自然伽马能谱测井

1、自然伽马能谱测井自然伽马能谱测井Natural gamma ray spectrometry log or Spectral gamma-ray log自然伽马能谱测井自然伽马能谱测井1 1、自然伽马能谱测井的地质基础、自然伽马能谱测井的地质基础学习内容学习内容2 2、自然伽马能谱测井原理、自然伽马能谱测井原理3 3、自然伽马能谱测井曲线特征、自然伽马能谱测井曲线特征4 4、自然伽马能谱测井资料的应用、自然伽马能谱测井资料的应用自然伽马能谱测井自然伽马能谱测井1 1、自然伽马能谱测井的地质基础、自然伽马能谱测井的地质基础学习内容学习内容2 2、自然伽马能谱测井原理、自然伽马能谱测井原理3 3、

2、自然伽马能谱测井曲线特征、自然伽马能谱测井曲线特征4 4、自然伽马能谱测井资料的应用、自然伽马能谱测井资料的应用自然伽马能谱测井自然伽马能谱测井 自然伽马测井探测的是自然伽马射线总强度，它反映的是地层自然伽马测井探测的是自然伽马射线总强度，它反映的是地层中所有放射性元素的总效应，而不能区分地层中所含放射性元素的中所有放射性元素的总效应，而不能区分地层中所含放射性元素的种类及含量。种类及含量。 在此基础上，发展起来的在此基础上，发展起来的自然伽马能谱测井自然伽马能谱测井(NGS)(NGS)，采用能谱分，采用能谱分析的办法，可以定量测定铀、钍、钾的含量，同时，还给出地层总析的办法，可以定量测定铀、

3、钍、钾的含量，同时，还给出地层总的伽马放射性强度。的伽马放射性强度。所以自然伽马能谱测井可以解决更多的勘探和所以自然伽马能谱测井可以解决更多的勘探和开发中的地质问题。开发中的地质问题。 自然伽马能谱测井原理是根据铀、钍和钾的自然伽马能谱的特自然伽马能谱测井原理是根据铀、钍和钾的自然伽马能谱的特征，用能谱分析的方法，将测量到的铀、钍、钾的伽马放射性的混征，用能谱分析的方法，将测量到的铀、钍、钾的伽马放射性的混合谱，进行谱的解析，从而来确定铀、钍、钾在地层中的含量。合谱，进行谱的解析，从而来确定铀、钍、钾在地层中的含量。1 1、自然伽马能谱测井的地质基础、自然伽马能谱测井的地质基础(1) (1)

4、铀、钍和钾的地球化学特征铀、钍和钾的地球化学特征 铀的地球化学特征铀的地球化学特征 铀铀(U)在元素周期表中处于第七周期，是自然界最重的元素。在元素周期表中处于第七周期，是自然界最重的元素。它有三个天然同位素，即它有三个天然同位素，即U238、U235和和U234，其丰度分别为，其丰度分别为99.27%、0.0l和和0.72。 铀的化学性质活泼，是典型的亲氧铀的化学性质活泼，是典型的亲氧 元素，在化合物中呈正元素，在化合物中呈正4价价和正和正6价。在自然界价。在自然界U6+和和U4+相互转化，是铀的地球化学过程的主相互转化，是铀的地球化学过程的主要特点。要特点。 岩浆岩中铀含量，从酸性、中性、

5、基性到超基性岩逐渐减少。岩浆岩中铀含量，从酸性、中性、基性到超基性岩逐渐减少。1 1、自然伽马能谱测井的地质基础、自然伽马能谱测井的地质基础(1) (1) 铀、钍和钾的地球化学特征铀、钍和钾的地球化学特征 铀的地球化学特征铀的地球化学特征 在氧化环境中，酸性岩浆岩中的在氧化环境中，酸性岩浆岩中的4价铀矿物被风化，在蚀变和价铀矿物被风化，在蚀变和淋滤过程中，不溶于水的淋滤过程中，不溶于水的4价铀矿物转化为可溶于水的价铀矿物转化为可溶于水的6价铀盐。价铀盐。6价铀通常以络阳离子价铀通常以络阳离子(UO2)2+的形式存在，并以溶液方式运移。进入的形式存在，并以溶液方式运移。进入还原环境时，还原环境时

6、，6价铀又转化为价铀又转化为4价铀而沉积。价铀而沉积。 大约有大约有60%的铀在副矿物中，的铀在副矿物中，30%为活性铀，而造岩矿物中只为活性铀，而造岩矿物中只占占10%。 所谓活性铀是指：所谓活性铀是指：被吸附的铀；被吸附的铀；易溶的铀矿物；易溶的铀矿物；变生矿变生矿物中的铀；物中的铀；溶解于液体包裹体和颗粒间液体中的铀。溶解于液体包裹体和颗粒间液体中的铀。1 1、自然伽马能谱测井的地质基础、自然伽马能谱测井的地质基础(1) (1) 铀、钍和钾的地球化学特征铀、钍和钾的地球化学特征 钍的地球化学特征钍的地球化学特征 钍化合价以钍化合价以4价为主，价为主，4价钍和价钍和4价铀关系密切，常呈类质

7、同象置换。价铀关系密切，常呈类质同象置换。钍和铀经常是共生的，钍、铀比被认为是太阳系的基本比值之一。钍和铀经常是共生的，钍、铀比被认为是太阳系的基本比值之一。 几乎所有陨石的钍铀比几乎所有陨石的钍铀比(ThU)都等于都等于34；而在岩浆岩中；而在岩浆岩中ThU也也几乎是定值，多数在几乎是定值，多数在4左右。在氧化环境中，铀和钍会发生明显地分离。左右。在氧化环境中，铀和钍会发生明显地分离。钍的化合物性质稳定，运移以机械风化迁移为主。钍的化合物性质稳定，运移以机械风化迁移为主。粘土矿物对钍的选择粘土矿物对钍的选择性吸附、以及钍在稳定矿物中的存在，是控制沉积岩中钍分布的主要因性吸附、以及钍在稳定矿物

8、中的存在，是控制沉积岩中钍分布的主要因素。素。钍常作为粘土矿物指示剂，钍铀比可指示沉积环境和岩性。钍常作为粘土矿物指示剂，钍铀比可指示沉积环境和岩性。 钍系的主要钍系的主要辐射体是辐射体是Th208，特征，特征射线的能量是射线的能量是2.62MeV。在自然。在自然能谱测井中，主要根据这一特征峰确定钍在地层中的含量。能谱测井中，主要根据这一特征峰确定钍在地层中的含量。1 1、自然伽马能谱测井的地质基础、自然伽马能谱测井的地质基础(1) (1) 铀、钍和钾的地球化学特征铀、钍和钾的地球化学特征 钾的地球化学特征钾的地球化学特征 钾有三个天然同位素，钾有三个天然同位素，K39、K40和和K41，其中

9、，其中K40是放射性同位素，它是放射性同位素，它发射发射1.46 MeV的的 光子。光子。 钾在岩浆岩中的含量随钾在岩浆岩中的含量随SiO2的增加而增高。的增加而增高。 含钾的硅酸岩矿物易于被风化分解，钾被淅出并被流水所带走。由于含钾的硅酸岩矿物易于被风化分解，钾被淅出并被流水所带走。由于钾的溶解度大，因而在不同类型的水中都有一定量的钾。在世界范围内，钾的溶解度大，因而在不同类型的水中都有一定量的钾。在世界范围内，雨水中钾含量为雨水中钾含量为0.23 ppm(0.23gt)。岩石风化后，一部分钾被带入河。岩石风化后，一部分钾被带入河流、湖泊、海洋和潜水中。流、湖泊、海洋和潜水中。 钾的离子半径

10、较大，极化率高，易于被粘土矿物所吸收，所以钾能大钾的离子半径较大，极化率高，易于被粘土矿物所吸收，所以钾能大量停留在大陆上，而仅有量停留在大陆上，而仅有0.038的钾被带入海洋。的钾被带入海洋。1 1、自然伽马能谱测井的地质基础、自然伽马能谱测井的地质基础(2) (2) 铀、钍和钾在岩石中的分布铀、钍和钾在岩石中的分布 岩浆岩岩浆岩 已知的铀矿物和含铀矿物主要是铀的氧化物、含氧盐以及少量氢氧化物已知的铀矿物和含铀矿物主要是铀的氧化物、含氧盐以及少量氢氧化物和有机化合物。和有机化合物。在岩浆岩中酸性岩的铀、钍含量最高，大约比中性岩高在岩浆岩中酸性岩的铀、钍含量最高，大约比中性岩高1 1倍倍，比基

11、性岩高，比基性岩高6 6倍，比超基性岩高倍，比超基性岩高10001000倍。酸性岩和中性岩中的钾含量比基倍。酸性岩和中性岩中的钾含量比基性岩、超基性岩高。性岩、超基性岩高。 大体上说，岩浆岩中铀的含量随大体上说，岩浆岩中铀的含量随NaNa、K K、SiSi的含量增高而增高的含量增高而增高。花岗岩。花岗岩富铀，碱性岩则相对富钍。在酸性岩中，一部分铀因铁、镁沉淀剂作用形成富铀，碱性岩则相对富钍。在酸性岩中，一部分铀因铁、镁沉淀剂作用形成钛铀矿、钍、铀矿、晶质铀矿等显微包裹体分散在多种造岩矿物钛铀矿、钍、铀矿、晶质铀矿等显微包裹体分散在多种造岩矿物( (如黑云母如黑云母、角闪石、角闪石) )中，而大

12、部分铀则呈类质同象混入物形式进入到副矿物中，而大部分铀则呈类质同象混入物形式进入到副矿物( (如锆石、如锆石、榍石、揭帘石、独居石、烧绿石等榍石、揭帘石、独居石、烧绿石等) )中。中。分散在造岩矿物中的铀约占分散在造岩矿物中的铀约占1010，分散在副矿物中的约占分散在副矿物中的约占6060，还有，还有3030以上的铀可呈活性铀分散吸附在各种以上的铀可呈活性铀分散吸附在各种矿物颗粒的表面，或溶于毛细水或薄膜水中。矿物颗粒的表面，或溶于毛细水或薄膜水中。1 1、自然伽马能谱测井的地质基础、自然伽马能谱测井的地质基础(2) (2) 铀、钍和钾在岩石中的分布铀、钍和钾在岩石中的分布 岩浆岩岩浆岩 岩浆

13、岩中铀、岩浆岩中铀、钍和钾含量和钍钍和钾含量和钍铀比见表。铀比见表。 蚀变岩石与未蚀变岩石相比，通常近蚀变岩石与未蚀变岩石相比，通常近矿蚀变围岩中的铀含量会普遍升高，蚀变矿蚀变围岩中的铀含量会普遍升高，蚀变岩石中活性铀含量也高于未蚀变岩石。不岩石中活性铀含量也高于未蚀变岩石。不同时代或不同地区的同一种岩性的岩石，同时代或不同地区的同一种岩性的岩石，铀、钍、钾含量也有差异。铀、钍、钾含量也有差异。一般来说。时一般来说。时代越新，岩石铀含量也越高。代越新，岩石铀含量也越高。1 1、自然伽马能谱测井的地质基础、自然伽马能谱测井的地质基础(2) (2) 铀、钍和钾在岩石中的分布铀、钍和钾在岩石中的分布

14、 沉积岩沉积岩 A. A. 粘土岩中铀粘土岩中铀( (238238U)U)、钍、钍( (232232Th)Th)和钾和钾( (4040K)K)的分布的分布 一般说来，普通粘土岩中钾和钍的含量一般说来，普通粘土岩中钾和钍的含量高，而铀相对钾和钍来说含量较低。高，而铀相对钾和钍来说含量较低。统计表统计表明粘土岩中平均含量：钾明粘土岩中平均含量：钾2 2，铀，铀6ppm6ppm，钍，钍12ppm12ppm。在还原环境中，铀的含量会增高，在还原环境中，铀的含量会增高，如黑色海相页岩中铀含量可高达如黑色海相页岩中铀含量可高达l00ppml00ppm。还。还原环境下，若粘土中富含有机物或硫化物时原环境下，

15、若粘土中富含有机物或硫化物时，铀含量明显增高。，铀含量明显增高。 一般情况，粘土岩中钍与铀含量之比一般情况，粘土岩中钍与铀含量之比(Th(ThU)U)在在2.02.04.14.1。(2) (2) 铀、钍和钾在岩石中的分布铀、钍和钾在岩石中的分布 沉积岩沉积岩 B. B. 砂岩和碳酸盐岩中铀、钍和钾的分布砂岩和碳酸盐岩中铀、钍和钾的分布 自然伽马能谱测井自然伽马能谱测井1 1、自然伽马能谱测井的地质基础、自然伽马能谱测井的地质基础学习内容学习内容2 2、自然伽马能谱测井原理、自然伽马能谱测井原理3 3、自然伽马能谱测井曲线特征、自然伽马能谱测井曲线特征4 4、自然伽马能谱测井资料的应用、自然伽马

16、能谱测井资料的应用 自然伽马能谱测井是根据铀、钍、钾三种放射性元素在自然伽马能谱测井是根据铀、钍、钾三种放射性元素在衰变时放衰变时放出的出的射线能谱不同射线能谱不同，测定地层中铀、钍、钾含量的一种测井方法。，测定地层中铀、钍、钾含量的一种测井方法。(1)(1)自然伽马能谱自然伽马能谱 K K4040只有能量为只有能量为1.46MeV1.46MeV伽马射伽马射线，铀系和钍系有各种能量伽马射线，铀系和钍系有各种能量伽马射线，但大部分分布在线，但大部分分布在1.3MeV1.3MeV以下。以下。 钍系在钍系在2.62MeV2.62MeV处有一明显峰处有一明显峰值，可作为钍系的特征谱；值，可作为钍系的特

17、征谱； 铀系在铀系在1.76MeV1.76MeV处也出现一个处也出现一个峰值，作为铀系的特征谱。峰值，作为铀系的特征谱。0.51.46MeV2.62MeV1.76MeV2 2、自然伽马能谱测井原理、自然伽马能谱测井原理(2)(2)测井原理测井原理 自然伽马能谱测井仪的下井仪器与自然伽马测井仪基本相同，使自然伽马能谱测井仪的下井仪器与自然伽马测井仪基本相同，使用用NaINaI闪烁计数器，闪烁计数器，将入射的伽马射线将入射的伽马射线能量的大小以脉冲的幅度大小能量的大小以脉冲的幅度大小输输出，不同之处是地面仪器部分出，不同之处是地面仪器部分，其测量原理如图。其测量原理如图。 地面仪器的核心是多道脉冲

18、幅度分析器，地面仪器的核心是多道脉冲幅度分析器，该分析器将能谱分为五个能窗，它们的测量范该分析器将能谱分为五个能窗，它们的测量范围分别是：围分别是： W1:0.15-0.5MeV W2:0.5-1.1MeV W3:1.32-1.575MeV(含特征谱含特征谱1.46钾窗钾窗) W4:1.65-2.390MeV(含铀特征谱含铀特征谱1.76铀窗铀窗) W5:2.475-2.765MeV(含钍特征谱含钍特征谱2.62钍窗钍窗)2 2、自然伽马能谱测井原理、自然伽马能谱测井原理(2)(2)测井原理测井原理 五个能窗输出的信号分别送入五个计数器进五个能窗输出的信号分别送入五个计数器进行计数。由于钾窗的

19、计数率中含有少量铀、钍行计数。由于钾窗的计数率中含有少量铀、钍射线的成分，射线的成分，U U窗中亦含有少量窗中亦含有少量ThTh的成分，的成分，ThTh窗中窗中又含有少量又含有少量U U的成分。所以各窗的计数率并不仅仅的成分。所以各窗的计数率并不仅仅反映对应的元素的含量，因而还需要解谱。反映对应的元素的含量，因而还需要解谱。 所谓解谱就是对各能窗均综合考虑三种元素所谓解谱就是对各能窗均综合考虑三种元素的贡献，列出方程组求解。解线性方程组的仪器的贡献，列出方程组求解。解线性方程组的仪器装置叫解谱仪。装置叫解谱仪。 从解谱仪输出信号送至照像记录设备进行记从解谱仪输出信号送至照像记录设备进行记录。最

20、后输出四个量：自然伽马总计数率录。最后输出四个量：自然伽马总计数率(SGR)(SGR)，钍含量钍含量(THOR)(THOR)、铀含量、铀含量(URAN)(URAN)、钾含量、钾含量(POTA)(POTA)。2 2、自然伽马能谱测井原理、自然伽马能谱测井原理谱特征有谱特征有包含情形包含情形自然伽马能谱测井自然伽马能谱测井1 1、自然伽马能谱测井的地质基础、自然伽马能谱测井的地质基础学习内容学习内容2 2、自然伽马能谱测井原理、自然伽马能谱测井原理3 3、自然伽马能谱测井曲线特征、自然伽马能谱测井曲线特征4 4、自然伽马能谱测井资料的应用、自然伽马能谱测井资料的应用3 3、自然伽马能谱测井曲线特征

21、、自然伽马能谱测井曲线特征 曲线特征同曲线特征同自然伽马测自然伽马测井曲线特征井曲线特征自然伽马能谱测井自然伽马能谱测井1 1、自然伽马能谱测井的地质基础、自然伽马能谱测井的地质基础学习内容学习内容2 2、自然伽马能谱测井原理、自然伽马能谱测井原理3 3、自然伽马能谱测井曲线特征、自然伽马能谱测井曲线特征4 4、自然伽马能谱测井资料的应用、自然伽马能谱测井资料的应用 研究生油层研究生油层 大量研究表明，岩石中的有机物对铀富集大量研究表明，岩石中的有机物对铀富集起着重要作用，因此应用自然伽马能谱测井，起着重要作用，因此应用自然伽马能谱测井，可在纵向和横向上，追踪生油层和评价生油层可在纵向和横向上

22、，追踪生油层和评价生油层生油能力。生油能力。 自然界中的有机质，一来自水生有机物，自然界中的有机质，一来自水生有机物，二来自陆生植物。它们与铀之间都有亲和力存二来自陆生植物。它们与铀之间都有亲和力存在。在。虽然这种亲和力机理还在研究中。但这种虽然这种亲和力机理还在研究中。但这种亲和力使亲和力使有机质与铀含量有明显相关关系有机质与铀含量有明显相关关系。 这种现象的另一种解释是，这种现象的另一种解释是，海水中的铀离海水中的铀离子与其他微量元素为浮游生物所吸附；陆生植子与其他微量元素为浮游生物所吸附；陆生植物的腐质酸也容易吸附铀离子。从而，源岩的物的腐质酸也容易吸附铀离子。从而，源岩的自然放射性明显

23、高于非源岩，并且这种增加是自然放射性明显高于非源岩，并且这种增加是铀引起的。铀引起的。 4 4、自然伽马能谱测井资料的应用、自然伽马能谱测井资料的应用富含有机质生富含有机质生油层油层页岩页岩 求泥质含量求泥质含量 研究发现，地层的泥质含量与钍或钾的含量有较好的线性关系，研究发现，地层的泥质含量与钍或钾的含量有较好的线性关系，而与地层的铀含量关系较小。而与地层的铀含量关系较小。 因为铀除了伴随碎屑沉积存在外，还与地层的有机质含量以及一因为铀除了伴随碎屑沉积存在外，还与地层的有机质含量以及一些含铀重矿物的含量等因素有关，所以一般不用铀含量求泥质含量些含铀重矿物的含量等因素有关，所以一般不用铀含量求

24、泥质含量，而用总计数率、钍含量和钾含量的测井值计算泥质含量。，而用总计数率、钍含量和钾含量的测井值计算泥质含量。 计算方法同于自然伽马测井计算方法同于自然伽马测井,定量计算公式形式定量计算公式形式: GR= (GR-GRmin)/(GRmax-GRmin) Vsh=(2cGR-1)/(2c-1) 其中老地层其中老地层 C=2, 新地层新地层 C=3.744 4、自然伽马能谱测井资料的应用、自然伽马能谱测井资料的应用 用用Th/U比值研究沉积环境比值研究沉积环境 统计表明：陆相沉积、氧化环境、风化层，统计表明：陆相沉积、氧化环境、风化层，ThU7； 海相沉积、灰色或绿色页岩，海相沉积、灰色或绿色页岩，ThU7； 海相黑色页岩、磷酸盐岩，海相黑色页岩、磷酸盐岩，ThU2。 用用Th/U、U/K和和ThK比值还可研究许多其它地质问题，如从比值还可研究许多