脉冲中子测井理论概述

（一）脉冲中子与地层相互作用

脉冲中子源以一定的脉冲宽度和重复周期向地层发射中子束，中子发射强度与时间的关系如图3-52。与发射周期相比，中子发射的持续时间很短。在不同的时间间隔里，中子与地层的相互作用不同，用来解决的地质问题也不同。

图3-52 中子发射分布图

1.非弹性散射

能量为14 MeV的中子进入地层，首先与地层中某些核素的原子核发生非弹性散射，一部分能量被散射中子带走；另一部分能量转变为原子核的激发能，使原子核处于激发态。激发态的核不稳定，在很短的时间内发射出一个或几个光子，释放出多余的能量。在中子发射后的10^-8～10^-6s时间间隔里，非弹性散射是中子损失能量的主要方式。可以认为，非弹性散射和由此引发的光子发射是在发射中子的持续期内进行的。当中子发射停止时，这一过程立即终止，其他作用过程主要是在以后的时间里发生的。利用这一特点，可以把非弹性散射伽马射线与其他作用过程产生的伽马射线区别开。

2.弹性散射

经过一两次非弹性碰撞，中子的能量不足以再发生非弹性散射。以后，再进一步慢化，即在中子发射后的10^-6～10^-3s的时间内，主要是弹性散射。通过弹性散射在中子发射停止后，可立即测量超热中子的衰减过程，以确定快中子在地层中的慢化时间，进而求出孔隙度。同时，直到下次发射开始，大约在小于1000 μs的时间内，可测量热中子的衰减，确定地层的热中子寿命和计算地层的含水饱和度。

3.俘获辐射

热中子在地层中扩散，逐渐被俘获，产生俘获辐射。测量俘获辐射强度随时间的变化，可间接反映热中子的衰减过程，以测定热中子寿命；对伽马射线做能谱分析，可获得与岩性和流体类型有关的信息。

4.中子活化

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。这些核素在10^-3～10⁴s中发生衰变，发射伽马射线。对这些光子做能谱和强度分析，可研究地层的化学成分。与其他作用相比，活化伽马射线的强度很低且变化较慢，可当本底处理。

（二）快中子非弹性散射伽马能谱

地层快中子非弹性散射伽马射线的计数率，主要包括碳、氧、硅、钙的贡献。图3-53中分别给出能量为14 MeV的中子与¹²C、¹⁶O、²⁸Si、⁴⁰Ca发生非弹性散射产生的伽马射线谱，谱图是用NaI（Tl）闪烁伽马谱仪测定的。

图3-53 快中子非弹性散射伽马射线能谱

从碳和氧的能谱图中可明显地看到各自的全能峰、单选逸峰和双逃逸峰，而硅和钙的谱图特征峰不够显著。在表3-12中列出了地层中四种指示核素的特征峰位对应的能量。

表3-12 指示核素特征峰位能量表（MeV）

测井时记录的地层谱，主要包含原油、地层水、石英和方解石四种矿物中的碳、氧、硅、钙的贡献，更确切地说是表中所列四种核素的贡献。

由表3-12中的数据可绘出图3-54。测量时可选取四个特征谱段（能窗），使每个谱段的计数尽可能多地反映其中一种核素的贡献，以便于处理。例如对硅、钙、碳、氧分别取下列谱段：

地球物理测井

注意：钙、碳两能窗有部分重叠。

（三）热中子俘获辐射伽马能谱

地层中热中子俘获截面大，对热中子俘获伽马计数率贡献较大的核素主要有：¹H、²⁸Si、³⁵Cl、⁴⁰Ca和⁵⁶Fe。它们的特征峰位对应的能量列于表3-13。

表3-13 俘获伽马谱能峰表（MeV）

图3-54 中子非弹性散射伽马峰位

图3-55 俘获伽马峰位

用表3-13的数据得图3-55。例如，对氢、硅、氯、钙取下列谱段：

地球物理测井

这里，氯和钙的计数窗基本重叠。当地层水矿化度较高时，必须注意氯的影响。图3-56给出盐水的俘获伽马能谱，包含氢和氯的贡献，氯的影响几乎涉及每个谱段。

图3-56 盐水的俘获伽马能谱

图3-57 碳氧比能谱数据采集时序示意图