中子孔隙度测井

第3章 同位素中子源测井
• 中子注量率：空间一定点上，单位时间内接收到的中子
注量称为中子注量率，常用φ表示，单位为n/(cm2∙s) 或
(cm-2∙s-1)，又称为中子通量。 • 对于放射性核素中子源，设测量位臵和源相距为R，且 R远大于源的尺寸，则可以把中子源看成点源，由于其 放出的中子基本上是各向同性的，所以在R处的中子注 量率可按照下式计算：
2
k a / D
2
第3章 同位素中子源测井
• 根据边界条件，最终可以得到：
1 kr (r ) e 4Dr
• 表示无限介质内每秒钟放出一个中子点源周围在
定态下的中子通量分布。 • 定义扩散长度为L ：L
1/ k 1/ D / a
1 r / L (r ) e 4Dr
用，超热中子和热中子测井问世。
第3章 同位素中子源测井
• 一、中子与地层的作用及扩散理论
• 1、中子与地层物质原子核的作用
• （1）弹性散射
• 中子与原子核发生碰撞后，系统的总动能不变，中子
所损失的能量全部转变为反冲核的动能，剩余核处于 基态 ； • 中子通过弹性碰撞损失能量的过程，不会伴随伽马射 线产生；
2 2
第3章 同位素中子源测井
• 4、中子伽马射线的空间分布 • 热中子通量在地层中的分布主要由地层的减速性 质（含氢量）决定，但发生热中子 ( n, ) 反应放 出的中子伽马射线与氢及其它几种核素都有关。
• 热中子分布的整个范围就是一个空间伽马源，其
源强度是地层中的核素每俘获一个热中子平均产 生的光子数a、宏观俘获截面Σ和热中子通量φ的 乘积。
降低速度，成为超热中子。中子的减速长度L反映
第3章 同位素中子源测井
• ①随着源距的增加，超热中子通量减小，且开始减
小得快，然后呈对数线性减少；
• ②当源距为某一确定值r0时，中子通量对地层无分
辨能力，称为零源距；不同地层组合零源距不同； • ③当源距小于r0时，地层孔隙度越大，减速能力越 强，超热中子通量越高，这一范围称为负源距； • ④当源距大于r0时，地层孔隙度越大，减速能力越 弱，超热中子通量越低，这一范围称为正源距。
的减速剂所需要的热化碰撞次数相差很大，1H核：
18.2， 12C核：114，16O核：150；而能量为1MeV的 中子热化成热中子，28Si核：244；40Ca核：340。 • 因此岩石骨架虽然不含氢，但具有等效的含氢指数。
第3章 同位素中子源测井
• （5）孔隙性纯岩石地层的含氢指数 • 孔隙度为φ、充满淡水的纯岩石含氢指数表达式为：
H H ma (1 ) HW
• 中子测井时测得的孔隙度实质上就是等效含氢指数； 刻度条件：使饱含淡水石灰岩地层的含氢指数等于充 淡水孔隙度，则石灰岩地层
H ma 0
H
• 其他岩性地层，需要进行岩性校正；只有岩性、孔隙 流体、井眼条件与仪器刻度条件相同时含氢指数等于 总孔隙度。
第3章 同位素中子源测井
热中子分布
伽马分布
第3章 同位素中子源测井
• 二、超热中子测井—井壁中子孔隙度 测井（SNP）
• 超热中子测井记录能量略高于热中子的中子，记
录超热中子仍采用热中子探测器，如He-3管。
• 方法：①探测器外加热中子吸收剂（镉）作屏蔽
层—目的是用来吸收热中子； • ②屏蔽层与探测器之间加慢化剂（塑料，石蜡等 高H物质）—目的是使穿过屏蔽层的超热中子迅 速变为热中子。
0.01
3.0x10
-3
1E-3
3% 33.8% 100%
2.0x10
-3
1E-4
3% 33.8% 100%
1E-5
-2
/cm
/cm
-2
1E-6
1.0x10
-3
1E-7
0.0
1E-8
1E-9 0 10 20 30 40 50 60
0 2 4 6 8 10
r/cm
r/cm
不同孔隙度砂岩地层超热中子计数与源距的关系
第3章 同位素中子源测井
• （3）活化反应
• 快中子和热中子都能使原子核活化，使稳定核素
转变为放射性核素，这些核素成为活化核按其固
有的半衰期进行衰变，并释放出β或γ粒子，这种
反应称为中子活化反应。
第3章 同位素中子源测井
• 2、含氢指数 • 地层对快中子的减速能力主要决定于它的含氢量。 • 在中子测井中，将淡水的含氢量规定为一个单位，
第3章 同位素中子源测井
• 放射性中子源 发射的中子能量只有几MeV，中子
与地层的相互作用过程为弹性散射、俘获辐射和
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热中子活化核反应。
• 根据测量对象的不同，分为超热中子测井、热中 子测井和中子伽马测井；最早出现的是中子伽马 测井，先用盖革米勒计数管，后又出现闪烁体探 测器；随着中子探测器，尤其是He-3计数管的应
Q 4R 2
• 式中：Q是中子源的强度，即每秒钟放出的中子总数。
第3章 同位素中子源测井
• （2）扩散方程
• 若介质的宏观俘获截面为Σa，中子的通量为φ，则
每秒钟每立方厘米被吸收的中子数为Σaφ，满足平
衡方程：
D a S 0
2
• 除中子源所在的位臵外，S=0，故有
d 2 d 2 k 0 2 r dr dr
• 氢俘获一个热中子后会放出能量为2.23MeV的伽 马射线，微观截面为0.332b；
• 氯原子核俘获热中子后放出的主要伽马射线有：
1.17、1.95、6.11、6.62和 7.42MeV，在常见地层
核素中俘获能力最强；
• 硅俘获热中子放出的伽马射线：3.54MeV和 4.93MeV； • 钙俘获热中子放出的伽马射线有：1.94、4.42和 6.42MeV。
x 2 H 9 O 9 O 1.286 O 12 x 12 2
• 若原油密度为0.85g/cm3，含氢指数为1.09；地 层条件下若天然气密度为0.2g/cm3，含氢指数为 0.45。
第3章 同位素中子源测井
• （3）与有效孔隙度无关的含氢指数
• 对于石膏，其分子式为 CaSO 2H O ，密度为 4 2 2.32g/cm3，则有
第3章 同位素中子源测井
中子能量从E0变到1.44eV时相应的中子减速长度
中子能量/MeV 3.0 2.0 1.0 H（γg=1） 0.725~0.865 0.603~0.707 0.463~0.52 C(ρ=1.6) 19.2~19.8 17.7~18.2 15.9~16.2 O（γg=1） 56.8~62.6 48.6~50.0 42.2~42.6 H2O 6.4 5.3 3.8 D2 O 10.5~11.9 10.1~10.9 9.7~10.2
第3章 同位素中子源测井
• （6）挖掘效应
• 与饱含淡水的地层相比，地层含有天然气时，一
部分孔隙空间的水被气代替，不仅含氢指数减小，
而且还会造成岩石对快中子的减速能力，即天然
气使中子孔隙度减小的量比含氢指数减小的量还 要小，相等于挖掘了一定体积的骨架，生成了一 个负的含氢指数附加值，这一效应称为挖掘效应。
第3章 同位素中子源测井
• 设有两个中子减速性质不同的均匀无限地层，相应
的扩散系数和减速长度分别为D1、D2和L1、L2，则
超热中子通量分别为： 1 r / L1 1 (r ) e 4D1r • 其比值为：
1 2 (r ) e r / L2 4D2 r
( L1 L2 )r L1L2
• 慢化的快中子经过地层的进一步作用变成热中子，
热中子在扩散过程中又会被原子核吸收，因此热 中子的通量满足方程为：
D2 2 a2 2 a11 0
2
• 其解为 ：
L 1 r / L1 r / L2 2 (r ) (e e ) 2 2 4D2 r L1 L2
1 (r ) D2 e 2 (r ) D1
• 若地层1孔隙度大于地层2，则D1<D2和L1<L2，可 分析超热中子通量随源距的变化规律。
第3章 同位素中子源测井
• 2、超热中子测井技术 • （1）原理 • 同位素中子源发出快中子，在地层运动过程中和地 层中的各种原子核发生弹性散射，而逐渐损失能量、
第3章 同位素中子源测井
• （3）双组扩散理论
• 把中子减速过程分为两个阶段：快中子减速阶段
和热中子扩散阶段。
• ①快中子减速阶段
• 快中子的通量分布为 ：
1 r / L 1 (r ) e 4D1 r
• D1为快中子扩散系数，L1为快中子减速长度。
第3章 同位素中子源测井
• ②热中子的扩散阶段
物的摩尔质量。
N A x H k( ) M
第3章 同位素中子源测井
• 对于淡水，其含氢指数可以表示为：
N A x 2 1 1 H k( ) kN A kN A 1 M 18 9
• 则有
kNA 9
• 化合物的含氢指数为：
x H 9 M
第3章 同位素中子源测井
• （2）原油和天然气的含氢指数 • 液态烃的含氢指数与淡水接近，而天然气（分子式 为）的氢浓度很低，并且随温度和压力而变化， 含氢指数很小。
数。
第3章 同位素中子源测井
• 其中超热中子的平均减速长度和中子的减速长度 近似相等，不同能量的中子减速长度不同。 • 由于对中子减速起主要作用的是氢元素，而岩石
地层的减速能力能够反映孔隙中的油和水的多少，
即因此就可以确定地层孔隙度的大小，这就是超 热中子孔隙度测井的基本原理。
第3章 同位素中子源测井
然气的含氢指数有关，天然气的含氢指数越小，气
占的孔隙体积越大，挖掘效应的作用就越强。
第3章 同位素中子源测井
• 3、扩散理论
• （1）中子注量和中子注量率
• 中子注量：在空间一定点上，在一段时间间隔内，
不论以任何方向射入以该点为中心的小球体的中
子数目与该球体的最大截面积的比值定义为中子 注量，常用Ф表示，单位是n/cm2或cm-2。
0.50 0.25
0.10
0.375~0.411 0.328~0.352
0.293~0.309
14.7~15.0 13.7~14.1
13.2~13.3
38.6~39.1 37.9~38.2
36.8~37.1
3.1 2.7
2.4
9.4~9.9 9.1~9.5
8.8~9.2
第3章 同位素中子源测井
• 挖掘效应的大小与岩性、孔隙度、含水饱和度及天
第3章 同位素中子源测井
• 每次弹性碰撞快中子损失的能量与靶核的质量数
A，碰撞前中子的能量及散射角有关；
• 氢核和中子弹性碰撞时损失的能量最大，氢是最
好的中子减速剂。
• （2）辐射俘获核反应
• 靶核俘获一个热中子而变为激发态的核，然后复
核放出一个或几个光子，回到基态，这就是辐射 俘获反应。
第3章 同位素中子源测井
而1cm3任何岩石或矿物中的氢核数与同样体积的淡
水的氢核数的比值定义为它的含氢指数，用H或者
HI来表示，与单位体积中介质的氢核数成正比。
第3章 同位素中子源测井
• （1）含氢指数的表达公式 • 对于化合物，其含氢原子核数目为：
N A x N M
• 其中NA为阿伏伽德罗常数，x为一个化合物分子
中含有的氢原子数，ρ为化合物的密度，M为化合
第3章 同位素中子源测井
• 1、超热中子通量的空间分布
• 测井时分布于中子源周围的中子能量较宽，若只记录
超热中子可以把中子源发出的快中子和地层的作用看
成超热中子在地层中的扩散过程，此时
1 e , L Le , D1 De
• 超热中子的通量分布为 ：
1 r / Le e (r ) e 4De r • 式中 De 和 Le 分别为超热中子的平均扩散长度和扩散系
• 烃的分子式为 nCH x ，其含氢指数可以写为：
nx x H 9 9 n(12 x) 12 x
第3章 同位素中子源测井
• 甲烷（CH4)的含氢指数为： x 4 H 9 CH 4 9 CH 4 2.25CH 4 12 x 12 4
• 原油（CH2）的含氢指数为：
x 9 4 2.32 H 9 0.49 M 40 32 64 36
• 泥质：主要包括束缚水、粘土矿物结晶水等，因
此泥质具有很高的含氢指数，主要取决于泥质孔
隙体积和矿物成分，一般可达0.15~0.3。
第3章 同位素中子源测井
• （4）与岩性有关的等效含氢指数 • 对快中子减速其主要作用的是氢，但其他原子核也有 减速作用。 • 假设能量为2MeV的中子要热化成热中子，选用不同