三、中子测井
中子测井是利用中子和物质的相互作用产生的各种效应来研究井孔剖面的一组测井方法的总称。进行中子测井时，将装有中子源和探测器的仪器放入井孔中。中子源发射出的高能中子射入井中和井孔周围的岩层中。探测器探测记录与周围物质发生了作用的中子或中子与周围物质作用后所发射出的γ射线。如探测记录的是与周围介质作用后形成的热中子，称为中子-中子测井。如探测记录的是中子被周围介质俘获后，其所放出的γ射线则称为中子-γ测井。中子测井通常是利用放射性同位素核衰变时产生的α粒子去轰击Be时所放射出的中子作为中子源。常用的有Am-Be源，半衰期为458年，Po-Be源，半衰期为138d。
中子测井的探测范围、指从中子源发出，且返回探测器的中子在岩层中所能渗入的平均深度。它不是一个固定值。其大小和岩石孔隙率、含氢量等有关。在致密岩石中平均渗入深度约为60cm；在孔隙大的岩层中，中子渗入深度不大于20cm。一般认为在15cm的孔径时，小孔隙地层的探测范围为60cm左右，大孔隙地层中探测范围是20cm左右。
（一）中子与物质原子核的作用
根据原子结构的理论，我们知道中子是中性粒子，其质量为1.6747×10-24g。中子处于自由状态时是不稳定的。它会变成一个质子、一个电子和一个中微子，并放出能量。中子半衰期是12.8min，中子对物质的穿透能力强。按中子所具有的能量可把它分为：快中子（能量大于100keV）；中能中子（能量为100eV～100keV）；慢中子（能量小于100eV）。慢中子还可再分为超热中子（0.1～100eV）和热中子（平均能量处于0.025eV）。
中子测井中使用的中子源释放出来的中子的能量不是单一的，而是连续变化的。目前测井工作使用的中子源放射出的中子能量在几至十几兆电子伏特之间，属快中子。这类中子进入岩层与其原子核的作用如下：
1.中子的散射
中子与原子核发生碰撞时，有弹性散射和非弹性散射。当中子与原子核发生弹性碰撞时，遵循动量守恒和能量守恒定律，中子被碰撞后改变其能量和运动方向。而非弹性散射引起核的激发，原子核除增加了动能外，还从基态跃升到高能级，当其由高能级回迁到基态时，放出γ射线。中子的能量足够大时，才能发生非弹性散射。所以从中子源发出的中子只在最初一两次碰撞时才可能有非弹性碰撞，其后都是弹性散射。
中子与原子核发生碰撞后，能量逐渐损失，最后减速为热中子，直至被吸收。
2.中子的核反应
中子不带电，可以较容易地进入其他物质的原子核。中子进入原子核为其俘获时，使原子核处于激发状态，发生核反应。
最常见的核反应是（n，γ）反应，即原子核俘获中子放出γ射线的反应。大部分同位素都发生这一反应。当中子能量很大时，发生（n，P）反应，即原子核俘获中子后，放出质子和γ射线。在使用快中子时，也发生（n，α）反应，即原子核俘获中子后，放出α射线。还可以发生（n，2α）型反应。
3.中子活化
一些稳定的原子核在中子作用下发生核反应，结果变成新的放射性核。这种现象称为活化。活化后的放射性同位素以其自身的半衰期进行衰变，同时放出放射性射线。我们把活化核衰变时放射出的γ射线叫作次生活化γ射线。活化物放出的γ射线是缓发的，并按指数规律衰减，而中子与核发生反应时所放出的γ射线是瞬发的，随着核反应的发生而发生，随着核反应的结束而终止。
（二）岩石的中子性质和中子测井与岩石所含元素的关系
中子源所释放出的中子与岩石中的原子核发生上述反应，其过程可分为两个阶段：减速阶段——中子减速为热中子，这一阶段主要是中子与原子核发生弹性碰撞；扩散阶段——从形成热中子到中子被俘获，这一阶段里中子断续与原子碰撞，直至被俘获为止。
经研究发现：快中子从中子源发出，与原子核发生碰撞而减速为热中子的平均碰撞次数和与其碰撞的原子核的原子量有关。原子核的原子量越大，所需碰撞次数越多，反之越少。氢核原子量最小，所以中子与氢核碰撞减速为热中子所需碰撞次数最少。因此氢核是最强的减速剂。用减速长度Lf表示由介质减速作用造成的中子空间分布概念。减速长度与中子从初始能量减到热中子时所走过的直线平均距离成正比。岩石中含氢量越大，Lf就越小。
中子和岩石中原子核作用使热中子被俘获时，不同原子核俘获中子的几率不同。B、Hg、Mn、Cd和Cl等有很强的俘获能力。Cl是岩层中最常见的元素，其含量与岩层水中盐含量有关。从热中子形成的位置到它与原子核碰撞被俘获的位置之间的平均直线距离叫扩散长度Ld。物质对热中子的吸收能力越强，Ld就越短。
表10-5给出了一些矿物、岩石的中子性质。
表10-5 一些常见矿物中子性质
图10-59 热中子密度与介质含氢量、源距之间的关系
1—岩层含氢体积为10%；2—岩层含氢体积为20%；3—岩层含氢体积为25%
对于中子-中子测井，观测值是热中子密度。前已述及，热中子密度与岩石中所含氢的多少密切相关。同时仪器读数还与井下仪器的中子源至探测器之间的距离，即源距有关。图10-59给出了岩石不同含氢量条件下热中子密度（N，即次数）的分布。如图10-59所示，在中子源附近（l较小时），热中子密度（N）随含氢量增大而增大。距离中子源较远的地方（l较大时），热中子密度（N）随含氢量增大而减小。从图10-59上我们还可看到不同含氢量的几条热中子密度分布曲线有一交点。在交点处，热中子密度和介质中氢的含量无关，即当源距等于交点处的l值时，测得的热中子密度（N）与介质含氢量多少无关。称这个距离l为零源距。实际测井工作中，源距在35～40cm时，热中子密度与介质含量无关。通常测井时，采用大源距（即选用源距大于零源距），测得的热中子密度随岩层含氢量的增大而减小。根据实验结果得知：热中子密度读数大致和岩层含氢量的对数成比例。
对于中子γ测井，所测得的俘获γ射线强度与源距及岩层含氢量的关系，基本上和测量热中子密度情况相似。但由于Cl原子核俘获中子时，放射出多个高能量的γ量子，岩层含Cl多时，中子-中子测井读数降低，而中子-γ测井读数却增大。
（三）中子测井的应用
1.判断岩性、划分钻孔地质剖面
各类岩石因其结构不同，含氢量也就有所不同，因此可以根据中子测井曲线划分岩性，尤其是配合自然γ测井能取得更好效果。
几种常见岩石的中子测井反应如下：
（1）泥岩。由于泥岩总孔隙率大，含有大量吸着水，所以在中子-中子测井及中子测井曲线上均表现为低数值，特别是泥岩段井径经常扩大，就更降低了其强度值。然而它在自然γ测井曲线上为高值，把两者结合起来，即可划分出泥岩。
（2）致密砂岩、致密灰岩、白云岩和硬石膏。由于它们的孔隙率小，中子-中子测井及中子-γ测井曲线上均对应着高值，而在自然γ测井曲线上为低值。
（3）渗透性砂岩、裂隙发育的石灰岩。当其含低矿化度水时，中子-中子测井和中子-γ测井曲线上的反应为中等数值（自然γ测井曲线上为低值）。当含高矿化度水时，中子-中子测井曲线对应为低数值，而中子-γ测井曲线上对应段为高数值（自然γ测井曲线上为低值）。当其中充满天然气时，中子-中子测井曲线和中子-γ井曲线上均反映出比含油层、含水层的幅值高（自然γ测井曲线上仍为低值）。
（4）岩盐层。由于其中含有大量的Cl元素，中子-中子测井曲线上反应为低数值，中子-γ测井曲线上反应为高数值。
图10-60为应用中子-γ测井曲线划分井孔剖面实例。
图10-60 中子-中子（Jnn）、中子-γ（Jnγ）和自然γ测井曲线与岩性对比
1—泥岩；2—石灰岩；3—泥质灰岩；4—白云岩；5—页岩；6—砂砾岩；7—砂岩；8—无水石膏；9—石膏；10—岩盐
在这个井孔中进行了多种方法的测井工作。图10-60给出了各种测井方法所测得的曲线和对应的岩性剖面。对应于不同岩层，自然γ、中子-中子和中子-γ测井曲线有明显不同反映。在泥岩中，中子-中子和中子-γ测井值低，而自然γ测井值高；在石灰岩或泥质灰岩中，3种曲线值相似，为中等值；页岩与砂砾岩的中子-中子和中子-γ测井值相近，但是页岩的自然γ测井值更高；砂岩与砂砾岩的自然γ和中子-中子测井值相近，但是砂岩的中子-γ测井值更高；石膏与无水石膏的自然γ测井值相近，但是无水石膏的中子-中子和中子-γ测井值更高；岩盐的自然γ和中子-中子测井值都比较低，但是它的中子-γ测井值比较高。由此依中子-中子、中子-γ测井曲线和自然γ测井曲线综合划分了井孔剖面。
2.按照含烃量划分岩性
图10-61 中子孔隙度φn和密度孔隙度φd曲线与岩性及含烃量的对比
①—10%孔隙度的含水灰岩；②、⑤、⑧、⑩—20%含水灰岩；③—20%含水砂岩；④—20%含水白云岩；⑥—20%含油灰岩；⑦—20%含气灰岩；⑨—页岩
图10-61给出了由中子测井和密度测井获得的中子孔隙度φn和密度孔隙度φd曲线和对应的不同含量的烃类岩性剖面，其中GR为自然伽玛测井，Caliper为井径测井。对应于不同含量的烃类和不同的岩层，中子孔隙度和密度孔隙度曲线有明显不同的反映。在砂岩中，中子孔隙度值大于密度孔隙度值；在页岩和白云岩中，中子孔隙度值明显小于密度孔隙度值，且白云岩的孔隙度值整体高于页岩的；在灰岩中，同样是20%的含量，含水灰岩的两种孔隙度值相等，含油灰岩的中子孔隙度值略高于密度孔隙度值，含气灰岩的中子孔隙度值明显高于密度孔隙度值；同样是含水灰岩，10%含量的孔隙度值整体高于20%含量的。
3.确定岩层孔隙率
当岩层中不含带结晶水的矿物和泥质且孔隙中充满了水或油时，孔隙率大小决定了地层含氢量的多少。通过中子测井可以研究岩层孔隙率。实际工作中为了根据中子-γ测井曲线确定岩层孔隙率，要先在标准井中（一般是在不同孔隙率的饱含水的石灰岩中）进行测井仪器的刻度。作出中子-γ测井强度值和孔隙度的关系曲线。而后可以由仪器测得的读数换算为岩石的孔隙率。现代测井技术中，由中子测井读数向孔隙率的换算是通过仪器中的计算器直接进行的。图10-62是不同孔径的中子测井读数与孔隙率的关系曲线。
图10-62 中子测井值-孔隙率关系曲线