第5章 放射性测井_2008

1、第五章第五章 放射性测井放射性测井 引入：放射性测井是近代物理的成果在测井工作中的应用。放射性测井方引入：放射性测井是近代物理的成果在测井工作中的应用。放射性测井方法较之其它测井方法的优点是适用的范围广，它可以在套管井中进行测量，可以法较之其它测井方法的优点是适用的范围广，它可以在套管井中进行测量，可以在空井和油基泥浆井中进行测量。在空井和油基泥浆井中进行测量。一、核衰变及其放射性一、核衰变及其放射性1）原子的结构原子的结构：原子核（质子：原子核（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：原子核中具有一定数量的质子和中子并在同一能态上的同类原子：原子核中具有一定

2、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）。 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位置。在元素周期表中占有同一位置。 放射性放射性：原子核能自发地释放：原子核能自发地释放、 的性质的性质 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）。 放射性同位素放射性同位素：不稳定的同位素。：

3、不稳定的同位素。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(也是种放射性元素也是种放射性元素) (注：原子核的表示方法注：原子核的表示方法 ZXA

4、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。 单位单位 1居里居里=3.71010/s (Bq贝可勒尔）贝可勒尔）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

5、量高，穿透力强。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) 二者成正比二者成正比 当时存在的原子核数当时存在的原子核数 N 即即 dN/dt= N 为衰变系数为衰变系数(比例系数比例

6、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为最先参入衰变的原子核数为最先参入衰变的原子核数(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7)半衰期半衰期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No/2时作用的时间时作用的时间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/ 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各种物质的衰变系数不同，所以半衰期

7、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：的元素来确定地层的地质年代。如： 元素名称元素名称 半衰期半衰期 92U238 铀铀 4.5109年年 K40 钾钾 1.25109年年 Co60 钴钴 5.27年年 Cs137 铯铯 30年年二、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、天然放射性的来历1）成系的成系的(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 90Th237 82Pb208 (铅铅) 锕系锕系 92Ac235 82Pb206 (铅铅) i)此三系通过此三系通过 、 衰变，最后达到稳定

8、的铅的同位素衰变，最后达到稳定的铅的同位素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 19K40 是不稳定的元素是不稳定的元素,它随时都会可能放出它随时都会可能放出 射线射线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。通式为：射线的衰变。通式为： ZXA Z-2YA-4+

9、 (二个正电荷二个正电荷) 例如：例如： 衰变衰变 92U238 90Th234+ 衰变：放出衰变：放出 射线的衰变。通式为：射线的衰变。通式为： Z ZX XA A Z+1Z+1Y YA A+ + ( (一个负正电荷一个负正电荷) ) 例如：例如： 衰变衰变 9090ThTh234234 9191PaPa234234+ + 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，伴随放出衰变的过程中，伴随放出 射线。射线。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 、

10、衰变伴随放出衰变伴随放出实物实物氦氦2He4原子核流原子核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3*10-1110-9cm波速近似于光速波速近似于光速带电性带电性2He4带有二个质子带有二个质子每个每个 粒子带有粒子带有不带电不带电能量能量二个正电荷二个正电荷410MeV一个负电荷一个负电荷1 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 103 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三、天然放射性三、天然放射

11、性 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 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：铀火成岩放射性元素主要是：铀(U) 镭镭(Ra) 钍钍(Th) 钾钾(K) 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

12、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)沉积岩的放射性强度取决于泥质含量沉积岩的放射性强度取决于泥质含量(粘土含量粘土含量) 原因：原因： a.粘土颗粒细，具有较大的比面粘土颗粒细，具有较大的比面(在沉积的过程中具有吸附放射性元素的在沉积的过程中具有吸附放射性元素的能力大能力大) 比面的含义是每颗粒的表面积之和比面的含义是每颗粒的表面积之和。 b.粘土颗粒细，沉积的时间长粘土颗粒细，沉积的时间长(有充分的时间与放射性元素接触有充分的时间与放

13、射性元素接触)。 c.粘土沉积物中含有钾粘土沉积物中含有钾K矿物（如水云母，正长石等矿物（如水云母，正长石等)。3)沉积物的颜色由浅沉积物的颜色由浅深深,其放射性强度由小其放射性强度由小大。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 和和渗透率渗透率 减小，放射性强度增大。减小，放射性强度增大。3、变质岩的放射性、变质岩的放射性正变质岩：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：由沉积岩变质而来变质岩的放射性取决于变质岩的源岩变质岩的放射性取决于变质岩的源岩例如某井：例如某井： 正片麻岩正片麻岩 副片麻岩副片

14、麻岩 角闪岩角闪岩 榴辉岩榴辉岩 蛇纹岩蛇纹岩 自然自然r 大大 小小（黑云斜长片麻岩、（黑云斜长片麻岩、 角闪片麻岩）角闪片麻岩）（二云二长片麻岩、（二云二长片麻岩、 花岗质片麻岩）花岗质片麻岩）四、自然伽马测井原理四、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 射射线，并将线，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射线变换成一个电脉冲信号信号)。2)此脉冲信号送入井下的放大器此脉冲信号送入井下的放大器进行放大。进行放大。3)井下放大器放大的脉冲信号送井下放大器放大的脉冲信号送入地面的放大器进行放大（其入地面的放大器进行放

15、大（其原因时脉冲信号通过电缆之后原因时脉冲信号通过电缆之后会有些衰减会有些衰减)。4)由于脉冲信号中混合一些干扰由于脉冲信号中混合一些干扰信号，需经过鉴别器进行鉴别，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)规一后的波形送入计数率计电路，此电路把脉冲信号变换成与单位时间内脉冲规一后的波形送入计数率计电路，此电路把脉冲信号变换成与单位时间内脉冲数成正比的电位差，记录仪将该电位差连续地记录下来，最后得到自然伽马测井数成正比的电位差，记录仪将该电位差连续地记录下来，最后得到自然伽马测井曲线。曲线。五、自然伽

16、马测井曲线分析五、自然伽马测井曲线分析探测半径：探测半径： 对于煤、金属钻孔：对于煤、金属钻孔：d20cm R=2545cm 对于油田钻孔对于油田钻孔: d 30cm R=3050cmab段：探测器远离界面上移，直到探测器中段：探测器远离界面上移，直到探测器中点离界面的距离为点离界面的距离为R，探测器的探测范围内，探测器的探测范围内是低放射性物质。是低放射性物质。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

17、物质逐渐增大，使曲线上升，直到探测器中点离界面的距离为点离界面的距离为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，所以为曲线的半幅值点。低放射性物质各占一半，所以为曲线的半幅值点。de段：探测器中点离界面的距离为段：探测器中点离界面的距离为R时开时开始，直到探测器中点离顶界面的距离为始，直到探测器中点离顶界面的距离为R时为止。探测器的探测范围内是高放射时为止。探测器的探测范围内是高放射性物质性物质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

18、幅值分层 。六、自然伽马测井仪的刻度六、自然伽马测井仪的刻度 1、刻度的意义和分级、刻度的意义和分级 意义：为了使不同仪器意义：为了使不同仪器,或者同一仪器在不同的时间或者同一仪器在不同的时间,在同一的地层在同一的地层测定结果能够作定量比较，必须进行仪器刻度（用不同的秤，或者同测定结果能够作定量比较，必须进行仪器刻度（用不同的秤，或者同一秤在不同的时间对某一东西秤的结果应该一样，就应该对秤进行统一秤在不同的时间对某一东西秤的结果应该一样，就应该对秤进行统一刻度一刻度) 。 刻度分级：刻度分级： 一级刻度：国家统一的标准称为一级刻度（标准刻度井）。一级刻度：国家统一的标准称为一级刻度（标准刻度井

19、）。 二级刻度：各制造厂和大的油田建立的标准称为二级刻度（刻度装二级刻度：各制造厂和大的油田建立的标准称为二级刻度（刻度装置或刻度井）。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：低级的刻度装置必须用高一级刻度装置进行检查。要求：低级的刻度装置必须用高一级刻度装置进行检查。2、刻度井、刻度井低放射性物质低放射性物质混凝土混凝土低放射性物质低放射性物质混凝土混凝土高放射性物质高放射性物质混凝土混凝土含有：含有： 12ppm的的U 24ppm的的Th 4%的的K定义定义 N高高为高放射性混凝土中的读

20、为高放射性混凝土中的读数；数；N低低为低放射性混凝土中的读为低放射性混凝土中的读数；数； API是美国石油学会的缩写；是美国石油学会的缩写； America Petroleum Institute200低高NNAPI 七、自然伽马测井曲线的影响因素 1、岩层厚度(1) h6ro h增大，幅值不再增大 用半幅值点分层（2）h6ro h减小，幅值减小 用2/3幅值点分层2、统计起伏(也称统计涨落) 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

21、计算得到：绝对误差绝对误差2)产生的原因：衰变规律产生的原因：衰变规律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(平均值平均值)上下波动，这种现象称为放射性涨落。上下波动，这种现象称为放射性涨落。Mnnnnm2121Mtn3、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u为系数吸收，L为物质的厚度；J与J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)exp(

22、uLJJror物质物质钢钢水泥环水泥环泥浆泥浆清水清水空气空气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-1八、自然伽马测井的应用八、自然伽马测井的应用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 岩盐、石膏岩盐、石膏 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

23、纯石灰岩、白云岩 最高最高 中等中等 最低最低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J , J max,J min分布为研究地层、纯泥岩、纯砂岩的自然伽马测井强度，同分布为研究地层、纯泥岩、纯砂岩的自然伽马测井强度，同样要进行非线性校正样要进行非线性校正:C 3.7 新地层新地层C 2.0 老地层老地层3 、划分煤层、划分煤层 1)煤中的有机质与无机质都不含放射性物质，所以煤中的有机质与无机

24、质都不含放射性物质，所以J 低低 。 2)煤的煤的J 与煤的灰分含量有关。与煤的灰分含量有关。minmaxminrrrrshJJJJV1212CCVshshVminmaxminGRGRGRGRVsh4、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体(油或水油或水)的性质无关；的性质无关； J 与地层水、泥浆的矿化度无关；与地层水、泥浆的矿化度无关； J 曲线的标准层容易获得。曲线的标准层容易获得。 2)沉积环境分析沉积环境分析 J 、SP、Ra与岩层的粒度、分选性、泥质含量密切与岩层的粒度、分选性、泥质含量密切相关，而这几个量与沉积环境密切相关，所以可以利用相关，而

25、这几个量与沉积环境密切相关，所以可以利用J 、SP、Ra进行沉积环境分析。进行沉积环境分析。九、自然伽马能谱测井九、自然伽马能谱测井1、测量原理、测量原理 计数率 地球上的伽马辐射大多数来源于三种放射性同位素的衰变：半衰期为地球上的伽马辐射大多数来源于三种放射性同位素的衰变：半衰期为1.3109年的钾年的钾40（40K）；半衰期为）；半衰期为4.4109年的铀年的铀238（238U）；半衰期为）；半衰期为1.41010年的钍年的钍232（232Th）。）。通过伽马能谱测井，可以获得通过伽马能谱测井，可以获得5条参数曲线：条参数曲线：（1）以百分比表示的钾含量曲线（）以百分比表示的钾含量曲线（K

26、%）。）。（2）以浓度表示的铀含量曲线（）以浓度表示的铀含量曲线（ppm）及钍含量曲线（）及钍含量曲线（Th ppm）。）。（3）合成的自然伽马曲线）合成的自然伽马曲线 (总计数率曲线总计数率曲线GRSL) (API)。（4）无铀自然伽马曲线（）无铀自然伽马曲线（KTh）(API)。测量谱段（能窗）的选择：测量谱段（能窗）的选择：对对K40选用选用1.46Mev 的光电峰；对的光电峰；对U选用选用Bi214的能量为的能量为1.764Mev的光电峰；对的光电峰；对Th选用选用Ti208能量为能量为2.614Mev的光电峰。的光电峰。 其测量结果可列出三元一次联立方程其测量结果可列出三元一次联立方

27、程组求解：组求解：N1=a1Ub1Thc1N2=a2Ub2Thc2KN3=a3Ub3Thc3K 式中式中N1 、N2 、N3分别为三个能谱分别为三个能谱段的计数率（扣除本底计数）；段的计数率（扣除本底计数）；U 、Th、 K表示地层中铀、钍、钾的含表示地层中铀、钍、钾的含量；量；ai、bi、ci为换算系数，表示地层中单位为换算系数，表示地层中单位含量的铀、钍、钾在相应能谱段的计数率含量的铀、钍、钾在相应能谱段的计数率1）确定泥质含量 2 2、应用、应用minmaxminThThThThVshminmaxminGRSLGRSLGRSLGRSLVshminmaxminKKKKVsh2）划分岩性 主

28、要火成岩和沉积岩的Th、U、K矿物名称矿物名称U(ppm)Th(ppm)K（）（）Th/U花岗岩花岗岩4715403.44.03.55.6花岗闪长岩花岗闪长岩2.18.32.34.0闪长岩闪长岩1.86.01.83.3辉长岩辉长岩0.61.80.73.0辉岩辉岩0.030.080.152.7纯橄榄岩纯橄榄岩0.010.010.021.0橄榄岩橄榄岩0.020.050.22.5流纹岩流纹岩279255.74.512.5玄武岩玄武岩0.531.960.613.7粘土粘土2.1112.55.24泥岩泥岩3.712.02.75.24硅质粘土岩硅质粘土岩4.011.52.72.88油质泥岩油质泥岩500

29、1304.0粉砂粉砂1.24.31.49.31.32.12.177砂岩砂岩0.51.71.13.4石灰岩石灰岩2.01.57 陆相氧化环境 Th/U7 海相沉积 Th/U2 海相黑色页岩第二节第二节 密度测井密度测井一、伽马射线与物质的作用一、伽马射线与物质的作用 1、光电效应光电效应光电效应或称光电吸收，在伽马射线的能量光电效应或称光电吸收，在伽马射线的能量0.5Mev(低能低能)时产生，过程如下：时产生，过程如下： a 量子与原子核发生作用时，它将所有的能量交给原子量子与原子核发生作用时，它将所有的能量交给原子 ； b 原子又将能量几乎全部交给一个壳层电子；原子又将能量几乎全部交给一个壳层

30、电子； c 电子克服电离能脱离电子轨道，成为自由电子，称为光电子。电子克服电离能脱离电子轨道，成为自由电子，称为光电子。 d 而而 量子被吸收，这种作用称为光电效应。量子被吸收，这种作用称为光电效应。注意注意: a 光电效应在光电效应在K，L层等靠近核的内层产生光电层等靠近核的内层产生光电子的几率子的几率(可能性可能性)最大最大 。b 光电吸收系数：伽马量子穿过物质时产生光电吸收系数：伽马量子穿过物质时产生 光电效应的几率光电效应的几率 KZ4.6 K为与入射伽马量子有关的系数，为与入射伽马量子有关的系数，K近似与近似与Er的三次方成反比，的三次方成反比， Z为原子序数。为原子序数。kLe2

31、、康普顿吴有顺散射、康普顿吴有顺散射 在伽马射线的能量为在伽马射线的能量为0.5Er1.02Mev时产生，过程如下：时产生，过程如下： 量子与原子核量子与原子核(主要是重元素的原子核主要是重元素的原子核)的力场相互作用，此时的力场相互作用，此时 量子量子的能量转化为产生一个正电子的能量转化为产生一个正电子和一个负电子和一个负电子，每个电子的能量为每个电子的能量为0.51Mev。 吸收系数：形成电子对的几率吸收系数：形成电子对的几率 KC1Z2（Ero-1.02) C1为比例系数为比例系数 Z为原子序数为原子序数 Ero为入射为入射 量子的能量量子的能量4、吸收方程、吸收方程 射线通过物质时，以

32、上三种效应都有射线通过物质时，以上三种效应都有可能产生可能产生 ，此时吸收方程，此时吸收方程吸收系数吸收系数：正比于物质的密度：正比于物质的密度注：注：1. 当当 量子的能量量子的能量Er0.51Mev时，时，u=以光电效应为主。以光电效应为主。 当当 量子的能量量子的能量0.51Er1.02Mev时，时，u=K以形成电子对为主。以形成电子对为主。 2.测井使用的是中等能量的测井使用的是中等能量的 源源 所以所以u=，则，则中中e、 Na为常数，为常数，Z/A=0.5， 因此，当因此，当L、Io一定时，一定时，I与与有关，这是密度测井的物理基础。有关，这是密度测井的物理基础。ANaZeLoeI

33、IKLoeII二、二、 测井原理测井原理1、 测井原理概述测井原理概述 1) 测井与自然测井与自然 测井的区别测井的区别 自然自然 ：测量天然：测量天然 射线强度射线强度( 源源) - 测井：测量人工射线强度测井：测量人工射线强度(散射散射 )，因此根本区，因此根本区别在于：别在于： - 测井仪中的下部有测井仪中的下部有 源，源， 铅饼铅饼 (a 防止防止 源直接照射探测器影响计数率，源直接照射探测器影响计数率， b 延长探测器的寿命延长探测器的寿命)。2)测量测量 a 目前目前 - 测井使用的测井使用的 源为源为 Cs137(铯铯)源源 能量为能量为0.66Mev Co60(锢锢)源源 能量

34、为能量为1.33Mev和和1.17Mev 入射的是中等能量的入射的是中等能量的 量子量子 b 中等能量的中等能量的 量子入射物质，产生康吴散射，量子入射物质，产生康吴散射，探测器接收散射探测器接收散射 射线的强度。射线的强度。二、二、 - 测井原理测井原理1、 - 测井原理概述测井原理概述 3)值得注意的是值得注意的是 a.探测器记录一次散射探测器记录一次散射 射线的强度。原因射线的强度。原因是到探测器的散射是到探测器的散射 射线的散射角较大，所以散射线的散射角较大，所以散射射 射线的能量较小射线的能量较小(与入射的与入射的 射线的能量相比，射线的能量相比，能量损失很多能量损失很多)，故，故

35、- 测井主要记录到一次散射测井主要记录到一次散射 射线，多次散射射线，多次散射 射线能量很低，容易射线能量很低，容易产生光电产生光电效应效应，被岩层吸收。被岩层吸收。 b.随随r距离加大，距离加大，增大，随散射角的增大，增大，随散射角的增大， 散射散射 射线的能量很快减小，所以射线的能量很快减小，所以 - 测井的探测测井的探测深度不大，探测范围不大。深度不大，探测范围不大。 探测范围为：半径为探测范围为：半径为L/2左右，高度为左右，高度为 L的圆的圆柱体，一般柱体，一般 L5060cm，所以，所以 r30cm。 c.记录为探测器与记录为探测器与 源的中点。源的中点。 d. J( - 测井测井

36、)的单位为：脉冲的单位为：脉冲/分。分。 2、 J与密度与密度，源距，源距L的关系的关系 经理论推导探测器接收到的散射经理论推导探测器接收到的散射 射线射线强度为：强度为： 式中式中K为常数，为常数，Q为源强，为源强，为密度，为密度，L为源距为源距 C= 0.06 Cs137(铯铯)源源 能量越低能量越低 0.07 Co60( 钴钴)源源 C值越大值越大利用上式可以绘制利用上式可以绘制J，L的关系图的关系图1)当当LLo时（小源距的情况下）时（小源距的情况下） J1.5Lo时（大源距的情况下时（大源距的情况下) J1.5J2.7 密度大的密度大的J小，密度小的小，密度小的J大，这说明大，这说明

37、J与密度成反比与密度成反比 测井使用大源距测井使用大源距 L5060cm J与密度成反比与密度成反比)exp(CLLKQJrr密度测井密度测井-康普顿效应康普顿效应三、贴壁式密度测井三、贴壁式密度测井 测井测井方法方法 - 密度测井密度测井单源距贴壁式单源距贴壁式密度测井密度测井双源距井眼补偿双源距井眼补偿密度测井密度测井源距源距L=SR=50-60cmL=SR=50-60cmL长长35-45cmL短短15-25cm所记录所记录参数参数J1.J2.a1.Nl,Ns 长短源距计数率长短源距计数率2.(a)l，(a)s长短源距视长短源距视密度密度与与的的关系关系成反比成反比1.J与与成反成反比比2

38、.a 与与成正比成正比1. Nl与与成反比成反比Ns与与成正比成正比2. (a)l，(a)s与与成正比成正比影响影响因素因素1 扩孔扩孔2 泥饼泥饼泥饼泥饼消除扩孔的影消除扩孔的影响响双源距贴壁的目的双源距贴壁的目的消除扩孔，泥饼的影响消除扩孔，泥饼的影响注意几点注意几点:1.扩孔对扩孔对 - 密度测井的影响密度测井的影响 由于泥浆的密度比地层低得多，由于泥浆的密度比地层低得多，所以扩孔后，当记录点位于岩层中部所以扩孔后，当记录点位于岩层中部时，探测范围内平均密度降低，而时，探测范围内平均密度降低，而J与与成反比，因此成反比，因此J产生假异常。产生假异常。2.视密度的定义视密度的定义 在渗透层

39、处，在井壁存在泥饼，因为在渗透层处，在井壁存在泥饼，因为泥饼的密度一般低于岩层的密度，所泥饼的密度一般低于岩层的密度，所以用密度测井仪在井中测量时，所测以用密度测井仪在井中测量时，所测到的密度值要小于实际的地层密度值到的密度值要小于实际的地层密度值b，为了将所测到的密度与实际地层，为了将所测到的密度与实际地层的密度相区别，我们把所测到的密度的密度相区别，我们把所测到的密度称为视密度，用称为视密度，用 a表示：表示：mc为泥饼密度为泥饼密度b为地层密度为地层密度K为与泥饼厚度，源距等有关的参数为与泥饼厚度，源距等有关的参数bmcaKK)1 ( 3.双源距井眼补偿密度测井原理双源距井眼补偿密度测井

40、原理以上讲到以上讲到 当泥饼不存在时：当泥饼不存在时： (a)l= (a)s , =0，所以，所以b= (a)l当泥饼存在时：当泥饼存在时：(a)l (a)s 0 所以所以 b= (a)l+ 所以有：所以有： bmcaKK)1 ( 解方程得到解方程得到:bmcaKK)1 ()(111bsmcssaKK)1 ()(短源距短源距长源距长源距1)(abKsaa)()(1lsKKK 四、岩性密度测井四、岩性密度测井光电吸收系数为光电吸收系数为： K为与入射伽马量子有关的系数，为与入射伽马量子有关的系数，K近近似与似与Er的三次方成反比；的三次方成反比； Z为原子序数。为原子序数。为了突出光电效应，定义

41、光电吸收指数：为了突出光电效应，定义光电吸收指数：6.310Zk1PeZ同时定义体光电吸收指数：同时定义体光电吸收指数：eenPU对于多矿物来说：对于多矿物来说：iiVUUe岩性密度测井同时测量光电吸收指数、岩性密度测井同时测量光电吸收指数、体光电吸收指数和体积密度体光电吸收指数和体积密度6 . 4KZ岩性密度测井岩性密度测井-康普顿效应康普顿效应+光电效应光电效应对泥质砂岩来说有：五、密度测井的应用1、确定孔隙度对于纯地层来说：Vsh=0mamashshfVVDENmafmashshmafmaVmafma3、识别煤层 煤的J值大，GR小第三节第三节 中子测井中子测井一、中子与物质的作用（中子

42、测井理论基础）一、中子与物质的作用（中子测井理论基础） 中子分类：中子分类： 快中子快中子 能量能量 0.1 Mev (105ev) 速度快速度快 中能中子中能中子 能量能量 105ev102ev 速度中等速度中等 慢中子慢中子 能量能量 100ev 速度慢速度慢 超热中子超热中子 0.1ev100ev 热中子热中子 0.025ev1.非弹性散射非弹性散射高能快中子与原子核碰撞属非弹性碰撞高能快中子与原子核碰撞属非弹性碰撞(或称为非弹性散射或称为非弹性散射)。 非弹性散射截面：快中子与原子核发生非弹性碰撞的几率非弹性散射截面：快中子与原子核发生非弹性碰撞的几率( (称为非称为非弹性散射截面弹性

43、散射截面 ) )； 1)1) 的大小取决于的大小取决于 a a中子能量中子能量 b b原子核的种类；原子核的种类； 2)2) 的不同会使散射的不同会使散射 射线的强度不同。射线的强度不同。2、弹性散射、弹性散射 中等能量快中子与原子核碰撞属弹性碰撞中等能量快中子与原子核碰撞属弹性碰撞(或称为弹性散射或称为弹性散射) 注意：注意： 1)弹性散射截面弹性散射截面微观散射截面：一个中子与原子核发生弹性碰撞的几率称为微观散射截面，用微观散射截面：一个中子与原子核发生弹性碰撞的几率称为微观散射截面，用 s表示；表示；宏观散射截面：单位体积中全部的原子核微观散射截面之和称为宏观散射截面，宏观散射截面：单位

44、体积中全部的原子核微观散射截面之和称为宏观散射截面， 用用 s表示表示 sN s 为单位体积中的原子核数为单位体积中的原子核数 其中其中H的散射截面最大的散射截面最大与原子核发生弹性与原子核发生弹性碰撞碰撞原子核获得能量，此部分能量原子核获得能量，此部分能量只能使原子核作热运动只能使原子核作热运动碰撞几次后，碰撞几次后，中子能量损失中子能量损失最后变为慢中子包括超最后变为慢中子包括超热中子和热中子热中子和热中子2、弹性散射、弹性散射2)碰撞前后的能量变化碰撞前后的能量变化A 能量损失与能量损失与角的关系角的关系00时；E2E1；能量无损失1800时； ；中子能量损失最大B 能量损失与原子核质量

45、的关系能量损失与原子核质量的关系当A1时，即M=m，=1800时，E20，这说明经弹性碰撞后，中子的能量全部损失。这种情况仅在原子核为H(氢)时，因为m中子M氢。由此可见：氢原子对中子的减速能力最大,即是一种减速剂。mMAAAEE,11212E1=中子碰撞前的能量E2=中子碰撞后的能量2212212sincos)/1 (1mMmMEE3 3、热中子俘获、热中子俘获1）概述概述 2）注意）注意(1)俘获截面俘获截面 微观俘获截面：一个原子核俘获热中子的几率称为微观俘获截面用微观俘获截面：一个原子核俘获热中子的几率称为微观俘获截面用 a表示。表示。 宏观俘获截面：单位体积中微俘获截面之和称为宏观俘

46、获截面用宏观俘获截面：单位体积中微俘获截面之和称为宏观俘获截面用 a表示表示 。 aN a 为单位体积中的原子核数为单位体积中的原子核数 (2)热中子寿命热中子寿命 从热中子产生到热中子被俘获所需要的时间称为热中子寿命从热中子产生到热中子被俘获所需要的时间称为热中子寿命 t热中子速度热中子速度V2.2105cmsaaVt45451综上所述（中子作用）综上所述（中子作用）: 原子核获得能量原子核获得能量, 放出非弹性散射放出非弹性散射 射线射线高能快中子高能快中子 快中子快中子 超热中子超热中子 热中子热中子 热中子俘获热中子俘获 减速过程减速过程 扩散过程扩散过程(被俘获被俘获) 放出俘获放出

47、俘获 射线射线 减速长度减速长度Lf 扩散长度扩散长度Lt 与与H有关有关 与与Cl有关有关(35Cl是影响热中子扩散的主要核素是影响热中子扩散的主要核素)注注1：=lnE1-lnE2=ln(E1/E2) =lnE1-lnE2=ln(E1/E2) 中子碰中子碰撞一次能量的自然对数减少的平均值撞一次能量的自然对数减少的平均值 二次二次 射线射线也称俘获也称俘获 射线射线 吸收截面吸收截面也称俘获截面也称俘获截面注注2 2：中子活化：一个稳定的原子核，在中子的作用下变成新的放射性原子核的过程。中子活化：一个稳定的原子核，在中子的作用下变成新的放射性原子核的过程。 中子源中子源将中子从原子核中释放出

48、来的装置将中子从原子核中释放出来的装置241237495932941214260()(5.701)AmNpHeBeHeCnQMeV412017.588DTHenMeV同位素中子源（连续中子源）同位素中子源（连续中子源）加速器中子源（脉冲中子源）加速器中子源（脉冲中子源）二、中子测井 2、引入含氢指数、引入含氢指数Hf1、中子、中子- 测井与测井与 - 测井比较测井比较方法方法 - 测井测井中子中子- 测井测井测量测量散射散射 射线强度射线强度俘获俘获 射线强度射线强度单位单位脉冲脉冲/分分脉冲脉冲/分分源距源距L=5060cmL=5060cm记录点记录点SR中点中点SR中点中点与岩性的关系与岩

49、性的关系J与密度成正比与密度成正比Jn 与氢量成反比与氢量成反比Jn 与与Cl成正比成正比分层点分层点1/3幅值点幅值点1/2幅值点幅值点 为密度，为密度，X为氢原子个数，为氢原子个数，M为总原子量。为总原子量。MXHf9子数单位体积纯水中的氢原子数单位体积物质中的氢原二、中子测井 例如：水的含氢指数例如：水的含氢指数 H2O 1 M21 11618 H2 二个氢原子二个氢原子 一个氧原子一个氧原子所以所以Hf(气气)=2.25* 气气=0.18Hf(油油)=1.28* 油油=1.09Hf(煤煤)=(0.38(无烟煤无烟煤)，0.52(褐煤褐煤)， 0.60(烟煤烟煤) 118219fH三、中

50、子中子测井三、中子中子测井1、中子热中子测井、中子热中子测井 测量测量 1) Jnn 即为中子热中子计数率即为中子热中子计数率 采用大源距采用大源距 L5060cm Jnn与含与含H量成反比，与含量成反比，与含Cl量成反比量成反比(原因是原因是Cl的俘获截面大，俘获的俘获截面大，俘获 的热中子多的热中子多，使留下来的热中子数减小使留下来的热中子数减小) 实际：补偿中子测井实际：补偿中子测井 CNL测量孔隙度称为视石灰岩孔隙度。测量孔隙度称为视石灰岩孔隙度。视石灰岩孔隙度：视石灰岩孔隙度：CNL仪通常在已知孔隙度的纯石灰岩上进行刻度，此种刻度仪器如果仪通常在已知孔隙度的纯石灰岩上进行刻度，此种刻

51、度仪器如果在纯石灰岩中进行测量便是真孔隙度，但在非石灰岩上进行测量，测到的孔隙度与地层在纯石灰岩中进行测量便是真孔隙度，但在非石灰岩上进行测量，测到的孔隙度与地层的真孔隙度不同，称为视石灰岩孔隙度的真孔隙度不同，称为视石灰岩孔隙度 。2)补偿中子测井 CNL中子孔隙度（单位%） R2R1S长源距探测器长源距探测器lgNl=-a1 +b+c短源距探测器短源距探测器lgNs=-a2 +b+c Nl，Ns分别为长短源距计数率分别为长短源距计数率a1,a2分别为为长短源距等有关参分别为为长短源距等有关参数数b为仪器常数为仪器常数c为为Cl对测量结果的影响对测量结果的影响)21(lgaaNsNl21)l

52、g(aaNsNl以上二式相减得：以上二式相减得：消除消除Cl的影响的影响 岩石孔隙度岩石孔隙度 2、中子超热中子测井中子超热中子测井 测量测量 1) Jnn中子超热中子，即为中子超热中子计数率。中子超热中子，即为中子超热中子计数率。 采用大源距采用大源距 L5060cm Jnn与含与含H量成反比，与含量成反比，与含Cl量无关量无关(原因是原因是Cl俘获热中子，不俘获热中子，不能俘获比热中子能量大的超热中子能俘获比热中子能量大的超热中子) 2) 贴壁中子贴壁中子 SNP 中子孔隙度中子孔隙度(视石灰岩孔隙度视石灰岩孔隙度) 单位单位% 。 为了减小井孔的影响采用贴壁方式，为了减小井孔的影响采用贴

53、壁方式， SNP与岩石的孔隙度成正比。与岩石的孔隙度成正比。四、中子测井的应用1、确定岩石的孔隙度、确定岩石的孔隙度 CNL 对于纯地层来说： NmanmaN1 对泥质砂岩来说有：注1：流体（水）的中子响应为100%当Vsh=0时可以退化到纯地层的计算公式maNmashNshfNNVVmaNfNmaNshNshmaNfNmaNNV注2：当地层含气，求孔隙度时，需作校正。所以有所以有:3.识别气层识别气层 气层上声波时差大、或周波跳跃气层上声波时差大、或周波跳跃 偏大偏大 气层上密度测井值偏小气层上密度测井值偏小 偏大偏大 CNL 气层上气层上CNL偏小（偏小（Jnr大）大） 偏小偏小 maNf

54、NmaNNn中子mafmaNttttsmafmaDENd0ns0nd1、C/O比测井原理比测井原理第四节第四节 脉冲中子测井脉冲中子测井(介绍）介绍）一、碳氧比（一、碳氧比（C/O）能谱测井）能谱测井 碳氧比（碳氧比（C/O）能谱测井是一种脉冲中子测井方法，是目前唯一受地）能谱测井是一种脉冲中子测井方法，是目前唯一受地层水矿化度影响小、可在套管井中测定含油饱和度的测井方法。层水矿化度影响小、可在套管井中测定含油饱和度的测井方法。 C/O能谱测井利用能谱测井利用14百万电子伏特（百万电子伏特（MeV）的脉冲快中子轰击地层中）的脉冲快中子轰击地层中各元素的原子核，发生非弹性散射，使其处于激发态后散

55、放出伽马射线（各元素的原子核，发生非弹性散射，使其处于激发态后散放出伽马射线（ 射线），对这些射线），对这些 射线进行时间和能谱分析，可以得到地层中碳（射线进行时间和能谱分析，可以得到地层中碳（C）、氧）、氧（O）、硅（）、硅（Si）、钙（）、钙（Ca）等元素的含量，从而计算出产层的含油饱和）等元素的含量，从而计算出产层的含油饱和度、监视油田开发过程中产层含油饱和度的变化情况。度、监视油田开发过程中产层含油饱和度的变化情况。处于激发态的地层各种元素的原子核将同样释放出具有不同核辐射特征能处于激发态的地层各种元素的原子核将同样释放出具有不同核辐射特征能量的非弹性散射量的非弹性散射 射线。射线。例

56、如碳（例如碳（C12）的非弹性散射）的非弹性散射 射线的特征能量为射线的特征能量为4.43MeV氧（氧（16O）为）为6.13MeV硅（硅（28Si）为）为1.78MeV钙（钙（40Ca）为）为3.75 MeV等等 非弹性散射：快中子与元素的原子核碰撞，中子被核吸收形成复合核，中非弹性散射：快中子与元素的原子核碰撞，中子被核吸收形成复合核，中子以较低能量散射出来，核处于激发态，放出伽马射线又回到基态。子以较低能量散射出来，核处于激发态，放出伽马射线又回到基态。 由于各种核反应所诱发的分布在不同的时间里，中子源又是可控的脉冲式由于各种核反应所诱发的分布在不同的时间里，中子源又是可控的脉冲式的单色

57、源，所以只要适当地采用与中子脉冲同步的测量技术，就可以有效地把的单色源，所以只要适当地采用与中子脉冲同步的测量技术，就可以有效地把非弹性散射非弹性散射 射线与其它反应所产生的射线与其它反应所产生的 射线区分开来。射线区分开来。 在实际测井中是采用碳的三个峰（即在实际测井中是采用碳的三个峰（即4.43、3.92、3.41MeV）和氧的三个峰（即）和氧的三个峰（即6.13、5.62、5.11 MeV）范围内即）范围内即C窗与窗与O窗所包含的窗所包含的射线总计数之比来评价产层的油水含量和射线总计数之比来评价产层的油水含量和有关地质参数（图），这就是为什么称之有关地质参数（图），这就是为什么称之“C/

58、O能谱能谱”测井的理由所在。由于采用比值法，测井的理由所在。由于采用比值法，也减少了非弹性散射之外的也减少了非弹性散射之外的 射线的影响，同时克服了可控脉冲中子源产额不稳对测井所射线的影响，同时克服了可控脉冲中子源产额不稳对测井所带来的影响；提高了区分产层油水关系的灵敏度。带来的影响；提高了区分产层油水关系的灵敏度。在油桶、水桶模型中所测得的C和O非弹性散射伽马能谱 2、实际测量的参数 随着微处理机的发展，在C/O能谱测井仪器中已将多道脉冲幅度分析器置于井下仪器中，在井下对脉冲信号进行数字化处理，使数字信号通过电缆运输到地面仪器，克服了因用电缆传输脉冲信号造成脉冲失真与丢失，提高了计数率和信噪

59、比，从而提高了能谱测井的质量。我国引进西方阿特拉斯公司的C/O能谱测井仪已作了上述的改进。 斯仑贝谢公司使用次生伽马能谱测井仪（GST）不仅具有高计数率传输；还可进行多参数分析，可直接输出C/O、Si/(SiCa)、H/(SiCa)、Cl/H、Fe/(SiCa)、S/(SiCa)等多种能谱计数比，能评价碳、样、硅、钙、氢、铁、氯、硫等8种元素含量。这是C/O能谱测井仪的扩展。近两年该公司又将GST发展过油管测井仪器（RST剩余油饱和度测井仪）。 3、C/O碳氧比测井资料解释碳氧比测井资料解释 C/O能谱测井资料解释主要是求含油饱和度So，其解释模型是建立在单位体积地层为油和岩石骨架中碳原子数目

60、与水和岩石骨架中氧原子的数目之比，即碳、氧原子密度之比。 这个比值与So、有一定的关系。但在实际解释中是用模型井得出的公式。式中（C/O）w水层中C/O； （C/O）o油层中C/O；（C/O）log目的层测得的C/O； wowOOCOCOCOCSlog（一）中子寿命测井原理（一）中子寿命测井原理二、中子寿命测井中子寿命测井 中子寿命测井（中子寿命测井（NLL）又叫热中子衰减时间测井（）又叫热中子衰减时间测井（TDT）。它也是一种脉冲）。它也是一种脉冲中子测井方法，是适应高地层水矿化度的地质条件。中子寿命测井能在裸眼或套中子测井方法，是适应高地层水矿化度的地质条件。中子寿命测井能在裸眼或套管井中