《地球物理测井》-第3章 中子孔隙度测井

第3章 同位素中子源测井 放射性中子源 发射的中子能量只有几MeV,中子与地层的相互作用过程为弹性散射、俘获辐射和

热中子活化核反应。 根据测量对象的不同，分为超热中子测井、热中 子测井和中子伽马测井；最早出现的是中子伽马 测井，先用盖革米勒计数管，后又出现闪烁体探 测器；随着中子探测器，尤其是He-3计数管的应

用，超热中子和热中子测井问世。

第3章 同位素中子源测井 一、中子与地层的作用及扩散理论 1、中子与地层物质原子核的作用 (1)弹性散射

中子与原子核发生碰撞后，系统的总动能不变，中子所损失的能量全部转变为反冲核的动能，剩余核处于 基态 ； 中子通过弹性碰撞损失能量的过程，不会伴随伽马射 线产生；

第3章 同位素中子源测井 每次弹性碰撞快中子损失的能量与靶核的质量数

A,碰撞前中子的能量及散射角有关； 氢核和中子弹性碰撞时损失的能量最大，氢是最

好的中子减速剂。 (2)辐射俘获核反应

靶核俘获一个热中子而变为激发态的核，然后复核放出一个或几个光子，回到基态，这就是辐射 俘获反应。

第3章 同位素中子源测井 氢俘获一个热中子后会放出能量为2.23MeV的伽 马射线，微观截面为0.332b;

氯原子核俘获热中子后放出的主要伽马射线有：1.17、1.95、6.11、6.62和 7.42MeV,在常见地层

核素中俘获能力最强； 硅俘获热中子放出的伽马射线：3.54MeV和 4.93MeV; 钙俘获热中子放出的伽马射线有：1.94、4.42和 6.42MeV。

第3章 同位素中子源测井 (3)活化反应

快中子和热中子都能使原子核活化，使稳定核素转变为放射性核素，这些核素成为活化核按其固

有的半衰期进行衰变，并释放出β或γ粒子，这种反应称为中子活化反应。

第3章 同位素中子源测井 2、含氢指数 地层对快中子的减速能力主要决定于它的含氢量。 在中子测井中，将淡水的含氢量规定为一个单位，

而1cm3任何岩石或矿物中的氢核数与同样体积的淡水的氢核数的比值定义为它的含氢指数，用H或者

HI来表示，与单位体积中介质的氢核数成正比。

第3章 同位素中子源测井 (1)含氢指数的表达公式 对于化合物，其含氢原子核数目为：N N A x M

其中NA为阿伏伽德罗常数，x为一个化合物分子中含有的氢原子数，ρ为化合物的密度，M为化合

物的摩尔质量。H k( N A x M )

第3章 同位素中子源测井 对于淡水，其含氢指数可以表示为：H k( N A x M ) kN 2 1A

1 9

kN

18

A

1

则有

kN A 9

化合物的含氢指数为：

H 9

x M

第3

章 同位素中子源测井 (2)原油和天然气的含氢指数 液态烃的含氢指数与淡水接近，而天然气(分子式 为)的氢浓度很低，并且随温度和压力而变化， 含氢指数很小。

烃的分子式为 nCHH 9 nx

x

,其含氢指数可以写为： 9 x 12 x

n(12 x)

第3章 同位素中子源测井 甲烷(CH4)的含氢指数为：H 9 x 12 x

CH 94

4 12 4

CH 2.25 CH4

4

原油(CH2)的含氢指数为：H 9 x 12 x

O 9

2 12 2

O 1 . 286 O

若原油密度为0.85g/cm3,含氢指数为1.09;地 层条件下若天然气密度为0.2g/cm3,含氢指数为 0.45。

第3章 同位素中子源测井 (3)与有效孔隙度无关的含氢指数

对于石膏，其分子式为 CaSO2.32g/cm3,则有H 9 x M 9 4 2.32

4

2H 2O

,密度为

40 32 64 36

0.49

泥质：主要包括束缚水、粘土矿物结晶水等，因此泥质具有很高的含氢指数，主要取决于泥质孔

隙体积和矿物成分，一般可达0.15~0.3。

第3章 同位素中子源测井 (4)与岩性有关的等效含氢指数 对快中子减速其主要作用的是氢，但其他原子核也有 减速作用。 假设能量为2MeV的中子要热化成热中子，选用不同

的减速剂所需要的热化碰撞次数相差很大，1H核：18.2, 12C核：114,16O核：150;而能量为1MeV的 中子热化成热中子，28Si核：244;40Ca核：340。 因此岩石骨架虽然不含氢，但具有等效的含氢指数。

第3章 同位素中子源测井 (5)孔隙性纯岩石地层的含氢指数 孔隙度为φ、充满淡水的纯岩石含氢指数表达式为：H H ma (1 ) HW

中子测井时测得的孔隙度实质上就是等效含氢指数； 刻度条件：使饱含淡水石灰岩地层的含氢指数等于充 淡水孔隙度，则石灰岩地层H 其他岩性地层，需要进行岩性校正；只有岩性、孔隙 流体、井眼条件与仪器刻度条件相同时含氢指数等于 总孔隙度。H ma 0

第3章 同位素中子源测井 (6)挖掘效应

与饱含淡水的地层相比，地层含有天然气时，一部分孔隙空间的水被气代替，不仅含氢指数减小，

而且还会造成岩石对快中子的减速能力，即天然气使中子孔隙度减小的量比含氢指数减小的量还 要小，相等于挖掘了一定体积的骨架，生成了一 个负的含氢指数附加值，这一效应称为挖掘效应。

第3章 同位素中子源测井中子能量从E0变到1.44eV时相应的中子减速长度中子能量/MeV H(γg=1) 0.725~0.865 0.603~0.707 0.463~0.52 C(ρ=1.6) 19.2~19.8 17.7~18.2 15.9~16.2 O(γg=1) 56.8~62.6 48.6~50.0 42.2~42.6 H2O 6.4 5.3 3.8 D2O 10.5~11.9 10.1~10.9 9.7~10.2

3.0 2.0 1.0

0.50 0.250.10

0.375~0.41

1 0.328~0.3520.293~0.309

14.7~15.0 13.7~14.113.2~13.3

38.6~39.1 37.9~38.236.8~37.1

3.1 2.72.4

9.4~9.9 9.1~9.58.8~9.2

第3章 同位素中子源测井 挖掘效应的大小与岩性、孔隙度、含水饱和度及天

然气的含氢指数有关，天然气的含氢指数越小，气占的孔隙体积越大，挖掘效应的作用就越强。