放射性测井之自然伽马测井

1、1 放射性测井是近代核物理学成果在测井工作中的应放射性测井是近代核物理学成果在测井工作中的应 用。放射性测井方法相对其它测井方法的优点是适用。放射性测井方法相对其它测井方法的优点是适 用范围广泛，它可以在裸眼井、套管井中、空井、用范围广泛，它可以在裸眼井、套管井中、空井、 水基和油基泥浆井中进行测量。水基和油基泥浆井中进行测量。 （1）自然伽马测井）自然伽马测井 （2）自然伽马能谱测井）自然伽马能谱测井 （3）密度测井）密度测井 （4）中子测井）中子测井 （5）脉冲中子测井）脉冲中子测井 放射性测井放射性测井 2 核物理基础知识核物理基础知识 1）原子的结构：原子核（质子）原子的结构：原子核（

2、质子+中子）中子）+核外电子核外电子 2）放射性核素）放射性核素 核素核素：原子核中具有相同数量的质子和中子并在同一能态上的同类原子：原子核中具有相同数量的质子和中子并在同一能态上的同类原子 （同类核素的原子核中质子数和中子数都相同）。（同类核素的原子核中质子数和中子数都相同）。 放射性核素放射性核素：不稳定的核素：不稳定的核素 （ 其结构和能量都会发生改变，其结构和能量都会发生改变， 衰变成其他核素，并放出射线）。衰变成其他核素，并放出射线）。 同位素同位素：原子核中质子数相同而中子数不同，但具有相同的化学性质，：原子核中质子数相同而中子数不同，但具有相同的化学性质， 在元素周期表中占有同一

3、位置。在元素周期表中占有同一位置。 放射性同位素：不稳定的同位素。放射性同位素：不稳定的同位素。 放射性：不稳定核素原子核自发地释放放射性：不稳定核素原子核自发地释放 、 等射线等射线 一、核衰变及放射性一、核衰变及放射性 3 3） 核衰变核衰变 核衰变：原子核自发地释放出一种带电粒子，并蜕变成另外某种原子核，核衰变：原子核自发地释放出一种带电粒子，并蜕变成另外某种原子核， 同时放出伽马射线。同时放出伽马射线。 核衰变常数核衰变常数：决定于该放射性核素本身的性质，其值越大衰变越快。：决定于该放射性核素本身的性质，其值越大衰变越快。 一种元素经过放射变成另一种元素的过程称为衰变或蜕变。一种元素经

4、过放射变成另一种元素的过程称为衰变或蜕变。 例如例如 88Ra226 86Rn212+ (粒子粒子) 衰变衰变 镭镭 氡氡 (注：原子核的表示方法注：原子核的表示方法 ZXA X元素符号，元素符号，Z为质子数，为质子数，A为质量数为质量数A=N+Z) 4) 放射性强（活）度放射性强（活）度 一定量的放射性核素，在单位时间内发生衰变的核数。一定量的放射性核素，在单位时间内发生衰变的核数。 放射性强（活）度的单位，放射性强（活）度的单位，1居里居里(Ci)=3.71010次衰变次衰变/秒秒 5）放射性射线的性质）放射性射线的性质 2He4流，极易被吸收，电离本领强，在物质中穿透距离很小。流，极易被

5、吸收，电离本领强，在物质中穿透距离很小。 高速运动的电子流，在物质中穿透距离较短。高速运动的电子流，在物质中穿透距离较短。 频率很高的电磁波或光子流，不带电，能量高，穿透力强。频率很高的电磁波或光子流，不带电，能量高，穿透力强。 4 6)衰变规律衰变规律 对含有一大堆原子的放射性物质来说，其中某一个原子何时放射衰变完全对含有一大堆原子的放射性物质来说，其中某一个原子何时放射衰变完全 是偶然的，无法预计的，但是对许多原子的整体来说，某一时刻平均有多少原子是偶然的，无法预计的，但是对许多原子的整体来说，某一时刻平均有多少原子 发生衰变是符合统计规律的。发生衰变是符合统计规律的。 这一规律是：某一时

6、刻的衰变率这一规律是：某一时刻的衰变率dN/dt (单位时间衰变的原子核数单位时间衰变的原子核数) 与当时存与当时存 在的原子核数在的原子核数 N，二者成正比，二者成正比 即即 dN/dt= N 为衰变系数为衰变系数(比例系数比例系数)，负号表示原子核数随时间的增长而减小。，负号表示原子核数随时间的增长而减小。 积分得到：积分得到：N=Noe- t No为最初参与衰变的原子核数为最初参与衰变的原子核数(t=0时，时，N=No) N为衰变之中为衰变之中 t时刻存在的原子核数时刻存在的原子核数 5 7）半衰期半衰期T 以最先参与衰变的原子核数以最先参与衰变的原子核数No为基数，衰变成为基数，衰变成

7、No/2时，经历时间为时，经历时间为T， 即：当即：当N=No/2时所需的时间时所需的时间 No/2=Noe- T 得到得到Tln2/ =0.693/ 元素名称元素名称 半衰期半衰期 92U238 铀铀 4.47109年年 K40 钾钾 1.28109年年 Co60 钴钴 5.27年年 Cs137 铯铯 30年年 各种物质的衰变系数不同，所以半衰期不同，地质上可利用各种物质的衰变系数不同，所以半衰期不同，地质上可利用 半衰期很长的元素来确定地层的地质年代。如：半衰期很长的元素来确定地层的地质年代。如： 6 二、天然放射性的衰变性质二、天然放射性的衰变性质 1、天然放射性的来历 1）成系的）成系

8、的 (重元素重元素:原子序数原子序数81) 铀系铀系 92U238 82Pb206 (铅铅) 钍系钍系 90Th232 82Pb208 (铅铅) 锕系锕系 89Ac227 82Pb207 (铅铅) i)此三系通过此三系通过 、 衰变，最后达到稳定的铅同位素衰变，最后达到稳定的铅同位素82Pb206 (铅铅) ii)在在 ， 衰变的过程中，放出衰变的过程中，放出 、 粒子，伴随放出粒子，伴随放出 射线。射线。 2） 不成系的不成系的 (中等元素中等元素:原子序数原子序数 30Z81) 主要是钾主要是钾 19K39 19K40 19K41 其中，其中，19K40 是不稳定的元素是不稳定的元素,它随

9、时都可能放出它随时都可能放出 射线射线 7 2、天然放射性的衰变性质、天然放射性的衰变性质 1) 天然放射性衰变分为天然放射性衰变分为： 衰变衰变、 衰变和衰变和 衰变衰变 衰变：放出衰变：放出 射线的衰变。射线的衰变。 通式为：通式为： ZXA Z-2YA-4+ (两个正电荷两个正电荷) 例如：例如： 衰变衰变 92U238 90Th234+ 衰变：放出衰变：放出 射线的衰变。射线的衰变。 通式为：通式为： Z ZX XA A Z+1 Z+1Y YA A+ + ( (一个负电荷 一个负电荷) ) 例如：例如： 衰变衰变 90 90Th Th234 234 91 91Pa Pa234 234+

10、 + 衰变：放出衰变：放出 射线的衰变。射线的衰变。 射线通常是在射线通常是在 、 衰变的过程中伴随放出的。衰变的过程中伴随放出的。 8 2) 、 和和 射线比较射线比较 射线种类射线种类 射线射线 射线射线 射线射线 产生原因产生原因 衰变放出衰变放出 衰变放出衰变放出 、 衰变伴随放出衰变伴随放出 实物实物 氦氦(2He4) 原原子核子核流流 高速运动的电子流高速运动的电子流 频率很高的电磁波频率很高的电磁波 波长波长3x10-1110-9cm 波速近似于光速波速近似于光速 带电性带电性 2He4带有两个质子 带有两个质子 两个正电荷两个正电荷 每个每个 粒子带有一粒子带有一 个负电荷个负

11、电荷 不带电不带电 能量能量410MeV1 MeV0.055MeV 穿透能力穿透能力 空气中空气中 2.6-11.5cm 岩石中岩石中 10 3 cm 空气中空气中 几十几十cm 岩石中岩石中 几几cm 空气中空气中 几百几百cm 岩石中岩石中 几十几十cm 测井能否利用测井能否利用不能不能不能不能能能 9 三、岩石的天然放射性三、岩石的天然放射性 U Th K 射线射线 10 1 1、火成岩的放射性、火成岩的放射性 几点规律：几点规律：1) 火成岩所含放射性零散而不均匀火成岩所含放射性零散而不均匀 2) 酸性酸性 中性中性 基性基性 超基性超基性 SiO2的含量的含量 大大 小小 颜色颜色

12、浅浅 深深 放射性元素含量放射性元素含量 大大 小小 3)火成岩放射性元素主要是：钍火成岩放射性元素主要是：钍(Th) 钾钾(K) 铀铀(U) 镭镭(Ra) 11 2、沉积岩的放射性、沉积岩的放射性 几点规律：几点规律： 1)沉积岩本身不含有放射性元素，其放射性元素来自火成岩。我们知道沉积岩本身不含有放射性元素，其放射性元素来自火成岩。我们知道 机械和化学力的综合侵蚀作用以及搬运产生了沉积岩，由于搬运和沉积的环机械和化学力的综合侵蚀作用以及搬运产生了沉积岩，由于搬运和沉积的环 境不同，使各种沉积岩的放射性元素的含量产生了差异境不同，使各种沉积岩的放射性元素的含量产生了差异 。 2)沉积岩的放射

13、性强度取决于沉积岩的放射性强度取决于泥质含量泥质含量(粘土含量粘土含量) 原因：原因： a.粘土颗粒细，具有较大的粘土颗粒细，具有较大的比面比面（吸附放射性元素的能力强）（吸附放射性元素的能力强） b.粘土颗粒细，沉积的时间长（有充分的时间与放射性元素接触）粘土颗粒细，沉积的时间长（有充分的时间与放射性元素接触） c.粘土沉积物中有含粘土沉积物中有含钾矿物钾矿物（如：水云母、正长石等（如：水云母、正长石等) 3)沉积物的颜色由沉积物的颜色由浅浅深深，其放射性强度由，其放射性强度由小小大大。 4)随钾含量的增大，放射性强度增大。随钾含量的增大，放射性强度增大。 5)孔隙度孔隙度 和和渗透率减小，

14、放射性强度增大。渗透率减小，放射性强度增大。 12 3、变质岩的放射性、变质岩的放射性 变质岩的放射性取决于变质岩的变质岩的放射性取决于变质岩的源岩源岩 正变质岩：由火成岩变质而来正变质岩：由火成岩变质而来 副变质岩：由沉积岩变质而来副变质岩：由沉积岩变质而来 例如某井：例如某井： 正片麻岩正片麻岩 副片麻岩副片麻岩 角闪岩角闪岩 榴辉岩榴辉岩 蛇纹岩蛇纹岩 大大 小小 自然自然伽马伽马 13 第一节第一节 自然伽马测井自然伽马测井 Gamma Ray Logging GR测井是以研究岩测井是以研究岩 层天然放射性为层天然放射性为基基 础础，进而研究岩层，进而研究岩层 性质和有关地质问性质和有

15、关地质问 题的一种测井方法题的一种测井方法 14 一、自然伽马测井原理一、自然伽马测井原理 GR测井仪工作原理测井仪工作原理 15 一、自然伽马测井原理一、自然伽马测井原理 1) 射线探测器探测到地层的射线探测器探测到地层的 射线，并将射线，并将 射线变换成电脉冲信号射线变换成电脉冲信号 (每一道每一道 射线变换成一个电脉冲信号射线变换成一个电脉冲信号)。 2)此电脉冲信号送入井下的放大器进行放大。此电脉冲信号送入井下的放大器进行放大。 3)放大的脉冲信号送入地面的放大器进行放大（其原因是脉冲信放大的脉冲信号送入地面的放大器进行放大（其原因是脉冲信 号经电缆传输后会衰减号经电缆传输后会衰减)。

16、 4)由于脉冲信号中混合了一些干扰信号，需经过鉴别器进行鉴别，由于脉冲信号中混合了一些干扰信号，需经过鉴别器进行鉴别， 排除干扰。排除干扰。 5)将一些畸变的脉冲信号送入整形器进行整形。将一些畸变的脉冲信号送入整形器进行整形。 6)归一后的波形送入计数电路记录单位时间内脉冲个数，最后得到归一后的波形送入计数电路记录单位时间内脉冲个数，最后得到 自然伽马测井曲线。自然伽马测井曲线。(单位：脉冲单位：脉冲/分钟分钟) 16 砂泥岩剖面砂泥岩剖面GR曲线曲线 GR(API) S S S N N SN SN 17 探测半径：探测半径： 煤、金属矿钻孔直径：煤、金属矿钻孔直径：d 20cm 探测半径：探

17、测半径： R=2545cm 油气田钻孔直径油气田钻孔直径: d 30cm 探测半径：探测半径： R=3050cm ab段：探测器远离界面，直到探测器中点离段：探测器远离界面，直到探测器中点离 界面的距离为界面的距离为R，探测器的探测范围内是低，探测器的探测范围内是低 放射性物质。放射性物质。 bcd段：探测器上移过界面，直到探测器中点离段：探测器上移过界面，直到探测器中点离 界面的距离为界面的距离为R。 1)随探测器上移，探测器探测范围内的高放随探测器上移，探测器探测范围内的高放 射性物质逐渐增大，使曲线上升，直到探测器中射性物质逐渐增大，使曲线上升，直到探测器中 点离底界面的距离为点离底界面

18、的距离为R时为止。时为止。 2)探测器中点位于界面时，探测范围内的高探测器中点位于界面时，探测范围内的高 低放射性物质各占一半，所以此点为曲线的半幅低放射性物质各占一半，所以此点为曲线的半幅 值点。值点。 de段：探测器中点离底界面的距离为段：探测器中点离底界面的距离为R时时 开始，直到探测器中点离顶界面的距离开始，直到探测器中点离顶界面的距离 为为R时为止。探测器的探测范围内是高放时为止。探测器的探测范围内是高放 射性物质射性物质 efg段：分析方法同段：分析方法同bcd段。段。 gh段段: 分析方法同分析方法同ab段。段。 注注：薄层用薄层用2/3幅值分层幅值分层 。 二、自然伽马测井曲线

19、分析二、自然伽马测井曲线分析 18 1、刻度的意义和分级、刻度的意义和分级 意义：为了使不同仪器，或者同一仪器在不同的时间，对同一的意义：为了使不同仪器，或者同一仪器在不同的时间，对同一的 地层的测定结果能够作定量比较，必须进行仪器刻度。地层的测定结果能够作定量比较，必须进行仪器刻度。 （就好比用不同的秤，或者同一秤在不同的时间对某一东西进行秤量，（就好比用不同的秤，或者同一秤在不同的时间对某一东西进行秤量， 其结果应该一样，否则就应该对秤进行统一刻度其结果应该一样，否则就应该对秤进行统一刻度) 。 刻度分级：刻度分级： 一级刻度：国家级的统一的标准称为一级刻度（标准刻度井）。一级刻度：国家级

20、的统一的标准称为一级刻度（标准刻度井）。 二级刻度：各制造厂和大的油田建立区域级的标准称为二级刻度二级刻度：各制造厂和大的油田建立区域级的标准称为二级刻度 （刻度装置或刻度井）。（刻度装置或刻度井）。 三级刻度：一般现场使用的标准称为三级刻度（刻度器、刻度块）。三级刻度：一般现场使用的标准称为三级刻度（刻度器、刻度块）。 要求：低级别的刻度装置必须用高一级刻度装置进行检查。要求：低级别的刻度装置必须用高一级刻度装置进行检查。 三、自然伽马测井仪的刻度三、自然伽马测井仪的刻度 Calibration 19 2、API标准刻度井标准刻度井 休斯顿大学的休斯顿大学的API标准井标准井 高放射性高放射

21、性 U 12ppm Th 24ppm K 4% 混凝土混凝土 混凝土混凝土 混凝土混凝土 低放射性低放射性 物质物质 低放射性低放射性 物质物质 NN API 200 低高 N高 高为高放射性混凝土中 为高放射性混凝土中 的读数；的读数；N低 低为低放射性 为低放射性 混凝土中的读数混凝土中的读数 America Petroleum Institute-API 20 1、岩层厚度、岩层厚度 (1) h6ro h增大，幅值不再增大增大，幅值不再增大 用半幅值点分层用半幅值点分层 (2) h6ro h减小，幅值减小 减小，幅值减小 用用2/3幅值点分层幅值点分层 ro 井眼半径井眼半径 井眼、邻层

22、影响井眼、邻层影响 四、自然伽马测井曲线的影响因素四、自然伽马测井曲线的影响因素 21 2、统计起伏、统计起伏(也称统计涨落也称统计涨落) 1)1)现象现象 泥岩的放射性含量是均匀的，泥岩的放射性含量是均匀的， 但在同一岩层的各点读数不一样其但在同一岩层的各点读数不一样其 读数在平均计数率读数在平均计数率n上下波动上下波动 。 经理论计算得到：经理论计算得到： 绝对误差绝对误差 2)2)产生的原因：衰变规律产生的原因：衰变规律 3)3)统计涨落的定义统计涨落的定义：在放射性源强不变，：在放射性源强不变， 测量条件不变的情况下，在相等的时间测量条件不变的情况下，在相等的时间 间隔内，重复观测放射

23、性强度，每次记间隔内，重复观测放射性强度，每次记 录的数值不同，总是在某一数值录的数值不同，总是在某一数值( (平均平均 值值) )上下波动，这种现象称为放射性涨上下波动，这种现象称为放射性涨 落。落。 M nnn n m 21 21 2 n 为仪器时间常数为仪器时间常数 22 3、井参数的影响、井参数的影响 自然伽马射线强度的吸收方程自然伽马射线强度的吸收方程 u为系数吸收，为系数吸收，L为物质的厚度；为物质的厚度； J o与与J 为伽马射线吸收前后的强度。为伽马射线吸收前后的强度。 与井参数有关的几种吸收系数与井参数有关的几种吸收系数 0 uL JJ e 物质物质钢钢水泥环水泥环泥浆泥浆清

24、水清水空气空气 u0.5cm-1二者之间二者之间0.10.2cm-1二者之间二者之间0.1cm-1 23 五、自然伽马测井的应用五、自然伽马测井的应用 1、划分岩性、划分岩性 2、确定泥质含量、确定泥质含量 3 、划分煤层（煤层厚度、深度）、划分煤层（煤层厚度、深度） 4、其他（地层对比、沉积微相等）、其他（地层对比、沉积微相等） 24 1、划分岩性、划分岩性 1）砂泥岩剖面）砂泥岩剖面 粗砂岩粗砂岩 中砂岩中砂岩 细砂岩细砂岩 泥岩泥岩 J 小小 大大 SP幅度幅度 大大 小小 Ra 大大 小小 Vsh 小小 大大 2) 膏盐剖面膏盐剖面 钾岩钾岩 泥岩泥岩 砂岩及其它岩石砂岩及其它岩石 岩

25、盐、石膏岩盐、石膏 GR 特高特高 高高 中等中等 最低最低 3) 碳酸盐岩剖面碳酸盐岩剖面 泥岩泥岩 泥质灰岩、泥质白云岩泥质灰岩、泥质白云岩 纯石灰岩、白云岩纯石灰岩、白云岩 GR 最高最高 中等中等 最低最低 GR(API) 25 砂泥岩剖面砂泥岩剖面 26 27 2、确定泥质含量、确定泥质含量 泥质含量与自然伽马射线强度成正比，推导计算泥质含量的方法同自然泥质含量与自然伽马射线强度成正比，推导计算泥质含量的方法同自然 电位，可推导得到的计算泥质含量公式如下：电位，可推导得到的计算泥质含量公式如下： 式中式中GR 、GRmax 、GRmin分别为待研究地层、纯泥岩、纯砂岩的自然伽马分别为

26、待研究地层、纯泥岩、纯砂岩的自然伽马 测井强度。测井强度。 C 3.7 新地层新地层 C 2.0 老地层老地层 min maxmin GRGR SH GRGR c sh c 21 V 21 SH （1）不同地层中粘土矿物放射性是相同的）不同地层中粘土矿物放射性是相同的 （2）除了粘土矿物之外，不含有其他放射性矿物）除了粘土矿物之外，不含有其他放射性矿物 应用条件：应用条件： 进行非线性进行非线性 校正校正: 28 200021002200230024002500 Depth(m) 0 40 80 120 160 200 GR(API) Shale line Vsh=100% Sand line Vsh=0 GRmax GRmin 29 210021042108211221162120 Depth(m) 40 60 80 100 120 140 GR(API) 210021042108211221162120 Depth(m) 0 20 40 60 80 100 Vsh(%) GR Vsh 30 4、其它、其它 1)地层对比地层对比 J 与岩石孔隙中的流体与岩石孔隙中的流