第3章3节

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，)、(n，p)核 反应。生成新的放射性核素，这种作用叫活化核反应。 活化形成的新核素，有一定的半衰期，其衰变产生的 射线叫活化伽马射线。 如Si28(n，p)Al28，Al28衰变放射出射线，衰变式为：
13
Al
28
1 4 Si
28
β γ Q(1.782MeV )
快中子的弹性散射 快中子与靶核发生碰撞后中子和靶核组成的系统的 总动能不变，中子的能量降低、速度减慢，它所损失 的能量转变为靶核(反冲核)的动能，靶核仍处于基态， 这种碰撞叫快中子的弹性散射。
快中子在多次弹性散射中将逐渐降低能量减小速度， 最后成为热中子。
由前述可知，孔隙度相同岩性不同的地层， 超热中子的计数率是不同的。我们使用的仪器 是以石灰岩孔隙度为标准刻度的，所以它所记 录的孔隙度是石灰岩孔隙度。
对于除石灰岩以外的其它岩性的岩石，石灰岩孔隙度包 含有由于岩性不同岩石骨架造成的附加孔隙度，例如孔隙 度为零的纯砂岩和白云岩，用以石灰岩为标准刻度的仪器 测量得到的石灰岩孔隙度，前者是-3.5％，后者为+5％。 所以要求砂岩或白云岩的孔隙度必须做岩性校正，用岩性 影响校正图版进行校正。
中子测井分类 热中子测井
超热中子测井
中子伽马测井 中子测井 中子寿命测井 中子活化测井 非弹性散射伽马能谱测井
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。 要使中子从原子核里释放出来，需要给中子一定能量。 当中子获得大于结合能的能量时，就可以从原子核中发 射出来。
核 素 钙(Ca) 0.42 氯(Cl) 32 硅(Si) 0.16 氧(O) 0.0016 碳(C) 0.0045 氢(H) 0.329
微观俘获截面(b)
常见核素中氯核(Cl)对热中子俘获截面是最大的
热中子寿命t： 从热中子生成开始到它被俘获吸收为止所经过的平均时 间叫热中子寿命，它和宏观俘获截面的关系是：
40
已知岩性的真孔隙度，%
30
20
10
0
0
10
20
30
40
中子测井孔隙度 (P S N P )C (视石灰岩孔隙度，%)
在由视石灰岩孔隙度求地层的真孔隙度时，除了要做岩 性校正之外，还要进行泥饼、水垫等校正，含气地层还要
做孔隙流体校正即“挖掘效应”校正。
(2) 交会图法确定孔隙度与岩性 超热中子测井与声波测测井或密度测井组合构成交会图， 可以用来确定孔隙度与岩性，下图是井壁超热中子测井的 交会图，已知超热中子测井石灰岩孔隙度和密度测井的体 积密度值，就可用图版确定孔隙度与岩性。
核素名称 钙 Ca 氯 Cl 硅 Si 氧 O 弹性散射截面(b) 9.5 10.0 1.7 4.2 每次散射的 最大能量损失(%) 8 10 12 21 热化所需平 均散射次数 371 316 261 150
碳
氢
C
H
4.8
45.0
28
100
115
18
核素名称
弹性散射截面(b)
每次散射的 最大能量损失(%)
5
B
10
0 n 3 Li α Q
1
1
7
Li 0 n T α Q 3
2
6
He 0 n T p Q
3
1
利用核反应所产生的带电粒子或p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，内层再加有把进入的超热中子减速为热中子的石蜡， 以增大对超热中子的计数效率。
但是在地层中的所有核素中，氢是减速能力最强的核素， 远远超过其它核素，它的存在及含量就决定着地层的减速 长度的大小。 因此，当孔隙中100%充满水时，孔隙度越大则地层减 速长度就越短。
右图描述了这种关 系，给出了充满水的 砂岩、石灰岩和白云 岩等三种岩性的岩石 减速长度和孔隙度的 关系曲线。由图可以 看出Ls随增大而缩 短，而且孔隙度相同、 岩性不同的地层减速 长度不同。
(5) 定性指示高孔隙度气层 孔隙中含有天然气，则会 使超热中子测井的孔隙度值 与相同孔隙度的水层、油层 相比偏低，这个特点可用来 显示气层。与中子测井含气 显示相反，天然气会使密度 测井石灰岩孔隙度增大。所 以中子测井孔隙度和密度测 井孔隙度曲线重叠，其明显 的幅度离差是气层特征，下 图是这两种曲线重叠显示气 层的示意图。
中子的能量
<1keV
1-500keV
>500keV
慢中子
中能中子
快中子
热中子
超热中子
以某种方式，给原子核以能量，引起核反应，把中 子从原子核中释放出来的装置叫中子源。
测井用中子源分类：
连续中子源 脉冲中子源
连续中子源
连续中子源又称同位素中子源，如镅铍(Am-Be)中子源， 利用镅衰变产生的粒子去轰击铍原子核、给铍原子核以 能量，引起铍发生核反应释放出中子来。其核反应式是：
可以用不同的参数来表示物质对来自百度文库子减速能力大小， 减速长度Ls是其中之—。减速能力大，则Ls短，反之 则长。Ls定义为：
L s def
Rd 6
2
式中Rd为减速距离，它是中子减速为热中子所移动的 直线距离。
热中子的俘获
形成热中子后，中子不再减速，只是在介质中由热 中子密度大的区域向密度小的区域扩散，直至被介质 原子核俘获。 在辐射俘获核反应中，靶核俘获—个热中子，形成 处于激发态的复核，然后，以射线形式放出过剩能量， 靶核回到基态。释放的射线叫俘获伽马射线或中子伽 马射线。 描述扩散及俘获特性的参数有扩散长度Ld、宏观俘 获截面a和热中子寿命t等参数。
地球物理测井
第3章 核测井
第3章 核测井
一、自然伽马测井 二、密度测井
三、中子测井
总
中子测井的定义
述
利用中子和地层相互作用的各种效应，来研究钻井剖面 地层性质的一类测井方法统称为中子测井。
测井时，由下井仪器中的中子源向地层发射快中子，快 中子在地层中运动，与地层物质的原子核发生各种作用， 由下井仪器的探测器探测超热中子、热中子或次生伽马射 线的强度，用来研究地层的孔隙度、岩性以及孔隙流体性 质等地质问题。
扩散长度： 从产生热中子起到其被俘获吸收为止，热中子移动 的直线距离叫扩散距离Rt，则扩散长度Ld定义为：
L d def
R
2 t
6
物质对热中子俘获吸收能力越强，扩散长度就越短
宏观俘获截面a： 一个原子核俘获热中子的几率叫该原子核的微观俘获截面 a，1立方厘米物质中所有原子核的微观俘获截面之和是宏 观俘获截面a。下表给出了沉积岩中常见的几种核素的微 观俘获截面：
D T 2 He 0 n 17.588MeV
产生的快中子能量是14MeV。采取人为控制脉冲式发 射。
4
1
2、中子和物质的作用
中子射入物质时，要和物质的原子核发生一系列核 反应，即： 快中子非弹性散射 快中子对原子核的活化
快中子的弹性散射
热中子的俘获
快中子非弹性散射 快中子先被靶核吸收形成复核，而后再放出一个较 低能量的中子，靶核处于较高能级的激发状态，这种 快中子与靶核的作用叫非弹性散射。 而激发态的靶核常以射线的形式释放出能量回到基 态，这种射线叫作非弹性散射伽马射线。 14MeV的高能快中子发生非弹性散射的几率很大， 而5MeV的快中子发生非弹性散射的几率很小。
如果把探测器放在较近的地方接收记录超热中子的计数 率则有相反的情况，即孔隙度大，计数率高，孔隙度小，
计数率低。当探测器放在某一个位置时，计数率与孔隙度
的大小无关。
探测器到源之间的距离叫源距，第一种情况的源距叫长源 距，第二种情况的源距叫短源距，第三种情况叫零源距。实 际工作中用的是长源距。 所以，测井记录的超热中子的计数率越大，反映岩层的孔 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。 由于超热中子被核素俘获的截面非常小，所以超热中子的 空间分布不受岩层含氯量的影响（即地层水矿化度的影响)， 所以能够较好地反映氢含量的多少，即较好地反映岩层孔隙 度的大小。
一个中子和一个原子核发生弹性散射的几率叫微观 弹性散射截面s，其单位是巴(即b=10-24cm2)。
1立方厘米物质的原子核的微观弹性散射截面之和叫 宏观弹性散射截面s。
不同的核素散射截面不同，而且发生一次散射平均 损失的中子能量也不同。
沉积岩中常见的核素的散射截面和每次散射的最大能 量损失,以及中子能量由2MeV减速为热中子所需要的平 均散射次数列于下表:
减速长度 Ls(cm)
砂岩
石灰岩
10
白云岩
5
0
10 20
30 40 50 60 70 含水孔隙度(%)
80 90 100
孔隙充满淡水 10 9 8 7 6 计数率 5 8in 充水井眼 砂岩(石英) 石灰岩 白云岩
CPS 100
4 3 2
1
10
(%)
20
30
40
因此，孔隙度不同，岩 性不同，超热中子在中子 源周围的分布不同。孔隙 度越大，含氢量越多，减 速长度Ls越小，则在源附 近的超热中子越多。相反， 孔隙度越小，减速长度Ls 越大，则在较远的空间形 成有较多的超热中子。如 果把探测器放在较远的地 方，接收记录超热中子的 计数率，则孔隙度大的计 数率低，孔隙度小的计数 率高。
二、超热中子测井
1、超热中子测井的基本原理
超热中子测井是探测超热中子密 度，以反映地层中子减速特性，划 分储集层的测井方法。 右图是一种超热中子测井仪的示 意图，叫井壁超热中子测井仪(SNP)。 超热中子探测器和中子源贴靠井 壁以减小井眼的影响。
地层
探测器 中子源
井眼
超热中子测井仪的示意图
由中子源发出的快中子在地层中运动和地层中的各种原 子核发生弹性散射，逐渐损失能量、降低速度，成为超热 中子。 其减速过程的长短(当入射中子能量一定时)与地层中原 子核的种类及其数量有关。因为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Ls不同，所以由不同核素组成的不同岩性 的地层，在孔隙度相同的情况下，减速长度是不同的。
2、超热中子测井资料应用
孔隙度 %
石 灰 30 20 岩 10 0 -10
(1) 确定地层孔隙度 超热中子测井主要的用途是确定 地层孔隙度。 超热中子测井可以用标准化中子 测井单位，“API中子测井单位”， 以曲线形式显示超热中子强度随井 深的变化，还可以用石灰岩孔隙度 单位，以曲线形式显示孔隙度随深 度的变化，如图所示。
(3) 中子、密度测井曲线重叠法划分岩性 中子与密度测井所得的石灰岩孔隙度曲线重叠，可用来 定性直观判断岩性。若岩石由单一矿物组成，曲线重叠法 的解释，如下表所示。
密度-中子曲线重叠法的应用实例
(4) 估计油气密度 天然气的存在会 使超热中子测井得 到的孔隙度偏小， 而使密度测井得到 的孔隙度偏大。 因此，在已知含 油 气 饱 和 度 (Shr) 的 条件下，可以用下 图 由 SNPC ／ DC 的 比值估计出油气的 密度s。
τt
1

a
式中为热中子移动速度，常温下，=0.22cm/s，所以上 式可写成:
τt
4.55

a
3、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、 热中子与探测器物质的原子核发生核反应，放出电离能力 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。它们的 核反应式为：
热化所需平 均散射次数
钙 Ca
氯 Cl 硅 Si
9.5
10.0 1.7
8
10 12
371
316 261
氧
碳 氢
O
C H
4.2
4.8 45.0
21
28 100
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，与 物质所含核素的种类以及数量有关。
241
95
Am
9

93 4
Np
237
2 He (α )
12
4
Be 2 He 4
C 6
0 n Q(5.701MeV)
1
产生的中子的平均能量是5MeV。该类中子源的特点是连 续发射中子。
脉冲中子源 脉冲中子源又称加速器中子源，如D-T加速器中子源， 用加速器加速氘核(D)去轰击氚核(T)产生快中子，其核 反应式是：