地球物理测井：第06章 中子测井.ppt

中国石油大学（华东）2024/9/181p中中子子孔孔隙隙度度测井井：：是是重重要要的的岩岩性性- -孔孔隙隙度度测井井方方法法之之一一，，主主要要利利用用了了地地层对快中子的减速能力快中子的减速能力包括井壁中子包括井壁中子SNPSNP和和补偿中子中子CNLCNL两种；两种；p中中子子伽伽马测井井：：主主要要利利用用了了热中中子子的的俘俘获效效应，，可可用用于于区区分分油油水水、、指指示示气气层或估算孔隙度等；或估算孔隙度等；p中中子子寿寿命命测井井：：是是一一种种重重要要的的套套管管井井地地层评价价方方法法，，用用于于区区分分油油水水、、计算算饱和度等；和度等；p非非弹性性散散射射伽伽马能能谱测井井：：主主要要通通过测量量快快中中子子的的非非弹性性散散射射产生生的的伽伽马射射线，反映地，反映地层中核素的含量用于区分油水、判断岩性等；中核素的含量用于区分油水、判断岩性等；p中中子子活活化化测井井：：利利用用中中子子的的活活化化核核反反应测量量地地层核核素素组成成，，用用于于岩岩性性识别等第六章第六章 中子测井中子测井 是是利利用用人人工工中中子子源源发发射射的的快快中中子子与与地地层层的的各各种种相相互互作作用用，，来来研研究究钻井剖面地层性质的一类测井方法。

包括的方法较多：钻井剖面地层性质的一类测井方法包括的方法较多：中国石油大学（华东）2024/9/1826.1 6.1 中子中子测井的核物理基井的核物理基础6.2 6.2 中子孔隙度中子孔隙度测井井6.3 6.3 中子寿命中子寿命测井井6.4 6.4 其它脉冲中子其它脉冲中子测井井第六章第六章 中子测井中子测井中国石油大学（华东）2024/9/1836.1 6.1 中子测井的核物理基础中子测井的核物理基础p中子测井需要提供中子源，根据中子与地层的相互作用研究地层中子测井需要提供中子源，根据中子与地层的相互作用研究地层性质中子源分两种：性质中子源分两种：Ø同位素同位素( (连续连续) )中子源：一般为中子源：一般为Am-BeAm-Be源，发射中子能量源，发射中子能量5MeV;5MeV;Ø加速器加速器( (脉冲脉冲) )中子源：一般为中子源：一般为D-TD-T源，发射中子能量源，发射中子能量14MeV14MeV1. 1. 中子与中子源：中子与中子源： p按中子能量将中子分类：按中子能量将中子分类：Ø快中子：快中子：E > 0.5 MeVE > 0.5 MeVØ中能中子：中能中子：1 KeV

此过程称为非弹性散射处于激量较低的中子，原子核处于激发态此过程称为非弹性散射处于激发态的原子核以发射发态的原子核以发射γγ射线的方式释放能量回到基态，此射线称为射线的方式释放能量回到基态，此射线称为非非弹性散射弹性散射γγ射线射线或或次生次生γγ射线射线；；Ø14MeV14MeV的快中子（脉冲中子）发生此作用的几率很大；的快中子（脉冲中子）发生此作用的几率很大；Ø与不同原子核作用放出的与不同原子核作用放出的γγ射线能量不同，可用于测井，如射线能量不同，可用于测井，如C/OC/O测井测井2 2））快中子对原子核的活化快中子对原子核的活化Ø快中子与稳定原子核快中子与稳定原子核( (靶核靶核) )发生核反应，形成新核素，若这些新核素发生核反应，形成新核素，若这些新核素是放射性的，则称为活化核，此反应即活化核反应放射性核素衰变是放射性的，则称为活化核，此反应即活化核反应放射性核素衰变产生的产生的γ射线叫射线叫活化活化γ射线射线；；Ø不同原子核活化后放出的不同原子核活化后放出的γγ射线能量不同，用于测井即射线能量不同，用于测井即中子活化测井中子活化测井中国石油大学（华东）2024/9/185（（3 3））快中子的弹性散射快中子的弹性散射Ø快中子与岩石中的原子核快中子与岩石中的原子核( (靶核靶核) )发生碰撞后，系统总动能不变，中子发生碰撞后，系统总动能不变，中子能量降低，速度减慢，它损失的能量成为靶核的动能，靶核仍处基态；能量降低，速度减慢，它损失的能量成为靶核的动能，靶核仍处基态；Ø经过多次弹性散射后，快中子减速为热中子，因此此过程也称为快中经过多次弹性散射后，快中子减速为热中子，因此此过程也称为快中子减速过程；子减速过程；Ø不同原子核对快中子的减速能力不同，用不同原子核对快中子的减速能力不同，用弹性散射截面弹性散射截面来衡量：来衡量：l微观弹性散射截面微观弹性散射截面σσs s：一个中子与原子核发生弹性散射的几率：一个中子与原子核发生弹性散射的几率l宏观弹性散射截面宏观弹性散射截面ΣΣs s：：1cm1cm3 3物质的原子核物质的原子核σσs s之和之和Ø沉积岩常见核素中氢是快中子最好的减速剂（见课本图表），而地层沉积岩常见核素中氢是快中子最好的减速剂（见课本图表），而地层中的氢主要在孔隙中的地层流体内，由此发展了中的氢主要在孔隙中的地层流体内，由此发展了中子孔隙度测井中子孔隙度测井。

中国石油大学（华东）2024/9/186（（4 4））热中子的俘获反应热中子的俘获反应Ø快中子减速形成热中子后不再减速，而是在介质中由热中子密度大的快中子减速形成热中子后不再减速，而是在介质中由热中子密度大的区域向密度小的区域扩散，直到被介质原子核俘获；区域向密度小的区域扩散，直到被介质原子核俘获；Ø原子核俘获热中子而形成激发态的原子核原子核俘获热中子而形成激发态的原子核( (复核复核) )，放出，放出γ射线回到基态，射线回到基态，所产生的所产生的γ射线称为射线称为俘获伽马俘获伽马或或中子伽马中子伽马；；Ø不同原子核对热中子的俘获能力不同，用不同原子核对热中子的俘获能力不同，用俘获截面俘获截面来衡量：来衡量：l微观俘获截面微观俘获截面σσ：一个原子核俘获热中子的几率：一个原子核俘获热中子的几率l宏观俘获截面宏观俘获截面ΣΣa a：：1cm1cm3 3物质的原子核物质的原子核σσ之和之和Ø沉积岩常见核素中氯对热中子的俘获能力最强（见课本图表），而地沉积岩常见核素中氯对热中子的俘获能力最强（见课本图表），而地层中的氯主要存在于地层水内，利用此反应可区分油气和水；层中的氯主要存在于地层水内，利用此反应可区分油气和水；Ø热中子寿命热中子寿命：热中子从生成开始到被俘获吸收为止经历的平均时间：：热中子从生成开始到被俘获吸收为止经历的平均时间： （（v v是热中子移动速度，常温是热中子移动速度，常温25℃25℃下为下为0.22cm/μs0.22cm/μs））Ø测量俘获伽马的测井方法即测量俘获伽马的测井方法即中子伽马测井中子伽马测井；测量中子寿命或宏观俘获；测量中子寿命或宏观俘获截面的测井方法为截面的测井方法为中子寿命测井中子寿命测井。

中国石油大学（华东）2024/9/187中子的几种主要反应示意图中子的几种主要反应示意图中国石油大学（华东）2024/9/1883. 3. 中子的探测：中子的探测：Ø中子的测量包括热中子和超热中子；中子的测量包括热中子和超热中子；Ø利用热中子或超热中子与探测器物质原子核发生核反应，放出电利用热中子或超热中子与探测器物质原子核发生核反应，放出电离能力很强的带电粒子（离能力很强的带电粒子（α, pα, p等）引起电脉冲来记录；等）引起电脉冲来记录；Ø目前应用较广的包括目前应用较广的包括硼硼探测器、含探测器、含锂锂闪烁计数管、闪烁计数管、HeHe3 3计数管等；计数管等；Ø探测超热中子和热中子的区别：前者因计数效率较低，需在外层探测超热中子和热中子的区别：前者因计数效率较低，需在外层加镉做为屏蔽层吸收掉热中子，内层加石蜡把要计数的超热中子加镉做为屏蔽层吸收掉热中子，内层加石蜡把要计数的超热中子减速为热中子后再计数减速为热中子后再计数中国石油大学（华东）2024/9/1896.1 6.1 中子中子测井的核物理基井的核物理基础6.2 6.2 中子孔隙度中子孔隙度测井井6.3 6.3 中子寿命中子寿命测井井6.4 6.4 其它脉冲中子其它脉冲中子测井井第六章第六章 中子测井中子测井中国石油大学（华东）2024/9/1810p在地下在地下储集集层中，孔隙空中，孔隙空间一般都充一般都充满了流体。

无了流体无论水、油和气水、油和气都含有都含有氢，而岩石的骨架部分基本不含，而岩石的骨架部分基本不含氢，因而通，因而通过测量岩石的量岩石的含含氢量，可以确定岩石孔隙度量，可以确定岩石孔隙度p不同核素不同核素组成的不同岩性地成的不同岩性地层在孔隙度相同在孔隙度相同时对快中子的减速能快中子的减速能力不同；力不同；氢是地是地层中减速能力最中减速能力最强的核素，的核素，远远超超过其它核素；其它核素；p因此因此氢含量决定了地含量决定了地层减速能力，而减速能力，而氢主要存在于孔隙流体中主要存在于孔隙流体中对减速减速产生的超生的超热中子或中子或热中子中子计数，即可反映岩数，即可反映岩层的孔隙度的孔隙度p中子孔隙度中子孔隙度测井是重要的岩性井是重要的岩性- -孔隙度孔隙度测井方法之一，包括超井方法之一，包括超热中子中子测井（井壁中子井（井壁中子SNPSNP）和）和热中子中子测井（井（补偿中子中子CNLCNL）两种6.2 6.2 中子孔隙度测井中子孔隙度测井中国石油大学（华东）2024/9/18111. 1. 影响中子计数率的因素影响中子计数率的因素Ø超超热中子的分布只与含中子的分布只与含氢量有量有关，基本不受俘关，基本不受俘获影响；影响；Ø热中子的空中子的空间分布既与岩分布既与岩层的的含含氢量有关，又与含量有关，又与含氯量有量有关；关；Ø孔隙度越大，含孔隙度越大，含氢越多，越多，测井井时计数率越低；数率越低；Ø通通过热中子中子计数反映岩数反映岩层含含氢量，量，进而反映孔隙度而反映孔隙度时，，氯就是干就是干扰因素。

因素补偿中子中子测井的井的““补偿””就是就是补偿掉掉氯的影响中国石油大学（华东）2024/9/18122. 2. 超热中子测井（井壁中子超热中子测井（井壁中子SNPSNP））Ø φ越大，源附近的超热中子越多；反之，越大，源附近的超热中子越多；反之， φ越小，较远处空间中的超热越小，较远处空间中的超热中子计数率就越大；中子计数率就越大；Ø 测井时采用正源距，因此测井时采用正源距，因此φ越大热中子计数率越大热中子计数率N N越小越小, , φ越小越小N N越大；越大；Ø 采用贴井壁测量方式，因此又称井壁中子测井采用贴井壁测量方式，因此又称井壁中子测井SNPSNP或或SWNSWN3. 3. 热中子测井（补偿中子热中子测井（补偿中子CNLCNL））Ø用长、短源距两个中子探测器得到两个计数率用长、短源距两个中子探测器得到两个计数率Nt(rNt(r1 1) )、、Nt(rNt(r2 2) )，根据用石，根据用石灰岩刻度的仪器得到的计数率比值灰岩刻度的仪器得到的计数率比值Nt(rNt(r1 1)/Nt(r)/Nt(r2 2) )与石灰岩孔隙度与石灰岩孔隙度φφN N的关的关系系，直接给出石灰岩刻度的孔隙度测井曲线；，直接给出石灰岩刻度的孔隙度测井曲线；Ø当源距当源距r r足够大时，计数率比值足够大时，计数率比值Nt(rNt(r1 1)/Nt(r)/Nt(r2 2) ) 只与减速性质有关，基本不受俘获性质影响：只与减速性质有关，基本不受俘获性质影响： （（ r r1 1、、r r2 2为源距，为源距，L Ls s为减速长度为减速长度 ））中国石油大学（华东）2024/9/18134. 4. 测井曲线测井曲线Ø刻度刻度：中子孔隙度曲线是针对一种特定的骨架岩性按线性孔隙度单位记：中子孔隙度曲线是针对一种特定的骨架岩性按线性孔隙度单位记录的。

如录的如SchlumbergerSchlumberger的伽马的伽马- -中子组合仪中子组合仪GNTGNT的一级刻度标准由休斯顿的一级刻度标准由休斯顿的的APIAPI中子刻度井确定：把中子刻度井确定：把GNTGNT仪器在孔隙度为仪器在孔隙度为1919％的含水石灰岩中的测％的含水石灰岩中的测井响应定义为井响应定义为1000API1000APIØ测井响应测井响应：由于采用视石灰岩刻度，表：由于采用视石灰岩刻度，表现为非线性响应（如图）现为非线性响应（如图）Ø探测深度探测深度：：指的是从中子源出发又能到指的是从中子源出发又能到达探测器的中子在地层中渗入的平均深达探测器的中子在地层中渗入的平均深度，这个深度的大小由地层含氢量决定，度，这个深度的大小由地层含氢量决定，非固定值含氢量越大其值越小非固定值含氢量越大其值越小Ø曲线单位曲线单位：：API API 刻度使用以前，采用每秒计数现在，测井曲线直接刻度使用以前，采用每秒计数现在，测井曲线直接使用孔隙度单位（使用孔隙度单位（% %或或PUPU）中国石油大学（华东）2024/9/1814““挖掘效应挖掘效应””现象：现象： 对快中子的减速除主要取对快中子的减速除主要取决于氢外，实际上岩石骨架也决于氢外，实际上岩石骨架也起作用，只是其减速能力太差起作用，只是其减速能力太差而在计算中被忽略。

含天然气而在计算中被忽略含天然气时，天然气的氢浓度太低，以时，天然气的氢浓度太低，以至于即使把它的体积看作岩石至于即使把它的体积看作岩石骨架仍不足以说明其影响骨架仍不足以说明其影响( (减速减速能力比骨架还差能力比骨架还差) )，使测量的中，使测量的中子孔隙度值偏小子孔隙度值偏小中子和密度测井的探测深度比较中子和密度测井的探测深度比较中国石油大学（华东）2024/9/18155. 5. 主要应用主要应用p确定地确定地层孔隙度孔隙度 测井井给出了石灰岩刻度的出了石灰岩刻度的φφN N曲曲线，其它岩性，其它岩性时需校正p与密度与密度测井交会求孔隙度、确定岩性井交会求孔隙度、确定岩性 参看参看课本本P150P150和和P154P154的的图，具体将在解，具体将在解释部分介部分介绍pφφD D ––φφN N曲曲线重叠直重叠直观确定岩性确定岩性（（视石灰岩刻度）石灰岩刻度）Ø砂砂 岩：岩： φφD D > φ> φ真真 >φ>φN NØ石灰岩：石灰岩： φφD D ＝＝ φφ真真 ＝＝φφN NØ白云岩：白云岩： φφD D < φ< φ真真 <φ<φN Np石灰岩孔隙度曲石灰岩孔隙度曲线φφD D ––φφN N重叠，定性判断气重叠，定性判断气层天然气使天然气使φφD D增大增大( (ρρb b减小减小) )，， φφN N减小。

声波时差增大）减小声波时差增大） 【【注意总结天然气的测井响应特征注意总结天然气的测井响应特征】】中国石油大学（华东）2024/9/1816中子与密度测井曲线中子与密度测井曲线重叠法划分岩性重叠法划分岩性中国石油大学（华东）2024/9/1817几个判断岩性的例子几个判断岩性的例子灰灰岩岩砂砂岩岩泥泥岩岩中国石油大学（华东）2024/9/18186. 6. 中子伽马测井中子伽马测井p热中子被俘获，产生伽马射线，称为俘获伽马或中子伽马，热中子被俘获，产生伽马射线，称为俘获伽马或中子伽马，记录此射线强度的测井就是中子伽马测井；记录此射线强度的测井就是中子伽马测井；p是最早使用的核测井方法之一，测量简单方便（不贴井壁）是最早使用的核测井方法之一，测量简单方便（不贴井壁），定性应用较有效，目前仍有使用定性应用较有效，目前仍有使用p主要应用：主要应用：Ø划分气层：气层比油水层显示更高的中子伽马计数率；划分气层：气层比油水层显示更高的中子伽马计数率；Ø确定油水界面：高矿化度水层的中子伽马计数率明显大于确定油水界面：高矿化度水层的中子伽马计数率明显大于油层；油层；Ø估算孔隙度：利用经验公式。

估算孔隙度：利用经验公式中国石油大学（华东）2024/9/1819中国石油大学（华东）2024/9/18206.1 6.1 中子中子测井的核物理基井的核物理基础6.2 6.2 中子孔隙度中子孔隙度测井井6.3 6.3 中子寿命中子寿命测井井6.4 6.4 其它脉冲中子其它脉冲中子测井井第六章第六章 中子测井中子测井中国石油大学（华东）2024/9/1821Ø中子寿命中子寿命：热中子从生成到被俘获吸收为止经历的平均时间也称：热中子从生成到被俘获吸收为止经历的平均时间也称为热中子衰减时间（为热中子衰减时间（TDTTDT）Ø快中子减速变为热中子的过程主要跟地层中的快中子减速变为热中子的过程主要跟地层中的含氢量含氢量有关，而热中有关，而热中子被俘获则主要与地层中子被俘获则主要与地层中含氯量含氯量有关1. 1. 中子寿命中子寿命2. 2. 测井原理测井原理Ø 热中子扩散方程：热中子扩散方程：Ø 由由T T1 1、、T T2 2时刻计数率对数的比值可得到中子寿命时刻计数率对数的比值可得到中子寿命 τ ：：Ø 取一定时间间隔取一定时间间隔ΔTΔT（时窗）（时窗）, ,由由N N1 1、、N N2 2即可算出即可算出 τ τ 或或 ΣΣ。

6.3 6.3 中子寿命测井中子寿命测井中国石油大学（华东）2024/9/18223. 3. 测井曲线测井曲线p测井得到测井得到 τ τ 或或 ΣΣ曲线；曲线；p探测范围约为探测范围约为3535～～50cm50cm中国石油大学（华东）2024/9/1823Ø中子寿命测井主要用来区分油水层：盐中子寿命测井主要用来区分油水层：盐水层（高矿化度水层）比油层的含氯量水层（高矿化度水层）比油层的含氯量大，因此比油层的宏观俘获截面大，而大，因此比油层的宏观俘获截面大，而中子寿命小；中子寿命小；Ø可以求含水饱和度可以求含水饱和度S Sw w，特别是地层水含，特别是地层水含盐量较高时效果较好是套管井中地层盐量较高时效果较好是套管井中地层评价的主要方法之一：评价的主要方法之一：中子寿命测井中子寿命测井确定油水界面变化的实例确定油水界面变化的实例4. 4. 资料应用资料应用中国石油大学（华东）2024/9/18246.1 6.1 中子中子测井的核物理基井的核物理基础6.2 6.2 中子孔隙度中子孔隙度测井井6.3 6.3 中子寿命中子寿命测井井6.4 6.4 其它脉冲中子其它脉冲中子测井井第六章第六章 中子测井中子测井中国石油大学（华东）2024/9/18251. 1. 碳氧比碳氧比测井（井（C/OC/O））Ø是非弹性散射伽马能谱测井的一种；是非弹性散射伽马能谱测井的一种；Ø岩石常见的核素中，岩石常见的核素中，C C1212和和O O1616都具有较大的快中子非弹性散射都具有较大的快中子非弹性散射截面，产生的次生伽马射线能量较高；截面，产生的次生伽马射线能量较高；ØC C1212和和O O1616分别为油、气和水的很好的指示核素；分别为油、气和水的很好的指示核素；Ø选择测量地层中碳和氧产生的次生伽马能谱，取其比值，称选择测量地层中碳和氧产生的次生伽马能谱，取其比值，称碳氧比能谱测井；碳氧比能谱测井；Ø可用来确定含油饱和度、划分水淹层等，是水淹层测井评价可用来确定含油饱和度、划分水淹层等，是水淹层测井评价的重要方法之一。

的重要方法之一6.4 6.4 其它脉冲中子测井其它脉冲中子测井中国石油大学（华东）2024/9/1826C/OC/O实验室刻度确定饱和度实验室刻度确定饱和度C/OC/O能谱测井判断水淹层实例能谱测井判断水淹层实例中国石油大学（华东）2024/9/18272. 2. 中子活化中子活化测井井Ø岩石常见核素中，岩石常见核素中，硅硅SiSi2828、、钙钙CaCa4848、、铝铝AlAl2727和和氯氯ClCl3737等可分别等可分别做为砂岩、碳酸盐岩、泥岩和地层水的指示核素，活化测井做为砂岩、碳酸盐岩、泥岩和地层水的指示核素，活化测井主要测量这些核素与快中子发生活化反应放出的活化伽马射主要测量这些核素与快中子发生活化反应放出的活化伽马射线强度；线强度；Ø实际测井时常测量它们的比值；实际测井时常测量它们的比值；Ø主要用于判断岩性、区分油水层、计算泥质含量等主要用于判断岩性、区分油水层、计算泥质含量等。