放射性测井之自然伽马测井

核物理基础知识1）原子的结构：原子核（质子+中子）+核外电子2）放射性核素

核素：原子核中具有相同数量的质子和中子并在同一能态上的同类原子（同类核素的原子核中质子数和中子数都相同）。

放射性核素：不稳定的核素（其结构和能量都会发生改变，衰变成其他核素，并放出射线）。

同位素：原子核中质子数相同而中子数不同，但具有相同的化学性质，在元素周期表中占有同一位置。放射性同位素：不稳定的同位素。放射性：不稳定核素原子核自发地释放、β、等射线一、核衰变及放射性1当前第1页\共有30页\编于星期三\5点3）核衰变核衰变：原子核自发地释放出一种带电粒子，并蜕变成另外某种原子核，同时放出伽马射线。核衰变常数λ：决定于该放射性核素本身的性质，其值越大衰变越快。一种元素经过放射变成另一种元素的过程称为衰变或蜕变。例如88Ra226→86Rn212+(粒子)衰变镭氡

(注：原子核的表示方法ZXAX元素符号，Z为质子数，A为质量数A=N+Z)4)放射性强（活）度一定量的放射性核素，在单位时间内发生衰变的核数。放射性强（活）度的单位，1居里(Ci)=3.7×1010次衰变/秒5）放射性射线的性质

α——2He4流，极易被吸收，电离本领强，在物质中穿透距离很小。

β——高速运动的电子流，在物质中穿透距离较短。

——频率很高的电磁波或光子流，不带电，能量高，穿透力强。2当前第2页\共有30页\编于星期三\5点6)衰变规律

对含有一大堆原子的放射性物质来说，其中某一个原子何时放射衰变完全是偶然的，无法预计的，但是对许多原子的整体来说，某一时刻平均有多少原子发生衰变是符合统计规律的。这一规律是：某一时刻的衰变率dN/dt(单位时间衰变的原子核数)与当时存在的原子核数N，二者成正比

即dN/dt=－N

为衰变系数(比例系数)，负号表示原子核数随时间的增长而减小。积分得到：N=Noe-t

No为最初参与衰变的原子核数(t=0时，N=No)N为衰变之中t时刻存在的原子核数3当前第3页\共有30页\编于星期三\5点7）半衰期T以最先参与衰变的原子核数No为基数，衰变成No/2时，经历时间为T，即：当N=No/2时所需的时间

No/2=Noe-T

得到T＝ln2/=0.693/

元素名称 半衰期

92U238

铀4.47×109年

K40钾1.28×109年

Co60

钴5.27年

Cs137铯30年

各种物质的衰变系数不同，所以半衰期不同，地质上可利用半衰期很长的元素来确定地层的地质年代。如：4当前第4页\共有30页\编于星期三\5点二、天然放射性的衰变性质

1、天然放射性的来历1）成系的(重元素:原子序数>81)

铀系92U238

82Pb206(铅)

钍系90Th232

82Pb208(铅)

锕系89Ac227

82Pb207(铅)

i)此三系通过、衰变，最后达到稳定的铅同位素82Pb206(铅)ii)在，衰变的过程中，放出、粒子，伴随放出射线。2）

不成系的(中等元素:原子序数30≤Z≤81)

主要是钾19K3919K4019K41

其中，19K40是不稳定的元素,它随时都可能放出射线5当前第5页\共有30页\编于星期三\5点2、天然放射性的衰变性质1)天然放射性衰变分为：衰变、衰变和

衰变衰变：放出射线的衰变。通式为：ZXA→

Z-2YA-4+(两个正电荷)例如：衰变92U238→

90Th234+衰变：放出射线的衰变。通式为：ZXA→

Z+1YA+(一个负电荷)例如：衰变90Th234

→

91Pa234+衰变：放出射线的衰变。射线通常是在、衰变的过程中伴随放出的。6当前第6页\共有30页\编于星期三\5点2)、和射线比较射线种类射线射线射线产生原因衰变放出衰变放出、衰变伴随放出实物氦(2He4)原子核流高速运动的电子流频率很高的电磁波波长3x10-11－10-9cm波速近似于光速带电性2He4带有两个质子两个正电荷每个粒子带有一个负电荷不带电能量4－10MeV1MeV0.05－5MeV穿透能力空气中2.6-11.5cm岩石中10－3cm空气中几十cm岩石中几cm空气中几百cm岩石中几十cm测井能否利用不能不能能7当前第7页\共有30页\编于星期三\5点三、岩石的天然放射性UThK射线8当前第8页\共有30页\编于星期三\5点1、火成岩的放射性几点规律：1)火成岩所含放射性零散而不均匀

2)酸性中性基性超基性

SiO2的含量大→小颜色浅→深放射性元素含量大→小

3)火成岩放射性元素主要是：钍(Th)钾(K)铀(U)镭(Ra)9当前第9页\共有30页\编于星期三\5点2、沉积岩的放射性几点规律：

1)沉积岩本身不含有放射性元素，其放射性元素来自火成岩。我们知道机械和化学力的综合侵蚀作用以及搬运产生了沉积岩，由于搬运和沉积的环境不同，使各种沉积岩的放射性元素的含量产生了差异。2)沉积岩的放射性强度取决于泥质含量(粘土含量)

原因：

a.粘土颗粒细，具有较大的比面（吸附放射性元素的能力强）

b.粘土颗粒细，沉积的时间长（有充分的时间与放射性元素接触）

c.粘土沉积物中有含钾矿物（如：水云母、正长石等)3)沉积物的颜色由浅→深，其放射性强度由小→大。

4)随钾含量的增大，放射性强度增大。

5)孔隙度和渗透率减小，放射性强度增大。10当前第10页\共有30页\编于星期三\5点3、变质岩的放射性变质岩的放射性取决于变质岩的源岩正变质岩：由火成岩变质而来副变质岩：由沉积岩变质而来例如某井：

正片麻岩副片麻岩角闪岩榴辉岩蛇纹岩大小自然伽马11当前第11页\共有30页\编于星期三\5点第一节自然伽马测井

GammaRayLoggingGR测井是以研究岩层天然放射性为基础，进而研究岩层性质和有关地质问题的一种测井方法12当前第12页\共有30页\编于星期三\5点一、自然伽马测井原理

GR测井仪工作原理13当前第13页\共有30页\编于星期三\5点一、自然伽马测井原理

1)射线探测器探测到地层的射线，并将射线变换成电脉冲信号(每一道射线变换成一个电脉冲信号)。2)此电脉冲信号送入井下的放大器进行放大。3)放大的脉冲信号送入地面的放大器进行放大（其原因是脉冲信号经电缆传输后会衰减)。4)由于脉冲信号中混合了一些干扰信号，需经过鉴别器进行鉴别，排除干扰。5)将一些畸变的脉冲信号送入整形器进行整形。6)归一后的波形送入计数电路记录单位时间内脉冲个数，最后得到自然伽马测井曲线。(单位：脉冲/分钟)14当前第14页\共有30页\编于星期三\5点砂泥岩剖面GR曲线GR(API)SSSNNSNSN15当前第15页\共有30页\编于星期三\5点探测半径：煤、金属矿钻孔直径：d≤20cm探测半径：R=25－45cm油气田钻孔直径:d≤

30cm探测半径：

R=30－50cmab段：探测器远离界面，直到探测器中点离界面的距离为R，探测器的探测范围内是低放射性物质。bcd段：探测器上移过界面，直到探测器中点离界面的距离为R。

1)随探测器上移，探测器探测范围内的高放射性物质逐渐增大，使曲线上升，直到探测器中点离底界面的距离为R时为止。

2)探测器中点位于界面时，探测范围内的高低放射性物质各占一半，所以此点为曲线的半幅值点。de段：探测器中点离底界面的距离为R时开始，直到探测器中点离顶界面的距离为R时为止。探测器的探测范围内是高放射性物质efg段：分析方法同bcd段。gh段:分析方法同ab段。

注：薄层用2/3幅值分层。二、自然伽马测井曲线分析16当前第16页\共有30页\编于星期三\5点1、刻度的意义和分级意义：为了使不同仪器，或者同一仪器在不同的时间，对同一的地层的测定结果能够作定量比较，必须进行仪器刻度。（就好比用不同的秤，或者同一秤在不同的时间对某一东西进行秤量，其结果应该一样，否则就应该对秤进行统一刻度)。刻度分级：一级刻度：国家级的统一的标准称为一级刻度（标准刻度井）。二级刻度：各制造厂和大的油田建立区域级的标准称为二级刻度

（刻度装置或刻度井）。三级刻度：一般现场使用的标准称为三级刻度（刻度器、刻度块）。要求：低级别的刻度装置必须用高一级刻度装置进行检查。三、自然伽马测井仪的刻度Calibration17当前第17页\共有30页\编于星期三\5点2、API标准刻度井休斯顿大学的API标准井高放射性

U12ppm

Th24ppm

K4%混凝土混凝土混凝土低放射性物质低放射性物质N高为高放射性混凝土中的读数；N低为低放射性混凝土中的读数AmericaPetroleumInstitute--API18当前第18页\共有30页\编于星期三\5点1、岩层厚度(1)h>6roh增大，幅值不再增大用半幅值点分层(2)h<6ro

h减小，幅值减小用2/3幅值点分层ro井眼半径井眼、邻层影响四、自然伽马测井曲线的影响因素

19当前第19页\共有30页\编于星期三\5点2、统计起伏(也称统计涨落)

1)现象泥岩的放射性含量是均匀的，但在同一岩层的各点读数不一样其读数在平均计数率n上下波动。经理论计算得到：绝对误差

2)产生的原因：衰变规律3)统计涨落的定义：在放射性源强不变，测量条件不变的情况下，在相等的时间间隔内，重复观测放射性强度，每次记录的数值不同，总是在某一数值(平均值)上下波动，这种现象称为放射性涨落。

为仪器时间常数20当前第20页\共有30页\编于星期三\5点3、井参数的影响自然伽马射线强度的吸收方程u为系数吸收，L为物质的厚度；Jo与J为伽马射线吸收前后的强度。与井参数有关的几种吸收系数物质钢水泥环泥浆清水空气u0.5cm-1二者之间0.1－0.2cm-1二者之间<0.1cm-121当前第21页\共有30页\编于星期三\5点五、自然伽马测井的应用1、划分岩性2、确定泥质含量3、划分煤层（煤层厚度、深度）4、其他（地层对比、沉积微相等）22当前第22页\共有30页\编于星期三\5点1、划分岩性1）砂泥岩剖面

粗砂岩中砂岩细砂岩泥岩

J

小→大

SP幅度大→小

Ra大→小

Vsh小→大2)膏盐剖面

钾岩泥岩砂岩及其它岩石岩盐、石膏

GR特高→高→中等→最低

3)碳酸盐岩剖面

泥岩泥质灰岩、泥质白云岩纯石灰岩、白云岩

GR

最高→中等→最低GR(API)23当前第2