是測量大體積物料中含水量的一種核分析儀表，又稱中子水分計或中子濕度計。這種儀表的工作原理基於氫核對快中子的強烈減速慢化效應。測定物料中的慢化中子數量,進而求出介質的含水量。
高解析度的輻射探測器和多道脈衝高度分析器等核電子學儀器的發展，使分析測量的靈敏度與準確度大為提高。電子計算機的套用進一步改善了數據處理的速度和規模，使能譜分析型儀表結構更趨小型化、輕便化，特別為儀表的現場套用與野外操作提供了便利。這類核儀表可分為3 種類型：1) 螢光類儀表(如放射性核素X 射線螢光分析儀)；2) 活化類(主要指中子活化) 儀表；3) 核測井儀表(如石油、煤田、金屬測井使用的核儀表) 。
核測井探測器要求高效率、高計數通過率、高能量解析度、高耐溫、耐壓、高抗震、小體積、價格適中等。
測井常用的γ和X 射線探測器為閃爍探測器，主要由閃爍體、光電倍增管和電子儀器組成。用光耦合劑將閃爍體與光電倍增管耦合起來，組裝成探頭,配上電子學儀器，就構成了閃爍探測器。為提高脈衝輸出幅度，可選擇發光效率高的閃爍體，增大閃爍體尺寸，選擇反射係數大的反射層和性能良好的光導系統，調整好光電倍增管前面幾級的分壓電阻，選擇與閃爍體能實現良好匹配的光電倍增管。
閃爍探測器輸出脈衝幅度與入射光子在閃爍體中損失的能量成正比。而光子是通過前述3 種效應損失能量的，所以，在測量單能光子時得到的輸出的是一連續譜。
與閃爍體相匹配的光電倍增管也有了發展，矽、HgI2等光敏二極體小巧，與閃爍體更匹配，半導體的量子效率遠高於光電倍增管；HgI2與CsI ( Tl) 組合探頭對662 keVγ射線能量解析度達5 % ，性能更優的探頭還將不斷出現。
核測井需要的γ射線和X 射線探測器正向高密度、高精度(能量分辨性好、計數通過率高) 、高計數、高溫度穩定性、短螢光衰落、中低價格和小體積發展。高性能位置靈敏γ射線和X 射線核探測器將更廣泛套用於測井中。
中子探測器在測井中經常用到，較早使用BF3正比管，因環保要求現正逐漸被3He 正比管取代；選用6Li 玻璃閃爍探頭作中子劑量當量探測器，採用中子慢化探測、鎘棒三維空間能響調節新原理，從而使儀器靈敏度極高，耐γ、中子能量回響特性好。儀器靈敏度高、抗γ性能好、能量回響特性好、量程寬(7 個量級) 、密閉性強攜帶型數字顯示並伴有聲、光定性指示等的性能優越的中子探測器也在發展中。
核測井儀表正在不斷更新結構，完善功能，提高精度，改善儀表的穩定性、可靠性、通用性，實現儀表標準化、系列化、小型化、自動化與智慧型化，以適應現代測井的連續化、高速化、精密化的要求。具體地說，今後核測井儀的發展趨勢可能集中在以下5 個方面。
1) 結構上從單元組合式向功能組裝式方向發展。
2) 在測量方法上，從簡單原始的檢測手段向高效率、高分辨力的複雜的測量裝置過渡，為獲取更多信息，射線強度測量方法逐漸為射線能譜分析法所取代。
3) 在儀器功能上，從單點、單參數檢測向多點、多參數自動檢測方向發展，與非核技術綜合套用，有助於擴大核測井儀表的套用範圍，提高其套用效能。
4) 儀器的通用性和安全性方面，核測井儀將進一步實現系列化、標準化。
5) 隨著各種支持性技術的發展，特別是計算機的廣泛使用，測井儀器的技術水平達到一新的高度。核測井儀採用計算機後，結構緊湊、體積縮小；測量技術由模擬測量向數位化方向發展，實現輸入信息自動補償，系統啟動、調節和操作程式化，並對採集的數據進行運算、判斷、分析與處理，從而擴大儀表信息功能，提高儀表檢測精度，為多參數測量和測井過程閉環控制奠定了基礎；儀器將硬體與軟體相結合，體現出設計的合理性與操作的簡便性；儀器具有故障自我診斷功能，大大減輕了設備維修工作量，從而提高了儀器的可靠性；通過數字和圖象信息顯示，達到更好的人2機結合，以滿足現代核測井生產連續化、自動化、智慧型化、高速化與集成化的要求。
套用領域
主要用於石油、油氣、煤田和金屬礦的勘探中。
在地質勘探與資源開發中，核測井是一種先進的地球物理測井手段，主要利用井孔內岩層本身的放射性或採用人工輻射與井孔物質相互作用的各種效應來取得井下地層物理性質與技術參數的各種信息，核測井是原子核物理研究與套用的拓展技術，這種測井技術已在石油、煤炭與金屬礦藏以及水源勘查與開採中得到了廣泛的利用。
核測井與其他非核測井技術——聲學測井與電學測井共同構成了地球物理三大支柱測井技術，在油田、煤田、金屬資源與水資源的勘探與開發中發揮著不可替代的作用能譜型核測井一般包括天然γ能譜測井、快中子非彈性散射γ射線能譜測井、中子俘獲γ射線能譜測井與中子活化γ射線能譜測井。
隨著油田開發的深入，特別是我國大部分油田相繼進入中高含水的開發階段，油藏監測和油藏的再認識的需要更加突出。功能優異的小直徑核測井儀器成為急需發展的技術。核示蹤測井技術是油田生產測井監測技術發展的重要方向。放射性同位素的套用業已遍及醫學、工業、農業和科學研究等各個領域，在很多套用場合，放射性同位素至今尚無代用品；在很多其它套用場合，它比現有可替代的技術或流程更有效、更經濟。隨著環境保護不斷強化，放射性同位素示蹤測井將逐漸被穩定同位素取代，更靈敏的位置敏感探測器和更高強度的中子管技術將投入使用。這一技術的發展不會一帆風順，還將有一研究、試驗、實用和適用過程。
核測井技術在石油、煤炭與金屬礦藏以及水源勘查與開採等領域具有廣泛的套用,在尋找放射性礦藏、放射性環境監測等方面也可發揮著重要作用。隨著核測井技術的發展,套用還將不斷拓展。
在核測井技術的發展中,核測井儀器與適當的核測井施工工藝的巧妙結合是值得關注的重要方向。注硼中子壽命測井、同位素γ能譜示蹤測井、井間示蹤測井等代表了核測井工藝技術的創新和發展。核測井信息與其他相關測井信息的融合技術可能成為進一步提高其套用的重要途徑。
發展趨勢
1) 核測井技術的不斷發展依賴於石油、煤炭、地質礦產勘探開發的需要，同時又受核技術、特別是新型核探測器及核探測工藝技術的發展推動。
2) 中國核測井技術的發展要密切結合生產需要，立足創新，追蹤國際核測井先進技術，加強核套用與核科研專家間的合作，共同推動核測井技術的創新和發展。
3) 發展核輻射測井儀器軟體化智慧型化技術、匯流排式自動測試技術、綜合自動化測試系統、新型元器件測量技術及測試儀器、線上測試技術、長效性井下檢測儀等是未來核測井信息技術的主要發展方向，而核測井系列化、陣列化、譜列化、標準化和成像技術，則是核測井技術發展的新方向。
4) 有關核信號採集和信息處理的新課題研究和套用項目開發，如輻射成像技術等有潛力成為油田開發測井的重要技術。
5) 核測井新技術與新工藝的結合、核測井信息與其他相關測井信息的融合是核測井技術套用創新方向。
