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9第九章 中子测井

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第九章__中子测井

第九章__中子测井

第九章中子测井(Neutron log)利用中子与地层相互作用的各种效应，来研究钻井地质剖面的一类测井方法统称中子测井。

它是利用岩石的另一种特性，即岩石中的含氢量来研究岩石性质和孔隙度等地质问题。

这种测井方法在于将装有中子源和探测器的井下仪器下入井中，由中子源→中子→进入岩层,同物质的原子核发生碰撞将产生减速、扩散和被俘获几个过程，到达探测器。

在这些过程中，探测器周围的中子分布状况，以及中子被俘获后所放出的伽马射线强度，与仪器周围的岩石性质，特别是岩石的含氢量有关。

而储集层的含氢量又取决于它的孔隙度，因此，中子测井是目前广泛使用的一种孔隙度测井。

根据中子测井的记录内容：可以将它分为中子-中子测井和中子-伽马测井。

根据仪器的结构特点，中子—中子测井又可分为中子-超热中测井（SNP）—井壁中子测井中子-热中子测井（CNL）—补偿中子测井一、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一种不带电荷的中性粒子，其质量与氢核的质量相近。

中子与物质作用时，能穿过原子的电子壳层而与原子核相碰撞，所以它对物质的穿透能力较强。

通常中子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，就必须供给一定的能量。

如果使原子核获得的能量大于中子结合能，中子就可能从核中发射出来。

可以用α粒子、氘核d、质子p或γ光子轰击原子核，引起各种核反应，使中子从核内释放出来。

这种产生中子的装置称中子源。

一、中子测井的核物理基础因为不同能量的中子与原子核作用时有着不同的特点，所以通常根据中子的能量大小，可以把它分成几类：高能快中子：能量大于10万电子伏特；中能中子：能量在100电子伏特—10万电子伏特之间；慢中子：能量小于100电子伏特；其中0.1—100电子伏特的中子为超热中子；能量等于0.025电子伏特的中子为热中子。

一、中子测井的核物理基础1 中子和中子源中子测井所用的中子源有两类：即同位素中子源和加速器中子源。

009第九章 测井地应力分析概论

009第九章 测井地应力分析概论

大
小
（
100.00
80.00
60.00 2800.00
3200.00
3600.00
4000.00
4400.00
深度（m）
4800.00
库车山前构造带泥岩地应力场的最大主应力与深度关系图
塔河2井声波时差.电阻率随深度关系
塔河2井建模
构造稳定区测井计算地应力与实测模型计算结果对比
克拉2井地应力结果
3735 78.99252
3752 79.09621
3769 80.46458
3786 81.23924
3803 82.00498
3821 81.00843
3838 81.42256
3855 81.64127
山前构造带地应力分布对油气 形成的影响
• 重点井区井筒地应力分析
• 地应力分布与储层物性和油气分布关系 • 基于地应力的盖层－储层组合分析 • 地应力分布与构造样式关系
3657.445 0.330617
KL2声波时差与弹性模量关系图
深度
弹性模量
3531 0.370665
3547 0.326022
3564 0.330058
3582 0.329569
3599 0.325627
3616 0.329223
3633 0.331087
3650 0.330913
3667 0.331303
主要难题：是泥岩压实过程的人工模拟与高温高压条件下的物性 参数的实测，目前国内还没有成功的实例，Okala homa大学正在 开展这方面的尝试。对泥岩原地应力大小的测试，可应用差应变 法和Kaiser效应声发射法，其关键是泥岩样品的采集与制作。

第9章中子测井

第9章中子测井
少，运动速度降低-->继续碰撞其它原子核.反复多次，能量 不断损失，速度不断减慢，最后中子成为热中子，此过程为 快中子的减速过程。
初始能量为2百万伏特的中子 在不同元素中减速成为热中子时，碰撞特征及能量损失
元素 钙 氯 硅 氧 碳
散射截面(巴) 9.5 10 1.7 4.2 4.8
氢 45
原子量
40.1 35.9 28.1 16.0 12.0 1.0
属于放射性测井，它是利用岩石中含氢量来研究岩石性质
和孔隙度的一种测井方法。
下井仪包括中子源与探测器
中子源→中子→进入岩层,同物质原子核发生碰撞、减速、 散射、被俘获的情况与地层氢（H）含量有关
探测器：探测中子和伽马射线。
Hale Waihona Puke 一般的中子测井就是利用与源有一定距离的中子探测器来测量超 热中子（0.2～10eV）或热中子（0.025eV）的密度。
11H + 10n→ 21H + r
热中子被元素原子核俘获几率取决于元素俘获能力，通常 用俘获截面来量度，单位 巴。
➢单位cm2，大多数在10-24 cm2数量级，定义为巴。
➢发生两种过程（散射、俘获）的总有效截面为全有效
截面。
➢单位体积物质的有效截面为各个原子核有效截面的总
和，称为宏观有效截面，用Σ表示
井壁中子测井
这是中子测井的第二代仪器，实为超热中子测井，使用一个 中子探测器，源到探测器的距离为0.42m，中子计数管外包有镉 和石蜡层，使其只能记录超热中子，中子源和探测器装在同一滑 板上，用推靠器使滑板紧贴井壁，井壁中子测井记录的是地层孔 隙度值，这种仪器有以下优点：
⑴ 探测器贴井壁，减少了井的影响；
和石灰岩地层模块孔隙充填淡水，无泥饼，井温240c，压 力1atm,仪器偏心。实测测井时，条件与刻度条件不同， 相差远，需校正。

中子测井

中子测井

弹性散射的结果是使中子减速。
能量较低的快中子（5mev以下）通常 以这种作用为主。
一、中子源及岩石的中子特征 ①快中子与地层间的作用
使原子核活化：
快中子与稳定的靶核作用，生成新的 放射性核素，新的放射性核素发生核衰变 产生伽马射线。
活化作用的结果：
Ⅰ中子被吸收 Ⅱ产生伽马射线（称为活化伽马射线）
一、中子源及岩石的中子特征
e r1 / Le e r1 / Lt K1 KQL N t1 2 2 r1 4Dt ( Le Lt ) r1
2 t
r2 / Le r2 / Lt K1 KQL2 e e t Nt2 2 2 r2 4Dt ( Le Lt ) r2
地层中是否存在使中子容易发生非弹性
散射和弹性散射的核素；
中子与核素之间每发生一次作用，其能量损
失的多少。
一、中子源及岩石的中子特征
⑤地层的减速特性
研究结果表明：
中子与氢核发生弹性散射的几率最大（45%）
中子与氢核每发生一次散射损失的能量最大
（≈100%） 所以，地层对快中子减速能力主要取决于地 层中的含氢量。含氢量越多，则对快中子的减速 能力越强。
N f (H )
二、超热中子测井（井壁中子测井SNP）
原理
④超热中子的测量结果（计数率）：
N f (H )
H (1 )H ma H f
对于某一类岩石，Hma= C1，当Hf=C2时， H的值的高低就仅由φ决定。
二、超热中子测井（井壁中子测井SNP）
原理
⑤超热中子的输出（记录的内容）： 在已知岩性和孔隙流体的条件下用各种 孔隙度的岩石对测井值进行刻度就可确定：

《地球物理测井方法》第九章中子测井

《地球物理测井方法》第九章中子测井

《地球物理测井方法》第九章中子测井中子测井是地球物理测井中一种常用的方法，通过测量自然放射性中子在地下岩石中的吸收和散射情况，给出含氢量，从而判断岩石的岩性和含水性质。

本章主要介绍中子测井的原理、测井曲线的解释和应用。

9.1中子测井的原理中子测井通过探测和测量中子在地下岩石中的吸收和散射情况，来确定地层的物性参数。

中子测井一般使用两种中子源：放射性核素源和中子发生器。

9.1.1放射性核素源放射性核素源一般采用锶-90/钇-90和铯-137源。

当源辐射中子进入地层时，与地层中的核与原子进行散射、吸收和成为散裂中子，从而改变中子的传输规律。

通过测量地层中散射中子和散裂中子的比例，可以确定地层的平均原子质量和中子俘获截面。

9.1.2中子发生器中子发生器一般采用贝里利钠源。

中子发生器产生高速中子，通过地层的散射和核反应，快速减速并且散射成热中子。

测量地层中的散射中子可以得到地层的平均原子质量。

9.2中子测井曲线的解释中子测井曲线是通过记录和测量地下岩石中散射和吸收中子的响应，从而得到岩石的物性参数。

9.2.1中子通量曲线中子测井中，中子源发射的中子流经地层时会发生吸收和散射，散射到测井仪器的中子将与原子核发生散射反应。

记录和测量测井仪器接收到的中子数目，可以得到中子的通量曲线。

中子通量曲线反映了地层中散射和吸收中子的情况，从而可以判断地层的物性参数。

9.2.2归一化中子通量曲线为了消除不同测井工具之间的差异，通常会将中子通量曲线归一化。

将测井仪器接收到的中子数目除以源活度和测井仪器的响应系数，得到归一化的中子通量曲线。

9.2.3中子测井曲线的解释根据中子测井曲线的形态和变化，可以判断地层的物性参数。

当地层中的含水量较高时，中子通量较高，因为水对中子的吸收较强。

而当地层中的含水量较低时，中子通量较低。

通过测量中子测井曲线的斜率，还可以得到地层的氢指数，从而判断地层的岩性。

9.3中子测井的应用中子测井可以用于判断地层的物性参数，从而对地层进行岩性和含水性质的判断。

地球物理测井.中子测井.ppt

地球物理测井.中子测井.ppt
有元素中氢的减速能力最强。
2)扩散长度Ld 物质对热中子俘获能力越强，扩散长度就越短。
3)宏观俘获截面Σ 岩石含氯量越高，岩石俘获截面越大，则俘获产生的中
子伽马射线强度越大。
3)宏观俘获截面Σ
沉积岩中氯元素的最大，地层含氯，地 层的取决于含氯量。
地层不含氯和其它较高的元素，H的相 对较高，地层的在一定程度上反映含H量。
地球物理测井—放射性测井
中子测井
三、补偿中子测井CNL
1、补偿中子测井的原理 （探测热中子密度）
CNL通过长、短两源距探测器所测得的热中子计 数率之比来减小地层俘获性能和消除井参数的影响， 以较好地反映地层的含氢量。
地球物理测井—放射性测井 三、补偿中子测井CNL
中子测井
1、补偿中子测井的原理 （探测热中子密度）
中子源 快中子 地层介质
热中子
热中子探测器：含硼盖革计数管 闪烁计数器（晶体含硼、锂）
超热中子探测器：利用含氢介质减速，再用镉过滤器 去掉热中子。
地球物理测井—放射性测井
中子测井
一、中子测井基础
4、描述中子与物质相互作用各阶段的物理量
1)减速长度Ls Ls最短（减速能力最强） 含氢越多的物质，减速长度就越小，减速能力就越强。所
地球物理测井—放射性测井
中子测井
中子测井原理：
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，探测器将探 测超热中子、热中子或次生伽马射线的强度，用来 研究地层孔隙度、岩性以及孔隙流体性质等。
地球物理测井—放射性测井
中子测井
二、超热中子测井(SNP，Sidewall Neutron Porosity Tool) 测井原理：
在快中子源附近，超热中子和热中子的计数率在含氢量高 的地层中都比在含氢量低的地层中高； 当与源之间的距离增加到某一临界值（Lo）时，含氢量不 同的地层具有相同的超热中子和热中子计数率； 之后，继续增大与源之间的距离，超热中子和热中子的通量 在含氢量高的地层中都将比在含氢量低的地层中低。

中子测井

中子测井
– 1、地层水（孔隙，泥质） 地层水（孔隙，泥质） – 2、石油及天然气。 石油及天然气。
• 地层对热中子的俘获截面越大，则对热中 地层对热中子的俘获截面越大， 子的俘获能力越强， 子的俘获能力越强，热中子扩散距离及寿 命越短。 命越短。 • 氯核素的俘获能力强。 氯核素的俘获能力强。
– 地层水（地层水矿化度） 地层水（地层水矿化度）
NMR
• 中子测井反映的是地层中含氢指数，因此 天然气水合物中子测井响应取决于单位体 积的氢原子数。当水合物形成时，要从相 邻地层中吸收大量淡水，同时单位体积水 合物中有20%的水为固态甲烷所取代，这就 导致一单位体积沉积物内的含氢量大大增 加。即便因水合物形成引起的沉积物密度 降低会减少沉积物的含氢量，但最终还是 会导致单位体积内沉积物的含氢量增加， 从而导致中子孔隙度增加。
中子测井的类别
• 超热中子测井（SNP）—井壁中子测井 （SNP） 井壁中子测井
– 由快中子源发出的快中子在地层中运动，与地 由快中子源发出的快中子在地层中运动， 层中的各核素发生弹性散射，能量逐渐减小， 层中的各核素发生弹性散射，能量逐渐减小， 速度降低，成为超热中子， 速度降低，成为超热中子，其减速过程的长短 与地层中的核素类型及数量有关。 与地层中的核素类型及数量有关。 有关 – 探测探测器周围中子变为热中子之前的超热中 子密度，以反映地层的中子减速特性， 子密度，以反映地层的中子减速特性，进而计 算储层孔隙度和对储集层进行评价。 算储层孔隙度和对储集层进行评价。
• 热中子测井（CNL）—补偿中子测井 （CNL） 补偿中子测井
– 由中子源发出的快中子在周围介质中减速成热 中子， 中子，探测热中子密度的测井方法叫热中子测 井。 – 补偿中子测井一是通过测量热中子计数率，确 补偿中子测井一是通过测量热中子计数率， 定地层的减速能力， 定地层的减速能力，判断地层岩性和计算地层 孔隙度的一种测井方法。补偿中子测井CNL CNL是 孔隙度的一种测井方法。补偿中子测井CNL是 较好的一种热中子测井方法。 较好的一种热中子测井方法。

第九章中子测井

第九章中子测井

三、 中子的探测
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
利用以上反应产生的α或p粒子使探测器的计数 管气体电离形成电脉冲信号，或使探测器的闪 烁体形成闪烁荧光产生电脉冲信号，记录中子。
中子测井仪是在饱含淡水的纯石灰岩刻度井 中将热中子或者超热中子计数率刻度为孔隙度， 记为N，常称中子孔隙度（即含氢指数）: 对饱含淡水的纯石灰岩： N = 对饱含淡水的纯砂岩： N < 对饱含淡水的白云岩： N >
5.与有效孔隙度无关的含氢指数 （1）泥质：因含束缚水和结晶水，因而有很 高的含指数。大小由泥质孔隙体积和矿物成分 决定。 （2）石膏： CaSO
V1（石灰岩）
V1( 石灰岩）
V2 （石灰岩）
V3（水）
V2(气)
V3(水)
N= V3 Hw= 3
N< V3 Hw= 3
二、补偿中子孔隙度测井 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） API单位
比值
得到热中子计数率
中子孔隙度
H S xo H w (1 S xo ) H h
但测井时会出现 ：
N SXO=XO
也就是说：当Hh=0,即把含天然气的孔隙体积当 做岩石骨架处理时N还小于XO，这说明天然 气对快中子的减速能力比石灰岩骨架还低，所 以显示为负的含氢指数，把天然气对中子测井 的这种影响称为挖掘效应。

中子测井

中子测井

Lf 定义为：
def
Lf
ln(E0 / Et)
(sH 's ')(sH 3s ')
Σs.H 岩石中氢的宏观散射截面 ζ’除氢以外岩石对中子的能量减缩 Σ’s除氢以外岩石中的宏观散射截面
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
2
中子和物质的作用
4、热中子扩散和俘获
(1) 热中子的扩散
中子测井
二零一四年六月十七日
中子测井(NUETRON LOGGING)：种用中子和地层的相互 作用的各种效应，来研究钻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 和中子寿命测井等具体方法。
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，研究地层的孔隙度、岩性及孔隙流体性质等地 质问题。
2
中子和物质的作用
2、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γ射线，其中伽马射线称为次生活化伽马射线 。
活化测井：如：硅测井，铝测井，钙测井，氯测井
硅活化：
14 Si 28 0 n1 13 Al 28 1p1
(4)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， 在数值上等于平均扩散自由程（1／Εa）与热中子平均速 度的比值。它和宏观俘获截面的关系为：
2
中子和物质的作用
(6) 岩石宏观散射截面

套管井地层参数测井

套管井地层参数测井

3.操作步骤
（ 1 ）在目的层的套管井段测量中子寿命的基线（本 底）； （2）射开进行测—注—测的层段，孔密不小于每米10 孔； （3）注入一定量的矿化度小于10000ppm的淡水； （4）在研究层段边注边测，记录稳定时录取正式资料， 一般至少重复测量5次，取其平均值作为地层俘获截 面值； （ 5 ）注入一定量的均匀盐水（矿化度 15000mg/l ）， 或相当于高矿化度地层水的盐水； （6）重复第（4）步。
2.施工工艺
（1）先用蒸汽清洗容器罐，所有地面设备都用淡水清洗， 以免污染； （2）注入液要通过5的过滤器，防止固体颗粒污染堵塞孔隙 空间； （3）注水时要用除氧剂除去氧，以防氧化铁沉淀，除氧剂 不能含有影响岩石俘获能力的元素。 （ 4 ）注水矿化度与 NaCl 加入量的关系是每注入 1m3 的液体， 要取样进行俘获截面测量以保证注入液的均匀性。 （5）注入液矿化度与地层孔隙度之间满足经验公式
第二节 中子寿命测井
一、基本概念
中子寿命测井（NLL）也叫热中子衰减时间测井 （TDT），是脉冲中子测井中最常用的一种，记录的 是热中子在地层中的寿命。 1、与宏观俘获截面的 关系为：
1 V
（9-13）
的计算
①若矿物骨架或孔隙流体是由一种化合物组成的，则其 热中子宏观俘获截面为
602 (C1 1 C n n ) M
Cw 7
式中 表示地层孔隙度， Cw 表示注入液矿化度（×103㎏ /m3）；
2.施工工艺
（ 6）注入的液体应保证充满中子测井的整个探测范 围。要驱走所有的流体，需要有比孔隙空间大几倍 的注入液才能完成； （7）注入速度、压力必须小于地层破裂压力； （8）井口要有防喷装臵，边注边测，直到所测的值 不变时，才开始取资料； （ 9）为了消除扩散效应，中子寿命测井仪的源距要 大于 60cm ，为了测准俘获截面，在目的层段测速 不应超过60m/h，并在测前测后进行刻度。

第九章 脉冲中子测井

第九章 脉冲中子测井
13 12
Al + 0 n →12 Mg +1 p
27 1 27 −
1 27
Mg
27
→ β + γ (1.015和0.84Mev） 13 Al +
第三节 中子活化测井
三、中子活化测井的应用
1、利用硅测井识别岩性 砂岩骨架主要是SiO2,碳酸盐岩骨架不含SiO2， 因此可以利用硅测井区别砂岩和碳酸盐岩。 2、利用硅铝比（Si/Al）确定泥质含量 泥质由于晶格置换作用等，使得其中一部分硅 为铝所代替因而其中铝含量较高
第一节 中子寿命测井
地层水矿化度较高时，即氯的含量相对较高时， 地层水矿化度较高时，即氯的含量相对较高时 ， 那么对于水层和油层来说， 那么对于水层和油层来说，水层的宏观俘获截面要大 于油层，而热中子寿命则小于油层。 于油层，而热中子寿命则小于油层。 根据热中子寿命测量的性质研制出热中子寿命测井 利用中子寿命来研究地层的性质） （利用中子寿命来研究地层的性质）
第二节 非弹性散射伽马能谱测井
三、应用 1、确定含油饱和度So 一般根据C/O和含 油饱和度的关系曲线来 确定 给定φ，可由其它孔隙 度测井得到；对应C/O 比得到含油饱和度
含油饱和度 Sw
第二节 非弹性散射伽马能谱测井
三、应用 2、划分水淹层 、
利用C/O在油、水层 的差别可知，如果油层 被水淹，则对于水淹层 C/O比下降，这是C/O 划分水淹层的依据。 A、B层的C/O曲线 幅度明显低于它们中间 油层的幅度，说明A、 B被水淹。
第一节 中子寿命测井
二、中子寿命测井的基本原理 中子从其产生， 中子从其产生 ， 经过与地层原子核发生非弹性散 弹性散射，逐渐减速为热中子， 射，弹性散射，逐渐减速为热中子，热中子被俘获产 生俘获伽马射线。 生俘获伽马射线。 1、热中子寿命（ τ） 、热中子寿命（ ） 热中子从其产生到它被吸收为止经历的平均时间 指的是统计概念， 指的是统计概念，即热中子从其产生到被吸收经历的 时间，有长有短，τ是平均值 时间，有长有短， 是平均值

第九章中子测井详解

第九章中子测井详解

产生的几率与中子能量有关，中子能量越 高，产生的几率越大。 结果：1）、快中子能量降低； 2）、产生非弹性散射伽马射线； 3 ）、快中子与不同靶核产生的非弹性
散射伽马射线的能量不同
2、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， α）、（n，p）核反应。生成新的放射性核 素。此作用为活化核反应。 特点：活化形成的新核素，油一定的半衰期， 其衰变产生的伽马射线为活化伽马射线。
Rt ，则扩散长度定义为：
Rt 6
2
Ld
表9-2 几种核素的微观俘获截面 核素 钙 氯 硅 氧 碳 氢 硼
759
镉
3500
Σ（b) 0.42 32 0.16 0.0016 0.0045 0.329
其中：镉、硼核对热中子的俘获截面最大，氯核 对热中子的俘获截面也比较大。
的微观俘获截面49000 。
热中子寿命：从热中子生成到它被俘获吸收为止所 经过的平均时间。它与宏观俘获截面
为：
a 的速度，常温下， v=0.22cm/μs 。
注：1、地层对快中子的弹性散射截面越大，则对
快中子的减速能力越强，快中子的减速距离越短。
氢核素的减速能力强。 地层中的氢:1、地层水（孔隙，泥质） 2、石油及天然气。 2、地层对热中子的俘获截面越大，则对热中子的俘 获能力越强，热中子扩散距离及寿命越短。氯核素的 俘获能力强。 地层中的氯：地层水（地层水矿化度）
最后变为超热中子和热中子。
快中子与不同靶核发生弹性散射时，快中子
变为超热中子或热中子所需时间不同。
2) 描述此过程的参数： 微观弹性散射截面
s ：一个快中子和一个原
子核发生弹性散射的几率，单位为巴． 宏观弹性散射截面 s ：1立方厘米物质原子

地球物理测井.中子测井.ppt

地球物理测井.中子测井.ppt

2、交会图法确定岩性、孔隙度、骨架成分
3、中子-密度测井曲线重叠法确定岩性 4、估计油气密度
5、定性指示高孔隙度含气层
地球物理测井—放射性测井
中子测井
三、补偿中子测井CNL(Compensated Neutron Logging)
1、补偿中子测井的原理 （探测热中子密度）
补偿中子测井是一种热中子 测井仪，具有一个中子源和两个 探测器。CNL的长源距和短源距 都采用正源距进行测量。一般长 源距、短源距分别在50～60cm、 35～40cm之间选择。
2 1
H（氘）
13H（氚）
4 2
H
e

1 0
n（中子）
Q
地球物理测井—放射性测井
中子测井
一、中子测井基础
3、中子和物质的相互作用
中子与地层的相互作用是中子测井的物理基础。中子源 所发射中子的能量不同，中子与地层相互作用的行为不同。
中子源发射的中子进入地层后，随着能量的改变，
1
与地层的相互作用大致可分为快中子的非弹性散射、 快中2 子原子核的活化、快中3子的弹性散射、热中4子的
SNP测井仪器图
超热中子测井的源距变化 范 围 一 般 为 30 ～ 45cm ， 如 斯 仑 贝谢的井壁中子测井仪的源距为 42cm。 SNP采 用 探 测 器和 中子 源贴靠井壁的方式测量，可减小 井眼的影响。
地球物理测井—放射性测井
中子测井
二、超热中子测井SNP
（一） 超热中子测井的基本原理（贴井壁测量）
②如果岩石骨架由两种或三种矿物成分组成，
可用Pe，U，ρb值来确定矿物组成含量。

b

n
mi i
③求泥质含量。

第九章 补偿中子测井仪器解读

第九章 补偿中子测井仪器解读
高压稳压由两级构成第一级稳压输出1350v第二级放在保温瓶内减小井下高温对器件的影响电路仿真f56桥式整流电源电路图原理电容滤波电路93cntg补偿中子测井仪931概述932仪器工作原理933电路分析仪器功能补偿热中子孔隙度测量用两个he3探测器测量距源381cm和628cm的热中子通量确定地层的含氢指数和孔隙度超热中子孔隙度测量使用双探测器测量距源一定距离的超热中子通量计算地层孔隙度热中子测井受热中子吸收剂盐水中的氯和页岩中的稀土元素影响很大
缆芯驱动电路
电路仿真F5-5 (1)中子脉冲输入缆芯驱动器的晶体管Q1和Q2，变压器T1和T2对测井电缆提供阻 抗匹配。 (2)输入信号控制晶体管通断从而使变压器输入端产生脉冲信号而耦合输出。 (2)驱动器输出正脉冲，周期大约是38μs，幅度为20V。 (3)驱动器输出是通过C2和C4耦合的交流，按规范连接它们对地是浮动的。输出 负边（引脚6和10）用外跨接线短路，如果要改变脉冲的极性，可以改变跨接 线的连接。
前 置 放 大
器
电路仿真F5-3
前置放大器由两极低噪声性能的运算放大器组成 (1)第一级是一个电荷灵敏放大器，具有很低的输入阻抗，以便减小输入寄生电 容影响，为进一步降低噪声，要求反馈电容C3要小(5pF)。这样小不仅可以减小 噪声，还可提高脉冲的分辨率，但对频率较高的脉冲放大倍数小。 (2)第二级放大器用来获得足够的电压增益。 (3)整个前置放大器的增益大小可通过调节电阻R6的数值来选择，放大器输入端 电容C2用于隔直，用D1和R3保护IC1的输入级。
9.3.3 电路分析



低压电源 高压电源 测量电路 上传数据模式及电路 诊断电路 ＣＮＴ—Ｇ的命令格式 ＣＮＴ—Ｇ的数据格式
一、低压电源
一般开关稳压电源的原理框图

第九章--中子测井分析

第九章--中子测井分析

地层
探测器
井眼
中子源
图9-1、井壁中子测井仪示意图
图9-2：孔隙度相
同时，白云岩、
石灰岩、砂岩的减
速长度依次增加；
减 速
岩性相同，随含水 长
孔隙度的增加，减 度
速长度减小，减速
能力增加。
砂岩 石灰岩
白云岩
孔隙度
图9-2 减速长度与孔隙度的关系（饱含水纯地层）
超热中子在空间的分布规律：以源为球心， 呈对称分布，即超热中子密度在整个球面上是相 同的。距源某一距离处，超热中子密度与介质的 减速能力有关，减速距离越短，则在源附近的超 热中子密度越大；反之，在远处超热中子密度大。
产生的几率与中子能量有关，中子能量越 高，产生的几率越大。
结果：1）、快中子能量降低； 2）、产生非弹性散射伽马射线； 3）、快中子与不同靶核产生的非弹性散
射伽马射线的能量不同
2、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，
α）、（n，p）核反应。生成新的放射性核 素。此作用为活化核反应。
4 Be9 2 He4 6C12 0 n1 Q(5.701MeV )
加速器（脉冲）中子源（D－T中子源）：
D T 2 He4 0n1 17.588MeV
二、中子与物质的作用 根据入射中子的能量，中子与物质的作用分
为： 1、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
一个能量较低的中子，靶核处于较高能级的激 发态，激发态的靶核以伽马射线的形式释放出 能量以回到基态，释放出的伽马射线为非弹性 散射伽马射线，此作用为非弹性散射。
特点：活化形成的新核素，油一定的半衰期， 其衰变产生的伽马射线为活化伽马射线。
如 Si28 (n, p)Al28 ，

9 第九章 中子测井

9 第九章 中子测井
介质 减速长度 （厘米） 水 石油 石膏 硬石膏
（含结晶水）
砂
+45%水
砂
+22%水
石灰岩
干石英砂
7.7
9.3
11.0
27.0
11.0
17.0
29.0
55.0
介质含氢越多，减速长度越短，这也说明氢元素对快中子的 减速能力最大。 氢是所有元素中最强的中子减速剂，这是中子测井法测定地 层含氢量及解决与含氢量有关地质问题的依据。
14
（2）中子与物质的作用 ① 快中子的减速过程
描述减速过程的三个重要概念
A.微观弹性散射截面：一个中子与一个原子核发生弹性散射的几率
称为微观弹性散射截面δ s，单位为巴（10-24cm2）。
B.宏观弹性散射截面：1cm3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Σ s。
通常可以利用宏观弹性散射截面来描述这个减速过程。 C. 减速长度Ls ：用来描述快中子变为热中子的减速过程。减速 长度定义为由快中子减速成热中子所经过的直线距离的平均值，单
371
316 261 150 115 18
8%
10% 12% 21% 28% 100%
从表中可看出，沉积岩中不同元素对中子产生弹性散射截面不同，氢元
素的最大。和氢核相碰撞，能量损失最大，减速成热中子的过程也最快。因 此，在含氢量高的岩石中，快中子将很快减速成热中子。
16
（2）中子与物质的作用
① 快中子的减速过程 下表为能量为3.7-7Mev的中子减速为热中子的减速长度：
大于中子结合能，中子就可能从核中发射出来。
可以用α 粒子、氘核d、质子p或γ 光子轰击原子核，引起各种核反应， 使中子从核内释放出来。这种产生中子的装置称中子源。

09中子及其探测（可编辑）

09中子及其探测（可编辑）

* * * 画图说明多层裂变室： * * * * * 画图说明多层裂变室： * 3. 含锂闪烁体常用6LiI Eu 晶体；铈激活的锂玻璃等。

1 含氢正比计数管――气体介质含H2或CH4。

2 有机闪烁体――富含H和C，还可以运用n/?脉冲形状甄别技术，在较强的?场中测量中子。

4. 利用质子反冲效应的探测器中心辐射体是中子活化材料，活化后具有? 放射性。

? 粒子作为荷电粒子在极板间运动而在外回路中产生输出信号。

不需要外加电源，称为自给能探测器。

如：输出信号： 5. 自给能探测器性能：灵敏度 ?＝1.2×10-21A/单位中子注量率; 中子注量率测量范围109～1014/cm2s; 体积小：直径1～2mm;时间延迟～5T1/2 适合用于堆芯的中子注量率的测量。

中子灵敏度定义： Nt 为探测器灵敏体积中辐射体的靶核数。

13.6 中子注量率测量的主要指标 ?中子灵敏度反应的发生率中子注量率 1. 堆芯外――用于监测反应堆功率水平，探测器置于压力壳外。

1 启动量程：中子注量率102～104/cm2s；?较小，?本底相对高；用脉冲裂变室或BF3正比计数器。

3 功率量程：大于1010/cm2s；?足够大，?本底相对较小；用电流型裂变室或硼电离室。

13.7 堆用探测器―反应堆中子注量率监测 2 中间量程：106～108/cm2s；?较大，?本底相对仍高；用电流型裂变室或补偿型电流硼电离室。

2. 堆芯探测器――堆芯内中子注量率的空间分布。

要求体积小，寿命长；典型工作条件：可选用微型裂变室，且电极涂235U+239Pu 可增殖，总积分通量由1.7×1021提高到4.8×1021中子；也可以用自给能探测器。

工作温度工作压力* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 第十三章中子及中子探测 13.1 中子的性质与分类 1、中子的性质质量：mn＝1.008665u＝939.565300MeV/c2 自旋：sn＝1/2, 费米子电荷：0，中性粒子磁矩：?n＝－1.913042?N 中子寿命：发生?－衰变的半衰期T1/2 10.60min 2、中子的分类2 中能中子：1keV～0.5MeV。

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0.329 0.0045 0.0016
– 结论：岩石对热中子的俘获能力主要取决于含氯量。
13:52:29 第九章 中子测井 19
第一节 中子测井的核物理基础
二、中子和物质的作用 – 4、热中子扩散和俘获
• (4)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：
13:52:28 第九章 中子测井 10
第一节 中子测井的核物理基础
二、中子和物质的作用 –2、快中子对原子核的活化 • 快中子与地层物质的原子核除发生（n，n’）反应外， 还可发生（n，α），（n，p）核反应。这些反应产生新 的放射性原子核。新核有一定的半衰期，衰变放射出带 电粒子和γ射线，称为次生活化伽马射线。 • 活化测井：硅测井，铝测井，钙测井，氯测井 • 硅活化：
• 例如，C12和O16都能与14Mev的快中子发生非弹 性散射而激发释放出γ射线，这是C/O能谱测井的 基础。
13:52:28
第九章 中子测井
9
第一节 中子测井的核物理基础
二、中子和物质的作用 –1、快中子的非弹性散射
• 非弹性散射截面：一个快中子与一个靶核发生非 弹性散射的几率。 • 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，以产生较高能量的快中 子。
) , E
2
2A (A 1)
2
E0
– 氢 核 ， A=1 ， a=0 ， ΔEmax=E0 ， ΔE=1/2E0 ， C 核 ， A=12，a=0.716，ΔE=0.142E0 ，ΔEmax=0.284E0 。因此 氢核是岩石中使中子减速的最主要的元素，岩石对快 中子的减速能力取决于岩石的含H量。
– 2、中子的释放：当中子获得大于结合能的能量 时，可以从原子核中释放出来。
13:52:28
第九章 中子测井
3
第一节 中子测井的核物理基础
一、中子和中子源 – 3、中子与原子的作用
• 当中子与原子相互作用时，和核外电子几乎没有库仑 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。
一、超热中子测井的基本原理
– 利用中子源发出快中子，在地层的 运动中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。探测超热中子 密度，转化为计数率，以此寻找储 集层、确定孔隙度的测井方法。探 测器和中子源贴井壁测量减小井眼 影响。
13:52:29
第九章 中子测井
24
第二节 超热中子测井
95
Am
9
241

93 4
Np
237

12
2
He ( a ) n Q ( 5 .7 0 1 M e v ) 0
1
4
Be 4
13:52:28
2
He
C 6

第九章 中子测井
7
第一节 中子测井的核物理基础
一、中子和中子源 –5、中子源：
• 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：利用加速器将带电粒子氘核加 速到0.126MeV的能量，然后轰击靶核氚，生成a粒 子和中子，中子的能量平均为14Mev。
• 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 轰击作为靶核的原子核，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。
13:52:28
第九章 中子测井
13:52:28 第九章 中子测井 14
第一节 中子测井的核物理基础
二、中子和物质的作用 –3、快中子的弹性散射
• (4) 热化碰撞次数
– 热化碰撞次数：核物理将初始能量为E0 的快中子 减速为热中子所需的平均碰撞次数。
– 若E0为2Mev，则H、C、O 的热化碰撞次数为 18、 114 、150。说明，H为主要的减速剂。
13:52:29 第九章 中子测井 18
第一节 中子测井的核物理基础
二、中子和物质的作用 –4、热中子扩散和俘获
•(3) 岩石对热中子的宏观俘获截面Σa：
– 微观俘获截面σa：一个原子核俘获热中子的几率； – 宏观俘获截面Σa ：一立方厘米所有原子微观俘获截面 的总和。 Cl 31.6 H C O Mg 0.4 Ag 0.215 Si 0.13 Ca 0.43
13:52:29
第九章 中子测井
16
第一节 中子测井的核物理基础
二、中子和物质的作用
–3、快中子的弹性散射
•(6) 减速时间τ S和减速长度Ls – 减速时间τS：快中子从初始能量E0减速为热中子能量Et 所需时间； – 减速长度Ls：
def
LS
Rd 6
2
– Rd:快中子在减速为热中之过程中，中子移动的直线距 离。
第九章 中子测井
中子测井(NUETRON LOGGING)：利用中子和地层相 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。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。
13:52:28
第九章 中子测井
15
第一节 中子测井的核物理基础
二、中子和物质的作用 –3、快中子的弹性散射
• (5) 岩石散射截面
– 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；
– 宏观散射截面Σs ：单位体积物质中的原子核的微观散 射截面之和。
– 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）
• 快中子 能量>0.5 MeV 穿透能力很强。
• 中能中子 1KeV~0.5MeV
• 慢中子 0eV~1KeV
超热中子约为0.2~10 eV 热中子约为0.025 eV 热中子标准速度2200 m/s
13:52:28
第九章 中子测井
5
第一节 中子测井的核物理基础
一、中子和中子源 –5、中子源：将原子核中的中子释放出来的装臵。
13:52:28 第九章 中子测井 13
第一节 中子测井的核物理基础
二、中子和物质的作用 –3、快中子的弹性散射
• (3)弹性碰撞能量损失
– 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：
E
m ax
( 1 a )E 0 ,a (
A 1 A 1
D T 2 He 0 n 17 . 588 Mev
4 1
13:52:28 第九章 中子测井 8
第一节 中子测井的核物理基础
二、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γ后回到基 态，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
–2、孔隙度对减速长度的影响
• 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，地层的减速长度 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， 减速长度减小。
13:52:28 1
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 热中子测井 第四节 中子伽马测井
13:52:28

第九章 中子测井
2
第一节 中子测井的核物理基础
一、中子和中子源 – 1、中子
• (1)组成原子核的不带电的中性微粒，电荷上 限10-18电子电荷。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1.00887μ；1 μ =1.66053886 × 10-27kg ；质子的质量1.00758μ。
6
第一节 中子测井的核物理基础
一、中子和中子源 – 5、中子源： • 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（а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4~5Mev。 • 如镅铍（Am-Be）中子源，利用镅衰变产生的a粒子去 轰击铍，引起核反应释放出中子，产生中子能量平均 为5Mev。
• 中子能量不同（速度不同），其与物质相互作用的方 式也就大不相同，因此，目前使用的中子测井的中子 源包括使用同位素中子源和加速器中子源，提供不同 能量的快中子。
13:52:28 第九章 中子测井 4
第一节 中子测井的核物理基础
一、中子和中子源 – 4、中子的分类
• 中子的能量指的是它的动能，根据中子的能量可将中 子分为：快中子、中能中子、慢中子。
一、超热中子测井的基本原理
–1、岩性对减速长度的影响
•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，快中子 的减速长度不同。在孔隙度相 同的情况下，不同岩性的地层， 快中子的减速长度不同。
13:52:29 第九章 中子测井 25
13:52:29 第九章 中子测井 22
第一节 中子测井的核物理基础