第9章中子測井(20100419定稿)

第九章中子測井

利用中子和地層的相互作用的各種效應(yīng)，來研究井剖面地層性質(zhì)的各種測井方法的總稱。它包括中子—熱中子、中子—超熱中子、中子—伽馬測井、中子活化測井以及非彈性散射伽馬能譜測井和中子壽命測井。測井時，中子源向地層發(fā)射快中子，快中子在地層中運動與地層物質(zhì)的原子核發(fā)生各種作用，由探測器探測超熱中子、熱中子或次生伽馬射線的強度，研究地層的孔隙度、巖性及孔隙流體性質(zhì)等地質(zhì)問題。

2025/3/31測井方法第一節(jié)中子測井的核物理基礎(chǔ)第二節(jié)超熱中子測井(探測超熱中子密度SNP)第三節(jié)補償中子孔隙度測井(探測熱中子密度CNL)第四節(jié)中子伽馬測井(探測伽馬射線NG)內(nèi)容2025/3/32測井方法第一節(jié)中子測井的核物理基礎(chǔ)一、中子和中子源二、中子和物質(zhì)的作用三、中子探測器2025/3/33測井方法一、中子和中子源1.中子中子——原子核中不帶電的中性微小粒子，與質(zhì)子以很強的核力結(jié)合在一起。中子分類：根據(jù)中子的能量可將中子分為：高能中子能量〉10MeV

穿透能力極強快中子10MeV—10KeV穿透能力極強中能中子100eV—10KeV慢中子0.03eV—100eV超熱中子0.2~10ev熱中子0.025ev2025/3/34測井方法

2.中子源能將原子核中的中子釋放出來的裝置。質(zhì)子和中子在核中存在很強的核力作用，要使之從核中釋放出來，必須提供足夠的能量。用高能(帶電)粒子轟擊作靶的原子核，引起核反應(yīng)，釋放出中子。測井用的中子源有兩類：

同位素中子源(連續(xù)，產(chǎn)生快中子)：加速器中子源(脈沖，產(chǎn)生高能中子)：平均能量為5MeV平均能量為14MeV2025/3/35測井方法二、中子和物質(zhì)的作用快中子+靶核=>激發(fā)態(tài)復(fù)核=>能量較低中子+非彈性散射伽瑪射線=>基態(tài)靶核1.快中子的非彈性散射特點：將入射中子靶核作為一個系統(tǒng)，碰撞前后能量(動能)發(fā)生損失，所以是非彈性散射，或稱（n，n’）核反應(yīng)，放出的伽馬射線稱為非彈性散射伽馬射線。能量大于14MeV的中子發(fā)生非彈性散射的幾率較大，而能量<5MeV的中子發(fā)生非彈性散射的幾率較小。中子射入物質(zhì)后，會發(fā)生一系列核反應(yīng)：使用同位素中子源可以不考慮非彈性散射，而使用脈沖中子源會存在非彈性散射核反應(yīng)。2025/3/36測井方法2、快中子對原子核的活化

硅活化(n,p)：快中子+穩(wěn)定原子核=>放射性原子核=>活化核衰變+活化伽瑪射線2025/3/37測井方法3、快中子的彈性散射(1)快中子的彈性散射中等能量的中子與靶核碰撞，將部分能量傳給靶核，使之能量(動能)增加，仍處于穩(wěn)態(tài)，而快中子速度減慢，系統(tǒng)總的動能守恒，此過程即為快中子的彈性散射。對于同位素中子源中子測井，中子的初始能量較低，因此，從開始就基本上以彈性散射為主，多次彈性散射后，變?yōu)闊嶂凶印?4Mev的高能快中子經(jīng)一兩次非彈性散射后就不能再發(fā)生非彈性散射或核活化反應(yīng)，只能發(fā)生彈性散射而繼續(xù)減速，直至其能量為0.025ev左右，成為熱中子。

快中子+穩(wěn)定靶核=>能量較低的中子+反沖核=>熱中子+基態(tài)靶核2025/3/38測井方法彈性碰撞能量損失：若靶核的原子數(shù)A，入射中子能量E0及散射角φ(中子散射方向和入射方向的夾角)有關(guān)。當(dāng)為正碰撞φ=180°時，中子損失能量最大。實驗證明，中子一次彈性碰撞可能損失的最大能量和平均能量分別為：

對氫核來說，A=1，a=0，ΔEmax=E0，ΔE=1/2E0，而對碳核，A=12，a=0.716，ΔEmax=0.284E0，ΔE=0.142E0。因此氫是巖石中最主要的減速元素，巖石對快中子的減速能力取決于巖石的含H量。

2025/3/39測井方法

散射截面：微觀散射截面σs：一個中子與一個原子核發(fā)生彈性散射的幾率，單位1b=10-24cm2；宏觀散射截面Εs：單位體積物質(zhì)中的原子核的微觀散射截面之和，單位10-24cm-2

結(jié)論：氫是巖石中最主要的減速元素，巖石對快中子的減速能力取決于巖石的含H量，純巖石的宏觀減速能力基本上決定于純巖石的孔隙度(含淡水條件)。

用中子測井估算孔隙度的物理基礎(chǔ)。核素彈性散射截面(b)每次散射最大能量損失(%)熱化所需平均散射次數(shù)Ca9.58371Cl1010316Si1.712261O4.221150C4.828115H45100182Mev中子彈性散射的特點2025/3/310測井方法減速能力大小可用減速時間和減速距離表示。減速時間：快中子從初始能量減速為熱中子能量所需時間。減速長度Ls：Ls=SQRT(Rd2/6)Rd為減速時間內(nèi)，中子移動的直線距離-減速距離?；疽?guī)律：散射截面越大，散射能量損失越大，減速能力越強，減速時間越短，減速長度Ls越小。2025/3/311測井方法

4.熱中子擴散和俘獲(1)熱中子的擴散

形成熱中子后，中子不再減速，而像氣體分子一樣處于擴散過程。由密度大的地方向密度小的區(qū)域擴散，直到被地層原子核俘獲為止。(2)輻射俘獲核反應(yīng)靶核俘獲一個熱中子而變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的復(fù)核，然后，復(fù)核放出一個或幾個光子，回到基態(tài)。

熱中子從密度大的區(qū)域向外擴散=>被原子核俘獲（復(fù)核）

=>俘獲伽瑪射線+基態(tài)靶核描述擴散及俘獲特性的參數(shù)有擴散長度（Ld）、宏觀俘獲截面、熱中子壽命。2025/3/312測井方法擴散長度Ld

擴散長度Ld：Ld=SQRT(Rt2/6)

Rt為熱中子被吸收時間內(nèi)，熱中子移動的直線距離-擴散距離。2025/3/313測井方法巖石對熱中子的宏觀俘獲截面Εa：

微觀俘獲截面σ：一個原子核俘獲熱中子的幾率；宏觀俘獲截面Εa：一立方厘米所有原子微觀俘獲截面的總和。常見元素中：

ClHCOMgAgSiCa31.60.3290.00450.00160.400.2150.130.43幾種核素的微觀俘獲截面結(jié)論：氯元素的俘獲截面最大。巖石對熱中子的俘獲能力主要取決于含氯量（礦化度、地層水含量）另外：硼的Εa=710b，即使含量微小，也對測井將會有很大影響。2025/3/314測井方法熱中子壽命τ

從熱中子的生成時起到它被吸收為止所經(jīng)過的平均時間，它和宏觀俘獲截面的關(guān)系為：v為熱中子的移動速度。2025/3/315測井方法1)快中子非彈性散射快中子+靶核=>激發(fā)態(tài)復(fù)核=>能量較低中子+非彈性散射伽瑪射線=>基態(tài)靶核2)快中子對原子核的活化快中子+穩(wěn)定原子核=>放射性原子核=>活化核衰變+活化伽瑪射線3)快中子的彈性散射快中子+穩(wěn)定靶核=>能量較低的中子+反沖核=>=>=>熱中子+基態(tài)靶核沉積巖的核素中，H的散射截面以及每次散射的能量損失最大。4)熱中子俘獲熱中子從密度大的區(qū)域向外擴散=>被原子核俘獲（復(fù)核）

=>伽瑪射線+基態(tài)靶核

沉積巖的核素中，氯和硼對熱中子的俘獲截面最大。

2025/3/316測井方法三、中子探測器測量對象：經(jīng)中子與地層中核素發(fā)生彈性散射生成的熱中子、超熱中子。探測方法：超熱中子、熱中子與探測器物質(zhì)的原子核發(fā)生反應(yīng)=>放出電離能力很強的帶電離子=>探測器內(nèi)形成脈沖電流或閃爍熒光，產(chǎn)生電壓負(fù)脈沖.

探測器類型：硼、鋰、氦、鍺熱中子探測器：超熱中子探測器：外層加有鎘，吸收掉熱中子；內(nèi)層加有石蠟，把超熱中子減速為熱中子，增大對超熱中子的計數(shù)率。2025/3/317測井方法一、超熱中子測井的基本原理二、決定熱中子計數(shù)率的因素三、井壁中子孔隙度環(huán)境校正四、井壁中子孔隙度的響應(yīng)方程第二節(jié)超熱中子測井2025/3/318測井方法一、超熱中子測井的基本原理中子源——快中子=>彈性散射=>超熱中子探測超熱中子密度，計為計數(shù)率刻度后轉(zhuǎn)化φSNP或φSWN(單位石灰?guī)r孔隙度單位)，可用于尋找儲集層、確定孔隙度。2025/3/319測井方法二、決定熱中子計數(shù)率的因素

1.巖性的影響快中子的減速過程，取決于地層中原子核的種類及其數(shù)量，不同靶核與中子發(fā)生彈性散射的截面不同，每次散射的平均能量損失不同，因而，它們的減速長度不同。在孔隙度相同的情況下，由下圖可知，不同巖性的地層，快中子的減速長度不同。相同孔隙度條件下：砂巖的減速能力最差，白云巖的最好。相同孔隙度條件下：砂巖的減速能力最差，白云巖的最好。2025/3/320測井方法2.孔隙度的影響在地層中所有的核素中，氫核減速能力最強，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其它核素。因此，地層的減速能力取決于地層中氫的含量，氫主要存在于孔隙流體中，因此，孔隙度增大，減速能力增強。相同巖性條件下：孔隙度越高，減速能力越強。有更多快中子變?yōu)槁凶?025/3/321測井方法3.源距對計數(shù)率的影響

孔隙度、巖性不同，造成超熱中子的空間分布不同：孔隙度越大，減速長度越小，則在源附近的超熱中子越多；孔隙度越小，減速長度越大，則離源較遠(yuǎn)的空間超熱中子越多。計數(shù)率與孔隙度的關(guān)系(長源距)砂巖石灰?guī)r白云巖計數(shù)率孔隙度探測器到源之間的距離稱為源距，有：探測器離源較遠(yuǎn)：孔隙度越大，計數(shù)率越低，對應(yīng)長源距；探測器離源較近：孔隙度越大，計數(shù)率越高，對應(yīng)短源距；探測器離源某一位置：計數(shù)率與孔隙度無關(guān)，對應(yīng)零源距。實際應(yīng)用的均為長源距中子測井。2025/3/322測井方法4.地層的含氫指數(shù)

氫是地層中最重要的減速劑，因此，氫含量的高低決定了地層的減速能力，實際用含氫指數(shù)來反映地層中氫元素的多少。含氫指數(shù)為任何物質(zhì)單位體積（1立方厘米）的氫核數(shù)與同樣體積淡水氫核數(shù)的比值。根據(jù)規(guī)定，淡水（純水）含氫指數(shù)為1，而任何其它物質(zhì)的含氫指數(shù)將與其單位體積內(nèi)的氫核數(shù)成正比。2025/3/323測井方法式中：ρ——介質(zhì)密度，g/cm3；x——介質(zhì)分子中的氫原子數(shù)；

M——介質(zhì)的分子量；

K——比例常數(shù)。對于水：ρ=1，x=2，M=18(水分子)，規(guī)定其含氫指數(shù)為1，則1=K*2/18，得K=9，故：物質(zhì)的含氫指數(shù)為即：2025/3/324測井方法(1)飽和淡水純石灰?guī)r的含氫指數(shù)孔隙度為φ的石灰?guī)r，則含氫指數(shù)為：

H=Hma(1-φ)+Hwφ

中子孔隙度測井儀在飽和淡水的純石灰?guī)r刻度井中進行含氫指數(shù)刻度，使它測量的含氫指數(shù)即為飽和淡水純石灰?guī)r的φ。這里，也就是人為的將巖石骨架的含氫指數(shù)定為0，也就是沒有考慮石灰?guī)r骨架的減速能力。若孔隙度為φ，則含氫指數(shù)為：φⅩHw=φⅩ1=φ，將中子孔隙度測井得到的含氫指數(shù)記為φN

，并稱為中子孔隙度，其單位是石灰?guī)r孔隙度單位。

2025/3/325測井方法

飽和淡水地層：砂巖：φN略小于φ；

白云巖：φN略大于φ；

石灰?guī)r：φN等于φ；

以上是骨架宏觀減速能力不同造成(砂巖骨架的宏觀減速能力小于石灰?guī)r，白云巖骨架的減速能力大于石灰?guī)r)，這種差別是巖性對中子測井的影響，也是識別巖性的依據(jù)。

2025/3/326測井方法(2)油氣的含氫指數(shù)液態(tài)烴與水的含氫指數(shù)相近，而天然氣的含氫指數(shù)很低，且隨溫度和壓力而變。對分子式為CHx（分子量12+x），密度為ρh的烴：

對以CH4為主的天然氣（ρg<0.25），上式近似為

Hg=2.2ρg2025/3/327測井方法對以CnHnx為主的石油，根據(jù)原油化學(xué)分析有：x=4-2.5ρo

則：

如ρo=0.85g/cm3，Ho=1.034。

2025/3/328測井方法(3)與有效孔隙度無關(guān)的含氫指數(shù)

a.泥質(zhì)：束縛水、粘土礦物結(jié)晶水、泥質(zhì)具有很高的含氫指數(shù)（純泥巖的中子孔隙度作為泥質(zhì)的含氫指數(shù)），取決于泥質(zhì)孔隙體積和礦物成分。

b.石膏：CaSO4·2H2O，其孔隙度為零，但含氫指數(shù)約為0.49，得到的中子孔隙度為49%。

c.巖性影響：純砂巖的骨架含氫指數(shù)為-0.01~0.05，白云巖為0.01~0.085，石灰?guī)r為0。

2025/3/329測井方法

(4)“挖掘”效應(yīng)天然氣含氫濃度太低，以至把含天然氣的孔隙體積作為骨架還不足以說明天然氣影響(天然氣對快中子的減速能力比石灰?guī)r骨架還低，將顯示為負(fù)的含氫指數(shù))，我們把氣對中子孔隙度測井的這種影響，稱為中子孔隙度測井的“挖掘”效應(yīng)。

由于氣體和挖掘效應(yīng)，導(dǎo)致氣層中子計數(shù)率高，中子孔隙度偏小。

可用來識別氣層。2025/3/330測井方法三、井壁中子孔隙度環(huán)境校正

刻度的標(biāo)準(zhǔn)條件：地層水井液為淡水，井徑7.875"，溫度為75華氏度，壓力1個大氣壓，井壁無泥餅，不符合條件的，原則上講都必須校正。(1)井徑校正；(2)水墊校正，滑板與地層間泥漿；(3)泥餅校正（普通泥漿，重晶石泥漿），泥餅厚度確定；(4)礦化度校正，影響不大；(5)溫度壓力校正（高溫使減速能力降低，高壓又使減速能力增強），校正量較低。2025/3/331測井方法四、井壁中子孔隙度的響應(yīng)方程

砂巖、白云巖、石灰?guī)r實際刻度井建立含氫指數(shù)(中子孔隙度)與巖性及孔隙度的關(guān)系。含水純巖石：

注：對含有油氣時，還需考慮挖掘效應(yīng)影響。由上述方程可求得中子孔隙度：

2025/3/332測井方法第三節(jié)補償中子孔隙度測井

補償中子測井：遠(yuǎn)、近兩個熱中子探測器，用遠(yuǎn)、近探測器計數(shù)率的比值測量地層含氫指數(shù)，刻度后可轉(zhuǎn)化為石灰?guī)r孔隙度。1.補償原理熱中子易被核俘獲，因此，熱中子的空間分布不僅取決于地層的含氫量，還與含氯量有關(guān)。氯核素和含氯量對利用熱中子測井反映孔隙度（含氫量）是一個干擾。2025/3/333測井方法式中：Ls、Ld分別對應(yīng)快中子的減速長度和熱中子的擴散長度。則：

表明：當(dāng)r1、r2一定后，Nt(r1)/Nt(r2)只取決于減速長度Ls，即決定于巖石的含氫量，可將比值轉(zhuǎn)化為含氫指數(shù)或ΦCNL。Ls>Ld當(dāng)r較大，分子分母的后一項可忽略。2025/3/334測井方法利用長短兩個探測器分別記錄兩個計數(shù)率NL、NS，則其比值只與減速性質(zhì)有關(guān)，只取決于含氫量。近探測器源距：35~40cm(r1)

遠(yuǎn)探測器源距：50~60cm(r2)在刻度后就可以直接反映孔隙度和含氫量。在飽含淡水的石灰?guī)r刻度井中刻度。2025/3/335測井方法2.儀器刻度阿特拉斯在7.875“純石灰?guī)r井中獲得遠(yuǎn)近探測器計數(shù)率LS/SS與石灰?guī)r孔隙度的轉(zhuǎn)換關(guān)系。3.補償中子孔隙度的環(huán)境校正裸眼井圖版套管井圖版(1)井徑校正(2)泥餅校正(3)泥漿密度校正，φt<20%不校正(4)間隙校正(5)礦化度校正(6)溫度壓力校正2025/3/336測井方法五、超熱(補償)中子測井應(yīng)用1)確定地層孔隙度標(biāo)準(zhǔn)孔隙度：石灰?guī)r孔隙度(1)石灰?guī)r地層：直接反映地層孔隙度(2)其他巖性地層：需要進行巖性校正(3)氣層：“挖掘效應(yīng)”校正2025/3/337測井方法2)交會圖確定孔隙度和巖性2025/3/338測井方法3)中子—密度(石灰?guī)r孔隙度)重疊法劃分巖性2025/3/339測井方法4)估算油氣密度已知含油飽和度，可用來求油氣密度。氣層。2025/3/340測井方法5)定性指示高孔隙性氣層注意巖性的影響。2025/3/341測井方法第四節(jié)中子伽馬(NG)測井

一、原理二、決定Nn-r的因素三、應(yīng)用2025/3/342測井方法一、原理同位素中子源發(fā)射快中子照射地層(經(jīng)減速成熱中子、俘獲)→輻射俘獲γ射線→伽馬探測器記錄俘獲伽馬射線強度→記錄計數(shù)率。不同地層，計數(shù)率不同，下井測量得出一條隨深度變化的中子伽馬計數(shù)率Nn-r曲線。

2025/3/343測井方法(1)中子伽馬計數(shù)率與源距關(guān)系

關(guān)系同前面熱中子計數(shù)率與源距關(guān)系，但零源距約為35cm，測井常用源距45~65cm。在長源距條件下：致密巖石，減速長度增加，熱中子密度大，俘獲后生成Nn-r

增加；氣層含氫指數(shù)小，減速長度增加，熱中子密度大，俘獲后生成Nn-r大。二、