第八章密度测井

1、第八章第八章 密度与岩性密度测井密度与岩性密度测井（Formation density logFormation density logLitho-density logLitho-density log）用用伽马射线源伽马射线源向地层发射伽马射线向地层发射伽马射线用用伽马射线探测器伽马射线探测器测量伽马光子与地层的测量伽马光子与地层的康谱顿效应康谱顿效应产生的散射伽马射线的产生的散射伽马射线的计数率计数率(强度强度) )，得到地层的体积密度，得到地层的体积密度密度测井密度测井主要用于识别岩性、主要用于识别岩性、计算孔隙度计算孔隙度、计算岩、计算岩石的石的弹性及机械参数弹性及机械参数1 1 核

2、物理基础核物理基础一、岩石的真密度、电子密度一、岩石的真密度、电子密度1. 1.岩石的真密度岩石的真密度( (体积密度体积密度) )b b单位体积岩石的质量，单位单位体积岩石的质量，单位g/cmg/cm3 3饱和淡水的纯岩石的密度：饱和淡水的纯岩石的密度：fmab)1 (mama岩石骨架的密度岩石骨架的密度f f孔隙流体的密度孔隙流体的密度2.2.岩石的电子密度岩石的电子密度n ne e单位体积岩石中的电子数，单位是电子数单位体积岩石中的电子数，单位是电子数/cm/cm3 3由一种原子组成的岩石：由一种原子组成的岩石：AZNnbAe电子密度电子密度：NNA A阿佛加得罗常数，阿佛加得罗常数，6

3、.026.0210102323/ /molmolb b体积密度（体积密度（g/cmg/cm3 3) )A A原子的质量数（摩尔质量）原子的质量数（摩尔质量）由单一化合物组成的岩石：由单一化合物组成的岩石：iiZn式中：式中：Z Zi i分子中第分子中第i i种原子的原子序数种原子的原子序数 n ni i分子中第分子中第i i种原子的个数种原子的个数biiAeMZnNn电子密度电子密度：一个分子中的电子数一个分子中的电子数MM化合物分子的摩尔质量化合物分子的摩尔质量二二 . .岩石的电子密度指数和视密度岩石的电子密度指数和视密度电子密度指数电子密度指数e e: :AeeNn2bAeeAZNn)(

4、22biiAeeMZnNn22单一元素组成的岩石单一元素组成的岩石:单一化合物组成的岩石单一化合物组成的岩石: 1. 1.电子密度指数电子密度指数元元素素的的 2 2( (Z Z/ /A A) )数数值值表表 元元素素 A A Z Z 2 2( (Z Z/ /A A) ) H H 1 1. .0 00 07 79 9 1 1 1 1. .9 98 84 43 3 C C 1 12 2. .0 01 11 1 6 6 0 0. .9 99 99 91 1 O O 1 15 5. .9 99 99 9 8 8 1 1. .0 00 00 00 0 N Na a 2 22 2. .9 98 89 9

5、8 8 1 11 1 0 0. .9 95 56 69 9 M Mg g 2 24 4. .3 30 05 5 1 12 2 0 0. .9 98 87 75 5 A Al l 2 26 6. .9 98 81 15 5 1 13 3 0 0. .9 96 63 36 6 S Si i 2 28 8. .0 08 85 5 1 14 4 0 0. .9 99 97 7 S S 3 32 2. .0 06 6 1 16 6 0 0. .9 99 98 81 1 C Cl l 3 35 5. .4 45 53 3 1 17 7 0 0. .9 95 59 90 0 K K 3 39 9. .0 0

6、3 39 9 1 19 9 0 0. .9 97 73 34 4 C Ca a 4 40 0. .0 04 4 2 20 0 0 0. .9 99 98 88 8 e矿矿物物的的密密度度数数据据表表 矿矿物物 分分子子式式 密密度度/gcm-3 电电子子密密度度指指数数 视视密密度度/gcm-3 石石英英 SiO2 2.654 0.9985 2.650 2.648 方方解解石石 CaCO3 2.710 0.9991 2.708 2.710 白白云云石石 CaMg(CO3)2 2.870 0.9977 2.863 2.876 硬硬石石膏膏 CaSO4 2.960 0.9990 2.957 2.9

7、77 钾钾盐盐 KCl 1.980 0.9657 1.916 1.863 岩岩盐盐 NaCl 2.165 0.9581 2.074 2.032 石石膏膏 CaSO42H2O 2.32 1.0222 2.372 2.351 无无烟烟煤煤 1.400 1.800 1.030 1.442 1.852 1.355 1.796 烟烟煤煤 1.200 1.500 1.060 1.272 1.590 1.173 1.514 淡淡水水 H2O 1.000 1.1101 1.110 1.000 矿矿化化水水 H2O+NaCl 1.146 1.0797 1.237 1.135 原原油油 N(CH2) 0.85 1

8、.1407 0.970 0.850 甲甲烷烷 CH4 (CH4) 1.247 1.247(CH4) a(CH4) MZnii/ )(2测出电子密度就能确定体积密度测出电子密度就能确定体积密度2.2.岩石的视密度岩石的视密度设岩石的骨架密度为设岩石的骨架密度为mama，孔隙度为孔隙度为，孔孔隙中充满淡水，则岩石的体积密度隙中充满淡水，则岩石的体积密度b b：0000. 1)1 (mab若骨架的电子密度指数为若骨架的电子密度指数为meme，岩石的电子岩石的电子密度指数密度指数e e：1101.1)1(mee对于淡水石灰岩对于淡水石灰岩, ,mama=2.710,=2.710,meme=2.7075

9、,=2.7075,代代入上两式，合并消去入上两式，合并消去得：得：1883. 00704. 1eb岩石的视密度岩石的视密度：密度测井仪器，在饱含淡水：密度测井仪器，在饱含淡水的纯石灰岩中刻度，在其它地层中得到的密的纯石灰岩中刻度，在其它地层中得到的密度称为视密度度称为视密度1883. 00704. 1ea2 2 密度测井基本原理密度测井基本原理康谱顿效应引起的康谱顿效应引起的伽马射线减弱系数伽马射线减弱系数为：为：)(,bAececbAAZNAZNbiiAecMZnN, 如果令如果令mm= /= /b b，则，则mm几乎是常数几乎是常数，称它为质量康谱顿减弱系数，称它为质量康谱顿减弱系数， =

10、m m b b一、密度测井基本原理一、密度测井基本原理c c,e ,e电子的康普顿散射截面，电子的康普顿散射截面，E Er r=0.25-=0.25-2.5Mev2.5Mev时，近似为常数时，近似为常数1 1、选用、选用C Cs s137 137 作为源作为源, ,发射能量为发射能量为0.660.662Mev2Mev的伽的伽马光子马光子2 2、用伽马射线探测器，记录、用伽马射线探测器，记录散射伽马计数率散射伽马计数率，且探测起始能量定为且探测起始能量定为0.10.20.10.2MeVMeV, ,能在很大程度能在很大程度上避免光电效应的影响上避免光电效应的影响3 3、伽马源与伽马射线探测器中点间

11、的距离称、伽马源与伽马射线探测器中点间的距离称为源距为源距; ;4 4、贴井壁测量、贴井壁测量5 5、源与探测器间有伽马吸收物质（铅）、源与探测器间有伽马吸收物质（铅）6 6、探测器接收到的散射伽马射线强度（计数、探测器接收到的散射伽马射线强度（计数率）决定于两个过程：率）决定于两个过程： （1 1）源发射的光子经地层一次或多次散射）源发射的光子经地层一次或多次散射后后能到达探测器能到达探测器的光子数的光子数 （2 2）射向探测器的光子被再散射）射向探测器的光子被再散射而改变方而改变方向或被吸收向或被吸收的光子数的光子数哪个过程起主导作用取决于哪个过程起主导作用取决于源距源距7 7、散射伽马计

12、数率与源距的关系、散射伽马计数率与源距的关系 （1 1）当源距较小时，密）当源距较小时，密度越大，计数率越高度越大，计数率越高 （2 2）当源距较大时，）当源距较大时，密度越大，计数率越低密度越大，计数率越低 （3 3）零源距）零源距( (d d0 0) )，仪器对仪器对密度失去灵敏度的源距，密度失去灵敏度的源距，大于零源距的为正源距，大于零源距的为正源距，密度测井都采用正源距密度测井都采用正源距。 （4 4）视源距）视源距dada：实际源实际源距与零源距之差距与零源距之差dada=d- d=d- d0 0（5 5）设零源距计数率为）设零源距计数率为NN0 0，源距源距d d时计数率为时计数率

13、为: :abmdeNN0两端取对数：两端取对数：abmdNN0lnln计数率对密度的灵敏度：计数率对密度的灵敏度：ambddNdAln令：令： 0ln NB 将将A A、B B代入上式，得：代入上式，得：)(ln1BNAb8 8、密度测井采用、密度测井采用不同源距的两个伽马射线探不同源距的两个伽马射线探测器测器，以，以补偿泥饼对测量的影响补偿泥饼对测量的影响，称为补偿密，称为补偿密度测井。度测井。 常用短源距为常用短源距为15251525cmcm，长源距为长源距为35 4035 40cmcm（1 1）渗透性地层的井壁通常积有泥饼，它）渗透性地层的井壁通常积有泥饼，它对计数率的贡献与仪器的探测深

14、度有关对计数率的贡献与仪器的探测深度有关 1 1、影响的定性描述、影响的定性描述（2 2）用蒙特卡罗方法，考察源距分别为）用蒙特卡罗方法，考察源距分别为3030cmcm和和5050cmcm的仪器对纯石灰岩骨架的探测深度。的仪器对纯石灰岩骨架的探测深度。计算结果表明，计算结果表明，计数的计数的90%90%来自经向厚度大约来自经向厚度大约5 5cmcm的地层的地层，泥饼的影响不能忽略，泥饼的影响不能忽略二、泥饼对计数率的影响二、泥饼对计数率的影响2 2、影响密度测井值的因素、影响密度测井值的因素地层密度地层密度 b b，地层平均原子序数地层平均原子序数Z Zb b ，泥饼厚度泥饼厚度h hmcmc

15、 ，泥饼密度泥饼密度 mcmc ，及泥饼平均原子序数及泥饼平均原子序数 Z Zmcmc Z Zmcmc：当泥饼含当泥饼含60%60%的的重晶石重晶石时，实际密度时，实际密度2.52.5g/cmg/cm3 3，对计数率的影响却相当于不含重晶对计数率的影响却相当于不含重晶石泥饼密度石泥饼密度3.553.55g/cmg/cm3 3 , ,影响不能忽略影响不能忽略 mcmc* * ：（泥饼视密度）用于：（泥饼视密度）用于综合综合 mcmc 和和 Z Zmcmc 的影响。不含重晶石的泥饼的影响。不含重晶石的泥饼 mcmc* *= mcmc ，而含，而含重晶石的泥饼重晶石的泥饼 mcmc* * mcmc

16、3 3、泥饼影响的实验研究、泥饼影响的实验研究用下标用下标L L表示长源距表示长源距, S, S表示短源距表示短源距)(ln1)(ln1SSSSLLLLBNABNA无泥饼影响无泥饼影响, ,所以有：所以有：L L= = S S= = b b，两式合并得：两式合并得：)(ln)(lnSSSLLLBNAABN(1)无泥饼无泥饼或写成：或写成：SLSSSLLNaaBBNAANln)(lnln10即长、短源距探测器计数率（对数坐标）呈线即长、短源距探测器计数率（对数坐标）呈线性关系，所确定的直线称为性关系，所确定的直线称为“脊线脊线”，它与横，它与横坐标的夹角叫坐标的夹角叫“脊角脊角”（2 2）给定的

17、）给定的b b和和mcmc* *（b b2.5g/cm2.5g/cm3 3，mcmc* *=1.5g/cm=1.5g/cm3 3), ),当泥饼厚度由小到大，直至当泥饼厚度由小到大，直至充分大时，充分大时，lnNlnNL L和和lnNlnNS S将呈偏离将呈偏离“脊线脊线”的曲的曲线段，它起于线段，它起于b b（泥饼厚度为泥饼厚度为0 0），止于），止于mcmc* *（泥饼厚度充分大，地层无影响）泥饼厚度充分大，地层无影响）（3 3）保持）保持mcmc* *=1.5g/cm=1.5g/cm3 3不变，对不变，对bb3.03.0、2.52.5、2.0 g/cm2.0 g/cm3 3三种地层分别改

18、变泥饼厚度时，三种地层分别改变泥饼厚度时，各曲线变化趋势与第二种情况相同，并且都趋向各曲线变化趋势与第二种情况相同，并且都趋向b b mcmc* *=1.5g/cm=1.5g/cm3 3的脊线点的脊线点（4 4）保持）保持b b2.5g/cm2.5g/cm3 3不变不变, ,分别改变分别改变mcmc* *(1.5(1.5、2.02.0、3.0 g/cm3.0 g/cm3 3) )和泥饼厚度，当和泥饼厚度，当mcmc* * b b时时, ,关系曲线在脊线上方，起于关系曲线在脊线上方，起于b b2.52.5，止于止于b b mcmc* *=3.0=3.0的脊点上的脊点上如果对如果对b b1.91.

19、9、2.02.0、2.12.1、2.22.2、2.32.3、2.42.4、2.52.5、2.62.6、2.72.7、2.82.8、2.9g/cm2.9g/cm3 3，分分别在有限范围内改别在有限范围内改变泥饼视密度和厚变泥饼视密度和厚度，可绘成度，可绘成“脊肋脊肋图图”，泥饼影响线泥饼影响线称为肋线称为肋线三、双探测器计算三、双探测器计算b b的方法的方法 bSmcSSbLmcLLxxxx)1 ()1 (*bSSSSmcmcSLLLbxxxxxx11111*1. 1.计算计算b b的方程的方程将后式代入前式得：将后式代入前式得：)(1)(SLLSLLSLLbKxxx将将 L L和和 S S与计

20、数率的关系式代入得：与计数率的关系式代入得：)(ln)(ln1)(ln1SSSLLLLLLbBNAABNKBNA)(ln1BNAbLSLxxxK令：令：上式说明，上式说明， b b主要决定于长源距计数率求出的主要决定于长源距计数率求出的密度密度)(1SLLbK代表泥饼的影响，称为泥饼影响补偿值，代表泥饼的影响，称为泥饼影响补偿值，普通泥浆普通泥浆00，重晶石泥浆，重晶石泥浆00.2 0.2MevMev的谱段，相对计数率受的谱段，相对计数率受P Pe e影响很小，且计数率随能量增大而降低；影响很小，且计数率随能量增大而降低；3 3、在、在E Er r 0.1 0.1MevMev的谱段，随能量降低

21、，的谱段，随能量降低，光子相对计数率逐渐减小，光电吸收渐成光子相对计数率逐渐减小，光电吸收渐成主要的作用，对主要的作用，对P Pe e反应敏感反应敏感1 1、在、在E Er r 0.1Mev 0.1Mev处出现极大值，且处出现极大值，且P Pe e越越大，峰幅度降低并向右移动；大，峰幅度降低并向右移动；b b 相同而相同而PePe不同的岩石中测得的散射伽马能谱不同的岩石中测得的散射伽马能谱三、散射伽马谱的采集和谱特点三、散射伽马谱的采集和谱特点1 1、探头的结构和数据采集、探头的结构和数据采集（1 1）用用C Cs s137 137 作为源，长短两个源距的闪烁作为源，长短两个源距的闪烁探测器（

22、碘化钠晶体）探测器（碘化钠晶体）， 测量经地层散射测量经地层散射后射入晶体的伽马光子后射入晶体的伽马光子。（2 2）探测器贴井壁处开的窗口用）探测器贴井壁处开的窗口用低低Z Z值的铍值的铍，以保证所有能量的伽马光子都能被探测到。以保证所有能量的伽马光子都能被探测到。A A、对原始数据进行滤波处理、扣除本底计数对原始数据进行滤波处理、扣除本底计数 （3 3）井下采用快速）井下采用快速A/DA/D转换，能量在转换，能量在408040800KeV0KeV范围内分范围内分256256道进行能谱积累，将道进行能谱积累，将全谱数据传到地面，地面计算机将做如下处理：全谱数据传到地面，地面计算机将做如下处理：

23、B B、进行实时能量刻度进行实时能量刻度 C C、根据刻度结果按设计好的能量段把全谱根据刻度结果按设计好的能量段把全谱分成分成8 8个能窗，并计算出各能窗的计数率个能窗，并计算出各能窗的计数率 D D、用转换模型将能窗计数率转换为密度、岩用转换模型将能窗计数率转换为密度、岩性参数（性参数（P Pe e) )2 2、散射伽马谱的特征、散射伽马谱的特征1 1）在）在100100keVkeV的的附近有一个散射附近有一个散射峰，将散射伽马峰，将散射伽马分成两部分，分分成两部分，分界点随界点随P Pe e值的增值的增高而向右移动。高而向右移动。2 2）在分界点的）在分界点的右边，康普顿效右边，康普顿效应占优势应占优势，窗计，窗计数率的变化反应数率的变化反应电子密度指数电子密度指数e e的变化，可的变化，可利用这一谱段求利用这一谱段求取地层密度取地层密度。3 3）在分界点的）在分界点的左左边，光电效应占优边，光电效应占优势势，但也受康普顿，但也受康普顿效应的影响，用这效应的影响，用这一能窗计数率与高一能窗计数率与高能窗计数率比值确能窗计数率比值确定定P Pe e值值4 4）模型计算和实）模型计算和实测都证明，测都证明，长短源长短源距探测器记录的散距探测器记录的散射伽马谱的基本特射伽马谱的基本特征是相同的征是相同的。四、四、P Pe e 测量与计算