第9章中子测井

1、2022-6-9测井方法1第九章第九章 中子测井中子测井 中子测井(NUETRON LOGGING)：种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。 2022-6-9测井方法2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（探测热中子密度）第四节 中子伽马测

2、井 第九章第九章 中子测井中子测井 2022-6-9测井方法3第一节 中子测井的核物理基础v一、中子和中子源v二、中子和物质的作用v三、中子探测器 2022-6-9测井方法4一一 中子和中子源中子和中子源 1 1、中子、中子(1) 组成原子核不带电的中性微粒，它与质子以很强的核力结合在一起，形成原子核。(2)中子的质量 1.00887u；质子的质量1.00758u(3)中子的半衰期 中子的静止质量大于质子和电子的静止质量之和，会自发的发生-衰变，它的半衰期为11.70.3min，因此，自然界几乎不存在自由中子。(4)中子的分类2022-6-9测井方法5 当中子与原子相互作用时，和核外电子几乎没

3、有库仑力作用，而直接与原子核碰撞，其反应几率主要取决于核的性质。因此，中子入射物质后，主要是与原子核发生作用。中子能量不同（速度不同），它与物质相互作用的行为也就大不相同，因此，目前使用的中子测井包括使用同位素中子源测井和加速器中子源中子测井。 一一 中子和中子源中子和中子源2022-6-9测井方法6根据中子的能量可将中子分为：高能中子 能量10 MeV 穿透能力极强快中子 10MeV10KeV 穿透能力极强中能中子 100eV10KeV 一一 中子和中子源中子和中子源慢中子 0.03eV100eV 超热中子约为0.210ev热中子约为0.025ev，热中子标准速度2200M/S2022-6-

4、9测井方法7 2、中子源 能将原子核中的中子释放出来的装置。 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。一般选用轻原子核作靶核（A小，结核能小，易产生中子），如4Be9和1H3。 测井用的中子源有两类：同位素中子源、加速器中子源。 一一 中子和中子源中子和中子源2022-6-9测井方法8 同位素中子源：利用放射性同位素核衰变时放出的高能粒子（如粒子）去轰击靶核，引起核反应，释放中子，这种中子源的特点是连续发射中子。发射中子的平均能量为45Mev。 如镅铍（Am-Be）中子源，利用镅衰变产生的a粒子去

5、轰击铍，引起核反应释放出中子，产生中子能量平均为5Mev。 一一 中子和中子源中子和中子源)701. 5()(101264294422379324195MevQnCHeBeaHeNpAm2022-6-9测井方法9 加速器中子源（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： MevnHeTD588.171042一一 中子和中子源中子和中子源2022-6-9测井方法10几个特性参数：1)源强：单位时间内发射的中子数 中子产额：同位素中子源 每居里放射性物质产生的放 射性强度 加速器中子源 单位强度流（UA或UQ）在靶 上

6、产生的中子数。2)半衰期间：发生轰击粒子的放射性同位素的半衰期。（靶核的半衰期） 一一 中子和中子源中子和中子源2022-6-9测井方法11二二 中子和物质的作用中子和物质的作用 1、快中子的非弹性散射 高能快中子与地层发生作用时，快中子被靶核吸收形成复核，然后放出能量较低的中子，靶核仍处于激发态，而激发态的核放出特定能量的伽马射线后回到基态。例如，12C和16O都能与14Mev的中子发生非弹性散射而激发释放出射线，这是C/O能谱测井的基础。 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。 2022

7、-6-9测井方法12 非弹性散射截面：一个快中子与一个靶核非弹性散射的几率，单位巴（10-24cm2）。原子核的能级是非连续的，只有当入射的中子的能量至少大于靶核的第一激发能级时，才有可能发生非弹性散射，同位素中子源发射的中子能量较低，对非弹性散射的贡献可忽略不记，因此，必须使用加速器中子源。在14Mev中子源发出中子后10-6秒时间内主要发生此效应。 二二 中子和物质的作用中子和物质的作用2022-6-9测井方法132、快中子对原子核的活化 快中子除发生（n，n）反应外，还可发生（n，a），（n，p）核反应。这些反应产生新原子核。有一定的半衰期，衰变放射出带电粒子和射线，其中伽马射线称为次生

8、活化伽马射线。 活化测井：如：硅测井，铝测井，钙测井，氯测井 二二 中子和物质的作用中子和物质的作用硅活化：112813102814pAlnSi又有QSiAl28142813有效区分砂层和碳酸盐岩 。2022-6-9测井方法14铝活化： 二二 中子和物质的作用中子和物质的作用钙活化：氯活化： 112712102713pMgnAl可确定岩性和泥质含量，铝是常见粘土矿物的指示元素，而硅是砂岩的指示元素。 4920104820CanCa3817103717ClnCl钙是碳酸盐岩的指示元素。 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 2022-6-9测井方法15 3、快中子的弹性

9、散射 (1)快中子的弹性散射 中等能量的中子与靶核碰撞，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。对于同位素中子源中子测井，中子的初始能量较低，因此，从开始就以弹性散射为主。 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。 二二 中子和物质的作用中子和物质的作用2022-6-9测井方法16 (2)特点 入射中子被碰原子核系统，在碰撞前后总动能不变，中子损失的能量全部变成被碰核的动能，而核仍处于稳态，纯减速过程。 (3

10、)弹性碰撞能量损失 与靶核的A，入射中子能量E。及散射角（中子散射方向和入射方向的夹角）有关。当为正碰撞时，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： 二二 中子和物质的作用中子和物质的作用020max) 1(2,)11(,)1 (2EAAEAAaEaE2022-6-9测井方法17 对氢核来说，A=1，a=0，Emax=E0，E=1/2E0，而对碳核，A=12，a=0.716，E=0.142E0，Emax=0.284E0。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。 (4) 岩石宏观散射截面微观散射截面s：一个中子与一个原子核

11、发生弹性散射的几率，单位1b=10-24cm2； 宏观散射截面s：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：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）。二二 中子和物质的作用中子和物质的作用2022-6-9测井方法18 (5) 减速时间和减速距离 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L：在减速时间内，中子移动的直线距离。(6)热化碰撞次数 中子从初始能量慢化到热中子所需要的碰撞次数。 二二 中子和物质的作用中子和物质的作用2022-6-9测井方法19 4、热中子扩散和俘获 (1) 热中子的扩散 快中子经减速到能量与地层原子处于热平

12、衡状态时，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。 二二 中子和物质的作用中子和物质的作用2022-6-9测井方法20(3) 岩石对热中子的宏观俘获截面a： 微观俘获截面：一个原子核俘获热中子的几率； 宏观俘获截面a：一立方厘米所有原子微观俘获截面的总和。常见元素中： 二二 中子和物质的作用中子和物质的作用ClHCOMgAgSiCa31.60.3290.00450.00160.400.2150.130.432022-6-9测井方

13、法21 (4)热中子寿命 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：结论：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a =710b，即使含量微小，也对测井将会有很大影响。 v为热中子的移动速度。avt1二二 中子和物质的作用中子和物质的作用2022-6-9测井方法22三三 中子探测器中子探测器 中子测井中测量的热中子、超热中子均为慢中子。利用中子与某些原子核发生核反应，放出带电粒子而制成的将慢中子密度（热中子、超热中子）转化成电脉冲数的装置。 2022-6-9测井方法23第二节第二节 超热中子测井超热中子测井 即通过中子源（同位素中

14、子源）发射快中子，照射地层（与地层介质作用）减速形成热中子或超热中子，中子探测器探测热中子或超热中子的密度（通量），不同地层，减速能力不同，计数率不同，以此寻找储集层、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（井壁中子）测井，统称为中子孔隙度测井。 2022-6-9测井方法24 中子孔隙度测井（neutron porosity logging）：用点状同位素中子源照射地层，用中子探测器测量热中子计数率，并将计数率转化为视石灰岩孔隙度的一种中子测井方法。 井壁中子（sidewall neutron porosity logging）SNP； 补偿中子(compensa

15、ted neutron porosity logging) CNL。 第二节第二节 超热中子测井超热中子测井 2022-6-9测井方法25z一、超热中子测井的基本原理z二、决定热中子计数率的因素z三、井壁中子孔隙度环境校正z四、井壁中子孔隙度的响应方程 第二节第二节 超热中子测井超热中子测井 2022-6-9测井方法26一一 超热中子测井的基本原理超热中子测井的基本原理 井壁中子测井：（源，探测器装在贴井壁的滑板上，测量超热中子计数率来反映地层含H指数） 1、源距和超热中子探测超热中子探测 超热中子计数率与源距的关系类似热中子计数率与源距的关系：零源距，长源距，短源距。但零源距的大小会比热中子

16、的零源距略小。 其中：短源距对含氢指数分辨率太低，一般不用；源距增加，对氢含量分辨率增加。2022-6-9测井方法27 探测器为选择记录超热中子，采取两项措施： (1)探测器外加热中子吸收剂（镉）作屏蔽层目的：吸收热中子； (2)屏蔽层与探测器之间加减速器（塑料，石蜡等高H物质）目的：使穿过屏蔽层的超热中子迅速变为热中子。 2、测量方式 贴井壁测量。 一一 超热中子测井的基本原理超热中子测井的基本原理2022-6-9测井方法283、测量原理 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、降低速度，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

17、集层、确定孔隙度的测井方法。 一一 超热中子测井的基本原理超热中子测井的基本原理2022-6-9测井方法294、仪器刻度 刻度原因：不同仪器（源距，探测器），导致计数率变化。 休斯顿大学的API中子测井标准井：三个孔隙不同的纯石灰岩地层（厚为6英尺，由6块厚为1英尺、宽为5英尺的六面体组成），井眼居中，井径7.875“，规定：把仪器零线与=19%的Indiana石灰岩的曲线幅度之差的千分之一规定为一个API中子测井单位。5、曲线 井壁中子曲线记为SNP或SWN ，单位石灰岩孔隙度单位。 一一 超热中子测井的基本原理超热中子测井的基本原理2022-6-9测井方法30二二 决定热中子计数率的因素决

18、定热中子计数率的因素 1、岩性的影响 快中子的减速过程过程，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，由下表和下页图可知，不同岩性的地层，快中子的减速长度不同。曲线关系近似差值（%）可能的估价物质DN40岩盐DN56砂岩D=N石灰岩DN8.13白云岩DN16硬石膏DN1030泥岩DN28石膏2022-6-9测井方法31二二 决定热中子计数率的因素决定热中子计数率的因素2022-6-9测井方法322、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

19、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。 二二 决定热中子计数率的因素决定热中子计数率的因素2022-6-9测井方法333、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；相反，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，因此：探测器离源较近：孔隙度越大，计数率越高，对应长源距探测器离源较远：孔隙度越大，计数率越高，对应短源距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。 二二 决定热中子计数率的因素决定热中子

20、计数率的因素2022-6-9测井方法344、地层的含氢指数 氢是地层中最重要的减速剂，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，淡水（纯水）含氢指数为1，而任何其它物质的含氢指数将与其单位体积内的氢核数成正比。二二 决定热中子计数率的因素决定热中子计数率的因素2022-6-9测井方法35式中：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：=1，x=2，M=18 （水分子），规定其含氢指数为1，则1=K*2/18，得K=9，故：物质的含氢

21、指数为 二二 决定热中子计数率的因素决定热中子计数率的因素即：MxKHMxH92022-6-9测井方法36(1)饱和淡水纯石灰岩的含氢指数 孔隙度为的石灰岩，则含氢指数为： H=Hma(1-)+Hw 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。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，则含氢指数为：Hw=1=，将中子孔隙度测井得到的含氢指数记为N ，并称为中子孔隙度，其单位是石灰岩孔隙度单位。 二二 决定热中子计数率的因素决定热中子计数率的因素2022-6-9测井方法37 饱和淡水地层

22、：砂岩：N略小于； 白云岩：N略大于； 石灰岩：N等于； 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。 二二 决定热中子计数率的因素决定热中子计数率的因素2022-6-9测井方法38(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h的烃： 二二 决定热中子计数率的因素决定热中子计数率的因素hxxHh129 对以CH4为主的天然气（g0.25），上式近似为 Hg=2.2g2022-6-9测井方法39对以C

23、nHnx为主的石油，根据原油化学分析有： x=4-2.5g 则： 二二 决定热中子计数率的因素决定热中子计数率的因素oooHo)5 . 2165 . 24(9如o=0.85g/cm3，Ho=1.034。 2022-6-9测井方法40(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。 b. 石膏：CaSO42H2O ，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%。 c. 岩性影响：纯砂岩的骨架含氢指数为-0.010.05，白云岩为0.010.085，石灰岩为0。 二

24、二 决定热中子计数率的因素决定热中子计数率的因素2022-6-9测井方法41 (4)挖掘效应 冲洗带有残余油气的纯石灰岩，有：，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：n=xo，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Nxo，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。 二二 决定热中子计数率的因素决定热中子计数率的因素2022-6-9测井方法42三三 井壁中子孔隙度环境校正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