可控中子及X射线源测井技术发展现状及趋势

张 锋，田立立

(1.中国石油大学(华东)深层油气重点实验室，山东 青岛 266580；2.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院，山东 青岛 266580)

随着人们对健康、安全及环境(HSE)的重视程度不断提高，基于同位素化学源的核测井技术在实际应用中逐渐受到限制[1]。可控中子源及X射线源通过电子线路控制中子或X射线的发射与关闭，避免了对环境及人员的放射性危害，成为替代同位素源的有利选择[2-3]。

可控中子源测井技术通过测量中子与地层物质作用后产生的中子及伽马射线，确定地层孔隙度、密度、油气饱和度及地层元素含量，对应的测井技术类别为可控中子孔隙度测井技术、中子伽马密度测井技术、脉冲中子油气饱和度测井技术和可控中子地层元素测井技术。可用于测井中的可控中子源包括D-T中子源及D-D中子源，D-D中子源产额及能量相对较低，因而D-T中子源成为目前常用的可控中子源[4-5]。可控中子测井技术发展较早，已在国内外开展大量理论方法及应用研究，推出了一系列地层评价测井仪器，为油气、矿产等资源勘探开发提供了良好的技术支持。可控X射线测井技术通过测量X射线管产生的X射线与地层发生散射或荧光辐射作用后的X射线，确定地层密度或井周元素含量，对应的测井技术类别为X射线密度测井技术及X射线荧光测井技术[7-8]。可控X射线源测井技术研究相对较晚，随着仪器结构及电子器件工艺的不断进步，基于X射线管的地层密度及荧光测井技术将得到进一步发展。本文对国内外可控中子源测井及可控X射线源测井技术进行综述，以梳理技术原理及特征，进而开展可控中子及X射线测井新技术及应用研究。

1 可控中子及X射线源测井技术简介

可控中子及X射线测井是以中子或X射线与地层物质作用为物理基础的核测井方法，由于采用的中子源或X射线源具有人工可控性，操作人员在仪器地面测试过程中不必长时间处于被辐射状态，同时也不必担忧源的遗失对自然环境造成的长期放射性危害。可控中子测井通过测量快中子与地层发生非弹性散射、弹性散射、辐射俘获、中子活化等作用后产生的中子及伽马射线确定地层性质。可控X射线测井通过测量X射线与地层发生散射及光电效应等作用后的X射线计数及X射线光谱确定地层性质。主要测井方法包括：可控中子孔隙度测井，可控中子油气饱和度测井，可控中子伽马密度测井，可控中子地层元素测井，X射线密度测井，X射线荧光测井等。

1.1 可控中子孔隙度测井

可控中子孔隙度测井采用可控中子源及两个热中子探测器或两个伽马探测器组成，与补偿中子孔隙度原理类似，通过两个探测器计数比值反映地层的中子减速能力，进而表征地层孔隙度。不同类型的中子源，对应的中子孔隙度测量灵敏度不同。如图1所示，D-D中子源中子孔隙度响应灵敏度最高，Am-Be源次之，D-T源最低[9]。由于D-D源产额相对较低，影响了孔隙度的测量精度，因而，可控中子孔隙度测量中，常用的中子源为D-T源。BF3管和He-3管为常用的热中子探测器，Li-6玻璃晶体也可用于热中子探测[10]。俘获伽马射线主要由热中子发生辐射俘获核反应产生，因此，利用伽马探测器测量俘获伽马计数同样可反映地层孔隙度。利用伽马探测器同时可测量伽马能谱，进而反映地层岩性及含油气性等，在套后油气监测中发挥着重要作用[11]。

图1 三种源中子孔隙度测量灵敏度对比[9]Fig.1 Comparison of neutron porosity measurement sensitivity among three sources[9]

1.2 可控中子油气饱和度测井

使用可控中子源以脉冲形式发射中子，在脉冲发射和关闭期间，利用伽马探测器测量伽马时间谱及伽马能量谱。其中伽马时间谱反映快中子发射后，在地层中产生的伽马射线强度随时间的变化规律，如图2所示，当地层流体中含有较高热中子俘获能力的物质如矿化水时，伽马射线表现为更快的衰减规律，当地层流体为油气时，伽马射线衰减较为缓慢，因此，可通过伽马时间谱衰减规律的不同反映地层含油气性，利用热中子探测器测量热中子时间谱可达到同样的探测效果，这类测井方法称为中子寿命(俘获截面)测井[12-13]。快中子与地层物质作用发生非弹性散射和辐射俘获可分别产生非弹伽马能谱及俘获伽马能谱，其中，非弹伽马能谱主要在中子源发射期间产生，俘获伽马能谱主要在中子源关闭期间产生。地层中的碳元素与快中子发生作用可产生4.43 MeV的伽马射线，氧元素与快中子发生作用产生以6.13 MeV为主的伽马射线，因而在非弹能谱中的4.43 MeV和6.13 MeV能量左右会形成能峰，如图2所示。分别在碳氧能窗范围内，获取伽马计数并做比值，称为碳氧比。由于石油中的元素组成以碳元素为主，水中的元素组成以氧元素为主，因此可通过测量碳氧比反映地层含油特性，这类测井方法称为碳氧比(C/O)测井[14-15]。中子寿命测井和碳氧比测井通过中子源的脉冲发射与关闭实现地层油气信息的测量，因此又可统称为脉冲中子油气饱和度测井。

1.3 可控中子伽马密度测井

可控中子伽马密度测井是利用可控中子源发出的高能快中子与地层原子核相互作用释放的次生非弹或俘获伽马射线进行地层密度测量的一种测井方法[16-17]。如图3所示，脉冲中子源向地层发射高能快中子，能量1 MeV以上的快中子会与地层原子核发生非弹性碰撞释放出非弹伽马射线；高能快中子经过地层减速作用逐渐慢化成热中子，热中子被地层原子核俘获放出俘获伽马射线。与传统伽马-伽马密度测量类似，次生非弹或俘获伽马射线在地层中的输运和衰减过程与地层密度紧密相关，通过探测器记录次生伽马射线在地层中的分布规律，可实现地层密度的测量。

1.4 可控中子地层元素测井

岩石由各种矿物和流体组成，可控中子元素测井能够测量井周地层元素的含量，进而获取矿物、岩性和地层骨架等性质[18-19]。由可控中子源发出的快中子与地层物质发生快中子非弹性散射、热中子俘获等反应。不同元素在与中子发生上述核反应的过程中，放出的具有特征性的不同能量的伽马射线，并记录得到非弹伽马能谱及俘获伽马能谱。表1为可控中子地层元素测井主要元素种类及特征能量，不同元素发生非弹或俘获反应的截面不同，因而针对不同元素种类采用的伽马能谱有所不同。例如，C元素和O元素发生非弹反应的截面较高，而发生俘获反应的截面较低，因此只能通过非弹伽马能谱解析得到其含量。利用最小二乘法、加权最小二乘法等能谱分析方法获取地层元素产额。元素产额在一定程度上可以反映矿物中的元素百分比含量，无法直接用于地层评价。通常根据不同岩性剖面建立氧化物闭合模型，从而计算得到地层的元素含量，最终利用转换系数法获取地层矿物含量及有机碳含量等参数，应用于储层评价[20]。与碳氧发生非弹性散射需要较高的能量阈值，因而一般采用的可控中子源为D-T中子源。地层元素测量对能谱的质量要求较高，采用的伽马探测器包括具有高探测效率的BGO闪烁晶体探测器及高能量分辨率LaBr3闪烁晶体探测器[21-22]。

图2 不同地层流体伽马时间谱及非弹伽马能谱Fig.2 Gamma time spectrum and inelastic gamma spectrum of fluids in different strata

图3 可控中子伽马密度测井示意图Fig.3 Controlled neutron gamma density logging

1.5 X射线密度测井

X射线密度测井主要用于地层岩性密度测量，测量原理与Cs-137源岩性密度测井原理类似，不同的是X射线源能量相对较低。X射线管产生X射线进入地层，与地层物质发生康普顿散射或光电效应，地层密度越高对X射线的散射能力越强，利用一定源距处的闪烁晶体测量X射线计算地层密度及光电吸收指数(Pe)。X射线密度测井需要X射线的能量较高，一般需要大于150 keV，从而产生足够多的可发生康普顿散射的X射线。利用两个源距的闪烁晶体测量X射线，从而通过脊肋图校正泥饼影响[7-8]。X射线密度测井的X射线测量能量范围约为0.01～0.3 MeV，利用小于0.1 MeV能段反映地层光电吸收截面指数，利用大于0.1 MeV能段的X射线反映地层密度[23]。如图4所示，为可控X射线源与Cs-137源密度测井中得到的伽马能谱对比[8]。

1.6 X射线荧光测井

X射线荧光测井通过测量X射线管与井壁物质发生光电效应产生的X射线荧光辐射能谱，确定井周元素含量，对原子序数大于40的元素具有良好的测量效果[24]。X射线荧光测井受井壁间隙影响较大，测井过程中需要测量装置紧贴井壁。图5为X射线荧光测井系统结构图。由于井壁的局部变化未知，探测窗一侧与井壁是否在各测量点处于紧密接触状态也未知，探头与被测井壁之间仍会充有一层井液(毫米级别)，因而在探头紧密贴井壁的前提下，仍需校正井液对X荧光测井结果的影响[25]。与X射线密度相比，X射线荧光对的X射线源的能量要求较低，X射线能谱测量的范围也相对较低，例如，对于铅元素的测量，分别以铅的Lα(10.55 keV)和Lβ(12.61 keV)特征谱线为分析线进行铅元素含量分析。

表1 可控中子地层元素测井主要元素种类及特征能量Table 1 Main element types and characteristic energy of element logging in controlled neutron formation

图4 可控X射线源与Cs-137源密度测井伽马能谱对比[8]Fig.4 Contrast of gamma spectrum between controlled X-ray source and Cs-137 source density log[8]

图5 X射线荧光测井系统结构图[25]Fig.5 Structure of X-ray fluorescence logging system[25]

2 可控中子及X射线源测井技术发展历程

可控中子源测井技术于20世纪60年代推出，最初主要用于地层中子寿命及C/O的测量，进行地层含油气性质的识别。随着探测器及中子源工艺技术的进步，可控中子地层元素测井和可控中子孔隙度测井技术也得到快速发展。X射线荧光测井最初采用放射性同位素，如57Co、238U、241Am等，20世纪90年代，国外开始微型X射线发生器的研发。基于X射线管的X射线密度测井技术同样在20世纪90年代开始报道。

2.1 可控中子孔隙度测井技术

1991年斯伦贝谢公司推出最早的可控中子孔隙度测井仪APS[26]。APS由近、中、远3个超热中子探测器和1个热中子探测器组成，可实现中子孔隙度及中子寿命测量。2011年贝克休斯公司研制由D-T中子源与双源距Li-6玻璃晶体组成的中子孔隙度测井仪，以应对同位素放射性中子源的安全限制及He-3气体供应不足问题[10]。针对D-T、D-D及Am-Be中子源在孔隙度测量响应特征，国内外学者近年来也开展大量研究[4,9,27]，并采用包括密度校正及减速长度转换的方法提高基于D-T中子源的孔隙度响应灵敏度，达到与常规Am-Be源近似的孔隙度响应结果[28-30]。采用D-T中子源和伽马探测器进行套后孔隙度测量，可实现与中子寿命及碳氧比的同时测量，提高了测井效率，非弹伽马计数比及俘获伽马计数比的组合应用，也可减少地层岩性对孔隙度测量结果的影响[31]。斯伦贝谢公司最新推出的TNXS套后孔隙度测井技术，利用非弹伽马计数比校正俘获伽马计数比，以消除管柱环境对套后孔隙度测量结果的影响，并使得套后孔隙度测量结果与裸眼Am-Be中子孔隙度测量结果一致，为基于可控中子源的地层孔隙度测量提供了新的技术手段[32]。

2.2 可控中子油气饱和度测井技术

20世纪60年代Youmans等最早提出通过地层宏观俘获截面的测量，在已知的地层水矿化度地层中确定含油饱和度[12-13,33]。同一时期，Hoyer及Rumble等发展了碳氧比测井技术，利用地层中碳、氧元素与快中子作用产生的非弹性散射伽马计数的比值确定含油饱和度[14-15]。1977和1978年斯伦贝谢公司报道利用IGT(inelastic gamma ray spectroscopy tool)进行C/O测量，1979年推出第二代伽马能谱仪器(gamma ray spectroscopy tool)GST[34]。1983年哈里伯顿公司推出TMD饱和度测井系列仪器，基于中子发生器和两个伽马闪烁晶体形成多窗衰减测井系统，可提高地层及井眼俘获截面测量精度，同时通过近远伽马探测器计数比值进行孔隙度评价[35]。1991年斯伦贝谢推出新一代脉冲中子能谱仪器储层饱和度仪(RST)，并进一步发展了RST-A和RST-B等系列仪器，结合中子寿命模式碳氧比模式进行含油饱和度测量，在国内外得到广泛应用[36]。同样得到广泛应用的包括哈里伯顿公司推出油藏检测仪RMT及贝克休斯公司的RPM饱和度测井技术[37-38]。近年来，随着对储层含气性质探测需求增多，多探测器饱和度测井技术得到进一步发展，具有代表性仪器包括如Hunter Well公司推出的RAS饱和度测井仪[39]，Weatherford公司推出的CRE储层评价测井仪[40-41]，斯伦贝谢公司推出的Plusar测井仪等，并提出FNXS含气探测新方法[32]。

2.3 可控中子伽马密度测井技术

Odom等在1994年最先提出利用脉冲中子技术进行地层密度测量，并对康普乐脉冲中子衰减系统(PND-S)进行了升级，结合了近远非弹及俘获伽马计数比进行地层密度计算[16]。2005年斯伦贝谢公司首次推出含有可控中子伽马密度测量短节的EcoScope随钻测量装备，首次实现了随钻测井中的“无源”密度测量[17]。2012年斯伦贝谢公司再次推出NeoScope随钻多功能测井装备，结合快中子及热中子信息进行伽马校正，实现中子伽马地层密度测量[42]。Rodriguez等基于EcoScope发现脉冲中子密度测量比用Cs-137源的密度测量的探测深度更深，这样脉冲中子伽马密度测量对泥浆滤液的侵入敏感度更小，对气层储层更好，还对泥浆滤液侵入较深的测量效果较好[43]。Inanc等针对中子伽马密度测井中不同物理机制进行了探讨，研究了矿物组成和流体对快中子和伽马源分布的影响；采用模拟计算和实验数据对中子伽马时间谱和能谱进行了分析，更好的解释了中子伽马密度机理[44]。

2.4 可控中子地层元素测井技术

较早的关于可控中子元素能谱测井仪器的设计是20世纪80年代末斯伦贝谢公司推出的伽马能谱测井仪(GST),采用可控中子源向地层发射能量为14 MeV的快中子，利用伽马探测器探测由中子激发产生的次生伽马射线，通过对能谱的解析获取C、O、Cl、H、Si、Ca、Fe、S等元素含量[45]。2006年贝克休斯公司推出FLeX测井仪，由D-T脉冲中子发生器、BGO晶体闪烁探测器、高速的井下传输线路和高强度的钛外壳组成，并采用相应的中子和伽马屏蔽体来消除井眼等环境伽马的影响，利用硼套来减少非地层俘获产生的伽马射线[21]。2012年斯伦贝谢公司推出新一代元素测井仪LithoScanner[22]，仪器由脉冲中子源和高能量分辨率LaBr3伽马探测器组成，获取到俘获和非弹能谱，利用俘获谱可以得到18种元素含量，利用非弹谱可以得到包括C和O在内的13种元素含量。

2.5 可控X射线密度测井技术

基于X射线的材料检测技术具有久远的发展历程，相关技术手段及应用已发展的较为完善，但利用X射线技术进行地层密度测量研究较少。1993年Bayless最早提出利用X射线进行地层密度测量，建立了概念模型及仪器样机并进行了测试[7]。但在随后的十几年中相关研究报道较少，直至2018年斯伦贝谢公司推出采用高能X射线管(X射线端能大于300 keV)、1个X射线监测器及4个GSO闪烁伽马晶体组成的新型X射线密度测井仪[8,23]。该仪器的测量原理与传统Cs-137密度仪器非常相似，可用于地层、井眼的密度及光电吸收截面指数测量，且具有较好的纵向分辨率及统计精度。

2.6 可控X射线荧光测井技术发展历程

X射线荧光测井起源于20世纪60年代，主要采用同位素伽马激发源，20世纪90年代末，国外公司开始微型X射线发生器的研发[24]，并开始在野外便携式仪器中使用。我国基于X射线管的荧光测井仪基本实现国产化，但使用的微型X射线管和半导体X射线探测器均是从国际市场上购买。目前，X射线荧光测井技术研发主要围绕X射线管研制，X射线荧光探头研制，仪器结构设计及井液校正方法研究等[25,46]。

3 可控中子及X射线源测井技术研究现状

国内外学者在可控中子及X射线测井技术数值模拟，仪器研制及数据处理方法研究方面开展了大量研究，取得了一系列研究成果，推动了可控中子及X射线测井技术发展及应用。

3.1 可控中子及X射线测井数值模拟

蒙特卡罗数值模拟方法在可控中子及X射线测井仪器设计，方法研究及数据处理方面发挥了重要作用。针对不同测量方法，国内外学者利用数值模拟方法开展了大量研究，为可控中子及X射线测井技术发展做出了重要贡献。

在可控中子孔隙度测井方面，Badruzzaman等利用数值模拟方法，模拟对比了D-T中子源，D-T中子源，D-Li中子源及Am-Be源的中子孔隙度测井响应。研究地层水矿化度对热中子、超热中子计数通量及比值测量的影响，结合实际中子源产额，分析不同中子源对孔隙度测量统计精度的影响[2]。模拟研究结果为可控中子孔隙度仪器设计及数据处理建立了理论基础。在可控中子伽马密度测井方面，Loomis等用利用蒙特卡罗模拟来研究使用脉冲中子源测量地层密度的方法和装置，认为脉冲中子源释放的快中子与地层中的氧原子发生非弹散射而释放的伽马射线可以作为测量密度的一种次生伽马源，并且测量快中子的衰减来对这种次生伽马源的强度进行校正[47]。在可控中子元素测井方面，Ajayi等利用数值模拟方法建立多矿物分层地层模型，并获取各个深度点的非弹和俘获伽马能谱，利用最小二乘方法进行能谱解析并计算元素含量，分别在元素较少和较多的情况下，对比不同深度点元素及矿物含量计算结果和理论值，模拟结果为实测元素能谱数据处理及元素能谱测井快速正演建立了基础[48]。在X射线密度测井方面，Badruzzaman模拟研究了X射线密度测井可行性，对比了X射线密度测井与传统Cs-137源响应灵敏度及精度[3]。在X射线荧光测井方面，谷懿等利用蒙特卡罗方法模拟了不同Be窗厚度的出射X射线谱，通过模拟结果表明微型X射线管Be窗能够有效屏蔽能量小于5 keV的低能X射线，结合模拟结果确定最为适合的Be窗厚度[46]。

3.2 仪器研制

可控中子及X射线测井仪器研制对技术的实际应用具有重要意义。目前可控中子及X射线测井最为先进的仪器包括EcoScope多功能测井仪器，NeoScope多功能测井仪器，LithoScanner可控中子元素测井仪器，Pulsar多功能饱和度测井仪器及四探测器X射线新型密度测井仪器。

3.2.1EcoScope多功能测井仪器[17]

EcoScope是斯伦贝谢公司2005年推出的多功能随钻测井仪器，如图6所示。仪器适合的井眼条件为212.725～250.825 mm，最大的操作温度和操作压力分别为150 ℃和138 MPa。将地层评价、井位布置以及钻井优化测量集于一体，可以提供中子孔隙度、体积密度、双频阵列感应电阻率、元素俘获能谱、地层宏观俘获截面、成像测井(自然伽马成像、伽马-伽马密度成像以及光电因子成像)、超声波井径、井斜以及钻井参数测量(包括环压、环温等)。在仪器后端设置由D-T可控中子源和双伽马探测器和双热中子探测器组成的测量系统，实现可控中子孔隙度和中子伽马密度同时测量。

图6 EcoScope多功能测井仪器[17]Fig.6 Structure of X-ray fluorescence logging system[17]

3.2.2NeoScope多功能测井仪器[42]

图7 NeoScope测量系统结构图[42]Fig.7 NeoScope measurement system structure diagram[42]

NeoScope是斯伦贝谢公司2012年推出的新一代多功能随钻测井仪器，图7为NeoScope测量系统结构图。NeoScope多功能随钻测井仪器主要探测系统由D-T中子源，快中子监测器，近远伽马探测器及近远热中子探测器组成，可实现中子孔隙度，中子伽马密度，俘获截面及元素能谱测量等。中子孔隙度测量范围为1%～100%，孔隙度小于10%时，测量误差小于0.5%，孔隙度在10%～50%时，测量误差小于5.0%。地层密度测量范围为1.7～2.9 g/cm3，在纯砂岩、石灰岩或白云岩中的密度测量误差小于0.025 g/cm3，在页岩中测量误差小于0.045 g/cm3。

3.2.3LithoScanner可控中子元素测井仪器[22]

LithoScanner可控中子元素测井仪器是斯伦贝谢公司2012年推出的新一代元素测量仪器，如图8所示。仪器探测系统由D-T中子源及高分辨LaBr3伽马探测器组成。仪器可提供元素产额、元素含量、TOC、矿物含量、地层俘获截面及骨架特性。最大测井速度为1 097 m/h。仪器探测深度为17.78～22.86 cm，纵向分辨率为45.72 cm，仪器耐温177 ℃，耐压138 MPa，仪器外径1.5 in，适用的井眼条件为5.5～24 in。

图8 LithoScanner可控中子元素测井仪器[22]Fig.8 LithoScanner controlled neutron element logging tool[22]

3.2.4Pulsar多功能饱和度测井仪器[11]

图9 Pulsar多功能饱和度测井仪器[11]Fig.9 Pulsar multifunctional saturation logging tool[11]

2015年斯伦贝谢公司推出用于套后测量的Pulsar小直径多功能可控中子饱和度测井仪器，如图9所示。仪器主要探测系统由D-T中子源，快中子监测器，近远LaBr3伽马探测器及超远YAP探测器组成，可实现俘获截面、孔隙度、快中子截面、元素含量、C/O和TOC等参数测量。仪器分布非弹伽马能谱测量模式，GSH(含气，俘获截面和含氢指数)测量模式，和俘获截面岩性测量模式，对应的默认测量速度分别为：61 m/h，1 097 m/h和305 m/h。孔隙度测量范围为0～60%。仪器耐温175 ℃，耐压103.4 MPa。仪器外径1.72 in，适用的套管尺寸范围为23/8～95/8in。

3.2.5四探测器X射线新型密度测井仪器[8]

斯伦贝谢公司2018年推出的四探测器X射线密度测井仪器，也是目前X射线密度测井方面唯一报道研究，如图10所示，为四探测器X射线新型密度测井仪器结构示意图。X射线密度测井仪器由X射线管，4个GSO闪烁晶体探头和1个X射线监测器组成，X射线管产生的X射线能谱段能大于300 keV。仪器在不同泥饼厚度和泥浆类型时，近远探测器计数率图显示了类似于Cs-137密度测量仪的脊肋图特性。仪器可输出地层和泥饼密度，地层和泥饼光电截面指数。仪器外径为5.3 in，测井速度默认值为2 195 m/h，仪器耐温105 ℃，耐压83 MPa。

图10 四探测器X射线新型密度测井仪器结构示意图[8]Fig.10 Structure of a new density logging tool with four detectors[8]

3.3 数据处理方法

可控中子及X射线源可通过时序控制中子源或X射线发射，相比同位素化学源，可同时获取时间及能量域的射线信息，通过不同源距设计，也同时得到空间域的射线信息。结合能量、时间及空间测量信息，国内外学者在数据处理方法研究方面也取得较多的重要突破。

3.3.1基于可控中子源的地层孔隙度计算

利用可控中子源和双源距热中子或伽马探测器组成的探测系统进行孔隙度计算，根据热中子扩散规律，可直接采用近远源距热中子或俘获伽马计数比与孔隙度的拟合关系计算地层孔隙度，但由于中子源的不同，直接利用计数比值方法的孔隙度探测响应与Am-Be源相比灵敏度较低[9,49]。Fricke等结合地层密度、俘获截面及减速长度研究了可控中子孔隙度数据处理，通过可控中子源减速长度向Am-Be源中子减速长度的转换，使可控中子孔隙度达到与Am-Be源近似一致的效果，如图10所示，在中子孔隙度测井中，校正后的可控源中子孔隙度与Am-Be孔隙度曲线及交会对比[29]，可以看出，二者具有良好的符合效果。Liu等根据地层密度对中子孔隙度测量结果的影响，对可控中子孔隙度进行密度校正，提高了可控中子源测量灵敏度[28]。Zhou等结合俘获伽马计数比和非弹伽马计数比在套后环境中进行孔隙度计算，通过时间窗优化选取及井眼校正，使得套后可控中子孔隙度测量结果达到与裸眼Am-Be源孔隙度测量结果近似一致[32]。

图11 校正后的可控源中子孔隙度与Am-Be孔隙度曲线及交会对比[29]Fig.11 Corrected neutron porosity and Am-Be porosity curves of controllable source and their cross correlation[29]

3.3.2可控中子伽马能谱解析方法及元素矿物含量计算

基于可控中子伽马能谱进行地层元素及矿物含量计算，包括伽马能谱解析，元素产额向元素含量转换，元素含量向矿物含量转换等过程[50]，如图12所示。针对伽马能谱解析，通过建立不同元素标准谱，采用加权最小二乘方法进行能谱解析，元素标准谱的准确建立是元素产额计算的关键[51-52]。利用不同元素产额的比值可近似反映地层岩性信息，但由于不同元素的俘获或非弹截面有所不同，单个元素产额不能直接应用于地质评价，需要利用氧化物闭合模型方法，进行元素产额向元素含量的转换[18-19]。当仪器测量的元素种类不全，可通过修改元素氧化物指数，利用改进后的氧化物闭合模型进行元素含量计算[20]。针对非弹伽马能谱获取的地层元素信息有限，不满足闭合模型，Herron等提出利用俘获伽马产额和非弹伽马产额联合计算元素含量[53]。元素含量向矿物含量的转换对于预测一些岩石物理参数具有重要意义，一般情况下，当矿物的化学成分比较稳定时，矿物中各元素的百分含量基本保持不变，成为元素含量向矿物含量转化的基础。Herron等通过对大量岩心矿物成分和元素组成进行实验分析，得到元素含量向矿物含量转化的定量关系[54]。随着元素含量计算精度提高及各种岩心资料数据的完善，可采用更多统计信息完成元素含量向矿物含量的转换[55]。

3.3.3可控中子伽马密度计算

基于可控中子源的地层密度计算为“无源”密度测量提供了新的手段。Jacobson等认为仪器探测器的非弹性总计数率对地层密度非常敏感，俘获计数率对地层含氢指数(HI)非常敏感，从而利用俘获计数率校正受含氢指数影响的非弹性计数率比，校正后的非弹性计数率比被刻度后，利用回归技术预测得到地层密度[56]。Gilchrist等基于一个脉冲中子源和3个或更多伽马探测器，计算其结果的两两比值，每一种比值可以求得一个近似密度值，然后使用图版的方法来确定一个更精确的密度值，通过选择不同的探测器组合既可以在套管井中使用也可以在裸眼井中使用[57]。Guo等利用一个脉冲中子源和1个He-3中子探测器以及1个伽马探测器，利用He-3测量的中子对伽马求解的密度进行校正[58]。于华伟等对Odom提出的γ扩散长度求取密度的方法进行了改良，建立了快中子通量与γ扩散长度的乘积与地层密度的关系，求取密度结果精度提高[59]。Zhang等通过理论推导地层非弹伽马场分布，提出中子伽马耦合场理论，基于该理论建立了可控中子地层密度准确计算方法[60]。

图12 可控中子元素测井数据处理流程[50]Fig.12 Flow of controlled neutron element logging data processing[50]

3.3.4基于C/O与俘获截面的含油饱和度计算

基于C/O和俘获截面技术的含油饱和度计算是套后油气监测的常用手段。C/O测井技术受地层水矿化度影响小，适用于低矿化度或稠油地区，俘获截面测井技术通过区分油水的热中俘获能力进行含油饱和度计算，适用于矿化度较大的地层。Lawrence提出利用C/O和Si/Ca交会图确定水线，根据孔隙度与油水线差值的关系确定油线，基于油水线的方法计算得到含油饱和度[61]。Roscoe通过实验刻度C/O测井过程中骨架及流体所占比例系数，基于公式法进行含油饱和度计算[62]。张锋等提出利用C/O及宏观俘获截面的同时测量，实现了未知孔隙度条件下确定含油饱和度[63]。

3.3.5基于伽马计数比与FNXS的含气饱和度计算

不同含气地层的中子减速能力大有不同，含气导致地层含氢指数下降、密度下降，通过伽马计数比值的方法反映地层密度和含氢指数即可完成对气层的识别。Inanc等通过建立不同孔隙度及流体饱和度的响应图版，利用近、远探测器俘获伽马计数比确定含气饱和度[64]。Gilchrist等提出利用近、远探测器记录快中子与地层作用产生的非弹伽马射线，并计算两者比值进而确定含气饱和度，具有测井速度快，受地层水矿化度影响小等优点[40]。Zhou提出利用FNXS方法进行含气饱和度计算，利用气体的高能中子散射能力与骨架、油水的区分，进行含气解释，FNXS定义为地层对快中子的散射截面，表2列出了不同地层物质密度，俘获截面，含氢指数(TPHI)，TNXS及FNXS值。FNXS方法通过纯非弹伽马测量，表征地层对快中子的散射能力，非弹伽马只能由MeV级别的中子与地层物质产生，独立于中子孔隙度与俘获截面，该方法具有较好的含气响应灵敏度，而对含水基本无响应[65]。

3.3.6X射线地层密度计算

X射线散射能谱计算地层密度原理与常规Cs-137源的近似，通过建立高能区(大于0.1 MeV)伽马计数的与地层密度的指数拟合关系，计算地层密度。结合高能区与低能区(小于0.1 MeV)伽马计数计算地层光电截面指数，利用脊肋图的方法校正泥饼影响[8]。

表2 地层物质密度、俘获截面、含氢指数(TPHI)、TNXS及FNXS值[32,65]Table 2 Formation material density, capture cross section, hydrogen content index (TPHI), TNXS and FNXS value[32,65]

4 可控中子及X射线源测井技术的应用

可控中子及X射线源测井技术，主要应用领域包括常规油气资源勘探，套后剩余油气监测，非常规油气资源勘探，固体矿产资源勘探和大陆钻探应用。

4.1 油气资源勘探

油气勘探中，主要利用可控中子孔隙度，可控中子伽马密度及X射线密度测井进行孔隙物性评价，利用可控中子元素测井技术进行地层岩性评价。

Atfeh等研究了脉冲中子密度仪器在中东碳酸盐储层油气并存复杂油田的实际应用，测井结果与传统密度结果进行对比，发现脉冲中子伽马密度有更高的探测深度，但是纵向分辨率较低；脉冲中子孔隙度测试效果与传统孔隙度仪器相当，在天然气和页岩地层，脉冲中子孔隙度测井能够提供更准确的含氢指数[66]。Majidi在俄罗斯西伯利亚油田对比了随钻中子伽马密度仪器和传统密度仪器在多种不同测井环境下的数据结果；由于纵向分辨率和探测深度的不同，两种仪器在分辨薄层、地层界面以及含气地层有明显差异，但是完全一致的岩性分析证明了中子伽马密度的可行性[67]。Herron在格林河页岩油区，利用可控中子元素测井技术确定地层元素及矿物含量根据地区特点，结合白云岩，石灰岩及总碳含量计算地层有机碳含量，并将计算结果与岩心数据进行比较，如图13所示，图中蓝线为TOC计算值，红点为岩心分析TOC结果，二者的吻合效果较好，表明此方法在储层岩性及TOC评价方面的有效性[68]。

图13 TOC含量的计算结果与岩心分析结果对比[68]Fig.13 Comparison of calculation results of TOC content with core analysis results[68]

4.2 套后剩余油气监测

可控中子饱和度测井技术是套后剩余油气监测重要手段，通过地层C/O，俘获截面，非弹及俘获伽马计数比进行地层含油或含气饱和度计算。

Amer等结合C/O测井和俘获截面测井进行地层含油饱和度确定，首先利用俘获截面测井在未知矿化度井段测量，在该井段顶部通过C/O测量确定地层含油饱和度，然后结合该测量值在俘获截面测井中反演计算地层水俘获截面，最终完成全井段含油饱和度的测量，大大提高了测井效率[69]。Raeesi利用MDPN饱和度测井仪在空气井眼中进行地层含气探测，由于井眼含气使得地层含气探测灵敏度大大降低，为提高仪器在空气井眼中的探测灵敏度，在仪器周围增加衬管，占据大部分井眼空间，从而提高了地层含气探测灵敏度[70]。Kim等根据C/O对油水区分明显，而伽马计数比对气水区分明显的特征，利用三角分布方法确定地层三相流体饱和度,如图14所示，图中蓝色、绿色及红色区域分别代表套后水、油、气对应的测井解释结果[71]，解释结果为套后油气开发提供关键数据支持。

4.3 固体矿产资源勘探

在固体矿产资源勘探中，矿产品位井中准确测量可大大提高勘探效率，避免大量岩样获取及分析工作。利用可控中子元素测井技术及X射线荧光测井技术直接确定地层矿产元素含量，为固体矿产资源勘探提供了方便的技术手段。Charbucinski利用可控中子地层元素测井技术在井孔中测量铜矿品位，分析了不同品位铜矿伽马能谱，分析了铜矿品位测量结果，应用于铜矿的现场测量[72-73]。

5 展望

目前可控中子及X射线探测已在各个领域发挥了巨大作用，为“无源”放射性探测理论研究和仪器制造奠定了大量的科学基础。

图14 套后油气水饱和度解释结果[71]Fig.14 Interpretation of oil, gas and water saturation[71]

基于可控中子源的测井技术发展较早，目前已经达到了较高的技术水平。结合新型探测器的利用，多探测器设计，多脉冲测量时序设计及多谱数据综合处理，已逐步实现了地层孔隙度、油气饱和度、地层元素等地质多参数的一体化测量，为复杂油气藏勘探与开发提供重要技术手段。

基于可控X射线源的测井技术发展较为缓慢，目前主要发展了X射线荧光测井技术及X射线密度测井技术，实现了井周地层密度及高原子序数的地层元素测量。随着X射线测井仪器结构的进一步优化及高性能X射线管的研发，未来X射线测井技术将会有更好的应用前景。

针对可控中子及X射线源测井技术的未来发展，可从以下几个方面入手：

(1) 中子伽马及X射线的探测理论基础研究，根据不同探测目的，综合分析地层中子及伽马射线在能量、时间及空间的分布规律，分别开展X射线低能与高能区的精细探测，拓展可控中子及X射线探测在地质参数评价中的应用。

(2) 具有高产额，长寿命，高耐温及耐压等适用于复杂测井环境的高性能可控中子源、X射线管及新型探测器的研发及应用，以获取更好质量的谱数据信息，联合不同学科优势，开展多类型多模式的可控中子及X射线新型仪器研制。

(3) 中子伽马及X射线谱数据处理方法的研究，增强对谱数据校正及解析方法研究，以获取更为准确的核物理参数。开展不同谱信息综合分析及应用，以应对各种井眼及地层测量环境，提高对地质参数的测量灵敏度及精度。