第七章自然伽马测井课件

1 1、18961896年，年，BecquerelBecquerel发现了自然放射性，随发现了自然放射性，随后研究人员发展了后研究人员发展了伽马伽马射线探测技术射线探测技术和探测仪和探测仪器，到器，到1935193919351939年年自自然伽马测井然伽马测井得到市场的得到市场的确认，成为当时唯一的确认，成为当时唯一的核测井方法，用于核测井方法，用于划分划分岩性、确定泥质含量岩性、确定泥质含量 核测井核测井发展的三个时期发展的三个时期19031903年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖-因发现自然发放射性因发现自然发放射性 2 2、19321932年，年，ChadwickChadwick发现中子，发现中子，随后科学界研究了随后科学界研究了中中子与物质的相互作用子与物质的相互作用和中子的探测技术和中子的探测技术，19411941年以后年以后中子测井中子测井成为代表核测井技术成为代表核测井技术的测井方法，确定的测井方法，确定岩岩性、孔隙度、套管井性、孔隙度、套管井饱和度饱和度19351935年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖 -因发现中子因发现中子 3 3、19451945年年,purcellpurcell发现了发现了核磁共振现象核磁共振现象，19491949年出年出现核磁测井技术，现核磁测井技术，19881988年年研制出第一台核磁测井样研制出第一台核磁测井样机，机，1990199519901995年核磁测年核磁测井得到市场的普遍确认，井得到市场的普遍确认，区分油气水、可动与束缚区分油气水、可动与束缚流体，求渗透率及研究孔流体，求渗透率及研究孔吼分布吼分布珀赛尔珀赛尔 (E.dward Purcell)(E.dward Purcell)19521952年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖核测井的优点核测井的优点1、对测量条件有、对测量条件有广泛的适应性广泛的适应性，能在，能在各种泥各种泥浆的浆的裸眼井裸眼井、套管井套管井中进行测量，服务期包括中进行测量，服务期包括勘探、开发的全过程。勘探、开发的全过程。2、能提供大量的物理参数，且大部分、能提供大量的物理参数，且大部分参数不参数不可能用其它方法获得可能用其它方法获得，即具有不可替代性。，即具有不可替代性。核安全核安全:19861986年年4 4月月2626日日,切尔诺贝利核切尔诺贝利核电站反应堆发生爆炸电站反应堆发生爆炸20112011年年3 3月月1111日，日本大地震日，日本大地震引发的核电站核泄露事故引发的核电站核泄露事故 第七章第七章自然伽马测井（自然伽马测井（GR)GR)（自然伽马能谱测井自然伽马能谱测井(NGS)(NGS)()自然伽马和自然伽马能谱测井自然伽马和自然伽马能谱测井地质及核物理基础地质及核物理基础：岩石中含天然放射性核：岩石中含天然放射性核素，主要有素，主要有铀系，钍系和钾铀系，钍系和钾，自然衰变时产生，自然衰变时产生不同能量的不同能量的伽马射线伽马射线测量方法测量方法：用伽马射线探测器测量地层中：用伽马射线探测器测量地层中总总的自然伽马射线强度的自然伽马射线强度（自然伽马测井自然伽马测井）主要用途主要用途：划分岩性及渗透层，求泥质含量，：划分岩性及渗透层，求泥质含量，地层对比，沉积环境研究，烃源岩研究地层对比，沉积环境研究，烃源岩研究测量方法测量方法：对伽马射线进行能谱分析：对伽马射线进行能谱分析,分别测分别测量岩石的量岩石的铀、钍、钾含量铀、钍、钾含量（自然伽马能谱测井自然伽马能谱测井）1 伽马测井基础伽马测井基础一、放射性一、放射性核素核素和核衰变和核衰变1 1、原子和原子核、原子和原子核元素符号元素符号:X X质子数质子数:Z Z中子数中子数:N N 质量数质量数:A A A=Z+NA=Z+N2 2、核素核素和同位素和同位素核素：核素：原子核中具有一定数目的质子和中子，原子核中具有一定数目的质子和中子，并处在同一并处在同一能态上能态上的同类原子（或原子核）的同类原子（或原子核）,同一同一核素的原子核中，核素的原子核中，质子数和中子数都分别相等质子数和中子数都分别相等。同位素：是同位素：是具有相同原子序数具有相同原子序数的同一化学元的同一化学元素的两种或多种原子之一素的两种或多种原子之一,它们在元素周期表中它们在元素周期表中占同一位置。占同一位置。核素表示核素表示:ZXA 同位素表示：同位素表示：AX3 3、稳定核素和放射性核素、稳定核素和放射性核素 原子核能原子核能自发的发生衰变自发的发生衰变，由一种核素变为另一种核素由一种核素变为另一种核素稳定核素：稳定核素：原子核不能自发的变为另一种核原子核不能自发的变为另一种核放射性核素衰变时能发射放射性核素衰变时能发射，和和 射线射线放射性核素：放射性核素：r r射线射线:波长小于波长小于0.20.2纳米的电磁波纳米的电磁波,具有极强的穿具有极强的穿透能力。透能力。核衰变：核衰变：放射性核素的原子核放射性核素的原子核自发地自发地由一种核素变由一种核素变成另一种核素的过程成另一种核素的过程rmkAeK40184019eCak40204019（89%)89%)rrmAA401840181.46Mev1.46Mev（11%11%），和和 4 4、核衰变定律、核衰变定律teNN0式中式中 ：NN0 0 t=0 t=0 时的原子核数时的原子核数 N N 时刻时刻 t t 的原子核数的原子核数 衰变常数衰变常数 （表示单位时间内每个原子核发生衰变的几率）（表示单位时间内每个原子核发生衰变的几率）半衰期半衰期T T1/21/2：放射性核素因衰变而减少到原来放射性核素因衰变而减少到原来 一半所需的时间一半所需的时间5 5、放射性活度（强弱的度量单位）、放射性活度（强弱的度量单位）放射性活度：放射性活度：一定量一定量的放射性核素在的放射性核素在单位时单位时 间内发生衰变的核数。间内发生衰变的核数。活度单位活度单位:“:“贝可勒尔贝可勒尔”，简称，简称“贝可贝可”，符号，符号为为BqBq。1Bq=11Bq=1次核衰变次核衰变/s s单位质量单位质量的活度叫的活度叫比活度比活度，单位为，单位为Bq/kgBq/kg吸收剂量吸收剂量:每每1千克受照物质吸收千克受照物质吸收1焦耳核辐射焦耳核辐射能时，其核辐射剂量称为能时，其核辐射剂量称为1戈瑞戈瑞西弗西弗:用于衡量辐射对生物组织的伤害用于衡量辐射对生物组织的伤害,定义定义为为1 1西弗西弗=1=1焦耳（辐射能量）焦耳（辐射能量）/公斤公斤 二、岩石中的放射性核素及能谱二、岩石中的放射性核素及能谱截至截至20072007年年,总共有总共有118118种元素被发现种元素被发现,9494种种存存在于地球上在于地球上 ,已发现的天然已发现的天然核素核素约有约有330330多种，多种，其中其中273273种为种为稳定核素稳定核素，6060余种余种为放射性核素为放射性核素质量数质量数小于小于209(209(质子数大于质子数大于82)82)的的大多数是大多数是稳稳定核素，只有少数是放射性核素，如定核素，只有少数是放射性核素，如K K4040、CoCo6060、CsCs137137 、I I131131而质量数而质量数大于大于209209(质子数大于质子数大于82)82)的的全部是全部是放放射性核素射性核素1、放射系：、放射系：连续衰变时放射性核素所构成的连续衰变时放射性核素所构成的系列系列1 1)钍系：钍系是从钍系：钍系是从232232ThTh开始的，到开始的，到20208 8PbPb结束，结束，它的半衰期为它的半衰期为1.411.4110101010年年)铀系：铀系：238238U U开始，到开始，到206206PbPb结束，结束，238238U U的半的半衰期衰期.4.41010年年2 2、放射系、放射系长期平衡长期平衡：子核子核与与母核母核的的核数比为常数核数比为常数子核子核放射性活度放射性活度恒等于恒等于母核母核放射性放射性活度活度3 3、铀系、钍系、钾的伽马射线、铀系、钍系、钾的伽马射线初始初始谱谱初始谱初始谱：根据放射系中核素的原子核初始衰变产：根据放射系中核素的原子核初始衰变产生的伽马光子的生的伽马光子的能量和相对强度能量和相对强度画出的画出的能谱图能谱图相对强度：相对强度：衰变衰变100100个核产生的伽马光子数个核产生的伽马光子数4040K K产生的伽马射线是单能的，为产生的伽马射线是单能的，为1.46Mev1.46Mev钍系钍系中最重要的中最重要的辐射体是辐射体是208208TlTl自然伽马能谱测自然伽马能谱测井中，选择井中，选择208208TlTl发发射的射的2.622.62MevMev 的伽的伽马射线来马射线来识别钍识别钍铀系铀系中最重要的中最重要的 辐射体是辐射体是214214B Bi i自然伽马能谱测井中选择自然伽马能谱测井中选择214214B Bi i发射的发射的1.761.76MevMev 的的伽马射线来伽马射线来识别铀识别铀三、岩石的自然伽马放射性与岩石性质的关系三、岩石的自然伽马放射性与岩石性质的关系1 1、与三大类岩石的关系、与三大类岩石的关系岩浆岩岩浆岩及变质岩：放射性高于沉积岩，它含有及变质岩：放射性高于沉积岩，它含有较多的放射性矿物较多的放射性矿物 （锆石，独居石，揭帘石，角闪石及辉石等）（锆石，独居石，揭帘石，角闪石及辉石等）沉积岩：沉积岩：一般放射性一般放射性低于低于岩浆岩和变质岩。通岩浆岩和变质岩。通常不含放射性矿物，其自然放射性主要是岩石常不含放射性矿物，其自然放射性主要是岩石吸附吸附放射性物质放射性物质引起的，吸附能力有限引起的，吸附能力有限几种造岩矿物和副矿物的铀含量范围几种造岩矿物和副矿物的铀含量范围几种矿物的钍含量和钍铀比几种矿物的钍含量和钍铀比2 2、沉积岩的放射性、沉积岩的放射性粘土岩放射性最高，而石膏、硬石膏、盐粘土岩放射性最高，而石膏、硬石膏、盐岩等放射性最低，其它岩类在它们之间岩等放射性最低，其它岩类在它们之间蒙脱石：分子中不含放射性核素，但蒙脱石：分子中不含放射性核素，但表面积最表面积最大大（269269mm2 2/g)/g)，对放射性物质对放射性物质吸附能力强吸附能力强伊利石（水白云母）：它伊利石（水白云母）：它本身含有钾本身含有钾，对氧化，对氧化铀有铀有一定的吸附能力一定的吸附能力（不是很强）（不是很强）高岭石和绿泥石：本身高岭石和绿泥石：本身不含放射性核素不含放射性核素，比面，比面积又小，积又小，吸附能力差吸附能力差石油测井中铀、钍、钾含量用的单位：石油测井中铀、钍、钾含量用的单位：铀、钍含量用铀、钍含量用g/gg/g（g/t,g/l)g/t,g/l)，记作记作ppmppm 钾含量用钾含量用0.010.01g/gg/g，记作记作%沉积岩的自然放射性强度沉积岩的自然放射性强度随泥质含量增加而随泥质含量增加而增加增加（含放射性矿物的岩石除外）（含放射性矿物的岩石除外）伽马射线与物质相互伽马射线与物质相互作用的几率作用的几率 用截面用截面 表示，它的物理意义是：表示，它的物理意义是：一一个入射光子个入射光子与与单位面积上一个靶原子（或单位面积上一个靶原子（或电子）电子）发生作用的几率，它具有面积的量发生作用的几率，它具有面积的量纲，所以称之为纲，所以称之为截面截面。一般用。一般用1010-24-24cmcm2 2 作作为截面的单位为截面的单位,称为称为靶恩靶恩(b),b),截面的大小与截面的大小与伽马射线能量及靶物质的性质有关伽马射线能量及靶物质的性质有关二二.伽马射线与物质的伽马射线与物质的作用作用与与探测探测1、光电效应、光电效应 伽马光子伽马光子与原子与原子核外的核外的束缚电子束缚电子作作用，光子把全部能用，光子把全部能量转移给某个束缚量转移给某个束缚电子，使之发射出电子，使之发射出去（去（光电子光电子），而），而光子光子本身本身被吸收被吸收。光电子能量光电子能量伽马光子能量伽马光子能量hv:hv:伽马光子的能量伽马光子的能量mm0 0c c2 2:电子的静止质量能电子的静止质量能nAZ6.4089.0光电效应截面光电效应截面：2、康普顿散射、康普顿散射伽马伽马光子与原子的核光子与原子的核外电子外电子发生发生非弹性碰非弹性碰撞撞，一部分能量转移，一部分能量转移给电子，使它脱离原给电子，使它脱离原子成为子成为反冲电子反冲电子，而，而光子（光子（散射光子散射光子）的）的能量和运动方向发生能量和运动方向发生变化变化(1).(1).散射光子和反冲电子的能量散射光子和反冲电子的能量散射光子散射光子的能量为：的能量为：)cos1(120cmEEErrr反冲反冲电子的动能电子的动能为：为：)cos1()cos1(202rreEcmEEa.a.当当=0=0o o时时，散射光子的能量达到最大，这时，散射光子的能量达到最大，这时反冲电子的能量为反冲电子的能量为0 0，光子能量没有损失光子能量没有损失。20min21cmEEErrr反冲电子的能量达到其最大值：反冲电子的能量达到其最大值：rreEcmEE22202maxb.b.当当=180=180o o时时，这时散射光子能量最小，为：，这时散射光子能量最小，为：)cos1(120cmEEErrr反冲电子能量反冲电子能量=0Emaxe(2)(2)、电子的康普顿散射截面、电子的康普顿散射截面e e当当hvmhvmhvm0 0c c2 2时时:202021(ln)2ehvrm cr r0 0=2.8=2.81010-13-13 cm,cm,为经典电子半径为经典电子半径(3)(3)、康普顿、康普顿线性线性减弱系数减弱系数伽马光子通过伽马光子通过1cm1cm的物质时的物质时,发生康普顿效应的几率发生康普顿效应的几率AeNZAe e每个电子的康普顿散射截面每个电子的康普顿散射截面NNA A阿佛加得罗常数，阿佛加得罗常数，6.026.0210102323/molmol体积密度（体积密度（g/cmg/cm3 3)A A原子的质量（摩尔质量）原子的质量（摩尔质量）(g/mol)(g/mol)(单位体积的物质中所有电子的康普顿散射截面）单位体积的物质中所有电子的康普顿散射截面）电子密度3、电子对效应、电子对效应当伽马光子从原子核当伽马光子从原子核旁经过时，在原子核旁经过时，在原子核的库仑场的作用下，的库仑场的作用下，伽马光子转变为一个伽马光子转变为一个正电子和一个负电子正电子和一个负电子，这种过程称为电子对这种过程称为电子对效应效应电子对效应截面电子对效应截面p p当当hv2mhv2m0 0c c2 2时时:2lnprzE2prz E当当hvhv稍大于稍大于2m2m0 0c c2 2时时:4 4、三种效应的优势区、三种效应的优势区 I I0 0 x=0 x=0 处的射线强度，处的射线强度，光子与物质发生三种作用的总光子与物质发生三种作用的总线性衰减几率线性衰减几率5、伽马射线的吸收、伽马射线的吸收在物质中，伽马射线束在物质中，伽马射线束通过通过x x路程后路程后其强度其强度I I为为I=II=I0 0e e-x-x伽马光子通过伽马光子通过1cm1cm的物质时的物质时,发生效应的几率发生效应的几率6、伽马射线的探测、伽马射线的探测(1).(1).基本原理概述基本原理概述伽马光子与探测器发生三种效应，伽马光子与探测器发生三种效应，产生产生次级电子次级电子使气体使气体电离电离，产生电离电荷产生电离电荷使使NaI NaI 晶体晶体激激发发，产生，产生光子光子产生的电子到达阳极，产生的电子到达阳极，输出一个输出一个负电压脉冲负电压脉冲与光阴极物质发生光电与光阴极物质发生光电效应产生光电子效应产生光电子,使光电使光电子倍增形成电子束子倍增形成电子束,在阳在阳极上产生极上产生负电压脉冲负电压脉冲计数管计数管闪烁计数器闪烁计数器v记录一个伽马光子，输出一个电脉冲记录一个伽马光子，输出一个电脉冲(2).(2).盖革盖革-弥勒计数管弥勒计数管(G-M(G-M计数器计数器)a.a.G-MG-M计数管计数管结构结构阴极：用金属圆筒或在玻璃内壳上涂一层金属膜阴极：用金属圆筒或在玻璃内壳上涂一层金属膜阳极：管中央的一根细导线阳极：管中央的一根细导线管内：充以管内：充以惰性气体惰性气体(加少量的乙醇或乙醚等）加少量的乙醇或乙醚等）高压电源前置放大器定标器计数管探头计数管探头RCG-M计数管b.b.原理：原理：(a).(a).管内没有电离电流时管内没有电离电流时,电路不通电路不通,阳极阳极A A电位电位U U0 0(b).(b).入射入射r r次级次级电子电子管内气体管内气体电离电离电离电离电子电子向阳极移动并不断增加向阳极移动并不断增加到达阳极附近爆发性到达阳极附近爆发性增加增加(雪崩雪崩)A A点电位瞬时降低点电位瞬时降低有瞬时电流通有瞬时电流通过电阻过电阻R R流向阳极流向阳极阳极电位恢复阳极电位恢复在在A A点产生点产生一个一个负电压脉冲负电压脉冲(c).(c).计数管记录一个伽马光子就输出一个电压脉计数管记录一个伽马光子就输出一个电压脉冲冲 (d).(d).通常把单位时间通常把单位时间(分钟）的脉冲数称为计数分钟）的脉冲数称为计数率，率，计数率与伽马射线强度成正比计数率与伽马射线强度成正比。(f).(f).探测效率：探测效率：记录脉冲数占入射粒子数的比值记录脉冲数占入射粒子数的比值（约（约1%1%）(3)(3)、闪烁探测器、闪烁探测器组成单元：闪烁体、光电倍增管、电子元件组成单元：闪烁体、光电倍增管、电子元件工作过程：工作过程：b.b.次级电子使闪烁体次级电子使闪烁体激发激发，退激时产生荧光，退激时产生荧光光子光子a.a.射线进入晶体，通过三种效应产生射线进入晶体，通过三种效应产生次级电子次级电子c.c.将将光子光子收集到光电倍增管的收集到光电倍增管的光阴极光阴极（原子序（原子序数大的材料）数大的材料）上上，产生光电子产生光电子（光电效应）（光电效应）d.d.光电子在光电倍增管中数量增加几个数量级，光电子在光电倍增管中数量增加几个数量级，形成的电子流在阳极负载上形成的电子流在阳极负载上产生电信号产生电信号e.e.电信号电信号经电子仪器处理、记录经电子仪器处理、记录输出脉冲的输出脉冲的幅度和能谱幅度和能谱响应响应1 1）输出脉冲输出脉冲幅度幅度：与入射伽马光子与入射伽马光子在闪烁体在闪烁体中损失中损失的的能量成正比能量成正比，而光子是通过三种效应，而光子是通过三种效应损失能量的，且各不相同。损失能量的，且各不相同。2 2）输出脉冲的个数：输出脉冲的个数：与入射光子的与入射光子的强度强度(单位时间伽马光子数单位时间伽马光子数)成正比成正比 （计数率计数率脉冲数脉冲数/分钟分钟）幅度与强度的关系幅度与强度的关系能谱能谱a.a.模数变换器将输入模数变换器将输入 脉冲脉冲幅度幅度按比例变按比例变 换成换成整数整数（地址码）地址码）b.b.每个地址对应存储每个地址对应存储 器的一个器的一个记录道记录道，每进一个脉冲就增每进一个脉冲就增 加一个计数加一个计数c.c.累积每累积每道计数道计数,得到得到一个谱一个谱(计数率与道址计数率与道址)多道脉冲幅度分析器多道脉冲幅度分析器仪器谱：仪器谱：用伽马谱仪测的自然伽马射线脉冲幅度用伽马谱仪测的自然伽马射线脉冲幅度谱谱(计数率与道址计数率与道址)，是连续谱（被光子与闪射晶是连续谱（被光子与闪射晶体相互作用复杂化）体相互作用复杂化）BaBaeBaCsmm137137137137,0.662Mev峰峰A A：全能峰全能峰(0.662Mev),(0.662Mev),是由是由光电效应光电效应形成的形成的平台平台B B：是康普顿效应产生的是康普顿效应产生的MevEcmEErre4779.022202max峰峰C C：为反散射峰（光电效应为反散射峰（光电效应0.184Mev0.184Mev）MevcmEEErrr184.02120min峰峰D：X射线峰射线峰(32kev)0.662Mev基本参数基本参数（1 1）计数率：）计数率：（2 2）探测效率：）探测效率：探测器探测器每分钟输出的脉冲个数每分钟输出的脉冲个数，计数率计数率的大小与入射的大小与入射射线的强度射线的强度成正比成正比输出的脉冲数占入射粒子数的百分比输出的脉冲数占入射粒子数的百分比(20%20%左右左右)（3 3）能量分辨率：）能量分辨率：脉冲能谱分布的半高宽与入射脉冲能谱分布的半高宽与入射光子的能量比光子的能量比(约约10%)10%)2 用伽马射线探测器用伽马射线探测器测测量地层总的自然伽马量地层总的自然伽马射线的射线的强度强度(计数率计数率)一一.自然伽马仪器的刻度自然伽马仪器的刻度1.1.测井仪标准化测井仪标准化 （1 1）标准刻度井）标准刻度井 不同仪器，对不同仪器，对同一测量对象同一测量对象得到得到不同的计数率不同的计数率低放射性地层两个，高放射性地层一个（在中间，低放射性地层两个，高放射性地层一个（在中间，模拟泥岩，总放射性是低放射性地层的模拟泥岩，总放射性是低放射性地层的2 2倍）倍）探测效率不同，电子线路和仪器外壳的吸收条探测效率不同，电子线路和仪器外壳的吸收条件等差别引起件等差别引起（2 2）APIAPI单位单位美国石油学会（美国石油学会（A American merican P Petroleum etroleum I Institutenstitute）规定：规定：200200API=API=高放射性地层计数率高放射性地层计数率 低低放射性地层计数率放射性地层计数率不同仪器不同仪器，相同测量对象相同测量对象得出得出相同的相同的APIAPI值值 一级刻度井：全国统一的刻度井一级刻度井：全国统一的刻度井 二级刻度井：各油田建立的刻度井二级刻度井：各油田建立的刻度井 三级刻度井：用伽马源现场刻度三级刻度井：用伽马源现场刻度不同仪器，不同仪器，一个一个APIAPI单位对应的单位对应的计数率不同计数率不同例：例：标准刻度井中，高放射性地层强度为标准刻度井中，高放射性地层强度为4 400000000个光个光子子/分钟分钟，低放射性地层强度为低放射性地层强度为2020000000个光子个光子/分钟；分钟；甲甲探测器的探测效率为探测器的探测效率为10%10%，乙乙探测器为探测器为20%20%；甲一个甲一个APIAPI单位对应的计数率单位对应的计数率=40000 10%20000 10%200 =10乙一个乙一个APIAPI单位对应的计数率单位对应的计数率=40000 20%20000 20%200 =20在刻度井中刻度：在刻度井中刻度：甲探测器得到的计数率为：甲探测器得到的计数率为：30300 0个脉冲个脉冲/分钟分钟，乙探测器得到的计数率为：乙探测器得到的计数率为：6 60000个脉冲个脉冲/分钟分钟，对一个放射性强度为对一个放射性强度为3003000 0个光子个光子/分钟的地层测量：分钟的地层测量：而而APIAPI单位为：单位为：30300 0/10=/10=30 API30 API而而APIAPI单位为：单位为：60600 0/20=/20=30 API30 API二二.自然伽马仪器的自然伽马仪器的探测特性（探测范围）探测特性（探测范围）径向：探测深度最大为径向：探测深度最大为4646cmcm探测特性探测特性纵向：分辨率约为纵向：分辨率约为1 1mm探测范围定义：半径为探测范围定义：半径为r r 的球体对测量结果的的球体对测量结果的贡献占全空间的贡献占全空间的贡献的贡献的99%99%时，球的半径时，球的半径r r按地层吸收系数按地层吸收系数最小值最小值计算计算,r=46cm,r=46cm,探测范探测范围围最大值最大值是一个直径小于是一个直径小于1 1mm 的球体的球体统计误差产生的原因统计误差产生的原因核物理现象核物理现象及对这些现象的及对这些现象的探测探测具有随机性具有随机性核衰变数核衰变数和和计数计数的统计分布的统计分布三三.自然伽马曲线特点自然伽马曲线特点（1 1）曲线有统计性涨落变化（）曲线有统计性涨落变化（自学自学）l当数学期望值或平均值当数学期望值或平均值MM较大时较大时,统计分统计分布服从布服从高斯分布高斯分布l服从二项式分布服从二项式分布标准误差：标准误差：NnN相对误差：相对误差：NNN1222/)(21)(MNeNP是高斯分布中的方差22,M服从高斯分布的总体，标准误差就是均方根差服从高斯分布的总体，标准误差就是均方根差NN是一次测量的计数值是一次测量的计数值,n,n是有限次测量的平均值是有限次测量的平均值a.a.计数计数NN的标准（涨落）误差的标准（涨落）误差地层厚度为地层厚度为h h，测速为，测速为v v，平均计数率，平均计数率 n ,n ,则地则地层内总的计数层内总的计数N:N:vhnN 标准误差标准误差:vhnNN相对误差相对误差:hnvNNN1b.b.计数率仪测量结果的误差计数率仪测量结果的误差标准误差：标准误差：)2(nn相对误差：相对误差：n21c.c.伽马曲线的涨落误差伽马曲线的涨落误差:nnRCa.a.对称对称于地层中点于地层中点b.b.地层界面地层界面:厚层（大于厚层（大于1 1m)m)，曲线曲线半半幅点对应幅点对应薄层薄层,半幅点厚度大于地半幅点厚度大于地层厚度层厚度d.d.代表值代表值:极值极值（2 2）伽马平均曲线）伽马平均曲线(r(r0 0=15cm,=15cm,井眼半径）井眼半径）四四.伽马曲线应用伽马曲线应用1、识别岩性、划分储层、识别岩性、划分储层2、计算泥质含量、计算泥质含量适用条件？3.3.测量测量注水井吸水剖面注水井吸水剖面(示踪测井示踪测井)（1 1）吸水剖面：注水井段每个小层的相对吸）吸水剖面：注水井段每个小层的相对吸水量或注水井段累计相对吸水量。水量或注水井段累计相对吸水量。（2 2）施工）施工常选用常选用I I131131做示踪元素做示踪元素,用医用活性炭做固相载用医用活性炭做固相载体吸附放射性同位素离子，与水配成活化悬浮体吸附放射性同位素离子，与水配成活化悬浮液，注入井中时，水进入地层，液，注入井中时，水进入地层，而活化载体滤而活化载体滤积在地层表面，形成活化层，滤积量与吸水量积在地层表面，形成活化层，滤积量与吸水量成正比成正比。（3 3）确定吸水量）确定吸水量 J Jr1 r1(自然伽马自然伽马）和）和J Jr2r2 （示踪曲线示踪曲线）重叠）重叠,每层的每层的面积差面积差J Jr1 r1-J-Jr2r2 与该层相对吸水量成正比：与该层相对吸水量成正比：该井日注水量每小层日吸水量各小层异常面积总和小层的异常面积第QBiQQiSiiSiSiSiBinn11%100（4 4）识别大孔道）识别大孔道 大孔道：是一种特殊的孔隙，是流体渗流的优大孔道：是一种特殊的孔隙，是流体渗流的优势通道，后天形成的大孔道是由于注水开发形势通道，后天形成的大孔道是由于注水开发形成的水洗通道成的水洗通道识别方法：选用识别方法：选用不同粒径的同位素载体不同粒径的同位素载体测量测量吸水剖面，使吸水层位得到划分吸水剖面，使吸水层位得到划分一、自然伽马一、自然伽马能谱的测量能谱的测量1 1、自然伽马能谱仪、自然伽马能谱仪（2 2）多道脉冲幅度分析器：对电脉冲按幅度）多道脉冲幅度分析器：对电脉冲按幅度分类，分别在各道中记录相应幅度的脉冲数分类，分别在各道中记录相应幅度的脉冲数(得到数字谱得到数字谱道址与计数率道址与计数率)（1 1）闪烁闪烁探测器：输出电脉冲探测器：输出电脉冲,计数率计数率与伽马与伽马射线射线强度强度成正比，成正比，幅度幅度与光子在晶体中损失的与光子在晶体中损失的能量能量成正比成正比3 3 自然伽马能谱测井自然伽马能谱测井（3 3）井下控制系统：由计算机控制伽马谱）井下控制系统：由计算机控制伽马谱仪的稳谱、数据采集、数据处理和仪的稳谱、数据采集、数据处理和编码编码，形，形成编码谱，经电缆传输到地面仪器成编码谱，经电缆传输到地面仪器（4 4）数据处理和记录系统：编码谱经）数据处理和记录系统：编码谱经解调解调器恢复为数据谱，经计算机器恢复为数据谱，经计算机解谱解谱求出铀、求出铀、钍、钾含量和总放射性强度钍、钾含量和总放射性强度钍系、铀系、钾的钍系、铀系、钾的特征伽马射线特征伽马射线仪器谱仪器谱二、自然伽马二、自然伽马谱的解析谱的解析方法有方法有剥谱法剥谱法（和逆矩阵法（和逆矩阵法 ）u以以铀系铀系、钍系钍系、钾钾的的标准伽马仪器谱标准伽马仪器谱为依据为依据u假设混合谱是这三种标准谱的假设混合谱是这三种标准谱的线性叠加线性叠加u特征特征能量高的核素对能量低的核素的能量高的核素对能量低的核素的道域道域计计数有贡献，特征能量低的核素对特征能量高的数有贡献，特征能量低的核素对特征能量高的核素的道域计数没有贡献核素的道域计数没有贡献1、标准仪器谱：、标准仪器谱：用能谱仪在用能谱仪在刻度井中刻度井中测量测量只只含铀、钍或钾一种放射性核素含铀、钍或钾一种放射性核素的尺寸足够大的的尺寸足够大的模拟地层，得到每种放射性核素的标准模拟地层，得到每种放射性核素的标准仪器谱仪器谱。U U的自然伽马仪器谱的自然伽马仪器谱2 2、自然伽马仪器谱的解析、自然伽马仪器谱的解析(剥谱法剥谱法）特征道域：对三个特征峰刻度的计数用特征道域：对三个特征峰刻度的计数用道区间道区间 分别记录分别记录K K40 40 、铀系的铀系的BiBi214 214 、钍系的、钍系的TlTl208208三个三个特征峰特征峰（能量为（能量为 1.46 1.46mevmev、1.76Mev1.76Mev、2.62Mev2.62Mev）I I（94113)94113)、II(115139)II(115139)、III(173211)III(173211)n n1 1=n n1111+n n1212+n+n1313 n n2 2=n n2222+n n2323 n n3 3=n n3333设设I I、II II、IIIIII特征道域的计数率分别是特征道域的计数率分别是n1n1、n2n2、n3n3，则其组成为：则其组成为：n n1111、n n2222、n n3333：分别是：分别是K K40 40 、Bi Bi214214和和TlTl208208在在I I、II II、IIIIII特征道域造成的计数率特征道域造成的计数率 n n1212：是铀系的：是铀系的BiBi214214在在I I道域造成的的计数率道域造成的的计数率 n n1313、n n2323：分别是钍系的：分别是钍系的TlTl208208在在I I、II II特征特征道域造成的计数率道域造成的计数率 n n1212=a=a1212n n2222 n n1313=a=a1313n n3333 n n2323=a=a2323n n3333 a a1212:由铀系标准谱求出的系数，由铀系标准谱求出的系数，a a1313 、a a2323 :由钍系标准谱求出的系数由钍系标准谱求出的系数有以下实验关系：有以下实验关系：n n120 120 和和n n220220 铀系标准谱中铀系标准谱中I I、II II道域的计数率道域的计数率 即：即：a a1212=n=n120120/n/n220220 a a1313=n=n130130/n/n330330 a a2323=n=n230230/n/n330 330 n n130130、n n230230、n n330330钍系标准谱中钍系标准谱中I I、II II、IIIIII道道域的计数率域的计数率 在刻度井中铀、钍、钾含量已知的模块中对仪在刻度井中铀、钍、钾含量已知的模块中对仪器进行刻度，求系数器进行刻度，求系数K KU U、K Kthth、K Kp p，则可将测井则可将测井剥谱得出的净计数率转换为铀、钍、钾的含量剥谱得出的净计数率转换为铀、钍、钾的含量 U=K U=KU Un n2222=K=KU U(n(n2 2-a-a2323n n3 3)Th=K Th=KThThn n3333=K=KThThn n3 3 K=K K=Kp pn n1111=K=Kp pnn1 1-a-a1212(n(n2 2-a-a2323n n3 3)-a)-a2323n n3 3 SGR,CGR:SGR,CGR:总伽马、去铀伽马强度总伽马、去铀伽马强度,API,API单位单位THOR,URAN:THOR,URAN:钍、铀含量，钍、铀含量，ppmppmPOTA:POTA:钾含量，钾含量，%识别高放射性储层识别高放射性储层识别粘土矿物类型识别粘土矿物类型第七章第七章 作业作业1.1.测样品测样品8min8min得计数得计数200200，测本底，测本底4min4min得计数得计数7272，求样品净计数率及误差。，求样品净计数率及误差。2.2.一泥岩层的自然一泥岩层的自然曲线平均测值读数为曲线平均测值读数为13001300脉冲分脉冲分,地层总厚地层总厚28m,28m,测速测速V=600mV=600mh h，=6s,=6s,求统计起伏误差。求统计起伏误差。3.3.实验测得康普顿效应中反冲电子的最大能量实验测得康普顿效应中反冲电子的最大能量为为0.45Mev0.45Mev，求原入射光子的能量。，求原入射光子的能量。4.4.已知地层对伽马射线的吸收系数为已知地层对伽马射线的吸收系数为=0.1=0.1，试，试求均匀无限厚放射性地层中自然伽马测井的探求均匀无限厚放射性地层中自然伽马测井的探测半径测半径R R。地层密度为。地层密度为，每克岩石含，每克岩石含q q克放射克放射性物质，平均每秒每克放射性物质放出性物质，平均每秒每克放射性物质放出a a个个 光光子。子。