7-第七章-自然伽马测井

自然伽马测井

GammaraylogorNaturalgammaraylog西安石油大学地球科学与工程学院赵军龙学习参考书1.赵军龙.测井方法原理[M].西安:陕西人民教育出版社.20112.丁次乾.矿场地球物理[M].东营,中国石油大学出版社,19963.<<测井学>>编写组.测井学[M].北京,石油工业出版社,19984.李舟波.地球物理测井数据处理与综合解释[M].长春,吉林大学出版社,20035.洪有密.测井原理与综合解释[M].东营,中国石油大学出版社,2007自然伽马测井学习内容第一节自然伽马测井的核物理基础第二节自然伽马测井基本原理第三节自然伽马测井曲线特征及影响因素第四节自然伽马测井的地质应用自然伽马测井学习内容第一节自然伽马测井的核物理基础第二节自然伽马测井基本原理第三节自然伽马测井曲线特征及影响因素第四节自然伽马测井的地质应用自然伽马测井（1）原子的结构

矿物、岩石、石油和地层水都是由分子组成，分子又由原子组成，原子的中心是原子核，离原子核较远处的核外电子，按一定的轨道绕核运动，它是一种很微小的粒子，直径约为8-10cm。

原子：原子核[质子(带一个单位正电荷)+中子(不带电)]+核外电子(带一个单位负电荷)

一般地，原子是中性的，所以原子核中的质子数等于核外电子层的电子数，这个数值叫做元素的原子序数，通常用Z表示，它决定了原子的化学性质和在元素周期表中的位置。原子核内质子和中子的总数叫做元素的质量数，通常用A表示。1、核衰变及其放射性

（2）同位素和放射性元素

我们把原子核中质子数相同而中子数不同的元素，称为同位素。它们在元素周期表中占有同一位置，具有相同的化学性质，但有不同的原子量，因而具有不同的物理性质，如1H1、1H2、1H3是氢的同位素，铀92U235、92U234和92U238是铀的同位素等等。在自然界中，有些同位素是稳定的，即它们的结构和能量不会发生改变。而有些同位素则是不稳定的，能自发地改变其结构，放射出射线并变成其它元素。这种不稳定的同位素称为放射性同位素。1、核衰变及其放射性

（3）核衰变

放射性同位素通过放射出射线而从不稳定到稳定的过渡称为核衰变。这种衰变有两种形式:

一种是从原子核中放出α粒子(2He4)，叫做α衰变；一种是从原子核中放出β粒子(-1e0)，称为β衰变。不稳定同位素在向稳定转化(衰变)的过程中，原子核中多余的能量将以高能电磁波的形式辐射出去，它就是γ射线，所以γ射线是放射性同位素发生衰变使原子核内部能量发生改变时的伴随产物。1、核衰变及其放射性

（4）核衰变规律

任何放射性元素从不稳定到稳定的衰变过程，遵循着一个总的趋势，即随时间呈指数规律递减。而且这种变化与任何外界作用无关，如温度、压力和电场、磁场等都不能影响放射性衰变的速度，这一速度唯一地取决于放射性元素本身的性质。1、核衰变及其放射性一种放射性物质的放射性强弱，是以单位时间内发生衰变的原子核的数目来量度，称为放射性强度，用符号J表示。式中：J0—物质的初始放射性强度。

放射性强度的单位是居里（Ci），其定义是：1Ci=3.7×l010/s，即每秒钟有3.7×l010次核衰变。

其导出单位是毫居里和微居里：

1mCi=3.7×l07/s,1μCi=3.7×l04/s。

1975年国际计量大会规定放射性强度的单位为“贝可勒尔”，符号为Bq。1、核衰变及其放射性

（5）放射性射线的性质

放射性物质能放出α射线，β射线和γ射线。它们各具如下性质：

α射线(2He4)：是一种带正电荷的粒子流，带有两个单位的正电荷，相当于一个氢原子核。

β射线(-1e0)：是一种带负电荷的高速运动的粒子流，相当于一个电子，带一个单位的负电荷。

γ射线：γ射线是频率很高的电磁场或光子流，不带电荷，能量很高，一般多在几十万电子伏特以上，并有很强的穿透能力。1、核衰变及其放射性

（5）放射性射线的性质

这三种射线中，

①电离能力：α射线的电离本领最强，γ射线最弱；

②穿透能力：γ射线最强，它在空气中的射程可达几百米，在沉积岩石中的平均穿透深度约为30cm；而α射线在岩石中的穿透距离仅约10-3厘米；β射线在金属中仅能穿透0.9厘米。

来自井下岩石的放射性射线中，γ射线才是唯一可探测到的。1、核衰变及其放射性图中对于每一种岩石都有一定自然伽马射线强度的变化范围，并用横线的纵向宽度来表示出现这一放射性强度的频率。2、沉积岩的自然放射性

API是美国石油学会（AmericaPetroleumInstitute）的缩写，API单位是该学会规定的自然伽马测井标准单位，并已在许多国家广泛应用。这一单位是将自然伽马测井仪器放在标准的刻度井中进行标定得出的。

标定时，规定刻度井中最高和最低放射性地层自然伽马读数之差为200个API单位。于是，其它地层即可按它的实际读数得出相应的API数。最高读数最低读数最高读数和最低读数相差约为200API2、沉积岩的自然放射性沉积岩的自然放射性，大体可分为高、中、低三种类型。

①高自然放射性的岩石：包括泥质砂岩、砂质泥岩、泥岩、深海沉积的泥岩，以及钾盐层等，其自然伽马测井读数约100API以上。特别是深海泥岩和钾盐层，自然伽马测井读数在所述沉积岩中是最高的。

②中等自然放射性的岩石，包括砂岩、石灰岩和白云岩。其自然伽马测井读数介于50—100API之间。

③低自然放射性的岩石：包括岩盐、煤层和硬石膏。自然伽马读数约50API以下。其中硬石膏最低，10API以下。2、沉积岩的自然放射性

根据实验和统计，沉积岩的自然放射性强度一般有以下变化规律：

①随泥质含量的增加而增加；②随有机物含量的增加而增加，如沥青质泥岩的放射性很高。在还原条件下，六价铀能被还原成四价铀，从溶液中分离出来而沉淀在地层中，且有机物容易吸附含铀和钍的放射性物质；③随着钾盐和某些放射性矿物的增加而增加。

可见，除特殊的放射性矿物如钾盐层以外，油气田中常遇到的沉积岩的自然放射性强弱与岩石中含泥质的多少有密切的关系。2、沉积岩的自然放射性

岩石含泥质越多，自然放射性就越强。这是因为：

①构成泥质的粘土颗粒较细，有较大的比表面积，在沉积过程中能够吸附较多的溶液中放射性元素的离子。

②泥质颗粒沉积时间长(特别是深海沉积)，有充分的时间同放射性元素接触和进行离子交换，所以，泥质岩石就具有较强的自然放射性。这也成为我们利用自然伽马测井曲线区分岩石性质、进行地层对比，以及定量估计岩石中泥质含量的依据。比表面积：比表面积是指单位质量物料所具有的总面积。分外表面积、内表面积两类。国标单位㎡/g。固体有一定的几何外形，借通常的仪器和计算可求得其表面积。但粉末或多孔性物质表面积的测定较困难，它们不仅具有不规则的外表面，还有复杂的内表面。通常称1g固体所占有的总表面积为该物质的比表面积S(specificsurfacearea，㎡/g)。2、沉积岩的自然放射性

目前使用较为普遍的伽马射线探测器主要是闪烁计数器。它主要由NaI萤光晶体和光电倍增管组成。其工作原理是，伽马射线射到萤光体(如碘化钠晶体)上，从其原子中打出电子，并在该电子的激发下发出闪光。光电倍增管将闪光转变为电脉冲，电脉冲的数量与进入萤光体的伽马射线成正比，这就是闪烁计数器的基本工作原理。3、伽马射线的探测学习内容第一节自然伽马测井的核物理基础第二节自然伽马测井基本原理第三节自然伽马测井曲线特征及影响因素第四节自然伽马测井的地质应用自然伽马测井优点：（1）裸眼井和套管井中均可以进行;

（2）油基泥浆、高矿化度以及干井中均可以进行;

（3）碳酸盐岩剖面和水化学沉积剖面不可缺少。缺点：（1）测速慢，成本高。（2）如果岩石本身组成中含放射性物质，如含火山碎屑等，则无法正确判断泥质含量。如哈密地区，那么VSH判定需从其分资料中求取。1、自然伽马测井方法特点进行自然伽马测井的简单原理如图所示。井下仪器主要包括：伽马射线探测器(将接收到的伽马射线转换成电脉冲的装置)、供给该探测器所需的高压电源，以及将探测器输出的电脉冲进行放大的放大器等。

地面仪器主要包括：将来自井下的一连串电脉冲转换成连续电流的一整套电路，以及记录仪和电源等。自然伽马测井原理简图γ射线NaI晶体光电倍增管计数器高压电路调制发送至地面2、自然伽马测井基本原理

利用这套装置进行自然伽马测量的简单过程是：当井下仪器在井内由下向上提升时，来自岩层的自然伽马射线穿过井内泥浆和仪器外壳进入探测器。探测器将接收到的一连串伽马射线转换成一个个的电脉冲，然后经井下放大器加以放大，由电缆送到地面仪器，地面仪器把每分钟接收到的电脉冲数（计数率）转变为与其成比例的电位差进行记录。GR2、自然伽马测井基本原理井下仪器在井内自下而上移动测量，就连续记录出井剖面的自然伽马强度曲线，通常记为GR，以记数率（脉冲/分钟）或API刻度。右图就是某井（砂泥岩剖面）一段自然伽马测井实测曲线。某井段GR、SP和AC曲线2、自然伽马测井基本原理学习内容第一节自然伽马测井的核物理基础第二节自然伽马测井基本原理第三节自然伽马测井曲线特征及影响因素第四节自然伽马测井的地质应用自然伽马测井地层岩石放射出的自然γ射线，在穿过地层时会逐渐被岩石所吸收，因此，由距离探测器较远的岩石放射出的γ射线，在到达探测器之前已被岩石所吸收，所以自然γ测井曲线记录下来的主要是仪器附近，以探测器中心为球心，半径为30-45cm范围内岩石放射出来的γ射线。这个范围就是自然γ测井的探测范围。用这个“探测范围”的概念，容易理解自然γ测井曲线形状及其特点。GR的探测范围1、探测范围①中心对称（上下围岩放射性相同），中心出现极大值。

②h＜3d0(井径)，曲线极大值随h增加而增加，h≥3d0，极大值=const,与强度大小成正比，与厚度无关。

③h≥3d0半幅点定界面，h＜3d0，厚度＞真实厚度。2、曲线特征

①放射性涨落影响-实测曲线呈锯齿状

由于地层中放射性元素的衰变是随机的，因此，在一定时间间隔内衰变的原子核数，亦即放射出的伽马射线数不可能完全相同。但从统计的角度来看，它基本上围绕着一个平均值在一定的范围内波动。这就是通常所说的统计起伏，或放射性涨落。放射性涨落现象的存在，使得采用同样的测井速度，在同一地层不同时间测得的自然伽马读数并不一致。表现在测井曲线上，即呈锯齿状的变化。GR3、影响因素三个影响因素

②曲线有深度位移自然伽马测井记录的是单位时间内探测到的γ射线强度，而实际测井时仪器在不断地连续移动，这样实测曲线与理论曲线就有一些差别。只有当测井速度很小时，测的曲线形状才与理论曲线相似，当测井速度增加时，曲线形状发生沿仪器移动方向移动的畸变。

造成畸变的原因是：井下仪器具有一定的提升速度，地面仪器有一定的时间常数这两种因素决定的（Vτ）。

3、影响因素②曲线有深度位移

Vτ的影响使GR曲线发生畸变，主要表现在幅度值GRmax下降，且GRmax位置不在地层中心而向上偏移，视厚度增大，半幅点上移。同时造成半幅点划分地层界面与实际地层界面有一偏差，而且前者比后者浅。偏差的大小与Vτ成正比。为了尽可能减小这种影响，在实际测井工作中应通过试验选择合适的提升速度和时间常数。同时，在整理资料时，需通过同其它曲线的对比，将整个曲线下移一定深度。3、影响因素自然伽马测井曲线的幅度不仅与地层的放射性有关，而且还受井眼条件(井径、泥浆比重、套管、水泥环等参数)的影响。

泥浆、套管、水泥环吸收伽马射线，所以这些物质会使自然伽马测井值降低。一层套管时的自然伽马测井值大约是没有套管的自然伽马测井曲线值的75％。如有多层套管则自然伽马值将明显下降。在做定性解释时，如果井内泥浆稳定，则整个曲线的相对趋势反映地层性质，可不做校正。在大井眼和套管井中，定量解释自然伽马资料时，要做出校正图版，进行必要的校正。③井的参数对自然伽马测井曲线的影响

3、影响因素学习内容第一节自然伽马测井的核物理基础第二节自然伽马测井基本原理第三节自然伽马测井曲线特征及影响因素第四节自然伽马测井的地质应用自然伽马测井利用自然伽马测井曲线划分岩性，主要是根据岩层中泥质含量不同进行的，由于各地区岩石成分不一样，因此在利用自然伽马测井曲线划分岩层时，要了解该地区的地质剖面岩性的特点。

下面是用自然伽马测井曲线划分岩性的一般规律。1、划分岩性，确定渗透层应用有4点①在砂泥岩剖面中

A、纯砂岩在自然伽马曲线上显示出最低值；

B、泥岩显示最高值；

C、粉砂岩、泥质砂岩介于二者之间，并随着岩层中泥质含量增加曲线幅度增大。1、划分岩性，确定渗透层②在碳酸盐岩剖面中

A、粘土岩(泥岩、页岩)的自然伽马显示最高值；

B、纯的石灰岩、白云岩的自然伽马值最低；

C、泥灰岩、泥质石灰岩、泥质白云岩的自然伽马测井曲线值介于两者之间，且幅值随泥质含量的增加而增大。

1、划分岩性，确定渗透层用自然伽马测井曲线在膏盐剖面中可以划分岩性并划分出砂岩储集层。这种剖面中：

A、岩盐、石膏层的曲线值最低，泥岩最高；

B、砂岩介于上述二者之间。曲线读数较高的砂岩层的泥质含量较多，是储集性较差的砂岩，而曲线读数较低的砂岩层则是较好的储集层。③在膏盐剖面中1、划分岩性，确定渗透层

运用自然伽马测井曲线进行地层对比的优点：

①与岩石流体性质无关（油、水、地层矿化度等）；②与泥浆性质无关（盐、水泥浆）；③在自然伽马测井曲线上容易找到标淮层，如海相沉积的泥岩，在很大区域内显示明显的高幅度值。④在油水过渡带内进行地层对比时，就显示出自然伽马测井曲线的优点了。因为在这样的地区同一地层不同井内，孔隙中所含流体性质(油、气、水)是不同的，这就使视电阻率、自然电位和中子伽马测井曲线变化而造成对比上的困难。而自然伽马测井曲线不受流体性质变化的影响，所以在油水过渡带进行地层对比时，使用自然伽马测井曲线效果较好。2、进行地层对比⑤在膏盐剖面地区，由于视电阻率和自然电位测井曲线显示不好，进行地层对比用自然伽马测井曲线更为必要。2、进行地层对比由于泥质颗粒细小，具有较大的比面，使它对放射性物质有较大的吸附能力，并且沉积时间长，有充分时间与溶液中的放射性物质一起沉积下来，所以泥质(粘土)具有很高的放射性。

在不含放射性矿物的情况下，泥质含量的多少就决定了沉积岩石的放射性强弱。所以有可能利用自然伽马测井资料来估算泥质含量，通常采用相对值法确定地层泥质含量。3、确定岩石的泥质含量地层中的泥质含量与自然伽马读数GR的关系往往是通过实验确定的。

△GR=(GR-GRmin)/(GRmax-GRmin)Vsh=(2c·△GR-1)/(2c-1)其中：老地层C=2；新地层C=3.7～4.03、确定岩石的泥质含量C0、C1为经验常数。C0为所选取的GRmin的相应层段的平均粒度中值（Md0）的对数值。4、确定岩石的粒度中值，作沉积环境分析1．简述自然伽马测井曲线特征。2．简述统计起伏的概念。3．简述自然伽马测井资料的地质应用。4．通常如何用自然伽马测井计算地层泥质含量？自然伽马测井作业学习内容第一节自然伽马测井的核物理基础第二节自然伽马测井基本原理第三节自然伽马测井曲线特征及影响因素第四节自然伽马测井的地质应用补充内容：自然伽马能谱测井放射性同位素测井自然伽马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。在此基础上，发展起来的自然伽马能谱测井(NGS)，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。自然伽马能谱测井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出的γ射线能谱不同，测定地层中铀、钍、钾含量的一种测井方法。(1)自然伽马能谱

K40只有能量为1.46MeV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1.3MeV以下。钍系在2.62MeV处有一明显峰值，可作为钍系的特征谱；铀系在1.76MeV处也出现一个峰值，作为铀系的特征谱。0.51.46MeV2.62MeV1.76MeV1、自然伽马能谱测井原理(2)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，使用NaI闪烁计数器，将入射的伽马射线能量的大小以脉冲的幅度大小输出，不同之处是地面仪器部分，其测量原理如图。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)W4:1.65-2.390MeV(含铀特征谱1.76铀窗)W5:2.475-2.765MeV(含钍特征谱2.62钍窗)1、自然伽马能谱测井原理(2)测井原理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铀、钍γ射线的成分，U窗中亦含有少量Th的成分，Th窗中又含有少量U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。

所谓解谱就是对各能窗均综合考虑三种元素贡献，列出方程组求解。解线性方程组的仪器装置叫解谱仪。从解谱仪输出信号送至照像记录设备进行记录。最后输出四个量：自然伽马总计数率(SGR)，钍含量(THOR)、铀含量(URAN)、钾含量(POTA)。谱特征有包含情形1、自然伽马能谱测井原理曲线特征同自然伽马测井曲线特征

2、自然伽马能谱测井曲线特征

⑴研究生油层

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，可在纵向和横向上，追踪生油层和评价生油层生油能力。

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在。虽然这种亲和力机理还在研究中。但这种亲和力使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，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高于非源岩，并且这种增加是铀引起的。3、自然伽马能谱测井资料应用富含有机质生油层页岩⑵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，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，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,定量计算公式形式:△GR=(GR-GRmin)/(GRmax-GRmin)

Vsh=(2c·△GR-1)/(2c-1)

其中老地层C=2,新地层C=3.7—43、自然伽马能谱测井资料应用⑶用Th/U比值研究沉积环境

统计表明：陆相沉积、氧化环境、风化层，Th／U＞7；海相沉积、灰色或绿色页岩，Th／U＜7；海相黑色页岩、磷酸盐岩，Th／U＜2。用Th/U、U/K和Th／K比值还可研究许多其它地质问题，如从化学沉积物到碎屑沉积物Th／U比增加，随着沉积物成熟度增加，Th/K比增大。用Th/U、U/K和Th／K比值还可以识别粘土矿物。3、自然伽马能谱测井资料应用1．简述自然伽马能谱测井原理。2．简述谱解析的概念。3．简述自然伽马能谱测井资料的地质应用。4．简述放射性同位素测井的测量原理。自然伽马测井作业放射性同位素测井放射性同位素测井

Radioactiveisotopelog西安石油大学地球科学与工程学院赵军龙

放射性同位素测井是利用放射性同位素做为示踪剂，向井内注入被放射性同位素活化的溶液或固体悬浮物质的溶液，并将其压入管外通道、或进入地层或滤积在射孔孔道附近的地层表面上，通过测量注入示踪剂前后同一井段的伽马射线强度来研究和观察油井技术状况和采油注水动态的测井方法，从而解决与示踪过程有关的各种问题。所以这种测井方法又被称为放射性示踪测井，其测量系统与自然伽马测井相同。放射性同位素测井的效果，在很大程度上决定于放射性示踪剂选择得是否合适。选用哪种同位素，要根据施工目的而定。1、方法原理油井投入生产后，由于固井质量差或固井后由于射孔及其它工程施工，使水泥环破裂，造成层间串通，即形成窜槽，这对采油和注水均有不良影响，应及时测定窜槽井段，采取堵窜措施。放射性同位素测井就是一种寻找窜槽井段的有效方法。窜槽砂层A砂层B放射性同位素测井施工前，先测一条自然伽马测井曲线作为参考曲线，而后将Ba131(或I131)配成的活化液压入找窜层段，再测放射性同位素测井曲线，与先测的参考曲线比较，则可查出示踪液的通道，找出窜槽位置。2、放射性同位素测井找窜槽位置

如图，欲检查已射开之B层和未射开的C层及射开的A层之间是否有窜槽。以封隔器分别封隔B、A层和B、C层，以一定压力向B层注入放射性活化液(放射性同位素Ba131或I131的活化油或活化水，对油层找窜，注入活化油：对水层找窜，注入活化水)，然后进行放射性同位素测井。资料解释2、放射性同位素测井找窜槽位置

左图是上述井段放射性同位素测井和参考曲线图。

比较这两条曲线可见，注入了活化液的B层，曲线异常幅度明显增大，被封隔器封隔的A层处，虽未注人活化液却也有明显增大曲线异常，说明B层和A层之间的井段有窜槽；C层处，两条曲线基本重合，放射性强度没有变化，说明B、C层间不窜通，水泥胶结良好。放射性同位素“找窜”测井曲线2、放射性同位素测井找窜槽位置

窜槽、油井中部分层段出水、误射孔等井段需要二次注水泥封堵，封堵效果可以用放射性同位素测井检查。

方法就是先测一条自然伽马曲线作为参考曲线，然后将加入少量放射性同位素的水泥挤入上述需封堵的井段，再测一条放射性同位素测井曲线，若封堵良好，则封堵处由于注入活化水泥而曲线幅度明显增大。3、放射性同位素测井检查封堵效果实例1

右图中的A、B两地层窜通，为堵窜将B层