1、第九章 中子測(cè)井 （Neutron logging）,中子測(cè)井,主要用于識(shí)別巖性，計(jì)算孔隙度、飽和度（套管井）,利用中子源照射地層（向地層發(fā)射中子）,用中子探測(cè)器或伽馬探測(cè)器探測(cè)中子與地層的相互作用后的中子或伽馬射線,主要測(cè)井方法有：中子孔隙度測(cè)井、中子壽命測(cè)井、次生伽馬能譜測(cè)井(C/O)、元素俘獲譜測(cè)井（ECS),1 中子測(cè)井的核物理基礎(chǔ),一、中子和中子源,1.中子：半衰期為11.7分鐘，由核反應(yīng)產(chǎn)生。,高能中子： En 10MeV 快中子： 10KeV 10MeV 中能中子： 100eV 10KeV 慢中子： 0.03eV 100eV,2.中子源：由核反應(yīng)產(chǎn)生中子的裝置，分為連續(xù)中子源和脈

2、沖中子源,（1）連續(xù)中子源（同位素中子源）：,镅-鈹中子源：,特點(diǎn):體積小,制備簡(jiǎn)單,連續(xù)發(fā)射中子,使用方便,中子源強(qiáng)度：源單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的中子數(shù),（2）脈沖中子源（加速器中子源，中子管）,優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)度高，發(fā)射單色中子，可人為控制（產(chǎn)生脈沖中子）,缺點(diǎn)：壽命短，一般只有幾百個(gè)小時(shí),核聚變（核能）,較輕的原子核聚合成較重的原子核而釋放能量,最常見是氘和氚聚合成較重的氦，釋放出能量,理論上，公斤氘和公斤鋰（通過鋰可以得到氚）發(fā)的電相當(dāng)于萬(wàn)噸煤,通過電解海水，可以得到大量的氘；鋰也要從海水里提取，但要比提取氘難度大,地球上海水中有45萬(wàn)億噸氘，足夠人類使用60億年,2006年，中國(guó)、印度、日本、俄羅斯

3、、韓國(guó)、美國(guó)和歐盟的代表在法國(guó)(反應(yīng)堆地址所在國(guó))簽署國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆計(jì)劃（）聯(lián)合實(shí)施協(xié)定，總投資額為100億歐元,歐盟承擔(dān)50，其余6方承擔(dān)50 ;預(yù)計(jì)35年,創(chuàng)造可控制的產(chǎn)生聚變的物理?xiàng)l件：氘和氚的混合氣體被加熱到一億度以上,“托卡馬克”型磁場(chǎng)約束法利用巨大環(huán)形超導(dǎo)磁場(chǎng)，對(duì)等離子體進(jìn)行加熱、約束,二、中子與地層的作用,（一）快中子的非彈性散射,1、概念,2、非彈性散射（微觀）截面,一個(gè)中子與單位面積上的靶核發(fā)生非彈性散射的幾率，單位是靶恩，即10-24cm2,快中子被靶核吸收,再放出一個(gè)較慢的中子, 激發(fā)態(tài)的靶核一般發(fā)射光子后回到基態(tài)。中子的能量必須大于靶核的最低激發(fā)能級(jí)才能發(fā)生非彈

4、性散射,（隨中子能量增大及靶核質(zhì)量數(shù)的增大而增大）,3、中子非彈性散射的應(yīng)用,與不同原子核發(fā)生非彈性散射,產(chǎn)生的射線能量不同,選擇記錄具有某些特征能量值的射線強(qiáng)度,可測(cè)出相應(yīng)核素的相對(duì)含量。,（二）快中子對(duì)核的活化,快中子與某些穩(wěn)定核素發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生的新核是放射性核素（稱為活化核）, 衰變產(chǎn)生 或 ,活化伽馬射線的強(qiáng)度很低且變化較慢,與自然伽馬一起作為非彈性伽馬及俘獲伽馬的本底計(jì)數(shù),（三）快中子的彈性散射及減速過程,1、快中子的彈性散射,中子與原子核發(fā)生碰撞前后,系統(tǒng)的總動(dòng)能不變,中子所損失的能量全部轉(zhuǎn)變?yōu)樵雍说膭?dòng)能,而原子核仍處于基態(tài),快中子經(jīng)過非彈性散射后，降低了能量，沒有足夠的能量再發(fā)

5、生非彈性散射時(shí)，它和原子核碰撞時(shí)就只能發(fā)生彈性散射而繼續(xù)減速,一次彈性散射，中子可能的最大能量損失為：,A：靶核的質(zhì)量數(shù)，E0：入射中子的初始能量,氫核，A=1，中子與氫核發(fā)生正碰撞時(shí)，中子將失去的最大能量是全部動(dòng)能,碳核, A=12，中子與碳核發(fā)生正碰撞時(shí)，中子可能損失的最大能量是0.284 E0,中子與靶核每次彈性碰撞時(shí)，平均能量損失為：,靶核質(zhì)量數(shù)A越小，中子的能量損失越大,氫核A=1，中子與氫核彈性碰撞時(shí)失去能量最多（平均失去50%的能量），而與碳核碰撞時(shí)，每次碰撞平均損失14%的能量。氫核對(duì)中子的減速能力最強(qiáng)。,2、快中子減速距離Le,減速距離Le:快中子由初始能量E0 減速到能量為

6、En=0.025eV的熱中子,移動(dòng)的直線距離R,（四）熱中子擴(kuò)散和被俘獲,1、熱中子的擴(kuò)散：,熱中子從中子密度大的區(qū)域向中子密度小的區(qū)域擴(kuò)散，直至被介質(zhì)的原子核俘獲為止。,熱中子:溫度25時(shí)，能量為0.025eV，速度為2.2105cm/s,2、輻射俘獲核反應(yīng),靶核俘獲一個(gè)熱中子后成為激發(fā)態(tài)的復(fù)核，放出光子后回到基態(tài)，反應(yīng)中放出的射線稱為俘獲射線,不同原子核俘獲熱中子放出的俘獲射線能量不同,測(cè)量地層中俘獲伽馬總強(qiáng)度中子伽馬測(cè)井,測(cè)量特定能量的俘獲伽馬俘獲伽馬能譜測(cè)井,3、宏觀俘獲截面及熱中子壽命,宏觀俘獲截面a：1cm3的介質(zhì)中所有原子核微觀俘獲截面的和,地層中常見核素的宏觀俘獲截面：,Cl

7、H C O Mg Al Si Ca B 31.6 0.329 0.0045 0.0016 0.46 0.215 0.13 0.43 710,熱中子的壽命：中子從變?yōu)闊嶂凶拥乃查g起，到被吸收的時(shí)刻止，所經(jīng)過的平均時(shí)間。,4、超熱中子和熱中子通量的空間分布,中子通量：每秒鐘內(nèi)通過1cm3巖石的中子數(shù),中子探測(cè)器的計(jì)數(shù)率與中子通量成正比,超熱中子的通量：,熱中子的通量：,Le為快中子減速長(zhǎng)度，Lt為熱中子的擴(kuò)散長(zhǎng)度,De、Dt為快中子和熱中子的擴(kuò)散系數(shù),5、(超)熱中子計(jì)數(shù)率與源距、孔隙度關(guān)系,對(duì)孔隙度靈敏度為零的 L 稱為零源距 大于零源距，稱為正源距 小于零源距，稱為負(fù)源距,（1）L 較小時(shí)，孔

8、隙度（含氫量）越高計(jì)數(shù)率越高,（2）L 較大時(shí)，孔隙度越高計(jì)數(shù)率越低,三、 中子的探測(cè),利用以上反應(yīng)產(chǎn)生的或p粒子使探測(cè)器的計(jì)數(shù)管氣體電離形成電脈沖信號(hào)，或使探測(cè)器的閃爍體形成閃爍熒光產(chǎn)生電脈沖信號(hào)，記錄中子,2 中子孔隙度測(cè)井,一、測(cè)量原理,2、用中子探測(cè)器探測(cè)熱中子或超熱中子,得到計(jì)數(shù)率,3、計(jì)數(shù)率的大小主要決定于地層的含氫量,4、在淡水石灰?guī)r刻度井中建立計(jì)數(shù)率與孔隙度的轉(zhuǎn)換關(guān)系,1、由中子源產(chǎn)生5MeV的快中子,5、用轉(zhuǎn)換關(guān)系得到的孔隙度稱為視石灰?guī)r中子孔隙度,二、物質(zhì)的含氫指數(shù)H,1.含氫指數(shù)H定義：,2.含氫指數(shù)H的表達(dá)式：,1cm3物質(zhì)中的氫核數(shù)與1cm3淡水中氫核數(shù)的比值,1cm

9、3物質(zhì)中的氫核數(shù)：,x 每個(gè)分子中的氫原子數(shù) K 待定系數(shù),對(duì)于淡水：H=1，而x=2，M=18,因此物質(zhì)的含氫指數(shù)可由下式確定：,代入得：H=kNa2/18=1，所以：kNa,3.油氣的含氫指數(shù),油氣的分子式：CHx 分子量：12+x 密度：h,對(duì)于石油（CnHnx): 密度00.25,如果0=0.85,H0=1.034,對(duì)于天然氣（CH4)：,4.飽和淡水純石灰?guī)r的含氫指數(shù)：,孔隙度既是含氫指數(shù),，對(duì)淡水石灰?guī)r,中子測(cè)井儀在飽含淡水的純石灰?guī)r（孔隙度已知）刻度井中將熱中子或者超熱中子計(jì)數(shù)率刻度為孔隙度，記為N，常稱中子孔隙度或視石灰?guī)r中子孔隙度（即含氫指數(shù)）,對(duì)飽含淡水的純石灰?guī)r： N =

10、 對(duì)飽含淡水的純砂巖： N ,5.與有效孔隙度無關(guān)的含氫指數(shù),（1）泥質(zhì)：因含束縛水和結(jié)晶水，因而有很高的含氫指數(shù)。大小由泥質(zhì)孔隙體積和粘土礦物成分決定,（2）石膏：,（3）巖性影響：儀器以純石灰?guī)r為標(biāo)準(zhǔn)刻度時(shí) 石灰?guī)r骨架： H = 0 砂巖骨架： H = -0.01 -0.05 白云巖骨架： H = 0.01 0.085,（4）氣的影響（挖掘效應(yīng)影響）,因中子測(cè)井的探測(cè)范圍是沖洗帶，所以當(dāng)沖洗帶有殘余氣時(shí)，對(duì)純石灰?guī)r，其含氫指數(shù)為：,測(cè)井時(shí)會(huì)出現(xiàn) ：,N SXO=XO,當(dāng)Hh=0,即把含天然氣的孔隙體積當(dāng)作石灰?guī)r骨架處理時(shí)N還小于XO，說明天然氣對(duì)快中子的減速能力比石灰?guī)r骨架還差，所以顯示為

11、負(fù)的含氫指數(shù)，把天然氣對(duì)中子測(cè)井的這種影響稱為挖掘效應(yīng),應(yīng)該：N SXO(=XO),Hw=1, Hh0,N= V3 Hw= 3,N V3 Hw= 3,三、補(bǔ)償（熱中子）中子孔隙度測(cè)井(CNL),同位素中子源：產(chǎn)生5MeV快中子 近探測(cè)器（35 40cm） 遠(yuǎn)探測(cè)器（50 60cm）,中子孔隙度,記錄孔隙度曲線（視石灰?guī)r孔隙度單位）,在石灰?guī)r刻度井中獲得遠(yuǎn)近探測(cè)器計(jì)數(shù)率比值與中子孔隙度的轉(zhuǎn)換關(guān)系,計(jì)數(shù)率比值（克服俘獲影響）,分辨率：長(zhǎng)源距,長(zhǎng)源距（38cm）探測(cè)深度為40cm,短源距（26cm）探測(cè)深度為30cm,探測(cè)深度隨孔隙度增大而減小,儀器的探測(cè)特性,3 熱中子壽命測(cè)井（NLL）,（自學(xué)）

12、,一、基本原理,脈沖中子源:,發(fā)射14MeV的快中子脈沖,伽馬能譜儀:,測(cè)量非彈性散射伽馬及俘獲伽馬能譜數(shù)據(jù)，處理后得到碳氧比或硅鈣比等曲線,優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算含水飽和度與礦化度無關(guān),缺點(diǎn)：測(cè)速非常低，儀器昂貴，探測(cè)深度淺,4 次生伽馬能譜測(cè)井,BGO非彈性散射伽馬能譜圖（儀器譜）,1. C 、O、Si、Ca的非彈性散射伽馬能譜,BGO俘獲伽馬能譜圖（儀器譜）,2. H、Si、Cl、Ca、Fe的俘獲伽馬能譜,二、次生伽馬能譜的測(cè)量,阿特拉斯公司（與自然伽馬能譜類似）,對(duì)給定的核素開設(shè)能窗,還原數(shù)據(jù)處理,記錄Si計(jì)數(shù)率曲線（俘獲），Si,Ca計(jì)數(shù)率比值曲線（俘獲），Ca,Si計(jì)數(shù)率比值（非彈），C,O比計(jì)數(shù)率比值（非彈）,1.,2.斯倫貝謝公司（GST）,測(cè)量非彈性散射伽馬及俘獲伽馬的儀器譜,輸出的各種比值曲線及其意義,四、次生伽馬能譜測(cè)井的應(yīng)用,非彈性模式：13 25cm 俘獲模式： 20 30cm,探測(cè)深度：,1.COR(c/o)曲線的解釋,建立經(jīng)驗(yàn)公式,如大慶油田對(duì)鍺譜儀建的砂巖公式,元素俘獲(ECS)測(cè)井簡(jiǎn)介,1.儀器結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理:,AmBe中子源,發(fā)射5Mev的中子,鍺酸鉍 BGO閃爍晶體探測(cè)器(對(duì)高能的伽馬光子探測(cè)效率高),記錄非彈性散射伽馬和俘獲伽馬能譜,解非彈性散射伽馬譜,得到C,O,Si