中子测井原理及应用

常规中子孔隙度测井
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。
二、中子-中子测井
（一）中子-中子测井原理
中子-中子测井包括两种方法，一种是记录探测器周围热中子密度的中子-热中子测井； 另一种是记录探测器周围超热中子密度的中子-超热中子密度的中子-超热中子测井。 1、中子-热中子测井 由上节分析可知，由中资源发出的快中子在周围介质中减速成热中子，一直到被俘获 之前，离中子源一定距离的探测器周围，热中子的密度取决于两个因素，即介质对中子的 减速特性和俘获特性。 假定介质的俘获能力一定，即在不含有强俘获能力的元素时，介质的减速能力越大，
1)确定地层孔隙度 中子测井仪是用石灰岩进行刻度的。对石灰岩地层，中子测井的 读数即为地层的真孔隙度。 但对于其他岩性，就要进行岩性校正。图2-20是由图2-18转换而 来的，图中标出了不同岩性的曲线，实线为井壁中子，虚线为补偿 中子，由图中可以看出，对于石灰岩，井壁中子和补偿中子是同一 条线，而且是直线，即中子测井得出的视石灰岩孔隙度即为地层的 真孔隙度。
三、中子-伽马测井
（二）中子-伽马测井缺点分析
但是，对相同含氢量的岩石而言，如果含氯量不同时，在含氯量高的岩石中
，无论采用的源距如何，测得的中子-伽马射线强度均有所增高。这是因为氯元素
俘获热中子之后放出的伽马射线能量较高，且数量较多(能放出三个伽马量子，而 一般元素俘获热中子后仅放出一个伽马量子)的缘故。从这一点看出，氯元素对中 子-伽马测井结果的影响，正好与氯对热中子测井的影响相反。
下，超热中子测量结果同热中子测量结果相似，即测得的计数率越低，表明一起周围介质的含氢量越高。 采用一种专门的超热中子探测器可以记录超热中子。这种探测器可由热中子计数管在其外壁上加一层石蜡和 一层镉构成。镉的作用是吸收周围的热中子，只让超热中子通过，并使之进入石蜡层。然后再经石蜡减速成热中 子，便可被热中子计数管记录。 为了减小井孔的影响，目前超热中子测井普遍采用贴井壁方式进行测量，称为“井壁超热中子测井”或“井壁 中子测井”。同样以石灰岩孔隙度进行记录。
岩石中主要元素的俘获截面如表2-6所示
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。该射线称为俘获伽马射线，或次生伽马射线。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 要比一般元素高一些，且伽马射线的数目也相对多些。因此，当岩石中有氯元素存在时，测 得的热中子数讲显著减少，但测得的俘获伽马射线却又会普遍提高。
二、中子-中子测井
（一）中子-中子测井原理
二、中子-中子测井
★ 视石灰岩孔隙度单位
实际的补偿中子测井是利用计算装置计算长、短源 距计数率的比值，并将它直接换算成孔隙度单位进行记 录的。为此，补偿中子测井仪通常都在刻度井内已知孔 隙度的纯石灰岩地层上进行刻度，由此获得的孔隙度单 位称为“石灰岩孔隙度”。显然，它在纯石灰岩地层上
三、中子-伽马测井
（一）中子-伽马测井原理
这种方法在于测量岩石中元素原子核俘获热中子之后所放出的俘获伽马射线的强度。这一强度 与两个因素有关，即岩石对中子的减速能力和对热中子的俘获能力。在沉积岩的元素中，对这两种 特性起决定作用的是氢和氯，因此，中子伽马测井结果主要与岩石中的含氢量和含氯量有关。 当岩石中不含有俘获能力较强的元素时，中子-伽马射线的空间分布基本上取决于热中子的分布 ，如图2-14中的曲线1，2，3所示。即当岩石的含氢量一定时，中子-伽射线强度随源距的增加而迅 速减小；在源距较大(大于50厘米)时，含氢量越高的地层，测得的中子-伽马射线强度越低。 实际测井时，一般选用的源距大于50厘米。实验证明，随着岩石含氢的增高，测得的中子-伽马 射线强度也具有按指数下降的规律。因此，也可用中子-伽马测井来确定岩石的孔隙度。
第二节 超热中子测井的应用
热中子测井的主要用途是测定地层的孔度、确定油气接触面以及与其它孔 隙度测井方法组合判定地层的岩性。 这一方法的物理基础，决定了它的优点和和缺点。其优点是测量结果只与 周围介质的减速特性有关，与地层含氢量的关系比较筒单，突出了对含氢数 的识别能力而受地层中热中子吸收剂尤其是含氯量的影响较小。其缺点是对
快中子变为热中子所经历的路程便越短。于是，热中子将主要分布在中子源附近，而在离
源较远的地方，热中子数目相对减少。由于沉积岩中氢元素的减速能力最强，因此，在含 氢量大的岩石中，热中子的空间分布范围较小。
二、中子-中子测井
（一）中子-中子测井原理
1、中子-热中子测井
根据理论可以计算，中子源周围的热中子密度与距中子源的距离r具有如 图2-13所示的关系 实际测井时，为了提高仪器的探测深度，通常使用的源距为45-60cm。 在这种情况下，含氢高的地层，测得的热中子读数为低值。并随着含氢量的 增高其读数按指数规律降低。由于在不含有结晶水的岩石中，含氢量的高低
一、中子测井的一般原理
（二）减速长度
此外，还可以用“减速长度”来描述快中子变为热中子的减速过程。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，单位为厘米。 表2-5是中子起始能量为3.7-7Mev的减速长度
从表2-5看出，介质含氢越ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ，减速长度越短，这也说明氢元素对快中子 的减速能力最大
更准确地反映地层的孔隙度。 根据实验结果，一起周围超热中子的空间分布与热中子的分布具有相同的规律。即在含氢量一定的地层中， 随着离中子源距离的增大，超热中子密度（或仪器的计数率）迅速降低；在源距大于某一距离（零源距）时，含
氢量高的地层，测得的超热中子密度减小，反之，测得的超热中子密度增大。在通常采用大源距进行测量的情况
井的影响敏感、探测深度小、计数效率低。井壁中子测井在一定程度上克服
了这些缺点，若将来能研制出对超热中子有更高探测效率的计数管或晶体， 此方法还可进一步改善。 超热中子测井可以用API单位显示出可以直接用孔隙度线性比例尺记录。 因仪器是以石灰岩为标准刻度的，所以测得结果以石灰岩孔隙度为单位。图73右边的曲线就是井壁中子孔隙度(SNP)测井线。利用这条曲线可以和图中左 边的自然伽马和井径曲线组合，定性地划分岩性剖间。
一、中子测井的一般原理
（三）热中子的扩散与俘获
快中子减速成热中子后，同气体分子的扩散类似，便从密度大的地方向密度小的地方扩散。 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。
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“俘获截面”来量度。单位为巴。
式中Shr—残余油气饱和度；Sho—冲洗带含水(泥浆滤液)饱和度 整个中括号中的数可用SWH表示，有时称为(淡水)等效饱和度，它反映孔隙中流体含氢量。 中子测井是在饱含淡水的纯灰岩刻度井中刻度的，若不考虑岩性和挖掘效应(见本章第二节)的
影响，测得的孔隙度就是地层的含氢指数.
5.与有效孔隙度无关的含氢指数 (1)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氢指数，一般可达0.15-0.30， 因而在含泥质的地层中，含氢指数大于地层的有效孔隙度。 (2)石膏：石膏的分子式是CaSO4·2H2O，其含氢指数约为0.49，与孔隙度为49%的灰岩相当。 (3)岩性影响：当仪器以纯石灰岩为标准进行刻度时，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，而白云岩显示为正的含氢指数。
图2-22是用中子-声波交会图确定岩 性和孔隙度的图。根据声波测井和补偿 中子测井的读数，用此图可求出孔隙度 和岩性。
3)用补偿中子(CNL)与补偿地层密度(FDC)测井曲线
划分含气地层 对于含气地层，体积密度变低，FDC的视石灰岩孔隙 度增大，地层的含氢量减少，补偿中子的视石灰岩孔隙 度减小，因此将两条曲线重叠可划分气层。图2-23是划 分含气层的实例，井段1884～1922m，中子测井孔隙 度(φ n)很低，密度测井孔隙度(φ d)高，两者出现明显差 异，同时自然伽马测井曲线低，井径平直，并缩径，而 该层的顶、底皆为泥岩层，这是一个标准气层显示。