中子测井
合集下载
中子测井原理及应用
中子测井原理及应用中子测井是油气勘探和开发领域常用的测井工具，它通过检测埋藏层中的中子强度变化来获取有关岩石成分、流体含量和孔隙结构等信息。
本文将对中子测井的原理和应用进行详细介绍。
中子测井的原理主要基于中子与原子核相互作用的特性。
中子是核反应中不带电荷的粒子，可以穿透厚度较大的岩石层，并与原子核发生弹性散射或非弹性散射。
当中子穿过地层时，会与原子核发生散射，其中弹性散射使中子的能量损失，而非弹性散射会引起中子与原子核碰撞后释放出γ射线。
中子测井主要有三种类型：全反散射中子测井、氢反散射中子测井和共振中子测井。
全反散射中子测井是最常用的中子测井方法。
测井仪器发射中子束入井，中子在地层中与核子发生弹性散射，并回到测井仪器。
仪器检测到回散射的中子数，通过测量散射中子的能量损失来计算出地层中的处于中子束路径上的原子核的密度。
氢反散射中子测井主要是测量地层中氢的含量，因为氢含量与流体含量有关。
仪器发射中能量较高的中子入井，中子在地层中与氢发生非弹性散射，失去一部分能量，被探测器检测到。
通过测量散射中子的能量损失来计算地层中的氢原子的密度，从而估计出岩石中的流体含量。
共振中子测井是利用中子与原子核共振能级耦合的原理。
测井仪器发射中子束入井，中子在与地层中的原子核相互作用时，落入共振能级，通过共振吸收释放出γ射线。
测量这些γ射线的能量和强度，可以获取地层中特定原子核的密度和含量信息。
中子测井在油气勘探中有着重要的应用价值。
首先，中子测井可以提供岩石成分和密度信息，从而帮助确定地层的岩石类型和性质，判断潜在油气储集层的存在和质量。
其次，中子测井可以测量地层中的氢原子密度，从而帮助估计油气水饱和度和流体类型。
此外，中子测井在解释地震数据和构建地层模型时也发挥重要作用。
除了油气勘探领域，中子测井还广泛应用于地下水勘探、地质工程和环境行业。
例如，用于地下水勘探时可以通过测量含水层的水含量和孔隙度来评估地下水资源量和流动性。
中子测井和孔隙度的关系
中子测井和孔隙度的关系
中子测井是一种常用的地球物理测井方法，用来确定地层的孔隙度。
孔隙度是指岩石或土壤中孔隙的比例，它是岩石或土壤的重要物理性质，对于地质、工程和环境领域具有重要意义。
中子测井通过测量地层中的中子散射来确定孔隙度。
中子是一种电中性粒子，能够穿透大部分物质而不受其影响。
当中子穿过地层时，会与地层中的原子发生散射作用。
不同种类的原子对中子的散射效应不同，从而可以通过测量散射中子的能量来确定地层中的原子组成和孔隙度。
中子测井仪器中通常包含一个放射源和一个探测器。
放射源会产生中子，并将其发射入地层中。
当中子与地层中的原子发生散射时，探测器会测量散射中子的能量。
根据散射中子的能量与原子组成的关系，可以计算出地层的孔隙度。
孔隙度是地层中的孔隙空间占总体积的比例，它对于石油勘探和开发具有重要意义。
在石油勘探中，孔隙度可以帮助确定油气储层的含油含气量，从而指导开发策略。
在水资源开发和环境工程中，孔隙度可以帮助评估地下水储量和水文特征，从而指导水资源开发和环境保护。
中子测井作为一种重要的地球物理测井方法，已经被广泛应用于石油、水资源和环境等领域。
通过测量地层中的中子散射，可以确定
地层的孔隙度，为地质和工程领域的研究和开发提供了重要的数据支持。
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。
地球物理测#(第三章)中子测井
中子测井的优缺点分析
优点
能够测量地层的孔隙度、含油饱 和度等参数，不受地层水矿化度 影响，测量精度较高。
缺点
对地层岩性敏感度较低，不适用 于所有地层，且对放射性同位素 源依赖较大。
03
中子测井的实际应用
油气勘探中的中子测井
确定地层孔隙度
中子测井通过测量地层中热中子的衰 减程度，可以推算出地层的孔隙度， 进而评估油气储量。
智能化和自动化
利用人工智能和机器学习技术，实现中子测井数据的自动解释和异常 检测。
中子测井与其他地球物理方法的结合
与电阻率测井结合
利用中子测井和电阻率测井的互补性，提高对地层性质的识别精 度。
与地震勘探结合
将中子测井与地震勘探数据相结合，提高对地下构造和油气藏的探 测精度。
与磁力勘探结合
利用中子测井与磁力勘探的联合测量，实现对地层和油气藏的全方 位探测。
中子源的选择与使用
放射性同位素源
常用的有镅-241和铯-137等，具有稳定、安全、 寿命长的特点，但需定期更换。
加速器源
能够产生高能中子，适用于深井和复杂地层，但 设备成本和维护成本较高。
混合源
结合同位素源和加速器源的特点，具有较好的综 合性能。
中子探测器的设计与选择
01
02
03
探测器材料
常用有锗、硅等半导体材 料，要求具有高灵敏度、 低噪音和稳定性。
识别油气层
确定地层岩性
中子测井通过测量地层中热中子的速 度和扩散系数，可以推断地层的岩性 和矿物组成，进而评估油气勘探的潜 力。
中子测井能够检测到地层中的油气层， 通过测量地层中氢的含量和分布，判 断油气层的存在和分布情况。
煤田勘探中的中子测井
中子测井和孔隙度的关系
中子测井和孔隙度的关系
中子测井是一种地球物理勘探技术，用于确定岩石中的孔隙度。
中子测井仪器发射中子束到岩石中，中子与岩石中的核发生作用，
产生散射，通过测量散射中子的能量和数量来推断岩石的孔隙度。
中子测井和孔隙度之间的关系可以从以下几个方面来解释。
首先，中子测井测量的是岩石中的氢含量，而孔隙度是指岩石
中孔隙的体积与岩石总体积的比值。
由于水和油等流体中含有丰富
的氢原子，因此中子测井可以间接地反映岩石中的孔隙度。
当岩石
的孔隙度增大时，岩石中的流体含量也会增加，从而导致中子测井
测量到的散射中子数量增加。
其次，中子测井测量的是岩石中的总含氢量，而孔隙度则是反
映岩石中孔隙的大小和分布情况。
在一定条件下，孔隙度越大，岩
石中的含氢量也会相应增加，这会对中子测井的测量结果产生影响。
此外，中子测井还可以通过测量散射中子的能量来推断岩石的
密度，而岩石的密度与孔隙度之间也存在一定的关系。
通常情况下，孔隙度较大的岩石密度较低，孔隙度较小的岩石密度较高，这种关
系也会影响中子测井的测量结果。
综上所述，中子测井和孔隙度之间存在着密切的关系，中子测井可以通过测量岩石中的氢含量来间接反映孔隙度的大小，但需要结合岩石密度等因素进行综合分析和解释。
在实际勘探和开发中，中子测井技术可以为确定储层孔隙度提供重要的地质信息。
中子测井
弹性散射的结果是使中子减速。
能量较低的快中子（5mev以下）通常 以这种作用为主。
一、中子源及岩石的中子特征 ①快中子与地层间的作用
使原子核活化：
快中子与稳定的靶核作用，生成新的 放射性核素，新的放射性核素发生核衰变 产生伽马射线。
活化作用的结果：
Ⅰ中子被吸收 Ⅱ产生伽马射线（称为活化伽马射线）
一、中子源及岩石的中子特征
e r1 / Le e r1 / Lt K1 KQL N t1 2 2 r1 4Dt ( Le Lt ) r1
2 t
r2 / Le r2 / Lt K1 KQL2 e e t Nt2 2 2 r2 4Dt ( Le Lt ) r2
地层中是否存在使中子容易发生非弹性
散射和弹性散射的核素；
中子与核素之间每发生一次作用，其能量损
失的多少。
一、中子源及岩石的中子特征
⑤地层的减速特性
研究结果表明：
中子与氢核发生弹性散射的几率最大（45%）
中子与氢核每发生一次散射损失的能量最大
（≈100%） 所以，地层对快中子减速能力主要取决于地 层中的含氢量。含氢量越多，则对快中子的减速 能力越强。
N f (H )
二、超热中子测井（井壁中子测井SNP）
原理
④超热中子的测量结果（计数率）：
N f (H )
H (1 )H ma H f
对于某一类岩石，Hma= C1，当Hf=C2时， H的值的高低就仅由φ决定。
二、超热中子测井（井壁中子测井SNP）
原理
⑤超热中子的输出（记录的内容）： 在已知岩性和孔隙流体的条件下用各种 孔隙度的岩石对测井值进行刻度就可确定：
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。
中子测井
• Φ=ΦN/(1+Shr((ΦN)hr-(ΦN)mf)/((ΦN)mf-(ΦN)ma) • ΦN=(ΦN-(ΦN)ma)/(ΦN)mf-(ΦN)ma)为中子测井视孔隙度 • 有油气影响对，ΦN减小，计算孔隙度低。
• • • • • • • • • • • • •
利用上求Φ时，对于油(Φ N)hr=ρ油-1.03 对于气(Φ N)hr=2.25ρ气 ρ油和ρ汽分别表示油和气的密度 用(ΦN)sh表示泥质的中子孔隙度，若孔隙中充满水时 Φ=(ΦN-(Φnma））/（(ΦN)f-(ΦN)ma-SH(ΦN)sH-(ΦN)ma(ΦNf-ΦN)ma 若探测范围内充填泥浆滤液和残余油气时 Φ= (ΦN-(ΦN)ma）/（(ΦN)mf-(ΦN)ma） -SH((ΦN)sh-(ΦN)ma)/((ΦN)mf-ΦN)ma) -ΦShr((ΦN)hr-(ΦN)mf)/((ΦN)mf-(ΦN)ma) Φ=(ΦN-SH((ΦN)sh-(ΦN)ma)/((ΦN)mf-(ΦN)ma)) /(1+Shr((ΦN)hr-(ΦN)mf)/((ΦN)mf-(ΦN)ma)) 中子测井孔隙度 ********用中子测井计算的孔隙度是地层的含氢孔隙度或总孔隙度，当地层中有含氢 量很高的石膏存在时，计算的孔隙度比实际值偏高，此时，需求石膏含量加以校正。
• 六、刻度 • *******
• •
• •
• • • • • • •
• • • • • • •
石膏层：中子-中子和中子-r测井曲线上显低值，自然r上为低值(含结晶水) 岩盐层：中子-中子低值，中子-r高值。 ②中子测井确定地层的孔隙度 中子测井读数是和岩石中含氢的总量有关，所以它反映的是总孔隙度。 含氢指数：单位体积中的氢原子数与单位体积纯水中氢原子数之比。 • VH= VmaHma+VΦHf Φ、Φma、Φf 中子孔隙度与含氢指数呈正比 • ΦN=(1- Φ)(ΦN)ma+ Φ(ΦN)f • Φ=((ΦN-(ΦN)ma)/((ΦN)f-(ΦN)ma) 一般ΦN刻度是用石灰岩刻度的 流体(水)的中子孔隙度(ΦN)f=1 (ΦN)ma对于不同岩石，不同中子测井法、有不同的值，见表2-6。 地层为含油气纯地层 ΦN=(1- Φ)(ΦN)ma+Φ(ΦN)mf(1-Shr)+ΦShr(ΦN)hr Φ =（ΦN-(ΦN)ma)/((ΦN)mf-(ΦN)ma) -(ΦShr· ((ΦN)hr-(ΦN)mf)/((ΦN)mf-(ΦN)ma)
- 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)。
可确定岩性和泥质含量，铝是常见粘土矿物的指示元素， 而硅是砂岩的指示元素。
钙活化： 20 Ca 48 0 n1 20 Ca 49
钙是碳酸盐岩的指示元素。
氯活化：
17 Cl 37 0 n1 17 Cl 38
特点：反应过程中，中子被吸收，产生新核，这 些新核有些具有放射性。
勘探开发工程监督管理中心
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
1
中子和中子加源速器中子源
加速器中子源
或称脉冲中子源：用人工的方法（加速器）加速带 电粒子，去轰击靶核，产生快中子，特点是人为控 制脉冲式发射。
如（D-T）中子源：利用加速器夹带电粒子氘核加速 到0.126MeV的能量，然后轰击靶核氚，生成α粒子 和中子，中子的能量平均为14Mev。
(4)能量减缩ζ：每次碰撞后中子能量的自然对数差的平均值，表示
物质对快中子的减速能力。
1 ( A 1)2 ln A 1
当A 10：
2A A1
2/(A 2/3)
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
2
中子和物质的作用
n
• 中子与化合物的弹性散射
i Ni si
又有
13 Al 28 14 Si28 Q
快中子能量14MeV，反应截面为0.22b，Al28的半衰期2.3min， 发射伽马光子的能量为1.782，探测之可以探测硅的含量。有 效区分砂层和碳酸盐岩 。
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
2
中子和物质的作用
铝活化：
13 Al 27 0 n1 12 Mg 27 1p1
0.03eV—100eV 热中子约为0.025 eV， 热中子标准速度2200 m/s
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
1
中子和中子源
2、中子源：将原子核中的中子释放出来的装置。
质子和中子在核中存在很强的核力作用，要使 之从核中释放出来，必须提供足够的能量。用高能 （带电）粒子轰击作靶的原子核，引起核反应，释 放出中子。一般选用轻原子核作靶核（A小，结核能 小，易产生中子），如4Be9和1H3。
0.40
0.215
0.13
0.43
结论：岩石对热中子的俘获能力主要取决于含氯量 （矿化度、地层水含量）。
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
2
中子和物质的作用
另外：硼的Εa =710b，即使含量微小，也对测井将会有很 大影响。即使硼B含量很少，也会造成地层水或岩石宏观俘 获截面的显著增大，现在发展了注硼中子寿命测井。
一、中子测井的核物理基础
2
中子和物质的作用
(7) 减速时间τf和减速长度Lf 减速时间τf：快中子从初始能量E0减速为热中子能量Et所需时间； 减速距离L：在减速时间内，中子移动的直线距离。
减速距离平方的平均值
2
L
6 ln(E0 / Et)
(sH 's ')(sH 3s ')
D T 2 He 4 0 n1 17.588 Mev
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
1
中子和中子源2Βιβλιοθήκη 中子和物质的作用3
中子探测器
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
2
中子和物质的作用
1、快中子的非弹性散射 高能快中子与地层发生作用时，快中子被靶核吸收
形成复核，然后放出能量较低的中子，靶核仍处于激发 态，而激发态的核放出特定能量的伽马射线后回到基态 。例如，12C和16O都能与14Mev的中子发生非弹性散射而 激发释放出γ射线，这是C/O能谱测井的基础。
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
1
中子和中子源
(4)中子的分类
当中子与原子相互作用时，和核外电子几乎没有 库仑力作用，而直接与原子核碰撞，其反应几率主要 取决于核的性质。因此，中子入射物质后，主要是与 原子核发生作用。中子能量不同（速度不同），它与 物质相互作用的行为也就大不相同，因此，目前使用 的中子测井包括使用同位素中子源和加速器中子源， 提供不同能量的快中子。
(3)弹性碰撞能量损失
弹性碰撞能量损失与靶核的A、入射中子能量E0及散射角φ（中 子散射方向和入射方向的夹角）有关。当为正碰撞时，中子损失能
量最大。实验证明，中子一次弹性碰撞可能损失的最大能量和平均
能量分别为：
E max
(1 a)E0 , a
( A 1) 2 , E A1
2A ( A 1)2
如镅铍（Am-Be）中子源，利用镅衰变产生的a粒子去轰击铍，引 起核反应释放出中子，产生中子能量平均为5Mev。
95 Am24193 Np237 2 He4 (a) 4 Be9 2He4 6 C12 0n1 Q(5.701Mev)
产生的中子的平均能量是5MeV。该类中子源的特点是连续发射中子。
快中子经减速到能量与地层原子处于热平衡状态时， 中子不再减速，而像气体分子一样处于扩散过程。由密度 大的地方向密度小的区域扩散，直到被地层原子核俘获为 止。
(2)辐射俘获核反应
靶核俘获一个热中子而变为激发态的复核，然后， 复核放出一个或多个几个光子，回到基态。
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
的平均对数能量减缩
i 1 n
Ζi为第i种核的平均对数能量减缩；
Ni si
i 1
Ni为单位体积物质中第i种核的个数；
σsi为第i种核的微观散射截面，b；
N物质中有n种原子。
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
2
中子和物质的作用
ξ 随着散射核质量数增加而减小，与中子能量无关。H、C、O、 Mg、Al、Si、Ca的ξ分别为1、0.158、0.120、0.075、0.07、 0.07、0.05。
一、中子测井的核物理基础
2
中子和物质的作用
3、快中子的弹性散射
(1)快中子的弹性散射
中等能量的中子与靶核碰撞，将部分能量传给靶核，使 之能量（动能）增加，仍处于稳态，而快中子速度减慢，系 统总的动能守恒，此过程即为快中子的弹性散射。对于同位 素中子源中子测井，中子的初始能量较低，因此，从开始就 以弹性散射为主。
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
1
中子和中子源
(2)中子的质量1.00887u；1.6749286×10^-27千克
质子的质量1.00758u；1.672621637×10^-27千克
(3)中子的半衰期
中子的静止质量大于质子和电子的静止质量之和， 会自发的发生β-衰变，它的半衰期为11.7±0.3min， 自然界几乎不存在自由中子。
Lf 定义为：
def
Lf
ln(E0 / Et)
(sH 's ')(sH 3s ')
Σs.H 岩石中氢的宏观散射截面 ζ’除氢以外岩石对中子的能量减缩 Σ’s除氢以外岩石中的宏观散射截面
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
2
中子和物质的作用
4、热中子扩散和俘获
(1) 热中子的扩散
测井用的中子源有两类：同位素中子源、加速 器中子源。
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
1
中子和中子源
同位素中子源
利用放射性同位素核衰变时放出的高能粒子（а粒子）去轰击 靶核，引起核反应，释放中子，这种中子源的特点是连续发射 中子。发射中子的平均能量为4~5Mev。
（a,n）中子源：利用同位素镭、钋、镅等核素核衰变产生的a粒 子轰击靶核铍，发生（a,n）反应，发射中子。
2
中子和物质的作用
(3) 岩石对热中子的宏观俘获截面Εa：
微观俘获截面σ：一个原子核俘获热中子的几率；
宏观俘获截面Εa：一立方厘米所有原子微观俘获截
面的总和。
a
n i 1
Ni ai
N A
n i 1
Pi ai
Ai
Cl
H
C
O
Mg
Ag
Si
Ca
31.6
0.329 0.0045 0.0016
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
1
中子和中子源
中子的能量指的是它的动能
En =
1 2
mv2
5.22695109 v2
根据中子的能量可将中子分为：
高能中子 能量〉10 MeV 穿透能力极强
快中子 10MeV—10KeV 穿透能力很强
中能中子 慢中子
100eV—10KeV 超热中子约为0.2~10 eV
14Mev的高能快中子经一两次非弹性散射后就不能再发生 非弹性散射或核活化反应，只能发生弹性散射而继续减速， 直至其能量为0.025ev左右，成为热中子。
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
2
中子和物质的作用
(2)特点
入射中子＋被碰原子核系统，在碰撞前后总动能不变，中子损失 的能量全部变成被碰核的动能，而核仍处于稳态，纯减速过程。
2
中子和物质的作用
2、快中子对原子核的活化
快中子除发生（n，n’）反应外，还可发生（n，a），（n，p ）核反应。这些反应产生新原子核。有一定的半衰期，衰变放 射出带电粒子和γ射线，其中伽马射线称为次生活化伽马射线 。
活化测井：如：硅测井，铝测井，钙测井，氯测井
硅活化：
14 Si 28 0 n1 13 Al 28 1p1
2
钙活化： 20 Ca 48 0 n1 20 Ca 49
钙是碳酸盐岩的指示元素。
氯活化：
17 Cl 37 0 n1 17 Cl 38
特点：反应过程中，中子被吸收，产生新核，这 些新核有些具有放射性。
勘探开发工程监督管理中心
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
1
中子和中子加源速器中子源
加速器中子源
或称脉冲中子源：用人工的方法（加速器）加速带 电粒子，去轰击靶核，产生快中子，特点是人为控 制脉冲式发射。
如（D-T）中子源：利用加速器夹带电粒子氘核加速 到0.126MeV的能量，然后轰击靶核氚，生成α粒子 和中子，中子的能量平均为14Mev。
(4)能量减缩ζ：每次碰撞后中子能量的自然对数差的平均值，表示
物质对快中子的减速能力。
1 ( A 1)2 ln A 1
当A 10：
2A A1
2/(A 2/3)
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
2
中子和物质的作用
n
• 中子与化合物的弹性散射
i Ni si
又有
13 Al 28 14 Si28 Q
快中子能量14MeV，反应截面为0.22b，Al28的半衰期2.3min， 发射伽马光子的能量为1.782，探测之可以探测硅的含量。有 效区分砂层和碳酸盐岩 。
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
2
中子和物质的作用
铝活化：
13 Al 27 0 n1 12 Mg 27 1p1
0.03eV—100eV 热中子约为0.025 eV， 热中子标准速度2200 m/s
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
1
中子和中子源
2、中子源：将原子核中的中子释放出来的装置。
质子和中子在核中存在很强的核力作用，要使 之从核中释放出来，必须提供足够的能量。用高能 （带电）粒子轰击作靶的原子核，引起核反应，释 放出中子。一般选用轻原子核作靶核（A小，结核能 小，易产生中子），如4Be9和1H3。
0.40
0.215
0.13
0.43
结论：岩石对热中子的俘获能力主要取决于含氯量 （矿化度、地层水含量）。
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
2
中子和物质的作用
另外：硼的Εa =710b，即使含量微小，也对测井将会有很 大影响。即使硼B含量很少，也会造成地层水或岩石宏观俘 获截面的显著增大，现在发展了注硼中子寿命测井。
一、中子测井的核物理基础
2
中子和物质的作用
(7) 减速时间τf和减速长度Lf 减速时间τf：快中子从初始能量E0减速为热中子能量Et所需时间； 减速距离L：在减速时间内，中子移动的直线距离。
减速距离平方的平均值
2
L
6 ln(E0 / Et)
(sH 's ')(sH 3s ')
D T 2 He 4 0 n1 17.588 Mev
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
1
中子和中子源2Βιβλιοθήκη 中子和物质的作用3
中子探测器
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
2
中子和物质的作用
1、快中子的非弹性散射 高能快中子与地层发生作用时，快中子被靶核吸收
形成复核，然后放出能量较低的中子，靶核仍处于激发 态，而激发态的核放出特定能量的伽马射线后回到基态 。例如，12C和16O都能与14Mev的中子发生非弹性散射而 激发释放出γ射线，这是C/O能谱测井的基础。
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
1
中子和中子源
(4)中子的分类
当中子与原子相互作用时，和核外电子几乎没有 库仑力作用，而直接与原子核碰撞，其反应几率主要 取决于核的性质。因此，中子入射物质后，主要是与 原子核发生作用。中子能量不同（速度不同），它与 物质相互作用的行为也就大不相同，因此，目前使用 的中子测井包括使用同位素中子源和加速器中子源， 提供不同能量的快中子。
(3)弹性碰撞能量损失
弹性碰撞能量损失与靶核的A、入射中子能量E0及散射角φ（中 子散射方向和入射方向的夹角）有关。当为正碰撞时，中子损失能
量最大。实验证明，中子一次弹性碰撞可能损失的最大能量和平均
能量分别为：
E max
(1 a)E0 , a
( A 1) 2 , E A1
2A ( A 1)2
如镅铍（Am-Be）中子源，利用镅衰变产生的a粒子去轰击铍，引 起核反应释放出中子，产生中子能量平均为5Mev。
95 Am24193 Np237 2 He4 (a) 4 Be9 2He4 6 C12 0n1 Q(5.701Mev)
产生的中子的平均能量是5MeV。该类中子源的特点是连续发射中子。
快中子经减速到能量与地层原子处于热平衡状态时， 中子不再减速，而像气体分子一样处于扩散过程。由密度 大的地方向密度小的区域扩散，直到被地层原子核俘获为 止。
(2)辐射俘获核反应
靶核俘获一个热中子而变为激发态的复核，然后， 复核放出一个或多个几个光子，回到基态。
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
的平均对数能量减缩
i 1 n
Ζi为第i种核的平均对数能量减缩；
Ni si
i 1
Ni为单位体积物质中第i种核的个数；
σsi为第i种核的微观散射截面，b；
N物质中有n种原子。
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
2
中子和物质的作用
ξ 随着散射核质量数增加而减小，与中子能量无关。H、C、O、 Mg、Al、Si、Ca的ξ分别为1、0.158、0.120、0.075、0.07、 0.07、0.05。
一、中子测井的核物理基础
2
中子和物质的作用
3、快中子的弹性散射
(1)快中子的弹性散射
中等能量的中子与靶核碰撞，将部分能量传给靶核，使 之能量（动能）增加，仍处于稳态，而快中子速度减慢，系 统总的动能守恒，此过程即为快中子的弹性散射。对于同位 素中子源中子测井，中子的初始能量较低，因此，从开始就 以弹性散射为主。
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
1
中子和中子源
(2)中子的质量1.00887u；1.6749286×10^-27千克
质子的质量1.00758u；1.672621637×10^-27千克
(3)中子的半衰期
中子的静止质量大于质子和电子的静止质量之和， 会自发的发生β-衰变，它的半衰期为11.7±0.3min， 自然界几乎不存在自由中子。
Lf 定义为：
def
Lf
ln(E0 / Et)
(sH 's ')(sH 3s ')
Σs.H 岩石中氢的宏观散射截面 ζ’除氢以外岩石对中子的能量减缩 Σ’s除氢以外岩石中的宏观散射截面
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
2
中子和物质的作用
4、热中子扩散和俘获
(1) 热中子的扩散
测井用的中子源有两类：同位素中子源、加速 器中子源。
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
1
中子和中子源
同位素中子源
利用放射性同位素核衰变时放出的高能粒子（а粒子）去轰击 靶核，引起核反应，释放中子，这种中子源的特点是连续发射 中子。发射中子的平均能量为4~5Mev。
（a,n）中子源：利用同位素镭、钋、镅等核素核衰变产生的a粒 子轰击靶核铍，发生（a,n）反应，发射中子。
2
中子和物质的作用
(3) 岩石对热中子的宏观俘获截面Εa：
微观俘获截面σ：一个原子核俘获热中子的几率；
宏观俘获截面Εa：一立方厘米所有原子微观俘获截
面的总和。
a
n i 1
Ni ai
N A
n i 1
Pi ai
Ai
Cl
H
C
O
Mg
Ag
Si
Ca
31.6
0.329 0.0045 0.0016
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
1
中子和中子源
中子的能量指的是它的动能
En =
1 2
mv2
5.22695109 v2
根据中子的能量可将中子分为：
高能中子 能量〉10 MeV 穿透能力极强
快中子 10MeV—10KeV 穿透能力很强
中能中子 慢中子
100eV—10KeV 超热中子约为0.2~10 eV
14Mev的高能快中子经一两次非弹性散射后就不能再发生 非弹性散射或核活化反应，只能发生弹性散射而继续减速， 直至其能量为0.025ev左右，成为热中子。
勘探开发工程监督管理中心
一、中子测井的核物理基础
2
中子和物质的作用
(2)特点
入射中子＋被碰原子核系统，在碰撞前后总动能不变，中子损失 的能量全部变成被碰核的动能，而核仍处于稳态，纯减速过程。
2
中子和物质的作用
2、快中子对原子核的活化
快中子除发生（n，n’）反应外，还可发生（n，a），（n，p ）核反应。这些反应产生新原子核。有一定的半衰期，衰变放 射出带电粒子和γ射线，其中伽马射线称为次生活化伽马射线 。
活化测井：如：硅测井，铝测井，钙测井，氯测井
硅活化：
14 Si 28 0 n1 13 Al 28 1p1
2