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1、放射性中子源 发射的中子能量只有几MeV，中子与地层的相互作用过程为弹性散射、俘获辐射和热中子活化核反应。根据测量对象的不同，分为超热中子测井、热中子测井和中子伽马测井；最早出现的是中子伽马测井，先用盖革米勒计数管，后又出现闪烁体探测器；随着中子探测器，尤其是He-3计数管的应用，超热中子和热中子测井问世。,一、中子与地层的作用及扩散理论1、中子与地层物质原子核的作用（1）弹性散射中子与原子核发生碰撞后，系统的总动能不变，中子所损失的能量全部转变为反冲核的动能，剩余核处于基态；中子通过弹性碰撞损失能量的过程，不会伴随伽马射线产生；,每次弹性碰撞快中子损失的能量与靶核的质量数A，碰撞前中子的能量
2、及散射角有关；氢核和中子弹性碰撞时损失的能量最大，氢是最好的中子减速剂。（2）辐射俘获核反应靶核俘获一个热中子而变为激发态的核，然后复核放出一个或几个光子，回到基态，这就是辐射俘获反应。,氢俘获一个热中子后会放出能量为2.23MeV的伽马射线，微观截面为0.332b；氯原子核俘获热中子后放出的主要伽马射线有：1.17、1.95、6.11、6.62和 7.42MeV，在常见地层核素中俘获能力最强；硅俘获热中子放出的伽马射线：3.54MeV和4.93MeV；钙俘获热中子放出的伽马射线有：1.94、4.42和6.42MeV。,（3）活化反应快中子和热中子都能使原子核活化，使稳定核素转变为放射性核素，
3、这些核素成为活化核按其固有的半衰期进行衰变，并释放出或粒子，这种反应称为中子活化反应。,2、含氢指数地层对快中子的减速能力主要决定于它的含氢量。在中子测井中，将淡水的含氢量规定为一个单位，而1cm3任何岩石或矿物中的氢核数与同样体积的淡水的氢核数的比值定义为它的含氢指数，用H或者HI来表示，与单位体积中介质的氢核数成正比。,（1）含氢指数的表达公式对于化合物，其含氢原子核数目为：其中NA为阿伏伽德罗常数，x为一个化合物分子中含有的氢原子数，为化合物的密度，M为化合物的摩尔质量。,对于淡水，其含氢指数可以表示为：则有化合物的含氢指数为：,（2）原油和天然气的含氢指数液态烃的含氢指数与淡水接近，而
4、天然气（分子式为）的氢浓度很低，并且随温度和压力而变化，含氢指数很小。烃的分子式为，其含氢指数可以写为：,甲烷（CH4)的含氢指数为：原油（CH2）的含氢指数为：若原油密度为0.85g/cm3，含氢指数为1.09；地层条件下若天然气密度为0.2g/cm3，含氢指数为0.45。,（3）与有效孔隙度无关的含氢指数对于石膏，其分子式为，密度为2.32g/cm3，则有 泥质：主要包括束缚水、粘土矿物结晶水等，因此泥质具有很高的含氢指数，主要取决于泥质孔隙体积和矿物成分，一般可达0.150.3。,（4）与岩性有关的等效含氢指数对快中子减速其主要作用的是氢，但其他原子核也有减速作用。假设能量为2MeV的中
5、子要热化成热中子，选用不同的减速剂所需要的热化碰撞次数相差很大，1H核：18.2，12C核：114，16O核：150；而能量为1MeV的中子热化成热中子，28Si核：244；40Ca核：340。因此岩石骨架虽然不含氢，但具有等效的含氢指数。,（5）孔隙性纯岩石地层的含氢指数孔隙度为、充满淡水的纯岩石含氢指数表达式为：中子测井时测得的孔隙度实质上就是等效含氢指数；刻度条件：使饱含淡水石灰岩地层的含氢指数等于充淡水孔隙度，则石灰岩地层其他岩性地层，需要进行岩性校正；只有岩性、孔隙流体、井眼条件与仪器刻度条件相同时含氢指数等于总孔隙度。,（6）挖掘效应与饱含淡水的地层相比，地层含有天然气时，一部分孔
6、隙空间的水被气代替，不仅含氢指数减小，而且还会造成岩石对快中子的减速能力，即天然气使中子孔隙度减小的量比含氢指数减小的量还要小，相等于挖掘了一定体积的骨架，生成了一个负的含氢指数附加值，这一效应称为挖掘效应。,中子能量从E0变到1.44eV时相应的中子减速长度,挖掘效应的大小与岩性、孔隙度、含水饱和度及天然气的含氢指数有关，天然气的含氢指数越小，气占的孔隙体积越大，挖掘效应的作用就越强。,3、扩散理论（1）中子注量和中子注量率中子注量：在空间一定点上，在一段时间间隔内，不论以任何方向射入以该点为中心的小球体的中子数目与该球体的最大截面积的比值定义为中子注量，常用表示，单位是n/cm2或cm-2
7、。,中子注量率：空间一定点上，单位时间内接收到的中子注量称为中子注量率，常用表示，单位为n/(cm2s)或(cm-2s-1)，又称为中子通量。对于放射性核素中子源，设测量位置和源相距为R，且R远大于源的尺寸，则可以把中子源看成点源，由于其放出的中子基本上是各向同性的，所以在R处的中子注量率可按照下式计算：式中：Q是中子源的强度，即每秒钟放出的中子总数。,（2）扩散方程若介质的宏观俘获截面为a，中子的通量为，则每秒钟每立方厘米被吸收的中子数为a，满足平衡方程：除中子源所在的位置外，S=0，故有,根据边界条件，最终可以得到：表示无限介质内每秒钟放出一个中子点源周围在定态下的中子通量分布。定义扩散长
8、度为L：,（3）双组扩散理论 把中子减速过程分为两个阶段：快中子减速阶段和热中子扩散阶段。快中子减速阶段快中子的通量分布为：D1为快中子扩散系数，L1为快中子减速长度。,热中子的扩散阶段 慢化的快中子经过地层的进一步作用变成热中子，热中子在扩散过程中又会被原子核吸收，因此热中子的通量满足方程为：其解为：,4、中子伽马射线的空间分布热中子通量在地层中的分布主要由地层的减速性质（含氢量）决定，但发生热中子 反应放出的中子伽马射线与氢及其它几种核素都有关。热中子分布的整个范围就是一个空间伽马源，其源强度是地层中的核素每俘获一个热中子平均产生的光子数a、宏观俘获截面和热中子通量的乘积。,热中子分布,伽
9、马分布,二、超热中子测井井壁中子孔隙度测井（SNP）超热中子测井记录能量略高于热中子的中子，记录超热中子仍采用热中子探测器，如He-3管。方法：探测器外加热中子吸收剂（镉）作屏蔽层目的是用来吸收热中子；屏蔽层与探测器之间加慢化剂（塑料，石蜡等高H物质）目的是使穿过屏蔽层的超热中子迅速变为热中子。,1、超热中子通量的空间分布测井时分布于中子源周围的中子能量较宽，若只记录超热中子可以把中子源发出的快中子和地层的作用看成超热中子在地层中的扩散过程，此时超热中子的通量分布为：式中 和 分别为超热中子的平均扩散长度和扩散系数。,其中超热中子的平均减速长度和中子的减速长度近似相等，不同能量的中子减速长度不
10、同。由于对中子减速起主要作用的是氢元素，而岩石地层的减速能力能够反映孔隙中的油和水的多少，即因此就可以确定地层孔隙度的大小，这就是超热中子孔隙度测井的基本原理。,不同孔隙度砂岩地层超热中子计数与源距的关系,随着源距的增加，超热中子通量减小，且开始减小得快，然后呈对数线性减少；当源距为某一确定值r0时，中子通量对地层无分辨能力，称为零源距；不同地层组合零源距不同；当源距小于r0时，地层孔隙度越大，减速能力越强，超热中子通量越高，这一范围称为负源距；当源距大于r0时，地层孔隙度越大，减速能力越弱，超热中子通量越低，这一范围称为正源距。,设有两个中子减速性质不同的均匀无限地层，相应的扩散系数和减速长
11、度分别为D1、D2和L1、L2，则超热中子通量分别为：其比值为：若地层1孔隙度大于地层2，则D1D2和L1L2，可分析超热中子通量随源距的变化规律。,2、超热中子测井技术（1）原理同位素中子源发出快中子，在地层运动过程中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。中子的减速长度L反映孔隙度的大小，L越小，计数率越低，孔隙度越大。采集超热中子计数率，则可识别岩性并转换为中子孔隙度。,（2）源距选择在负源距区：计数率高，含氢指数高的地层统计精度高，但源距短探测深度浅，受井壁条件影响大，且中子源和探测器之间必须加屏蔽体，致使负源距的尺寸靠近零源距，几乎不具备对含氢指数的
12、分辨能力。,在正源距区：这是唯一能实施计数的区间，虽然计数率低，且含氢指数越高精度越差，但随着源距增大对含氢指数分辨率会提高，综合考虑对统计精度和分辨率的要求，源距一般限制在3045cm之间。超热中子的空间分布不受地层含氯量的影响，较好地反映含氢量，即较好地反映地层的孔隙度。,（3）贴井壁测量超热中子比热中子分布范围小，探测深度浅，加上源距小，井眼影响严重，为此需要使探头紧贴井壁，加推靠器的仪器对井壁环境要求很高，测井过程中必须对井眼影响做实时校正。,3、刻度及挖掘效应校正（1）刻度不同仪器（源强、源距、探测器等结构的差别），导致计数率变化，从而导致计数率失去可比性。美国休斯顿大学的API中子
13、测井标准井，由三个孔隙度不同的纯石灰岩地层组成，井眼居中，井径7.875“。把仪器零线与=19%的Indiana石灰岩标准模块的计数率曲线幅度之差，规定为1000API单位；用它将计数率转换为API标准单位，再变换为孔隙度。,（2）挖掘效应校正对天然气地层，冲洗带内混合流体的含氢指数为：式中SXO为冲洗带含水饱和度，HW和Hg为水和气的含氢指数。地层冲洗带岩石的含氢指数为：不考虑挖掘效应，中子孔隙度;挖掘效应的校正值：,三、热中子测井补偿中子测井（CNL)热中子测井在井中测量热中子通量随深度的变化，应用最成功的热中子测井方法是具有井眼补偿能力的双源距补偿中子测井，是测量地层孔隙度的主要核测井技
14、术。1、热中子通量的空间分布根据前面的双组扩散理论，均匀无限介质中源距为r处的热中子通量为：,热中子的通量分布不仅与快中子的减速有关，而且还决定于热中子的扩散和吸收，由于地层的快中子的减速长度通常近似于热中子扩散长度的2倍，因此不同位置处的热中子通量受到减速和吸收的影响不同。,井眼充满淡水不同孔隙度砂岩地层热中子通量与源距的关系,井眼为气不同孔隙度砂岩地层热中子通量与源距的关系,（1）零源距区热中子通量对地层中子特性无分辨能力；在饱含水砂岩地层条件下，井眼流体为水时的零源距大约在10cm，而井眼流体为气时的零源距大约在35cm处，显然井眼流体为气要比井眼流体为水时的零源距大；（2）在负源距，热
15、中子通量主要取决于有多少快中子能在离源很近的地方慢化成热中子，地层的含氢指数越高、孔隙度越大，热中子的通量越大，但这种差别随着源距的增加而减小；,（3）在正源距，热中子通量的大小取决于其随源距增加而衰减的速率，地层含氢指数越高、孔隙度越大，热中子随着源距增加衰减越快，而含氢指数低的地层衰减慢；因此含氢指数越高、孔隙度越大的地层，热中子的通量越小。,2、补偿中子测井原理,热中子的空间分布不仅取决于地层的含氢量，还与含氯量有关。补偿中子测井是用同位素中子源在井眼中向地层发射快中子，在离源距不同的两个点上，用热中子探测器测量经地层慢化并散射回井眼来的热中子。离源远的探测器叫长源距探测器，离源近的探测
16、器叫短源距探测器。,假设利用源距分别为r1和r2的两个探测器来记录热中子，则相应的热中子通量分别为：由于地层的快中子的减速长度通常近似于热中子扩散长度的2倍，则在源距较大时，有,假设，且r很大时有,因此表达式中可以忽略第二项，相应的热中子通量比为：,显然热中子通量的比值只与快中子的减速长度有关，能够反映孔隙度的大小。采取足够大的源距，且不同源距探测器的计数率比值，很大程度上补偿了地层吸收性质和井环境对孔隙度测量的影响。,3、刻度及响应关系（1）三级刻度：中子孔隙度基准井：由一组孔隙度不同的饱含淡水石灰岩标准裸眼刻度井组成，井液均为淡水，井径为20cm，为一级刻度井群；中子孔隙度工作标准井：分布
17、在油田和测井公司二级刻度井组，至少有三口井，为二级刻度；中子刻度器为三级刻度。,（2）真孔隙度确定:对含水纯岩石，可近似为：,四、中子孔隙度测井应用1、岩性识别利用补偿中子和补偿密度孔隙度曲线重叠可以快速直观识别岩性。,不同岩性曲线有不同的幅度差：砂岩：D；NN；白云岩：D；DN；泥岩：DN。,岩性识别数据表,2、确定地层孔隙度利用校正图版，对井径、泥饼厚度、泥浆密度、矿化度和套管等因素进行校正求得地层孔隙度。一般情况下，有：石灰岩：砂岩：白云岩：,砂岩石灰岩混合物：石灰岩白云岩混合物：常用关系式：,3、识别和评价气层气层的含氢量明显低于同孔隙度的油水层。天然气层的补偿密度和中子孔隙度的特征：
18、密度孔隙度偏大，而中子孔隙度偏小。轻烃对中子孔隙度测井的挖掘效应；要考虑泥浆侵入对气层的影响。,五、中子伽马和中子伽马能谱测井1、中子伽马测井中子源向地层连续发射快中子，经慢化变成热中子，热中子与地层中的多种核素发生（n,)核反应，发射伽马光子，伽马光子计数率主要反映地层含氢量随深度的变化，同时也受地层水矿化度和井眼环境的影响。,（1）中子伽马通量的空间分布中子伽马源强度是地层中的核素每俘获一个热中子平均产生的光子数a、宏观俘获截面和热中子通量的乘积，既有探测器所在点的光子通量是空间源对该点通量贡献的积分，测得的计数率与该点的光子通量成正比。,在源距很小时，探测器得到的中子伽马计数率主要取决于
19、快中子在离源很近的区域慢化成热中子并经（n,)核反应发射伽马光子；含氢量高的地层，即孔隙度大的地层快中子慢化得快，在近源区热中子密度较高，伽马光子通量密度高，计数率高；在含氢量低的地层，中子慢化得慢，在近源区热中子密度较低，伽马光子通量较低，计数率也较低；,随着源距的增加，能进入探测器的快中子、热中子和伽马光子通量密度都降低，相应的中子伽马计数率也下降，且在含氢量高的地层下降得快，而在含氢量低的地层下降得慢，每两条曲线必有一个交点，分布在源距大约为35cm的较小范围内，称为过渡区或零源距区；零源距区域中子伽马计数率对地层的含氢指数几乎没有分辨能力，是中子测井的盲区；,源距继续增大且超过零源距区
20、后，在伽马探测器有效探测范围之内，含氢量高的地层中子和伽马通量密度衰减得快，中子伽马计数率较低；在含氢量低的地层中子和伽马通量密度减小得慢，测到的中子伽马计数率高。源距越大中子伽马计数率对地层含氢量的分辨能力增加，井眼影响减小，但源距增大中子伽马计数率太低，一般中子伽马测井的源距在4565cm之间。,淡水和盐水的中子伽马计数率有明显差别，高矿化度水地层的伽马计数率高，且高矿化度水层的中子伽马计数率高于油层；若存在泥浆侵入，由于中子伽马探测范围相对较小，水层和油层的伽马计数率差异消失。,（2）地层中子伽马计数率的影响因素在中子伽马测井过程中，伽马计数率的变化规律：与地层含氢量有关，也与地层含氯量
21、有关（俘获截面很大，且放出的伽马光子也比氢多约3.1个），地层含氯量决定地层孔隙度、含水饱和度和地层水含盐量。同样情况下，高矿化度水层的 很高；致密层，气层 高，泥岩层 很低。,气层中氢的密度很小，相同孔隙度条件下，氢的含量气层要比油水层小很多；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。,（3）中子伽马测井的应用划分岩性：和GR结合，孔隙性、渗透性地层中子伽马计数率较低；识别气层裸眼井：中子伽马计数率高于相邻的储集层，但受侵入影响，某些侵入深时，显示不明显。套管井：固井后不同时期测量中子伽马计数率显示不同(侵入带
22、消失)；,识别高矿化度水层(划分油水界面)：NaCl含量150g/l油水层的含氢量基本相同，地层水的矿化度较高时，水层的含氯量显著大于油层，水层相对高，油层相对低，与电测资料结合，可划分油水过渡带。在无孔隙度测井条件，可近似计算孔隙度条件：低地层水矿化度和淡水泥浆。,2、中子伽马能谱测井地层元素能谱测井（ECS)（1）地质基础地壳中的化学元素只相对集中于少数几种，其中的九种元素O(49.13%)，Si(26.00%)，Al(7.45%)，Fe(4.20%)，Ca(3.25%)，Na(2.40%)，K(2.35%)，Mg(2.35%)，H(1.00%)已占地壳总重量的98.13%，其余的元素仅占
23、1.87%。,地壳岩石中已发现的矿物达2200多种，而火成岩中主要常见的矿物种类也不过十余种。因此，利用可以确定二十余种元素含量的元素测井，就有充分可能鉴别出地壳岩石中矿物的丰度。,(2)仪器介绍地层元素测井(Elemental Capture Spectroscopy，ECS)测量记录非弹性散射与俘获时产生的瞬发射线，利用剥谱分析直接得到钙、氯、铬、硅、铁、硫、钛、钆等地层元素含量，通过氧化物闭合模型、聚类因子分析和能谱岩性解释可定量得到地层的矿物含量。,测速：1800ft/h(549m/h)垂直分辨率：18in（45.72cm）探测深度：9in（22.86cm）外径：5in长度：10.15
24、ft（3.09m）,无钙和硫条件下ECS的闪烁晶体伽马能谱,（3）元素含量和矿物含量的关系利用氧化物闭合模型确定矿物含量利用测量伽马能谱和标准谱可以确定各种元素在地层中的绝对含量，用 来表示，则相对元素含量与绝对元素含量的关系为：其中 F是随深度而变化的归一化因子，为元素的相对产额，为元素的探测灵敏度因子。,归一化因子F满足闭合条件，即所有元素的重量百分含量之和为1。由于用俘获伽马不能测出碳、氧、钠和镁，元素的闭合条件不满足，闭合模型可以用一近似值解决没有碳和氧的测量值问题，使这些元素的氧化物和碳酸盐的质量百分数之和为1，每个深度点有特定方程：,氧化物指数：第i元素的氧化物或碳酸盐的质量与第i
25、种元素的质量比，定义为该元素的氧化物指数，用 表示。,数理统计因子分析法通过样品的中子活化分析确定出21种元素含量，然后是对样品进行X衍射分析确定出四种或六种矿物含量，最后将21种元素含量和六种矿物含量值以及粒径小于20m的矿物作为变量进行统计因子分析。,Herron采用数理统计中的因子分析法得出元素含量与矿物的转换关系为：式中 为第i种元素的含量，为第j种矿物中第i种元素的含量，为第j种矿物的含量。,转换系数表,（4）地层元素能谱测井的应用岩性识别地层中各种矿物的化学元素成分较固定，而岩石是由不同的矿物所组成。用ECS测量的主要元素包括Si、Ca、Fe、S、Ti、Gd等，其中Si主要与石英关
26、系密切，Ca与方解石和白云石密切相关，利用S和Ca可以计算石膏的含量，Fe 与黄铁矿和菱铁矿等有关，铝元素与粘土(高岭石、伊利石、蒙脱石、绿泥石、海绿石等)含量密切相关。,Ti 与粘土矿物的含量有关；Gd的中子俘获截面非常大，远大于其他元素的俘获截面，Gd又与粘土矿物和一些重矿物的含量有一定关系，通过 Gd的测量可准确计算其他元素的含量。,不同岩性中含Si、Al、Fe矿物的含量变化,X井岩性识别曲线,地层对比仅根据常规测井曲线的形态和变化特征的相似性、测井值的大小进行对比，往往会存在一定的不确定性。通过对比发现，ECS具有较好的岩性识别能力，尤其是泥质含量(Al)曲线、硅(Si)曲线和铁(Fe
27、)曲线。通过 给出的岩性剖面,将曲线ECS(物理量)的对比转化为岩性(地质)的对比，在一定程度上可以减少地层对比的不确定性。,第1道：GR第2道泥质第3道：Fe含量第4道：Ga含量,确定储层粘土含量ECS探测可定量得到如下矿物含量：a.硅酸盐岩中有石英、燧石、钾长石、钠长石和钙长石；b.碳酸盐岩中有方解石、白云石、铁白云石、文石、菱铁矿、镁菱铁矿、菱镁矿和高镁方解石；c.粘土岩中有伊利石、蒙脱石、高岭石、绿泥石和海绿石；d.其他矿物有白云母、黑云母、黄铁矿、蛋白石、石膏、硬石膏、重晶石、赤铁矿、天青石和萤石。,利用ECS测井获得的地层元素含量，结合自然能谱测量的地层中Th、K含量等微观测井特征
28、，可区分和计算地层粘土含量及其类型；,区分泥岩和高放射性砂岩地层：使用自然伽马求取泥质含量时将地层中的所有放射性物质都当作泥质来处理。当地层岩石骨架中也含有放射性物质时，处理结果就会夸大泥质所占的体积。泥岩与高放射性砂岩难以用总自然伽马曲线分开。,评价油水层储层含油后，H和C含量增高，而Al、Cr和Ti含量则降低。研究沉积环境不同地质时期沉积岩中一些元素的丰度及组合特征的变化能够反映出当时沉积环境的变化情况。Th、Al、Ti等元素可作为沉积物物源的示踪物，Ca/(Ca+Fe)比值作为反映沉积时水介质盐度的地化指标。,3、宽谱中子伽马测井（1）仪器介绍采用Pu-Be中子源；闪烁体探测器外侧包有一层硼套。,（2）伽马能谱,（3）应用精细的岩性识别：求解砂、泥岩剖面；碳酸盐岩剖面；煤层（沥青层）；复杂剖面。孔隙度评价。确定油/水接触面、气/水接触面、气/油接触面。精确求取目的层的含油饱和度。,七、阵列脉冲中子孔隙度测井和随钻测井1、阵列脉冲中子孔隙度（APS)采用D-T脉冲中子管，仪器含有不同源距的四个超热中子探测器，即近探测器、中探测器、远探测器和超远探测器，采用不同组合给出孔隙度；同时可给出地层热中子寿命。,2、随钻中子孔隙度测井随钻中子孔隙度和常规测井一样，仍采用Am-Be中子源和双源距He-3探测器，不管是CDN还是AND结构都相同；尝试利用脉冲中子源来代替化学源。,
