自然伽马能谱测井论文

1、自然伽马能谱资料原理及粘土矿物方面应用摘要：粘土矿物是储集层的重要组成部分, 其含量及特性对油田开发效果有着较大的影响。伽马射线是原子核衰变裂解时释放的射线之一，穿透能力极强，从液体到金属的大部分物质都能穿过，正是由于具有此特性，使其在石油工业等方面得到广泛的应用。岩石中主要含有铀(U)、钍(Th)、钾(K)等放射性元素，在沉积岩中这些放射性元素主要反映泥质含量的变化，在火山岩、花岗性风化层及某些盐类沉积，自然伽马测量值显著增高，常做为识别这类岩石类型的重要曲线标志。自然伽马能谱测井就是在钻出的深井中，对地层的自然(天然)伽马射线进行能谱分析，由不同的能量的伽马射线强度确定地层中铀、钍、和钾的

2、含量及其分布情况，从而评价地层的岩性、生油能力以及解决更多的地质和油田开发中的问题。关键词：自然伽马能谱测井；沉积环境；生油岩；储集层；粘土矿物1.引言自然伽马能谱测井（natural gamma-ray spectral logging）是按不同能量范围记录自然伽马射线的一种测井方法。因为地层放出的伽马射线大多数是由三种放射性同位素钾、钍、铀衰变产生的，所以自然伽马能谱测井可以给出地层中钾、钍、铀的含量。这些数据对于准确地确定储集层泥质含量、分析沉积环境和生油条件，以及划分岩性都是很有用的。此外，在钾盐矿床和某些钍变型金矿床也能取得满意的地质效果。为了进一步研究储集层的有关特征，为油田开发生

3、产提供一些基本的参数，了解储集层的泥质含量以及粘土矿物的种类，有着很现实的意义。运用自然伽马测井资料对储集层的有关特征进行描述，特别是泥质中粘土矿物含量的描述，这对当前的石油生产具有十分重要的意义。对于沉积岩层而言，由于粘土矿物对放射性元素有着强烈的吸附作用，沉积岩自然放射性的强弱与粘土矿物的含量密切相关。因此，可以利用自然伽马能谱测量数据来确定沉积岩粘土矿物的类型和成分。2.自然伽马能谱资料原理自然伽马能谱测井能直接测量地层中U、Th、K等元素的含量，以此来判断地层性质，定量计算可用于确定泥质含量、鉴别高渗透率、碳酸盐岩裂缝层的划分和粘土成分的确定；定性分析可用于对泥质地层生油岩特性的识别和

4、沉积环境的研究.2.1自然伽马能谱自然伽马射线主要是由地层岩石中的238U放射系、232Th放射系和40K产生的。原始伽马射线能谱均呈现离散的线谱形态，而伽马射线触发伽马谱仪探测器后却得到连续的谱线，通常把这种连续谱称为伽马实测谱或仪器谱。在自然伽马能谱测井中，表征238U通常选用U系中214Bi发射的176Mev伽马射线；表征232Th选用Th系中208Tl发射的262Mev伽马射线；表征K只能用40K唯一的146Mev伽马射线.2.2自然伽马能谱测井原理自然伽马能谱测井可以同时做到强度测量和能谱分析，根据能量分析确定射线由哪一种核素发射，依据强度确定该种核素及其相应元素的含量。对自然伽马能

5、谱信息利用最为充分的是多功能补偿自然伽马能谱测井仪，其测井过程如图1所示。 3粘土矿物的结构类型及其性质3. 1 粘土矿物的结构类型粘土是由细的、分散的含水层状构造硅酸盐矿物和链状硅酸盐矿物及含水的非晶质硅酸盐矿物组成。粘土矿物是由极小的、层状构造的硅酸盐组成,其内部质点( 原子) 在三维空间呈周期性排列。粘土矿物的基本结构是硅氧构成的四面体片或八面体,其结构比较复杂。在石油地质中, 粘土矿物一般由伊利石、蒙脱石、高岭石、绿泥石、伊利石与蒙脱石混层以及绿泥石与蒙脱石混层组成。3. 2 粘土矿物的性质粘土矿物具有不饱和电荷, 比表面积大。这决定了粘土矿物具有吸附性、离子交换性、膨胀性、分散性、凝

6、聚性和可塑性等特点。其吸附性分为物理性吸附和化学性吸附, 这一特性决定了其在沉积过程中会吸附大量的放射性物质, 从而导致在地层中由于泥质的增加, 造成放射性含量的增加。不同粘土矿物对放射性元素铀、钍、钾的吸附能力不同, 这在自然伽马能谱测井中所测得的铀、钍、钾的含量中就有所表现, 因此可以利用自然伽马能谱测量数据来识别粘土矿物种类及其含量。要区分粘土矿物种类及其含量, 首先应该知道不同粘土矿物的一些性质。4.自然伽马能谱测井分析与应用自然伽马能谱测井资料包括：地层总自然伽马（GR)，地层无铀伽马(KTh)，及地层中铀(URAN)、钍(ThOR)、钾(POTA)的含量。利用其测量值可以研究地层特

7、性，计算泥质含量、地层粘土矿物归类、识别高自然伽马放射性储层、评价生油岩等。具体过程是采用交会图技术，做出地层ThK交会图，按照给定的ThK交会图版，归类粘土矿物，定性识别粘土矿物。同样，采用ThU交会，可分析沉积环境的变化情况。在还原环境和有机质富集的条件下，可以使泥质沉积吸附大量的铀离子，自然伽马能谱测井中铀曲线代表地层中铀的含量，因而可用来评价生油岩。4.1评价生油层自然伽马能谱资料中的铀曲线反映地层中放射性矿物铀的含量。研究表明，放射性元素铀与有机质的丰度有很密切的关系，有机质越富集的地方，能谱曲线中所显示的铀含量越高，指示与油气关系越密切。根据这一结果，分析老27井的自然伽马能谱资料

8、如图1所示，在泥岩出油层段铀含量大于3×10-6。对没有自然伽马能谱资料的樊41井、罗42井、大93井等进行分析结果发现：在地质录井或井壁取心资料中，反映的岩性为泥岩与油页岩或油泥岩互层，或者距油页岩或油泥岩距离较近，是较好的生油层。4.2确定地层岩性由于地层中天然放射性核素的分布具有一定的规律性，因此，利用自然伽马能谱测井可以确定地层的岩性，特别是对于一些复杂地层的岩性识别，自然伽马能谱测井将优于其它测井方法。4.2.1利用ThU交会图划分岩性一般情况下，地层中的钍(Th)含量随岩石的粒度变细而增加，利用钍值可以把地层中的砂岩、粉砂岩和泥岩等划分得很清楚，因此Th是一个识别岩性的较

9、好参数。此外，在地层原始沉积的过程中，铀(U)的含量与地下水的溶解和迁移程度有关，而油气藏的形成与地下水的活动也有关系，并且油气藏的形成还要求有良好的封闭条件，因此油气藏的形成与U有一定的关系，为此，利用ThU交会图可以更准确地区分岩石的岩性。4.2.2利用ThK交会图划分岩性在地层中，钾(K)的含量也与岩性有关。一般情况下，钾的含量随岩石的粒度变细而增加。此外，在碳酸盐中钾含量较多，这是由于碳酸盐在形成过程中的淋滤作用而造成的。为此，利用ThK交会图也可以区分岩石的岩性。4.3粘土矿物类型的识别组成岩石矿物的晶体结构和化学结构，在温度、压力、水体PH值等的作用下，在不断变化。处在地面上的风化

10、作用首先破坏岩石的晶体结构，继而破坏岩石的化学结构，在搬运过程中被分选和沉积。在风化搬运沉积的过程中，影响化学环境的因素主要是水和温度的作用，在此过程中，大部分暴露的碱金属和碱土金属被溶解，土族元素氧化物一般不被溶解，而是成为胶体进入水中，氧化硅的溶解受PH值和温度的控制，但它大部分是以石英晶体的形式存在，组成砂粒。氧化铝在碱性和酸性环境下极易溶于水中，而大部分则以胶体的形式进入水中。这些胶体和真溶液进入湖海之中，在入口处，氧化硅、氧化铝等的胶体的电荷被中和而沉积成泥岩。而各种物质的沉积都需要一定的温度、PH值、化学成分、气候等条件。在蒸发过程中，可形成蒸发沉积岩；在潮湿气候下，淋滤作用较强，

11、碱金属和碱土金属被水溶液带走，在三角洲平原及其上游各相，多形成高岭土或高钍钾比泥岩沉积。干旱气候下各相沉积的泥岩含碱量较高，钍钾比较低，以伊蒙混层和伊利石为主。因此在能谱分析总的钍钾交会中，钍钾比大于12的是高岭土型粘土，35一12是伊蒙混层，235是伊利石型粘土，12是云母型粘土等。如庆古2井石炭一二叠系煤系地层，属潮湿环境下的平原沼泽相沉积，该井在录井中发现多层纯的铝土矿层，在进行钍钾交会时发现，泥岩钍钾比普遍较高，多数在9左右，高的可达20以上。粘土矿物以高岭石为主，而且有不同程度的伊蒙混层化。视地层水电阻率是上部地层的近十倍。濮深8井和明8井钍钾比都在45左右，是典型的泻湖相沉积环境，

12、具有高矿化度的地层水。4.4计算泥质含量可以用总伽马计数率计算泥质含量，在自然伽马能谱测井资料中，通常认为钾含量K、钍含量Th及其总和KTh与泥质含量的关系最好，铀含量U与泥质含量关系最差，高铀会指示渗透性良好的储集层。因此，一般情况，可以同时利用K、Th、KTH曲线或根据地质情况选其中一条曲线，计算地层泥质含量。4.5寻找高放射性储层纯砂岩和碳酸盐岩放射性元素含量很低，但有些地层中，由于岩石骨架中含有放射性矿物而明显呈现高放射性，有些渗透性地层由于地层水活动使其放射性矿物增多，引起放射性升高。传统观念认为储集层是低放射性的、泥质含量较少的、比较纯的岩石，而忽视了高放射性储层的生产价值。运用自

13、然伽马能谱测井中的无铀伽马计算泥质含量，可以弥补常规方法的不足。准确识别高放射性储层，确定岩性剖面。5.结论地层中含放射性元素的种类及含量与地层的沉积环境、沉积以来的地质变化等因素有关，自然伽马能谱测井能确定地层中铀(U)、钍(111)、钾(K)含量，是地质研究的一项重要资料。它不仅可以研究沉积环境，判断裂缝(或高放射性储层)，还能定量计算储层渗透率、粘土矿物含量，在复杂岩性油气勘探中为探井解释提供了精确的解释依据。值得说明的是，用自然伽马能谱求取渗透率虽然在国外已有所应用，但国内还没有见到有关方面的研究，本文只是一种尝试以起到抛砖引玉的作用。并且随着对自然伽马能谱资料研究的深入和技术的进步，

14、该项资料在油气勘探中必将发挥更大的作用。 利用自然伽马能谱测井数据来确定储集层粘土矿物的成分和含量, 可以为油田的开采方案设计提供有效的依据。文中分析得到的结果基本与实际分析结果相吻合, 这也佐证了利用自然伽马能谱数据确定粘土矿物成分和含量的有效性。通过文中的分析, 我们可以得到以下几点认识:( 1) 沉积岩放射性的强弱与对放射性元素有强烈吸附作用的粘土矿物的含量有关。( 2) 运用图版法可以较好地确定粘土的类型和含量, 可以为石油开采提供一定的依据。( 3) 各地区不同地层粘土矿物与自然伽马能谱测井的响应关系不同, 其响应关系与地层成岩过程中的母岩、地层水放射性的含量有关。( 4) 通常只根据自然伽马能谱测井读数鉴别的结果存在一定的不确定性, 最好再配合其它资料, 尤其是将岩性密度测井的Pe 与放射性元素含量的比值Th/K、U/K、Th/U 一起使用。 【参考文献】1黄隆基，胡庆东自然伽马能谱测井薄层响应J地球物理学报，1997，40（2）：2722782任爱阁自然伽马能谱测井谱解析方法研究D山东东营：中国石油大学，20073李惕碚，吴枚，陆柱国，等调制成像射线