1、中子测井中子测井Neutron log中子测井中子测井学习内容学习内容1 1、中子测井方法分类、中子测井方法分类2 2、中子测井的核物理基础、中子测井的核物理基础3 3、中子、中子-中子测井方法原理中子测井方法原理4 4、中子、中子-伽马测井方法原理伽马测井方法原理中子测井中子测井学习内容学习内容1 1、中子测井方法分类、中子测井方法分类2 2、中子测井的核物理基础、中子测井的核物理基础3 3、中子、中子-中子测井方法原理中子测井方法原理4 4、中子、中子-伽马测井方法原理伽马测井方法原理 中子测井中子测井利用岩石的另一种特性，即岩石中的含氢量来研究岩石性利用岩石的另一种特性，即岩石中的含氢量
2、来研究岩石性质和孔隙度等地质问题。质和孔隙度等地质问题。这种测井方法在于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，将装有中子源和探测器的井下仪器下入井中，由中子源由中子源中子中子进入岩层进入岩层,同物质的原子核发生碰撞将产生同物质的原子核发生碰撞将产生减速、减速、扩散和被俘获扩散和被俘获几个过程，到达探测器。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。氢量有关。而储集
3、层的含氢量又取决于它的孔隙度，因此，中子测井是目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。前广泛使用的一种孔隙度测井。中子测井中子测井1 1、中子测井方法分类、中子测井方法分类 根据中子测井的记录内容根据中子测井的记录内容：可以将它分为：可以将它分为 中子中子-中子测井中子测井 Neutron-Neutron Log 中子中子-伽马测井伽马测井 Neutron-Gamma Ray Log 中子测井中子测井1 1、中子测井方法分类、中子测井方法分类 根据仪器的结构特点根据仪器的结构特点，中子，中子中子测井又可分为中子测井又可分为 中子中子-超热中子测井（超
4、热中子测井（SNP）井壁中子测井井壁中子测井 Sidewall Neutron Log 中子中子-热中子测井（热中子测井（CNL）补偿中子测井补偿中子测井 Compensated Neutron Log中子测井中子测井学习内容学习内容1 1、中子测井方法分类、中子测井方法分类2 2、中子测井的核物理基础、中子测井的核物理基础3 3、中子、中子-中子测井方法原理中子测井方法原理4 4、中子、中子-伽马测井方法原理伽马测井方法原理2 2、中子测井的核物理基础、中子测井的核物理基础 中子是组成原子核的一种不带电荷的中子是组成原子核的一种不带电荷的中性粒子，其质量与氢核质量相近。中子中性粒子，其质量与
5、氢核质量相近。中子与物质作用时，能穿过原子的电子壳层而与物质作用时，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与原子核相碰撞，所以它对物质的穿透能力较强。力较强。（1 1）中子和中子源）中子和中子源 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。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。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。可以用可以用粒子、氘核粒子、氘核d d、质子
6、、质子p p或或光子轰击原子核，引起各种核光子轰击原子核，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。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。电子电子中子中子原子核原子核 同位素中子源同位素中子源：如镅如镅铍（铍（Am-BeAm-Be）中子源，利用镅衰变产生）中子源，利用镅衰变产生的的粒子去轰击铍原子核，发生核反应而放出中子。产生的中子的粒子去轰击铍原子核，发生核反应而放出中子。产生的中子的平均能量约平均能量约5MeV5MeV。该类中子源的特点是连续发射中子。该类中子源的特点是连续发射中子。加速器中子源加速器中子源：（亦称脉冲中子源），如（亦称脉冲中子源）
7、，如D-TD-T加速器中子源，加速器中子源，用加速器加速氘核（用加速器加速氘核（D D）去轰击氚核（）去轰击氚核（T T）产生快中子，其能量是）产生快中子，其能量是14MeV14MeV。该类中子源的特点是人为控制脉冲式发射中子。该类中子源的特点是人为控制脉冲式发射中子。2 2、中子测井的核物理基础、中子测井的核物理基础（1 1）中子和中子源）中子和中子源 中子测井所用的中子源有两类中子测井所用的中子源有两类：同位素中子源同位素中子源和和加速器中子源加速器中子源。高能快中子高能快中子：能量大于：能量大于1010万电子伏特；万电子伏特；中能中子中能中子：能量在：能量在100100电子伏特电子伏特1
8、010万电子伏特之间；万电子伏特之间；慢中子慢中子：能量小于：能量小于100100电子伏特；电子伏特；其中其中0.10.1100100电子伏特的中子为电子伏特的中子为超热中子超热中子；能量等于能量等于0.0250.025电子伏特的中子为电子伏特的中子为热中子热中子。2 2、中子测井的核物理基础、中子测井的核物理基础（1 1）中子和中子源）中子和中子源 由于不同能量的中子与原子核作用时有着不同的特点，所以通由于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：常根据中子的能量大小，可以把它分成几类：非弹性作用：高能快中子与原子核碰撞非弹性作用：高能快中子与
9、原子核碰撞(先吸收形成复核先吸收形成复核-放放出低能中子和非弹散伽马射线出低能中子和非弹散伽马射线)；弹性散射：系统总能量不变。快中子与靶核发生碰撞后中子和弹性散射：系统总能量不变。快中子与靶核发生碰撞后中子和靶核的总动能不变，中子能量继续降低、速度减慢，损失的能量靶核的总动能不变，中子能量继续降低、速度减慢，损失的能量转变为靶核的动能，靶核仍处于基态。转变为靶核的动能，靶核仍处于基态。辐射俘获：能量低的热中子在其他物质附近漫游，很容易被其辐射俘获：能量低的热中子在其他物质附近漫游，很容易被其他物质俘获而被吸收，其他物质靶核由于俘获中子后则处于激发他物质俘获而被吸收，其他物质靶核由于俘获中子后
10、则处于激发态，在由激发态向稳定态转变时，则易放出俘获伽马射线。态，在由激发态向稳定态转变时，则易放出俘获伽马射线。下面介绍作用的几个阶段下面介绍作用的几个阶段2 2、中子测井的核物理基础、中子测井的核物理基础（2 2）中子与物质的作用）中子与物质的作用3种作用形式种作用形式 由中子源发射出来的快中子与组成物质的原子核发生作用，可以由中子源发射出来的快中子与组成物质的原子核发生作用，可以分为以下几个阶段：分为以下几个阶段：2 2、中子测井的核物理基础、中子测井的核物理基础（2 2）中子与物质的作用）中子与物质的作用3个作用阶段个作用阶段 快中子的减速过程快中子的减速过程 平均能量约平均能量约4M
11、ev4Mev的高能快中子的高能快中子-碰撞原子核碰撞原子核(发生弹性散射发生弹性散射)-)-中子一部分能量传给原子核中子一部分能量传给原子核-成为原子核动能，中子本身的能成为原子核动能，中子本身的能量减少，运动速度降低量减少，运动速度降低-继续碰撞其它原子核。反复多次，能量不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，最后成为热中子，此过程为快中子减速过程。断损失，速度不断减慢，最后成为热中子，此过程为快中子减速过程。快中子的减速过程快中子的减速过程 岩石中不同元素对中子产生弹性散射几岩石中不同元素对中子产生弹性散射几率率(散射截面散射截面)不同，氢元素弹性散射截面最大。不同元素
12、减速能力不不同，氢元素弹性散射截面最大。不同元素减速能力不同，氢原子核对中子减速起主要作用，特别是中子与氢原子核碰撞，同，氢原子核对中子减速起主要作用，特别是中子与氢原子核碰撞，减速成热中子过程最快。因此，高含氢量岩石中，快中子将很快减速减速成热中子过程最快。因此，高含氢量岩石中，快中子将很快减速成热中子。成热中子。2 2、中子测井的核物理基础、中子测井的核物理基础（2 2）中子与物质的作用）中子与物质的作用 在减速过程中，中子与原子核正面碰撞一次可损失的最大能量在减速过程中，中子与原子核正面碰撞一次可损失的最大能量EE，有：，有：E=(1-)E1，式中式中E E1 1为中子碰撞前的能量，而为
13、中子碰撞前的能量，而为为11AA式中式中A A为原子量。为原子量。对于氢元素，质量对于氢元素，质量A A1 1，因而，因而0 0，EEE El l，即中子与氢核，即中子与氢核发生碰撞时，中子就失去全部能量。对于碳元素，发生碰撞时，中子就失去全部能量。对于碳元素，A A1212，0.7160.716，中子与碳核碰撞时，中子损失的最大能量为，中子与碳核碰撞时，中子损失的最大能量为0.28E0.28E1 1。显然显然A A越大的元素，中子与它碰撞时能量损失越小。越大的元素，中子与它碰撞时能量损失越小。1)1(EE11AA2 2、中子测井的核物理基础、中子测井的核物理基础（2 2）中子与物质的作用）中
14、子与物质的作用 快中子的减速过程快中子的减速过程 在实际弹性散射过程中，中子与靶核并不总是正面碰撞，因此，在实际弹性散射过程中，中子与靶核并不总是正面碰撞，因此，每次碰撞后，中子损失能量并不相同，这与散射角有关。每次碰撞后，中子损失能量并不相同，这与散射角有关。2 2、中子测井的核物理基础、中子测井的核物理基础（2 2）中子与物质的作用）中子与物质的作用 快中子的减速过程快中子的减速过程 当快中子与原子核碰撞多次，使中子能量降低为当快中子与原子核碰撞多次，使中子能量降低为0.0250.025电子伏电子伏特时，这时的中子为热中子。特时，这时的中子为热中子。中子变为热中子之后，就象分子热运动一样在
15、物质中进行扩散，中子变为热中子之后，就象分子热运动一样在物质中进行扩散，当它再与原子核发生碰撞时，失去和得到的能量几乎相等。当它再与原子核发生碰撞时，失去和得到的能量几乎相等。A.A.微观弹性散射截面微观弹性散射截面：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称为微观弹性散射截面ss，单位为巴（，单位为巴（1010-24-24cmcm2 2）。）。2 2、中子测井的核物理基础、中子测井的核物理基础（2 2）中子与物质的作用）中子与物质的作用 快中子的减速过程快中子的减速过程描述减速过程的三个重要概念描述减速过程的三个重要概念 C.C.减速长
16、度减速长度LsLs ：用来描述快中子变为热中子的减速过程。用来描述快中子变为热中子的减速过程。减速长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，单位为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，单位为厘米。厘米。B.B.宏观弹性散射截面宏观弹性散射截面：1cm1cm3 3物质的原子核的微观弹性散射截面之和物质的原子核的微观弹性散射截面之和叫宏观叫宏观弹性散射截面弹性散射截面ss。通常可以利用通常可以利用宏观宏观弹性散射截面来描述这个减速过程。弹性散射截面来描述这个减速过程。下表为沉积岩中常见元素的散射截面和每次碰撞的最大能量损失以及中下表为沉积岩中常见元素的散射截面和
17、每次碰撞的最大能量损失以及中子能量由子能量由2Mev2Mev减速为热中子所需的平均碰撞次数。减速为热中子所需的平均碰撞次数。（2 2）中子与物质的作用）中子与物质的作用 快中子的减速过程快中子的减速过程元素元素散射截面散射截面原子量原子量平均碰撞次数平均碰撞次数每次碰撞能量的最大损失每次碰撞能量的最大损失钙钙9.540.13718%氯氯1035.931610%硅硅1.728.126112%氧氧4.216.015021%碳碳4.812.011528%氢氢451.018100%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，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
18、的最大。和氢核相碰撞，能量损失最大，减速成热中子的过程氢元素的最大。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。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。下表为能量为下表为能量为3.7-7Mev3.7-7Mev的中子减速为热中子的减速长度：的中子减速为热中子的减速长度：（2 2）中子与物质的作用）中子与物质的作用 快中子的减速过程快中子的减速过程介质介质水水石油石油石膏石膏硬石膏硬石膏（含结晶水）（含结晶水）砂砂+45%水水砂砂+22%水水石灰岩石灰岩干石英砂干石英砂减速长度减速长度（厘米）（厘米）7.79.311
19、.027.011.017.029.055.0 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。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。层含氢量及解决与含氢量有关地质问题的依据。快中子减速成热中子之后，同气体分子的扩散类似，从密度大快中子减速成热中子之后，同气体分子的扩散类似，从密度大的地方向密度小地方扩散。的地方向密度小地方扩散。（2 2）中子与物质的作用）中子与物质的作用 热中子的扩散及俘获热中子的扩散及
20、俘获 热中子扩散时，由于速度较慢，在原子核周围停留的时间相对热中子扩散时，由于速度较慢，在原子核周围停留的时间相对较长，因而很容易被原子核俘获。标准热中子能量为较长，因而很容易被原子核俘获。标准热中子能量为0.025eV0.025eV，速，速度为度为2.22.210105 5cm/scm/s。热中子被元素原子核俘获的几率取决于元素的俘获能力，通常热中子被元素原子核俘获的几率取决于元素的俘获能力，通常用用“宏观俘获截面宏观俘获截面aa”来量度。单位为巴。来量度。单位为巴。描述热中子扩散及俘获特性的参数有扩散长度描述热中子扩散及俘获特性的参数有扩散长度LdLd、微（宏）观、微（宏）观俘获截面俘获截
21、面aa和热中子寿命和热中子寿命t t等参数。等参数。（2 2）中子与物质的作用）中子与物质的作用 热中子的扩散及俘获热中子的扩散及俘获描述扩散俘获过程的描述扩散俘获过程的四个重要概念四个重要概念 A.扩散长度：扩散长度：从产生热中子起到其被俘获吸收为止，热中子移动从产生热中子起到其被俘获吸收为止，热中子移动的距离。物质对热中子俘获吸收能力越强，扩散长度的距离。物质对热中子俘获吸收能力越强，扩散长度Ld就越短。就越短。B.微观俘获截面微观俘获截面：一个原子核俘获热中子的几率。一个原子核俘获热中子的几率。C.宏观俘获截面宏观俘获截面a：1cm3物质中所有原子核的微观俘获截面之和。物质中所有原子核的
22、微观俘获截面之和。D.热中子寿命热中子寿命t：从热中子生成开始到它被俘获吸收为止所经过的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：平均时间叫热中子寿命，它和宏观俘获截面的关系是：式中式中v为热中子移动速度，常温下，为热中子移动速度，常温下，v0.22cm/s。atv 1 当地层中含有俘获截面高的元素时，当地层中含有俘获截面高的元素时，t t就大大减小。高矿化度就大大减小。高矿化度水的水的t t要比油层小的多，因此可以确定油水界面和区分油水层。要比油层小的多，因此可以确定油水界面和区分油水层。at55.4atv1（2 2）中子与物质的作用）中子与物
23、质的作用 热中子的扩散及俘获热中子的扩散及俘获所以热中子寿命表示式可写成：所以热中子寿命表示式可写成：下表给出了沉积岩中常见的几种元素的微观俘获截面。下表给出了沉积岩中常见的几种元素的微观俘获截面。（2 2）中子与物质的作用）中子与物质的作用 热中子的扩散及俘获热中子的扩散及俘获 氯元素特别是硼的俘获截面很大。在油、气井中，氯元素是氯元素特别是硼的俘获截面很大。在油、气井中，氯元素是常见的，因此，它的存在将使热中子被俘获的几率显著增加，热常见的，因此，它的存在将使热中子被俘获的几率显著增加，热中子扩散的过程或扩散距离将缩短。中子扩散的过程或扩散距离将缩短。所以含有高矿化度水的岩石比含油的同类岩
24、石宏观俘获截面所以含有高矿化度水的岩石比含油的同类岩石宏观俘获截面要大。要大。元素的原子核俘获热中子之后，处于激发状态，当它回到稳定元素的原子核俘获热中子之后，处于激发状态，当它回到稳定的基态时，多余的能量便以伽马射线的形式释放出来。该射线称为的基态时，多余的能量便以伽马射线的形式释放出来。该射线称为俘获伽马射线俘获伽马射线，或，或次生伽马射线次生伽马射线。（2 2）中子与物质的作用）中子与物质的作用 热中子的扩散及俘获热中子的扩散及俘获 因此，因此，当岩石中有氯元素存在时，测得的热中子数将显著减少，当岩石中有氯元素存在时，测得的热中子数将显著减少，但测得的俘获伽马射线却又会普遍增高。但测得的
25、俘获伽马射线却又会普遍增高。不同元素俘获热中子后放出的俘获伽马射线的能量存在一定的不同元素俘获热中子后放出的俘获伽马射线的能量存在一定的差别，特别是氯元素释放出的俘获伽马射线能量要比一般元素高一差别，特别是氯元素释放出的俘获伽马射线能量要比一般元素高一些，且伽马射线的数目也相对多些。些，且伽马射线的数目也相对多些。中子探测器探测的是超热中子和热中子中子探测器探测的是超热中子和热中子。2 2、中子测井的核物理基础、中子测井的核物理基础（3 3）中子探测器）中子探测器 热中子探测器热中子探测器通常由普通的闪烁计数器在其外壁上涂上锂或硼构通常由普通的闪烁计数器在其外壁上涂上锂或硼构成。由于锂和硼对热
26、中子有强吸收性，并在吸收热中子后发生核反应成。由于锂和硼对热中子有强吸收性，并在吸收热中子后发生核反应而放射出而放射出粒子，该粒子能使闪烁计数器中萤光体发光，从而在记数粒子，该粒子能使闪烁计数器中萤光体发光，从而在记数管中的阳极产生管中的阳极产生负的电脉冲负的电脉冲，然后送入地面记录仪便可对其记录。，然后送入地面记录仪便可对其记录。热中子热中子锂或硼锂或硼 超热中子探测器超热中子探测器是热中子计数器在其外壁上加一层石蜡和一层镉是热中子计数器在其外壁上加一层石蜡和一层镉构成。镉的作用是吸收探测器周围的热中子，而只让超热中子通过，构成。镉的作用是吸收探测器周围的热中子，而只让超热中子通过，并进入石
27、蜡层，然后再经石蜡减速为热中子，便可被热中子计数管对并进入石蜡层，然后再经石蜡减速为热中子，便可被热中子计数管对其记录。其记录。2 2、中子测井的核物理基础、中子测井的核物理基础（3 3）中子探测器）中子探测器热中子热中子超超热热中中子子石蜡石蜡镉镉 地层对快中子的减速能力主要决定于地层的含氢量。含氢量高地层对快中子的减速能力主要决定于地层的含氢量。含氢量高的地层宏观减速能力强、减速长度小。的地层宏观减速能力强、减速长度小。为了方便，在中子测井中把淡水的含氢量规定为一个单位，用为了方便，在中子测井中把淡水的含氢量规定为一个单位，用它来衡量地层中所有其它岩石或矿物的含氢量。它来衡量地层中所有其它
28、岩石或矿物的含氢量。2 2、中子测井的核物理基础、中子测井的核物理基础（4 4）地层的含氢指数）地层的含氢指数 单位体积的任何岩石或矿物中氢核数与同样体积的淡水中氢单位体积的任何岩石或矿物中氢核数与同样体积的淡水中氢核数的比值，称为该岩石或矿物的含氢指数，用核数的比值，称为该岩石或矿物的含氢指数，用H H表示。表示。含氢指数概念含氢指数概念 式中，式中，是介质密度，单位为是介质密度，单位为g gcmcm3 3；M M是该化合物的克分子是该化合物的克分子量；量；x x是介质分子中的氢原子数；是介质分子中的氢原子数；K K是比例常数。是比例常数。MxKH2 2、中子测井的核物理基础、中子测井的核物
29、理基础（4 4）地层的含氢指数）地层的含氢指数含氢指数概念含氢指数概念 含氢指数含氢指数H H与单位体积介质里的氢核数成正比，因而可用下式与单位体积介质里的氢核数成正比，因而可用下式表示表示 纯水的含氢指数纯水的含氢指数 按定义，淡水的含氢指数为按定义，淡水的含氢指数为1 1，由此确定出上式中的，由此确定出上式中的K K值。值。121621KMxKHWMxH92 2、中子测井的核物理基础、中子测井的核物理基础（4 4）地层的含氢指数）地层的含氢指数 则用该式可求出任何密度为则用该式可求出任何密度为，分子量为，分子量为M M且每个分子中有且每个分子中有x x个个氢核的单一分子组成的物质的含氢指数
30、。氢核的单一分子组成的物质的含氢指数。因水的分子式为因水的分子式为H H2 2O O，所以，所以x x2 2，M M1818，而水的密度为，而水的密度为1g1gcmcm3 3，由此求出由此求出K K9 9，代入前面式子得，代入前面式子得 盐水的含氢指数盐水的含氢指数 NaClNaCl溶于水后占据了空间，而使盐水中含氢密度减小，岩水溶于水后占据了空间，而使盐水中含氢密度减小，岩水含氢指数降低。含氢指数降低。2 2、中子测井的核物理基础、中子测井的核物理基础（4 4）地层的含氢指数）地层的含氢指数 计算盐水含氢指数的一般公式为计算盐水含氢指数的一般公式为 Hww(1-C)式中式中w为盐水密度；为盐
31、水密度；C为为NaCl浓度，此处单位为浓度，此处单位为ppm10-6。对裸眼井测井，中子测井探测的冲洗带，上式应当用泥浆滤对裸眼井测井，中子测井探测的冲洗带，上式应当用泥浆滤液的密度和矿化度。套管井测井时，冲洗带消失，要用地层水的液的密度和矿化度。套管井测井时，冲洗带消失，要用地层水的密度和矿化度。密度和矿化度。油、气的含氢指数油、气的含氢指数 液态烃的含氢指数与水接近，然而天然气的氢浓度很低，液态烃的含氢指数与水接近，然而天然气的氢浓度很低，并且随并且随温度和压力而变化。因而当天然气很靠近井眼而处于中子测井探测范温度和压力而变化。因而当天然气很靠近井眼而处于中子测井探测范围内时，中子测井测出
32、的含氢指数较小。围内时，中子测井测出的含氢指数较小。烃的含氢指数可根据其组分和密度来估算。分子式为烃的含氢指数可根据其组分和密度来估算。分子式为CHxCHx(其分子其分子量为量为1212十十x)x)和密度为和密度为h h的烃的含氢指数为的烃的含氢指数为 用此式可算出甲烷用此式可算出甲烷(CH(CH4 4)含氢指数为含氢指数为2.252.25甲烷甲烷，而石油，而石油(CnH(CnH2 2)含含氢指数为氢指数为1.281.28油油。若。若油油0.85g/cm0.85g/cm3 3，则石油含氢指数为，则石油含氢指数为1.0341.034。hhXxH1292 2、中子测井的核物理基础、中子测井的核物理
33、基础（4 4）地层的含氢指数）地层的含氢指数 与有效孔隙度无关的含氢指数与有效孔隙度无关的含氢指数 A.泥质：泥质：泥质伴生有化学结晶水和束缚水，所以它具有很大的含泥质伴生有化学结晶水和束缚水，所以它具有很大的含氢指数，一般可达氢指数，一般可达0.150.30，因而在含泥质的地层中，含氢指数大，因而在含泥质的地层中，含氢指数大于地层的有效孔隙度。于地层的有效孔隙度。2 2、中子测井的核物理基础、中子测井的核物理基础（4 4）地层的含氢指数）地层的含氢指数 B.石膏：石膏：石膏的分子式是石膏的分子式是CaSO42H2O，虽然其孔隙度为零，但其，虽然其孔隙度为零，但其含氢指数约为含氢指数约为0.4
34、9，与孔隙度为，与孔隙度为49的灰岩相当。的灰岩相当。C.岩性影响：岩性影响：当仪器以纯石灰岩为标准进行刻度时，石灰岩骨架当仪器以纯石灰岩为标准进行刻度时，石灰岩骨架含氢指数为零，其它岩性的岩石骨架显示为一定数值的等效含氢量。含氢指数为零，其它岩性的岩石骨架显示为一定数值的等效含氢量。孔隙度等于零的砂岩，显示为负含氢指数（孔隙度等于零的砂岩，显示为负含氢指数（-3%），而白云岩显示为），而白云岩显示为正的含氢指数（正的含氢指数（5%）。）。中子测井中子测井学习内容学习内容1 1、中子测井方法分类、中子测井方法分类2 2、中子测井的核物理基础、中子测井的核物理基础3 3、中子、中子-中子测井方法
35、原理中子测井方法原理4 4、中子、中子-伽马测井方法原理伽马测井方法原理 中子测井包括两种方法：中子测井包括两种方法：一种是记录探测器周围一种是记录探测器周围超热中子超热中子密度的密度的中子中子超热超热中子测井（中子测井（SNPSNP），亦称井壁中子测井；），亦称井壁中子测井；另一种是记录探测器周围另一种是记录探测器周围热中子热中子密度的密度的中子中子热中热中子测井（子测井（CNLCNL），亦称补偿中子测井。），亦称补偿中子测井。中子测井中子测井3 3、中子、中子-中子测井方法原理中子测井方法原理(1)(1)中子中子超热中子测井超热中子测井 超热中子测井是探测探测器周围快中子变为热中子之前的超
36、热中超热中子测井是探测探测器周围快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，进而计算储层孔隙度和对储集子密度，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。层进行评价。左图是一种超热中子测井仪的井下仪器左图是一种超热中子测井仪的井下仪器示意图，也叫井壁超热中子测井仪示意图，也叫井壁超热中子测井仪(SNP)(SNP)。超。超热中子探测器和中子源贴靠井壁测量以减小热中子探测器和中子源贴靠井壁测量以减小井眼的影响。井眼的影响。由中子源发出的快中子与地层中的原子由中子源发出的快中子与地层中的原子核发生弹性散射，能量逐渐降低，而成为超核发生弹性散射，能量逐渐降低，而成
37、为超热中子，其过程主要取决于前述快中子减速热中子，其过程主要取决于前述快中子减速过程。过程。3 3、中子、中子-中子测井方法原理中子测井方法原理 在组成地层的所有元素中，氢是减速能力最强的元素，远远超过在组成地层的所有元素中，氢是减速能力最强的元素，远远超过其它元素，它的存在和含量就决定着地层的减速长度的大小。因此，其它元素，它的存在和含量就决定着地层的减速长度的大小。因此，当孔隙中当孔隙中100100充满水时，孔隙度越大则地层减速长度就越短。充满水时，孔隙度越大则地层减速长度就越短。(1)(1)中子中子超热中子测井超热中子测井3 3、中子、中子-中子测井方法原理中子测井方法原理 左图描述了这
38、种关系，给左图描述了这种关系，给出了充满水的砂岩、石灰岩和出了充满水的砂岩、石灰岩和白云岩等三种岩性的岩石减速白云岩等三种岩性的岩石减速长度和孔隙度的关系曲线。由长度和孔隙度的关系曲线。由图可以看出图可以看出LsLs随随增大而缩短增大而缩短 从该图还可以看出：从该图还可以看出：孔隙度不同，岩性不同，超热孔隙度不同，岩性不同，超热中子在中子源周围的分布不同。中子在中子源周围的分布不同。孔孔隙度越大，含氢量越多，减速长度隙度越大，含氢量越多，减速长度LsLs越短（小），则在源附近的超热越短（小），则在源附近的超热中子越多。相反，孔隙度越小，减中子越多。相反，孔隙度越小，减速长度速长度LsLs越大，
39、则在较远的空间形越大，则在较远的空间形成有较多的超热中子。成有较多的超热中子。3 3、中子、中子-中子测井方法原理中子测井方法原理(1)(1)中子中子超热中子测井超热中子测井 如果把探测器放在如果把探测器放在较较远的地方远的地方，超热中子探测，超热中子探测器的计数率，则对于孔隙器的计数率，则对于孔隙度大的计数率低，孔隙度度大的计数率低，孔隙度小的计数率高。如右图所小的计数率高。如右图所示。示。3 3、中子、中子-中子测井方法原理中子测井方法原理(1)(1)中子中子超热中子测井超热中子测井 如果把探测器放在如果把探测器放在较较近的地方近的地方，超热中子探测，超热中子探测器的计数率，则对于孔隙器的
40、计数率，则对于孔隙度大的计数率大，孔隙度度大的计数率大，孔隙度小的计数率低。如右图所小的计数率低。如右图所示。示。3 3、中子、中子-中子测井方法原理中子测井方法原理(1)(1)中子中子超热中子测井超热中子测井 当探测器放在某一个位当探测器放在某一个位置时，计数率与孔隙度的大置时，计数率与孔隙度的大小无关。小无关。3 3、中子、中子-中子测井方法原理中子测井方法原理短源距短源距长源距长源距零源距零源距(1)(1)中子中子超热中子测井超热中子测井 探测器到源之间的距离叫源距；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；第一种情况的源距叫长源距；第二种情况的源距叫短源距；第二种情况的源距
41、叫短源距；第三种情况叫零源距，约第三种情况叫零源距，约40cm40cm。在实际工作中，通常用的是长在实际工作中，通常用的是长源距探测器。源距探测器。测井记录（长源距）的超热中子计数率越大，反映岩层的孔隙度测井记录（长源距）的超热中子计数率越大，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。越小，反之计数率越小，反映岩层的孔隙度越大。3 3、中子、中子-中子测井方法原理中子测井方法原理(1)(1)中子中子超热中子测井超热中子测井 在不含有氢元素的地层中，超热中子读数随含氢量增高呈指数规在不含有氢元素的地层中，超热中子读数随含氢量增高呈指数规律降低，在岩石中，含律降低，在岩石中，含H
42、量直接反映着孔隙度的大小，因此量直接反映着孔隙度的大小，因此 lgN=a+b 其中其中b-仪器常数，仪器常数，a-与井径、源距等有关的参数，与井径、源距等有关的参数，N-超热中子计超热中子计数率。数率。这就是利用超热中子测井可以测量岩层孔隙度的原理。这就是利用超热中子测井可以测量岩层孔隙度的原理。由于超热中子被元素俘获的截面非常小，所以超热中子的空间分由于超热中子被元素俘获的截面非常小，所以超热中子的空间分布不受岩层含氯量的影响布不受岩层含氯量的影响(即地层水矿化度的影响即地层水矿化度的影响)，所以能够较好地，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。反映氢含量的多少，即较
43、好地反映岩层孔隙度的大小。超热中子测井，仅反映地层的减速性质，有利于测定地层含氢指超热中子测井，仅反映地层的减速性质，有利于测定地层含氢指数，贴靠井壁测量减少了井对测量结果的影响，能很好地测定地层的数，贴靠井壁测量减少了井对测量结果的影响，能很好地测定地层的孔隙度。孔隙度。其不足之处：其不足之处：超热中子分布范围小，探测深度浅，源距小，井条超热中子分布范围小，探测深度浅，源距小，井条件和贴井壁状态的变化都会影响测量的结果。因而在继续改进这仪方件和贴井壁状态的变化都会影响测量的结果。因而在继续改进这仪方法的同时，还必须研究其它测井方法法的同时，还必须研究其它测井方法。3 3、中子、中子-中子测井
44、方法原理中子测井方法原理(2)(2)中子中子热中子测井热中子测井 热中子分布范围比超热中子大的多，探测范围大，其空间分布规热中子分布范围比超热中子大的多，探测范围大，其空间分布规律与超热中子的空间分布规律一样，即律与超热中子的空间分布规律一样，即在长源距的情况下在长源距的情况下饱含流体的饱含流体的岩层的孔隙度越大，热中子的计数率越低；孔隙度越小计数率越高。岩层的孔隙度越大，热中子的计数率越低；孔隙度越小计数率越高。快中子与地层作用减速成热中子，探测器周围热中子的密度不快中子与地层作用减速成热中子，探测器周围热中子的密度不仅与地层的减速特性有关，而且亦与地层的俘获特性有关。仅与地层的减速特性有关
45、，而且亦与地层的俘获特性有关。这就决定了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。岩层孔隙度值来说，氯含量就是个干扰因素。3 3、中子、中子-中子测井方法原理中子测井方法原理(2)(2)中子中子热中子测井热中子测井 由中子源发出的快中子在周围介质中减速成热中子，探测热中由中子源发出的快中子在周围介质中减速成热中子，探测热中子密度的测井方法叫热中子测井。子密度的测井方法叫热中子测井。式中式
46、中N Nt t热中子计数率；热中子计数率；r r探测器到中子源的距离探测器到中子源的距离(源距源距)；D D扩散系数；扩散系数；LsLs减速长度；减速长度；LdLd扩散长度；扩散长度；K K与仪器有关系数。与仪器有关系数。rereLLDKLrNdsLrLrdsdt/222)(4)(3 3、中子、中子-中子测井方法原理中子测井方法原理(2)(2)中子中子热中子测井热中子测井 在均匀无限介质中，对点状快中子源造成的热中子分布进行了理在均匀无限介质中，对点状快中子源造成的热中子分布进行了理论推导，得到下列关系论推导，得到下列关系 由上式可见计数率大小不仅决定于岩层减速性质由上式可见计数率大小不仅决定
47、于岩层减速性质(反映含氢量反映含氢量)，还与岩层俘获性质有关还与岩层俘获性质有关(反映含氯量反映含氯量)。3 3、中子、中子-中子测井方法原理中子测井方法原理(2)(2)中子中子热中子测井热中子测井 若采用源距不同的两个探测器，记录两个计数率若采用源距不同的两个探测器，记录两个计数率Nt(r1)Nt(r1)和和Nt(r2)Nt(r2)，取这两个计数率比值，当源距取这两个计数率比值，当源距r r足够大时，则有足够大时，则有 因热中子的扩散长度因热中子的扩散长度LdLd比快中子的减速长度比快中子的减速长度LsLs小很多，所以当小很多，所以当源距源距r r足够大时，含有足够大时，含有LdLd的指数项
48、与含有的指数项与含有LsLs的指数项相比可以忽略不的指数项相比可以忽略不计，如计，如r=70cmr=70cm，对，对=15%=15%的砂岩的砂岩:dsdsLrLrLrLrtteeeerrrNrN/12212211)()(sdLrLree/02.0故上式可简化为：故上式可简化为：sLrrtterrrNrN/)(122121)()(当源距当源距r r1 1、r r2 2选定后，这个比值只与地层的减速性质有关，所选定后，这个比值只与地层的减速性质有关，所以该比值能很好地反映地层的含氢量。以该比值能很好地反映地层的含氢量。该式即为双源距热中子测井该式即为双源距热中子测井的理论依据。的理论依据。此外这种
49、方法能减小井参数及岩石对热中子俘获性质对测量结此外这种方法能减小井参数及岩石对热中子俘获性质对测量结果的影响，所以通常称果的影响，所以通常称中子中子-热中子测井热中子测井CNLCNL为补偿中子测井。为补偿中子测井。sLrrtterrrNrN/)(122121)()(3 3、中子、中子-中子测井方法原理中子测井方法原理(2)(2)中子中子热中子测井热中子测井3 3、中子、中子-中子测井方法原理中子测井方法原理(2)(2)中子中子热中子测井热中子测井 右图是补偿中子测井示意图。右图是补偿中子测井示意图。用长、短源距两个探测器接收热中用长、短源距两个探测器接收热中子，得到计数率子，得到计数率Nt(r
50、1)Nt(r1)，Nt(r2)Nt(r2)，根据，根据用石灰岩刻度的仪器得到的计数率比值用石灰岩刻度的仪器得到的计数率比值Nt(r1)Nt(r1)Nt(r2)(r1Nt(r2)(r1r2)r2)与岩石石灰岩与岩石石灰岩孔隙度孔隙度NN的关系，补偿中子测井直接的关系，补偿中子测井直接给出石灰岩孔隙度值曲线。给出石灰岩孔隙度值曲线。实际工作中，补偿中子测井仪通常实际工作中，补偿中子测井仪通常都在刻度井内已知孔隙度的纯石灰岩地都在刻度井内已知孔隙度的纯石灰岩地层上进行刻度，由此获得的孔隙度单位层上进行刻度，由此获得的孔隙度单位称为称为“石灰岩孔隙度石灰岩孔隙度”。它在纯石灰岩地层上等于地层的真它在纯
