第七章_自然伽马测井.

第七章自然伽马测井和放射性同位素测井伽马测井的核物理基础 自然伽马测井 自然伽马能谱测井 放射性同位素测井放射性测井是根据岩石及其孔隙流体和井内介质的核物理性质，研究钻井地质剖面，寻找油气等矿藏，研究油田开发及油井工程的一类测井方法。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；既可在裸眼井又可在套管井 内进行测量；测量结果不受井内介质的限制。第一节伽马测井的核物理基础一. 核衰变及其放射性1、原子结构原子的性质：原子是由原子核和核外电子层组成的一种很微小的粒子，直径约为10 8 cm,质量小. 原子核由中子和质子组成，直径为1 I。 em. 质子是氢的原子核，带有一个单位的正电荷. 中子不带电，其质量几乎与质子相同数，用Z表示；质子数与中子数之和为元素的质量数,用傲示;i子核内的中子数为A-Z。X代表元素符号。2、同位素和放射性核素核素:i子核中具有一定数量的质子和中子，并在同一能态上的同类原子。同位素：原子核中的质子数相同而中子数不同的 核素，它们具有相同的化学性质，在元素周期表中 占有同一位置。放射性核素：能自发地改变其结构，衰变为其它核素, 并放射出射线的核素。3、核衰变放射性核素的原子核自发地释放出一种带电粒子（。或8）,蜕变成另外某种原子核，同时放射出Y射线的过程叫核衰变。核能自发地释放a. 0. y射线的性质叫放射性。84 FO210 82/ 26* +2 加(a)82 Pb 26* -*82 206(0.89MeV)核衰变规律：放射性核素的数量随时间按指 数递减的规律发生变化。其变化与任何外界 作用无关，仅与放射性核素本身的性质有关。 用公式表示为(7-1)其中：X衰变常数。与放射性核素有关。 %、N分别为t=0和t时刻的放射性核 素个数半衰期T：指从20时的No个原子核开始，到No/2个原子核发生了衰变所经历的时间。半 衰期T与衰变常数X的关系为：(7-2)1=0.693/ X常见放射性核素半衰期放射性核素符号半衰期T钾19八1.3x109 年艳55C?373.3年顿Balil11.8 天钢100分钟钻Co。5.27 年4. 放射性活度和放射性比度放射性活度：一定量的放射性核素，在单位时间内 发生衰变的核数.单位为居里.1 居里=3.7x10%放射性比度：放射性活度与其质量之比。单位为Ci/go纯镭的放射性比度为ICi/go5. 放射性射线的性质a射线由a粒子流组成，a粒子由两个质子和 两个中子组成，与氮原子的核相同，质量大，穿透能力差，其连一张纸都穿不透。B射线是电子束，B粒子带有一个正电荷或负 电荷，其穿透能力低，只能穿透几层厚纸。Y射线是高频的电磁波或光子流，能量大, 穿透能力强，测井能够测量得到.二、伽马射线与物质的作用放射性核素产生的Y射线，能量一般在0. 5MeV到53MeV之间，在这一能量范内，伽马光子与物质的作用主要有光电效应、康普顿效应和电子对效应。1光电效应使电子脱离原子而运动，Y光子本身则被Y射线与物质原子 中的电子相碰撞，并 将其能量传给电子，吸收，释放出的电子 产生几率： 叫光电子，如图7-1 (a)z所示这种效应称为r = 00089 光电效应。2、康普顿效应中等能量的伽马射线 穿过物质时，伽马射线与 原子的外层电子发生作用 ,部分能量传给电子，使 电子从某一方向射出，此 电子为康普顿电子，损失 了部分能量的射线向另一 方向散射出去叫散射伽马 射线，如图7-1 (b)所示fill图71(b)康普顿效应康普顿效应.O这种效应称为康普顿效 应。3、电子对效应当入射伽马光子的 能量大于1022 MeV时,它与物质作用就会使 伽马光子转化为电子对其本身被吸收7-1 (c)所示。通常用收系数n表示由于产 生电子对效应而导致的 伽马射线强度的减小。 =也 -1.022)A(7-5)图7-2伽马射线与物质的作用与伽马射线的能量的关系4、伽马射线的吸收由于伽马射线与物质产生上述三种效应，因此, 伽马射线的强度会随射线通过物质距离的增加而减弱,实验表明，其强度的减弱与通过的距离存在下述关系:其中：Io. I分别为未经吸收物质和经过吸收物质L时伽马射线强度;u物质的吸收系数,1X = t +S + n o此外，还可以用质量吸收系数反映伽马射线通过物质时的强度减弱程度。“也=“/q(7-7)三、伽马射线的探测1. 放电计数管如图7-3所示，它利用放射性辐射使气体电离的特 性来探测伽马射线。此计数管的计数效率低。2、闪烁计数管由光电倍增管和碘化钠晶体组成，如图7-4所示。利 用被伽马射线激发的物质的发光现象来探测射线。 其计数效率高.分辨时间短，广泛应用到放射性测 井中。图7-3放电计数管工作原理加图7-4闪烁计数管工作原理第二节自然伽马测井一、岩石的自然放射性岩石的自然放射性取决于岩石所含放射性核素的种类和数量。岩石所含放射性核素主要为:铀（92 238 ）及其衰变物；牡（M）、钢（wAcnl）及其衰变物；钾的放射性同位素1940-不同岩石所含的放射性核素的种类和数量 不同，与岩石岩性和沉积环境有关。火成岩、变质岩、沉积岩的放射性依次减弱。还原环境下形成的沉积岩，放射性强;氧化环境下形成沉积岩，放射性弱。二、自然伽马测井的测量原理自然伽马测井的测量过程如图7-5所示。测量装置由井下仪和地面仪组成。仪器在井内自下而 上移动测量，连续记录井剖面岩层的自然伽马强度曲线（自然伽马测井曲线GR）,其单位为计数率或标准单位API。测井值越大，说明岩层的放射性越强。7-6为砂泥岩剖面的自然伽马测井曲线。图77自然伽马测井曲线泥岩：渗透性差；导电性好；GRft值岛渗透层：渗透性好；探测深度不同的电 阻率曲线不重合 GR数值低.三、自然伽马测井曲线的特点及影响因素自然伽马测井仪探测的伽马光子主要是以仪器为球心、半径为3045厘米范围内岩石放射出的伽马光子，此范围为自然伽马测井的探测范围。1、自然伽马测井曲线的特点(理论)地层模型：高放射性均质地层：自然伽马测井的理论曲线如图7T 自然伽马理论曲线上、下围岩为放射性相同的低放射性地层7-9所不，从图中 不难看出曲线具 有下列特点：(1) 、曲线关于地层中点对称。(2) 、高放射性地层，对应地层中心曲线有极 大值，随地层厚度增加，极大值为常数，并与 地层厚度无关。(3)、当h3do (井径)时，曲线半幅点对应 地层界面;当h3do时，曲线幅度受围岩影响增加，若围岩的放射性高于地层的放射性，测井值增加；反之，测井值减小。2.自然伽马测井曲线的影响因素(1)VT的影响(T时间常数，V测井速度)(2)放射性涨落的影响(3) 地层厚度对曲线幅度的影响，如图7-8所示.(4) 井条件对自然伽马测井曲线的影响井条件包括井径.泥浆比重、套管.水泥环。同一剖面，裸眼井的GR曲线读数一般大于套管井下的GR 曲线读数.同一剖面，裸眼井的GR曲线与套管井下的GR曲线形态相 似(5) 、地层岩性沉积岩的泥质含量越高，其GR读数越大。(6) .地层沉积环境海相沉积岩的放射性强，陆相沉积岩的放 射性低。还原环境下沉积的地层放射性强；氧化环境 下沉积的地层放射性低。540010800 3 冷/分足数值减小围岩放射性低二数值增大围岩放射性高图710地层厚度对自然伽马曲线的影响、自然伽马测井曲线的应用1、自然伽马测井曲线的井眼校正自然伽马测井曲线的井眼校正包括井径及泥 浆比重的校正。校正公式为：N GR = A 创 X * X 10(7-8)0.047(厶一 8)+038 - 0.1548An泥浆比重（lb/gal）;K=16（仪器居中）；K=20（仪器偏心）。A=1 （仪器直径为3-5/8英寸）；A=l. 05 （仪器直径为3-7/8英寸）；A=0.95 （仪器直径为2英寸）；A=0. 92 （仪器直径为1-11/16英寸）；一二二-三二丄二二丄丄上 $ 5 7 110 2)01.0o o o o o 1 2 3 4=83331b! gal40JMV1S*；!；仅誘国中）e i iosiiiBilh;1l14121Ai 怡巧|4|3121110|9is z占* 丄4io i图7-11裸眼井自然伽马井眼校正图 7-12 井眼校正前 后的自然伽 马测井曲线2、自然伽马测井曲线的应用图713应用GR曲线划分砂岩、泥岩2) 估算泥质含量在评价泥质地层时，自然伽马测井曲线是一种重 要的泥质指示曲线。GCURxI 血-1(7-10)GCUR(7-9)其中：GR一目的层测井值；GRC1纯地层的测井值；GRsh泥岩层测井值，API单位。GCUR-希尔奇指数，与地层年代有关。 第三系地层，取3.7；老地层取2。例：自然伽马测井曲线上的读数为: 纯砂岩=15API；泥岩=90API；目的层=4()API地层为第三系碎屑岩。求地层泥质含量。1、泥质含指数:_ 40-15_ 90 二15=0.332、泥质含量: 3.7x0 33 _ tf=012 = 12%3)、地层对比与自然电位和普通电阻率测井曲线比较，利用自然伽马测井曲线进行地层对比有以下优点：(1) 自然伽马测井曲线与地层水和泥浆矿化 度无关；(2) .自然伽马测井值与地层中所含流体性质 无关；(3) 、在自然伽马测井曲线上容易找到标准层，如海相沉积的泥岩，在很大区域内显示明显的高幅 度值。如图711所示.(4) .自然伽马测井值仅与地层岩性和沉积环境有 关。根据曲线的相似性及曲线形态；不考虔曲线的读数及地层厚度。在合理的深度范围内完成地层对比工作.图7-14利用自然伽马曲线作地层对比的实例5559-5581 Slkl5564-5585 Slklm5T05直图7T4利用自然伽马曲线作地层对比的实例自然伽马曲线形态与沉积环境的关系 表1草层曲域妙话及待征0490r4KI英訂祐形1）箱形：反映的是沉积过程中物源供应丰富和水动力条件稳定下快速堆积的结果.类？1箱形i.林1自然厂1.马1(2) 钟形：测井曲线幅度下部最大，往上越来越 小，是水流能量逐渐减弱和物源供应越来越少的表 现，垂向上是正粒序最直接的反映，如点砂坝沉积.(3) 漏斗形：与钟形相反，垂向上是反粒序水退层系, 水流能量逐渐增强和物源供应越来越丰富的 环境，如分流河口砂坝沉积(4) 齿形：这种曲线对应于薄层交互的粉砂岩和泥岩,反应水流能童时常变化。水下分流河道间沉积 和扇三角洲前缘席状砂沉积中常有此种表现。对称形：指形曲线代表强能量下的中层均匀粗粒 堆积，或单层岩性与上下邻层岩性相差较大时，也常 出现该种形态。表2组合曲线征姐合寵合忡影筑合斗5(1)组合钟形(直线形+箱形+齿化钟形):齿中 线水平至内收敛，反映沉积环境从低能突然变 为高能，然后从高能缓慢恢复到低能环境。(2)组合漏斗形(齿化漏斗形+齿化钟形):下部 齿化，齿中线由缓向上变陡，具有内收敛特征, 反映沉积环境从低能逐渐变为高能，然后又从 高能突变到低能环境，这是扇三角洲前缘水下 分流河道侧翼的组合，这是河道侧向迁移的结 果。