第三章 中子测井

第三章 中子测井 概述

中子测井利用中子与地层物质相互作用的各种效应，测量地层特性的测井方法的总称。 根据中子测井仪器记录的对象不同可以分为：

⎪⎪⎩⎪⎪

⎨

⎧—伽马能谱测井

—中子—伽马测井—中子—超热中子测井—中子—热中子测井—中子

按仪器结构特征的不同，可以分为普通中子测井，贴井壁中子测井，补偿中子测井等。

从中子源发出的高能中子与地层物质的原子核发生各种作用，其结果是高能中子逐步减弱为超热中子和热中子，或被原子核吸收，发生核反应。中子与物质相互作用的类型有：非弹性散射；弹性散射；核俘获引起的核反应等。

探测仪器记录的低能中子的数量或原子核俘获中子发出的伽马射线的强度与地层对中子的减速能力和吸收特性有关。中子测井正是利用了这些特性对地层进行探测的。

1）中子测井测量地层孔隙度的原理

氢核与中子的质量几乎相等，是最强的减速物质。因此，中子测井的结果将反映地层的含氢量。在油层或水层中，储集空间中被含氢核的油或水充填，这样储集体中含氢量的多少反映岩石孔隙度的大小。因此，中子测井是一种孔隙度测井方法。

2）油层和气层对中子的减速能力的差异非常明显，因此中子测井也是一种指示油气层的测井方法。 3）氯是地层中重要的中子吸收物质，氯是大多数地层水的主要离子成分，可见中子测井对于划分油水层也有重要作用。

4）中子与地层中的原子核发生非弹性散射，使原子核处于激发态，在退激时发出伽马射线。这些伽马射线的能量，反映靶原子核的能级结构。因不同的原子核其能级结构是不同的，因此发出的伽马射线的能量也是不同的。我们把这种不同原子核发生的伽马射线称为特征伽马射线。测量地层发射的伽马射线的能谱，就可以分析地层中元素的成分。 例如：碳核的特征伽马射线为

Mev Er 43.4=

氧核的特征伽马射线为 Mev Er 13.6=

对于给定的中子源，中子与地层中的碳核和氧核发生非弹性散射次数的多少，取决于地层中相应核素的多少，取决于地层中相应的核素的丰度。即特征伽马射线的强度取决于地层中碳核、氧核的数目。显然，油层与水层单位体积中的碳核和氧核的数目是不同的。 我们通过探测

c

r E ,与

o

r E ,的强度比，就可以定性判断地层是水层还是油层。这是碳氧比测井的原理。

§1中子测井基本原理

普通中子测井是利用地层中氢核对快中子的减速能力测量地层的含氢指数，进而确定地层孔隙度的测井方法。

一、地层的含氢指数

自然界中，对中子减速能力最强的核素是氢核，岩石中的氢核的多少就决定了地层对中子的主要减速能力。为了度量地层对中子的减速能力，引入几个概念。 1．含氢量，含氢指数

①含氢量：单位体积中氢核的数目。

②含氢指数：单位体积岩石中的氢核数目与同体积的水的氢核数目之比。

含氢指数=I

H =淡水的含氢量岩石的含氢量

M x N x

M N H b

A A

b

I ρρ91182=⋅⋅=

式中x 是单个分子中含的氢核数目；M 是分子量；A N 是阿伏加德罗常数。

2．几种地层物质的含氢指数 ①淡水：

.1=IW H

②盐水 盐离子占据一定的体积空间，使

I H 有所下降。)1(p H f IW -=ρ

p 是以6

10 ppm 为单位的盐离子浓度。

例如，

ppm

f 510,1.1盐离子浓度为=ρ

则

99

.09.01.1)1.01(1.1)10101(1.165

=⨯=-=-=IW

H

③油气的含氢指数

油气的含氢指数与油气的密度和成分有关。其含氢指数可根据其密度和成分计算（经验公式） （这里有一个数据表）

天然气

g

Ig g g

Ig g H H ρρρρ4.2,15.02.2,25.0=<=<

由上面的计算可知，水，含盐分的地层水，原油的含氢指数都接近于1，差别不大。但是天然气的含氢指数与1相差很大，天然气的含氢指数很小。由此可见，中子测井也提供了一种指示天然气的方法。 ④岩石的含氢指数 设岩石的孔隙度为

φ，孔隙中饱和淡水，岩石骨架不含氢，则

N A A

I N N H φφ=⋅⋅⋅⋅

=1182182

当地层孔隙度中同时含有水和油气时，()[

]Ih

w w If I H S S H H -+=1φ

其中

w

S 为含水饱和度

⑤与地层孔隙度无关的含氢指数

(i)岩石骨架的等效含氢指数，岩石骨架对中子的减速能力，在效果上等价于一定量的氢核对中子的减速能力。一般

>>>砂岩灰岩白云岩I I I H H H 。 (ii)泥岩的含氢指数,

%

40~%30=Ish H

(iii)矿物结晶水，例如，石膏(

O H CaSO 242⋅)

%

4917232.23

===I b H M cm g

ρ

⑥地层的含氢指数计算公式

Ish

sh f a sh b H V H H V H ++--=φφIm )1(

二、中子测井基本原理，仪器结构

1．原理 中子测井利 用地层中氢核对快中子的减速能力特性，测量地层的含氢指数，进而确定地层的孔隙度。

2．仪器的基本结构

S ——中子源 ，R ——探测器 （这里有一幅图）

①中子源 通常采用点状连续中子源，如Am —Be 中子源，平均中子能量

Mev

E n 5= 。中子源照射地层

后，在地层中形成稳定的空间分布。中子测井测量地层减速后的超热中子，或热中子，或中子伽马射线 ②源距的选择 一般取35~45cm

例如： schlumberger 的SNP 取d=42cm ③探测器 分如下几种：

（a ）超热中子探测器：测量经地层减速后的超热中子（En=1~0.1ev ），相应的仪器称为超热中子测井仪器。 （b ）热中子探测器：测量经地层减速后的热中子（En=0.1~0.001ev ），相应的仪器称为热中子测井仪器。 （c ）伽马探测器：测量中子射入地层后产生的伽马射线强度或能谱，相应的仪器称为中子——伽马测井仪器或中子伽马能谱测井仪器。 几种中子探测器利用核反应如下：

⎪⎩⎪⎨⎧=++→+=++→+=++→+)(5400764.0)(94578.4)(4010792.232

3

17373105b Mev P H n He b Mev H n Li b Mev Li n Be σσασα

下面以超热中子测井为例进行详细讨论中子测井的一些细节问题及资料的应用。

热中子的概念：当中子与周围介质的原子处于热平衡时，这些中子称为热中子，能量范围为：0.1~0.001ev §2超热中子测井

超热中子测井测量经过地层减速后的超热中子，中子的能量范围为：1~0.1ev