中子测井的物理基础.ppt

中子测井的物理基础中子测井的物理基础第第十十章章 中子测井中子测井(Neutron log)(Neutron log)一、中子测井的物理基础一、中子测井的物理基础 因因为为不不同同能能量量的的中中子子与与原原子子核核作作用用时时有有着着不不同同的的特特点点，，所所以以通常根据中子的能量大小，可以把它分成几类：通常根据中子的能量大小，可以把它分成几类：v高能快中子：能量大于高能快中子：能量大于1010万电子伏特；万电子伏特；v中能中子：能量在中能中子：能量在100100电子伏特电子伏特—10—10万电子伏特之间；万电子伏特之间；v慢中子：能量小于慢中子：能量小于100100电子伏特；电子伏特；其中其中0.1—1000.1—100电子伏特的中子为超热中子；电子伏特的中子为超热中子；能量等于能量等于0.0250.025电子伏特的中子为热中子电子伏特的中子为热中子第第十十章章 中子测井中子测井(Neutron log)(Neutron log)二、中子与物质作用二、中子与物质作用几种作用形式：几种作用形式：（（1 1））非弹性作用非弹性作用：高能快中子与原子核碰撞：高能快中子与原子核碰撞（（2 2））弹性散射弹性散射：高能快中子经一、二次非弹性散射后，能量降：高能快中子经一、二次非弹性散射后，能量降低，继续碰撞原子，降低能量和运动速度，而总能量不变，经多低，继续碰撞原子，降低能量和运动速度，而总能量不变，经多次碰撞，能量损失，速度降低，最后变为热中子。

次碰撞，能量损失，速度降低，最后变为热中子3 3））辐射俘获辐射俘获：能量低的热中子在其他物质附近漫游，很容易：能量低的热中子在其他物质附近漫游，很容易被其他物质俘获而被吸收，其他物质由于俘获中子后则处于激发被其他物质俘获而被吸收，其他物质由于俘获中子后则处于激发态，在由激发态向稳定态转变时，则易放出态，在由激发态向稳定态转变时，则易放出r r射线第第十十章章 中子测井中子测井(Neutron log)(Neutron log) 为了说明中子通过物质时和原子核发生某种核反应的几为了说明中子通过物质时和原子核发生某种核反应的几率大小，引入了有效截面的概念率大小，引入了有效截面的概念单个原子核以面积为单个原子核以面积为σ的圆形靶代替的圆形靶代替靶的面积大小是这样选定的，即当入射的中子进入靶内时，靶的面积大小是这样选定的，即当入射的中子进入靶内时，就遭到碰撞而发生某种反应就遭到碰撞而发生某种反应面积面积σ称为称为有效截面有效截面 发生散射过程的有效截面称为发生散射过程的有效截面称为散射截面散射截面，，发生俘获过程的有效截面称为发生俘获过程的有效截面称为俘获截面俘获截面，，发生两种过程的总有效截面称为全有效截面发生两种过程的总有效截面称为全有效截面σ中子与物质的作用截面：中子与物质的作用截面：第第十十章章 中子测井中子测井(Neutron log)(Neutron log)单位体积物质的有效截面为各个原子核有效截面的总单位体积物质的有效截面为各个原子核有效截面的总和，称为宏观有效截面，用和，称为宏观有效截面，用ΣΣ表示：表示： 为了和宏观有效截面相区别，单个原子核的有效截面为了和宏观有效截面相区别，单个原子核的有效截面(σ)(σ)通常叫做微观有效截面。

通常叫做微观有效截面 第第十十章章 中子测井中子测井(Neutron log)(Neutron log)中子吸收方程中子吸收方程积分，得积分，得式中：式中：I I0 0为落到物落到物质表面上的中子流初始表面上的中子流初始强强度，度， I I是在同是在同样面面积上能上能够穿穿过x x厚物厚物质层的中子数的中子数第第十十章章 中子测井中子测井(Neutron log)(Neutron log) 当一束中子流穿过物质时，假定入射的中子当一束中子流穿过物质时，假定入射的中子流每平方厘米有流每平方厘米有I I个中子，垂直射到每立方厘个中子，垂直射到每立方厘米有米有n n个核的物质中如果把物质层分成厚度个核的物质中如果把物质层分成厚度为为dxdx的无限薄层，在面积为的无限薄层，在面积为1 1平方厘米的每一平方厘米的每一个这样层内，将有个这样层内，将有ndxndx个原子核，它的有效截个原子核，它的有效截面为面为nσdxnσdx，则中子流通过这个物质层引起的，则中子流通过这个物质层引起的强度变化为：强度变化为： -dI=Iσndx -dI=Iσndx 负号表示强度减弱：负号表示强度减弱：第第十十章章 中子测井中子测井(Neutron log)(Neutron log)二、中子与物质的相互作用二、中子与物质的相互作用 由中子源发射出来的快中子与组成物质的原子核发生作用，可以由中子源发射出来的快中子与组成物质的原子核发生作用，可以分为以下几个阶段：分为以下几个阶段：1.1.快中子的减速过程快中子的减速过程 平均能量约平均能量约4Mev4Mev的高能快中子的高能快中子→→碰撞原子核碰撞原子核-->-->发生弹性散射发生弹性散射——> >中子一部分能量中子一部分能量→→传给原子核，成为原子核动能，中子本身的能传给原子核，成为原子核动能，中子本身的能量减少，运动速度降低量减少，运动速度降低-->-->继续碰撞其它原子核继续碰撞其它原子核. .反复多次，能量不断反复多次，能量不断损失，速度不断减慢，最后中子成为热中子，此过程为快中子的减速损失，速度不断减慢，最后中子成为热中子，此过程为快中子的减速过程。

过程 岩石中不同元素对中子产生弹性散射几率岩石中不同元素对中子产生弹性散射几率( (散射截面散射截面) )不同，不同，H H元元素弹性散射截面最大不同元素减速能力不同，轻原子核对中子减速素弹性散射截面最大不同元素减速能力不同，轻原子核对中子减速起主要作用，特别是氢原子核与起主要作用，特别是氢原子核与H H碰撞，减速成热中子过程最快，因碰撞，减速成热中子过程最快，因此，高含此，高含H H岩石中，快中子将很快减速成热中子岩石中，快中子将很快减速成热中子第第十十章章 中子测井中子测井(Neutron log)(Neutron log)1.1.快中子的减速过程快中子的减速过程在在减速过程减速过程中，中子与原子核正面碰撞一次可损失的最大能量中，中子与原子核正面碰撞一次可损失的最大能量ΔEΔE为为式中式中E El l中子碰撞前的能量中子碰撞前的能量 式中式中A A为原子量为原子量 对对于于氢氢元元素素，，质质量量A A＝＝1 1，，因因而而a a＝＝0 0，，ΔEΔE＝＝E El l，，即即中中子子与与氢氢核核发发生生碰碰撞撞时时，，中中子子就就失失去去全全部部能能量量。

对对于于碳碳元元素素，，A A＝＝1212，，a a＝＝0.7160.716，，中中子子与与碳碳核核碰碰撞撞时时，，中中子子损损失失的的最最大大能能量量为为0.28E0.28E1 1显显然然A A越越大大的的元元素素，，中中子子与与它它碰碰撞撞时时能能量量损损失越小 在在实实际际的的弹弹性性散散射射过过程程中中，，中中子子与与靶靶核核并并不不总总是是正正面面碰碰撞撞，，因因此此，，每每次次碰碰撞撞后后，，中中子子损损失失的的能能量量并并不不相相同同，，这这与与散散射射角角有有关关当当快快中中子子与与原原子子核核碰碰撞撞多多次次，，使使中中子子能能量量降降低低为为0.0250.025电电子子伏伏特特时时，，这这时时的的中中子子为为热热中中子子中中子子变变为为热热中中子子之之后后，，就就象象分分子子热热运运动动一一样样在在物物质质中中进进行行扩扩散散，，当当它它再再与与原原子子核核发发生碰撞时，失去和得到的能量几乎相等生碰撞时，失去和得到的能量几乎相等第第十十章章 中子测井中子测井(Neutron log)(Neutron log)1.1.快中子的减速过程快中子的减速过程 一一个个中中子子与与一一个个原原子子核核发发生生弹弹性性散散射射的的几几率率称称为为微微观观弹弹性性散散射截面射截面δsδs，单位为巴（，单位为巴（1010-24-24cmcm2 2）。

1cm1cm3 3物物质质的的原原子子核核的的微微观观弹弹性性散散射射截截面面之之和和叫叫宏宏观观弹弹性性散散射射截面截面ΣsΣs 通常可以利用通常可以利用宏观宏观弹性散射截面来描述这个减速过程弹性散射截面来描述这个减速过程 此外，还可用此外，还可用““减速长度减速长度LsLs””来描述快中子变为热中子的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，单位为厘米线距离的平均值，单位为厘米 第第十十章章 中子测井中子测井(Neutron log)(Neutron log)下表是能量为下表是能量为3.73.7～～7 7百万电子伏特的中子减速为热中子的减速长度百万电子伏特的中子减速为热中子的减速长度 下表为沉积岩中常见元素的散射截面和每次碰撞的最大能量下表为沉积岩中常见元素的散射截面和每次碰撞的最大能量损失以及中子能量由损失以及中子能量由2 2百万电子伏特减速为热中子所需的平均碰百万电子伏特减速为热中子所需的平均碰撞次数 第第十十章章 中子测井中子测井(Neutron log)(Neutron log)1.1.快中子的减速过程快中子的减速过程 从从表表中中可可以以看看出出，，沉沉积积岩岩中中不不同同元元素素对对中中子子产产生生弹弹性性散散射射的的几几率率( (散散射射截截面面) )不不同同，，氢氢元元素素的的弹弹性性散散射射截截面面最最大大。

另另外外，，不不同同元元素素对对中中子子的的减减速速能能力力也也不不同同，，和和氢氢核核相相碰碰撞撞，，能能量量损损失失最最大大，，减减速速成成热热中中子子的的过过程程也也最最快快因因此此，，在在含含氢氢量量高高的的岩岩石石中中，，快中子将很快减速成热中子快中子将很快减速成热中子 介介质质含含氢氢越越多多，，减减速速长长度度越越短短，，这这也也说说明明氢氢元元素素对对快快中中子子的的减速能力最大减速能力最大 氢氢是是所所有有元元素素中中最最强强的的中中子子减减速速剂剂，，这这是是中中子子测测井井法法测测定定地地层含氢量及解决与含氢量有关的各种地质问题的依据层含氢量及解决与含氢量有关的各种地质问题的依据第第十十章章 中子测井中子测井(Neutron log)(Neutron log)2.2.热中子的扩散及被俘获热中子的扩散及被俘获 快快中中子子减减速速成成热热中中子子之之后后，，同同气气体体分分子子的的扩扩散散类类似似，，便便从从密密度度大大的的地地方方向向密密度度小小的的地地方方扩扩散散热热中中子子扩扩散散时时，，由由于于速速度度较较慢慢，，在在原原子子核核周周围围停停留留的的时时间间相相对对较较长长，，因因而而很很容容易易被被原原子子核核俘俘获获。

标标准准热热中中子子能能量为量为0.025MeV0.025MeV，速度为，速度为2.22.2×10105 5cm/scm/s 热热中中子子被被元元素素原原子子核核俘俘获获的的几几率率取取决决于于元元素素的的俘俘获获能能力力，，通通常常用用““宏观俘获截面宏观俘获截面ΣaΣa””来量度单位为巴单位为巴 下表给出了沉积岩中常见的几种元素的微观俘获截面下表给出了沉积岩中常见的几种元素的微观俘获截面 氯氯元元素素特特别别是是硼硼的的俘俘获获截截面面很很大大在在油油、、气气井井中中，，氯氯元元素素是是常常见见的的，，因因此此，，它它的的存存在在将将使使热热中中子子被被俘俘获获的的几几率率显显著著增增加加，，热热中中子子扩扩散散的的过过程程或或扩扩散散距距离离将将缩缩短短所以含有高矿化度水的岩石比含油的同类岩石宏观俘获截面大所以含有高矿化度水的岩石比含油的同类岩石宏观俘获截面大第第十十章章 中子测井中子测井(Neutron log)(Neutron log)2.2.热中子的扩散及被俘获热中子的扩散及被俘获 描描述述热热中中子子扩扩散散及及俘俘获获特特性性的的参参数数有有扩扩散散长长度度L Ld d、、宏宏观观俘俘获获截截面面ΣaΣa和和热中子寿命热中子寿命ττt t参数。

参数 扩扩散散长长度度：：从从产产生生热热中中子子起起到到其其被被俘俘获获吸吸收收为为止止，，热热中中子子移移动动的的距距离离物质对热中子俘获吸收能力越强，扩散长度物质对热中子俘获吸收能力越强，扩散长度L Ld d就越短 微观俘获截面微观俘获截面δδ：一个原子核俘获热中子的几率称之一个原子核俘获热中子的几率称之 宏宏观观俘俘获获截截面面ΣaΣa：：1cm1cm3 3物物质质中中所所有有原原子子核核的的微微观观俘俘获获截截面面之之和和称称之之为为宏观俘获截面宏观俘获截面 热热中中子子寿寿命命ττt t：：从从热热中中子子生生成成开开始始到到它它被被俘俘获获吸吸收收为为止止所所经经过过的的平平均均时间叫热中子寿命，它和宏观俘获截面的关系是：时间叫热中子寿命，它和宏观俘获截面的关系是： 式中式中v v为热中子移动速度，常温下，为热中子移动速度，常温下，v v＝＝0.22cm/μs0.22cm/μs，所以上式可写成：，所以上式可写成： 当当地地层层中中含含有有俘俘获获截截面面高高的的元元素素时时，，ττt t就就大大大大减减小小。

高高矿矿化化度度水水的的ττt t要比油层小的多，因此可以确定油水界面和区分油水层要比油层小的多，因此可以确定油水界面和区分油水层第第十十章章 中子测井中子测井(Neutron log)(Neutron log)2.2.热中子的扩散及被俘获热中子的扩散及被俘获 元元素素的的原原子子核核俘俘获获热热中中子子之之后后，，处处于于激激发发状状态态，，当当它它回回到到稳稳定定的的基基态态时时，，多多余余的的能能量量便便以以伽伽马马射射线线的的形形式式释释放放出出来来该该射射线线称称为为俘俘获获伽伽马马射射线线，，或或次次生生伽伽马马射射线线不不同同元元素素俘俘获获热热中中子子后后放放出出的的俘俘获获伽伽马马射射线线的的能能量量存存在在一一定定的的差差别别，，特特别别是是氯氯元元素素释释放放出出的的俘俘获获伽伽马马射射线线能能量量要要比比一一般般元元素素高高一一些些，，且且伽伽马马射射线线的的数数目目也也相相对对多多些些因因此此，，当当岩岩石石中中有有氯氯元元素素存存在在时时，，测测得得的的热热中中子子数数将将显显著著减减少少，，但但测测得得的的俘俘获获伽伽马马射射线线却却又又会会普普遍遍增增高。