第四章快中子非弹性散射能谱碳氧比测井
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。
测井基础
第四章/、放射性测井第一节 放射性测井核物理基础1、康普顿效应： 伽马射线通过物质时，康普顿散射会导致伽马射线强度减弱，其减弱常以散射吸收系数 表示： ---------为一个电子的康普顿散射截面 ---------为阿伏加德罗常数2、中子源分类：同位素中子源（连续性中子源，放射性中子源）、加速器中子源（脉冲中子源）3、中子与物质的作用：a 、非弹性散射（碳氧比能谱测井就是测量这种非弹性散射伽马射线。
） b 、弹性散射（氢是所有元素中最强的中子减速剂） c 、辐射俘获（氯比沉积岩中一般元素的俘获截面大得多即俘获能力最强）4、伽马射线探测器：放电计数管、闪烁计数器（既能探测粒子的强度，又能探测其能量）第二节 自然伽马测井（GR ）1、 按放射性浓度高低可将沉积岩分为以下几类：(1) 放射性高的岩石：粘土岩及钾岩等。
(2) 放射性中等的岩石：泥质砂岩、泥质碳酸盐等。
(3) 放射性低的岩石：石膏、硬石膏、盐岩、纯的石灰岩、白云岩和石英砂岩等。
2、沉积岩的自然放射性一般有以下变化规律：(1) 随泥质含量的增加而增加；(2) 随有机物含量的增加而增加,如沥青质泥岩的放射性很高；(3) 随着钾盐和某些放射性矿物的增加而增加。
3、自然伽马测井原理：自然伽马射线由岩层穿过泥浆、仪器外壳进入探测器，探测器将射线转化为电脉冲信号，经放大器把电脉冲放大后由电缆送到地面仪器进行记录。
4、自然伽马测井应用：① 划分岩性和储集层：随泥质含量的增加而GR 值升高纯白云岩、石灰岩（碳酸盐岩）、岩盐、石膏层（膏岩）、纯砂岩的GR 值最低，粘土 岩、泥岩和页岩的GR 值最高② 地层对比：自然伽马地层对比具有以下优点✧ GR 与地层流体性质（油、水或气）无关，储层含油、含水或含气对GR 曲线影响不大，但用自然电位和电阻率进行对比，同一储层由于含流体性质不同二曲线差别很大。
✧ GR 与地层水和泥浆矿化度无关，其幅度主要决定于地层中的放射性物质。
碳氧比能谱测井技术与应用
碳氧比能谱测井技术与应用【摘要】本文简单介绍了碳氧比能谱测井的测量原理、技术特点、主要用途和操作步骤。
同时针对碳氧比测井资料在现河的应用进行了分析，阐述了应用碳氧比测井资料解决油藏的剩余油分布问题。
【关键词】饱和度；剩余油0.引言现河辖区包括两带、一洼、一地区，发现了馆陶-奥陶等8套含油层系。
已投入开发现河庄等六个油田。
探区构造复杂，油藏类型多样，是集“小断块、薄油层、窄条带、深埋藏、低渗透、稠油”于一体的复式油气集聚区。
进入“十五”以来，油田进入高含水开发期，普遍存在着平面及纵向剩余油分布不清、含水分布不清等主要问题。
因此，寻找剩余油分布，预测产层能力和寻找新的潜力层成为主要的挖潜方向。
1.碳氧比能谱测井技术概述碳氧比测井技术引入了快中子非弹性散射理论，解决了低矿化度地层水条件下测量的问题，但是孔隙度对碳氧比能谱测量影响巨大。
理论研究表明，只有在地层孔隙度大于15%的条件下，碳氧比测井可以获得较可靠的结果，可以根据C/O值确定含油饱和度，区分开油层、水层。
2.碳氧比能谱测井技术原理及特点2.1测量原理能量为14.1MeV的快中子轰击地层，与地层中的各种元素发生非弹性散射后减速，受轰击的原子核处于激发态，之后放出具有一定能量的伽马射线。
因此分析所测得的能量与伽马射线计数率组成的光谱即可确定地层所含元素的种类和数量。
因为原油中含有大量的C元素，水中含有大量的O元素，若测量出相应的元素的非弹性散射伽马射线的强度（计数率），即可确定出地层中碳和氧的含量，从而可导出油和水含量（饱和度）。
因为C/O比能谱测井是快中子非弹性散射基础之上建立的，所以其不受氯离子即矿化度的影响，由于伽马射线穿透能力很强，因此既可在裸眼井中测量，又可在套管井中测量。
2.2主要技术指标⑴探测器类型：NaI。
⑵耐压：70MPa。
⑶耐温：125℃。
⑷尺寸：Φ91×6000mm。
⑸测速：54m/h。
⑹在125℃环境条件下连续工作4小时以上。
碳氧比测井资料应用
SNP碳氧比测井资料的应用情况分析
羊4-21井是1993年羊三木油田8井
区的一口生产井。该井于2009年2
月进行了SNP碳氧比能谱测井，通 过碳氧比处理解释1、2、5号层解 释为水淹层。该井测井前1、2、5 合采日油2.72吨，水143.51方，含 水达98%，测井后调整生产层位， 2009年4月对1、2号层合采，日产
该快中子与地层物质的原子核将发生非弹性散射、弹性散射和辐射俘获及活化反 应，并且伴随会产生能表征元素类别和丰度的不同强度和能量的伽玛射线。这些
伽玛射线为光子探测器所接收后，仪器将记录和分析以下三种谱：即非弹性散射、
辐射俘获伽玛射线两种能量谱和伽玛射线的到达时间谱。并根据不同核素诱发伽 玛射线有不同能量的特征峰选择合适的“能窗”预以检测和记录，碳氧比能谱测 井主要选择碳元素、氧元素作为油和水的指示元素，硅元素和钙元素作为岩性的 指示元素。因为油中主要含碳,水中主要含氧,通过碳氧比测井可以求出地层中碳 氧相对含量比例,可以在已经下了套管的井中发现遗漏的油气层,在已采油的油井 中确定油层的剩余饱和度等。
SNP(HPT)
符号 曲线名 俘获总计数与非弹性反射 总计数比 元素名 地层响应 与电性曲线具有相关性
NCNI
Si+Ca C+O
CO
SICA HSC
非弹性碳氧比
俘获硅钙比 俘获氢比硅加钙
C
Si
O
Ca
用来计算含水饱和度
岩性指示
H/(Si+Ca) 反映孔隙度
一、碳氧比能谱测井技术简介 二、SNP碳氧比测井资料的适应性分析 三、SNP碳氧比测井资料的应用情况分析 四、SNP碳氧比测井解释标准的建立 五、认识与总结
3.67
51 230 0.34 1.85
第四章核测井-中子测井1
2.斯伦贝谢公司（GST）
输出的各种比值曲线及其意义
比值
测量性质
参数名称
符号 其它意义
C/O
非弹性射散射
指示油气
COR Φ ,岩性
Cl/H
俘获
指示含盐量比值 SIR Φ、Sw Vsh
H/(Si+Ca) 俘获
指示孔隙度比值 PIR 岩性， Φ
Fe/(Si+Ca) Si/ (Si+Ca)
俘获
指示铁含量比值 IIR
俘获及非弹性射散 指示岩性的比值 LIR 射
Vsh、获及非弹性射散 指示硬石膏含量 AIR
射
的比值
岩性
元素俘获ECS测井简介
(ECS:Elemental Capture Spectroscopy )
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（占15%）谱,得到 C,O,Si,Ca,Fe等元素的含量 解俘获伽马（占85%）谱,得到 H,Cl,Si,Ca,S,Fe,Ti,Gd,K等元素的含量
H K Na x
M
1 cm3物质中的氢原子核数
H K Na x
M
式中： x ——每个分子中的氢原子数 K ——待定系数
淡水：H=1，x=2，＝１，M=18， 代入得：H=kNa2/18=1，kNa＝９
H 9x
M
3.油气的含氢指数
油气的分子式为：CHx 分子量为：12+x 密度为：h
中子寿命测井：发射快中子，测量俘获伽马 计数率
三、中子的探测
5 B10 0 n1 3 Li7 α 2.792MeV 3 Li6 0 n1 1 H3 α 4.780MeV
碳氧比测井
2. c/o测井核物理基础
c/o测井的定义:
碳氧比测井是利用脉冲中子源向地层发射能量 为14MeV的高能快中子脉冲,分别测量地层中原子 核与快中子发生非弹性散射时放出的伽马射线,以 及原子核俘获热中子时放出的伽马射线,不同的原 子核产生的非弹性散射伽马射线和俘获伽马射线 的能量不同,记录这些不同能量的非弹性散射伽马 射线和俘获伽马射线,就可以分析地层中的各种元 素及其含量.
在应用地球物理中，所用的加速器中子源是脉冲 中子源 所谓脉冲中子源用直流电压，被加速粒子的能 量在50Mev以下。它们大都加速氘粒子，用（d， n）反应获得中子，中子的能量是单色的，其中子 强度可高达10 /秒。 氘核引起的反应都是放能反应，因此可用低能 加速器工作，选用氢的同位素做靶材料易实现 （d,n）反应，（d,n）反应有两种： 氘—氘反应 氘—氚反应
Am z
X A zX
应用：中子与靶核发生非弹性散射，使靶核处于 激发态，在退激时要发出γ射线。 由于这些γ射线的能量反映靶核的能级特性。 而靶核能级又决定靶核的性质，这些γ射线叫做特 征γ射线。特征γ射线与靶核的性质有关。 利用特征γ射线可以研究核的能级结构。反过 来，若已知核素的特征γ射线能量，就可以利用中 子非弹性后靶核发出的γ射线分析靶物质中所含的 核素的多少（元素）。
主要内容
1. 2. 3. 4. 5. 6.
c/o测井简介 碳氧比测井核物理基础 c/o测井原理 碳氧比测井仪器简介 解释及应用 新技术及发展
1. c/o测井是用来做什么的
主要用于: c/o测井是套管井评价地层岩性,含油性和孔 隙度的新方法,可以在套管井中较好的划分 油层和水层 可以过套管确定油层的剩余油饱和度 评价水淹层 复查老井,寻找被遗漏的油层 在注水开发过程中监视油水运动状态
碳氧比能谱测井的基本原理
1 碳氧比能谱测井的基本原理碳氧比能谱测井的基本原理是：向地层发射快中子（14MeV），同时记录分析快中子与地层中元素发生非弹性散射作用而产生的γ射线能谱。
碳氧等多种元素受快中子非弹性散射作用后，将以发射γ射线的形式使自己的能级退降到原来的稳态。
因为每种元素发射的γ射线的能量不同，我们可以根据接收到的γ射线的能量，来确定某种元素的存在，此能量的γ射线称为该元素的特征γ射线。
如：n + 12C →12C★ + n，∣→12C + γ（4.43MeV）n + 16O →16O★ + n，∣→12O + γ（6.13MeV）碳的特征γ射线能量是4.43MeV，氧的特征γ射线能量是6.13MeV，如此的能量差别很容易将两种γ射线区分开来。
其它元素如硅、钙、氮等受快中子非弹性散射作用也将发射γ射线，但它们或是特征γ射线能量与碳、氧的不同，或是反应几率小，或是地层中含量少，所以分析非弹性散射γ射线的能谱，便可以知道碳、氧两种元素的相对含量，而得到C/O值，油中含碳不含氧，水中含氧不含碳，这样由C/O值的高低可以推知含油饱和度的大小。
2 仪器介绍2.1仪器简介碳氧比能谱测井方法是上个世纪五十年代在世界兴起的一种脉冲中子测井方法。
在我国，以大庆为代表的测井工作者从六十年代开始进行了该方法的研究，经过数十年的不懈努力，刻苦攻关，获得了一大批技术成果，碳氧比能谱测井仪不断得到改进和发展。
大庆测井公司自成立以来，先后研制了NP系列碳氧比能谱测井仪，COR型高精度碳氧比能谱测井仪，COR-D双源距碳氧比能谱测井仪，伴随粒子碳氧比能谱测井仪和小直径碳氧比能谱测井仪。
仪器经历了由点测到连续测量；由耐低温到耐高温；由模拟电路到数字电路；由单晶到双晶的不断发展和完善过程。
仪器实现了系列化、标准化。
碳氧比能谱测井仪是我公司比较重要的拳头产品之一。
特别是COR型高精度碳氧比能谱测井仪，仪器具有较强的工作稳定性和较高的探测精度，具有国内领先水平。
地球物理测井碳氧比测井
了解”中子”
原子核由质子和中子构成。由于中子不 带电荷，因此没有库仑势垒，易与原子核 发生核反应，这就使中子成为研究原子核 结构和性质的有力工具。 在应用地球物理中，中子与物质相互作 用的性质成为研究地层、岩性、矿物成分 的有效手段。
中子的基本性质
1.由于中子不带电荷，它与电子相互作用时，不能使物质电 离，因此中子在物质中的穿透力很强。 2.它与核相互作用时，不用克服库仑势垒，易接进原子核发 生核反应。其反应截面与原子序数无关，仅与质量数有关。 3. 质量:
碳氧比能谱测井的影响因素
碳氧比能谱测井需要考虑到一些影响因素,它同其 他的测井方法一样,也要考虑到具体的测井环境
(1) 孔隙度的影响
(2) 岩性的影响
(3) 矿化度的影响
(4) 油的密度的影响
(5) 井眼条件的影响
(1) 孔隙度的影响
碳氧比值是地层介质中碳元素的响应，当岩性不 变，地层孔隙度由小变大时，纯油砂岩或纯油石 灰岩的碳氧比值都相应地增大。碳氧比曲线只反 映地层含油量的多少，要确定含油饱和度，就要 考虑孔隙度的大小。孔隙度越大，碳氧比求得的 含油饱和度结果的可信度就越高。一般地: 当孔隙度大于12％时，用碳氧比能基本确定含 油饱和度； 当孔隙度小于12％时，定量解释有误差，只能 定性判断油水层。
在地球物理测井，地层经中子非弹性散射 后，地层中的一些核素就会发出特征γ射线， 测量γ射线的能谱，进行能谱分析，就可以得 出地层中元素的含量，或含量比，从而达到 划分地层的目的。 例如，不同地层中各元素的含量是各不相 同的，测量地层碳、氧元素的比例大小，就 可以划分地层是油层还是水，因油层与水层 的碳元素与氧元素的比例是不同的。
M n 1.008665 1.674950 10 27 Kg 939.5492Mev
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第4.1节 中子的性质
在核测井中，为研究地层的物质成 分、物质结构和物理性质，中子是一种 十分有效的工具。
4.4.1 中子的基本性质
1 中子的电荷
中子是不带电的中性粒子。由于中 子不带电，与物质作用时，其一：是中 子与电子作用，由于没有库仑力的作用，
只是表现为相互碰撞。但电子的质量比 中子质量小得多，因而，即使两者发生 碰撞，也改变不了中子的运动方向和运 动速度，同时电子也不能从中子那里获 得能量，中子与电子碰撞结果并不能改 变双方的运动状态，我们也无法观察出 这种作用，可以认为中子和电子之间没 有明显的相互作用。
因此，从这种意义上说，热中子是 中子速度（能量）分布近似服从麦克斯 韦分布的中子群的总称。
麦克斯韦分布：
表示单位速度间隔内，速度为v
的中子数目的
n
分布函数。k为玻尔兹曼常数，
k 1.38066 1023 J K 1 0.8637 104 ev K 1
这个分布的极值，所对应的中子能量为：
一般用En EkTn代表kT热中子的能量。
2、 中能中子
En满足：1Kev＜En＜500Kev， 这类中子与核作用主要是弹性散射。
3、 快中子
En满足：0.5Mev＜En＜10Mev，
这类中子主要是弹性散射、非弹性散射
4、 特快中子：
En满足：10Mev En 50Mev,
这类中子与核作用主要是弹性散射 和非弹性散射，还可以发生放出两种或 两种以上粒子的核反应。
当t 200C时，T 273 20 2930K 热中子的能量为En 0.025ev,我们平时 所说的热中子能量就是指这个能量值.
(2) 超热中子
中子尚未与周围介质完全达到热平 衡。这种能量稍高于热中子能量的中子 称为超热中子。能量约为：0.5～1ev.
能量在1ev~1Kev之间的中子和原子 核作用时，可发生强烈共振吸收，因此 称为共振中子。
第四章快中子非弹性散射γ能谱碳氧比测井
快中子非弹性散射γ能谱碳氧比（简 称C/O比）测井，是应用于低矿化度（或 未知矿化度）、高孔隙度地层中，在未射 孔的套管井内探测油层、水层、水淹层， 定量确定含油饱和度，划分水淹油层等级 及区别岩性的一种脉冲中子测井新技术。 该测井技术在水驱油田开发测井中，具有 特殊的重要性。在讲述这种方法之前，必 须先讲一下中子、中子源和中子核反应。
中子的速度为vn (cm / s)；与动能En (ev)对应的
温度为T (0K ),则 : n (cm) 2.86 109 En
vn (cm / s) 1.38 106 En T (0K ) 1.16 104 En
只有中子的动能大大小于自身的能量， 即E《n 939.5Mev时，上面的三个式子成立。
（2）核转变—核反应：出射粒子核入射 粒子不同的反应称为核转变，往往就称 为核反应。
按入射粒子类型分类
（1）中子核反应：
(n, n)、(n, n' )、(n, )、(n, p)、(n,)
（2）带电粒子核反应 ①质子引起的核反应：( p, n)、( p, )、( p,)等
②氘核引起的核反应：(d, n)、(d, p)等
1919年卢瑟福在研究α粒子的性质 时，发现了第一个核反应：
4 2
He174N
187O1H
1、 核反的一般表示方法：
A(靶核）（入射粒子） B（余核） b（出射粒子）
生成核
简写： A(a,b)B
当入射粒子能量Ea较高时 A(a，b1、b2、b3 )B
2、 核反应的分类
按出射粒子分类： （1）核散射： 出射粒子与入射粒子相 同，余核与靶核也相同，这样的反应称 为核散射。
5、 中子的磁矩
中子虽然不带电。但它却有一定的磁 矩，这正说明中子有相当复杂的内部结 构。人们认为中子是由一个带正电的核 和核外带负电的π介子云组成的。中子的
磁矩为： n 1.91316 N
式中 N 为核磁子。
符号表示磁矩的方向和自旋角动量的方向相反。
6、 中子的波动性
设中子的波长为n (cm);中子的动能为En (ev)；
中子的静止质量大于质子和电子的静 止质量之和。因而，中子是不稳定的，会 自发地发生β¯衰变：
n p v Q
Q 782 13Kev
中子的半衰期为： T1/ 2 11.7 0.3分
4、 中子的自旋
无论是自由中子还是原子核的束缚 中子，都存在着自旋运动，它们的自旋 量子数I=1/2（单位为ħ=ħ/2π,h为谱朗克 常数）。中子的自旋犹如原子核的自旋 运动一样，不能简单地理解为一个质点 绕子身轴的转动，因为中子有其复杂的 结构。
只有
以上才要考虑相对讨论效应，称相 对论中子。
第4.2节 中子源
4.2.1 原子核反应
由于自由中子不能存在持久，因 而中子是由不断核反应产生，这样， 有必要先讲一下核反应。 核反应—两个原子核或一个原子核与一 个粒子接近到间距为1015 m量级时，两者 间的相互作用所引起的各种变化过程称 为核反应。
其二:中子和原子核的相互作用，这 是中子与物质相互作用的主要表现形式。
中子与原子核的作用也不是库仑力的作 用，而是中子与原子核的碰撞和复合。
2、 中子的质量 中子的质量可由实验来确定，静止
质量为
mn 1.008665u 1.67495431027 kg 939.5731Mev c2
3 、中子的寿命
4.1.2中子按能量分类
根据中子动能的大小，可将中子分为如 下几类（详见表4.1）
1、 慢中子
慢中子包括：冷中子、热中子、超热中 子、共振中子。在核测井中，常要测量 的是热中子和超热中子。（如中子孔隙 度测井，补偿中子测井）。
（1）热中子
当快中子慢化而达到与周围介质原 子处于热平衡状态的中子，称为热中子。
①核弹性散射：散射前后核和粒子 （系统）的总动能不变的这种散射。原 子核内部的能量不发生变化，表示为：
A a A a或A(a, a)A
②核非弹性散射:散射后的原子核处于 激发态，从而使散射后的总动能减少，处 于激发态的余核放射γ射线回到基态，这 种散射为非弹性散射。
A a A* a'或A(a, a' )A*
③ 粒子引起的核反应：(, n)、(, p)等
④重离子引起的核反应：