中子孔隙度测井概述
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第九章__中子测井
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-超热中测井（SNP）—井壁中子测井中子-热中子测井（CNL）—补偿中子测井一、中子测井的核物理基础1 中子和中子源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。
通常中子与质子以很强的核力结合在一起，形成稳定的原子核。
要使中子从原子核里释放出来，就必须供给一定的能量。
如果使原子核获得的能量大于中子结合能，中子就可能从核中发射出来。
可以用α粒子、氘核d、质子p或γ光子轰击原子核，引起各种核反应，使中子从核内释放出来。
这种产生中子的装置称中子源。
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；能量等于0.025电子伏特的中子为热中子。
一、中子测井的核物理基础1 中子和中子源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。
地球物理测#(第三章)中子测井
中子测井的原理
中子源向地层发射中子，中子与地层中的原子核发生碰撞， 损失能量并减速，通过测量中子的能量和速度变化，可以推 断地层的岩性、孔隙度、含油气性等信息。
中子测井利用了中子与地层物质的相互作用，包括弹性散射 、非弹性散射、俘获等，通过测量这些相互作用来获取地层 信息。
中子测井的应用
中子测井广泛应用于石油、天然气等矿产资源的勘探和开发中，可以用于确定地 层的岩性、孔隙度、含油气性等信息，为地质学家和工程师提供重要的数据支持 。
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实例三：中子测井在油气勘探中的综合应用
要点一
总结词
要点二
详细描述
该实例概述了中子测井在油气勘探中的综合应用，强调了 中子测井与其他地球物理测井方法的协同作用。
在油气勘探过程中，中子测井技术常与其他地球物理测井 方法结合使用，如密度、声波和电阻率测井等。通过综合 分析各种测井数据，可以更准确地评估地层的岩性、孔隙 度和含油性。该实例详细介绍了中子测井在油气勘探中的 综合应用流程，包括数据采集、处理和解释等环节，并强 调了中子测井与其他方法的协同作用，以提高勘探效率和 准确性。
优点
能够提供较为准确的地层含油性信息， 同时测量孔隙度、渗透率等参数。
缺点
对测量环境要求较高，容易受到其他 因素的影响。
04 中子测井解释
岩石孔隙度的确定
总结词
中子孔隙度指数
总结词
孔隙度模型
详细描述
中子孔隙度指数是利用中子测井数据计算岩石孔 隙度的常用方法。它基于中子孔隙度与岩石骨架 密度的关系，通过测量中子孔隙度来间接确定岩 石孔隙度。
05 中子测井实例分析
实例一：某油田的中子测井解释
第9章中子测井
少，运动速度降低-->继续碰撞其它原子核.反复多次，能量 不断损失，速度不断减慢，最后中子成为热中子，此过程为 快中子的减速过程。
初始能量为2百万伏特的中子 在不同元素中减速成为热中子时，碰撞特征及能量损失
元素 钙 氯 硅 氧 碳
散射截面(巴) 9.5 10 1.7 4.2 4.8
氢 45
原子量
40.1 35.9 28.1 16.0 12.0 1.0
属于放射性测井，它是利用岩石中含氢量来研究岩石性质
和孔隙度的一种测井方法。
下井仪包括中子源与探测器
中子源→中子→进入岩层,同物质原子核发生碰撞、减速、 散射、被俘获的情况与地层氢（H）含量有关
探测器：探测中子和伽马射线。
Hale Waihona Puke 一般的中子测井就是利用与源有一定距离的中子探测器来测量超 热中子（0.2～10eV）或热中子（0.025eV）的密度。
11H + 10n→ 21H + r
热中子被元素原子核俘获几率取决于元素俘获能力，通常 用俘获截面来量度，单位 巴。
➢单位cm2，大多数在10-24 cm2数量级，定义为巴。
➢发生两种过程（散射、俘获）的总有效截面为全有效
截面。
➢单位体积物质的有效截面为各个原子核有效截面的总
和，称为宏观有效截面，用Σ表示
井壁中子测井
这是中子测井的第二代仪器，实为超热中子测井，使用一个 中子探测器，源到探测器的距离为0.42m，中子计数管外包有镉 和石蜡层，使其只能记录超热中子，中子源和探测器装在同一滑 板上，用推靠器使滑板紧贴井壁，井壁中子测井记录的是地层孔 隙度值，这种仪器有以下优点：
⑴ 探测器贴井壁，减少了井的影响；
和石灰岩地层模块孔隙充填淡水，无泥饼，井温240c，压 力1atm,仪器偏心。实测测井时，条件与刻度条件不同， 相差远，需校正。
初始能量为2百万伏特的中子 在不同元素中减速成为热中子时，碰撞特征及能量损失
元素 钙 氯 硅 氧 碳
散射截面(巴) 9.5 10 1.7 4.2 4.8
氢 45
原子量
40.1 35.9 28.1 16.0 12.0 1.0
属于放射性测井，它是利用岩石中含氢量来研究岩石性质
和孔隙度的一种测井方法。
下井仪包括中子源与探测器
中子源→中子→进入岩层,同物质原子核发生碰撞、减速、 散射、被俘获的情况与地层氢（H）含量有关
探测器：探测中子和伽马射线。
Hale Waihona Puke 一般的中子测井就是利用与源有一定距离的中子探测器来测量超 热中子（0.2～10eV）或热中子（0.025eV）的密度。
11H + 10n→ 21H + r
热中子被元素原子核俘获几率取决于元素俘获能力，通常 用俘获截面来量度，单位 巴。
➢单位cm2，大多数在10-24 cm2数量级，定义为巴。
➢发生两种过程（散射、俘获）的总有效截面为全有效
截面。
➢单位体积物质的有效截面为各个原子核有效截面的总
和，称为宏观有效截面，用Σ表示
井壁中子测井
这是中子测井的第二代仪器，实为超热中子测井，使用一个 中子探测器，源到探测器的距离为0.42m，中子计数管外包有镉 和石蜡层，使其只能记录超热中子，中子源和探测器装在同一滑 板上，用推靠器使滑板紧贴井壁，井壁中子测井记录的是地层孔 隙度值，这种仪器有以下优点：
⑴ 探测器贴井壁，减少了井的影响；
和石灰岩地层模块孔隙充填淡水，无泥饼，井温240c，压 力1atm,仪器偏心。实测测井时，条件与刻度条件不同， 相差远，需校正。
测井基础概述(全文)
测井概述1、测井的概念：测井，也叫地球物理测井或矿场地球物理，简称测井，是利用岩层的电化学特性、导电特性、声学特性、放射性等地球物理特性，测量地球物理参数的方法，属于应用地球物理方法（包括重、磁、电、震、核）之一。
简而言之，测井就是测量地层岩石的物理参数，就如同用温度计测量温度是同样的道理；石油钻井时，在钻到设计井深深度后都必须进行测井，以获得各种石油地质及工程技术资料，作为完井和开发油田的原始资料。
这种测井习惯上称为裸眼测井。
而在油井下完套管后所进行的二系列测井，习惯上称为生产测井或开发测井。
其发展大体经历了模拟测井、数字测井、数控测井、成像测井四个阶段。
2、测井的原理任何物质组成的基本单位是分子或原子，原子又包括原子核和电子。
岩石可以导电的。
我们可以通过向地层发射电流来测量电阻率，通过向地层发射高能粒子轰击地层的原子来测量中子孔隙度和密度。
地层含有放射性物质，具有放射性（伽马）；地层作为一种介质，声波可以在其中传播，测量声波在地层里传播速度的快慢（声波时差）。
地层里的地层水里面含有离子，它们会和井眼中泥浆中的离子发生移动，形成电流，我们可以测量到电位的高低（自然电位）。
3、测井的方法1）电缆测井是用电缆将测井仪器下放至井底，再上提，上提的过程中进行测量记录。
常规的测井曲线有9条；2）随钻测井（LWD-log while drilling）是将测井仪器连接在钻具上，在钻井的过程中进行测井的方式。
边钻边测，为实时测井（realtime),井眼打好之后起钻进行测井为(tipe log)；4、测井的参数1.GR-自然伽马GR是测量地层里面的放射性含量，岩石里粘土含放射性物质最多。
通常，泥岩GR高，砂岩GR低。
2.SP-自然电位地层流体中除油气的地层水中的离子和井眼中泥浆的离子的浓度是不一样的，由于浓度差，高浓度的离子会向低浓度的离子发生转移，于是就形成电流。
自然电位就是测量电位的高低，以分辨砂岩还是泥岩。
中子测井原理及应用
常规中子孔隙度测井
授课人：李品 单位：武汉地大华睿地学技术有限责任公司
常规中子孔隙度测井
• 一、中子测井的一般原理
• 二、中子-中子测井
• 三、中子-伽玛测井
一、中子测井的一般原理
（一）弹性碰撞中的快中子能量损失
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0.025ev时，这时的中子为热中子。中子变为热中子时，就像分子 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。 对于初始能量为2Mev的快中子，在不同元素中减速为热中子所需的评价碰撞次 数如下表所示
例如用补偿中子测井得出视石灰岩孔隙度14%，对于石灰岩即为
地层的真孔隙度；对于白云岩，地层的真孔隙度为7%；对于砂岩， 地层的真孔隙度为18%，如图2-20中标有的虚线所示。单独用中子 测井确定孔隙度时。。。！
2)中子-密度、中子-声波组合确定地层 孔隙度和判断岩性 图2-21是中子-密度测井确定岩性和孔 隙度的交会图。通过补偿密度测井和补偿 中子测井读数,在图中得出交会点,由交会点 的位置即可得出相应的岩性和孔隙度。
直接反映着孔隙度的大小，因此，中子-热中子测井读数同岩石的孔隙度之间
具有如下的关系：
lgN=−aφ +b
式中：N为热中子计数率
（2-26）
a为与井径、源距等有关的系数， b为仪器常数
二、中子-中子测井
（一）中子-中子测井原理
1、中子-热中子测井
利用式（2-26），可以在已知系数a和b的情况下，由中子 -热中子测井读数求得探测地层的孔隙度。但是，当含氢量一定 的岩石中还含有俘获能力很大的元素（如氯元素时），由于热 中子被强烈吸收，使热中子密度明显降低（见图2-13）.此时， 测井读数将不再是岩石含氢量的单衣反映，由此计算的岩石孔 隙度将产生较大的误差。
授课人：李品 单位：武汉地大华睿地学技术有限责任公司
常规中子孔隙度测井
• 一、中子测井的一般原理
• 二、中子-中子测井
• 三、中子-伽玛测井
一、中子测井的一般原理
（一）弹性碰撞中的快中子能量损失
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0.025ev时，这时的中子为热中子。中子变为热中子时，就像分子 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。 对于初始能量为2Mev的快中子，在不同元素中减速为热中子所需的评价碰撞次 数如下表所示
例如用补偿中子测井得出视石灰岩孔隙度14%，对于石灰岩即为
地层的真孔隙度；对于白云岩，地层的真孔隙度为7%；对于砂岩， 地层的真孔隙度为18%，如图2-20中标有的虚线所示。单独用中子 测井确定孔隙度时。。。！
2)中子-密度、中子-声波组合确定地层 孔隙度和判断岩性 图2-21是中子-密度测井确定岩性和孔 隙度的交会图。通过补偿密度测井和补偿 中子测井读数,在图中得出交会点,由交会点 的位置即可得出相应的岩性和孔隙度。
直接反映着孔隙度的大小，因此，中子-热中子测井读数同岩石的孔隙度之间
具有如下的关系：
lgN=−aφ +b
式中：N为热中子计数率
（2-26）
a为与井径、源距等有关的系数， b为仪器常数
二、中子-中子测井
（一）中子-中子测井原理
1、中子-热中子测井
利用式（2-26），可以在已知系数a和b的情况下，由中子 -热中子测井读数求得探测地层的孔隙度。但是，当含氢量一定 的岩石中还含有俘获能力很大的元素（如氯元素时），由于热 中子被强烈吸收，使热中子密度明显降低（见图2-13）.此时， 测井读数将不再是岩石含氢量的单衣反映，由此计算的岩石孔 隙度将产生较大的误差。
测井解释基础知识-概述说明以及解释
测井解释基础知识-概述说明以及解释1.引言1.1 概述测井是石油工程中一项重要的技术手段，它通过使用特殊的工具和设备在钻井过程中获取井内的各种数据，以评估地下地层的性质和含油气性能。
这些数据对于油气田的勘探、开发和生产起着至关重要的作用。
测井技术在油气勘探和开发中扮演着关键的角色。
通过测井可以准确地了解油气藏中地层的性质，包括储集层的厚度、孔隙度、渗透率等。
同时，测井数据可以获得地层的物理性质，如密度、声波速度、电阻率等，从而可以计算出地层的含油气饱和度和产能。
测井数据的获取方法包括电测井、声测井、密度测井、核磁共振测井等多种技术手段。
这些测井工具可以通过装备在钻井井筒中的测井仪器进行数据采集。
测井数据的获取主要依靠钻井过程中向井内发送的信号与地层反射或吸收的物理现象产生的信号之间的相互作用。
测井解释是对测井数据进行分析和解释的过程，以得出地层性质和含油气信息，并为油气田的开发提供决策依据。
通过对测井数据的解释，可以确定油气藏的储量、底部流压、裂缝分布等重要参数，为决策者提供合理的勘探和开发方案。
总之，测井是一项通过获取井内数据进行地层评价的重要技术。
它对于优化勘探开发策略，提高油气田的产能和经济效益具有重要意义。
测井解释作为测井技术的核心环节，为油气田的勘探与开发提供科学依据，为石油工程的发展做出了重要贡献。
1.2文章结构1.2 文章结构本文按以下结构进行组织和讨论：（1）引言：首先介绍本文的背景和目的，概述测井解释的基本概念和重要性。
（2）正文：本部分将详细介绍测井的定义和作用，以及获取测井数据的方法。
其中，关于测井的定义和作用部分，将探讨测井在勘探和开发油气田中的重要作用，以及其对油气储层评价和井筒工程的意义。
关于测井数据的获取方法部分，将介绍目前常用的测井工具及其原理，如电测井、声波测井、核子测井等。
（3）结论：在本节中，将强调测井解释的重要性，并讨论其在油气勘探开发、地质研究及工程应用领域的具体应用。
6中子
确定地层孔隙度
测井给出了石灰岩刻度的φN曲线，其它确定岩性 φD –φN曲线重叠直观确定岩性（视石灰岩刻度） 砂 岩： φD > φ真 >φN 石灰岩： φD ＝ φ真 ＝φN 白云岩： φD < φ真 <φN FDC与CNL石灰岩孔隙度曲线重叠，定性判断气层
4
（3）影响中子计数率的因素
超热中子的分布只与含氢量有关， 基本不受俘获影响； 热中子的空间分布既与岩层的含氢 量有关，又与含氯量有关； 孔隙度越大，含氢越多，测井时计 数率越低； 通过热中子计数反映岩层含氢量， 进而反映孔隙度时，氯就是干扰因 素。补偿中子测井的“补偿”就是 补偿掉氯的影响。 探测超热中子和热中子的探测器不 同，并且对热中子计数效率更高。
气层使密度测井值减小，中子测井孔隙度减小。（声 波时差增大）
12
中子与密度测井曲线 重叠法划分岩性
13
中子孔隙度测井
6.1 测井物理基础 6.2 测井原理 6.3 主要应用
6.4
中子伽马测井
6.5 脉冲中子测井简介
14
6.4 中子伽马测井
热中子被俘获，产生伽马射线，称为俘获伽马或中子伽马， 记录此射线强度的测井就是中子伽马测井； 是最早使用的核测井方法之一，定性应用较有效，目前仍在 使用。
是指使用脉冲中子源的一类中子测井。简单介绍中子 寿命测井和碳氧比测井两种方法。
（1）中子寿命测井（NLL）
中子寿命：热中子从生成到被俘获吸收为止经历的平均时 间。也称为热中子衰减时间（TDT）。 快中子减速变为热中子的过程主要跟地层中的含氢量有关， 而热中子被俘获则主要与地层中含氯量有关。
热中子衰减规律：
中子测井和孔隙度的关系
中子测井和孔隙度的关系
中子测井是一种地球物理勘探技术，用于确定岩石中的孔隙度。
中子测井仪器发射中子束到岩石中，中子与岩石中的核发生作用，
产生散射，通过测量散射中子的能量和数量来推断岩石的孔隙度。
中子测井和孔隙度之间的关系可以从以下几个方面来解释。
首先，中子测井测量的是岩石中的氢含量，而孔隙度是指岩石
中孔隙的体积与岩石总体积的比值。
由于水和油等流体中含有丰富
的氢原子，因此中子测井可以间接地反映岩石中的孔隙度。
当岩石
的孔隙度增大时，岩石中的流体含量也会增加，从而导致中子测井
测量到的散射中子数量增加。
其次，中子测井测量的是岩石中的总含氢量，而孔隙度则是反
映岩石中孔隙的大小和分布情况。
在一定条件下，孔隙度越大，岩
石中的含氢量也会相应增加，这会对中子测井的测量结果产生影响。
此外，中子测井还可以通过测量散射中子的能量来推断岩石的
密度，而岩石的密度与孔隙度之间也存在一定的关系。
通常情况下，孔隙度较大的岩石密度较低，孔隙度较小的岩石密度较高，这种关
系也会影响中子测井的测量结果。
综上所述，中子测井和孔隙度之间存在着密切的关系，中子测井可以通过测量岩石中的氢含量来间接反映孔隙度的大小，但需要结合岩石密度等因素进行综合分析和解释。
在实际勘探和开发中，中子测井技术可以为确定储层孔隙度提供重要的地质信息。
脉冲中子孔隙度测井
达拉斯,德克萨斯美孚研发公司 文摘 脉冲中子孔隙度 (PNP)测井是一种通过测定超热中子发射脉冲中子随 时间的衰减来确定地层孔隙度的新方法。 脉冲中子技术相比于稳态 中子孔隙度测井可以提供很好的孔隙度灵敏度和减少岩性依赖。 一个 PNP 型模本测井仪已经被制造和测试。这套仪器包含一个脉冲控制 14-MeV 中子生产的中子管,一个超热中子探测器(3He 覆盖着 Gd 箔), 和一个关于生产中子探测脉冲，探测超热中子的时间分析器。超热中 子形成于脉冲生产中,然后以一个随地层孔隙度变化的速率衰减。其 孔隙度灵敏度优于现有的声波、密度、补偿中子技术。 现场测试的一些油井展示了优秀的可重复性。 相比于中子补偿和井壁 超热中子测井显示了类似的测井特点,但在一些区域有差异,显示了很 好的岩心孔隙度，显然是减少和降低页岩岩性依赖反应有关。 引言 使用核技术的孔隙度测井巳开展多年。 早期的井下仪包括密封的
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长江大学
中子源及单个伽马和热中子探测器。 由这些仪器测定孔隙度常常很不 理想，因为除地层的孔隙度之外，还有许多变量影响测量。井壁中子 孔隙度仪(Tittman 等 .1966)使这些问题得以减少， 它是将源和探测器 固定在与井壁接触的压紧装置上，测定超热中子。但低计数率和无法 统计规律的揉皱孔隙仍是一个的问题,然而， （Allen 等，1967)建议使 用两种热中子探测器在不同间距从源头补偿钻孔扰动。 这种中子补偿 系统(Alger 等.,1971)在今天仍被广泛使用。这套系统有两个热中子探 测器或者两个超热中子探测器 (Davis 等,1981)。 最近,使用中子产生加 速 器 连 续 输 出 模 式 系 统 已 经 被 开 发 出 来 (Gartner,Schnoor, 和 Sinclair,1986)。更换胶囊放射源中子发生器的系统因为放射源可以关 闭而使操作更加安全,以及当它开启时的更强烈的中子通量。 本文介绍一种新型的中子孔隙度仪。它带有一个脉冲中子发生器， 探测超热中子随时间的衰减。这种脉冲中子孔隙度 (PNP)仪是基于以 下原理工作:超热中子总数(Mills, 1978)的衰减率主要是中子与氢的相 互作用，且很少依赖于地层的岩性。PNP 法的随时间而变化的测量较 之稳态法减小了岩性效应，提高了固有孔隙的灵敏度。尤其，PNP 法 优于岩性效应较小的井壁中子孔隙度法， 并能由观测的超热中子衰减 获得偏距校正。脉冲中子俘获(PNC)也使用中子脉冲。但不应将 PNP 测井方法与 PNC 混为一谈。PNP 是孔隙度测量，它探测超热中子，且 使用较快的脉冲率。另一方面，PNP 主要确定孔隙度的生成、水饱和 和流体的盐度。PNC 测量由热中子俘获(主要在氯中)产生的γ射线，
中子测井
– 1、地层水（孔隙，泥质） 地层水（孔隙，泥质） – 2、石油及天然气。 石油及天然气。
• 地层对热中子的俘获截面越大，则对热中 地层对热中子的俘获截面越大， 子的俘获能力越强， 子的俘获能力越强，热中子扩散距离及寿 命越短。 命越短。 • 氯核素的俘获能力强。 氯核素的俘获能力强。
– 地层水（地层水矿化度） 地层水（地层水矿化度）
NMR
• 中子测井反映的是地层中含氢指数，因此 天然气水合物中子测井响应取决于单位体 积的氢原子数。当水合物形成时，要从相 邻地层中吸收大量淡水，同时单位体积水 合物中有20%的水为固态甲烷所取代，这就 导致一单位体积沉积物内的含氢量大大增 加。即便因水合物形成引起的沉积物密度 降低会减少沉积物的含氢量，但最终还是 会导致单位体积内沉积物的含氢量增加， 从而导致中子孔隙度增加。
中子测井的类别
• 超热中子测井（SNP）—井壁中子测井 （SNP） 井壁中子测井
– 由快中子源发出的快中子在地层中运动，与地 由快中子源发出的快中子在地层中运动， 层中的各核素发生弹性散射，能量逐渐减小， 层中的各核素发生弹性散射，能量逐渐减小， 速度降低，成为超热中子， 速度降低，成为超热中子，其减速过程的长短 与地层中的核素类型及数量有关。 与地层中的核素类型及数量有关。 有关 – 探测探测器周围中子变为热中子之前的超热中 子密度，以反映地层的中子减速特性， 子密度，以反映地层的中子减速特性，进而计 算储层孔隙度和对储集层进行评价。 算储层孔隙度和对储集层进行评价。
• 热中子测井（CNL）—补偿中子测井 （CNL） 补偿中子测井
– 由中子源发出的快中子在周围介质中减速成热 中子， 中子，探测热中子密度的测井方法叫热中子测 井。 – 补偿中子测井一是通过测量热中子计数率，确 补偿中子测井一是通过测量热中子计数率， 定地层的减速能力， 定地层的减速能力，判断地层岩性和计算地层 孔隙度的一种测井方法。补偿中子测井CNL CNL是 孔隙度的一种测井方法。补偿中子测井CNL是 较好的一种热中子测井方法。 较好的一种热中子测井方法。
• 地层对热中子的俘获截面越大，则对热中 地层对热中子的俘获截面越大， 子的俘获能力越强， 子的俘获能力越强，热中子扩散距离及寿 命越短。 命越短。 • 氯核素的俘获能力强。 氯核素的俘获能力强。
– 地层水（地层水矿化度） 地层水（地层水矿化度）
NMR
• 中子测井反映的是地层中含氢指数，因此 天然气水合物中子测井响应取决于单位体 积的氢原子数。当水合物形成时，要从相 邻地层中吸收大量淡水，同时单位体积水 合物中有20%的水为固态甲烷所取代，这就 导致一单位体积沉积物内的含氢量大大增 加。即便因水合物形成引起的沉积物密度 降低会减少沉积物的含氢量，但最终还是 会导致单位体积内沉积物的含氢量增加， 从而导致中子孔隙度增加。
中子测井的类别
• 超热中子测井（SNP）—井壁中子测井 （SNP） 井壁中子测井
– 由快中子源发出的快中子在地层中运动，与地 由快中子源发出的快中子在地层中运动， 层中的各核素发生弹性散射，能量逐渐减小， 层中的各核素发生弹性散射，能量逐渐减小， 速度降低，成为超热中子， 速度降低，成为超热中子，其减速过程的长短 与地层中的核素类型及数量有关。 与地层中的核素类型及数量有关。 有关 – 探测探测器周围中子变为热中子之前的超热中 子密度，以反映地层的中子减速特性， 子密度，以反映地层的中子减速特性，进而计 算储层孔隙度和对储集层进行评价。 算储层孔隙度和对储集层进行评价。
• 热中子测井（CNL）—补偿中子测井 （CNL） 补偿中子测井
– 由中子源发出的快中子在周围介质中减速成热 中子， 中子，探测热中子密度的测井方法叫热中子测 井。 – 补偿中子测井一是通过测量热中子计数率，确 补偿中子测井一是通过测量热中子计数率， 定地层的减速能力， 定地层的减速能力，判断地层岩性和计算地层 孔隙度的一种测井方法。补偿中子测井CNL CNL是 孔隙度的一种测井方法。补偿中子测井CNL是 较好的一种热中子测井方法。 较好的一种热中子测井方法。
第九章中子测井
三、 中子的探测
目前主要用于慢中子探测的核反应有：
5
B 0 n 3 Li α 2.792MeV
10 1 7
3
Li 0 n 1 H
6 1
3 1 3
3
α 4.780MeV
He 0 n 1 H p 0.765MeV 2
利用以上反应产生的α或p粒子使探测器的计数 管气体电离形成电脉冲信号，或使探测器的闪 烁体形成闪烁荧光产生电脉冲信号，记录中子。
中子测井仪是在饱含淡水的纯石灰岩刻度井 中将热中子或者超热中子计数率刻度为孔隙度， 记为N，常称中子孔隙度（即含氢指数）: 对饱含淡水的纯石灰岩： N = 对饱含淡水的纯砂岩： N < 对饱含淡水的白云岩： N >
5.与有效孔隙度无关的含氢指数 （1）泥质：因含束缚水和结晶水，因而有很 高的含指数。大小由泥质孔隙体积和矿物成分 决定。 （2）石膏： CaSO
V1（石灰岩）
V1( 石灰岩）
V2 （石灰岩）
V3（水）
V2(气)
V3(水)
N= V3 Hw= 3
N< V3 Hw= 3
二、补偿中子孔隙度测井 1.仪器 同位素中子源：产生5MeV快中子
近探测器（35 40cm）
远探测器（50 60cm） API单位
比值
得到热中子计数率
中子孔隙度
H S xo H w (1 S xo ) H h
但测井时会出现 ：
N SXO=XO
也就是说：当Hh=0,即把含天然气的孔隙体积当 做岩石骨架处理时N还小于XO，这说明天然 气对快中子的减速能力比石灰岩骨架还低，所 以显示为负的含氢指数，把天然气对中子测井 的这种影响称为挖掘效应。
地球物理测#(第三章)中子测井
N
n nma nf nma
密度测井：
D
ma b ma f
例题：如砂岩的孔隙度φ＝20%，ρma＝2.65g/cm3， 求该砂岩的密度测井视石灰岩孔隙度。
地球物理测井—核测井
地层密度测井
中子测井
三、补偿中子测井CNL
1、补偿中子测井的原理 （探测热中子密度）
补偿中子的探测器测得的计数率送至地面仪，经过适当的模 拟装置自动把计数率的比值转换为相应的含H指数，最终输 出一条含氢指数曲线，即常见的视石灰岩孔隙度曲线。
φ --含H --LS --超热中子在源附近分布 --
L源小，计数率高
L源大，计数率低
φ --含H --LS --超热中子在源附近分布 --
L源小，计数率低
L源大ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ计数率高
总结： 小源距：含氢量与记数率成正比 大源距：含氢量与记数率成反比
（二）超热中子曲线的应用
1、确定岩层的孔隙度 2、交会图法确定岩性、孔隙度、骨架成分 3、中子-密度测井曲线重叠法确定岩性 4、估计油气密度 5、定性指示高孔隙度含气层
碰撞 快n
基态原 子核
中子测井
n’能量降低 激发态原子核 （获得内能）
放出伽马射线（次生 伽马射线）
中子测井
3）快中子弹性散射阶段（非弹性散射结束后）
快n
基态原子核
n’能量降低
该过程的能量是守恒的
基态原子核 （获得动能）
每次弹性碰撞的平均能量损失：E=2AER/（1+A）2
A（被碰原子核的质量数）越小--- E大， A越大--- E小， 元素周期表中，H的A最小，物质含H多，弹性散射时间短，减速 能力强。
中子测井
一、中子测井基础
中子孔隙度测井汇总
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 N Ax
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 物的摩尔质量。
5.3
10.1~10.9
1.0
0.463~0.52 15.9~16.2
42.2~42.6
3.8
9.7~10.2
0.50
0.375~0.411 14.7~15.0
38.6~39.1
3.1
9.4~9.9
0.25
0.328~0.352 13.7~14.1
37.9~38.2
2.7
Байду номын сангаас
9.1~9.5
0.10
0.293~0.309 13.2~13.3
减速作用。 • 假设能量为2MeV的中子要热化成热中子，选用不同
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 Hma (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
Hma 0
H
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 N Ax
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 物的摩尔质量。
5.3
10.1~10.9
1.0
0.463~0.52 15.9~16.2
42.2~42.6
3.8
9.7~10.2
0.50
0.375~0.411 14.7~15.0
38.6~39.1
3.1
9.4~9.9
0.25
0.328~0.352 13.7~14.1
37.9~38.2
2.7
Байду номын сангаас
9.1~9.5
0.10
0.293~0.309 13.2~13.3
减速作用。 • 假设能量为2MeV的中子要热化成热中子，选用不同
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 Hma (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
Hma 0
H
【中国石油大学-地球物理测井-课件】第06章 中子测井
2021/7/18
10
1. 影响中子计数率的因素
➢ 超热中子的分布只与含氢量 有关，基本不受俘获影响；
➢ 热中子的空间分布既与岩层 的含氢量有关，又与含氯量 有关；
➢ 孔隙度越大，含氢越多，测 井时计数率越低；
➢ 通过热中子计数反映岩层含 氢量，进而反映孔隙度时， 氯就是干扰因素。补偿中子 测井的“补偿”就是补偿掉 氯的影响。
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Σa：1cm3物质的原子核σ之和
➢ 沉积岩常见核素中氯对热中子的俘获能力最强（见课本图表），而地 层中的氯主要存在于地层水内，利用此反应可区分油气和水；
➢ 热中子寿命：热中子从生成开始到被俘获吸收为止经历的平均时间：
tHale Waihona Puke 1 v a（v是热中子移动速度，常温25℃下为0.22cm/μs）
5
（4）热中子的俘获反应
➢ 快中子减速形成热中子后不再减速，而是在介质中由热中子密度大的 区域向密度小的区域扩散，直到被介质原子核俘获；
➢ 原子核俘获热中子而形成激发态的原子核(复核)，放出γ射线回到基态， 所产生的γ射线称为俘获伽马或中子伽马；
➢ 不同原子核对热中子的俘获能力不同，用俘获截面来衡量：
加镉做为屏蔽层吸收掉热中子，内层加石蜡把要计数的超热中子 减速为热中子后再计数。
2021/7/18
8
第六章 中子测井
6.1 中子测井的核物理基础 6.2 中子孔隙度测井 6.3 中子寿命测井 6.4 其它脉冲中子测井
2021/7/18
9
6.2 中子孔隙度测井
在地下储集层中，孔隙空间一般都充满了流体。无论水、油和气 都含有氢，而岩石的骨架部分基本不含氢，因而通过测量岩石的 含氢量，可以确定岩石孔隙度。
3-3中子测井
层的孔隙度越小，反之计数率越小，反映岩层的孔隙度越 大。这正是利用超热中子测井可以测量岩层孔隙度的道理。
出电离能力很强的带电粒子来记录中子。
目前广泛应用的有三类探测器，即硼探测器、锂 探测器、氦三(He3)探测器。
利用核反应所产生的带电粒子等使探测器的计数 管气体电离形成脉冲电流，产生电压负脉冲，或使探测 器的闪烁晶体形成闪烁荧光，产生电压负脉冲来接收记 录中子。 探测超热中子与探测热中子的探测器的区别在于： 前者在探测器外层加有对热中子吸收能力很强的镉，吸 收掉热中子，以增大对超热中子的计数效率。
τ 当地层中含有高俘获截面的核素时，τ就大大减小。 t
高矿化度水层的τ要比油层小得多，因此可以确定油水界面 式中为热中子移动速度，常温下，=0.22cm/s， 和区分油水层。 所以上式可写成: 4.55
a
1
τ t
a
三、中子探测器
中子测井探测的是超热中子和热中子。利用超热
中子、热中子和探测器物质的原子核发生核反应，放
弹性散射截面(b) 9.5 10.0 1.7 4.2 4.8 45.0
每次散射的 最大能量损失(%) 8 10 12 21 28 100
热化所需平 均散射次数 371 316 261 150 115 18
可以看出，氢(H)是对中子的最好的减速核素。所以，
中子减速过程的长短，物质对中子的减速能力的 大小和物质所含核素的种类以及数量有关。
平均散射次数列于下表:
核素名称 钙 Ca 氯 Cl 硅 Si 氧 碳 氢 O C H 弹性散射截面(b) 9.5 10.0 1.7 4.2 4.8 45.0 每次散射的 最大能量损失(%) 8 10 12 21 28 100 热化所需平 均散射次数 371 316 261 150 115 18
出电离能力很强的带电粒子来记录中子。
目前广泛应用的有三类探测器，即硼探测器、锂 探测器、氦三(He3)探测器。
利用核反应所产生的带电粒子等使探测器的计数 管气体电离形成脉冲电流，产生电压负脉冲，或使探测 器的闪烁晶体形成闪烁荧光，产生电压负脉冲来接收记 录中子。 探测超热中子与探测热中子的探测器的区别在于： 前者在探测器外层加有对热中子吸收能力很强的镉，吸 收掉热中子，以增大对超热中子的计数效率。
τ 当地层中含有高俘获截面的核素时，τ就大大减小。 t
高矿化度水层的τ要比油层小得多，因此可以确定油水界面 式中为热中子移动速度，常温下，=0.22cm/s， 和区分油水层。 所以上式可写成: 4.55
a
1
τ t
a
三、中子探测器
中子测井探测的是超热中子和热中子。利用超热
中子、热中子和探测器物质的原子核发生核反应，放
弹性散射截面(b) 9.5 10.0 1.7 4.2 4.8 45.0
每次散射的 最大能量损失(%) 8 10 12 21 28 100
热化所需平 均散射次数 371 316 261 150 115 18
可以看出，氢(H)是对中子的最好的减速核素。所以，
中子减速过程的长短，物质对中子的减速能力的 大小和物质所含核素的种类以及数量有关。
平均散射次数列于下表:
核素名称 钙 Ca 氯 Cl 硅 Si 氧 碳 氢 O C H 弹性散射截面(b) 9.5 10.0 1.7 4.2 4.8 45.0 每次散射的 最大能量损失(%) 8 10 12 21 28 100 热化所需平 均散射次数 371 316 261 150 115 18
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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
• 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
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
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，设测量位置和源相距为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：
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
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
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
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。
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
• 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。
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
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
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
• 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。
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。
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
• 除中子源所在的位置外，S=0，故有
d 2 d 2 k 0 2 r dr dr
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
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。
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。
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
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
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；
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：
降低速度，成为超热中子。中子的减速长度L反映