第九章中子测井新

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σs，其单位是巴(即 1b=10-24cm2)。
1cm3物质的所有原子核微观散射截面的总和叫 岩石的宏观散射截面 。 3、岩石的快中子减速时间和减速长度 在岩石中，快中子由初始能量E0 减速到能 量为En=0.025eV的热中子所需的时间τs称为减 速时间，所移动的直线距离称与某些核素发生(n，α)、(n，p) 核反应,产生新的放射性核素→活化核，衰变 产生的γ射线叫活化伽马射线
对测井有实用价值的活化核反应：
14
Si 0 n 13 Al 1 H Al
28 1 28 1
28
Si β γ Q
28
Al28半衰期为2.3min，发射γ光子能量为 1.728MeV →对应于活化测井中的“硅测井”， 用于识别岩性
由于热中子能量与原子核处于热平衡状态， 容易被原子核俘获，同时伴生俘获伽马射线。 在组成沉积岩的核素中氯的热中子俘获截面 最大，因此地层含氯量决定了岩石的俘获特 性。 这就决定了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。这对于用热 中子计数率大小反映岩层含氢量，进而反映 岩层孔隙度值来说，氯含量就是个干扰因素。
4 4 12
237
Be 2 He 6 C
0n Q
1
5Mev
（2）脉冲中子源（加速器中子源）
1
H 1 H 2 He 0 n Q
3 2 4 1
靶
14Mev
用加速器加速到0.126Mev能量
优点：强度高，发射单色中子，可人为控制 中子源强度：中子源单位时间内发射的中子数
二、
三、
中子的探测
中子测井探测的是超热中子和热中子。 目前主要用于慢中子探测的核反应有：
5
B 0 n 3 Li α 2.792MeV
10 1 7
3
Li 0 n 1 H
6 1
3 1 3
3
α 4.780MeV
He 0 n 1 H p 0.765MeV 2
利用超热中子、热中子和探测器物质的 原子核发生核反应，放出电离能力很强 的带电粒子来记录中子。
地层中常见元素的微观俘获截面：
Cl H C O Mg Al
0.215
Si
0.13
Ca
0.43
B
710
31.6 0.329 0.0045 0.0016 0.46
氯的俘获截面比岩石中其它常见元素的俘 获截面大得多
岩石中若含微量的硼，宏观俘获截面也会 显著增大
热中子寿命τt：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：
与吸收物质原子处于平衡状 态的中子称之为热中子， v=2.2X105 cm／s。
En0.025ev,热中子
2.中子源：以某种形式，给原子核能量，引起
核反应，把中子从原子核中释放出来的装臵叫
中子源。分为连续中子源和脉冲中子源。
（1）连续中子源（同位素中子源）： 镅-铍中子源：
4 95
Am
9
241
2 He 93 Np
中子与地层的作用
（一）、快中子的非弹性散射 1、概念： 快中子被靶核吸收形成复核，再放出一个 较慢的中子，而仍处于激发态的靶核一般发射 γ光子后回到基态。这种γ射线叫非弹性散射 伽马射线。 2、非弹性散射（微观）截面： 一个中子与单位面积上的一个靶核发生 非弹性散射的几率。14Mev高能快中子发生的 几率高。
充满水的砂岩、石 灰岩和白云岩三种 岩性的岩石减速长 度Ls和孔隙度φ的关 系曲线。
由图可以看出Ls随 φ增大而缩短，而 且孔隙相同、岩性 不同的地层减速长 度不同。
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（长源距）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。
17
Cl
35
0 n 17 Cl
1
36
17 Cl
36
( 6 . 11 Mev )
测量特定能量的俘获伽马射线——俘获伽马能谱测井 测量地层中俘获伽马总强度——中子伽马测井 一个原子核俘获中子的几率叫该原子核的微观俘获截 面σ
3、岩石的宏观俘获截面
宏观俘获截面Σa：1cm3的介质中所有原子核 微观俘获截面的和。
2．交会图法确定孔隙度与岩性
超热中子测井与声波测井或密度测井组 合构成交会图（图9-6） 可以用来确定孔隙度与岩性
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。
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。

图9-1井壁中子测井仪示意图
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(入射中子能量一定)与地层 中原子核的种类及数量有关。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，在孔隙 度相同的情况下由不同核素组成的不同岩性的地层， 减速长度是不同的。由于在地层中的所有核素中， 氢是减速能力最强的核素，远远超过其他核素，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，孔隙越大则地层减速 长度就越短。
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→→计数率与孔隙度 大小无关。 实际工作中用的是长源距 ,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。 超热中子俘获截面非常小，其空间分布不 受岩层含氯量的影响(地层水矿化度)，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。
第九章 中子测井
第九章 中子测井 （Neutron logging）
中子测井
利用中子源照射地层（向地层发射中子） 根据中子与地层的相互作用来研究地层性质
的测井方法
主要测井方法有：中子孔隙度测井、中子伽
马测井、 中子寿命测井、次生伽马能谱测井 (C/O)。
主要用于识别岩性、计算孔隙度、饱和度
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）
热中子与超热中子 的能量相差不多，其 空间分布规律与超热 中子的空间分布规律 是一致的，即在长源 距的情况下饱含流体 的岩层的孔隙度越大， 热中子的计数率越低； 孔隙越小计数率越高。
§1
中子测井的核物理基础
一、中子和中子源
1.中子：静止质量为一个原子质量单位的中性
微粒，半衰期为11.7分钟，由核反应产生。
高能中子： 快中子： 按能量可分： 中能中子： 慢中子： En >10MeV 10KeV 10MeV 100eV 10KeV 0.03eV 100eV En1ev,超热中子 （0.2～10ev)
二、超热中子测井资料应用 1．确定地层孔隙 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 。 孔隙度相同岩性不同的地层，超热中子计 数率不同。以石灰岩孔隙度为标准刻度记录 的孔隙度是石灰岩孔隙度。对于其他岩性的 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。
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。与上述情况 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φN和密度测井孔隙 度φD曲线重叠，其明显的幅度离差是气层特 征
§3 、补偿中子孔隙度测井
中子在岩石中的减速长度定义为：
def
Ls

Rd 6
2
R
淡水：Ls=7.7cm 石英：Ls=37cm 方解石：Ls=35cm 岩石对快中子的宏观减速能力主要由含氢量决定
表9-1
（四）、热中子扩散和被俘获
快中子经过一系列碰撞后能量逐渐减小，最 终与原子共处于热平衡状态，不再减速，此时 称为热中子。 1、热中子的扩散： 热中子从中子密度大的区域向中子密度小的区
§2超热中子测井
中子孔隙度测井的地质基础
由中子源产生5MeV的快中子； 用中子探测器探测热中子或超热中子的计数率；
计数率的大小主要决定于地层的含氢量；
在刻度井中将其转化成视石灰岩中子孔隙度。
一、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。 超热中子探测器和中 子源贴靠井壁测量以 减小井眼的影响。叫 井壁超热中子测井仪 (SNP)
域扩散，直至被介质原子核俘获为止。 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： R
def 2
Ld

t
6
2、辐射俘获核反应
靶核俘获一个热中子后成为激发态的复核， 放出γ光子后回到基态，反应中放出的γ射线 称为俘获γ射线或中子伽马射线
不同原子核放出的γ射线具有不同的特征能量。
中子与靶核弹性碰撞时，平均能量损失为：
E 2A ( A 1)
2
E0
可见，靶核质量数A越大，中子的能量损失越小。 氢核的A=1，中子与氢核弹性碰撞时失去能量最 多（平均失去50%的能量），氢核对中子的减速 能力最强。 这是中子测井测定地层含氢量及解决与含氢量 有关的各种地质问题的依据。