第六章伽马测井

1、 放射性测井是测量记录岩石及其孔隙流体的核物理性质的参放射性测井是测量记录岩石及其孔隙流体的核物理性质的参数，研究井剖面岩层性质的一组测井方法数，研究井剖面岩层性质的一组测井方法，包括，包括自然伽马，自自然伽马，自然伽马能谱、中子、密度测井等然伽马能谱、中子、密度测井等。 放射性测井的特点放射性测井的特点：不受井眼介质限制，在裸眼井和套管井、：不受井眼介质限制，在裸眼井和套管井、各种钻井泥浆的井中均可测，能进行套管井的地层评价，快速分各种钻井泥浆的井中均可测，能进行套管井的地层评价，快速分析和确定岩石及其孔隙流体各种化学元素。析和确定岩石及其孔隙流体各种化学元素。放射性测井分类放射性测井分类：

2、（按测量的放射性类型划分）：（按测量的放射性类型划分） 1、伽马测井、伽马测井：以研究伽马辐射为基础，包括：以研究伽马辐射为基础，包括GR、NGS、地层密度、岩性密度、放射性同位素示踪测井、地层密度、岩性密度、放射性同位素示踪测井等。等。 2、中子测井、中子测井：以研究中子与岩石及孔隙流体相互：以研究中子与岩石及孔隙流体相互作用为基础，包括热中子、超热中子、中子伽马、脉作用为基础，包括热中子、超热中子、中子伽马、脉冲中子非弹性散射伽马能谱、中子寿命及活化测井等。冲中子非弹性散射伽马能谱、中子寿命及活化测井等。一、核衰变及其放射性一、核衰变及其放射性 1 1、原子的结构、原子的结构 矿物、岩石、

3、石油和地层水都是由分子组成的，分子又矿物、岩石、石油和地层水都是由分子组成的，分子又是由原子组成的。原子的中心是原子核，离核较远处核外电是由原子组成的。原子的中心是原子核，离核较远处核外电子按一定的轨道绕核运动。子按一定的轨道绕核运动。负电荷核外电子：带一个单位：不带电中子位正电荷氢的原子核，带一个单质子原子核原子(N):(Z)AZX2 2、同位素和放射性核素、同位素和放射性核素核素核素：指原子核中具有一定数目质子和中子，并处于同：指原子核中具有一定数目质子和中子，并处于同一能态的同一类原子。一能态的同一类原子。同位素同位素：指质子数相同，而中子数不同的核素，它们在：指质子数相同，而中子数不同

4、的核素，它们在元素周期表中占有同一位置。元素周期表中占有同一位置。核素有稳定核素和放射性核素之分核素有稳定核素和放射性核素之分。稳定核素：原子核不会自发地变为另一种核的核素。稳定核素：原子核不会自发地变为另一种核的核素。放射性核素放射性核素：原子核能自发地发生衰变，由一种核变为：原子核能自发地发生衰变，由一种核变为另一种核，并放射出射线的核素。另一种核，并放射出射线的核素。3 3、核衰变、核衰变 放射性核素放射性核素放射出带电粒子（放射出带电粒子（、）激发激发态的新原子核态的新原子核辐射辐射稳态的原子核，这个过程稳态的原子核，这个过程称为核衰变，核衰变具有一定的半衰期。称为核衰变，核衰变具有一

5、定的半衰期。 放射性核素随时间减小而遵循一定的规律，即核衰放射性核素随时间减小而遵循一定的规律，即核衰变规律：变规律：teNN0N0：初始原子个数：初始原子个数：衰变常数（反映衰变速度的参数），表示单位时间：衰变常数（反映衰变速度的参数），表示单位时间每个核发生衰变的几率，每个核发生衰变的几率，越大，衰变速度越快越大，衰变速度越快半衰期：半衰期：放射性核素因衰变而减少到原来一半所需的放射性核素因衰变而减少到原来一半所需的 时间。时间。4. 放射性活度放射性活度活度（强度）：一定量的放射性核素在单位时间内发生衰活度（强度）：一定量的放射性核素在单位时间内发生衰变的核素。变的核素。单位：单位：1C

6、i（居里）（居里）=3.71010核衰变核衰变/秒秒 贝克勒尔：贝克勒尔：=1次核衰变次核衰变/秒秒比度（浓度）：放射性核素的放射性活度与其质量之比。比度（浓度）：放射性核素的放射性活度与其质量之比。693. 0T5 5、放射性射线的性质、放射性射线的性质 射线射线( (2 2HeHe4 4) )：是一种带正电荷的粒子流，带有两个单位的正：是一种带正电荷的粒子流，带有两个单位的正电荷，相当于一个氢原子核。电荷，相当于一个氢原子核。 射线射线( (-1-1e e0 0) )：是一种带负电荷的高速运动的粒子流，相当于：是一种带负电荷的高速运动的粒子流，相当于一个电子，带一个单位的负电荷。一个电子，

7、带一个单位的负电荷。 射线：射线：射线是频率很高的电磁场或光子流，不带电荷射线是频率很高的电磁场或光子流，不带电荷, ,能能量很高，一般多在几十万电子伏特以上，并有很强的穿透能力。量很高，一般多在几十万电子伏特以上，并有很强的穿透能力。 这三种射线：这三种射线： 电离能力：电离能力：射线的电离本领最强，射线的电离本领最强，射线最弱。射线最弱。 穿透能力：穿透能力：射线最强，它在空气中的射程可达几百米，在沉射线最强，它在空气中的射程可达几百米，在沉积岩石中的平均穿透深度约为积岩石中的平均穿透深度约为3030公分；而公分；而射线在岩石中的穿透射线在岩石中的穿透距离仅约距离仅约1010-3-3厘米；

8、厘米；射线在金属中仅能穿透射线在金属中仅能穿透0.90.9厘米。厘米。 可见，来自井下岩石的放射性射线中，可见，来自井下岩石的放射性射线中，射线才是唯一可探测射线才是唯一可探测到的。到的。二、伽马射线与物质的相互作用二、伽马射线与物质的相互作用 射线能量一般在射线能量一般在0.5Mev0.5Mev到到5.3Mev5.3Mev之间，在这一能量范围之间，在这一能量范围内，伽马光子与物质的相互作用主要有以下三种：内，伽马光子与物质的相互作用主要有以下三种：1 1、电子对效应、电子对效应：在能量大于在能量大于1.02Mev1.02Mev时，它在物质的原子时，它在物质的原子核附近与核的库伦场相互作用，可

9、以转化为一个负电子和一核附近与核的库伦场相互作用，可以转化为一个负电子和一个正电子，而光子本身全部被吸收。个正电子，而光子本身全部被吸收。2(1.022)ANeKZEA 吸收（衰减）系数吸收（衰减）系数：伽马射线通过单位厚度的吸收介质，因此：伽马射线通过单位厚度的吸收介质，因此效应导致伽马射线强度的减弱，用吸收系数标示效应导致伽马射线强度的减弱，用吸收系数标示:K为常数，为常数，E为入射伽马的能量为入射伽马的能量，NA为阿伏伽德罗常数，为阿伏伽德罗常数，A为为克原子量，克原子量，Z为原子序数，为原子序数，为密度为密度由上式可以看出：由上式可以看出： 当当E能量小于能量小于1.022 MeV时，

10、时， 吸收系数值为负，即不可吸收系数值为负，即不可能形成电子对；而当能形成电子对；而当E能量能量1.022 MeV时，减弱系数时，减弱系数 随随 E的增大而直线上升。的增大而直线上升。 吸收介质的原子系数吸收介质的原子系数Z对对e有明显影响，即在重核附近形有明显影响，即在重核附近形成电子对的几率比轻核大得多。成电子对的几率比轻核大得多。2 2、康普顿效应、康普顿效应：能量较高伽马射线与物质中原子核外电子能量较高伽马射线与物质中原子核外电子碰撞时，一部分能量转交给电子，使之脱离原子电子壳层碰撞时，一部分能量转交给电子，使之脱离原子电子壳层而飞出，同时伽马射线改变自己运动方向，继续与其它电而飞出，

11、同时伽马射线改变自己运动方向，继续与其它电子相撞。每碰撞一次，能量损失一部分，并改变其运动方子相撞。每碰撞一次，能量损失一部分，并改变其运动方向，形成所谓康普顿效应。向，形成所谓康普顿效应。康普顿减弱系数康普顿减弱系数：由康普顿效应引起的伽马射线通过单位由康普顿效应引起的伽马射线通过单位距离物质的减弱强度。距离物质的减弱强度。: 每个电子的康普顿散射截面，为常数每个电子的康普顿散射截面，为常数；Z/A Z/A 在一定介质条件下，为常数，因此，利用在一定介质条件下，为常数，因此，利用 和和 的关系，可以确定介质的密度，是密度测井的核的关系，可以确定介质的密度，是密度测井的核物理基础物理基础e3

12、3、光电效应、光电效应：当伽马射线能量较低（低于当伽马射线能量较低（低于0.25Mev）时，它）时，它与组成物质元素原子中的电子相碰撞之后，把能量全部转交与组成物质元素原子中的电子相碰撞之后，把能量全部转交电子，使电子获得能量后脱离其电子壳层而飞出，同时伽马电子，使电子获得能量后脱离其电子壳层而飞出，同时伽马射线被吸收而消失。这一过程称为光电效应，被释放出来的射线被吸收而消失。这一过程称为光电效应，被释放出来的电子叫光电子。电子叫光电子。 线性光电吸收系数线性光电吸收系数：当伽马射线能量大于原子核外电子：当伽马射线能量大于原子核外电子结合能时，发生光电效应的概率。结合能时，发生光电效应的概率。

13、4.10.0089nZA此式说明此式说明：光电吸收系数主要取决于原子序数，由此发光电吸收系数主要取决于原子序数，由此发展了岩性密度测井。展了岩性密度测井。4 4、伽马射线的吸收、伽马射线的吸收 射线通过物质时，会同物质发生上述三种作用，射线通过物质时，会同物质发生上述三种作用，强度随着通过物质的距离而减弱，强度随着通过物质的距离而减弱，射线通过吸收物质射线通过吸收物质时其强度与所穿过吸收物质的厚度有如下关系：时其强度与所穿过吸收物质的厚度有如下关系：LeILI0)(e线性吸收系数：为了消除质量影响，常用质量吸收系数为了消除质量影响，常用质量吸收系数 m三种效应发生的比例随三种效应发生的比例随E

14、而变而变，一般有：，一般有：E0.1Mev时，主要为光电效应；时，主要为光电效应；0.1Mev E 2Mev时，发生电子对效应时，发生电子对效应一、岩石的自然放射性一、岩石的自然放射性 岩石的放射性是因岩石含有放射性核素，衰变时放出放岩石的放射性是因岩石含有放射性核素，衰变时放出放射性射线。射性射线。 岩石中所含的放射性核的种类和数量不同，放射性强度岩石中所含的放射性核的种类和数量不同，放射性强度也不同，根据自然界存在的放射性核素在岩石中的丰度可知，也不同，根据自然界存在的放射性核素在岩石中的丰度可知，岩石的自然伽马放射性主要取决于铀、钍、钾的含量。岩石的自然伽马放射性主要取决于铀、钍、钾的含

15、量。 自然伽马测井正是通过测量地层中天然放射特性的高低来自然伽马测井正是通过测量地层中天然放射特性的高低来研究地层性质的核测井方法。研究地层性质的核测井方法。 测量自测量自射线强度的方法叫做射线强度的方法叫做自然伽马测井，测量自然伽玛能谱的方法叫做自然伽马测井。自然伽马测井，测量自然伽玛能谱的方法叫做自然伽马测井。 对于三大类岩石而言，一般说来，火成岩在三大岩类中放对于三大类岩石而言，一般说来，火成岩在三大岩类中放射性最强，变质岩次之，沉积岩最弱。射性最强，变质岩次之，沉积岩最弱。 1 1）岩浆岩岩浆岩：其中有许多放射性矿物，如长石、云母集中了地：其中有许多放射性矿物，如长石、云母集中了地层中

16、绝大多数钾层中绝大多数钾K K。角闪石、独居石、辉石也有较高放射性，。角闪石、独居石、辉石也有较高放射性，其中以碱性岩、锆石、独居石等放射性最强。其中以碱性岩、锆石、独居石等放射性最强。 2 2）变质岩变质岩：取决于母岩放射性，若为岩浆岩，放射性较强，：取决于母岩放射性，若为岩浆岩，放射性较强，沉积岩则次之。沉积岩则次之。 3 3）沉积岩沉积岩：一般比岩浆岩、变质岩差，沉积岩中的不同岩类，：一般比岩浆岩、变质岩差，沉积岩中的不同岩类，放射性不同放射性不同。沉积岩的自然放射性，大体可分为高、中、低三种类型。沉积岩的自然放射性，大体可分为高、中、低三种类型。高自然放射性的岩石高自然放射性的岩石：包

17、括泥质砂岩、砂质泥岩、泥岩、包括泥质砂岩、砂质泥岩、泥岩、深海沉积的泥岩，以及钾盐层等，特别是深海泥岩和钾盐层，深海沉积的泥岩，以及钾盐层等，特别是深海泥岩和钾盐层，自然伽马测井读数在所述沉积岩中是最高的。自然伽马测井读数在所述沉积岩中是最高的。中等自然放射性的岩石中等自然放射性的岩石，包括砂岩、石灰岩和白云岩。，包括砂岩、石灰岩和白云岩。低自然放射性的岩石低自然放射性的岩石：包括岩盐、煤层和硬石膏。其中：包括岩盐、煤层和硬石膏。其中硬石膏最低。硬石膏最低。沉积岩的放射性低于岩浆岩和变质岩。沉积岩的放射性低于岩浆岩和变质岩。沉积岩中沉积岩中自然伽马放射性随泥质含量的增加而增加自然伽马放射性随泥

18、质含量的增加而增加。可见，除特殊的放射性矿物如钾盐层以外，油气田中常遇到可见，除特殊的放射性矿物如钾盐层以外，油气田中常遇到的的沉积岩的自然放射性强弱与岩石中含泥质的多少有密切的沉积岩的自然放射性强弱与岩石中含泥质的多少有密切的关系。关系。 这是因为：构成泥质的粘土颗粒较细，有较大的比表面积，在沉积过程中能够吸附较多的溶液中放射性元素的离子。泥质颗粒沉积时间长(特别是深海沉积)，有充分的时间同放射性元素接触和进行离子交换，所以，泥质岩石就具有较强的自然放射性。l进行自然伽玛测井的简单原理如图进行自然伽玛测井的简单原理如图所示：（井下仪器、地面仪器）所示：（井下仪器、地面仪器）l探测器探测器将接

19、收到的伽玛射线转将接收到的伽玛射线转换成电脉冲换成电脉冲l放大器放大器探测器输出电脉冲加以探测器输出电脉冲加以放大放大-剔除剔除-计数率计数率-电器积累连电器积累连续电流简单变换和刻度续电流简单变换和刻度自然伽玛自然伽玛GR曲线。记录电位差与单位时间曲线。记录电位差与单位时间内的脉冲数成正比。即与周围岩石内的脉冲数成正比。即与周围岩石放射性强度成正比。放射性强度成正比。l得到的是一条随深度变化的计数率得到的是一条随深度变化的计数率曲线（脉冲曲线（脉冲/分），现常用分），现常用API单位单位（美国石油学会采用的单位，表示（美国石油学会采用的单位，表示两倍于北美泥岩平均放射性的模拟两倍于北美泥岩平

20、均放射性的模拟地层的自然伽马测井曲线值的地层的自然伽马测井曲线值的1/200定义为定义为API自然伽马测井单位自然伽马测井单位）二、自然伽马的测井原理二、自然伽马的测井原理三、自然伽马的曲线特征三、自然伽马的曲线特征自然自然测井曲线记录下来的主要是仪器附测井曲线记录下来的主要是仪器附近，以探测器中心为球心，半径为近，以探测器中心为球心，半径为30-45cm30-45cm范围内岩石放射出来的范围内岩石放射出来的射线。这个范围射线。这个范围就是自然就是自然测井的探测范围。用这个测井的探测范围。用这个“探探测范围测范围”的概念，能够容易理解自然的概念，能够容易理解自然测测井曲线的形状及其特点。井曲线

21、的形状及其特点。1 1曲线特征曲线特征中心对称（上下围岩放射性相同），中中心对称（上下围岩放射性相同），中心出现极大值心出现极大值h h3d3d0 0 曲线极大值随曲线极大值随h h增加而增加增加而增加,h3d,h3d0 0 极大值极大值=const,=const,与强度大小成正比与强度大小成正比，与厚度无关。，与厚度无关。h3dh3d0 0半幅点定界面，半幅点定界面，h h3d3d0 0 厚度真厚度真实厚度。实厚度。四、自然伽马曲线的影响因素四、自然伽马曲线的影响因素1、测速、测速v和仪器电路积分常数和仪器电路积分常数对曲线对曲线的影响的影响 V的影响使的影响使GR曲线发生畸变，主要曲线发生

22、畸变，主要表现在幅度值表现在幅度值Grmax下降，且下降，且Grmax位位置不在地层中心而向上偏移，视厚度增置不在地层中心而向上偏移，视厚度增大，半幅点上移。同时造成半幅点划分大，半幅点上移。同时造成半幅点划分地层界面与实际地层界面有一偏差，而地层界面与实际地层界面有一偏差，而且前者比后者浅。偏差的大小与且前者比后者浅。偏差的大小与V成正成正比。比。 为了尽可能减小这种影响，在实际测为了尽可能减小这种影响，在实际测井工作中应通过试验选择合适的提升速井工作中应通过试验选择合适的提升速度和时间常数。同时，在整理资料时，度和时间常数。同时，在整理资料时，需通过同其它曲线的对比，将整个曲线需通过同其它

23、曲线的对比，将整个曲线下移一定深度。下移一定深度。2、放射性涨落误差、放射性涨落误差放射性涨落的影响放射性涨落的影响- -实测曲线呈锯齿状实测曲线呈锯齿状 由于地层中放射性元素的衰变是随机由于地层中放射性元素的衰变是随机的，因此，在一定时间间隔内衰变的原的，因此，在一定时间间隔内衰变的原子核数，亦即放射出的伽马射线数不可子核数，亦即放射出的伽马射线数不可能完全相同。但从统计的角度采看，它能完全相同。但从统计的角度采看，它基本上围绕着一个平均值在一定的范围基本上围绕着一个平均值在一定的范围内波动。这就是通常所说的统计起伏，内波动。这就是通常所说的统计起伏，或放射性涨落。或放射性涨落。 放射性涨落

24、现象的存在，使得采用放射性涨落现象的存在，使得采用同样的测量时间，在同一地层上测得的同样的测量时间，在同一地层上测得的自然伽马读数并不一致。表现在测井曲自然伽马读数并不一致。表现在测井曲线上，即呈锯齿状的变化，如图所示。线上，即呈锯齿状的变化，如图所示。 四、自然伽马曲线的影响因素四、自然伽马曲线的影响因素3、地层厚度的影响、地层厚度的影响4、井参数的影响、井参数的影响薄层（薄层（h7;Th/U7;海相沉积，氧化还原过渡带，灰色或绿色页岩，海相沉积，氧化还原过渡带，灰色或绿色页岩，2Th/U72Th/U7；海相还原环境，黑色页岩、磷酸盐岩，；海相还原环境，黑色页岩、磷酸盐岩，Th/U2Th/U

25、2 Th/U往往和盆地的地形剖面一致，具有边缘高往往和盆地的地形剖面一致，具有边缘高而内部低的特征，可反映沉积物源和推进方向。而内部低的特征，可反映沉积物源和推进方向。 5 5、求泥质含量、求泥质含量 地层中泥质含量与钍或钾的含量有较好的相关关地层中泥质含量与钍或钾的含量有较好的相关关系，而与地层中轴的含量关系较小。一般不用铀的系，而与地层中轴的含量关系较小。一般不用铀的含量而用总的计数率、钍含量和钾含量测井值计算含量而用总的计数率、钍含量和钾含量测井值计算泥质含量。泥质含量。 minmaxminCTSCTSCTSCTSSVCT1212SVCTGCURSVCTSVCE式中，SVCT:用总计数率

26、求出的泥质含量指数；CTS:总计数率；CTSmin：纯地层计数率；CTSmax：泥岩总计数率；SVCE：用总计数率求出的泥质体积含量；GCUR:区域参数（1） 用总计数率求泥质含量用总计数率求泥质含量minmaxminTHTHTHTHSVTH1212SVTHGCURSVTHSVTEminmaxmin4040404040KKKKSVK1212404040SVKGCURSVKSVK(2) 由钍含量求泥质含量(3) 由钾含量求泥质含量6 6、区分泥质砂岩和云母、区分泥质砂岩和云母利用钍和钾的利用钍和钾的含量交会图，含量交会图，可以给出石英、可以给出石英、云母和泥质的云母和泥质的百分含量百分含量 又称

27、放射性示踪测井，利用人工放射性同位素为示又称放射性示踪测井，利用人工放射性同位素为示踪剂，研究油井技术和采油注水动态的测井方法。踪剂，研究油井技术和采油注水动态的测井方法。一、放射性同位素测井找串槽位置一、放射性同位素测井找串槽位置二、放射性同位素测井检测封堵效果二、放射性同位素测井检测封堵效果三、检查压裂效果的放射性同位素测井三、检查压裂效果的放射性同位素测井四、放射性同位素载体法测定吸水剖面，计算吸水四、放射性同位素载体法测定吸水剖面，计算吸水量量 油井投入生产后，由于固井质量油井投入生产后，由于固井质量差或固井后由于其它工程施工，使差或固井后由于其它工程施工，使水泥环破裂，造成层间串槽。

28、水泥环破裂，造成层间串槽。 主要施工步骤：施工前，先测一主要施工步骤：施工前，先测一条自然伽马曲线作为参考曲线，而条自然伽马曲线作为参考曲线，而后将活化液压入找串槽层，与参考后将活化液压入找串槽层，与参考曲线比较，若注后测量结果大，则曲线比较，若注后测量结果大，则可查出示踪液的通道，找出串槽位可查出示踪液的通道，找出串槽位置。置。 一、放射性同位素测井找串槽位置一、放射性同位素测井找串槽位置对油层注入活化油，对水层注对油层注入活化油，对水层注入活化水。入活化水。 如图所示，欲检查已射开如图所示，欲检查已射开之之B B层和未射开的层和未射开的C C层及射开层及射开的的A A层之间是否有窜槽。以封

29、层之间是否有窜槽。以封隔器分别封隔隔器分别封隔B B、A A层和层和B B、C C层，以一定压力向层，以一定压力向B B层注入放层注入放射性活化液射性活化液( (放射性同位素放射性同位素BaBa131131或或I I131131的活化油或活化水的活化油或活化水，对油层找窜，注入活化油，对油层找窜，注入活化油：对水层找窜，注入活化水：对水层找窜，注入活化水) )，然后进行放射性同位素测，然后进行放射性同位素测井。井。注入了活化液的注入了活化液的B B层层，曲线异常幅度明显，曲线异常幅度明显增大，被封隔器封隔增大，被封隔器封隔的的A A层处，虽未注人层处，虽未注人活化液却也有明显增活化液却也有明显

30、增大的曲线异常，说明大的曲线异常，说明B B层和层和A A层之间的井段层之间的井段有窜槽；有窜槽；C C层处，两层处，两条曲线基本重合，放条曲线基本重合，放射性强度没有变化，射性强度没有变化，说明说明B B、C C层间不窜通层间不窜通，水泥胶结良好。，水泥胶结良好。二、二、 放射性同位素测井检查封堵效果放射性同位素测井检查封堵效果 串槽油井中部分层段串槽油井中部分层段出水、误射孔等井段需要出水、误射孔等井段需要第二次注水泥封堵。第二次注水泥封堵。 先测一条自然伽马曲线先测一条自然伽马曲线作为参考曲线，然后将加作为参考曲线，然后将加入入少量放射性同位素的水少量放射性同位素的水泥泥挤入上述井段，再测一挤入上述井段，再测一条放射性同位素伽马曲条放射性同位素伽马