第9章 中子测井

t
v a
式中v为热中子移动速度，常温下，v＝0.22cm/μs，所以上式可写成：
t
当地层中含有俘获截面高的元素时，τt就大大减小。高矿化度水的τt 要比油层小的多，因此可以确定油水界面和区分油水层。
4.55 a
第九章
中子测井(Neutron log)
2.热中子的扩散及被俘获 元素的原子核俘获热中子之后，处于激发状态，当它回到
中子-超热中测井（SNP）—井壁中子测井
中子-热中子测井（CNL）—补偿中子测井
第九章
1 中子和中子源
中子测井(Neutron log)
一、中子测井的核物理基础 中子是组成原子核的一种不带电荷的中性粒子，其质量与氢 核的质量相近。中子与物质作用时，能穿过原子的电子壳层而与 原子核相碰撞，所以它对物质的穿透能力较强。
的岩石骨架显示为一定数值的等效含氢量。孔隙度等于零的砂
岩，显示为负含氢指数（-3%），而白云岩显示为正的含氢指 数（5%）。
第九章
二、中子测井
中子测井(Neutron log)
中子测井包括两种方法：
一种是记录探测器周围超热中子密度的中子—超热中子测井
（SNP），亦称井壁中子测井； 另一种是记录探测器周围热中子密度的中子—热中子测井 （CNL），亦称补偿中子测井。
因水的分子式为H2O，所以x＝2，M＝18，而水的密度ρ＝ lg／ cm3，由此求出K＝9代入上式得 x H 9 M 则用该式可求出任何密度为ρ，分子量为M且每个分子中有x个 氢核的单一分子组成的物质的含氢指数。
第九章
⑵盐水的含氢指数
中子测井(Neutron log)
NaCl溶于水后占据了空间，而使盐水中氢的密度减小。计 算盐水含氢指数的一般公式为 Hw＝ρ w(1-p)
第九章
中子测井(Neutron log)
下表为沉积岩中常见元素的散射截面和每次碰撞的最大能 量损失以及中子能量由2百万电子伏特减速为热中子所需的平均 碰撞次数。
下表是能量为3.7～7百万电子伏特的中子减速为热中子的减速长度。
第九章
1.快中子的减速过程
中子测井(Neutron log)
从表中可以看出，沉积岩中不同元素对中子产生弹性散射的
在实际的弹性散射过程中，中子与靶核并不总是正面碰撞，因此，每次 碰撞后，中子损失的能量并不相同，这与散射角有关。当快中子与原子核 碰撞多次，使中子能量降低为0.025电子伏特时，这时的中子为热中子。中 子变为热中子之后，就象分子热运动一样在物质中进行扩散，当它再与原 子核发生碰撞时，失去和得到的能量几乎相等。
第九章
中子测井(Neutron log)
利用中子与地层相互作用的各种效应，来研究钻井地质剖面的一类测井方法 统称中子测井。 它是利用岩石的另一种特性，即岩石中的含氢量来研究岩石性质和孔隙度等 地质问题。
这种测井方法在于将装有中子源和探测器的井下仪器下入井中，由中子源→ 中子→进入岩层, 同物质的原子核发生碰撞将产生减速、扩散和被俘获几个过程， 到达探测器。 在这些过程中，探测器周围的中子分布状况，以及中子被俘获后所放出的伽 马射线强度，与仪器周围的岩石性质，特别是岩石的含氢量有关。 而储集层的含氢量又取决于它的孔隙度，因此，中子测井是目前广泛使用的 一种孔隙度测井。 根据中子测井的记录内容：可以将它分为中子-中子测井和中子-伽马测井。 根据仪器的结构特点，中子—中子测井又可分为
中子测井(Neutron log)
一、中子测井的核物理基础 因为不同能量的中子与原子核作用时有着不同的特点，所以
通常根据中子的能量大小，可以把它分成几类：
高能快中子：能量大于10万电子伏特； 中能中子：能量在100电子伏特—10万电子伏特之间； 慢中子：能量小于100电子伏特； 其中0.1—100电子伏特的中子为超热中子；

E (1 ) E1
式中El中子碰撞前的能量

式中A为原子量
A 1 A 1
对于氢元素，质量A＝1，因而a＝0，ΔE＝El，即中子与氢核发生碰撞时， 中子就失去全部能量。对于碳元素，A＝12，a＝0.716，中子与碳核碰撞时， 中子损失的最大能量为0.28E1。显然A越大的元素，中子与它碰撞时能量损 失越小。
层镉构成。镉的作用是吸收探测器周围的热中子，而只让超热
中子通过，并进入石蜡层，然后再经石蜡减速为热中子，便可 被热中子计数管对其记录。
第九章
中子测井(Neutron log)
4 地层的含氢指数 前面已经讲过，地层对快中子的减速能力主要决定于地层的 含氢量。含氢量高的地层宏观减速能力强、减速长度小。 为了方便，在中子测井中把淡水的含氢量规定为一个单位， 用它来衡量地层中所有其它岩石或矿物的含氢量。单位体积的 任何岩石或矿物中氢核数与同样体积的淡水中氢核数的比值， 称为该岩石或矿物的含氢指数，用H表示。H与单位体积介质里 的氢核数成正比，因而可用下式表示：
H K
x
M
式中， ρ是介质密度，单位为g／cm3； M是该化合物的克分子量； x是该化合物每个分子中的氢原子数； K是比例常数。
第九章
中子测井(Neutron log)
⑴纯水的含氢指数 按定义，淡水的含氢指数为1，由此确定出上式中的K值。 x 1 2
HW K M K 16 2 1
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中子测井(Neutron log)
⑷与有效孔隙度无关的含氢指数 ①泥质：泥质伴生有化学结晶水和束缚水，所以它具有很大的
含氢指数，一般可达0.15—0.30，因而在含泥质的地层中，含
氢指数大于地层的有效孔隙度。 ②石膏：石膏的分子式是CaSO4· 2O，其含氢指数约为0.49，与 2H 孔隙度为49％的灰岩相当。 ③岩性影响：当仪器以纯石灰岩为标准进行刻度时，其它岩性
第九章
中子测井(Neutron log)
二、中子与物质作用
几种作用形式：
（1）非弹性作用：高能快中子与原子核碰撞
（2）弹性散射：高能快中子经一、二次非弹性散射后，能量降 低，继续碰撞原子，降低能量和运动速度，而总能量不变，经多 次碰撞，能量损失，速度降低，最后变为热中子。 （3）辐射俘获：能量低的热中子在其他物质附近漫游，很容易
第九章
1.快中子的减速过程
中子测井(Neutron log)
一个中子与一个原子核发生弹性散射的几率称为微观弹性散
射截面δs，单位为巴（10-24cm2）。
1cm3 物质的原子核的微观弹性散射截面之和叫宏观弹性散射 截面Σs。 通常可以利用宏观弹性散射截面来描述这个减速过程。 此外，还可用“减速长度Ls”来描述快中子变为热中子的 减速过程。减速长度定义为由快中子减速成热中子所经过的直 线距离的平均值，单位为厘米。
第九章
3.中子探测器
中子测井(Neutron log)
中子探测器探测的是超热中子和热中子。 热中子探测器通常由普通的闪烁计数器在其外壁上涂上锂或 硼构成。由于锂和硼对热中子有强吸收性，并在吸收热中子后 发生核反应而放射出α粒子，该粒子能使闪烁计数器中萤光体 发光，从而在记数管中的阳极产生电脉冲，然后送入地面记录 仪便可对其记录。 超热中子探测器是热中子计数器在其外壁上加一层石蜡和一
第九章
中子测井(Neutron log)
2.热中子的扩散及被俘获
快中子减速成热中子之后，同气体分子的扩散类似，便从密度大 的地方向密度小的地方扩散。热中子扩散时，由于速度较慢，在原 子核周围停留的时间相对较长，因而很容易被原子核俘获。标准热 中子能量为0.025MeV，速度为2.2×105cm/s。 热中子被元素原子核俘获的几率取决于元素的俘获能力，通常用 “宏观俘获截面Σa”来量度。单位为巴。 下表给出了沉积岩中常见的几种元素的微观俘获截面。
岩石中不同元素对中子产生弹性散射几率(散射截面)不同，H元 素弹性散射截面最大。不同元素减速能力不同，轻原子核对中子减 速起主要作用，特别是氢原子核与H碰撞，减速成热中子过程最快， 因此，高含H岩石中，快中子将很快减速成热中子。
第九章
1.快中子的减速过程
中子测井(Neutron log)
在减速过程中，中子与原子核正面碰撞一次可损失的最大能量ΔE为
式中ρ w为盐水的密度；p为NaCl的浓度。
在测裸眼井时，渗透性地层一般都有侵入，中子测井探测
范围内的水的矿化度，可以认为是与泥浆滤液的矿化度接近的。
第九章
⑶油、气的含氢指数
中子测井(Neutron log)
液态烃的含氢指数与水接近，然而天然气的氢浓度很低，
并且随温度和压力而变化。因而当天然气很靠近井眼而处于中
扩散长度：从产生热中子起到其被俘获吸收为止，热中子移动的距离。 物质对热中子俘获吸收能力越强，扩散长度Ld就越短。
微观俘获截面δ：一个原子核俘获热中子的几率称之。 宏观俘获截面Σa：1cm3物质中所有原子核的微观俘获截面之和称之为 宏观俘获截面。 热中子寿命τt：从热中子生成开始到它被俘获吸收为止所经过的平均 1 时间叫热中子寿命，它和宏观俘获截面的关系是：
稳定的基态时，多余的能量便以伽马射线的形式释放出来。该
射线称为俘获伽马射线，或次生伽马射线。不同元素俘获热中 子后放出的俘获伽马射线的能量存在一定的差别，特别是氯元 素释放出的俘获伽马射线能量要比一般元素高一些，且伽马射 线的数目也相对多些。因此，当岩石中有氯元素存在时，测得 的热中子数将显著减少，但测得的俘获伽马射线却又会普遍增 高。
能量等于0.025电子伏特的中子为热中子。
第九章
1 中子和中子源
中子测井(Neutron log)
一、中子测井的核物理基础 中子测井所用的中子源有两类： 即同位素中子源和加速器中子源。 同位素中子源：如镅—铍（Am-Be）中子源，利用镅衰变产 生的α粒子去轰击铍原子核，发生核反应而放出中子。产生的 中子的平均能量约5MeV。 该类中子源的特点是连续发射中子。 加速器中子源：（亦称脉冲中子源），如D-T加速器中子源， 用加速器加速氘核（D）去轰击氚核（T）产生快中子，其能量 是14MeV。 该类中子源的特点是人为控制脉冲式发射中子。