中子测井
中子测井原理及应用
中子测井原理及应用中子测井是油气勘探和开发领域常用的测井工具，它通过检测埋藏层中的中子强度变化来获取有关岩石成分、流体含量和孔隙结构等信息。
本文将对中子测井的原理和应用进行详细介绍。
中子测井的原理主要基于中子与原子核相互作用的特性。
中子是核反应中不带电荷的粒子，可以穿透厚度较大的岩石层，并与原子核发生弹性散射或非弹性散射。
当中子穿过地层时，会与原子核发生散射，其中弹性散射使中子的能量损失，而非弹性散射会引起中子与原子核碰撞后释放出γ射线。
中子测井主要有三种类型：全反散射中子测井、氢反散射中子测井和共振中子测井。
全反散射中子测井是最常用的中子测井方法。
测井仪器发射中子束入井，中子在地层中与核子发生弹性散射，并回到测井仪器。
仪器检测到回散射的中子数，通过测量散射中子的能量损失来计算出地层中的处于中子束路径上的原子核的密度。
氢反散射中子测井主要是测量地层中氢的含量，因为氢含量与流体含量有关。
仪器发射中能量较高的中子入井，中子在地层中与氢发生非弹性散射，失去一部分能量，被探测器检测到。
通过测量散射中子的能量损失来计算地层中的氢原子的密度，从而估计出岩石中的流体含量。
共振中子测井是利用中子与原子核共振能级耦合的原理。
测井仪器发射中子束入井，中子在与地层中的原子核相互作用时，落入共振能级，通过共振吸收释放出γ射线。
测量这些γ射线的能量和强度，可以获取地层中特定原子核的密度和含量信息。
中子测井在油气勘探中有着重要的应用价值。
首先，中子测井可以提供岩石成分和密度信息，从而帮助确定地层的岩石类型和性质，判断潜在油气储集层的存在和质量。
其次，中子测井可以测量地层中的氢原子密度，从而帮助估计油气水饱和度和流体类型。
此外，中子测井在解释地震数据和构建地层模型时也发挥重要作用。
除了油气勘探领域，中子测井还广泛应用于地下水勘探、地质工程和环境行业。
例如，用于地下水勘探时可以通过测量含水层的水含量和孔隙度来评估地下水资源量和流动性。
中子测井和孔隙度的关系
中子测井和孔隙度的关系
中子测井是一种常用的地球物理测井方法，用来确定地层的孔隙度。
孔隙度是指岩石或土壤中孔隙的比例，它是岩石或土壤的重要物理性质，对于地质、工程和环境领域具有重要意义。
中子测井通过测量地层中的中子散射来确定孔隙度。
中子是一种电中性粒子，能够穿透大部分物质而不受其影响。
当中子穿过地层时，会与地层中的原子发生散射作用。
不同种类的原子对中子的散射效应不同，从而可以通过测量散射中子的能量来确定地层中的原子组成和孔隙度。
中子测井仪器中通常包含一个放射源和一个探测器。
放射源会产生中子，并将其发射入地层中。
当中子与地层中的原子发生散射时，探测器会测量散射中子的能量。
根据散射中子的能量与原子组成的关系，可以计算出地层的孔隙度。
孔隙度是地层中的孔隙空间占总体积的比例，它对于石油勘探和开发具有重要意义。
在石油勘探中，孔隙度可以帮助确定油气储层的含油含气量，从而指导开发策略。
在水资源开发和环境工程中，孔隙度可以帮助评估地下水储量和水文特征，从而指导水资源开发和环境保护。
中子测井作为一种重要的地球物理测井方法，已经被广泛应用于石油、水资源和环境等领域。
通过测量地层中的中子散射，可以确定
地层的孔隙度，为地质和工程领域的研究和开发提供了重要的数据支持。
第四章核测井—中子测井
(四)热中子扩散与被俘获 形成热中子后, 中子不再减速, 热中子与周围介质的 原子核处于热平衡状态，热中子不停地运动着，中子与物 质的作用进入扩散与被俘获阶段。 1.热中子的扩散 热中子在介质中的扩散与气体分子的扩散相似，即从 热中子密度大的地方向密度小的地方扩散，一直到被原子 核俘获为止。 2.俘获核反应 靶核俘获一个热中子而变为处于激发态的复核，恢复到 基态时，以辐射射线方式释放能量，这种反应叫做辐射俘 获反应，或称（n,γ）反应。
由地层对中子减速和俘获的两个特性可知，中子- 伽马 射线强度决定于岩层的含氢量和含氯量，其中含氢量多少 反映岩层的孔隙度大小，含氯量反映地层水的矿化度高低。 这就是中子－伽马测井研究煤层特性的原理。
二、中子-伽马射线与源距的关系 由于计算公式较复杂，通常采用实验的办法来定量研 究，下面讨论不同源ห้องสมุดไป่ตู้的情况下，中子-伽马射线的特点。
(二)中子源 由于自由中子的平均寿命较短，自然界中往往不存在 自由中子 ,所以必须通过核反应获得中子。 比较简单的中子核反应有(α,n)、(d,n)、(p,n) 及(γ,n) 等。 1.中子源的主要性质 通常选用一些轻原子核作为靶核，这是因为带电粒 子轰击靶核要受到库仑力的排斥，它们与轻核反应时能 量不需要太高，较易实现。测井中所用的中子源常选用 9 3 4 Be和1 H作靶材料。 描述中子源主要特性除了本篇第三章第一节已讲的 活度、半衰期、能量外，还经常用到“产额”这个概念。 所谓产额，就是每个轰击粒子在靶上产生的中子数。
线称为次生活化伽马射线。 对测井有实际意义的活化核反应有硅化核反应和铝 化核反应，称为硅、铝测井, 用以识别岩性和测定泥质 含量。
(三)快中子的弹性散射和减速过程 1.快中子的弹性散射 快中子由中子源发射出来后，在与原子核发生1～2 次 非弹性散射中，很快就失去很大的能量而不能发生非弹 性碰撞和(n,p)核反应，这时中子与原子核的作用转入了 以弹性碰撞为主散射过程。
地球物理测#(第三章)中子测井
中子测井的优缺点分析
优点
能够测量地层的孔隙度、含油饱 和度等参数，不受地层水矿化度 影响，测量精度较高。
缺点
对地层岩性敏感度较低，不适用 于所有地层，且对放射性同位素 源依赖较大。
03
中子测井的实际应用
油气勘探中的中子测井
确定地层孔隙度
中子测井通过测量地层中热中子的衰 减程度，可以推算出地层的孔隙度， 进而评估油气储量。
智能化和自动化
利用人工智能和机器学习技术，实现中子测井数据的自动解释和异常 检测。
中子测井与其他地球物理方法的结合
与电阻率测井结合
利用中子测井和电阻率测井的互补性，提高对地层性质的识别精 度。
与地震勘探结合
将中子测井与地震勘探数据相结合，提高对地下构造和油气藏的探 测精度。
与磁力勘探结合
利用中子测井与磁力勘探的联合测量，实现对地层和油气藏的全方 位探测。
中子源的选择与使用
放射性同位素源
常用的有镅-241和铯-137等，具有稳定、安全、 寿命长的特点，但需定期更换。
加速器源
能够产生高能中子，适用于深井和复杂地层，但 设备成本和维护成本较高。
混合源
结合同位素源和加速器源的特点，具有较好的综 合性能。
中子探测器的设计与选择
01
02
03
探测器材料
常用有锗、硅等半导体材 料，要求具有高灵敏度、 低噪音和稳定性。
识别油气层
确定地层岩性
中子测井通过测量地层中热中子的速 度和扩散系数，可以推断地层的岩性 和矿物组成，进而评估油气勘探的潜 力。
中子测井能够检测到地层中的油气层， 通过测量地层中氢的含量和分布，判 断油气层的存在和分布情况。
煤田勘探中的中子测井
第9章关于中子测井的一些介绍
第9章关于中子测井的一些介绍中子测井是一种油气勘探和生产中常用的测井技术之一，通过测量中子的反射和散射特性，来确定地层中的含水量、孔隙度和渗透率等参数。
本文将介绍中子测井的原理、仪器和应用。
中子测井的原理是利用了中子与物质之间的相互作用。
中子是一种中性粒子，相对于其他测井方法，它具有更好的穿透能力。
当中子穿过地层时，会与地层中的原子核发生相互作用，主要包括散射和吸收两种过程。
散射是中子与原子核碰撞后方向改变而不被吸收，而吸收是中子与原子核碰撞后被完全吸收。
通过测量中子的散射和吸收，可以推导出地层中的物性参数。
中子测井的仪器主要包括中子发生器、探测器和数据处理系统。
中子发生器是产生中子束的关键部分，常用的有放射性源和电子束发生器两种。
放射性源一般采用241Am-Be(铀-铍)源或14C-12C(碳-碳)源，它们能够以一定速率释放出中子。
电子束发生器则是通过加速器产生高能电子束，通过与靶材相互作用产生中子。
探测器用于测量中子与地层相互作用后的信号，主要包括散射中子探测器和吸收中子探测器。
散射中子探测器一般采用晶体闪烁体或气体探测器，可以测量散射中子的能量和方向。
吸收中子探测器一般采用掺镍的晶体闪烁体，可以测量被吸收的中子强度。
数据处理系统用于采集、处理和分析中子测井数据，得出地层的相关参数。
中子测井在油气勘探和生产中具有广泛的应用。
首先，中子测井可以提供地层的含水量和孔隙度信息。
中子与水之间的相互作用较强，而与岩石矿物之间的相互作用较弱，因此可以通过测量中子的吸收和散射来确定地层中的含水饱和度和孔隙度。
其次，中子测井可以提供地层的渗透率信息。
中子与地层中的原子核碰撞后会发生散射，散射角度的大小与地层的渗透性直接相关。
通过测量中子的散射角度，可以推导出渗透率的大小。
此外，中子测井还可用于确定地层中矿物含量、岩石类型和压力等参数。
通过综合分析中子测井数据，可以为油气勘探和生产提供可靠的地层参数。
总之，中子测井是一种重要的油气勘探和生产工具，通过测量中子与地层的相互作用来分析地层的物性参数。
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。
中子测井
弹性散射的结果是使中子减速。
能量较低的快中子（5mev以下）通常 以这种作用为主。
一、中子源及岩石的中子特征 ①快中子与地层间的作用
使原子核活化：
快中子与稳定的靶核作用，生成新的 放射性核素，新的放射性核素发生核衰变 产生伽马射线。
活化作用的结果：
Ⅰ中子被吸收 Ⅱ产生伽马射线（称为活化伽马射线）
一、中子源及岩石的中子特征
e r1 / Le e r1 / Lt K1 KQL N t1 2 2 r1 4Dt ( Le Lt ) r1
2 t
r2 / Le r2 / Lt K1 KQL2 e e t Nt2 2 2 r2 4Dt ( Le Lt ) r2
地层中是否存在使中子容易发生非弹性
散射和弹性散射的核素；
中子与核素之间每发生一次作用，其能量损
失的多少。
一、中子源及岩石的中子特征
⑤地层的减速特性
研究结果表明：
中子与氢核发生弹性散射的几率最大（45%）
中子与氢核每发生一次散射损失的能量最大
（≈100%） 所以，地层对快中子减速能力主要取决于地 层中的含氢量。含氢量越多，则对快中子的减速 能力越强。
N f (H )
二、超热中子测井（井壁中子测井SNP）
原理
④超热中子的测量结果（计数率）：
N f (H )
H (1 )H ma H f
对于某一类岩石，Hma= C1，当Hf=C2时， H的值的高低就仅由φ决定。
二、超热中子测井（井壁中子测井SNP）
原理
⑤超热中子的输出（记录的内容）： 在已知岩性和孔隙流体的条件下用各种 孔隙度的岩石对测井值进行刻度就可确定：
中子密度测井
快中子从发出到10-8~10-6秒内发生非弹性散射 在10-6~10-3秒发生弹性散射。
12
井壁中子测井
13
通过中子源发射快中子，照射地层减速形成热中子或者超热中子，中 子探测器探测热中子或者超热中子的密度。不同地层，减速能力不同， 计数率不同，以此来寻找储集层、确定孔隙度的一类测井方法，包括 热中子测井、补偿中子测井和超热中子测井（也称井壁中子），统称 中子孔隙度测井。
1）饱和淡水纯石灰岩的含H指数 H=Hma（1-por）+Hw*por 中子孔隙度测井在饱和淡水的纯石灰岩刻度井中进行含H指数刻度， 使它测量的含H指数即为饱和淡水纯石灰岩的por。 饱和淡水地层：砂岩： φN略小于φ；白云岩： ： φN略大于φ； 石灰岩： ： φN等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），这种差别是中子测井的岩性影响，也是识别岩性的依据。
15
2、孔隙度的影响 地层中所有核素中，H核减速能力远远超过其他核素。因此，地层减速能力取决于地层 总H含量，H主要存在于孔隙流体中，因此孔隙度增大，减速能力增强。 3、源距对计数率的影响 孔隙度、岩性不同，造成超热中子的空间分布不同。 孔隙度增大，减速长度越小，则在源附近的超热中子越多； 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。 探测器离源较近：孔隙度越大，计数率越高 探测器离源较远：孔隙度越大，计数率越低 探测器离源某一位置：计数率与孔隙度无关，对应零源距。实际应用的均为长源距中子 测井。 4、地层含H指数 氢是最重要的减速剂，因此，H含量的高低决定了地层的减速能力，实际应用含H指数 来反映地层中H元素的多少。根据规定，淡水含H指数为1，而任何其他物质的含H指数 将与其单位体16积内的H核素成正比。
中子测井
• Φ=ΦN/(1+Shr((ΦN)hr-(ΦN)mf)/((ΦN)mf-(ΦN)ma) • ΦN=(ΦN-(ΦN)ma)/(ΦN)mf-(ΦN)ma)为中子测井视孔隙度 • 有油气影响对，ΦN减小，计算孔隙度低。
• • • • • • • • • • • • •
利用上求Φ时，对于油(Φ N)hr=ρ油-1.03 对于气(Φ N)hr=2.25ρ气 ρ油和ρ汽分别表示油和气的密度 用(ΦN)sh表示泥质的中子孔隙度，若孔隙中充满水时 Φ=(ΦN-(Φnma））/（(ΦN)f-(ΦN)ma-SH(ΦN)sH-(ΦN)ma(ΦNf-ΦN)ma 若探测范围内充填泥浆滤液和残余油气时 Φ= (ΦN-(ΦN)ma）/（(ΦN)mf-(ΦN)ma） -SH((ΦN)sh-(ΦN)ma)/((ΦN)mf-ΦN)ma) -ΦShr((ΦN)hr-(ΦN)mf)/((ΦN)mf-(ΦN)ma) Φ=(ΦN-SH((ΦN)sh-(ΦN)ma)/((ΦN)mf-(ΦN)ma)) /(1+Shr((ΦN)hr-(ΦN)mf)/((ΦN)mf-(ΦN)ma)) 中子测井孔隙度 ********用中子测井计算的孔隙度是地层的含氢孔隙度或总孔隙度，当地层中有含氢 量很高的石膏存在时，计算的孔隙度比实际值偏高，此时，需求石膏含量加以校正。
• 六、刻度 • *******
• •
• •
• • • • • • •
• • • • • • •
石膏层：中子-中子和中子-r测井曲线上显低值，自然r上为低值(含结晶水) 岩盐层：中子-中子低值，中子-r高值。 ②中子测井确定地层的孔隙度 中子测井读数是和岩石中含氢的总量有关，所以它反映的是总孔隙度。 含氢指数：单位体积中的氢原子数与单位体积纯水中氢原子数之比。 • VH= VmaHma+VΦHf Φ、Φma、Φf 中子孔隙度与含氢指数呈正比 • ΦN=(1- Φ)(ΦN)ma+ Φ(ΦN)f • Φ=((ΦN-(ΦN)ma)/((ΦN)f-(ΦN)ma) 一般ΦN刻度是用石灰岩刻度的 流体(水)的中子孔隙度(ΦN)f=1 (ΦN)ma对于不同岩石，不同中子测井法、有不同的值，见表2-6。 地层为含油气纯地层 ΦN=(1- Φ)(ΦN)ma+Φ(ΦN)mf(1-Shr)+ΦShr(ΦN)hr Φ =（ΦN-(ΦN)ma)/((ΦN)mf-(ΦN)ma) -(ΦShr· ((ΦN)hr-(ΦN)mf)/((ΦN)mf-(ΦN)ma)
中子测井
• 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。
中子测井原理
中子测井原理中子测井是一种利用中子与地层中核子相互作用的物理现象来确定地层孔隙度、含水量和岩石类型的测井方法。
它是目前油田勘探开发中广泛应用的一种测井技术，具有测井深度范围广、测井响应灵敏、测井解释简便等特点。
中子测井原理的理解对于油田勘探开发工作具有重要意义。
中子测井原理的核心在于中子与地层中核子的相互作用。
当中子进入地层后，会与地层中的核子（主要是氢核）发生弹性散射和非弹性散射。
弹性散射是指中子与核子碰撞后改变方向但能量不变，非弹性散射是指中子与核子碰撞后能量发生改变。
通过对中子在地层中的散射过程进行测量和分析，可以得到地层的孔隙度、含水量等信息。
在进行中子测井时，通常会使用中子发生器和探测器。
中子发生器会产生一定能量的中子束，这些中子束会照射到地层上并与地层中的核子发生相互作用。
探测器则用于检测散射后的中子，并将其转化为电信号。
通过分析这些电信号的强度和时间分布，可以得到地层中核子的散射信息，进而推断地层的性质。
中子测井原理的应用范围非常广泛。
首先，它可以用于确定地层的孔隙度。
由于中子与地层中的核子相互作用，不同孔隙度的地层对中子的散射响应也不同，因此可以通过中子测井来估算地层的孔隙度。
其次，中子测井还可以用于确定地层的含水量。
由于地层中的水含有氢核，因此对中子的散射响应也不同于其他地层成分，通过对中子的散射信号进行分析，可以推断地层的含水量。
此外，中子测井还可以用于识别地层的岩石类型。
不同类型的岩石对中子的散射响应也不同，通过分析中子的散射信号，可以推断地层的岩石类型。
总的来说，中子测井原理是一种重要的地球物理勘探技术，它通过对中子与地层核子相互作用的测量和分析，可以得到地层的孔隙度、含水量和岩石类型等信息。
在油田勘探开发中，中子测井技术具有重要的应用价值，可以为勘探开发工作提供重要的地质信息和数据支撑。
通过深入理解中子测井原理，可以更好地指导实际工作，并取得更好的勘探开发效果。
中子测井
钙活化： 20 Ca 48 0 n1 20 Ca 49
钙是碳酸盐岩的指示元素。
氯活化：
17 Cl 37 0 n1 17 Cl 38
特点：反应过程中，中子被吸收，产生新核，这 些新核有些具有放射性。
勘探开发工程监督管理中心
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
1
中子和中子加源速器中子源
加速器中子源
或称脉冲中子源：用人工的方法（加速器）加速带 电粒子，去轰击靶核，产生快中子，特点是人为控 制脉冲式发射。
如（D-T）中子源：利用加速器夹带电粒子氘核加速 到0.126MeV的能量，然后轰击靶核氚，生成α粒子 和中子，中子的能量平均为14Mev。
(4)能量减缩ζ：每次碰撞后中子能量的自然对数差的平均值，表示
物质对快中子的减速能力。
1 ( A 1)2 ln A 1
当A 10：
2A A1
2/(A 2/3)
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
2
中子和物质的作用
n
• 中子与化合物的弹性散射
i Ni si
又有
13 Al 28 14 Si28 Q
快中子能量14MeV，反应截面为0.22b，Al28的半衰期2.3min， 发射伽马光子的能量为1.782，探测之可以探测硅的含量。有 效区分砂层和碳酸盐岩 。
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
2
中子和物质的作用
铝活化：
13 Al 27 0 n1 12 Mg 27 1p1
0.03eV—100eV 热中子约为0.025 eV， 热中子标准速度2200 m/s
地球物理测井.中子测井.ppt
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
地球物理测井—放射性测井
中子测井
三、补偿中子测井CNL(Compensated Neutron Logging)
1、补偿中子测井的原理 （探测热中子密度）
补偿中子测井是一种热中子 测井仪，具有一个中子源和两个 探测器。CNL的长源距和短源距 都采用正源距进行测量。一般长 源距、短源距分别在50～60cm、 35～40cm之间选择。
2 1
H（氘）
13H（氚）
4 2
H
e
1 0
n（中子）
Q
地球物理测井—放射性测井
中子测井
一、中子测井基础
3、中子和物质的相互作用
中子与地层的相互作用是中子测井的物理基础。中子源 所发射中子的能量不同，中子与地层相互作用的行为不同。
中子源发射的中子进入地层后，随着能量的改变，
1
与地层的相互作用大致可分为快中子的非弹性散射、 快中2 子原子核的活化、快中3子的弹性散射、热中4子的
SNP测井仪器图
超热中子测井的源距变化 范 围 一 般 为 30 ～ 45cm ， 如 斯 仑 贝谢的井壁中子测井仪的源距为 42cm。 SNP采 用 探 测 器和 中子 源贴靠井壁的方式测量，可减小 井眼的影响。
地球物理测井—放射性测井
中子测井
二、超热中子测井SNP
（一） 超热中子测井的基本原理（贴井壁测量）
②如果岩石骨架由两种或三种矿物成分组成，
可用Pe，U，ρb值来确定矿物组成含量。
b
n
mi i
③求泥质含量。
中子测井原理
中子测井原理中子测井是一种常用的地球物理勘探技术，它通过测量地层中子散射的特性来获取地层的孔隙度、含水饱和度等信息。
中子测井原理是基于中子与原子核相互作用的物理过程，通过测量中子在地层中的散射情况来推断地层的性质。
本文将对中子测井原理进行详细介绍，以便读者对该技术有更深入的了解。
中子测井原理的基本过程是，测井仪器向地层发射中子，中子与地层原子核发生散射，然后测量散射中子的能量和数量。
根据散射中子的能量和数量，可以推断地层的孔隙度、含水饱和度等参数。
中子与原子核的相互作用过程中，主要有弹性散射和非弹性散射两种情况，它们对应着不同的物理现象。
在弹性散射过程中，中子与原子核碰撞后改变方向，但能量基本不变。
而在非弹性散射过程中，中子与原子核碰撞后会失去能量，这种过程通常会导致中子的散射损失。
通过测量中子的散射能量和数量，可以区分出地层中的不同元素，并推断地层的性质。
中子测井原理的关键在于对中子与原子核相互作用过程的准确理解和测量。
在实际应用中，中子测井技术可以通过多种方法来实现，包括时间中子法、反散射中子法、电子共振中子法等。
这些方法在测井仪器设计、数据处理和解释上有所不同，但其基本原理都是利用中子与地层原子核相互作用的物理过程来获取地层参数。
中子测井技术在石油、地质、水文等领域有着广泛的应用，它可以提供地层孔隙度、含水饱和度等重要参数，为油气勘探和开发提供重要的地质信息。
同时，中子测井技术也在地下水、地质灾害预测等领域有着重要的应用价值。
总之，中子测井原理是基于中子与地层原子核相互作用的物理过程来获取地层参数的技术。
通过对中子散射的测量和分析，可以推断地层的孔隙度、含水饱和度等重要参数，为地质勘探和开发提供重要的信息。
中子测井技术在石油、地质、水文等领域有着广泛的应用前景，对于地质资源的勘探和开发具有重要的意义。
第九章--中子测井分析
地层
探测器
井眼
中子源
图9-1、井壁中子测井仪示意图
图9-2：孔隙度相
同时，白云岩、
石灰岩、砂岩的减
速长度依次增加；
减 速
岩性相同，随含水 长
孔隙度的增加，减 度
速长度减小，减速
能力增加。
砂岩 石灰岩
白云岩
孔隙度
图9-2 减速长度与孔隙度的关系（饱含水纯地层）
超热中子在空间的分布规律：以源为球心， 呈对称分布，即超热中子密度在整个球面上是相 同的。距源某一距离处，超热中子密度与介质的 减速能力有关，减速距离越短，则在源附近的超 热中子密度越大；反之，在远处超热中子密度大。
产生的几率与中子能量有关，中子能量越 高，产生的几率越大。
结果：1）、快中子能量降低； 2）、产生非弹性散射伽马射线； 3）、快中子与不同靶核产生的非弹性散
射伽马射线的能量不同
2、快中子对原子核的活化 快中子与稳定的原子核作用会发生（n，
α）、（n，p）核反应。生成新的放射性核 素。此作用为活化核反应。
4 Be9 2 He4 6C12 0 n1 Q(5.701MeV )
加速器（脉冲）中子源（D－T中子源）：
D T 2 He4 0n1 17.588MeV
二、中子与物质的作用 根据入射中子的能量，中子与物质的作用分
为： 1、快中子非弹性散射 快中子先被靶核吸收形成复核，而后再放出
一个能量较低的中子，靶核处于较高能级的激 发态，激发态的靶核以伽马射线的形式释放出 能量以回到基态，释放出的伽马射线为非弹性 散射伽马射线，此作用为非弹性散射。
特点：活化形成的新核素，油一定的半衰期， 其衰变产生的伽马射线为活化伽马射线。
如 Si28 (n, p)Al28 ，
中子测井
中子测井一、超热中子测井用点状同位素中子源向地层发射快中子，在离源一定距离的观察点上选择记录超热中子的测井方法叫超热中子测井。
超热中子测井仪器有普通管式和贴井壁两类，用后一种仪器进行测井通常称为井壁中子测井。
1. 超热中子测井原理1) 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它的含氢量。
含氢量高的地层宏观减速能力大、减速长度小。
为了方便，在中子测井中把淡水的含氢量定义为一个单位，用它来衡量所有地层中其物质的含氢量。
单位体积的任何物质中氢核数与同样体积的淡水中氢核数的比值，称为该物质的含氢指数，用Ｈ表示。
Ｈ与单位体积介质里的氢核数成正比，因而它可用下式表示(9.6.1)式中ρ是介质密度，单位为克/厘米 3；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。
2) 纯水的含氢指数按规定，淡水的含氢指数为1，由此确定出(9.6.1)式中的Ｋ值。
因水的分子式为H2Ｏ，所以x=2，Ｍ＝18，而水的密度ρ=1，由此求出Ｋ=9。
代入上式得(9.6.2）用(9.6.2)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。
3) 盐水的含氢指数NaCl溶于水后占据了空间，而使盐水的氢密度减小。
计算盐水含氢指数的一般公式为(9.6.3）-8）。
式中ρw为盐水的密度，p为NaCl的浓度(单位为ppm×10在测裸眼井时，地层一般都有侵入，中子测井探测范围内的水的矿化度，可以认为与泥浆滤液的矿化度基本相同。
4) 油、气的含氢指数液体烃的含氢指数与水接近，然而天然气具有很低的氢浓度，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探测范围时，中子测井测出的含氢指数就较小。
烃的含氢指数可根据其组分和密度来估算。
分子式为CH X(其分子量为12+x)和密度为ρh 的烃的含氢指数为(9.6.4）3，用此式可算出甲烷(CH4)的含氢指数为2.25ρ甲烷，而石油(nCH2)的含氢指数为1.28ρ油。
中子测井原理
中子测井原理中子测井是一种广泛应用于石油勘探和地质勘探领域的测井技术，它利用中子与原子核发生作用的原理，通过测量中子在岩石中的衰减情况，来获取地层岩石的物性参数。
中子测井原理的核心在于中子与原子核的相互作用，这种相互作用可以提供有关地层中岩石类型、孔隙度、含水量等重要信息，为油气勘探和地质研究提供了重要的数据支持。
中子测井的原理基于中子与原子核的作用机制，当中子入射到岩石中时，会与岩石中的原子核发生作用。
这种作用主要包括弹性散射、非弹性散射和吸收三种方式。
在这些相互作用中，弹性散射和非弹性散射是主要的作用方式，而吸收则相对较小。
通过测量中子在岩石中的散射和吸收情况，可以得到有关地层岩石性质的信息。
在中子测井中，中子源发射中子束，中子束经过减速剂减速后进入地层，与地层中的原子核作用。
在这个过程中，中子束会发生散射和吸收，散射和吸收的情况取决于地层岩石的物性参数，如孔隙度、含水量等。
测量探测器接收到的散射和吸收信号，经过处理和分析后，可以得到地层的物性参数信息。
中子测井原理的关键在于根据中子与原子核的相互作用，推断地层岩石的物性参数。
在实际应用中，通过对中子测井数据的分析和解释，可以获得地层的孔隙度、密度、含水量等重要信息，为油气勘探和地质研究提供了重要的参考依据。
总之，中子测井原理是基于中子与原子核的相互作用机制，通过测量中子在地层中的散射和吸收情况，来获取地层岩石的物性参数信息。
这种测井技术在石油勘探和地质勘探领域具有重要的应用意义，为地下岩石的研究提供了重要的数据支持，有助于更准确地评价地层的储集性能和勘探潜力。
中子测井介绍
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
Cl
H
C
O
Mg
31.6Βιβλιοθήκη 0.329 0.0045 0.0016
0.40
Ag
Si
Ca
0.215 0.13
0.43
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）
内容
第一节 中子测井的核物理基础 第二节 超热中子测井(探测超热中子密度SNP) 第三节 补偿中子孔隙度测井(探测热中子密度CNL) 第四节 中子伽马测井 (探测伽马射线NG)
第一节 中子测井的核物理基础
一、中子和中子源 二、中子和物质的作用 三、中子探测器
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， 与质子以很强的核力结合在一起。
快中子+靶核=>激发态复核=>能量较低中子+非弹性散射伽玛 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。
中子测井
利用中子和地层的相互作用的各种效应，来研究井剖 面地层性质的各种测井方法的总称。它包括中子—热中 子、中子—超热中子、中子—伽马测井、中子活化测井 以及非弹性散射伽马能谱测井和中子寿命测井。
《地球物理测井方法》第九章中子测井
通过电解海水，可以得到大量的氘；锂也 要从海水里提取，但要比提取氘难度大
2006年，中国、印度、日本、俄罗斯、韩国、 美国和欧盟的代表在法国(反应堆地址所在国) 签署国际热核聚变实验反应堆计划（ＩＴＥＲ） 联合实施协定，总投资额为100亿欧元,欧盟承 担50％;预计35年
V3（水）
N= V3 Hw= 3
V1( 石灰岩）
V2(气) V3(水)
N< V3 Hw= 3
三、补偿（热中子）中子孔隙度测井(CNL)
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） 得到热中子计数率
比值
API单位
中子孔隙度
记录孔隙度曲线（视石灰岩孔隙度单位）
1 H 3 1H 2 2 He 4 0n1 17.588 Mev
14Mev 靶
用直流高压加速到0.126Mev能量
优点：强度高，发射单色中子，可人为控制 （产生脉冲中子） 缺点：寿命短，一般只有几百个小时
核聚变（核能） 较轻的原子核聚合成较重的原子核而释放能量
最常见是氘和氚聚合成较重的氦，释放出能量
热中子的寿命τ：中子从变为热中子的瞬间 起，到被吸收的时刻止，所经过的平均时间。
1
v a
4、超热中子和热中子通量的空间分布 中子通量：每秒钟内通过1cm3岩石的中子数
中子探测器的计数率与中子通量成正比
超热中子的通量：
e (r)
er / Le
4Der
热中子的通量： t (r)
3-3中子测井
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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×
套管井饱和度测井综述
在低矿化度（5万ppm以下）地层水条件下采用的注硼（钆）中子寿命测井是 以硼（钆）元素作为示踪剂，人为提高含水层位的热中子俘获截面的一种工艺方法，
只能对已射孔层进行水淹评价，这种方法的工艺较复杂，要求地面动力配合进行压
井、洗井、替液、闷井。此外，硼（钆）中子寿命测井侧重于在工艺上将油水层的 曲线特征分开。在层间矛盾不突出的射孔层应用效果较好，基本能够达到替液前后 两次俘获截面测井曲线的离差幅度与射孔层可动水饱和度成正比。但对于层间矛盾
采，日油8..6t ，含 2004.12.1 水75% 8补孔合 采，日油 8..6t，含 水75% 2004.12.18 补 孔 合
图3.明94c井脉冲中子饱和度测井成果图
× 测井应用
测井应用实例
2004 年 12 月 8 日 射 开，日产油11.5吨 含水68%
2004年12 月8日射开， 日产油 11.5吨含 水68%
面及储层含氢指数.据此在中-高矿化度地层水条件下,该项测
井能分辨近井地带的油水分布,计算储层的含油饱和度,划分 水淹级别,求取储层孔隙度,计算储层内泥质含量及主要矿物 含量等.
×
脉冲中子测井资料解释
脉冲中子测井资料解释的地质模型是体积组分模型，地质基础是地层的孔 隙度与地层的含氢指数成正比，与探测器附近中子的密度成反比；地层的含水饱 和度与地层的含氯量成正比，与地层的俘获截面成反比。据此得到如下计算公式：
热镇子被 俘获
发射中子
热中俘获
轻核
1ev
热中子
弹性碰撞 弹性碰撞
1 图1.中子与地层元素的相互作用
10
时间.微秒
图2.中子的能量损失与生命旅程
×
多次碰撞变成热中子的速度因素------地层含氢指数фN
快中子与地层元素的原子核发生非弹性和弹性碰撞造成它的能量损失， 而影响中子能量损失的主要因素是地层元素的原子核质量。与一般物体发 生弹性碰撞一样，如果被碰的粒子质量远大于中子的质量，发生碰撞后的 中子质量基本上没有损失，但中子的运动方向会改变；如果被碰的粒子质 量接近中子的质量时，中子的能量会大幅度衰减。由于中子与氢元素的质 量很接近，所以在快中子的减速过程中，氢是最重要的元素（见表1）。在 富含氢的地层中，快中子在短时间内大量的变成热中子，热中子被地层的 其他元素俘获而大量消失，因此，在离中子源较远的探测器中测量到的中 子计数率较低；在少氢的地层中，快中子在较长的时间内才能大量变成热 中子而被地层其他元素俘获，在中子探测器中测量的中子计数率较高。脉 冲中子测井通过长、短源距探测器的中子计数率变化，换算出地层的含氢 指数фN（定义为单位体积地层中的氢元素数量，将单位体积淡水的含氢指 数刻度为1），根据所测的含氢指数可计算地层的孔隙度。如果地层中含 大量气体，中子的计数率会变的很高（比低孔隙度地层可能还高），这是 因为气体中的氢密度很小缘故，这也可以用来检测气层.
2
增油15t，含水下降
到57.9%，解释的二 级水淹与措施后的含
水
率
相
符
。
× 测井应用
寻找出水层位，为控水增油提供依据
40 0
40
0
测井前，含水率为95%，13层为强出水点；封掉第13层后，日增油7.8吨，含水下降到21％。
× 测井应用
近远探测器计数率重叠曲线寻找漏失气层
2
× 测井应用
脉冲中子测井定量求取剩余油饱和度
2、检验固井质量，寻找窜槽和漏失层位。
3、近远探测器计数率重叠曲线寻找漏失气层。 4、定量求取剩余油饱和度。 5、检查注灰、封堵效果 6、识别盐间油气储层
× 测井应用
测井应用实例
2003.12.5 射孔，2004年12月 含水96.6%
2003.12.5 射 孔 ， 2004 年 12 月 含 水 96.6%
突出的射孔层该测试技术符合率不高。C/O能谱测井虽然不受地层水矿化度的影响，
但由于存在着受井筒内流体影响严重、测井前必须洗井，仪器直径（89mm）偏大， 必须起出油管才能测井，以及计数率低，统计误差偏大，且只有当储层孔隙度大于 20%的条件下才能应用等问题，在一定程度上限制了C/O测井的应用。而奥地利 HOTWELL公司推出的脉冲中子—中子测井克服了上述测量方法的不足，采用独特 的测量方式，即用仪器中的中子探测器（氦三管）直接测量高能脉冲中子发射后， 地层中热中子数量随时间的变化关系，通过特有的处理手段和解释方法，在不洗井、 不关井条件下成功地实现了过套管或过油管的储层监测，为油田的后期开发及剩余 油开采提供了一种非常重要的监测手段。
1
式中:Σ由中子俘获测井求得，其余参数Φ、Vsh、w、sh、hc由其它方 法提供。 值得注意的是该方法只适用于高盐油田；在淡水油田，由于（1）式分母 中的（ΣW -Σhc）很小，因此，计算的Sw的误差很大。
×
测井应用
1、应用测井资料，寻找水层和潜力层，评价产层的水淹级别，认
识油藏水淹规律，寻找出水层位，提高措施效果，为控水增油 提供依据。
×
.热中子继续碰撞地层元素被俘获的几率因素------地层宏观俘获截面sigma 当快中子经多次碰撞变为热中子后，热中子在继续碰撞地层元素的过程中组常见的 核反应是热中子的俘获，一个原子在俘获一个热中子后，产生一个新的同位素，这 个同位素可以立即释放出具有特征能量值的伽马射线（称为俘获伽马射线），在地 层中不同的元素对热中子具有差异极大的俘获能力（见表2），其中的硼、锂、氯元 素是热中子的强俘获剂，氢、碳、氧和钙、硅、钾、铁、硫等元素是热中子的弱俘 获剂，因此，根据俘获截面测井可辩别含氯水层、盐岩层与油气层，也可根据硼、 锂含量多少区分泥岩、页岩、砂岩和其它化学岩及蒸发岩。 热中子的俘获反应被应用在中子寿命和氯能谱测井中，中子寿命测井用俘获伽马射 线计数率换算出地层的热中子寿命和地层宏观俘获截面sigma ，氯能谱测井通过能 谱开窗测量地层的含氯指数，计算地层的视矿化度，PNN测井除了计算其他参数外 ，用此原理测量俘获热中子的速率来换算出了测点的地层宏观俘获截面sigma 值。 sigma 值被定义为单位体积的地层内所有矿物质俘获热中子的几率之和。测点中的 sigma 值是中子源到探测器的一段地层俘获热中子的能力之和，值越高，表明地层 俘获热中子能力越强，表3列出了几种常见地层矿物和流体的宏观俘获截面参数。从 表3可看出，砂泥岩地层中对热中子俘获最有效的地层元素是氯、锂、硼，它们大多 存在于地层骨架中，在泥质地层骨架中存在锂和硼，但在地层孔隙流体中大多存在 氯离子。
3 6 2
3 7 1
5 1 4
1 0 2 8
12 52
×
脉冲中子测井原理
复合核。激发态 发射伽马射线
快中子 中能中子
发射Y射线
多次碰撞后变成热中 子
多次碰撞变 成热中子
快中子
重核
靶核.基态
快中子
热中子俘获 发射伽马
靶核.基态
发射中子
中 10000ev 子 能 量 .eV
100ev 慢中子
继续碰撞后热中子 被俘获
图4. 明400井脉冲中子饱和度测井成果图
× 测井应用
测井应用实例
图5.文79-186井脉冲中子饱和度测井成果图
× 测井应用
寻找出水层位，为控水增油提供依据
测井前，日产油 1 t，水27方，含水 达96.4%。第47层为 主要出水层（含油饱 和度为15%）；封堵 47层，同时打开36层 与原井段合采，日产 油16t、水22吨，日
4、由于泥质和地层水矿化度的影响，测量结果必须进行校正。
×
油层剩余油饱和度计算
设VSh为泥质体积含量，为孔隙度，ma为岩石骨架的宏观俘获截面，sh 为泥质的宏观俘获截面，Sw为含水饱和度，w为地层水的宏观俘获截面，hc 为油或气的宏观俘获截面，则含泥质地层总宏观俘获截面Σ为：
sw ma ma hc Vsh ma sh / w hc
表1.地层元素将2Mev的中子衰减到0.025ev的热中子所需的平均碰撞次
元 素 原 子 序 数 碰 撞 次 数 氢
1
铍
4
硼
5
碳
6
氮
7
氧
8
钠
11
镁
1 2
铝
13
硅
14
硫
1 5
氯
1 7
钾
1 9
钙
2 0
铁
2 6
镉
4 8
钡
56
18
86
105
114
130
150
21 5
2 2 7
250
261
2 9 7
3 2 9
地层流体
原油 淡水 盐水(5 万 ppm) 盐水(15 万 ppm) 天然气
常见值
1822C.U. 22.1C.U. 39.8C.U. 78.9C.U. 412C.U.
1、砂岩骨架与孔隙中的原油、天然气、地层水的有明显差异，所以，地层的与孔隙度有关。 2、地层水的俘获截面随含氯量增加而急剧增大，因此，可根据划分油、气、水界面，并定量 确定含水饱和度。 3、天然气的值很低，故而可识别气层。
含油 饱和 度低
含油 饱和 度高
措施前，日产油0.4吨，日产水8.2吨，含水96%；措施后，日产油3.4吨，日产水0.9吨，含水21%，日增油3吨。
× 测井应用
脉冲中子俘获测井评价气层
投产后产气
3.9×104m3/d
× 测井应用
脉冲中子测井检查注灰、封堵效果
40 40 0 0
85年、87年和 89年射孔
2
除33、47两层 其它射孔层全 部封堵生产了 一段时间含水 上升到96.4%
主要出水层
出 水 层
× 测井应用
中子寿命、C/O能谱和脉冲中子测井的综合对比