伽马测井课件

第二节伽马测井伽马测井概念：是依据天然或人工伽马源在地层和井眼中生成的辐射场，测量和分析伽马射线强度和能谱，研究地层的岩性、矿物成分、密度、孔隙度、流体运移及相关地质及工程问题的测井方法。伽马测井分类：按伽马源的种类划分为三类

①自然伽马测井：研究分散在地层中的天然放射性核素生成的伽马辐射场；

②散射伽马测井：测量点状伽马源生成的散射伽马辐射场；

③示踪伽马测井：测量由载体携带的放射性示踪剂发射的伽马辐射场。第二节伽马测井伽马测井概念：是依据天然或人工伽马伽马测井课件自然伽马能谱测井自然伽马测井：只测量和利用自然伽马射线的总强度，而不能利用辐射场的能谱和其他特性，按其原理应称为自然伽马强度测井；自然伽马能谱测井：不仅能测量总强度，而且还能分析伽马

能谱，同时也包含空间和时间信息，获取的信息量增加了到原来的2-3个数量级。

都以天然伽马辐射场为基础。自然伽马能谱测井自然伽马测井：只测量和利用自然伽马射线的总强一、地层的放射性核素和伽马辐射体

岩石的自然放射性是由岩石中放射性核素及其含量决定的。自然界的元素有92种。天然核素约有330多种。在自然界中原子量A小于209的核素多数是稳定的，只有少数是放射性的，例如K40；而A>209的核素全部都是放射性的。自然界中有三个天然放射系，即铀系、钍系和锕系，其初始的核素分别为U238、Th232和U235。U238的丰度为99.2739％，而U235的丰度只有0.7205%，所以锕系对岩石放射性的贡献可以忽略。岩石的自然放射性主要是由U238和Th232开头的两个放射系和放射性核素K40决定的。对自然伽马测井来说，只考虑这些核素就足够了。一、地层的放射性核素和伽马辐射体岩石的自然c)岩浆岩中，铀的含量从酸性、中性、基性到超基性岩逐渐减少；在氧化环境中，U4+(不溶于水)U6+(可溶于水)；U6+以络阳离子（UO2）2+的形式存在，以溶液形式运移，进入还原环境，又转化为U4+而沉积；1.铀、钍和钾的地球化学特征a)化学性质活泼，典型的亲氧元素，在化合物中呈正四价和正六价；b)自然界中U6+和U4+相互转化，这是铀的地球化学过程的主要特点；（1）铀(U)：它有三种天然放射性同位素，即238U、235U和234U

。其相对丰度分别为99.275%，0.720%和0.005%。①铀的地球化学特征：c)岩浆岩中，铀的含量从酸性、中性、基性到超基性岩逐渐减少

②络阳离子（UO2）2+在地表水和地层水中的运移与沉积：以溶解的(U02）S04的形式运移，在下述条件下沉积：pH>7;和P04、As04、V04、Si04形成相应的盐类矿物；被有机或无机物吸附；遇还原剂，被还原成不溶性四价铀矿物；呈Na4[U02(C03)3]形式迁移，在下述条件下沉积：pH>10.8;遇到有机物、Fe2＋或其他还原剂；与钙或镁的碳酸盐作用形成不溶性盐类；以各类腐殖酸盐络合物形式运移，在下述条件下沉积：腐殖酸氧化，络合物被破坏；吸附作用；与某些盐类作用形成不溶性盐；呈铀的胶溶体U02(OH)2的形式运移，在下述条件下沉积：被带负电荷的硅酸胶体及Fe（OH)3吸附；与还原剂相遇。

不论经过何种方式，铀的沉积均与吸附、还原及有机物作用有关。因此，在沉积岩中处于还原环境的富含有机质的粘土岩铀含量最高。②络阳离子（UO2）2+在地表水和地层水中的运移与沉积：③铀系中的几个典型核素：

镭(Ra)：镭有四个同位素，其中226Ra是238U的一个子体。由于在采油井水驱前沿的镭在井眼周围的富集，使自然伽马总强度增强能指示储层水淹级别的高低；氡(Rn)：氡有三个同位素，其中222Rn是铀系的一个子体，氡是易溶于水和有机溶液的气体，易被吸附在各种物质的表面上。在构造破碎带常有氡富集；铋(Bi)：214Bi是铀系中的主要伽马辐射体，特征伽马射线的能量是1.76MeV。在自然伽马能谱测井中，主要根据214Bi的这一特征峰确定铀在地层中的含量；钋(Po)：钋有七个同位素，其中218Po,214Po和210Po是铀系的子体。218Po和9Be混合可制造中子源，在铀矿普查时可利用210Po寻找铀矿；2点认识：1）铀的伽马辐射强度会随时间而变化，所以将碳酸盐岩或火成岩裸眼井段作为标准井，对自然伽马强度和能谱测井都是不合适的。2）由于铀及其子体的化学性质活跃，风化、运移、富集过程影响因素多，通常不是泥质含量的可靠指示元素。③铀系中的几个典型核素：镭(Ra)：镭有四个同位素，其中§钍的化合价以四价为主，和四价铀物理化学性质相近，通常与铀共生，钍铀比被认为是太阳系的基本比值之一。

§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性吸附以及钍在稳定矿物中的存在，是控制沉积岩中钍的分布的主要因素。

§钍常作为粘土矿物指示剂，钍铀比可指示沉积环境和岩性。

钍系的主要伽马辐射体是208TI,特征伽马射线的能量是2.62MeV。在自然伽马能谱测井中，主要根据这一特征峰确定钍在地层中的含量。（2）钍(Th)：钍有228Th、229Th、230Th、231Th、232Th、234Th等六个同位素，其中232Th的丰度几乎为100％。§钍的化合价以四价为主，和四价铀物理化学性质相近，通常与铀共（3）钾(K)：钾有三个天然同位素，39K、40K和41K，其中40K是放射性同位素，它发射1.46MeV的伽马光子。钾和钍都是粘土矿物主要指示元素。§钾在岩浆岩中的含量随Si02的增加而增高。

§含钾的硅酸岩矿物易于被风化分解，并为流水所带走。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。

§岩石风化后，一部分钾被带入河流、湖泊、海洋和地下水中。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0.038％的钾带入海洋。（3）钾(K)：钾有三个天然同位素，39K、40K和41K2.铀、钍和钾在岩石中的分布

岩石的天然放射性是由它的放射性矿物种类和含量确定的。在核测井中，铀和钍含量通常用μg/g为单位；记作ppm，而钾含量用0.01g/g为单位，记作％。

2.铀、钍和钾在岩石中的分布岩石的天然放射性是由它伽马测井课件伽马测井课件铀、钍含量:酸性岩＞中性岩＞基性岩＞超基性岩

钾含量:酸性岩和中性岩＞基性岩、超基性岩(1)岩浆岩总体而言，岩浆岩中铀的含量随Na、K、Si的含量增高而增高；花岗岩富含铀，碱性岩则相对富含钍。岩石铀，g/t钍，g/t钾，%钍铀比酸性岩（花岗岩、花岗闪长岩、流纹岩）3.518.03.345.1中性岩（闪长岩、安山岩、正长岩）1.87.02.314.0基性岩（玄武岩、辉长岩、辉绿岩）0.53.00.836.0超基性岩（橄榄岩、辉石岩、纯橄榄岩）0.0030.0050.031.7岩浆岩中铀、钍、钾含量和钍铀比铀、钍含量:酸性岩＞中性岩＞基性岩＞超基性岩

钾含量:酸（2）沉积岩

沉积岩分三大类，即粘土岩、碎屑岩和化学岩。粘土岩是主要的生油岩，而碎屑岩及化学岩中的石灰岩及白云岩是主要储集岩。

①粘土岩：是指粘土矿物含量大于50％的岩石，包括泥岩和页岩。在油、气测井常遇地层中，粘土岩铀、钍、钾含量最高。各种粘土矿物铀、钍、钾含量不同，对粘土岩自然放射性的贡献也不同。

矿物钾，%铀，g/t钍，g/tAPI铝土矿3~3010~130海绿石5.08~5.33~10155~210膨润土<0.51~206~50蒙脱石0.162~56~44高岭石0.421.0~57~4745~356伊利石4.51.510~2580~130黑云母6.7~8.3<0.01白云母7.9~9.8<0.01绿泥石<0.053~5<5.0绿帘石各种粘土矿物的钍、铀、钾含量（2）沉积岩沉积岩分三大类，即粘土岩、碎屑岩和化学岩

生油粘土岩中的粘土矿物以蒙脱石和高岭石为主，且富含有机质，所以放射性物质含量高，尤其铀含量明显高于其他粘土岩

蒙脱石：也称胶岭石或微晶高岭石，它的分子中不含放射性元素，但其比表面积很大（269m2/g），阳离子交换能力强，对放射性物质吸附能力强，故铀和钍含量都高，对粘土岩的放射性贡献最大；高岭石：本身不含放射性元素，比表面积小（19m2/g），阳离子交换能力和吸附能力均不如蒙脱石，铀和钍含量都较低，对粘土岩的放射性贡献较小；水白云母(伊利石）：对铀、钍吸附能力差，但它本身含钾，具有放射性，对粘土岩的放射性有贡献；绿泥石：它本身不含放射性元素，阳离子交换能力和对放射性物质吸附能力都低，对粘土岩的放射性贡献甚微生油粘土岩中的粘土矿物以蒙脱石和高岭石为主，且富含有

碎屑岩的放射性由正长石（含钾）、白云母（含钾）、重矿物和泥质含量所决定，一般随泥质含量上升而增高。纯石英砂岩的石英含量达80%以上，含放射性元素的矿物很少，自然放射性很低。

②碎屑岩：是由碎屑物和胶结物两部分组成的，其中碎屑物是岩石的主要成分。③化学岩和生物化学岩：是通过化学和生物化学作用形成的。

常见的化学岩有碳酸盐岩、石膏、硬石膏、岩盐和钾盐等。除钾盐本身具有放射性外，其他各类纯的化学岩自然放射性都特别低，但随泥质含量上升自然放射性略有增高。自然放射性的高低还和成岩作用及地层水的活动有关。碎屑岩的放射性由正长石（含钾）、白云母（含钾）、重矿岩石铀，g/t钍，g/t钾，%砂岩0.2~0.60.7~6.70.7~3.8石英砂岩0.453~10杂砂岩2.11~206~50长石砂岩1.52~56~44页岩3.710~137~47黑色页岩810~1310~25铝土矿11.448.9<0.01斑脱岩5.024<0.01沉积岩铀、钍、钾含量岩石铀，g/t钍，g/t钾，%砂岩0.2~0.60.7~6.表3—19沉积岩铀、钍钾含量（续表）岩石铀，g/t钍，g/t钾，%碳酸盐岩0.1~9.00.1~7.00.0~2.0石灰岩2.20.05~2.4白云岩0.03~2磷酸盐1~5海相磷块岩30~50蒸发岩<1现代海洋沉积物砂3.01.2泥2.3~3.71~2.7黑泥36~48远海粘土1.5~4.03.1~11抱球虫软泥0.74~15.1~5.5锰结核24~124有机质煤20~80石油0.017~0.1石油灰分5~77表3—19沉积岩铀、钍钾含量（续表）岩石铀，g/t钍，g/

变质岩的主要矿物成分见表3—20，放射性矿物含量较高的岩石具有较高的自然伽马放射性。测井很少遇到变质岩，但在变质矿物勘探、地球科学及工程研究中，变质岩具有重要地位。（3）变质岩岩石基本矿物，≧10%次生矿物，2%~10%副矿物，≦2%片麻岩长石、石英云母、角闪石石榴子石、石墨、矽线石、电气石云母片岩石英、云母铁铅榴石十字石、绿帘石、矽线石、角闪石石英岩石英长石、云母绿帘石、蓝晶石、石墨、磁铁矿、褐铁矿板岩石英、绢云母、绿泥石钾长石黄铁矿绿泥石片岩绿泥石娟云母、绿帘石角闪岩角闪石斜长石、石英柘榴石、绿帘石、云母大理岩方解石氧化镁、氧化铝、硅灰石、钙铝榴石表3-20变质岩主要矿物变质岩的主要矿物成分见表3—20，放射性矿物含量较高的3.岩石中的放射性核素和伽马能谱（1）铀系的伽马辐射体

由天然放射系的长期平衡原理可知，当放射系达到长期平衡时，有：

λmNm=λ1N1(3—164)

即母核素与任一子核素的衰变率都相等。将原子数变换为质量，当母核素的质量为1g时，第m个子核素的质量是：

(3—165)式中Am，A1—子核素和母核素的质量数。

由式(3一165)可算出与1g铀平衡时第m个子核素的质量；反之，若能测出衰变系中任一子体的质量，也可求得系中第一个母核素238U的质量。3.岩石中的放射性核素和伽马能谱（1）铀系的伽马辐射体伽马测井课件铀系中能发射伽马射线的重要核素及其射线的能量和强度。铀系中能发射伽马射线的重要核素及其射线的能量和强度。用以显示射线强度的能量分布的图，称之为能谱。将上述表中数据做成能谱图如下，只表示各核素发射的伽马射线的初始能量，故称初始谱。未考虑样品的自散射和光子与环境介质及探测元件之间的作用。用以显示射线强度的能量分布的图，称之为能谱。将上述表中数据做

铀系中最重要的伽马辐射体是214Bi,其次是214Pb。在铀系的伽马射线谱线中，大于1MeV的伽马射线都是由214Bi发射的。214Bi一次衰变的伽马射线总能量为1.574MeV，约占铀系总能量的85.6％，214Pb占12.4％。这两个核素的伽马辐射强度占铀系总强度的85％。

自然伽马能谱测井是根据214Bi的特征伽马射线的强度测定地层中铀的含量的，其前提是铀系的平衡状态未被破坏。若铀—镭平衡被破坏，用214Bi的特征伽马射线强度只能测定镭的含量，而推测的铀含量将有较大误差，有时会超过容许范围。铀系中最重要的伽马辐射体是214Bi,其次是2（2）钍系的伽马辐射体（2）钍系的伽马辐射体伽马测井课件钍系中主要特征伽马射线谱线的能量分别为0.239MeV、0.583MeV、0.908MeV、0.960MeV和2.62MeV。钍系中最重要的的伽马辐射体是208Tl，其次是238Ac。这两个核素发射的伽马射线的总能量约占钍系发射的伽马射线总能量85％，而其辐射强度约占钍系总强度的71％。208Tl发射的能量为2.62MeV的伽马射线，是钍系能量最高强度最大的伽马谱线。

自然伽马能谱测井就是根据208Tl发射的特征伽马射线强度测定钍在地层中的含量的。钍系中主要特征伽马射线谱线的能量分别为0.239MeV、0.（3）不成系的伽马辐射体

自然界不成系的放射性核素有180多种，但对放射性测井有意义的只有40K一种。40K的伽马光子能量为1.46MeV，是单能射线源，只有一条谱线。铀、钍、钾的能谱特性差别很大，在表3—25中列出这三种元素的伽马光子能量分布，每次衰变产生的光子数少于0.05或能量小于100keV的未计入。（3）不成系的伽马辐射体自然界不成系的放射性核素有1伽马测井课件4.自然伽马源密度和伽马能谱

岩石的自然伽马放射性是由铀、钍、钾的含量和伽马射线的能谱决定的，其次受岩石自散射和自吸收的影响。（1）源强密度含有铀、钍、钾的岩石样品就是一种分布在有限空间中的伽马源。核物理中用活度来表征辐射源的强弱，它的单位是贝克勒尔（简称贝克），记作Bq,1Bq=1s-1。单位质量放射源的活度叫比活度，法定单位是贝克勒尔每千克，记作Bq/kg。旧用单位为居里每千克，即Ci/kg，1Ci/kg＝3.7X1010Bq/kg。4.自然伽马源密度和伽马能谱岩石的自然伽马放射性是由源强：伽马源在单位时间里发射的光子总数（平均数）。

源强密度：单位体积的源强。

设岩石中只有一种发射单能光子的放射性元素（如钾），地层的密度为ρ，每克岩石中含q克该种放射性元素，每克该种放射性元素每秒钟平均发射a个光子，则其源强密度为：元素衰变次数伽马光子数伽马光子数平均光子能量，MeVU1.28×1042.242.8×1040.80Th4.02×1032.511.0×1040.93K31.30.113.41.46Ra3.63×10102.208.0×10100.81每克铀、钍、钾和镭每秒钟平均发射的光子数单位体积岩石含放射性元素的质量源强：伽马源在单位时间里发射的光子总数（平均数）。

源强密度（2）伽马源的能谱当一种放射性元素（如平衡铀或钍，并包括放射系中的所有核素）能发射多种能量的伽马光子时，则源强密度为：（3—167）式中ai—单位质量该种元素单位时间里发射的第i种能量(Ei)的光子数，

i＝1，…，m。ai与Ei的关系图就表示该种元素的伽马能谱。当岩石中含有铀、钍、钾三种放射性元素时，总源强密度为：（3—168）式中，aij和Eij的关系图就是岩石自然伽马源的能谱图。

（2）伽马源的能谱ai与Ei的关系图就表示该种

下图为岩石中同时含有铀、钍、钾三种放射性元素时的伽马能谱图，图中实线表示铀系的伽马谱线，点线表示钍系的伽马谱线，而1460keV处是钾的单能谱线。下图为岩石中同时含有铀、钍、钾三种放射性元素时的伽马二、地层中的自然伽马辐射场

1.自然伽马通量密度描述自然伽马辐射场的主要参数是通量密度，其定义为：设有一球体通过球心的截面积是S，而N是时间t内进入球体的光子数，则通量密度

为：（3—169）对于平行射线束，单位时间内通过与射线方向垂直的单位截面的光子数称为伽马射线的强度；对于非平行射线束，也将上式定义的通量密度称为强度。通量密度或射线强度与仪器在单位时间里的计数，即计数率成正比。二、地层中的自然伽马辐射场1.自然伽马通量密度对于平行射线2.无限均匀放射性地层中的自然伽马通量密度和能谱（1）通量密度设无限、均匀、各向同性，且只有一种发射单能光子的放射性元素；ρ—地层密度；q—每克岩石中含该种放射性元素的质量；a—每克该种放射性元素每秒钟平均发射的光子数；μ—地层对光子的吸收系数。在球坐标系中取一体积元dV，它在距离为r的球中心点M处产生的通量密度为：

MdV2.无限均匀放射性地层中的自然伽马通量密度和能谱（1）通量密2.无限均匀放射性地层中的自然伽马通量密度和能谱（1）通量密度对半径为r的球体求积分得：若对上述无限介质积分，即r→∞，得：式中φ0—上述无限介质中任意点的仍保持初始能量光子的通量密度；

μm—质量衰减系数，它随光子的能量增加而减小；

Am=aq—单位质量的岩石在每秒钟内发射的光子数；

2.无限均匀放射性地层中的自然伽马通量密度和能谱（1）通量密

沉积岩中的主要矿物μm变化较小，可以近似看成是一常量。因此可认为φ0∝q，这样就可通过测量指定能量范围内的光子通量以决定某种核素的含量。

若地层μ最小值为0.10cm-1

时，则相应的球半径为46.05cm。一般认为，自然伽马测井的探测范围大约是一个直径小于1米的球体。

定义探测范围：半径为r的球对测量结果的贡献占全空间的贡献的99%时球的半径。利用下式可以估计自然伽马测井的探测范围：

沉积岩中的主要矿物μm变化较小，可以近似看成是一常量

在球体内来自半径不同的光子，对球心总的通量和能谱的贡献不同，离球心越远对高能伽马的相对贡献越小。

（2）能谱

在球心可能观测到的伽马光子包括：①未经受散射直接到达球心的光子，保持着初始能量；

②经受一次或多次散射，能量降低，但最后到达球心的光子，能谱是连续的。

在每个观测点的通量密度，或者说伽马射线的强度，是整个能量范围内的光子数的积分。在球体内来自半径不同的光子，对球心总的通量和能谱的贡3.无限平面伽马源在井轴上的伽马通量密度和能谱式中

θ（1）通量密度设无限均匀各向同性单色伽马平面源为单位脉冲信号，与井轴垂直，井眼半径为r0，线性吸收系数为μ0，地层吸收系数μ。则在M点处产生的通量密度为：3.无限平面伽马源在井轴上的伽马通量密度和能谱式中

θ（1（1）通量密度整个平面源在M点的光子通量密度为：3.无限平面伽马源在井轴上的伽马通量密度和能谱将R和R0与θ角的关系代入并做变量置换，得：对坐标原点有：θ（1）通量密度3.无限平面伽马源在井轴上的伽马通量密度和能谱3.无限平面伽马源在井轴上的伽马通量密度和能谱根据r0、μ0和μ，就能计算出井轴上任意点M处的伽马通量密度，从而得到无限平面源的响应。从图中取出对应于能量为1.46MeV、1.76MeV和2.62MeV的三条曲线，就可得到钾、铀、钍特征伽马射线的单位脉冲响应。从图中可以看出，能量高的伽马射线源具有较宽的响应宽度。令t＝μr，代入上式得：单位脉冲响应3.无限平面伽马源在井轴上的伽马通量密度和能谱根据r3.无限平面伽马源在井轴上的伽马通量密度和能谱

在地层和井液中发生光电效应的光子，在井轴上观察不到；

平面源与井轴交点为圆心半径不同的每个圆环的光子，对井轴各点总的通量和能谱的贡献不同，离圆心越远，对高能伽马的相对贡献越小。（2）能谱

无限平面源伽马光子从发射点到达井轴各点的过程中，要经受地层和井眼介质的散射和吸收。在井轴上可能观测到的伽马光子包括：①未经受散射直接到达井轴各点的光子，保持着初始能量；②经受一次或多次散射、能量降低、但最后到达井轴的光子，能谱是连续的。3.无限平面伽马源在井轴上的伽马通量密度和能谱在地层4.有限厚放射性地层在井轴上的光子通量密度和能谱

（1）通量密度设有限厚放射性地层厚度为h，井半径为r0，井轴与地层面垂直，M点位于井轴上且与地层下底面相距z1。则在M点处产生的通量密度为：在0～2π域内对φ积分，得：4.有限厚放射性地层在井轴上的光子通量密度和能谱（1）通量设μ=0.1/cm，r0=15cm，地层厚度h=15cm、30cm、60cm、90cm、150cm，可算得一组曲线，如右图所示。其中φ为井轴上每一深度点的光子通量；φmax为地层中点通量φm的最大值。

移动M点，即改变z1值，利用指数积分函数表对上式做数值积分，可求出该放射性地层造成的沿井轴的光子通量密度。对变量z’来说，被积函数在z’=0处有最大值，且对称于此点，因而当观察点M位于地层中点时积分有最大值：设μ=0.1/cm，r0=15cm，地层厚度h=15cm、3①曲线对称于地层中心，并在该点有最大值φm

；

②φm随地层厚度h增加而加大，但当μh≥0.9，即h≥90cm(6r0)时φm为常数，不再随h增减而变化，这时有φm∝q。（q代表岩石中的放射性物质的含量）

③μh≥0.9的地层为厚层，否则为薄层。厚层曲线两个半幅点正对着上、下界面，由半幅宽确定的视厚度ha与真厚度h相等；薄层曲线的两个半幅点将落在该层之外，视厚度ha大于真厚度h。

由此图看出，有限厚地层沿井轴的光子通量密度分布具有以下特点：能谱：从每个点源发射的伽马光子，在到达井轴的过程中，只有很少一部分光子能进入探测器灵敏元件。在井轴能观测到的伽马光子：①有少量未经受散射和吸收，保持着初始能量；②大部分经受一次或多次散射，能量降低，最后才到达井轴，其能谱是连续的。

来自体积源内每一发射点的光子，对井轴各点总的通量和能谱的贡献不同，伽马射线的强度是整个能量范围内的光子通量的积分。

①曲线对称于地层中心，并在该点有最大值φm；

②φm随地层三、自然伽马能谱测井仪器和测井响应

在伽马样品或地层分析中，既需要测量伽马射线的强度，又需要测量伽马射线的能量。根据能量分析确定射线是由那一种核素发射的，而根据强度可确定该种核素及其相应元素的含量。测井主要使用单晶闪烁谱仪，用闪烁谱仪做伽马射线强度和能量测量时，一般要考虑以下几个方面：1.测井仪器（1）伽马射线强度和能量测量的一般考虑三、自然伽马能谱测井仪器和测井响应在伽马样品或地②探测效率和效率刻度：要确定伽马射线的强度，必须知道探测器的探测效率。确定伽马射线的强度有两种方法，即全谱法和全能峰法。全谱法：全谱下的总计数率为n，它与源的某种能量的伽马光子发射率N之间的关系为：式中—源探测效率。①能量分辨率：能量分辨率一般达到8%左右就可以了，通常使用NaI(TI)、CsI(TI)、BGO等晶体闪烁仪均能满足要求。全能峰法：取全能峰计数率np，它与源的发射率N之间关系为：式中—源峰探测效率。

由于岩石和地层的放射性水平很低，为了提高下井仪器的探测效率，要尽可能选用密度大且Z值高的材料做成的闪烁体，闪烁体的体积也要尽可能大一些。②探测效率和效率刻度：要确定伽马射线的强度，必须知道探测器的

为进行能量刻度，国际原子能机构(IAEA)和中国原子能研究院各自推荐的一组标准伽马源。③能量线性和能量刻度：对于理想的闪烁仪，脉冲幅度和能量的关系应该是线性的，但实际为非线性。定义能量刻度：就是在谱仪所确定的使用条件下，利用已知能量的伽马放射源测出对应能量的峰位，然后做出能量与峰位（道数）的关系曲线。核素半衰期伽马射线能量，keV国产源代码活度，kBq241Am433a59.54AMSG-20337~7457Co271.8d122.06,136.47COSG-20474~111203Hg46.76d279.2022Na2.6a1274.55NASG-20937~74137Cs30.17a661.66CSSG-20637~7454Mn312.5d834.85MNSG-20774~11188Y108d898.02,1836.1360Co5.27a1173.24,1332.51COSG-20837~74表3-27谱仪能量刻度标准源（国际原子能机构（IAEA）推荐）为进行能量刻度，国际原子能机构(IAEA)和中国原子式中xp—峰位；

E(xp)—对应于该峰位的能量；

G—直线的斜率，即每道所对应的能量间隔，称为增益，keV/道；

E0—直线的截距，即0道所代表的能量。

典型的能量刻度曲线可用下式表示：为了准确地进行能量刻度和确定未知能量，需注意：①根据测量的能量范围适当选择放射源；

②选择适当的方法定准峰位；③考虑非线性，必要时用非线性解析式表达峰位和能量的关系；

④确保谱仪稳定性好。式中xp—峰位；

E(xp)—对应于该峰位的能量；

(2)自然伽马能谱测井仪器的组成①伽马射线探测器：测量伽马射线，同时也接收稳谱源发射的伽马射线，并输出电脉冲串；

②脉冲幅度分析器：输出电脉冲串，并送到数字累加器做进一步处理；③稳谱源和稳谱探测器：稳谱源由241Am发射α射线和伽马射线。稳谱探测器测量由241Am发射的α粒子，产生复合脉冲，以区分由稳谱源产生的伽马射线脉冲和由自然伽马射线产生的脉冲。④下井仪器控制系统：由计算机控制伽马谱仪形成编码谱，并传输到地面仪接口；

⑤数据处理和记录系统：编码谱经解调恢复成数据谱，谱数据经计算机解谱，求出铀、钍、钾含量和总放射性强度，并记录、储存和显示。(2)自然伽马能谱测井仪器的组成①伽马射线探测器：测量伽马射

脉冲幅度分析装置可将全谱分成11个谱段（两个稳谱窗，五个自然伽马能谱测量窗和四个稳谱检查窗），分别记录每个谱段的计数率。各个谱段的能量范围见下表。能窗分配稳谱窗自然伽马能谱窗及稳谱窗检查窗NLAmNHAmN1N2N3NLKNHKN4N5NLThNHTh能量范围，keV40602005001100136514601590200025152610608050011001365146015902000300026102740自然伽马能谱测井仪能窗划分举例脉冲幅度分析装置可将全谱分成11个谱段（两个稳谱窗，增益稳谱法的原理

稳谱参考峰为一高斯分布，峰顶位于第20道，在它的左右两侧各开一能窗，其计数分别为NL和NH。NL＞NHNL＜NHNL=NH（1）由于峰的两侧对称，所以NL=NH。（2）若环境或测量条件的变化而使峰位漂移，峰位向高能方向漂移NL＜NH；（3）当峰位向低能方向漂移时，NL＞NH。设计一个比较电路，使其当NL=NH时输出为零；NL＜NH时输出一个与∣NL-NH∣成正比的负信号；NL＞NH时输出一个与∣NL-NH∣成正比的正信号。用此信号控制和调节探测器的电源电压，以保持峰位的稳定。增益稳谱法的原理

稳谱参考峰为一高斯分布，峰顶位于第2

（3）反符合低能谱：不包含241Am产生的伽马射线的自然伽马谱，能量范围是150~3000keV，用于测定地层中铀、钍和钾的含量。

CSNG下井仪器输出三种能谱，均为256道：（1）符合谱：伽马射线探测器和a射线探测器符合输出的伽马谱，即241Am产生的伽马谱，能量范围是20~350keV，用于稳谱。（2）反符合低能谱：伽马射线探测器和a射线探测器符合输出的伽马谱，即不包含241Am产生的伽马射线的自然伽马谱，能量范围是20~350keV，用于测定套管或岩性。（3）反符合低能谱：不包含241Am产生的伽马射线的自然

自然伽马测井在每个深度点上测到的总计数率与地层在该点造成的通量密度成正比，计数率曲线可直接反映通量密度沿井剖面的分布，但由于测井仪器的探测效率的不同，即使地层和环境条件不变，不同的仪器在同一个测量点上测到的计数率也会很不相同。

所以，必需对仪器进行标准化刻度。2.有限厚放射性地层的测井响应

因受到仪器参数的影响，测井仪器测得的曲线与理论曲线有所不同（图3-20），或者说有不同的响应，导致差异的因素主要有以下四点：（1）探测器的计数效率和标准刻度系统自然伽马测井在每个深度点上测到的总计数率与地层在该点测井仪器标准化实质就是进行效率刻度。国际上一般采用API单位作为自然伽马辐射强度的标准单位。API单位是这样规定的：在美国休斯敦大学的刻度井中，有高、低两种标准放射性模块，将仪器在井眼中测得的高放射性和低放射性两种模块的读数差定为200个API单位。在标准井中刻度过的同类仪器，对同一厚地层应该有同样的响应，即应具有相同的幅度（含统计误差）。这样，不同的仪器测得的自然伽马剖面才能对比。三级刻度系统：一级刻度井：全国统一的刻度井（自然伽马基准井)二级刻度井：各油田建立的刻度井（自然伽马工作标准井）三级刻度井：用伽马源在现场刻度（自然伽马刻度器）测井仪器标准化实质就是进行效率刻度。国际上一般采用API单位

我国基准井标准岩块由花岗岩和大理石组成，分别模拟强放射性和弱放射性地层，其铀、钍、钾含量和不确定度见下表。元素花岗岩模块大理岩模块铀，g/t8.17±0.04＜0.2钍，g/t16.29±0.59＜0.28钾，%3.19±0.15＜0.5我国基准井铀、钍、钾含量表

将仪器记录的计数率转换为刻度后的标准化输出的公式为：式中nh,n1—分别为强放射性和弱放射性地层中点测得的计数率，CPS；

GRstd—基准井的API标称值，API；

S—仪器的灵敏度；

我国基准井标准岩块由花岗岩和大理石组成，分别模拟强放例：标准刻度井中，高放射性地层强度为400脉冲/分钟，低放射性地层强度为200脉冲/分钟；A探测器的探测效率为10%，B探测器的探测效率为20%。在刻度井中刻度：对一个放射性强度为300脉冲/分钟的地层测量：

A探测器得到的计数率为：30脉冲/分钟，而API单位为：30/0.1=300

APIB探测器得到的计数率为：60脉冲/分钟，而API单位为：60/0.2=300

API例：标准刻度井中，高放射性地层强度为400脉冲/分钟，低放射（2）探测器的能谱响应212Pb228Ac208Tl

①能量高的射线实测峰偏低，能量低的射线实测峰偏高，这是由于探测器对能量较低的伽马光子具有较高的探测效率；

②实测谱中记录了大量由康普顿散射生成的康普顿坪。谱形的变化特征：（2）探测器的能谱响应212Pb228Ac208Tl（3）探测器灵敏元件的长度

若探测器灵敏元件的尺寸与地层厚度和井径相比足够小（可视为点状探测器）且探测效率为100％，则其响应与理论一致。若探测器灵敏元件为有限长，相当于对理论曲线施行平滑滤波，这就会改变曲线的形状，使测井薄层响应幅度降低而半幅宽增大。对薄层的影响显著（3）探测器灵敏元件的长度若探测器灵敏元件的尺寸与地

从下表可以看出：①地层厚度小于100cm时，地层真厚度小于曲线半幅宽度；②地层厚度大于100cm后，地层真厚度等于曲线半幅宽度；③伽马射线能量小时，受地层厚度影响较小，有较好的分层能力

从下表可以看出：①地层厚度小于100cm时，地层真厚（3）测井速度、厚度和统计偏差若计数率是在一个采样间隔时间t中取得的，则计数率中的统计偏差为：而相对偏差为：地层中部计数率平均值的标准偏差为：而其相对偏差为：式中v—测井速度；h—地层厚度。

由此可知，计数率曲线每点读数和地层的平均计数率都有统计起伏。计数率低，测井速度大，地层厚度小，则相对误差大，统计起伏明显。右图显示放射性元素含量相同但地层厚度不同的自然伽马测井响应，下半部经过滤波。（3）测井速度、厚度和统计偏差若计数率是在一个采样间隔时间t

井中介质包括钻井液、套管和水泥环。若钻井液为低放射性钻井液，则井的影响主要是对来自地层的伽马射线的散射和吸收；若钻井液中含有KCl，则钻井液柱相当于一个附加的放射源，钾的特征道区计数率会增高；而当钻井液中含有重晶石时，钻井液的光电吸收效应增强，将使自然伽马谱严重变形。(4)环境影响

环境影响是指实际测井时遇到的井况与仪器刻度标准条件不一致而引起的测井响应的变化。井中介质包括钻井液、套管和水泥环。若钻井液为低放射性J.A.Crubek在研究环境影响时，引入了一个称为“钻井液吸收函数”的综合校正系数Ap，它以钻井液衰减系数μp和井半径r0的乘积为参变量而以仪器半径rs与井半径r0的比为变量，如左图所示。求出Ap后，用下式进行校正：（1）低放射性钻井液环境影响式中J—实测值;Jc—校正值J.A.Crubek在研究环境影响时，引入了一个（2）氯化钾和重晶石钻井液的影响

钻井液中加入3%～5%的氯化钾，钾的放射性可使自然伽马能谱测井受到干扰，表现为：①

总计数率增高；②

钾特征峰道区计数率明显增高；③

能量低于1.46MeV的道区计数率增高；④

解谱结果钾含量异常地高，铀含量偏低，钍含量偏高，各种比值不正常。

重晶石钻井液能使低能道区计数率明显降低。（2）氯化钾和重晶石钻井液的影响钻井液中加入3(5)vτ的影响(v-测井速度，τ-充放电时间常数）

当仪器在井中的测速很小，在均匀放射性地层中测得的自然伽马曲线形状与理论曲线形状相似。当测井速度增大时，实际测得的自然伽马曲线不对称，曲线向仪器移动方向发生偏移。其原因是记录仪器中积分电路的充电、放电都需要一定的延迟时间τ。(5)vτ的影响(v-测井速度，τ-充放电时间常数）(5)vτ的影响(v-测井速度，τ-充放电时间常数）

vτ影响使GR曲线发生畸变，使Grmax幅度值下降，且Grmax的位置不在地层中心，向测井仪器移动的方向偏移。半幅点划分地层厚度变大。地层厚度越小，vτ乘积值越大，曲线畸变越严重。对畸变曲线半幅点的校正公式为：

即把畸变曲线的半幅点下移一滞后距离即地层界面位置。测井速度应小于600m/h才能防止曲线过度畸变。(5)vτ的影响(v-测井速度，τ-充放电时间常数）四、地层自然伽马能谱解析

铀系、钍系和钾的伽马线谱是自然伽马辐射场形成的基础。但我们用闪烁谱仪能观察到的并不是线谱，而是通过光子与地层及闪烁晶体相互作用所复杂化了的连续谱，称之为工作谱或仪器谱。自然伽马仪器谱包含着铀、钍和钾的贡献，是由多种核素的伽马谱组成的混合谱。对混合谱必须通过解析才能得到初始能量不同的伽马射线的净计数率，进而确定地层中铀、钍和钾的含量，对混合谱的解析叫解谱。四、地层自然伽马能谱解析铀系、钍系和钾的伽马线谱是四、地层自然伽马能谱解析多道脉冲幅度分析器将能谱分为五个能窗，它们的测量范围分别是：W1:0.15~0.5MeVW2：0.5~1.1MeVW3:1.32~1.575MeV(含特征谱1.46钾窗）W4:1.65~2.39MeV（含铀特征谱1.76铀窗）W5:2.475~2.765MeV（含钍特征谱2.62钍窗）a.模数转换器将输入脉冲幅度按比例变换成地址码b.每个地址对应存储器的一个记录道，每进一个脉冲就增加一个计数c.累计每道计数，得到一个谱（计数率与道址）W5四、地层自然伽马能谱解析多道脉冲幅度分析器将能谱分为五个能窗四、地层自然伽马能谱解析

五个能窗输出的信号分别送入五个计数器进行计数。由于钾窗的计数率中含有少量的铀、钍伽马射线的成分，铀窗中亦含有少量钍的成分，钍窗中又含有少量铀的成分。所以各窗的计数率并不仅反映对应元素的含量，因而需要解谱。四、地层自然伽马能谱解析五个能窗输出的信号分别

解谱有不同的方法，但都需要利用各组成核素的标准谱，并假定混合核素的能谱就是各个组成核素的标准谱按各自的强度关系的线性叠加。为此，解谱要满足以下条件：

①标准谱和混合谱（工作谱）是在相同的测量条件下获得的，能谱仪的分辨率、探测效率和能量刻度在标准谱和工作谱的前后测量中没有显著变化。

②谱仪的响应性能不随计数率显著改变。如当地层中铀的含量增高时，其能谱的各道计数均按比例线性增加，整个谱形仍和标准谱一样。

③地层中的核素种类已知，即除铀、钍和钾以外其他未知的放射性核素的贡献可忽略下计。解谱有不同的方法，但都需要利用各组成核素的标1.自然伽马标准谱

标准谱是在刻度井中测得的仪器谱，它所确定的铀、钍、钾含量与谱数据的关系是对测井时得到的工作谱进行解析的依据。为此，需要建立刻度井群。层位钾，%铀，g/t钍，g/t层位钾，%铀，g/t钍，g/t高钾层5.610.971.45高混层5.1712.335.8高铀层0.2522.11.21低混层1.052.405.41高钍层0.220.7963.5围岩层0.230.401.12中海油刻度井模拟地层铀、钍、钾含量表

用测井仪在刻度井中测量只含一种放射性元素的模拟地层，可得到每种放射性元素的标准仪器谱。用标准谱可确定标准条件下单位含量的铀、钍、钾在各道或谱段中造成的计数率，以作为解谱的依据。1.自然伽马标准谱标准谱是在刻度井中测得的仪器3.自然伽马仪器谱的解析

自然伽马仪器谱经过滤波、峰位校正和分辨率校正（若需要）之后，即可进行解析。解谱是在测井过程中实时进行的，但也可在基地做进一步的解析。解谱方法有以下四种：（1）剥谱法（2）逆矩阵法（3）最小二乘逆矩阵法（4）加权最小二乘逆矩阵法（自学）3.自然伽马仪器谱的解析自然伽马仪器谱经过滤波、峰位3.自然伽马仪器谱的解析

剥谱法的基本思想：从混合谱中先找出一种容易识别的核素，把它的谱形求出，并从混合谱中扣除，然后从剩余谱中再找出第二种核素并做同样处理，直到求出所有的核素为止。通常从能量最高的特征峰开始对混合谱进行层层剥析，所以称为剥谱。适用条件：（1）只有特征能量高的核素对能量低的核素的特征峰计数有贡献，而特征能量低的核素对能量高的核素计数无影响；（2）样品的混合谱是各种核素标准伽马谱强度的线性叠加。3.自然伽马仪器谱的解析剥谱法的基本思想：从混合谱中3.自然伽马仪器谱的解析式中：N11—钾在第1道区的净计数率；N12，N13—铀和钍在第1道区的计数率；N22—铀在第2道区的净计数率；N23—钍在第2道区的计数率；N33—钍在第3道区的净计数率；ck,cu,cth—钾、铀、钍的含量。

（3-203）

选择钍、铀、钾各自特征峰位一定宽度合适的道区作为基准区，并按钾、铀、钍的顺序分别标为i=1,2,3；而待求元素K、U、Th的标号为j=1,2,3。则第j种元素在第i个道区的计数率记作Nij，在第i个道区的总计数率则为：或写成：3.自然伽马仪器谱的解析式中：N11—钾在第1道区的净计数率3.自然伽马仪器谱的解析设在刻度井中测得的第j种元素在第i道区的计数率为N0ij，根据假设：利用式（3-203）和（3-204），可求得钾、铀和钍的净计数率：

（3-204）

3.自然伽马仪器谱的解析设在刻度井中测得的第j种元素若令=N012/N022；=N013/N033；=N023/N033，上述三式可改写为：3.自然伽马仪器谱的解析

进而获得钾、铀、钍的含量：

若令=N012/N022；=N013/N033；=五、自然伽马能谱测井的应用岩性识别和地层对比；识别高放射性油气层；研究粘土岩；监测水淹层；寻找放射性矿物；计算岩石生热率；监测环境污染；五、自然伽马能谱测井的应用岩性识别和地层对比；五、自然伽马能谱测井的应用五、自然伽马能谱测井的应用五、自然伽马能谱测井的应用五、自然伽马能谱测井的应用五、自然伽马能谱测井的应用自然伽马能谱测井曲线图五、自然伽马能谱测井的应用自然伽马能谱测井曲线图1.岩性识别和地层对比（1）沉积岩泥岩线砂岩线泥岩线：平行于井轴，伽马曲线幅度高的泥、页岩。泥岩线以上：酸性岩浆岩、富含放射性矿物的砂岩或碳酸盐岩及富含有机质的粘土岩。纯砂岩线：石膏、硬石膏、岩盐、纯砂岩或碳酸盐岩、基性和超基性岩浆岩，形成曲线的基线。

两线之间：含泥质的砂岩或碳酸盐岩，白云岩放射性通常比石灰岩略高。1.岩性识别和地层对比（1）沉积岩泥岩线砂岩线泥岩线：平行于

自然伽马能谱测井可根据铀、钍、钾含量的差别对高放射性地层做进一步细分。

①膨润土和凝灰岩自然伽马总强度高，铀、钍含量高，而钾含量低；

②含有机质的粘土岩，自然伽马总强度高，铀，钍和钾含量均高；

③高含铀的砂岩，放射性总强度高，铀含量高，而钍和钾含量都低。

所以能将这种砂岩储集层与前三种地层区分开。自然伽马能谱测井可根据铀、钍、钾含量的差别对高放射性A区：为低铀低钍区，是一般油砂岩；

B区：钍含量低而铀含量高，油砂岩附近

有钙层或含钙；

C区：钍含量中等而铀含量低，为粉砂

岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、少

数钙质粉砂岩、钙质介形虫；

D区：钍含量高而铀含量低，为泥岩；

E区：钍含量高铀含量也高，为钙质粉砂

岩、钙质介形虫、少数其他粉砂岩

和泥岩。

自然伽马能谱测井扩大了应用交会图识别岩性的应用范围，右图是识别岩性的Th—U交会图。A区：为低铀低钍区，是一般油砂岩；

B区：钍含量低而铀含量高

④自然伽马能谱可与其他测井资料结合进一步提高判别岩性的可靠性。利用自然伽马能谱测井划分岩浆岩岩性的主要依据是：

①不同岩石的铀、钍、钾含量范围不同，如深成岩中的花岗岩，铀、钍、钾含量都很高，而纯橄榄岩这些元素的含量比花岗岩低2-3个数量级；②岩石的主要化学成分与铀、钍、钾含量相关。如Si02含量是岩浆岩的主要分类指标，同时这一指标与钾含量有很强的相关性。钍和铀的含量从酸性岩石到超基性岩石逐渐减少；

③不同岩石的铀、钍、钾比值不同；（2）岩浆岩④自然伽马能谱可与其他测井资料结合进一步提高判别岩性的从超基性岩到酸性岩，铀和钍含量的变化，同时，风化作用使钍铀比增大，这是由于四价铀盐转变成能溶于水的六价铀盐而被水流淋滤带出，致使铀含量减少。

Th—U交会图识别岩浆岩增大方向从超基性岩到酸性岩，铀和钍含量的变化，同时，风化作用使钍铀比二、部分研究成果简介灰黑色玄武岩墨绿色英安岩玄武岩色率一般大于90岩性特征较明显，易于区别上下砂泥岩地层二、部分研究成果简介灰黑色玄武岩墨绿色英安岩玄武岩色率一般大

利用自然伽马、自然伽马能谱、密度和中子等测井资料可有效识别榴辉岩、角闪岩、正片麻岩、副片麻岩、蛇纹岩和榴辉岩与角闪岩互层等大类岩性，其测井曲线特征如下：（3）变质岩曲线名榴辉石副片麻岩正片麻岩角闪岩蛇纹岩CNL,%5.6112.0860.66110.24532.56DEN,g/cm33.1502.7462.6052.8882.922e，b/c5.1183.6432.7774.514.317GR,API29.48677.478148.11649.20618.478K,%1.7952.594.4732.2310.736Th,g/t2.3117.77416.1182.8632.34U,g/t0.5750.8962.2280.7260.446变质岩的核测井响应值统计表（平均值）利用自然伽马、自然伽马能谱、密度和中子等测井资榴辉岩

是基性岩浆岩下沉到地壳深处、甚至下沉到地慢处深度变质的产物。①密度（DEN）大；2.95—3.51g/cm3

②放射性强度低；基性变质岩，29API③光电吸收截面指数（Pe）大；5.18

④中子孔隙度测井值（CNL）小；含氢量少。榴辉岩最显著的特征有以下四点：榴辉岩是基性岩浆岩下沉到地壳深处、甚至下沉到地慢处深度变片麻岩

一种具片麻状构造及中粗粒花岗变晶结构的岩石，可分为沉积岩变质而成的副片麻岩和岩浆岩变质而成的正片麻岩两大类。

①密度小；一般不大于2.8g/cm3,②放射性强度高；正片麻岩大于副片麻岩；

③光电吸收截面指数小；

④中子孔隙度小；这两类片麻岩的测井曲线主要特点：石榴片麻岩又称为多硅白云母石英榴辉岩。测井显示特征更近于片麻岩。放射性较高，为50～70API,密度值2.8～2.95g/cm3。片麻岩一种具片麻状构造及中粗粒花岗变晶结构的岩石，可分为超基性蛇纹岩蛇纹岩的显著测井曲线特征：

①中子孔隙度特高；含氢指数特别高，理论值39.1%。

②放射性强度低；超级性岩。

③磁化率（SUS）高；含磁铁矿和钛铁矿。

④电阻率低；含磁铁矿和钛铁矿。角闪岩角闪岩测井曲线特征与退变质榴辉岩有相似之处，其主要特征：

①自然放射性强度：介于榴辉岩和片麻岩之间；

②密度：介于榴辉岩和片麻岩之间；2.888g/cm3

③光电吸收截面指数：介于榴辉岩和片麻岩之间；4.5b/e

④中子孔隙度：理论响应值为3.2%～9.1%，在中子孔隙度曲线上常有5%～10%的显示。超基性蛇纹岩蛇纹岩的显著测井曲线特征：①特殊岩性层

除上述变质岩层外，还有几种特殊岩性层：

①高铀异常；②高钍异常；③高钾异常；④断层破碎带；

副片麻岩（富钙）和正片麻岩（贫钙）属酸性岩石；金红石榴辉岩、多硅白云母榴辉着、退变质榴辉岩、石英榴辉岩、角闪岩、绿泥石化角闪岩属基性岩石；蛇纹岩属超基性岩石。这些岩石的Th、U、K和Th/U的平均值见下表特殊岩性层除上述变质岩层外，还有几种特殊岩性层：

①

③容易找到标准层，总放射性或铀、钍、钾含量特别高或特别低的分布稳定的地层均可选用。（4）地层对比

用自然伽马测井和自然伽马能谱测井做地层对比具有以下优点：①由于孔隙流体（原油、天然气、地层水）中几乎没有放射性物质，所以曲线的幅度和形态不受流体类型的影响；②与钻井液矿化度无关；③容易找到标准层，总放射性或铀、钍、钾含量特别高或特别地层对比剖面图地层对比剖面图高放射性砂岩油气层：

右图自然伽马能谱曲线显示，在深度分别为420～490ft和775～900ft两个井段有三层高放射性地层。上边的一层钾含量低，铀含量高，钍含量特别高，是膨润土和凝灰岩薄层；而下边的两层只有铀含量高，钾和钍的含量都很低，是高放射性砂岩，是可能的油气层。2.识别高放射性油气层高放射性砂岩油气层：

右图自然伽马能谱曲线显示，在深高放射性碳酸盐岩油气层：

在我国华北地区的碳酸盐岩储集层，高放射性地层占很大比例。右图所示，该井有些高放射性地层是高含铀的碳酸盐岩储集层，在自然伽马能谱曲线中显示为铀含量高而钍和钾含量都低，而泥质含量高的地层是铀、钍、钾含量都高。图中多数高放射性地层的自然伽马能谱曲线显示为高含铀储集层，而最初只凭自然伽马高而被判为泥质含量高的非储集层。

高放射性碳酸盐岩油气层：

在我国华北地区的碳酸盐岩储集层，高花岗岩冲积层油层：

花岗岩冲积层是由酸性岩浆岩演变而来的一种长石占25％的砂岩。

A段压裂前后产量均很低，无生产价值；泥质含量高。

B段泥质含量低，孔隙度高，含水饱和度为40%，压裂后日产油100bbl。花岗岩冲积层油层：

花岗岩冲积层是由酸性岩浆岩演变而来的一种高放射性粘土岩油气层：

右图为粘土岩裂缝油层。有机质含量高的高放射性黑色泥岩，若有天然裂缝则可能有很大油气产能。钙质和粉砂质夹层性脆易生成裂缝，形成可溶于水的六价铀及其子体镭和氡的通道。这种油气层的自然伽马能谱特征为总强度高、铀含量高，而钍和钾含量较低。

高放射性粘土岩油气层：

右图为粘土岩裂缝油层。有机质含量高式中GR，GRmax，GRmin—自然伽马测井曲线当前地层的幅度值、井剖面上的最大值和最小值。3.研究粘土岩（1）求泥质含量

若储集层中只有粘土矿物含放射性元素，且含量稳定，并忽略吸收系数对测井响应的影响，则可用下式由自然伽马测井求出泥质含量，即粘土体积含量的近似值：GRmaxGRmin式中GR，GRmax，GRmin—自然伽马测井曲线当前地层的

当用自然伽马能谱测井求地层粘土体积含量时，用总计数率及铀、钍、钾含量或“去铀曲线（CGR)”的相应读数代替上式中的GR，GRmax和GRmin即可。

严格地讲，地层粘土体积含量与测井值的关系并不是线性的，通常用下列经验公式做非线性校正：式中Vsh

—

校正后的粘土体积含量；

H—Hilchie指数，古近—新近系地层取3.7，老地层取2，具体地区或层系可通过实验选用更合适的值。当用自然伽马能谱测井求地层粘土体积含量时，用总计数率Vsh＝aGR－b

通常所说的泥质是粘土与粉砂的混合物。泥质含量Vsh与总计数率(GR)通常有很好的相关性，在去除某些含铀明显偏高的数据点后，根据岩样分析(粒度分析资料）数据可得到下列计算公式中的a和b两个常数：相关系数为0.826。大庆对175块岩样数据做回归分析，得到：Vsh＝aGR－b

根据铀、钍、钾含量可区分粘土矿物，从而确定粘土岩的类型。主要粘土矿物的铀、钍、钾含量范围见下表。

（2）识别粘土矿物矿物名称铀含量，g/t钍含量，g/t钾含量，%蒙脱石2~7.714~240~1.5高岭石1.5~76~190~0.5伊利石1.520≥4.5绿泥石17.4~38.20~80~0.3海绿石2~43.2~5.8黑云母1~405~506.2~10白云母2~820~257.8~9.8铝土矿3~3010~130膨润土1~206~50＜0.5铀、钍、钾含量数据表根据铀、钍、钾含量可区分粘土矿物，从而确定粘土岩的类钍钾交会图确定粘土或泥质类型钍钾交会图确定粘土或泥质类型岩石的比表面与钍含量的相关性也比较好，如右图所示。

（3）估算阳离子交换容量和比表面

岩心分析证明，钍含量与粘土矿物含量的关系比较稳定，因而与阳离子交换容量CEC相关。左图是大庆油田由128个岩样分析数据得到的CEC—Th含量散点图和回归线，回归方程为：岩石的比表面与钍含量的相关性也比较好，如右图所示。（3）估上图表面：生油岩中的有机碳含量与铀钾比或铀含量呈简单的线性关系。（4）研究生油层

普通粘土岩的铀、钍、钾含量都比较高。生油粘土岩有机物含量高，所以铀含量特别高，而钍和钾含量与普通粘土岩相同。该图表面：上部是富含有机物的生油岩；下部的一层显示为普通泥岩。上图表面：生油岩中的有机碳含量与铀钾比或铀含量呈简单的线性关

陆相沉积氧化环境，风化层，Th/U>7；海相沉积，氧化还原过度带，灰色或绿色页岩，2＜Th/U＜7

；海相还原环境，黑色页岩、磷酸盐岩，Th/U＜2。

自然伽马测井对识别沉积环境和确定岩相均有明显的优势，根据国内外的研究，一般认为：（5）研究沉积环境

Th/U通过盆地的剖面图，往往和盆地的地形剖面一致，边缘高而内部低，可反映沉积物源和推进方向。U，Th/U和粘土岩电阻率Rsh结合，可更有效地划分沉积环境，陆相沉积氧化环境，风化层，Th/U>7；海相沉积，氧判别主要沉积相的一般规则表沉积环境Ush,mg/L(Th/U)shRsh陆相河流相＜4＞7≥Rsh,c滨湖—分流河道＜4＞2Rsh,L-Rsh,c淡水湖泊＜4＞2≈Rsh,L半咸水湖泊＜4＞2Rsh,s-Rsh,L咸水湖泊＜4＞2≤Rsh,s海相滨海10~200.4~2≥Rsh,s浅海20~400.3~0.5Rsh,s-Rsh,L正常海20~28＜0.3~0.35≈Rsh,s

表中的Rsh,c表示河流环境粘土岩电阻率；Rsh,L表示淡水湖泊环境粘土岩电阻率；Rsh,s表示正常海相环境粘土岩电阻率。判别主要沉积相的一般规则表沉积环境Ush,mg/L(Th/U沉积环境判别图沉积环境判别图4.监测水淹层

水驱油过程中，水驱前沿往往会聚集高放射性物质，并可在水泥环和套管上富集而形成放射性积垢，使铀曲线幅度明显增高，铀曲线幅度增高的程度可定性划分水淹的等级。两条GR曲线相隔11年，之后测的自然伽马能谱总计数率明显升高，表明井眼附近放射性积垢，说明此井段已被水淹。高放射性井段是由管外窜槽水流造成的放射性积垢引起的。4.监测水淹层水驱油过程中，水驱前沿往往会聚集高放找钾盐5.寻找放射性矿物找铀矿实例找5.寻找放射性矿物找铀矿实例式中DEN—岩石密度，kg/m3；

CU，CTh，CK—铀、钍、钾的含量；

A—生热率，LW/m3

。

岩石生热率（或称热产率）是指单位岩石体积内放射性元素衰变所释出的热量，是地学研究的一个重要参数。通常，放射性热产量由K、U、Th的含量和岩石密度来确定，许多学者通过研究提出了岩石中U,Th,K的含量与生热率A的关系：6.计算岩石生热率式中DEN—岩石密度，kg/m3；岩石生热

①放射性矿物采矿、运输、尾矿堆放造成的环境污染；

②铀矿石加工提炼、转化、浓缩、元件制造等过程造成的环境污染；

③核电站废气、废水和固体废弃物及其存储地的监测；

④地下核试验环境监测；

⑤贫铀弹环境污染监测；

⑥注水开发油田水推进前沿镭的富集和出水层位放射性积垢的监测；

⑦核事故环境监测；

⑧示踪测井和井间监测施工后的环境监测。

7.监测环境污染

自然伽马和自然伽马能谱测井可用于监测放射性物质造成的环境污染，包括：①放射性矿物采矿、运输、尾矿堆放造成的环境污染；

散射伽马能谱测井散射伽马能谱测井：以伽马射线与地层的相互作用为基础的测井方法。补偿密度测井：只利用康普顿效应测定地层的密度；岩性密度测井：同时利用光电效应和康普顿效应，测定地层的岩性和密度；

散射伽马能谱测井中伽马射线源光子能量比较低，电子对效应可忽略不计，只需考虑光电效应和康普顿效应。散射伽马能谱测井散射伽马能谱测井：以伽马射线与地层的相互作用1.岩石的体积密度、电子密度指数和视密度式中Z—原子序数；

σc,e—电子的散射截面。（1）原子的康普顿散射截面和荷质比原子的康普顿散射截面：由一种原子组成的矿物散射线性衰减系数（宏观散射截面）为：式中N—

每立方厘米该种矿物的原子数，即原子数密度。一、矿物、岩石的康普顿散射线性衰减系数

1.岩石的体积密度、电子密度指数和视密度式中Z—原子序数为使用方便定义一个与它成正比的参数，即电子密度指数：式中NA—阿伏加德罗常数；

ρ—体积密度；

Z/A—荷质比。若用ne表示电子密度，即每立方厘米中的电子数，则有：为使用方便定义一个与它成正比的参数，即电子密度指数：式中N

下表列出