放射性 测井

.第九章 放射性测井放射性测井是根据岩石和介质的核物理性质，研究钻井地质剖面，寻找油气藏以及研究油井工程的地球物理方法。放射性测井方法，按其探测射线的类型可分为两大类，即探测伽马射线的伽马测井法和探测中子的中子测井法。放射性测井的优点：、裸眼井、套管井内均可进行测井；、在油基泥浆、高矿化度泥浆以及干井中均可测井；、是碳酸岩剖面和水化学沉积剖面不可缺少的测井方法。但是它的测速慢，成本高。由于生产和解释方法的改进，放射性测井解决生产问题的范围不断扩大，它仍是一项重要的测井方法。特别是核磁共振测井仪的研制成功，更加扩大了放射性测井的应用范围。第一节 放射性测井的基本知识一、原子核的衰变及其放射性、原子的结构、核素和同位素核素：是指原子核中具有一定数目质子和中子并在同一能态上的同类原子，同一核素的原子核质子数和中子数相等。同位素：是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同一位置。、核衰变放射性同位素的原子核自发地发生分解，转变成另外某种原子核，并放出放射性射线，这种现象叫核衰变，放出放射性射线的性质叫放射性。如： 任何放射性元素衰变时，其原子核数量都是按下列规律减少的： N0：放射性元素的初始量；N ：经过时间t后的放射性元素量；：衰变常数，表征衰变速度的常数。由上式可看出，随着t，放射性元素的原子数，当t ，原子数量越接近于零。除了用外，还用半衰期T来说明衰变的速度。半衰期就是从放射性元素原子核的初始量，开始到一半原子已发生衰变时所经历的时间，T和有如下关系：。越大，T越短，放射性元素的衰变越快。、放射性射线的性质在放射性射线中，此外还有其它射线，这里只介绍射线。射线：是氢的原子核流，氢的原子核是，因其质量大，易引起物质的电离或激发，被物质吸收，所以它在物质中运动时，射程很小，在空气中为2.5cm左右，在岩石中和金属矿层中，约为数十万分之一米，因射线穿透能力很差，所以在井内探测不到射线。射线：是高速运动的电子流。它在物质中的射程也较短。射线：是频率很高的电磁波（波长为3x10-1110-9cm）或光子流，不带电荷，但其能量很高，一般在几十万电子伏特以上，并且有很强的穿透能力，例如要使给定的射线强度减弱到一半，则需要穿过12.7mm厚的铅层(铅的吸收能力很强)，所以射线在放射性测井中能被探测到而得到利用。5、伽马射线与物质的作用射线穿过物质时，与构成物质的原子发生作用，主要产生如下现象：光电效应，康普顿效应，电子对效应。(1) 光电效应：射线穿过物质，与构成物质的原子中的电子相碰撞，量子将其所有能量交给电子，使电子脱离原子而运动形成光电子，量子本身则整个被吸收，这种效应称为光电效应。光电效应和射线的能量与吸收物质的原子序数有密切关系，随原子序数增加而迅速增大，但随射线能量增大光电效应迅速减小。（岩性密度测井的部分原理）(2) 康普顿效应：能量较大的射线穿过物质和电子碰撞时，量子能量一部分转交给电子，使电子以与量子的初始运动方向成角的方向射出，形成康普顿电子，量子则朝着与其初始运动成角的方向散射，这种效应称为康普顿效应。射线通过物质时，康普顿散射会导致射线强度减弱，其减弱常以散射吸收系数表示，与射线的能量、吸收物质的原子序数以及吸收物质单位体积内的电子数有关，随射线的能量增大而减小。 康普顿吸收系数， 为康普顿散射截面。由上式知 ，这就是岩性密度测井的原理。(3) 电子对效应。当射线的能量大于1.022MeV时，它与物质作用，光子即转化为一个正电子和一个负电子，而其本身被吸收。射线通过物质时，以上三种作用都可能发生，但是，射线能量低时以光电效应为主，能量较高时以康普顿效应为主，能量很高时以电子对效应为主。(4) 伽马射线的吸收。射线通过物质时，会发生以上三种作用，伽马量子被吸收，射线强度逐渐减弱，其程度随吸收物质的吸收系数增大而加剧。实验证明射线强度和穿过吸收物质的厚度有如下关系：其中：、分别为未经吸收物质和经过厚度为的吸收物质的射线强度；为射线经过的吸收物质的厚度；为总吸收系数，由光电效应、康普顿散射以及电子对效应的吸收系数所决定。6、中子与物质的作用中子按其具有的动能可分为以下几类：a、慢中子：1的中子，其中为0.025左右的中子叫热中子，0.210的中子为超热中子。b、中能中子：1500的中子。中子在物质中运动，可与物质产生如下几种作用：(1) 非弹性散射。高能快中子与原子核碰撞时，将产生非弹性散射，并放射出射线，例如高能中子打到碳原子核上就会产生非弹性散射。（C/O比能谱测井的原理）(2) 快中子对原子核的活化：除非弹性散射外，还发生(反应截面大，可被测井应用)、即(反映截面小)。识别岩性的硅测井识别岩性和测定泥质含量的铝测井(3) 弹性散射：高能快中子经过一、二次非弹性散射后，降低了能量，再和原子核碰撞时就只能发生弹性散射了。中子和原子核发生碰撞前后，中子和靶核的总动量不变，中子损失的能量变成了靶核的动能，而中子能量减小，运动速度降低并发生散射。在弹性散射过程中，靶核越轻，它得到的能量越多，中子损失的能量就越大，速度下降就越大。(4) 辐射俘获。在热中子的作用下，几乎所有元素都产生辐射俘获。这种核反应就是靶核将热中子俘获而处于激发态，又很快以射线的形式将激发能释放掉而回到稳定的基态。靶核每俘获一个热中子可以放出一个、两个和三个量子。二、放射性强度的探测器、放射性强弱的表示（放射性单位）(1)放射性强弱通常以放射性源每单位时间内发生衰变的原子核数来表示。作为强度的单位，1居里定义为每秒有3.7x1010次核衰变。居里的单位太大，常用居里的千分之一 毫居里作为单位。 1居里3.7 x1010贝可勒尔另外，放射性测井中，也常用计数率 脉冲/分钟作为放射性强度的单位。(2)放射性浓度单位。表示的是单位质量或单位体积的物质的放射性强度。最常用的单位是： 克镭当量/克：每克物质中含有相当于一克镭的放射性就称为一克镭当量/克，所以“克镭当量/克”单位就等于每克物质的放射性强度为一居里。2、放射性强度的探测器(1) 放电计数管：利用放射性辐射使气体电离的特性探测 射线。(2) 闪烁计数器：它由光电倍增管和碘化钠晶体组成，它是利用被射线激发的物质的发光现象来探测 射线。(3) 中子的探测：中子与带电粒子不同，不能直接使气体电离，它与原子中电子作用的几率又很小，主要是与原子核发生作用。因此，探测中子主要依靠中子和原子核的核反应进行的，测井用到的有两类探测器，三氟化硼正比计数管和锂玻璃探测器硼俘获热中子的核反应式为：，利用射线使计数管内气体电离，形成脉冲电流。锂俘获热中子的核反应式为，也是利用核反应放出射线来记录中子。第二节 伽马测井一、自然伽马测井把仪器放到井下，测量地层放射性强度的方法叫自然伽马测井(GR)。这种方法已有很长的历史，GR与SP相配合能很好地划分岩性和确定渗透性地层，GR的另一优点是可在套管井中测量。、岩石的放射性岩石的放射性，主要是由于含有铀(U)、钍(Th)、钾(K)等放射性元素，所以岩石的放射性强度决定放射性元素的含量。一般条件下，岩石的放射性物质含量很少，按放射性的强弱沉积岩可分为以下几类：(1) 自然伽马放射性高：放射性软泥、红色粘土、海绿石砂岩、独居石等岩石。(2) 自然伽马放射性中：浅海相和陆上沉积的泥质岩石，如泥质砂岩，泥质石灰岩，泥灰岩等。(3) 自然伽马放射性低：砂岩、石灰岩、石膏、岩盐、煤和沥青等、自然伽马测井测量原理测量原理如图，测量装置由井下仪器和地面仪器组成。下井仪器有探测器（闪烁计数管）、放大器和高压电源等几部分。自然伽马射线由岩层穿过泥浆、仪器外壳进入探测器，探测器将射线转化为电脉冲信号，经放大器把电脉冲放大后由电缆送到地面仪器。早期的自然伽马曲线采用计数率（脉冲/分钟）单位，曲线用表示，现今的自然伽马测井都采用标准刻度单位API，曲线用GR表示。定义高放射性地层与低放射性地层读数之差为200API单位，作为标准刻度单位。、自然伽马测井曲线把自然伽马测井仪下到井中，测量地层放射性强度随深度变化的曲线，称为自然伽马曲线(GR)。(1) 曲线特点。根据理论计算自然伽马测井理论曲线如图。其特点为：a、曲线对称于地层中点，在地层中点处有极大值或极小值，反映该层放射性大小。b、当地层厚度h小于三倍的钻头直径d0 (h 3d0)时，极大值随h而（极小值随h而）。当h3d0时，极大值（或极小值）为一常数，与地层厚度无关，与岩石的自然放射性强度成正比。c、h3d0时，由曲线的半幅点确定的底厚度等于地层的真实厚度，当h 3d0时，由半幅点确定的地层厚度大于地层的真实厚度，而且越薄，大得越多。理论曲线是在测速为零、点状计数管的条件下计算得到的，但实际测井中，计数管不是点状的，测速也不为零，所以实测曲线和理论曲线是有些差异的，但基本形状仍然相似。(2) 自然伽马测井曲线的影响因素a、层厚的影响。地层变薄会使泥岩层的自然伽马测井曲线值下降，砂岩层的自然伽马测井曲线值上升，并且地层越薄，这种下降和上升就越多。因此对h 3d0的地层，应用曲线时，应考虑层厚的影响。b、井参数的影响。井径的扩大意味着下套管井水泥环增厚和裸眼井泥浆层增厚。若水泥环和泥浆不含放射性元素，则水泥环和泥浆层增厚会使GR值降低，但由于泥浆有一些放射性，所以泥浆的影响很小。套管的钢铁对射线的吸收能力很强，所以下了套管的井，GR值会有所下降。c、放射性涨落的影响。在放射性源强度和测量条件不变的条件下，在相等的时间间隔内，对放射性的强度进行重复多次测量，每次记录的数值是不相同的，而总是在某一数值附近上下变化，这种现象叫放射性涨落。它和测量条件无关，是微观世界的一种客观现象，且有一定的规律性。这种现象是由于放射性元素的各个原子核的衰变彼此是独立的，衰变的次序是偶然的等原因造成的。由于放射性涨落的存在，使得GR曲线不像电测井光滑。放射性测井曲线上读数的变化，一是由地层性质变化引起的，另一方面是由放射性涨落引起的，要对放射性测井曲线进行正确地质解释，必须正确区分这两种原因造成的曲线变化。d、测速的影响。测井时的仪器上提速度是对GR曲线产生影响。测速越大，GR关于地层越不对称。（一般是的影响，为积分电路时间常数）（）自然伽马测井曲线的应用划分岩性。主要根据地层中泥质含量的变化引起GR曲线幅度变化来区分不同的岩性。、砂、泥岩剖面 砂岩（GR值低）泥岩（GR值）II、碳酸盐剖面 白云岩、石灰岩（GR值低）泥岩（GR值）III、膏岩剖面 岩盐、石膏（GR值低）泥岩（GR值）进行地层对比 GR曲线与地层中所含流体性质无关，其幅度主要决定于地层中的放射性物质，通常对于不同岩性其幅度较为稳定，另外，对比的标准层也易选取，通常选用厚度泥岩作标准层，进行油田范围或区域范围内的地层对比估算地层中泥质含量首先用自然伽马相对幅度的变化计算出泥质含量指数IGR： ：目的层自然伽马幅度；、为纯泥岩、纯砂岩的自然伽马幅度。通常IGR的变化范围为，用下式将IGR转化成泥质含量sh: :希尔奇指数，可根据实验室取芯分析资料确定。二、自然伽马能谱测井自然伽马测井只能测量地层中放射性元素的总含量，无法分辨地层中含有什么样的放射性元素，为此研制了自然伽马能谱测井，即测量不同放射性元素放射出不同能量的射线，从而确定地层中含有何种放射性元素。根据实验室对铀、钍、钾放射的射线能量的测定，发现铀、钍、钾放射的射线谱都存在各自易鉴别的特征谱峰。自然伽马能谱测井的探测器与GR基本相同，所不同的是其增加了多道脉冲，能分别测量不同幅度的脉冲数，从而得出不同能量的射线能谱，用以测定不同的放射性元素。自然伽马能谱测井根据测出的射线特征峰值，经刻度可输出铀、钍、钾三条曲线及一条总的自然伽马曲线。自然伽马能谱测井除了GR曲线的应用外，还可研究沉积环境，区分粘土矿物。第三节 密度测井密度测井是一种孔隙度测井。测量由伽马源放出并经过岩层散射和吸收而回到探测器的射线的强度，用来研究岩层的密度等岩层性质，求得岩层的孔隙度。一、 测井和补偿密度测井1密度测井基本原理密度测井主要是利用康普顿散射现象，测井时使用的铯伽马源，它放出的量子的能量不是很高，所以与岩层主要产生康普顿散射。射线强度减弱主要和康普顿吸收系数有关，而与岩石的体积密度有关，所以通过测量散射射线的强度就反映岩层的体积密度。这就是密度测井可以用来研究岩层体积密度的基本原理。在进行密度测井时，把装有源、伽马探测器（这两者之间保持一定距离，称之为源距）以及电子线路的下井仪器放入井中。源和探测器装在滑板上，滑板装在可伸缩的仪器臂上，以液压方法把滑板推靠到井壁上。源放出的伽马射线在岩层中运动，因为散射吸收，强度逐渐减弱，然后由探测器接收经过岩石散射后未吸收而到达探测器的散射伽马射线。岩层密度大，则吸收得多，散射射线计数率就小，反之则计数率就大。如果把仪器在已知密度的介质中事先刻度好，则可以把散射射线计数率换算成岩层体积密度，直接记录出各个岩层的体积密度来。密度测井的探测深度不大，一般局限在冲洗带内，所以仪器和井壁之间的泥饼等介质对测井结果有较大影响，必须予于校正。所以密度测井多采用长源距和短源距的双探测器装置，以便对泥饼等介质的影响加以校正。这种双源距密度测井也称为补偿密度测井。密度测井曲线的应用确定地层孔隙度根据测出的地层密度值，而骨架密度和孔隙流体密度可求出。从而可得地层孔隙度，但一般不单独使用密度测井确定，而是利用中子密度测井组合法。划分含气地层对于含气地层，降低，使孔隙度增大，而中子曲线因气层的含氢量降低，使孔隙度变小，所以利用密度测井和中子测井曲线重合可划分气层。二、岩性密度测井岩性密度测井是在补偿地层密度的基础上发展起来的，除利用康普顿效应求地层密度外，还利用光电效应来划分岩性。岩性密度测井测量与岩石成分密切相关的光电吸收截面指数的同时，还测一条岩石体积密度曲线，反映了构成岩石元素的电子密度，电子密度与电子密度系数之间的关系为： ：原子序数；阿佛加德罗常数（6.02 x1023）。用充满水的石灰岩对仪器进行刻度，得出体积密度与之间的关系。为了更好地利用曲线对多矿物组分进行分析，定义一新参数，为体积光电吸收截面指数：。对于单一骨架矿物的岩石，孔隙度为，孔隙中含水，则： ，分别为岩石骨架和孔隙中液体的体积光电吸收截面指数。利用参数可对岩石的成分进行分析。岩性密度测井为了同时记录和曲线，根据伽马射线能谱分布，在测井仪中设计了长、短源距探测器的能量窗口。对长源距探测器开有高能窗口（）和低能窗口（），高能窗口在康普顿散射区内获得地层密度信息；在低能窗口内获得光电吸收的信息，即反映岩石成分的信息。短源距探测器只设高能窗口（），利用这样的装置，岩性密度测井可给出和曲线。岩性密度测井的应用：划分岩性。不同岩石的值不同，存在明显差别，而且受孔隙度的影响小，所以根据值可划分岩性。如果岩石骨架由两种或三种矿物成分组成，可用，和值来确定矿物组成含量。第四节 中子测井中子测井是利用中子探测器直接测量地下地层中的热中子和超热中子的密度。一、热中子测井由装在下井仪器里的中子源发出中子打入地层，在地层中经过多次弹性散射，快中子变成热中子。在中子减速过程中，氢是岩石对中子减速的决定因素。因此含氢量的多少就决定了热中子的空间分布。在中子源周围氢多的情况下，中子源发出的中子在其附近就迅速减速为热中子，所以中子源附近热中子密度较大，待热中子向周围扩散时，不仅空间扩大而且由于被周围原子核俘获的原因，在到达离中子源较远的地方，就很小了。但是，当中子源附近氢含量低时，中子要经过较大的距离才能转化为热中子，所以在离中子源较远的地方，热中子密度较大，而较近的地方热中子密度较小。热中子密度和源距的理论关系曲线如图。从图可看出，在小源距情况下，随含氢量的增大而增大，而在大距离情况下，恰好相反，随含氢量的增大而减小。在某源距下，不同含氢量具有相同的热中子密度，这个源距称为零源距。热中子测井时，选择的源距大于零源距，即相当于大源距的情况，含氢量越高，热中子的测量计数率越低，反之则计数率高。热中子测井曲线读数大致和地层含氢量的对数成比例。如果孔隙中全充满液体（油和水），且不含有结晶水的矿物以大量的泥质（含有较多的束缚水和结晶水），则含氢量直接反映地层的孔隙度，这就是热中子测井可用来确定地层孔隙度的基本原理。在地层含氯量很高的情况下，热中子的空间分布不仅与地层的含氢量有关，还与含氯量有关，由于热中子被氯原子核强烈地俘获，使热中子密度与含氢相同而含氯量低的地层相比有明显的下降，所以普通热中子测井反映地层孔隙度受地层水含氯量的影响。但在含氯量很小和泥质含量也很少的情况下，这种测井还是能较好地反映地层孔隙度。为了消除含氯量的影响，多采用补偿热中子测井。下井仪器设计成双源距探测器，分别由长、短源距两个探测器测得两个计数率（长源距约为0.53m(21in)，短源距约为0.32m(12.7in)）。由地面仪器计算这两个计数率的比值，通过模拟计算装置计算出中子测井孔隙度，最后以线性比例尺直接记录出曲线，这就是补偿种子测井。这种测井不仅能消除氯含量的影响，同时因为长、短源距的计数率所受的干扰相同，而大大减小了井眼参数的影响。二、超热中子测井根据实验结果知道超热中子空间的分布与热中子有相同的规律。所以探测超热中子也可以反映地层的含氢量，不仅如此，氯原子核对超热中子的俘获截面很小，超热中子在地层中的空间分布，受地层含氯量的影响小，这样超热中子密度与地层含氢量的关系更为密切，因而也能更准确地反映地层的孔隙度变化。超热中子测井仪中中子探测器外包有镉和石蜡层，避免热中子进入探测仪中造成干扰。中子源和探测器装在同一滑板上，用推靠器使滑板紧贴井壁。这就是所谓的井壁超热中子测井。井壁超热中子也多采用双源距补偿中子测井仪。井壁超热中子测井的优点是：(1)探测器紧贴井壁，减少了井的影响；(2)记录超热中子，使岩石骨架和地层水中热中子强吸收体（如氯和硼）的影响降到最小。三、中子测井曲线的应用、确定地层孔隙度中子测井仪是用石灰岩进行刻度的，对于石灰岩地层，中子测井的读数即为地层的真孔隙度，但对于其它岩性，就要进行岩性校正。、用中子密度、中子声波组合确定地层孔隙度和判断岩性。、用补偿种子(CNL)与补偿地层密度(FDC)测井曲线划分含气地层。第五节 中子寿命测井中子寿命测井用脉冲中子源向地层发射高能中子，高能中子进入地层后，与岩石中的原子核发生多次碰撞后减速为热中子，然后全部吸收，研究地层中热中子寿命的方法，称为中子寿命测井，用这种测井方法可划分油、气、水层。一、中子寿命测井的基本原理由井下仪器的脉冲中子源在井内向地层发射14MeV的快中子，经过地层原子核的散射减速为热中子，直至被俘获，产生俘获射线。从变为热中子的瞬时起到热中子大部分(约为63.7%)被岩石原子核俘获为止，热中子所经过的这段平均时间称为热中子寿命，用表示。的长短与岩石的宏观俘获截面密切相关，显然越大，热中子寿命就越短，它们之间有倒数关系，在无线均匀地层中：热中子速度，是个常数(2.2x105cm/s)；：岩石的宏观俘获截面(cm-1)。是岩石中各个元素的微观俘获截面的总和。在沉积岩中，除硼以外，以氯的为最大，所以岩石的主要取决于氯的含量，所以记录热中子寿命或岩石的均能反映地层中含氯量的多少。盐水层比油层的含氯量大。因此盐水层有比油层大得多和热中子寿命小得多的特点，所以中子寿命测井可以用来划分盐水层和油层。热中子在地层内的扩散中，地层中某点的热中子密度按下式规律衰减： 式中，N0、N分别为开始衰减时和经过时间T后的热中子密度；为岩石的热中子寿命。进行中子寿命测井时，在发出脉冲中子之后的间歇时间内，选取两个适当的延迟时间和，分别测量热中子被原子核俘获后放出的俘获射线，进而求出热中子寿命。 两式相除可得： 根据上式，通过计算，就可得出岩石中子寿命曲线或根据和岩石的的关系得出岩石宏观俘获截面曲线。二、中子寿命测井的由于应用、划分油水层含氯量较高的水层，对热中子的俘获截面大，所以曲线幅度小，并且随着延迟时间增大而衰减得快。油层则由于热中子的俘获截面小而曲线幅度较大，且随时间延迟增大衰减得慢，所以配合自然伽马测井曲线GR，可用来划分油水层。、另外，还可用来判断气层，定量求含油饱和度。第六节 碳氧比能谱测井C/O能谱测井就是测量由快中子与地层中的碳、氧元素发生非弹性散射时，放射出的非弹性散射射线。即测量放射出的的非弹性散射射线和放射出的的非弹性散射射线。由于非弹性散射射线、俘获射线及活化元素射线分布的时间不同，可以采用与发射中子脉冲的同步技术，把非弹性散射射线与其它伽马射线区分开。因为原油中含有大量碳元素，而水中含有大量氧元素，几乎不含碳，所以C/O能谱测井选用作为原油的指示元素，作为地层水的指示元素。这样C/O能谱测井就用来区分油、水层。C/O能谱测井的测速为2ft/min。碳氧比能谱测井，通常是先进行连续测井，然后找出有希望的地层进行定点测量。一般情况下，测量下述的连续测井曲线：(1) 监视曲线。这条曲线是用来监视井下中子发生器中子输出的稳定性。(2) C/O能谱测井曲线。采用脉冲门测量，的能窗为3.174.65MeV，的能窗为4.866.62MeV，实际上是测出和非弹性伽马射线的计数率，再得出碳氧比测井曲线。(3) 钙硅比(Ca/Si)测井曲线。由脉冲门测量Ca和Si的非弹性散射射线。Ca的能窗为2.53.30MeV，Si的能窗为1.541.94MeV。Ca/Si测井曲线用于判断地层岩性。(4) 硅钙比(Si/Ca)测井曲线。由俘获门测量，测量Si和Ca元素俘获热中子放出的射线，即测量俘获射线。Ca的能窗为4.866.62MeV，Si的能窗为3.174.65MeV。Si/Ca测井曲线用来指示地层岩性的变化。在下套管井中用C/O比能谱测井划分油、水层和找出水淹是有效果的。另外，对高、低孔隙度地层，采用不同的解释模型可用目的层C/O比来计算含油饱和度So。.