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1、第九章 中子测井（Neutron logging）,中子测井,主要用于识别岩性，计算孔隙度、饱和度（套管井）,利用中子源照射地层（向地层发射中子）,用中子探测器或伽马探测器探测中子与地层的相互作用后的中子或伽马射线,主要测井方法有：中子孔隙度测井、中子寿命测井、次生伽马能谱测井(C/O)、元素俘获谱测井（ECS),1 中子测井的核物理基础,一、中子和中子源,1.中子：半衰期为11.7分钟，由核反应产生。,高能中子：En 10MeV快中子：10KeV 10MeV中能中子：100eV 10KeV慢中子：0.03eV 100eV,2.中子源：由核反应产生中子的装置，分为连续中子源和脉冲中子源,（1）
2、连续中子源（同位素中子源）：,镅-铍中子源：,特点:体积小,制备简单,连续发射中子,使用方便,中子源强度：源单位时间内发射的中子数,（2）脉冲中子源（加速器中子源，中子管）,优点：强度高，发射单色中子，可人为控制（产生脉冲中子）,缺点：寿命短，一般只有几百个小时,核聚变（核能）,较轻的原子核聚合成较重的原子核而释放能量,最常见是氘和氚聚合成较重的氦，释放出能量,理论上，公斤氘和公斤锂（通过锂可以得到氚）发的电相当于万吨煤,通过电解海水，可以得到大量的氘；锂也要从海水里提取，但要比提取氘难度大,地球上海水中有45万亿吨氘，足够人类使用60亿年,2006年，中国、印度、日本、俄罗斯、韩国、美国和欧
3、盟的代表在法国(反应堆地址所在国)签署国际热核聚变实验反应堆计划（）联合实施协定，总投资额为100亿欧元,欧盟承担50，其余6方承担50;预计35年,创造可控制的产生聚变的物理条件：氘和氚的混合气体被加热到一亿度以上,“托卡马克”型磁场约束法利用巨大环形超导磁场，对等离子体进行加热、约束,二、中子与地层的作用,（一）快中子的非弹性散射,1、概念,2、非弹性散射（微观）截面,一个中子与单位面积上的靶核发生非弹性散射的几率，单位是靶恩，即10-24cm2,快中子被靶核吸收,再放出一个较慢的中子,激发态的靶核一般发射光子后回到基态。中子的能量必须大于靶核的最低激发能级才能发生非弹性散射,（随中子能量
4、增大及靶核质量数的增大而增大）,3、中子非弹性散射的应用,与不同原子核发生非弹性散射,产生的射线能量不同,选择记录具有某些特征能量值的射线强度,可测出相应核素的相对含量。,（二）快中子对核的活化,快中子与某些稳定核素发生核反应产生的新核是放射性核素（称为活化核）,衰变产生 或,活化伽马射线的强度很低且变化较慢,与自然伽马一起作为非弹性伽马及俘获伽马的本底计数,（三）快中子的弹性散射及减速过程,1、快中子的弹性散射,中子与原子核发生碰撞前后,系统的总动能不变,中子所损失的能量全部转变为原子核的动能,而原子核仍处于基态,快中子经过非弹性散射后，降低了能量，没有足够的能量再发生非弹性散射时，它和原子
5、核碰撞时就只能发生弹性散射而继续减速,一次弹性散射，中子可能的最大能量损失为：,A：靶核的质量数，E0：入射中子的初始能量,氢核，A=1，中子与氢核发生正碰撞时，中子将失去的最大能量是全部动能,碳核,A=12，中子与碳核发生正碰撞时，中子可能损失的最大能量是0.284 E0,中子与靶核每次弹性碰撞时，平均能量损失为：,靶核质量数A越小，中子的能量损失越大,氢核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），而与碳核碰撞时，每次碰撞平均损失14%的能量。氢核对中子的减速能力最强。,2、快中子减速距离Le,减速距离Le:快中子由初始能量E0 减速到能量为En=0.025eV的热中
6、子,移动的直线距离R,（四）热中子扩散和被俘获,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域扩散，直至被介质的原子核俘获为止。,热中子:温度25时，能量为0.025eV，速度为2.2105cm/s,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，放出光子后回到基态，反应中放出的射线称为俘获射线,不同原子核俘获热中子放出的俘获射线能量不同,测量地层中俘获伽马总强度中子伽马测井,测量特定能量的俘获伽马俘获伽马能谱测井,3、宏观俘获截面及热中子寿命,宏观俘获截面a：1cm3的介质中所有原子核微观俘获截面的和,地层中常见核素的宏观俘获截面：,Cl H C O Mg Al S
7、i Ca B31.6 0.329 0.0045 0.0016 0.46 0.215 0.13 0.43 710,热中子的寿命：中子从变为热中子的瞬间起，到被吸收的时刻止，所经过的平均时间。,4、超热中子和热中子通量的空间分布,中子通量：每秒钟内通过1cm3岩石的中子数,中子探测器的计数率与中子通量成正比,超热中子的通量：,热中子的通量：,Le为快中子减速长度，Lt为热中子的扩散长度,De、Dt为快中子和热中子的扩散系数,5、(超)热中子计数率与源距、孔隙度关系,对孔隙度灵敏度为零的 L 称为零源距大于零源距，称为正源距小于零源距，称为负源距,（1）L 较小时，孔隙度（含氢量）越高计数率越高,（
8、2）L 较大时，孔隙度越高计数率越低,三、中子的探测,利用以上反应产生的或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,2 中子孔隙度测井,一、测量原理,2、用中子探测器探测热中子或超热中子,得到计数率,3、计数率的大小主要决定于地层的含氢量,4、在淡水石灰岩刻度井中建立计数率与孔隙度的转换关系,1、由中子源产生5MeV的快中子,5、用转换关系得到的孔隙度称为视石灰岩中子孔隙度,二、物质的含氢指数H,1.含氢指数H定义：,2.含氢指数H的表达式：,1cm3物质中的氢核数与1cm3淡水中氢核数的比值,1cm3物质中的氢核数：,x 每个分子中
9、的氢原子数K 待定系数,对于淡水：H=1，而x=2，M=18,因此物质的含氢指数可由下式确定：,代入得：H=kNa2/18=1，所以：kNa,3.油气的含氢指数,油气的分子式：CHx 分子量：12+x 密度：h,对于石油（CnHnx):密度00.25,如果0=0.85,H0=1.034,对于天然气（CH4)：,4.饱和淡水纯石灰岩的含氢指数：,孔隙度既是含氢指数,，对淡水石灰岩,中子测井仪在饱含淡水的纯石灰岩（孔隙度已知）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，常称中子孔隙度或视石灰岩中子孔隙度（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,5.与有效孔隙度无
10、关的含氢指数,（1）泥质：因含束缚水和结晶水，因而有很高的含氢指数。大小由泥质孔隙体积和粘土矿物成分决定,（2）石膏：,（3）岩性影响：仪器以纯石灰岩为标准刻度时 石灰岩骨架：H=0 砂岩骨架：H=-0.01-0.05 白云岩骨架：H=0.01 0.085,（4）气的影响（挖掘效应影响）,因中子测井的探测范围是冲洗带，所以当冲洗带有残余气时，对纯石灰岩，其含氢指数为：,测井时会出现：,N SXO=XO,当Hh=0,即把含天然气的孔隙体积当作石灰岩骨架处理时N还小于XO，说明天然气对快中子的减速能力比石灰岩骨架还差，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,应该：N SX
11、O(=XO),Hw=1,Hh0,N=V3 Hw=3,N V3 Hw=3,三、补偿（热中子）中子孔隙度测井(CNL),同位素中子源：产生5MeV快中子 近探测器（35 40cm）远探测器（50 60cm）,中子孔隙度,记录孔隙度曲线（视石灰岩孔隙度单位）,在石灰岩刻度井中获得远近探测器计数率比值与中子孔隙度的转换关系,计数率比值（克服俘获影响）,分辨率：长源距,长源距（38cm）探测深度为40cm,短源距（26cm）探测深度为30cm,探测深度随孔隙度增大而减小,仪器的探测特性,3 热中子寿命测井（NLL）,（自学）,一、基本原理,脉冲中子源:,发射14MeV的快中子脉冲,伽马能谱仪:,测量非弹
12、性散射伽马及俘获伽马能谱数据，处理后得到碳氧比或硅钙比等曲线,优点：计算含水饱和度与矿化度无关,缺点：测速非常低，仪器昂贵，探测深度浅,4 次生伽马能谱测井,BGO非弹性散射伽马能谱图（仪器谱）,1.C、O、Si、Ca的非弹性散射伽马能谱,BGO俘获伽马能谱图（仪器谱）,2.H、Si、Cl、Ca、Fe的俘获伽马能谱,二、次生伽马能谱的测量,阿特拉斯公司（与自然伽马能谱类似）,对给定的核素开设能窗,还原数据处理,记录Si计数率曲线（俘获），Si,Ca计数率比值曲线（俘获），Ca,Si计数率比值（非弹），C,O比计数率比值（非弹）,1.,2.斯伦贝谢公司（GST）,测量非弹性散射伽马及俘获伽马的仪
13、器谱,输出的各种比值曲线及其意义,四、次生伽马能谱测井的应用,非弹性模式：13 25cm俘获模式：20 30cm,探测深度：,1.COR(c/o)曲线的解释,建立经验公式,如大庆油田对锗谱仪建的砂岩公式,元素俘获(ECS)测井简介,1.仪器结构和测量原理:,AmBe中子源,发射5Mev的中子,锗酸铋 BGO闪烁晶体探测器(对高能的伽马光子探测效率高),记录非弹性散射伽马和俘获伽马能谱,解非弹性散射伽马谱,得到C,O,Si,Ca等元素的含量,解俘获伽马谱,得到Si,Ca,S,Fe,Ti,Gd等元素的含量,应用氧化物闭合模型技术得到矿物含量,由各种元素的丰度或浓度得到粘土矿物,石英,长石,云母及菱铁矿,黄铁矿的含量,地质依据：,1、地壳上有100多种元素，但前9中元素质量占全部元素质量的98.13%,只要精确测量到这些元素的含量，就完全能去确定地层的矿物含量,2、当矿物的化学成分稳定时，矿物中的元素的百分比基本保持不变,
