中子伽马测井原理
第四章核测井—中子测井
(四)热中子扩散与被俘获 形成热中子后, 中子不再减速, 热中子与周围介质的 原子核处于热平衡状态，热中子不停地运动着，中子与物 质的作用进入扩散与被俘获阶段。 1.热中子的扩散 热中子在介质中的扩散与气体分子的扩散相似，即从 热中子密度大的地方向密度小的地方扩散，一直到被原子 核俘获为止。 2.俘获核反应 靶核俘获一个热中子而变为处于激发态的复核，恢复到 基态时，以辐射射线方式释放能量，这种反应叫做辐射俘 获反应，或称（n,γ）反应。
由地层对中子减速和俘获的两个特性可知，中子- 伽马 射线强度决定于岩层的含氢量和含氯量，其中含氢量多少 反映岩层的孔隙度大小，含氯量反映地层水的矿化度高低。 这就是中子－伽马测井研究煤层特性的原理。
二、中子-伽马射线与源距的关系 由于计算公式较复杂，通常采用实验的办法来定量研 究，下面讨论不同源ห้องสมุดไป่ตู้的情况下，中子-伽马射线的特点。
(二)中子源 由于自由中子的平均寿命较短，自然界中往往不存在 自由中子 ,所以必须通过核反应获得中子。 比较简单的中子核反应有(α,n)、(d,n)、(p,n) 及(γ,n) 等。 1.中子源的主要性质 通常选用一些轻原子核作为靶核，这是因为带电粒 子轰击靶核要受到库仑力的排斥，它们与轻核反应时能 量不需要太高，较易实现。测井中所用的中子源常选用 9 3 4 Be和1 H作靶材料。 描述中子源主要特性除了本篇第三章第一节已讲的 活度、半衰期、能量外，还经常用到“产额”这个概念。 所谓产额，就是每个轰击粒子在靶上产生的中子数。
线称为次生活化伽马射线。 对测井有实际意义的活化核反应有硅化核反应和铝 化核反应，称为硅、铝测井, 用以识别岩性和测定泥质 含量。
(三)快中子的弹性散射和减速过程 1.快中子的弹性散射 快中子由中子源发射出来后，在与原子核发生1～2 次 非弹性散射中，很快就失去很大的能量而不能发生非弹 性碰撞和(n,p)核反应，这时中子与原子核的作用转入了 以弹性碰撞为主散射过程。
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。
测井基础概述(全文)
测井概述1、测井的概念：测井，也叫地球物理测井或矿场地球物理，简称测井，是利用岩层的电化学特性、导电特性、声学特性、放射性等地球物理特性，测量地球物理参数的方法，属于应用地球物理方法（包括重、磁、电、震、核）之一。
简而言之，测井就是测量地层岩石的物理参数，就如同用温度计测量温度是同样的道理；石油钻井时，在钻到设计井深深度后都必须进行测井，以获得各种石油地质及工程技术资料，作为完井和开发油田的原始资料。
这种测井习惯上称为裸眼测井。
而在油井下完套管后所进行的二系列测井，习惯上称为生产测井或开发测井。
其发展大体经历了模拟测井、数字测井、数控测井、成像测井四个阶段。
2、测井的原理任何物质组成的基本单位是分子或原子，原子又包括原子核和电子。
岩石可以导电的。
我们可以通过向地层发射电流来测量电阻率，通过向地层发射高能粒子轰击地层的原子来测量中子孔隙度和密度。
地层含有放射性物质，具有放射性（伽马）；地层作为一种介质，声波可以在其中传播，测量声波在地层里传播速度的快慢（声波时差）。
地层里的地层水里面含有离子，它们会和井眼中泥浆中的离子发生移动，形成电流，我们可以测量到电位的高低（自然电位）。
3、测井的方法1）电缆测井是用电缆将测井仪器下放至井底，再上提，上提的过程中进行测量记录。
常规的测井曲线有9条；2）随钻测井（LWD-log while drilling）是将测井仪器连接在钻具上，在钻井的过程中进行测井的方式。
边钻边测，为实时测井（realtime),井眼打好之后起钻进行测井为(tipe log)；4、测井的参数1.GR-自然伽马GR是测量地层里面的放射性含量，岩石里粘土含放射性物质最多。
通常，泥岩GR高，砂岩GR低。
2.SP-自然电位地层流体中除油气的地层水中的离子和井眼中泥浆的离子的浓度是不一样的，由于浓度差，高浓度的离子会向低浓度的离子发生转移，于是就形成电流。
自然电位就是测量电位的高低，以分辨砂岩还是泥岩。
中子测井原理及应用
授课人：李品 单位：武汉地大华睿地学技术有限责任公司
常规中子孔隙度测井
• 一、中子测井的一般原理
• 二、中子-中子测井
• 三、中子-伽玛测井
一、中子测井的一般原理
（一）弹性碰撞中的快中子能量损失
在实际的弹性散射过程中，中子与靶核并不总是正面碰撞，因此，每次碰撞 后，中子损失的能量并不相同，这与散射角有关。当快中子与原子核碰撞多次，使 中子能量降低为0.025ev时，这时的中子为热中子。中子变为热中子时，就像分子 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。 对于初始能量为2Mev的快中子，在不同元素中减速为热中子所需的评价碰撞次 数如下表所示
例如用补偿中子测井得出视石灰岩孔隙度14%，对于石灰岩即为
地层的真孔隙度；对于白云岩，地层的真孔隙度为7%；对于砂岩， 地层的真孔隙度为18%，如图2-20中标有的虚线所示。单独用中子 测井确定孔隙度时。。。！
2)中子-密度、中子-声波组合确定地层 孔隙度和判断岩性 图2-21是中子-密度测井确定岩性和孔 隙度的交会图。通过补偿密度测井和补偿 中子测井读数,在图中得出交会点,由交会点 的位置即可得出相应的岩性和孔隙度。
直接反映着孔隙度的大小，因此，中子-热中子测井读数同岩石的孔隙度之间
具有如下的关系：
lgN=−aφ +b
式中：N为热中子计数率
（2-26）
a为与井径、源距等有关的系数， b为仪器常数
二、中子-中子测井
（一）中子-中子测井原理
1、中子-热中子测井
利用式（2-26），可以在已知系数a和b的情况下，由中子 -热中子测井读数求得探测地层的孔隙度。但是，当含氢量一定 的岩石中还含有俘获能力很大的元素（如氯元素时），由于热 中子被强烈吸收，使热中子密度明显降低（见图2-13）.此时， 测井读数将不再是岩石含氢量的单衣反映，由此计算的岩石孔 隙度将产生较大的误差。
各条测井曲线的原理及应用
各条测井曲线的原理及应用引言测井是地质勘探中不可或缺的技术手段之一。
随着勘探深度的增加和技术的进步，测井曲线的种类也逐渐增多。
本文将介绍几种常见的测井曲线，包括电阻率曲线、自然伽马曲线、声波曲线和中子曲线的原理及应用。
1. 电阻率曲线电阻率曲线是测井中最常见的曲线之一，用于反映地层的电阻率特性。
在测井时，通过测量地层对射入电流的电阻来得到电阻率曲线。
电阻率曲线的应用包括：- 地层分类：根据电阻率曲线的特征，可以将地层分为不同类型，如油层、水层和盐层等。
- 识别流体类型：通过电阻率曲线的变化，可以判断地层中的流体类型，如水、油或气体等。
- 沉积环境分析：电阻率曲线对地层的沉积环境也有一定的指示作用，如高电阻率的地层可能是砂岩，低电阻率的地层可能是页岩等。
2. 自然伽马曲线自然伽马曲线是记录地层自然伽马辐射强度的曲线，用来确定地层的物理性质和放射性岩石的含量。
自然伽马曲线的应用包括： - 确定放射性岩层：通过自然伽马曲线的变化，可以定量地确定地层中放射性岩石的含量。
- 钻井定位：自然伽马曲线常用于钻井中的测井工作，通过分析伽马辐射来确定钻头所处的位置和地层的特征。
- 地层对比：自然伽马曲线可以用于地层的对比，从而帮助地质学家更好地理解地层的时空分布。
3. 声波曲线声波曲线记录了地层中声波的传播速度和衰减特性，用于刻画地层的物理性质和孔隙度。
声波曲线的应用包括： - 地层属性分析：通过分析声波曲线的特征，可以确定地层的孔隙度、渗透率和饱和度等物理属性。
- 油气识别：声波曲线可以帮助判断地层中的油气类型和含量，对于油气勘探具有重要意义。
- 工程设计：声波曲线在工程设计中也有一定的应用，如在隧道掘进中可以通过声波曲线判断地层的稳定性。
4. 中子曲线中子曲线是记录测井装置发射的中子数与到达探测器的中子数之比的曲线。
中子曲线的应用包括： - 流体识别：通过中子曲线可以识别地层中不同类型的流体，如水、油和气体等。
中子密度测井
快中子从发出到10-8~10-6秒内发生非弹性散射 在10-6~10-3秒发生弹性散射。
12
井壁中子测井
13
通过中子源发射快中子，照射地层减速形成热中子或者超热中子，中 子探测器探测热中子或者超热中子的密度。不同地层，减速能力不同， 计数率不同，以此来寻找储集层、确定孔隙度的一类测井方法，包括 热中子测井、补偿中子测井和超热中子测井（也称井壁中子），统称 中子孔隙度测井。
1）饱和淡水纯石灰岩的含H指数 H=Hma（1-por）+Hw*por 中子孔隙度测井在饱和淡水的纯石灰岩刻度井中进行含H指数刻度， 使它测量的含H指数即为饱和淡水纯石灰岩的por。 饱和淡水地层：砂岩： φN略小于φ；白云岩： ： φN略大于φ； 石灰岩： ： φN等φ；以上是骨架宏观减速能力不同造成（砂岩骨 架的宏观减速能力小于石灰岩，白云岩骨架的减速能力大于石灰 岩），这种差别是中子测井的岩性影响，也是识别岩性的依据。
15
2、孔隙度的影响 地层中所有核素中，H核减速能力远远超过其他核素。因此，地层减速能力取决于地层 总H含量，H主要存在于孔隙流体中，因此孔隙度增大，减速能力增强。 3、源距对计数率的影响 孔隙度、岩性不同，造成超热中子的空间分布不同。 孔隙度增大，减速长度越小，则在源附近的超热中子越多； 孔隙度越小，减速长度越大，则离源较远的空间超热中子越多。 探测器离源较近：孔隙度越大，计数率越高 探测器离源较远：孔隙度越大，计数率越低 探测器离源某一位置：计数率与孔隙度无关，对应零源距。实际应用的均为长源距中子 测井。 4、地层含H指数 氢是最重要的减速剂，因此，H含量的高低决定了地层的减速能力，实际应用含H指数 来反映地层中H元素的多少。根据规定，淡水含H指数为1，而任何其他物质的含H指数 将与其单位体16积内的H核素成正比。
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。
中子伽马测井原理
中子伽马测井热中子继续在地层中扩散并不断被吸收。
有些核素能俘获热中子并放出伽马射线。
在核物理中把这一过程称为辐射俘获核反应而由这一核反应产生的伽马射线称为俘获辐射。
在测井中习惯上把这一反应称为中子伽马核反应产生的射线为中子伽马射线。
用同位素中子源发射的快中子连续照射井剖面在仪器中离源一定的地方装一伽马射线探测器连续记录地层发射的中子伽马射线。
这就是中子伽马测井。
中子伽马测井值主要反映地层的含氢量同时又与含氯量有关。
1. 中子伽马测井原理 1 中子伽马射线热中子通量在地层中的分布主要是由地层的减速性质含氢量决定的但在以后产生中子伽马射线的γ核反应却与氢及其它几种核素都有关系。
氢核俘获一个热中子生成氘核并放出一个能量为2.23MeV的伽马光子其反应截面为.33巴。
核反应方程为111→12γEγ2.23MeV 氯产生γ反应的截面是34巴有些资料给出的数据为31.6巴且每俘获一个热中子平均发射3.1个伽马光子其中部分伽马射线的能量可达7.79和8.6MeV可获得较高的计数效率其核反应方程为131→13γ 沉积岩骨架矿物中有硅和钙的γ反应也比较重要。
2 中子伽马射线的空间分布用理论方法研究同位素快中子源在地层中造成的中子伽马射线的空间分布是非常复杂的虽然也有人做了一些推导和计算但最终也只能定性地说明一些问题。
对测井工作来说定量是通过实验进行的。
更直观的方法还是通过实验做出计数率与源距的关系曲线。
1 随源距L增大Jγ按指数迅速降低。
且当L100厘米时中子伽马计数率已很低此时的读数基本只反映背景值。
2 当L35厘米时含氢指数不同的地层有大致相同的中子伽马计数率测井值。
此时测井的读数与含氢指数无关但是能反映地层水矿化度NaCl含量的变化。
3 L35厘米时致密地层比孔隙性地层中子伽马读数低而当L35厘米后含氢量少的地层中子伽马测井计数率高。
4当源距选定后盐水的中子伽马测井计数率高于淡水。
中子伽马测井的源距一般都通过实验选定源距太小受井的影响大对地层含氢量的变化不灵敏源距太大则计数率太低涨落误差大。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
中子伽马测井
热中子继续在地层中扩散，并不断被吸收。
有些核素能俘获热中子，并放出伽马射线。
在核物理中把这一过程称为辐射俘获核反应，而由这一核反应产生的伽马射线称为俘获辐射。
在测井中，习惯上把这一反应称为中子伽马核反应，产生的射线为中子伽马射线。
用同位素中子源发射的快中子连续照射井剖面，在仪器中离源一定的地方装一伽马射线探测器，连续记录地层发射的中子伽马射线。
这就是中子伽马测井。
中子伽马测井值主要反映地层的含氢量，同时又与含氯量有关。
1. 中子伽马测井原理
1)中子伽马射线
热中子通量在地层中的分布主要是由地层的减速性质(含氢量)决定的，但在以后产生中子伽马射线的(ｎ，γ)核反应却与氢及其它几种核素都有关系。
氢核俘获一个热中子生成氘核，并放出一个能量为2.23MeV的伽马光子，其反应截面为０.33巴。
核反应方程为
Ｈ1＋０ｎ1→1Ｈ2＋γ(Eγ＝2.23MeV)
1
氯产生(ｎ，γ）反应的截面是34巴(有些资料给出的数据为31.6巴)，且每俘获一个热中子平均发射3.1个伽马光子，其中部分伽马射线的能量可达7.79和8.6MeV，可获得较高的计数效率，其核反应方程为
Ｃｌ3５＋０ｎ1→1７Ｃｌ3６＋γ
1７
沉积岩骨架矿物中有硅和钙的(ｎ，γ)反应也比较重要。
2) 中子伽马射线的空间分布
用理论方法研究同位素快中子源在地层中造成的中子伽马射线的空间分布是非常复杂的，虽然也有人做了一些推导和计算，但最终也只能定性地说明一些问题。
对测井工作来说，定量是通过实验进行的。
更直观的方法还是通过实验做出计数率与源距的关系曲线。
(1) 随源距L增大，Jｎγ按指数迅速降低。
且当L＞100厘米时，中子伽马计数率已很低，此时的读数基本只反映背景值。
(2) 当L=35厘米时，含氢指数不同的地层有大致相同的中子伽马计数率(测井值)。
此时，测井的读数与含氢指数无关，但是能反映地层水矿化度(NaCl含量)的变化。
(3) L＜35厘米时，致密地层比孔隙性地层中子伽马读数低；而当L＞35厘米后，含氢量少的地层中子伽马测井计数率高。
(4)当源距选定后盐水的中子伽马测井计数率高于淡水。
中子伽马测井的源距一般都通过实验选定，源距太小受井的影响大，对地层含氢量的变化不灵敏；源距太大则计数率太低，涨落误差大。
一般在45-65厘米之间选定。
中子伽马的探测深度比超热中子及热中子测井都大些。
中子伽马测井仪器同样应在标准刻度井上定期进行标定，使测得的结果标准化。
2. 中子伽马测井的应用
1) 划分地质剖面
(1) 砂泥岩剖面
在砂泥岩剖面中，中子伽马测井曲线能清楚地把砂岩层与泥岩区别开，砂岩的读数高、泥岩的读数低。
砂岩的读数随孔隙度增大(孔隙中为油或水)和泥质含量增高而降低。
通常，中子伽马曲线与自然伽马曲线配合能有效地识别岩性。
(2) 碳酸盐岩剖面
致密的石灰岩或白云岩显示为高读数，泥岩、泥灰岩显示为低读数。
石灰岩、白云岩的孔隙度(孔隙中为油或水)越大、或含泥质越高读数越低。
在大段致密石灰岩中，低自然伽马和低中子伽马，往往是孔隙裂缝带的特征。
(3) 膏盐剖面
当井剖面中有石膏、岩盐等化学岩时，放射性测井资料特别重要。
因对这些地层，电测井曲线一般显示不好。
硬石膏在中子伽马曲线上是高读数；石膏因含氢指数为0.49故显示为低读数。
钾盐和岩盐本来应该有很高的中子伽马读数，但往往由于井径扩大而形成较低的读数。
在含有多种化学岩的复杂剖面中，电测曲线很难把剖面划分开，而用放射性曲线则能可靠地区分岩性，并划分出储集岩。
例如在大段致密灰岩中，如夹有泥质灰岩、孔隙裂缝带和石膏层，则用下列步骤可以把它们区分开来。
①用中子伽马测井的低读数将上面所说的三种层段与呈明显高读数的致密灰岩区分开。
②用自然伽马的高读数将上述三种层段中的泥岩划分出来。
③用密度测井和中子伽马测井将石膏和灰岩孔隙带区分开。
若含氢指数相同，灰岩孔隙带的密度要比石膏低得多。
石膏的含氢指数为０.49，即与孔隙度为49%的灰岩含水层相同。
但灰岩如果有这样大的孔隙度，则其密度只有1.86克/厘米3 。
通常灰岩的孔隙度是比较小的，中子测井读数较高。
根据中子伽马的低值和自然伽马的高值，能很容易地把三个泥岩层分出来。
而灰岩在曲线上的显示与泥岩相反，中子伽马为高值。
自然伽马计数率为低值。
含有泥质的砂岩在曲线上的显示居于泥岩与灰岩之间。
2) 寻找气层和划分气水界面
当泥浆滤液侵入不深时，在中子伽马探测范围内尚有天然气存在于孔隙中。
这种地层含氢指数低(与孔隙中含水或油相比)，对快中子的减速能力差，对伽马射线的吸收能力也差，故有较多的中子或伽马射线能到达探测器，中子和中子伽马计数率都很高。
当泥浆侵入地层较深时，中子伽马探测范围内(50-60厘米深)的天然气全被泥浆滤液推走气层的特征在中子伽马曲线上就难以显示出来。
但固井后，天然气又逐步把泥浆滤液排开，恢复了气层的特点。
所以，对比不同时间测得的中子伽马曲线是寻找气层的好方法。
一般在固井后相隔一周测得两条中子伽马曲线就可看出由泥浆侵入和天然气反推造成的差别。
在判断气层中，应结合其它测井资料，辨别中子伽马读数的变化是由岩性变化引起的还是由地层含气引起的。
若有声波测井曲线，可根据气层出现的周波跳跃现象，与中子伽马的气层特征结合，更准确地判定气层。
3) 划分油水界面
当地层的岩性、孔隙度比较稳定，地层水矿化度高(NaCl含量大于150克/升)，且侵入不深时，用中子伽马测井有可能识别油水界面。
当然在裸眼井中，用电测井来解决这一问题更为方便，但在下套管后要观察管外液面的变化就得求助于放射性测井。
油层和水层相比,若岩石的骨架成分相同，则其差别是由于油和水的核素成分不同造成的。
原油和淡水的含氢量几乎相等，而碳和氧的含量有很大差别。
但当使用同位素中子源时，快中子的能量不很大，碳和氧的中子特性对岩石的宏观中子特性影响甚微。
这是因为：①岩石对快中子的减速能力主要是由含氢量决定的。
②碳和氧对热中子的俘获截面小，分别为０．００45巴和<０．0００2巴(而氢的热中子俘获截面为０.33巴)，所以它们对热中子的吸收和(ｎ，γ)反应都是可以忽略的。
因而，用同位素中子源的测井方法不能区分孔隙地层是含油还是淡水层。
井壁(超热)中子测井、补偿(热)中子测井、中子伽马测井的基本特征是相同的，主要反映地层的含氢量。
但当地层中含氯量增加时，井壁中子受影响最小，热中子测井计数率会略有降低，而中子伽马计数率会增高。