第八章 中子测井

第二节 超热中子测井
饱和淡水地层：砂岩： υN<υ； 白云岩：υN>υ； 石灰岩：υN=υ； 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 差别是岩性对中子测井的影响，也是识别岩性的依据。
计 数 砂岩 石灰岩 白云岩
率
孔隙度 计数率与孔隙度的关系(长源距)
第二节 超热中子测井
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： 孔隙度越大，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。
探测器到源之间的距离称为源距，有： 探测器离源较远：孔隙度越大，计数率越低，对应长源距； 探测器离源较近：孔隙度越大，计数率越高，对应短源距； 探测器离源某一位臵：计数率与孔隙度无关，对应零源距。 计 数 率 砂岩 石灰岩 白云岩
第九章
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。
测井时，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，由探测器探测 超热中子、热中子或次生伽马射线的强度，研究地层的 孔隙度、岩性及孔隙流体性质等地质问题。
φN
第二节 超热中子测井
(2)油气的含氢指数 液态烃与水的含氢指数相近，而天然气的含氢指数很低，且随 温度和压力而变。 对分子式为CHx（分子量12+x），密度为ρh的烃：
Hh
9x h 12 x
对以CH4为主的天然气（ρg<0.25），上式近似为 Hg=2.2ρg
第二节 超热中子测井
对以CnHnx为主的石油，根据原油化学分析有：
中子孔隙度测井仪在饱和淡水的纯石灰岩刻度井中进行含 氢指数刻度，使它测量的含氢指数即为饱和淡水纯石灰岩的 υ。这里，也就人为的将岩石骨架的含氢指数定为0，也就是 没有考虑石灰岩骨架的减速能力。若孔隙度为υ，则含氢指 数为：υ×Hw=υ×1=υ，将中子孔隙度测井得到的含氢指 数记为υN ，并称为中子孔隙度，其单位是石灰岩孔隙度单 位。
x=4-2.5ρg
则：
4 2.5 o Ho 9( ) o 16 2.5 o
如ρo=0.85g/cm3，Ho=1.034。
第二节 超热中子测井
(3)与有效孔隙度无关的含氢指数
a. 泥质：束缚水、粘土矿物结晶水、泥质具有很高的含氢 指数（纯泥岩的中子孔隙度作为泥质的含氢指数），取决 于泥质孔隙体积和矿物成分。
砂岩的减速能力最差， 白云岩的最好。
第二节 超热中子测井
2.孔隙度的影响
在地层中所有的核素中，氢核减素能力最强，远远超 过其它核素。因此，地层的减速能力取决于地层中氢的含 量，氢主要存在于孔隙流体中，因此，孔隙度增大，减速 能力增强。
相同岩性条件下： 孔隙度越高，减 速能力越强。
有更多快中子变为 慢中子
第二节 超热中子测井
二、决定超热（热）中子计数率的因素
1.岩性的影响
快中子的减速过程，取决于地层中原子核的种类及其数量，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，它们的减速长度不同。在孔隙度相同的情况下，由下图可知，不同岩 性的地层，快中子的减速长度不同。
相同孔隙度条件下：
即： H K
x
M
式中：ρ——介质密度，g/cm3； x——介质分子中的氢原子数； M——介质的分子量； K——比例常数。 对于水：ρ=1，x=2，M=18 (水分子)，规定其 含氢指数为1，解得K=9
第二节 超热中子测井
(1)饱和淡水纯石灰岩的含氢指数
孔隙度为υ的石灰岩，则含氢指数为：
H=Hma(1-υ)+Hwυ
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。 使用同位素中子源可以不考虑非弹性散射，而使用脉 冲中子源会存在非弹性散射核反应。
第一节 中子测井的核物理基础
2、快中子对原子核的活化 快中子+稳定原子核=>放射性原ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ核=>活化核衰变 +活化伽马射线 硅活化(n,p)：
14
Si 0 n 13 Al 1p
28 1 28
1
13
Al 14 Si Q(1.782)
28 28
第一节 中子测井的核物理基础
3、快中子的弹性散射
（1）快中子的弹性散射 中等能量的快中子与靶核碰撞，将部分能量传给靶核，使之能量 (动 能 )增加，仍处于稳态，而快中子速度减慢，系统总的动能守恒，此 过程即为快中子的弹性散射。
第一节 中子测井的核物理基础
扩散距离Rt：从产生热中子到其被俘获吸收为止，热中子移动的 直线距离。 扩散长度Ld：=Ls=SQRT(Rt2/6) 热中子寿命τ 从热中子的生成时起到它被吸收为止所经过的平均时 间，它和宏观俘获截面的关系为：
t
1 v a
v为热中子的移动速度。
结论：俘获截面越大，俘获吸 收能力越强，扩散长度越短， 热中子寿命约小。
b. 石膏：CaSO4· 2H2O ，其孔隙度为零，但含氢指数约为 0.49，得到的中子孔隙度为49%。
(4)挖掘效应
冲洗带有残余油气的纯石灰岩，有：
N N ma (1 ) N w XO Ng g
当忽略岩性影响时，此式也可作为一般纯岩石的含氢指数。 实际测井表明，轻烃对中子孔隙度测井的影响比上式严重。 假设Hh=0，则：Φn=υxo，而把含天然气的孔隙作为岩石骨架。 但实际中测井中，含气时，时常有 υN<υxo，这表明：天然气含氢浓 度太低，以至把含天然气的孔隙体积作为骨架还不足以说明天然气 影响(天然气对快中子的减速能力比石灰岩骨架还低，将显示为负的 含氢指数)，我们把油气对中子孔隙度测井的这种影响，称为中子孔 隙度测井的挖掘效应。 由于气体的挖掘效应，导致中子计数率高，中子孔隙度偏小。
第一节 中子测井的核物理基础
4.热中子扩散和俘获
(1) 热中子的扩散
形成热中子后，中子不再减速，而像气体分子一样处于扩 散过程。由密度大的地方向密度小的区域扩散，直到被地层原 子核俘获为止。 (2)辐射俘获核反应
靶核俘获一个热中子而变为激发态的复核，然后，复核放 出一个或多个几个光子，回到基态。
热中子从密度大的区域向外扩散=>被原子核俘获（复核） =>俘获伽马射线+基态靶核
max
对氢核来说，A=1，a=0，ΔEmax=E0，ΔE=1/2E0，而对 碳核，A=12，a=0.716，ΔEmax=0.284E0，ΔE=0.142E0。因此 氢是岩石中最主要的减速元素，岩石对快中子的减速能力取 决于岩石的含H量。
第一节 中子测井的核物理基础
•散射截面： 微观散射截面σs：一个中子与一个原子核发生弹性散射的几 率，单位1b=10-24cm2； 宏观散射截面Εs：单位体积物质中的原子核的微观散射截面 之和，单位cm-1 结论：氢是岩石中最主要的减速元素，岩石对快中子的减速 能力取决于岩石的含H量，纯岩石的宏观减速能力基本上决 定于纯岩石的孔隙度(含淡水条件)。 用中子测井估算孔隙 度的物理基础。
快中子+稳定靶核=>能量较低的中子+反冲核=>热中子+基态靶核 对于同位素中子源中子测井，中子的初始能量较低，因此，从 开始就基本上以弹性散射为主，多次弹性散射后，变为热中子。 14Mev的高能快中子经一两次非弹性散射后就不能再发生非弹 性散射或核活化反应，只能发生弹性散射而继续减速，直至其能量 为0.025ev左右，成为热中子。
95
Am 93 Np
241
237
2 He (a)
4
平均能量为5MeV
9 4 12 1 Be He C n Q(5.701Mev) 4 2 6 0
加速器中子源（脉冲，产生高能中子）：
D T 2 He4 0 n1 17.588Mev
第一节 中子测井的核物理基础
二、中子和物质的作用 中子射入物质后，会发生一系列核反应： 1.快中子的非弹性散射 高能快中子+靶核 => 激发态复核=> 能量较低中子+非弹 性散射伽马射线 => 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。
第二节 超热中子测井
一、超热中子测井的基本原理
二、决定超热（热）中子计数率的因素
三、井壁中子孔隙度环境校正
四、井壁中子孔隙度的响应方程
一、超热中子测井的基本原理 中子源——快中子=> 弹性散射=> 超热中子
同位素中子源发出快中子，在地层中的运动和地层中 的各种原子核发生弹性散射，而逐渐损失能量，降低温 度，成为超热中子，探测超热中子密度，转化为计数率， 以此寻找储集层，求取孔隙度的测井方法。
孔隙度 计数率与孔隙度的关系(长源距)
实际应用的均为长源距中子测井。
第二节 超热中子测井
4、地层的含氢指数
氢是地层中最主要的减速剂。因此，氢含量的高低决定了地层的减 速能力，实际用含氢指数来反映地层中氢元素的多少。
任何物质单位体积（1立方厘米）的氢核数与同样体积淡水氢核数 的比值。
根据规定，将淡水含氢指数定义为1，而任何其他物质的含氢指数 将与其单位体积内的氢核数成正比。
2Mev中子弹性散射的特点
第一节 中子测井的核物理基础
减速能力大小可用减速时间和减速距离表示。
减速时间：快中子从初始能量减速为热中子能量所需 时间；
减速距离Ls：在减速时间内，中子移动的直线距离Rd。
Ls=SQRT(Rd2/6) 基本规律：
散射截面越大，散射能量损失越大，减速能力越强， 减速时间越短，减速距离Ls越小。
第九章
中子测井
第一节 中子测井的核物理基础 第二节 超热中子测井 第三节 补偿中子孔隙度测井
第四节 中子伽马测井
第一节 中子测井的核物理基础
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，它与质子以很强的 核力结合在一起，形成稳定的原子核。 中子分类： 根据中子的能量可将中子分为：
第一节 中子测井的核物理基础
弹性碰撞能量损失： 与靶核的A，入射中子能量E。及散射角υ(中子散射方向和入射方向 的夹角)有关。当为正碰撞υ=180°时，中子损失能量最大。实验证明，
•
中子一次弹性碰撞可能损失的最大能量和平均能量分别为：
A 1 2 E (1 a) E 0 , a ( ) A 1 2A E E0 2 ( A 1)
第一节 中子测井的核物理基础
(3)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
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） 另外：硼的Εa =710b，即使含量微小，也对测井将会有很大 影响。
第一节 中子测井的核物理基础
三、中子探测器
测量对象：经中子与地层中核素发生弹性散射生成的热中子、 超热中子。 探测方法： 超热中子、热中子与探测器物质的原子核发生 反应=> 放出电离能力很强的带电离子=> 探测器内形成脉 冲电流或闪烁荧光，产生电压负脉冲 探测器类型：硼、锂、氦、锗 热中子探测器： 超热中子探测器：外层加有镉，吸收掉热中子； 内层加有石蜡，把超热中子减速为热中 子，增大对超热中子的计数率。
快中子：能量大于0.5Mev； 中能中子：1kev—0.5Mev之间； 慢中子：0—1Kev之间； 其中0.2—10eV中子为超热中子； 能量等于0.025eV的中子为热中子。
第一节 中子测井的核物理基础
2.中子源
中子源：能将原子核中的中子释放出来的装臵。 质子和中子在核中存在很强的核力作用，要使之从核中释 放出来，必须提供足够的能量。用高能(带电)粒子轰击作靶 的原子核，引起核反应，释放出中子。测井用的中子源有两类： 同位素中子源（连续，产生快中子）：
第二节 超热中子测井
三、井壁中子孔隙度环境校正
刻度的标准条件：地层水井液为淡水，井径 7.875"，温度为 75华氏度，压力1个大气压，井壁无泥饼，不符合条件的，原则 上讲都必须校正。 (1)井径校正； (2)水垫校正，滑板与地层间泥浆； (3)泥饼校正（普通泥浆，重晶石泥浆），泥饼厚度确定； (4)矿化度校正，影响不大； (5) 温度压力校正（高温使减速能力降低，高压又使减速能力增 强），校正量较低。