中子伽马测井原理

中子伽马测井

热中子继续在地层中扩散，并不断被吸收。有些核素能俘获热中子，并放出伽马射线。在核物理中把这一过程称为辐射俘获核反应，而由这一核反应产生的伽马射线称为俘获辐射。在测井中，习惯上把这一反应称为中子伽马核反应，产生的射线为中子伽马射线。

用同位素中子源发射的快中子连续照射井剖面，在仪器中离源一定的地方装一伽马射线探测器，连续记录地层发射的中子伽马射线。这就是中子伽马测井。中子伽马测井值主要反映地层的含氢量，同时又与含氯量有关。

1. 中子伽马测井原理

1)中子伽马射线

热中子通量在地层中的分布主要是由地层的减速性质(含氢量)决定的，但在以后产生中子伽马射线的(ｎ，γ)核反应却与氢及其它几种核素都有关系。

氢核俘获一个热中子生成氘核，并放出一个能量为2.23MeV的伽马光子，其反应截面为０.33巴。核反应方程为

Ｈ1＋０ｎ1→1Ｈ2＋γ(Eγ＝2.23MeV)

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氯产生(ｎ，γ）反应的截面是34巴(有些资料给出的数据为31.6巴)，且每俘获一个热中子平均发射3.1个伽马光子，其中部分伽马射线的能量可达7.79和8.6MeV，可获得较高的计数效率，其核反应方程为

Ｃｌ3５＋０ｎ1→1７Ｃｌ3６＋γ

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沉积岩骨架矿物中有硅和钙的(ｎ，γ)反应也比较重要。

2) 中子伽马射线的空间分布

用理论方法研究同位素快中子源在地层中造成的中子伽马射线的空间分布是非常复杂的，虽然也有人做了一些推导和计算，但最终也只能定性地说明一些问题。对测井工作来说，定量是通过实验进行的。更直观的方法还是通过实验做出计数率与源距的关系曲线。

(1) 随源距L增大，Jｎγ按指数迅速降低。且当L＞100厘米时，中子伽马计数率已很低，此时的读数基本只反映背景值。

(2) 当L=35厘米时，含氢指数不同的地层有大致相同的中子伽马计数率(测井值)。此时，测井的读数与含氢指数无关，但是能反映地层水矿化度(NaCl含量)的变化。

(3) L＜35厘米时，致密地层比孔隙性地层中子伽马读数低；而当L＞35厘米后，含氢量少的地层中子伽马测井计数率高。

(4)当源距选定后盐水的中子伽马测井计数率高于淡水。

中子伽马测井的源距一般都通过实验选定，源距太小受井的影响大，对地层含氢量的变化不灵敏；源距太大则计数率太低，涨落误差大。一般在45-65厘米之间选定。

中子伽马的探测深度比超热中子及热中子测井都大些。中子伽马测井仪器同样应在标准刻度井上定期进行标定，使测得的结果标准化。

2. 中子伽马测井的应用

1) 划分地质剖面

(1) 砂泥岩剖面

在砂泥岩剖面中，中子伽马测井曲线能清楚地把砂岩层与泥岩区别开，砂岩的读数高、泥岩的读数低。砂岩的读数随孔隙度增大(孔隙中为油或水)和泥质含量增高而降低。通常，中子伽马曲线与自然伽马曲线配合能有效地识别岩性。

(2) 碳酸盐岩剖面

致密的石灰岩或白云岩显示为高读数，泥岩、泥灰岩显示为低读数。石灰岩、白云岩的孔隙度(孔隙中为油或水)越大、或含泥质越高读数越低。在大段致密石灰岩中，低自然伽马和低中子伽马，往往是孔隙裂缝带的特征。

(3) 膏盐剖面

当井剖面中有石膏、岩盐等化学岩时，放射性测井资料特别重要。因对这些地层，电测井曲线一般显示不好。硬石膏在中子伽马曲线上是高读数；石膏因含氢指数为0.49故显示为低读数。钾盐和岩盐本来应该有很高的中子伽马读数，但往往由于井径扩大而形成较低的读数。

在含有多种化学岩的复杂剖面中，电测曲线很难把剖面划分开，而用放射性曲线则能可靠地区分岩性，并划分出储集岩。例如在大段致密灰岩中，如夹有泥质灰岩、孔隙裂缝带和石膏层，则用下列步骤可以把它们区分开来。

①用中子伽马测井的低读数将上面所说的三种层段与呈明显高读数的致密灰岩区分开。

②用自然伽马的高读数将上述三种层段中的泥岩划分出来。

③用密度测井和中子伽马测井将石膏和灰岩孔隙带区分开。若含氢指数相同，灰岩孔隙带的密度要比石膏低得多。石膏的含氢指数为０.49，即与孔隙度为49%的灰岩含水层相同。但灰岩如果有这样大的孔隙度，则其密度只有1.86克/厘米3 。通常灰岩的孔隙度是比较小的，中子测井读数较高。根据中子伽马的低值和自然伽马的高值，能很容易地把三个泥岩层分出来。而灰岩在曲线上的显示与泥岩相反，中子伽马为高值。自然伽马计数率为低值。含有泥质的砂岩在曲线上的显示居于泥岩与灰岩之间。

2) 寻找气层和划分气水界面

当泥浆滤液侵入不深时，在中子伽马探测范围内尚有天然气存在于孔隙中。这种地层含氢指数低(与孔隙中含水或油相比)，对快中子的减速能力差，对伽马射线的吸收能力也差，故有较多的中子或伽马射线能到达探测器，中子和中子伽马计数率都很高。

当泥浆侵入地层较深时，中子伽马探测范围内(50-60厘米深)的天然气全被泥浆滤液推走气层的特征在中子伽马曲线上就难以显示出来。但固井后，天然气又逐步把泥浆滤液排开，恢复了气层的特点。所以，对比不同时间测得的中子伽马曲线是寻找气层的好方法。一般在固井后相隔一周测得两条中子伽马曲线就可看出由泥浆侵入和天然气反推造成的差别。在判断气层中，应结合其它测井资料，辨别中子伽马读数的变化是由岩性变化引起的还是由地层含气引起的。若有声波测井曲线，可根据气层出现的周波跳跃现象，与中子伽马的气层特征结合，更准确地判定气层。

3) 划分油水界面

当地层的岩性、孔隙度比较稳定，地层水矿化度高(NaCl含量大于150克/升)，且侵入不深时，用中子伽马测井有可能识别油水界面。当然在裸眼井中，用电测井来解决这一问题更为方便，但在下套管后要观察管外液面的变化就得求助于放射性测井。

油层和水层相比,若岩石的骨架成分相同，则其差别是由于油和水的核素成分不同造成的。原油和淡水的含氢量几乎相等，而碳和氧的含量有很大差别。但当使用同位素中子源时，快中子的能量不很大，碳和氧的中子特性对岩石的宏观中子特性影响甚微。这是因为：①岩石对快中子的减速能力主要是由含氢量决定的。②碳和氧对热中子的俘获截面小，分别为０．００45巴和<０．0００2巴(而氢的热中子俘获截面为０.33巴)，所以它们对热中子的吸收和(ｎ，γ)反应都是可以忽略的。因而，用同位素中子源的测井方法不能区分孔隙地层是含油还是淡水层。

井壁(超热)中子测井、补偿(热)中子测井、中子伽马测井的基本特征是相同的，主要反映地层的含氢量。但当地层中含氯量增加时，井壁中子受影响最小，热中子测井计数率会略有降低，而中子伽马计数率会增高。