GR和放射性同位素测井

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2019/12/5,放射性测井,#,第七章 自然伽马和放射性,同位素测井,主讲人,:,韩学辉,博士,副教授,引言,第一节 伽马测井的核物理基础,第二节 自然伽马测井,第三节 自然伽马能谱测井,第四节 放射性同位素测井,内容,:,放射性测井是根据岩石、孔隙流体和井内介质,(,套管、水泥等,),的核物理性质差异，研究井剖面，研究岩性、物性、含油性、油田开发及油井工程问题的一类测井方法。,特点：,基本不受井眼介质限制,，在裸眼井和套管井、各种钻井,泥浆,的井中均可测，能进行,套管井的地层评价,，能够,快速分析和确定岩石,及其,孔隙流体各种化学元素,。,引言,分类,(,按使用的放射性源或测量的放射性类型分,),1,),伽马测井：以研究伽马辐射为基础，包括,GR、NGS、,地,层密度、岩性密度、放射性同位素示踪测井等。,2,),中子测井：以研究中子与岩石及孔隙流体相互作用为基,础，包括热中子、超热中子、中子伽马、脉冲中子非弹性散射,伽马能谱、中子寿命及活化测井等。,一、放射性核素和核衰变,二、伽马射线与物质的相互作用,三、伽马射线的探测,第一节 伽马测井的核物理基础,一、放射性核素和核衰变,1.原子的结构,由原子核和核外电子组成。原子核由质子和中子构成。质子带正电，中子不带电，二者质量基本相同。质子数一般与核外电子,(,带负电,),数相等，原子不带电，质子数叫做元素的原子序数,(Z),，质子数和中子数的总数叫元素的质量数,(A),表示。用符号,Z,X,A,表示某一原子核，如,6,C,12,表示质量数为,12,的,碳原子核,。,2.,同位素和放射性核素,核素,指原子核具有一定数目质子和中子，并处在同一能态上的同类原子。,同位素,指核中质子数相同而中子数不同的核素，它们在元素周期表中占有同一位置。如氕,1,H,1,、氘,1,H,2,、氚,1,H,3,。,稳定核素：,结构和能量不会发生变化，不会自发衰变为另一种核。,放射性核素：,结构和能量不稳定，原子核能自发地发生衰变,放出射线，由一种核变为另一种核。,3.,核衰变,放射性核素的原子核自发释放出一种带电粒子,(,、,),，同时放出,射线的过程叫核衰变。核能够自发放出,、,、,射线的性质叫放射性。,如：,84,Po,210,82,Pb,206,*+,2,He,4,(,),82,Pb,206,*,82,Pb,206,+,(0.89MeV),4.,核衰变定律,放射性核素在核衰变过程中遵循一定的定律。放射性核数随时间按指数衰减的定律叫核衰变定律：,N,0,：,初始原子个数,：,衰变常数（表示衰变速度的参数），表示单位时间每个核发生衰变的,几率,，,越大，衰变速度越快。,半衰期:放射性核素因衰变而减少到原来一半所需的时间。,核衰变定律是不受温度、压力、磁场等的影响。,5.,放射性活度和比度,活度(强度)：一定量的放射性核素在单位时间内发生衰变的核数。,单位:1,Ci(,居里)=3.7,X10,10,核衰变/秒,=1,克镭,1,秒种内衰变的核数,m Ci,、,Ci,。,贝可勒尔:1,Bq =1,次核衰变/秒,1,Ci(,居里)=3.7,X10,10,Bq,比度(浓度):放射性核素的放射性活度与其质量之比,。,单位,Bq/g,或,Ci/g,镭的比度,1Ci/g,。,6.,放射性射线的性质,核衰变时发射的三种射线:,、。,氦核组成的离子流，带正电，穿透能力最差。,高速电子流，带负电，穿透能力差；,高频电磁波,(,光子流,),，能量高，穿透能力强，,能穿透,几十厘米的地层、套管以及仪器外壳，是放射性测井探测的,主要对象。,1,),光电效应,射线能量较低时,，穿过物质,与原子中的电子,相碰撞，将其能量交给电子，使,电子脱离原子而运动，,整个被吸收,，释放出,光电子,。,光电效应发生几率随原子序数的增大而增大,，,随,能量增大而减小。,二、伽马射线和物质的作用形式,放射性核衰变放出的,射线能量一般在,0.55.3MeV,之间，在该能量范围内主要发生光电效应、康普顿、电子对效应。,光电效应发生几率：,波长，,10,-8,cm,指数常数,密度，,g/cm,3,2,),康普顿效应,中等能量的,与原子的外层电子,发生作用时，把一部分能量传给电子，使电子从一个方向,射出康普顿电子,，损失了部分能量的,射线向另一个方向散射,出去康普顿射线。,发生康普顿效应时，,损失的强度与原子序数,Z,及单位体积内的电子数,有关。康普顿效应效应的结果是导致,射线强度的减弱,，减弱的程度与康普顿吸收系数有关。,康普顿吸收系数：,每个电子的康普顿散射截面,沉积岩中的大多数元素的,Z/A,近似为,0.5,因此可利用该效应测量地层的密度,.,3,),电子对效应,当,能量大于1.022,Mev,时，它与物质作用就会使,转化为电子对,(,正、负电子,),，而本身被吸收。穿过单位厚度介质的吸收系数为,:,射线的能量,4,),射线的吸收,射线穿过吸收介质时,会发生,3,种效应,其剩余强度与穿过介质的厚度有如下关系,:,质量吸收系数：,m,=/,与物质作用时，三种效应发生几率与,的能量有关：,低能,以光电效应为主；,中能,以康普顿效应为主；,高能,以电子对效应为主。,吸收系数,:,正比于物质的密度,1,),放电计数管,(,盖革计数器,),：,辐射使气体电离探测,射线,惰性气体,三、伽马射线的探测,计数效率为,12%,射线轰击管内的金属壁；,打出有一定动能的电子，,电子导致管内气体电离出,正负离子，在高压电场作用,下，电子吸向阳极，导致阳极,放电，计数管有脉冲,电流产生，记录下来。,2,),闪烁计数管,射线,+NaI,较高能量的,e,激发原子回到稳定态时产生光子,(,通过光导物质后在光阴极光电效应,),光电子,(,经过多次聚焦，数量增加,),在阳极记录,光电倍增管,计数效率高，分辨时间短，测井中广为采用。,自然伽马测井是在井内测量地层中自然存在的放射性核素,衰变放射出的,射线强度的测井方法。主要用于,划分岩性、,估算泥质含量和地层对比。,一、岩石的自然放射性,二、自然伽马测井原理,三、自然伽马测井曲线特点及影响因素,四、自然伽马测井曲线的应用,第二节,自然,伽马,(GR),测井,一、岩石的自然放射性,岩石放射性决定于放射性核素的种类和数量。主要放射性核素：铀、钍、锕及其衰变子体以及,19,K,40,。起决定作用的是铀系、钍系和钾。,地层的放射性与岩性和岩石形成过程中的物理化学条件有关。,1.,岩石总放射性,(1),火山岩变质岩沉积岩,(2),沉积岩自然伽马放射性随泥含量的增加而增加。,粘土中:蒙脱石，伊利石，高岭石，绿泥石(降低),高放射性：深海泥质沉积物,中放射性：浅海、陆相泥质岩石,低放射性：砂岩、石灰岩、煤等,2.沉积岩中铀，钍，钾的含量,(1)粘土中：钾约含2%，钍约12,ppm，,铀约6,ppm。,但与沉积环境有关，不同的粘土矿物，铀、钍、钾的含量有一定的差别。粘土岩,Th/U,在,2.0-4.1,之间。,(2)砂岩及碳酸盐岩中，随粘土矿物增加，铀、钍、钾含量增加，水流作用可造成铀含量很高。,(3)钍化合物难溶于水，故岩石中钍含量增加，离物源区近。,(4)四价铀难溶于水，六价铀溶于水，铀含量与沉积环境及成岩后水流作用有关，四价铀氧化成六价铀，六价铀在还原条件下变成四价铀而沉淀。,为什么海相泥岩放射性含量高。,二、自然伽马测井原理,计数率,(,脉冲,/,分钟,),或者,API,刻度,射线进入,放大电脉冲,传输电脉冲,放大电脉冲,鉴别电脉冲,记录,岩石的自然伽马放射性水,平主要决定于铀、钍、钾,的含量。,(,是美国石油学会采用的单位，两倍于北美泥岩平均放射性的模拟地层的自然伽马测井曲线值的1/200定义为1,API,自然伽马测井单位,),。,大,自然伽马放射性主要来源于井周围附近(探测半径3045,cm),1),测井曲线响应特点,以地层中点对称,地层中点取得最大值,地层变薄（,h3do,，幅度不随地层厚度增加变化，半幅点对应地层顶底边界。,三、自然伽马测井特点及影响因素,2,),影响因素,(1)v,影响(积分电路的延时性),半幅点滞后距离=,v(m/s)(s),目前测速一般为,600m/h,，如果,为,0.25s,，滞后距离小于,0.33m,。如果使用,1:200,比例尺，图上距离,1.65mm,，不必校正。,(2),放射性涨落,涨落现象：,同一放射源，相同时间间隔的多次测量，各次读数与全部读数的平均值之差大部分分布在一定范围内。由于涨落现象，使,GR,曲线呈现“锯齿状”，由于放射性涨落引起的误差，称为涨落误差，记为,（标准差）。,物理意义：,同一地层各点的读数落在,的几率为68.3%，因此，只有当曲线幅度变化超过上述范围，且超过,(2.53),时，曲线才做分层或地层解释。,1,幅度值下降；,2,极值偏离地层中心，半幅点发生上移；,3,地层厚度越小，,V,越大，畸变越严重。,(3),地层厚度,薄层，曲线受上下围岩的放射性影响而出现一些异常变化。,砂岩的变大，泥岩的变小。,图,7-11,。,(,4),井的影响,因泥浆、套管和水泥吸收伽马射线，使曲线幅度降低，,裸眼井，主要受井径和泥浆的影响；套管井则要考虑到套管,程序和水泥环的影响，做必要的校正。,1,),划分地层,主要依据：,V,sh,不同，,GR,读数不同。,(1),砂泥岩剖面,泥岩层,GR,幅度最高，纯地层，,GR,最低；,(2),碳酸岩剖面,泥岩、页岩的,GR,幅度最高，纯的石灰岩、白云岩,GR,幅度最低，而泥质灰岩、泥质白云岩,GR,介于中间；,(3),膏盐剖面,岩盐、石膏层的,GR,较低，泥岩层,GR,幅度最高。,四、自然伽马测井曲线应用,2,),地层对比,优点：,(1),与地层水矿化度无关,(2),一般与地层流体无关,与含油性没有关系。,(3),容易找到标准层,(,常是横向上分布范围较广泛的泥岩,),因此，,GR,是标准测井主要内容,之一，与电测井一起划分地层、油层组。,测井深度校正：,每次下井要测一条,GR,，几次下井的不同测井曲线可校至同一深度。,甚至在裸眼井和套管井中也可对比来确定射孔深度。只是套管井中的曲线幅度由于受套管、水泥环影响而有所降低，但曲线形态上可对比。,3,),估算泥质含量,假设：泥质比面积大，吸附放射性物质能力强，其含量的多少决定了沉积岩石放射性的强弱。,GCUR,与地层地质年代有关的经验参数，一般老地层取，新地层.7。,II.,经验法：,用统计法得到,Vsh,GR,经验公式。,I.,相对值法：,注意：在储层含有长石等放射性矿物较高的储层中不能用。,在,U,含量较高的地层,(,铀矿、有机质丰富,),中不能应用,GR,求取储层泥质含量,第三节 自然伽马能谱,(NGS),测井,GR,测井只能测量地层总的放射性，能谱测井主要依据铀、钍、钾三种放射性核素放出的,射线的能谱差异来测量其含量，同时可以测量总的放射性。因此，,NGS,相对,GR,而言能够解决更多地质问题。,一、自然伽马能谱测井的地质依据,二、自然伽马能谱测井原理,三、自然伽马能谱测井资料应用,一、自然伽马能谱测井的地质依据,1,),粘土岩中钍、钾含量比铀含量高（铀含量主要受有机物吸附作用影响）,2,),砂岩、碳酸岩中铀、钍、钾的分布,二、自然伽马能谱测井原理,根据铀、钍、钾的自然伽马能谱特征，测量混合谱，解谱分析确定各自的含量。,1.46,Mev,1.3,Mev 2.62Mev,7,海相浅海半深海环境：,Th/U7,海相深海环境：,Th/U2,5),求取泥质含量,一般,Th、K,与泥质含量关系较大，,而,U,与泥质含量关系较小。,XCTS、Th、K40,但不能用,U,6,),区分泥质砂岩和云母,利用钍和钾的,含量交会图（如右,图），可以给出石,英、云母和泥质的,百分含量。,一、放射性同位素测井,找串,槽位置,二、放射性同位素测井,检查封堵,效果,三、,检查压裂,效果的放射性同位素测井,四、放射性同位素载体法,测定吸水剖