第三章核测井

第三章核测井第一页，共八十页，2022年，8月28日

核测井(放射性测井)：以物质的原子核物理性质为基础的测井方法。它是根据岩石及其孔隙流体和井内介质(套管、泥浆等)的核物理性质来研究钻井地质剖面，寻找煤、石油等有用矿藏，研究油气田开发及油气井工程的测井方法。引言第二页，共八十页，2022年，8月28日放射性测井优点：它是唯一能够确定岩石及其孔隙流体化学元素含量的测井方法。既可以在裸眼井又可以在套管井中测量，而且不受井眼介质的影响。放射性测井缺点：成本高；测速低；需要一定的放射性防护措施。核测井适用条件：不仅适用于一般的泥浆井，而且也适用于油基泥浆井、高矿化度泥浆井、空气钻井(裸眼井、套管井)等，是一种适用范围较大的测井方法。引言第三页，共八十页，2022年，8月28日第一节自然伽马和伽马能谱测井自然伽马测井(GammaRay)和自然伽马能谱测井(NaturalGammaSpectrometry)均是以研究岩石的自然放射性为基础的放射性测井方法。第四页，共八十页，2022年，8月28日一、伽马测井的核物理基础(一)原子核的衰变及其放射性1.原子的结构原子：由原子核及其核外电子层组成的一种很微小的粒子，直径大约为10-8cm。原子核的直径大约为10-14～10-13cm，由中子和质子组成。质子就是氢原子核，带1个单位正电荷，中子是不带电的粒子，其质量几乎与质子相同，约为1个原子质量单位(U)，(质量数为12的碳元素的一个原子质量的1/12为一个原子质量单位)。第一节自然伽马和伽马能谱测井第五页，共八十页，2022年，8月28日第一节自然伽马和伽马能谱测井第六页，共八十页，2022年，8月28日原子呈中性：原子核中的质子数=核外电子数元素的原子序数(Z)：原子核中的质子数目；元素的质量数(A)：中质子数＋中子数；原子核：ZXA；X代表元素符号，右上角质量数A，左下角原子序数Z。例：6C12表示质量数为12的碳原子核。第一节自然伽马和伽马能谱测井第七页，共八十页，2022年，8月28日

元素：同类原子的统称；决定元素化学性质的是元素的原子序数，即原子核所含的质子数，与其质量数无关。也就是说：原子序数相同而质量数不同的各元素其化学性质是相同的，它们在周期表中占有同一位置。同位素：原子序数(原子核中质子数)相同而中子数不同的核素。例：氢的同位素：11H氕、12H氘、13H氚。2.同位素与放射性核素第一节自然伽马和伽马能谱测井第八页，共八十页，2022年，8月28日3.核衰变核衰变：放射性元素的原子核自发地释放出一种带电粒子(粒子或粒子)，蜕变成为另外某种原子核，同时放射出伽马()射线的过程。放射性：原子核能自发地释放出、、射线的性质。第一节自然伽马和伽马能谱测井第九页，共八十页，2022年，8月28日放射性核衰变的规律：放射性核数随着时间按指数递减的规律变化，且这种变化与任何作用(如温度、压力、电磁场等)无关，衰变速度唯一地取决于放射性元素本身。

若以N0和N分别表示任意放射性元素在时间t=0和t的个数，则放射性元素衰变规律可用下列关系式表示，其中为衰变系数。第一节自然伽马和伽马能谱测井第十页，共八十页，2022年，8月28日

半衰期：指放射性元素从t=0时的N0个原子开始，到有N0/2个原子核发生衰变所经历的时间，用T表示。第一节自然伽马和伽马能谱测井第十一页，共八十页，2022年，8月28日T和一样，不受任何外界的影响，而且是与时间无关的常量。放射性元素不同，其半衰期也不同，放射性元素的半衰期相差很大，有的短到若干分之一秒，而有的则长达几十亿年。第一节自然伽马和伽马能谱测井第十二页，共八十页，2022年，8月28日常见放射性核素半衰期放射性核素符号半衰期T钾19K401.3×109Y铯55Cs13733Y钡Ba13111.8d铟In113100min钴Co605.27Y第一节自然伽马和伽马能谱测井第十三页，共八十页，2022年，8月28日4.放射性活度与放射性比度

一定量的放射性核素，在单位时间内发生衰变的核素叫放射性活度或放射性强度。活度的单位为居里(Ci)：1Ci＝3.7×1010/S1Ci＝1000mCi＝1000000Ci另一单位：贝克勒尔Bq

1Bq＝1/S1Ci＝3.7×1010Bq第一节自然伽马和伽马能谱测井第十四页，共八十页，2022年，8月28日

放射性比度(比放射性、比活度、放射性浓度)是指放射性核素的放射性活度与其质量之比，其单位为Bq/g或Ci/g。纯镭的放射性比度为1Ci/g。第一节自然伽马和伽马能谱测井第十五页，共八十页，2022年，8月28日5.放射性射线的性质放射性物质通过衰变能够放出三种放射性射线，即：、、，它们具有不同的性质。射线：氦原子核流，2He4，带两个单位正电荷。质量大，易引起物质电离或激发而被物质吸收。射线电离本领最强，在物质中的穿透距离很小，在空气中约为2.5cm左右，在地层岩石中仅为10-3cm，因此，在井内根本探测不到射线。第一节自然伽马和伽马能谱测井第十六页，共八十页，2022年，8月28日射线：射线是高速运动的电子流，它在物质中的射程也比较短，能量为1Mev的射线在铅中的射程仅为1.48cm。射线：射线是频率非常高的电磁波(波长为3×10-11～10-9cm)或光子流，不带电荷，能量十分高，一般在几十万电子伏特以上，而且具有很强的穿透能力，能够穿透几十厘米的地层、套管及仪器外壳。第一节自然伽马和伽马能谱测井第十七页，共八十页，2022年，8月28日

通常情况下，、和射线是同时发生的，由于和射线的穿透能力弱，不能被测井仪器探测到，而射线的穿透能力强，在井下能够被探测和记录。

中性粒子射线不是由核衰变产生的，而是由特殊的中子源产生的，其特点是能量高、穿透力强。放射性测井探测器探测到的射线：中子射线和射线。第一节自然伽马和伽马能谱测井第十八页，共八十页，2022年，8月28日1、放射性强度单位1居里：单位时间内发生衰变的原子核数1居里=1克镭的源强=1克镭当量/克（每克物质的放射性强度单位相当于1克镭）=3.7*1010次/秒2、放射性剂量单位单位质量的物质被射线照射时所吸收的能量来度量射线强度为放射性剂量。用伦琴表示。而测井用的单位是微伦琴/小时.单位时间内的射线剂量为剂量率二、常用GR强度单位第十九页，共八十页，2022年，8月28日3、条件单位三、核衰变的统计涨落测井时记录的是单位时间的脉冲数，不同的仪器记录数不同，为了统一单位和比较，必须使仪器在统一标准下刻度，采取相同的单位微伦琴/小时API第一节自然伽马和伽马能谱测井同一放射性元素在相同的时间间隔内，衰变次数不完全相同，总是围绕一平均值上下起伏。统计涨落是由核衰变本身的特性所决定的，与环境和人的因素。第二十页，共八十页，2022年，8月28日核射线探测器---闪烁记数管它由光电倍增管和碘化钠晶体组成。它是利用被伽玛射线激发的物质的发光现象来探测射线的。伽玛射线碘化钠晶体光电倍增管电子数逐级倍增大量电子最后到达阳极使阳极电压瞬时下降产生电压负脉冲，输入测量线路予以记录用单位时间记录的脉冲数来反映伽玛射线的强度第二十一页，共八十页，2022年，8月28日GR测量的是岩层的自然放射性强度(不用任何放射性源）(一)岩石的自然放射性岩石中主要的放射性元素：92U238

90Th232

19K40三、自然伽马测井(GR)Gamma-RayLog岩石的自然放射性强度主要主要取决于其三者的比例，其含量与岩性、形成过程中的物理化学条件有关，因此，岩性不同，GR不同.

火成岩>变质岩>沉积岩第二十二页，共八十页，2022年，8月28日沉积岩骨架不含重矿物，除钾岩外，其他岩石本身基本上不含放射性，但在形成过程中会多少地吸附些放射性元素。强度最低的：硬石膏、石膏、不含钾的盐岩强度低的：砂岩、灰岩、白云岩强度较高的：浅海相和陆相沉积的泥岩、泥灰岩、钙质岩、泥质砂岩等强度高的：钾岩、深水泥岩、页岩强度最高的：放射性软泥、彭土灰除了钾岩及骨架含放射性元素的岩石外，岩石的GR强度随岩石颗粒变细而增加的。通常情况下：地层的GR主要取决与泥质含量。(一)岩石的自然放射性第二十三页，共八十页，2022年，8月28日(二)GR测井的基本原理射线泥浆仪器外壳进入探测器成比例的连续电位差并记录成GR穿过至经传输至地面仪处理与单位时间脉冲数仪器泥浆地面仪射线电缆处理成GR单位：脉冲/分钟微伦琴/小时API第二十四页，共八十页，2022年，8月28日(三)GR曲线特征(均匀理想模型地层点测)GR(API)当上下围岩相同时，曲线基本与地层中部对称，低放射性地层对应GR低，高放射性地层对应GR高h>3d曲线幅度不受岩层厚度的影响h<3d曲线的最大或最小受岩层厚度的影响第二十五页，共八十页，2022年，8月28日(四)影响因素1、岩层厚度的影响岩层厚度增加或减小，GR曲线减小或增大。实际中并非单一岩层、V测不等于零测井时就会受到许多因素的影响。第二十六页，共八十页，2022年，8月28日2、井参数影响d增加裸眼井对GR吸收增加，但泥浆中所含一定的放射性补偿了一部分，影响小套管井：水泥环厚度增加---GR降低，钢对GR也要产生吸收第二十七页，共八十页，2022年，8月28日3、统计涨落误差由于涨落误差的存在，实测的GR曲线出现许多“小锯齿”第二十八页，共八十页，2022年，8月28日4、测井速度当h一定：GR受V测和时间常数的影响t=h/vv增加，t<时间常数，探测器无法全部探测到地层发出的GR，导致GR下降，还会使其发生崎变，深度错位V增加V合适GR（API）滞后现象第二十九页，共八十页，2022年，8月28日五、GR曲线的解释应用1.划分岩层砂泥岩剖面(骨架不含放射性矿物)泥岩砂岩泥岩砂岩GR碳酸盐岩剖面相同第三十页，共八十页，2022年，8月28日用自然伽马判断泥质含量高低层段第三十一页，共八十页，2022年，8月28日2.确定地层的泥质含量当泥质含量低时：当泥质含量高时：gcur=2(老地层）gcur=3.7(新地层）不含放射性矿物的地层，GR主要取决于地层的泥质含量。第三十二页，共八十页，2022年，8月28日3.进行地层对比用GR曲线进行对比的优点：与岩石孔隙中的流体性质（油或水）无关与地层水和泥浆矿化度无关在GR曲线上容易找到标准层第三十三页，共八十页，2022年，8月28日多井剖面对比图用GR曲线进行地层对比第三十四页，共八十页，2022年，8月28日NaturalGamma-RaySpectro-log(一）铀、钍、钾的伽马射线的特征谱不同的放射性元素放出的伽马射线的能量不同、经过统计分析：钾系的特征谱：1.46Mev钍系的特征谱：2.62Mev铀系的特征谱：1.76Mev在特征能量峰处的伽马射线的强度最大。四、自然伽马能谱测井（NGS）第三十五页，共八十页，2022年，8月28日铀、钍、钾放射的伽马射线能谱图第三十六页，共八十页，2022年，8月28日(二）NGS的测井原理W1：0.15-0.5MevW3:1.32-1.575Mev（钾窗）W4:1.65-2.39Mev（铀窗）W5:2.475-2.765Mev（钍窗）低能窗高能窗核心部分是：多道分析器。能够测量分析伽马射线的能谱将能谱分为五个能级窗两个低能窗、三个高能窗。第三十七页，共八十页，2022年，8月28日W1=A1Th+B1U+C1K+1W2=A2Th+B2U+C2K+2W3=A3Th+B3U+C3K+3W4=A4Th+B4U+C4K+4W5=A5Th+B5U+C5K+5(二）NGS的测井原理

式中：Wi为第i个能量窗的计数率AiBiCi用刻度井得到的第I能量窗的刻度系数；：统计因子；Th、U、K：表示钍、铀、钾的含量。由于各个窗的记数率并不仅反映对应元素的含量，因此还需要剥谱，对能量窗均综合考虑三种元素的贡献，即得到一组方程：第三十八页，共八十页，2022年，8月28日输出的测井曲线：SGR（GR总计数率）THOR钍含量URAN铀含量POTA钾含量第三十九页，共八十页，2022年，8月28日(三)NGS曲线应用1.确定泥质含量研究发现：泥质含量与钍和钾的含量成线性关系X=Th,k含钾的岩石（云母、长石）不能用该公式计算泥质含量第四十页，共八十页，2022年，8月28日2.研究生油层研究发现：岩石中的有机物对铀的富集起着重要作用。有机碳含量与U/K存在线性关系。U、U/K越高，生油能力越强有机碳含量U、U/K计数率比(三)NGS曲线应用第四十一页，共八十页，2022年，8月28日3.寻找放射性异常储集层特点：SGR高、铀或者钾含量高原因岩层中含有放射性矿物、云母、长石4.鉴别泥岩储集层曲线特点K、TU含量低，而铀含量高(三)NGS曲线应用富含有机物的高放射性黑色页结，在局部地段有裂缝、燧石、粉砂或灰岩夹层，可能成为产油层。第四十二页，共八十页，2022年，8月28日5.用TH/U比值研究沉积环境TH/U>7陆相沉积、氧化环境、风化层TH/U<7

海相沉积、灰色、绿色页岩TH/U<2海相黑色页岩、磷酸盐岩(三)NGS曲线应用第四十三页，共八十页，2022年，8月28日第四十四页，共八十页，2022年，8月28日含量矿物名称U(mg/l)Th(mg/l)K(%)膨润土1206500.5蒙脱石2514240.16高岭石1.536190.42伊利石1.5

4.5铝土矿33010130

黑云母

0.016.78.3白云母

0.017.99.8海绿石

5.085.3绿泥石

0.056.确定粘土矿物类型各种粘土矿物由于各自的地质成因及地球化学性质的不同，铀(U)、钍(Th)、钾(K)的含量也各不相同(见表)。一般来讲，在绝大多数粘土矿物中，钾和钍的含量高，而铀的含量相对较低。因此，根据钍、钾含量的比值，可以大致确定粘土矿物的类型。

(三)NGS曲线应用第四十五页，共八十页，2022年，8月28日本节的重点岩石的自然放射性GR曲线的应用及影响因素NGS曲线的应用与GR曲线间的关系核衰变、核射线、放射性强度单位第四十六页，共八十页，2022年，8月28日第二节散射伽玛测井——地层密度测井FormationDensityLog第三章核测井第四十七页，共八十页，2022年，8月28日一、伽马射线与物质的相互作用射线的能量<30Mev,则与物质相互作用的三种形式：电子对效应：(>1.02Mev)+e-e原子核核外电子康普顿效应：(0.2>E>1.02Mev)e散射的射线E1射线第四十八页，共八十页，2022年，8月28日光电效应：(0.2Mev>E)光电子射线一、伽马射线与物质的相互作用第四十九页，共八十页，2022年，8月28日二、伽马射线的吸收吸收：射线粒子的消失吸收系数：单位长度的物质对射线的吸收概率。电子对t康普顿光电效应研究表明，射线强度衰减遵循指数衰减规律

第五十页，共八十页，2022年，8月28日三、密度测井的原理(FDL)1.电子密度的定义（e）单位体积中岩石的电子数Z:原子序数A：质量数N0：阿伏加德罗常数第五十一页，共八十页，2022年，8月28日2.FDL测井的原理每个电子的康普顿吸收系数：e物质的康普顿吸收系数：=e*e(0.2>E>1.02Mev）：≌由此可求出地层密度值3.FDL的下井仪1个放射性源探测器贴井壁测量第五十二页，共八十页，2022年，8月28日4.FDL存在的问题泥饼的影响不规则井眼贴井壁不好地层密度值的影响大提出了：FDC：COMPENSATEFORMAIONDENSITYLOG三、密度测井的原理(FDL)第五十三页，共八十页，2022年，8月28日四、补偿密度测井的原理（FDC）利用长短源距的测量结果来计算有泥饼影响条件下被测岩石的真实密度值。1个放射性源两个探测器贴井壁测量计算公式：XL、XS权系数与装置、源距、泥饼参数、岩石参数有关’mc与hmc、mc有关第五十四页，共八十页，2022年，8月28日g/cm3影响因数：井径、极板曲率>10英寸不能很好贴井壁，受泥饼影响大、下井仪输出的测井曲线：密度值曲线与密度差值曲线四、补偿密度测井的原理（FDC）第五十五页，共八十页，2022年，8月28日五、密度测井曲线的应用1.划分岩层G/cm3孔隙度增加---密度下降密度值不能准确反映岩性2.求岩层孔隙度适用条件：纯岩层砂岩=2.65灰岩=2.71白云岩=2.87盐岩=2.17硬石膏=2.97淡水泥浆=1盐水泥浆=1.1克/立方厘米第五十六页，共八十页，2022年，8月28日第五十七页，共八十页，2022年，8月28日例题：淡水泥浆井中，一纯砂岩层的密度=2.4025克/立方厘米，求该岩层的孔隙度解：淡水泥浆的密度=1g/cm3代入公式：孔隙度=（2.4025-2.65）/（1.0-2.65）=15%第五十八页，共八十页，2022年，8月28日含泥质岩层岩石有多种矿物构成：3.密度与中子曲线重叠确定岩性、判别气层4.密度－中子交会图法确定岩性孔隙度岩石的骨架成分第五十九页，共八十页，2022年，8月28日CNLDENCNL－DEN交会图第六十页，共八十页，2022年，8月28日第三节中子测井NeutronLog第三章核测井第六十一页，共八十页，2022年，8月28日

中子源：它由轰击粒子和靶组成(氚为靶、氘为轰击离子），中子源可分为同位素和脉冲中子源。同位素中子源(核衰变产生轰击离子，然后，轰击其它元素产生中子)人不可控制；脉冲中子源(用氘轰击氚产生中子)人可控制。一、中子和中子源第六十二页，共八十页，2022年，8月28日放出伽马射线（次生伽马射线）基态原子核快n碰撞激发态原子核（获得内能）变成n’碰撞后的中子二、中子和物质的相互作用1.快中子非弹性散射阶段第六十三页，共八十页，2022年，8月28日2.弹性散射阶段快nn’能量降低激发态原子核（获得动能）基态原子核该过程的能量是守恒的每次弹性碰撞的平均能量损失：E=2A·En/(1+A)2A越小-E大，A越大-E小，元素周期表中，H的A最小，物质含H多，弹性散射时间短，减速能力强。第六十四页，共八十页，2022年，8月28日3.热中子扩散阶段热n激发态原子核（获得内能）原子核放出伽马射线（次生伽马射线）回至第六十五页，共八十页，2022年，8月28日三、描述中子与物质相互作用各阶段的物理量1.减速长度

H最短（减速能力最强）。从快中子变至热中子的这段时间为弹性散射时间。物质的减速能力决定了减速长度，物质减速能力的大小用减速长度来表示。第六十六页，共八十页，2022年，8月28日岩层的减速长度取决于各元素的减速长度，所有元素中氢的减速能力最强，含H越多减速长度越短。地层含H，减速长度取决于含H量。物质减速长度（cm)水砂+22%水干石英砂7.717.055.01.减速长度第六十七页，共八十页，2022年，8月28日扩散长度：描述热中子扩散阶段长短。热中子扩散阶段的长短与物质所含原子核的俘获能力有关。宏观俘获截面：单位体积的地层对热中子的俘获概率。（描述地层对热中子的俘获能力）

沉积岩中氯元素的最大，地层含氯，地层的取决于含氯量。地层不含氯和其它较高的元素，H的相对较高，地层的在一定程度上反映H量。2.扩散长度3.宏观俘获截面第六十八页，共八十页，2022年，8月28日四、超热中子测井(SidewallNeutronPorsityLog)(一)超热中子测井的基本原理(贴井壁测量)1.孔隙度与减速长度间的关系由于中子源出来的中子在地层中运动、与地层中的原子核发生弹性碰撞，能量损失，速度降低，成为超热中子，减速长度取决于元素的种类和含量。同----不同元素组成不同岩性的岩层------减速长度不同中100%含水--------地层的减速能力-----减速长度第六十九页，共八十页，2022年，8月28日2.超热中子的空间分布F不同、岩性不同----超热中子在中子源周围的分布不同。F----含H----LS------超热中子在源附近分布------L源小，计数率高L源大，计数率低第七十页，共八十页，2022年，8月28日F----含H----LS------超热中子在离源较远地方分布------L源小，计数率低L源大，计数率高