第八章-中子测井PPT课件

同位素中子源（连续，产生快中子）：
95 A2m 4 19N 3 2p372H4(ea)
平均能量为5MeV
4B9 e2H4 e6C12 0n1Q(5.70M 1)ev
加速器中子源（脉冲，产生高能中子）：
D T 2H4 e0n11.7 58 M 8ev
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第一节 中子测井的核物理基础
二、中子和物质的作用
任何物质单位体积（1立方厘米）的氢核数与同样体积淡水氢核数 的比值。
根据规定，将淡水含氢指数定义为1，而任何其他物质的含氢指数 将与其单位体积内的氢核数成正比。
即： H K x
M
式中：ρ——介质密度，g/cm3；
x——介质分子中的氢原子数；
M——介质的分子量；
K——比例常数。 对于水：ρ=1，x=2，M=18 (水分子)，规定其
含氢指数为1，解得K=9
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第二节 超热中子测井
(1)饱和淡水纯石灰岩的含氢指数
孔隙度为φ的石灰岩，则含氢指数为：
H=Hma(1-φ)+Hwφ 中子孔隙度测井仪在饱和淡水的纯石灰岩刻度井中进行含 氢指数刻度，使它测量的含氢指数即为饱和淡水纯石灰岩的 φ。这里，也就人为的将岩石骨架的含氢指数定为0，也就是 没有考虑石灰岩骨架的减速能力。若孔隙度为φ，则含氢指 数为：φ×Hw=φ×1=φ，将中子孔隙度测井得到的含氢指 数记为φN ，并称为中子孔隙度，其单位是石灰岩孔隙度单 位。
决于岩石的含H量。
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第一节 中子测井的核物理基础
•散射截面： 微观散射截面σs：一个中子与一个原子核发生弹性散射的几 率，单位1b=10-24cm2； 宏观散射截面Εs：单位体积物质中的原子核的微观散射截面 之和，单位cm-1 结论：氢是岩石中最主要的减速元素，岩石对快中子的减速 能力取决于岩石的含H量，纯岩石的宏观减速能力基本上决 定于纯岩石的孔隙度(含淡水条件)。 用中子测井估算孔隙 度的物理基础。
快中子：能量大于0.5Mev；
中能中子：1kev—0.5Mev之间；
慢中子：0—1Kev之间；
其中0.2—10eV中子为超热中子；
能量等于0.025eV的中子为热中子。
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第一节 中子测井的核物理基础
2.中子源
中子源：能将原子核中的中子释放出来的装置。 质子和中子在核中存在很强的核力作用，要使之从核中释 放出来，必须提供足够的能量。用高能(带电)粒子轰击作靶 的原子核，引起核反应，释放出中子。测井用的中子源有两类：
14Mev的高能快中子经一两次非弹性散射后就不能再发生非弹
性散射或核活化反应，只能发生弹性散射而继续减速，直至其能量
为0.025ev左右，成为热中子。
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第一节 中子测井的核物理基础
弹性碰撞能量损失： 与靶核的A，入射中子能量E。及散射角φ(中子散射方向和入射方向
的夹角)有关。当为正碰撞φ=180°时，中子损失能量最大。实验证明，
热中子从密度大的区域向外扩散=>被原子核俘获（复核）
=>俘获伽马射线+基态靶核
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第一节 中子测井的核物理基础
(3)岩石对热中子的宏观俘获截面Εa：
微观俘获截面σ：一个原子核俘获热中子的几率； 宏观俘获截面Εa：一立方厘米所有原子微观俘获截面的总和。常 见元素中：
几种核素的微观俘获截面
结论：氯元素的俘获截面最大。岩石对热中子的俘获能力主 要取决于含氯量（矿化度、地层水含量） 另外：硼的Εa =710b，即使含量微小，也对测井将会有很大•11 影响。
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第一节 中子测井的核物理基础
3、快中子的弹性散射
（1）快中子的弹性散射 中等能量的快中子与靶核碰撞，将部分能量传给靶核，使之能量(动 能)增加，仍处于稳态，而快中子速度减慢，系统总的动能守恒，此 过程即为快中子的弹性散射。
快中子+稳定靶核=>能量较低的中子+反冲核=>热中子+基态靶核
对于同位素中子源中子测井，中子的初始能量较低，因此，从 开始就基本上以弹性散射为主，多次弹性散射后，变为热中子。
中子射入物质后，会发生一系列核反应：
1.快中子的非弹性散射
高能快中子+靶核 => 激发态复核=> 能量较低中子+非弹 性散射伽马射线 => 基态靶核
特点：将入射中子靶核作为一个系统，碰撞前后能量(动能) 发生损失，所以是非弹性散射，或称（n，n’）核反应，放 出的伽马射线称为非弹性散射伽马射线。
能量大于14MeV的中子发生非弹性散射的几率较大， 而能量<5MeV的中子发生非弹性散射的几率较小。
第一节 中子测井的核物理基础
扩散距离Rt：从产生热中子到其被俘获吸收为止，热中子移动的 直线距离。
扩散长度Ld：=Ls=SQRT(Rt2/6)
热中子寿命τ
从热中子的生成时起到它被吸收为止所经过的平均时 间，它和宏观俘获截面的关系为：
t
1 v a
v为热中子的移动速度。
结论：俘获截面越大，俘获吸
收能力越强，扩散长度越短，
中子一次弹性碰撞可能损失的最大能量和平均能量分别为：
Em
a
x
(1
a)E0
,
a
(
A1) A1
2
2A E (A1)2 E0
对氢核来说，A=1，a=0，ΔEmax=E0，ΔE=1/2E0，而对
碳核，A=12，a=0.716，ΔEmax=0.284E0，ΔE=0.142E0。因此
氢是岩石中最主要的减速元素，岩石对快中子的减速能力取
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(4)挖掘效应
冲洗带有残余油气的纯石灰岩，有：
N N m ( 1 a ) N w X O N g g
当忽略岩性影响时，此式也可作为一般纯岩石的含氢指数。
实际测井表明，轻烃对中子孔隙度测井的影响比上式严重。 假设Hh=0，则：Φn=φxo，而把含天然气的孔隙作为岩石骨架。 但实际中测井中，含气时，时常有φN<φxo，这表明：天然气含氢浓 度太低，以至把含天然气的孔隙体积作为骨架还不足以说明天然气 影响(天然气对快中子的减速能力比石灰岩骨架还低，将显示为负的 含氢指数)，我们把油气对中子孔隙度测井的这种影响，称为中子孔 隙度测井的挖掘效应。
内层加有石蜡，把超热中子减速为热中 子，增大对超热中子的计数率。
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第二节 超热中子测井
一、超热中子测井的基本原理 二、决定超热（热）中子计数率的因素 三、井壁中子孔隙度环境校正 四、井壁中子孔隙度的响应方程
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一、超热中子测井的基本原理 中子源——快中子=> 弹性散射=> 超热中子
同位素中子源发出快中子，在地层中的运动和地层中 的各种原子核发生弹性散射，而逐渐损失能量，降低温 度，成为超热中子，探测超热中子密度，转化为计数率， 以此寻找储集层，求取孔隙度的测井方法。
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第二节 超热中子测井
二、决定超热（热）中子计数率的因素
1.岩性的影响
快中子的减速过程，取决于地层中原子核的种类及其数量，不同靶 核与中子发生弹性散射的截面不同，每次散射的平均能量损失不同，因 而，它们的减速长度不同。在孔隙度相同的情况下，由下图可知，不同岩 性的地层，快中子的减速长度不同。
相同孔隙度条件下： 砂岩的减速能力最差， 白云岩的最好。
第九章 中子测井
第一节 中子测井的核物理基础 第二节 超热中子测井 第三节 补偿中子孔隙度测井 第四节 中子伽马测井
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第一节 中子测井的核物理基础
一 、中子和中子源
1.中子 中子：原子核中不带电的中性微小粒子，它与质子以很强的 核力结合在一起，形成稳定的原子核。
中子分类：
根据中子的能量可将中子分为：
第二节 超热中子测井
(2)油气的含氢指数 液态烃与水的含氢指数相近，而天然气的含氢指数很低，且随 温度和压力而变。
对分子式为CHx（分子量12+x），密度为ρh的烃：
Hh
9x 12x
h
对以CH4为主的天然气（ρg<0.25），上式近似为 Hg=2.2ρg
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第二节 超热中子测井
对以CnHnx为主的石油，根据原油化学分析有： x=4-2.5ρg
探测器离源较远：孔隙度越大，计数率越低，对应长源距；
探测器离源较近：孔隙度越大，计数率越高，对应短源距；
探测器离源某一位置：计数率与孔隙度无关，对应零源距。
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第二节 超热中子测井
4、地层的含氢指数
氢是地层中最主要的减速剂。因此，氢含量的高低决定了地层的减 速能力，实际用含氢指数来反映地层中氢元素的多少。
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第二节 超热中子测井
四、井壁中子孔隙度的响应方程
砂岩、白云岩、石灰岩实际刻度井建立含氢指数（中子孔隙 度）与岩性及孔隙度的关系。
对于含水纯岩石：
SN P(1)Nm a Nf
由上述方程可求得地层孔隙度：
SNP Nma
Nf Nma
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第三节 补偿中子测井
补偿中子测井：远、近两个热中子探测器，用远、近探测器计 数率的比值测量地层含氢指数，刻度后可转化为石灰岩孔隙度。
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第二节 超热中子测井
饱和淡水地层：砂岩： φN<φ； 白云岩：φN>φ； 石灰岩：φN=φ；
以上是骨架宏观减速能力不同造成(砂岩骨架的宏观减速
能力小于石灰岩，白云岩骨架的减速能力大于石灰岩)，这种
差别是岩性对中子测井的影响，也是识别岩性的依据。 砂岩
石灰岩
计
白云岩
数
率
φN
孔•隙21 度
计数率与孔隙度的关系(长源距)
2Mev中子弹性散射的特点
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第一节 中子测井的核物理基础
减速能力大小可用减速时间和减速距离表示。 减速时间：快中子从初始能量减速为热中子能量所需 时间； 减速距离Ls：在减速时间内，中子移动的直线距离Rd。
Ls=SQRT(Rd2/6) 基本规律：
散射截面越大，散射能量损失越大，减速能力越强， 减速时间越短，减速距离Ls越小。
使用同位素中子源可以不考虑非弹性散射，而使用脉
冲中子源会存在非弹性散射核反应。
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第一节 中子测井的核物理基础
2、快中子对原子核的活化 快中子+稳定原子核=>放射性原子核=>活化核衰变 +活化伽马射线
硅活化(n,p)：
1S 42i 80n1 1A 3 2l 81p1
1A 32 l81S 42i 8 Q (1 .78 ) 2
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第一节 中子测井的核物理基础
4.热中子扩散和俘获
(1) 热中子的扩散
形成热中子后，中子不再减速，而像气体分子一样处于扩 散过程。由密度大的地方向密度小的区域扩散，直到被地层原 子核俘获为止。
(2)辐射俘获核反应
靶核俘获一个热中子而变为激发态的复核，然后，复核放 出一个或多个几个光子，回到基态。
则：
Ho9(14622..55oo)o
如ρo=0.85g/cm3，Ho=1.034。
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第二节 超热中子测井
(3)与有效孔隙度无关的含氢指数 a. 泥质：束缚水、粘土矿物结晶水、泥质具有很高的含氢 指数（纯泥岩的中子孔隙度作为泥质的含氢指数），取决 于泥质孔隙体积和矿物成分。 b. 石膏：CaSO4·2H2O ，其孔隙度为零，但含氢指数约为 0.49，得到的中子孔隙度为49%。
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第二节 超热中子测井
2.孔隙度的影响
在地层中所有的核素中，氢核减素能力最强，远远超 过其它核素。因此，地层的减速能力取决于地层中氢的含 量，氢主要存在于孔隙流体中，因此，孔隙度增大，减速 能力增强。
相同岩性条件下： 孔隙度越高，减 速能力越强。
有更多快中子变为
慢中子
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第二节 超热中子测井
由于气体的挖掘效应，导致中子计数率高，中子孔隙度偏小。
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第二节 超热中子测井
三、井壁中子孔隙度环境校正
刻度的标准条件：地层水井液为淡水，井径7.875"，温度为 75华氏度，压力1个大气压，井壁无泥饼，不符合条件的，原则 上讲都必须校正。 (1)井径校正； (2)水垫校正，滑板与地层间泥浆； (3)泥饼校正（普通泥浆，重晶石泥浆），泥饼厚度确定； (4)矿化度校正，影响不大； (5)温度压力校正（高温使减速能力降低，高压又使减速能力增 强），校正量较低。
热中子寿命约小。
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第一节 中子测井的核物理基础
三、中子探测器
测量对象：经中子与地层中核素发生弹性散射生成的热中子、 超热中子。 探测方法： 超热中子、热中子与探测器物质的原子核发生 反应=> 放出电离能力很强的带电离子=> 探测器内形成脉 冲电流或闪烁荧光，产生电压负脉冲
探测器类型：硼、锂、氦、锗 热中子探测器： 超热中子探测器：外层加有镉，吸收掉热中子；
3.源距对计数率的影响
孔隙度、岩性不同，造成超
计
热中子的空间分布不同：
数
孔隙度越大，减速长度越
率
小，则在源附近的超热中子越多；
砂岩 石灰岩 白云岩
孔隙度越小，减速长度越大， 则离源较远的空间超热中子越多。
孔隙度 计数率与孔隙度的关系(长ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ距)
实际应用的均为长源距中子测井。
探测器到源之间的距离称为源距，有：