第06章 中子

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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
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6.4 其它脉冲中子测井
1. 碳氧比测井（C/O）
是非弹性散射伽马能谱测井的一种； 岩石常见的核素中，C12和O16都具有较大的快中子非弹性散 射截面，产生的次生伽马射线能量较高； C12和O16分别为油、气和水的很好的指示核素； 选择测量地层中碳和氧产生的次生伽马能谱，取其比值，称 碳氧比能谱测井； 可用来确定含油饱和度、划分水淹层等，是水淹层测井评价 的重要方法之一。
中子的测量包括热中子和超热中子；
利用热中子或超热中子与探测器物质原子核发生核反应，放出电
离能力很强的带电粒子（α, p等）引起电脉冲来记录； 目前应用较广的包括硼探测器、含锂闪烁计数管、He3计数管等； 探测超热中子和热中子的区别：前者因计数效率较低，需在外层 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
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C/O实验室刻度确定饱和度
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C/O能谱测井判断水淹层实例
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2. 中子活化测井
岩石常见核素中，硅Si28、钙Ca48、铝Al27和氯Cl37等可分 别做为砂岩、碳酸盐岩、泥岩和地层水的指示核素，活化测
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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。
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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
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6.3 中子寿命测井
1. 中子寿命
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。
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2. 超热中子测井（井壁中子SNP）
φ越大，源附近的超热中子越多；反之， φ越小，较远处空间中的超热
中子计数率就越大； 测井时采用正源距，因此φ越大热中子计数率N越小, φ越小N越大； 采用贴井壁测量方式，因此又称井壁中子测井SNP或SWN。
快中子先被岩石中的原子核(靶核)吸收形成复核，而后再放出一个能量 较低的中子，原子核处于激发态。此过程称为非弹性散射。处于激发 态的原子核以发射γ射线的方式释放能量回到基态，此射线称为非弹性 散射γ射线或次生γ射线；
14MeV的快中子（脉冲中子）发生此作用的几率很大；
与不同原子核作用放出的γ射线能量不同，可用于测井，如C/O测井。
中子测井需要提供中子源，根据中子与地层的相互作用研究地层 性质。中子源分两种：
同位素(连续)中子源：一般为Am-Be源，发射中子能量5MeV; 加速器(脉冲)中子源：一般为D-T源，发射中子能量14MeV。
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2. 中子与地层的相互作用：
（1）快中子非弹性散射
快中子与岩石中的原子核(靶核)发生碰撞后，系统总动能不变，中子 能量降低，速度减慢，它损失的能量成为靶核的动能，靶核仍处基态； 经过多次弹性散射后，快中子减速为热中子，因此此过程也称为快中 子减速过程； 不同原子核对快中子的减速能力不同，用弹性散射截面来衡量： 微观弹性散射截面σs：一个中子与原子核发生弹性散射的几率 宏观弹性散射截面Σs：1cm3物质的原子核σs之和 沉积岩常见核素中氢是快中子最好的减速剂（见课本图表），而地层 中的氢主要在孔隙中的地层流体内，由此发展了中子孔隙度测井。
测量俘获伽马的测井方法即中子伽马测井；测量中子寿命或宏观俘获 截面的测井方法为中子寿命测井。
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1 t （v是热中子移动速度，常温25℃下为0.22cm/μs） v a
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中子的几种主要反应示意图
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3. 中子的探测：
测井响应：由于采用视石灰岩刻度，表 现为非线性响应（如图）。 探测深度：指的是从中子源出发又能到 达探测器的中子在地层中渗入的平均深 度，这个深度的大小由地层含氢量决定， 非固定值。含氢量越大其值越小。
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“挖掘效应”现象： 对快中子的减速除主要取决
取一定时间间隔ΔT（时窗）,由N1、N2即可算出 τ 或 Σ。
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3. 测井曲线
测井得到 τ 或 Σ 曲线；
探测范围约为 35～50cm。
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4. 资料应用
中子寿命测井主要用来区分油水层：盐
水层（高矿化度水层）比油层的含氯量
（2）快中子对原子核的活化
快中子与稳定原子核(靶核)发生核反应，形成新核素，若这些新核素是 放射性的，则称为活化核，此反应即活化核反应。放射性核素衰变产 生的γ射线叫活化γ射线；
不同原子核活化后放出的γ射线能量不同，用于测井即中子活化测井。
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（3）快中子的弹性散射
2. 测井原理
热中子扩散方程： N N 0e

T

( 为中子寿命）
由T1、T2时刻计数率对数的比值可得到中子寿命 τ ：
N 1 N 0e N 2 N 0e

T1


T2

T2 T1 0.4343(T2 T1 ) ln( N1 / N 2 ) lg N1 lg N 2
于氢外，实际上岩石骨架也起
作用，只是其减速能力太差而 在计算中被忽略。含天然气时， 天然气的氢浓度太低，以至于 中子和密度测井的探测深度比较 即使把它的体积看作岩石骨架 仍不足以说明其影响(减速能力 比骨架还差)，使测量的中子孔
隙度值偏小。
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5. 主要应用
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6.2 中子孔隙度测井
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6.1 中子测井的核物理基础
1. 中子与中子源：
按中子能量将中子分类： 快中子：E > 0.5 MeV 中能中子：1 KeV <E< 0.5 Mev 慢中子：E< 1 Kev，进一步分为热中子（室温0.025eV） 和超热中子（0.2～10eV）
确定地层孔隙度
测井给出了石灰岩刻度的φN曲线，其它岩性时需校正。
与密度测井交会求孔隙度、确定岩性
参看课本P150和P154的图，具体将在解释部分介绍。
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
石灰岩孔隙度曲线φD –φN重叠，定性判断气层
天然气使φD增大(ρb减小)， φN减小。（声波时差增大）
【注意总结天然气的测井响应特征】
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中子与密度测井曲线 重叠法划分岩性
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几个判断岩性的例子
泥 岩
砂 岩
大，因此比油层的宏观俘获截面大，而 中子寿命小； 可以求含水饱和度Sw，特别是地层水含 盐量较高时效果较好。是套管井中地层 评价的主要方法之一：
ma (1 ) Sw w (1 Sw )h
中子寿命测井 确定油水界面变化的实例
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灰 岩
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6. 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，测量简单方便（不贴井 壁），定性应用较有效，目前仍有使用。
主要应用：
划分气层：气层比油水层显示更高的中子伽马计数率； 确定油水界面：高矿化度水层的中子伽马计数率明显大于 油层； 估算孔隙度：利用经验公式。
（ r1、r2为源距，Ls为减速长度 ）
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N t ( r1 ) r2 ( r1 r2 ) Ls e N t ( r2 ) r1
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4. 测井曲线
刻度：中子孔隙度曲线是针对一种特定的骨架岩性按线性孔隙度单位 记录的。如Schlumberger的伽马-中子组合仪GNT的一级刻度标准由 休斯顿的API中子刻度井确定：把GNT仪器在孔隙度为19％的含水石 灰岩中的测井响应定义为1000API。 曲线单位：API 刻度使用以前，采用每秒计数。现在，测井曲线直接 使用孔隙度单位（%或PU）。
减速为热中子后再计数。
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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
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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。 不同核素组成的不同岩性地层在孔隙度相同时对快中子的减速能 力不同；氢是地层中减速能力最强的核素，远远超过其它核素； 因此氢含量决定了地层减速能力，而氢主要存在于孔隙流体中。 对减速产生的超热中子或热中子计数，即可反映岩层的孔隙度。 中子孔隙度测井是重要的岩性-孔隙度测井方法之一，包括超热中 子测井（井壁中子SNP）和热中子测井（补偿中子CNL）两种。
3. 热中子测井（补偿中子CNL）
用长、短源距两个中子探测器得到两个计数率Nt(r1)、Nt(r2)，根据用石 灰岩刻度的仪器得到的计数率比值Nt(r1)/Nt(r2)与石灰岩孔隙度φN的关系， 直接给出石灰岩刻度的孔隙度测井曲线；
当源距r足够大时，计数率比值Nt(r1)/Nt(r2)
只与减速性质有关，基本不受俘获性质影响：
第六章 中子测井
是利用人工中子源发射的快中子与地层的各种相互作用，来研究 钻井剖面地层性质的一类测井方法。包括的方法较多：
中子孔隙度测井：是重要的岩性-孔隙度测井方法之一，主要利用了地层 对快中子的减速能力。包括井壁中子SNP和补偿中子CNL两种； 中子伽马测井：主要利用了热中子的俘获效应，可用于区分油水、指示 气层或估算孔隙度等； 中子寿命测井：是一种重要的套管井地层评价方法，用于区分油水、计 算饱和度等； 非弹性散射伽马能谱测井：主要通过测量快中子的非弹性散射产生的伽 马射线，反映地层中核素的含量。用于区分油水、判断岩性等； 中子活化测井：利用中子的活化核反应测量地层核素组成，用于岩性识 别等。
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（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ห้องสมุดไป่ตู้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： 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：