放射性測井之自然伽馬測井

1、1放射性測井是近代核物理學(xué)成果在測井工作中的應(yīng)放射性測井是近代核物理學(xué)成果在測井工作中的應(yīng)用。放射性測井方法相對(duì)其它測井方法的優(yōu)點(diǎn)是適用。放射性測井方法相對(duì)其它測井方法的優(yōu)點(diǎn)是適用范圍廣泛，它可以在裸眼井、套管井中、空井、用范圍廣泛，它可以在裸眼井、套管井中、空井、水基和油基泥漿井中進(jìn)行測量。水基和油基泥漿井中進(jìn)行測量。（1）自然伽馬測井）自然伽馬測井（2）自然伽馬能譜測井）自然伽馬能譜測井（3）密度測井）密度測井（4）中子測井）中子測井（5）脈沖中子測井）脈沖中子測井放射性測井2核物理基礎(chǔ)知識(shí)1）原子的結(jié)構(gòu)：原子核（質(zhì)子）原子的結(jié)構(gòu)：原子核（質(zhì)子+中子）中子）+核外電子核外電子2）放射性核素

2、）放射性核素 核素核素：原子核中具有相同數(shù)量的質(zhì)子和中子并在同一能態(tài)上的同類原子：原子核中具有相同數(shù)量的質(zhì)子和中子并在同一能態(tài)上的同類原子 （同類核素的原子核中質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都相同）。（同類核素的原子核中質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都相同）。 放射性核素放射性核素：不穩(wěn)定的核素：不穩(wěn)定的核素 （ 其結(jié)構(gòu)和能量都會(huì)發(fā)生改變，其結(jié)構(gòu)和能量都會(huì)發(fā)生改變， 衰變成其他核素，并放出射線）。衰變成其他核素，并放出射線）。 同位素同位素：原子核中質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同，但具有相同的化學(xué)性質(zhì)，：原子核中質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同，但具有相同的化學(xué)性質(zhì)， 在元素周期表中占有同一位置。在元素周期表中占有同一位置。 放射性同位素：不

3、穩(wěn)定的同位素。放射性同位素：不穩(wěn)定的同位素。放射性：不穩(wěn)定核素原子核自發(fā)地釋放放射性：不穩(wěn)定核素原子核自發(fā)地釋放 、 等射線等射線一、核衰變及放射性一、核衰變及放射性33） 核衰變核衰變 核衰變：原子核自發(fā)地釋放出一種帶電粒子，并蛻變成另外某種原子核，核衰變：原子核自發(fā)地釋放出一種帶電粒子，并蛻變成另外某種原子核， 同時(shí)放出伽馬射線。同時(shí)放出伽馬射線。 核衰變常數(shù)核衰變常數(shù)：決定于該放射性核素本身的性質(zhì)，其值越大衰變?cè)娇臁＃簺Q定于該放射性核素本身的性質(zhì)，其值越大衰變?cè)娇臁?一種元素經(jīng)過放射變成另一種元素的過程稱為衰變或蛻變。一種元素經(jīng)過放射變成另一種元素的過程稱為衰變或蛻變。 例如例如 88R

4、a226 86Rn212+ (粒子粒子) 衰變衰變 鐳鐳 氡氡 (注：原子核的表示方法注：原子核的表示方法 ZXA X元素符號(hào)，元素符號(hào)，Z為質(zhì)子數(shù)，為質(zhì)子數(shù)，A為質(zhì)量數(shù)為質(zhì)量數(shù)A=N+Z) 4) 放射性強(qiáng)（活）度放射性強(qiáng)（活）度 一定量的放射性核素，在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的核數(shù)。一定量的放射性核素，在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的核數(shù)。 放射性強(qiáng)（活）度的單位，放射性強(qiáng)（活）度的單位，1居里居里(Ci)=3.71010次衰變次衰變/秒秒 5）放射性射線的性質(zhì)）放射性射線的性質(zhì) 2He4流，極易被吸收，電離本領(lǐng)強(qiáng)，在物質(zhì)中穿透距離很小。流，極易被吸收，電離本領(lǐng)強(qiáng)，在物質(zhì)中穿透距離很小。 高速運(yùn)動(dòng)的電子流，

5、在物質(zhì)中穿透距離較短。高速運(yùn)動(dòng)的電子流，在物質(zhì)中穿透距離較短。 頻率很高的電磁波或光子流，不帶電，能量高，穿透力強(qiáng)。頻率很高的電磁波或光子流，不帶電，能量高，穿透力強(qiáng)。46)衰變規(guī)律衰變規(guī)律 對(duì)含有一大堆原子的放射性物質(zhì)來說，其中某一個(gè)原子何時(shí)放射衰變完全對(duì)含有一大堆原子的放射性物質(zhì)來說，其中某一個(gè)原子何時(shí)放射衰變完全是偶然的，無法預(yù)計(jì)的，但是對(duì)許多原子的整體來說，某一時(shí)刻平均有多少原子是偶然的，無法預(yù)計(jì)的，但是對(duì)許多原子的整體來說，某一時(shí)刻平均有多少原子發(fā)生衰變是符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律的。發(fā)生衰變是符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律的。 這一規(guī)律是：某一時(shí)刻的衰變率這一規(guī)律是：某一時(shí)刻的衰變率dN/dt (單位時(shí)間衰變的原

6、子核數(shù)單位時(shí)間衰變的原子核數(shù)) 與當(dāng)時(shí)存與當(dāng)時(shí)存在的原子核數(shù)在的原子核數(shù) N，二者成正比，二者成正比 即即 dN/dt= N 為衰變系數(shù)為衰變系數(shù)(比例系數(shù)比例系數(shù))，負(fù)號(hào)表示原子核數(shù)隨時(shí)間的增長而減小。，負(fù)號(hào)表示原子核數(shù)隨時(shí)間的增長而減小。 積分得到：積分得到：N=Noe- t No為最初參與衰變的原子核數(shù)為最初參與衰變的原子核數(shù)(t=0時(shí)，時(shí)，N=No) N為衰變之中為衰變之中 t時(shí)刻存在的原子核數(shù)時(shí)刻存在的原子核數(shù)57）半衰期半衰期T 以最先參與衰變的原子核數(shù)以最先參與衰變的原子核數(shù)No為基數(shù)，衰變成為基數(shù)，衰變成No/2時(shí)，經(jīng)歷時(shí)間為時(shí)，經(jīng)歷時(shí)間為T， 即：當(dāng)即：當(dāng)N=No/2時(shí)所需的

7、時(shí)間時(shí)所需的時(shí)間 No/2=Noe- T 得到得到Tln2/ =0.693/ 元素名稱元素名稱 半衰期半衰期 92U238 鈾鈾 4.47109年年 K40 鉀鉀 1.28109年年 Co60 鈷鈷 5.27年年 Cs137 銫銫 30年年 各種物質(zhì)的衰變系數(shù)不同，所以半衰期不同，地質(zhì)上可利用各種物質(zhì)的衰變系數(shù)不同，所以半衰期不同，地質(zhì)上可利用半衰期很長的元素來確定地層的地質(zhì)年代。如：半衰期很長的元素來確定地層的地質(zhì)年代。如：6二、天然放射性的衰變性質(zhì)二、天然放射性的衰變性質(zhì) 1、天然放射性的來歷1）成系的）成系的(重元素重元素:原子序數(shù)原子序數(shù)81) 鈾系鈾系 92U238 82Pb206

8、(鉛鉛) 釷系釷系 90Th232 82Pb208 (鉛鉛) 錒系錒系 89Ac227 82Pb207 (鉛鉛) i)此三系通過此三系通過 、 衰變，最后達(dá)到穩(wěn)定的鉛同位素衰變，最后達(dá)到穩(wěn)定的鉛同位素82Pb206 (鉛鉛) ii)在在 ， 衰變的過程中，放出衰變的過程中，放出 、 粒子，伴隨放出粒子，伴隨放出 射線。射線。2） 不成系的不成系的(中等元素中等元素:原子序數(shù)原子序數(shù) 30Z81) 主要是鉀主要是鉀 19K39 19K40 19K41 其中，其中，19K40 是不穩(wěn)定的元素是不穩(wěn)定的元素,它隨時(shí)都可能放出它隨時(shí)都可能放出 射線射線72、天然放射性的衰變性質(zhì)、天然放射性的衰變性質(zhì)1

9、) 天然放射性衰變分為天然放射性衰變分為： 衰變衰變、 衰變和衰變和 衰變衰變 衰變：放出衰變：放出 射線的衰變。射線的衰變。通式為：通式為： ZXA Z-2YA-4+ (兩個(gè)正電荷兩個(gè)正電荷)例如：例如： 衰變衰變 92U238 90Th234+ 衰變：放出衰變：放出 射線的衰變。射線的衰變。通式為：通式為： Z ZX XA A Z+1Z+1Y YA A+ + ( (一個(gè)負(fù)電荷一個(gè)負(fù)電荷) )例如：例如： 衰變衰變 9090ThTh234234 9191PaPa234234+ + 衰變：放出衰變：放出 射線的衰變。射線的衰變。 射線通常是在射線通常是在 、 衰變的過程中伴隨放出的。衰變的過程

10、中伴隨放出的。82) 、 和和 射線比較射線比較射線種類射線種類 射線射線 射線射線 射線射線產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因 衰變放出衰變放出 衰變放出衰變放出 、 衰變伴隨放出衰變伴隨放出實(shí)物實(shí)物氦氦(2He4)原子核流原子核流高速運(yùn)動(dòng)的電子流高速運(yùn)動(dòng)的電子流頻率很高的電磁波頻率很高的電磁波波長波長3x10-1110-9cm波速近似于光速波速近似于光速帶電性帶電性2He4帶有兩個(gè)質(zhì)子帶有兩個(gè)質(zhì)子兩個(gè)正電荷兩個(gè)正電荷每個(gè)每個(gè) 粒子帶有一粒子帶有一個(gè)負(fù)電荷個(gè)負(fù)電荷不帶電不帶電能量能量410MeV1 MeV0.055MeV穿透能力穿透能力空氣中空氣中 2.6-11.5cm巖石中巖石中 103 cm空氣中空氣中

11、幾十幾十cm巖石中巖石中 幾幾cm空氣中空氣中 幾百幾百cm巖石中巖石中 幾十幾十cm測井能否利用測井能否利用不能不能不能不能能能9三、巖石的天然放射性UThK 射線101 1、火成巖的放射性、火成巖的放射性 幾點(diǎn)規(guī)律：幾點(diǎn)規(guī)律：1) 火成巖所含放射性零散而不均勻火成巖所含放射性零散而不均勻 2) 酸性酸性 中性中性 基性基性 超基性超基性 SiO2的含量的含量 大大 小小 顏色顏色 淺淺 深深 放射性元素含量放射性元素含量 大大 小小 3)火成巖放射性元素主要是：釷火成巖放射性元素主要是：釷(Th) 鉀鉀(K) 鈾鈾(U) 鐳鐳(Ra) 112、沉積巖的放射性、沉積巖的放射性 幾點(diǎn)規(guī)律：幾點(diǎn)

12、規(guī)律： 1)沉積巖本身不含有放射性元素，其放射性元素來自火成巖。我們知道沉積巖本身不含有放射性元素，其放射性元素來自火成巖。我們知道機(jī)械和化學(xué)力的綜合侵蝕作用以及搬運(yùn)產(chǎn)生了沉積巖，由于搬運(yùn)和沉積的環(huán)機(jī)械和化學(xué)力的綜合侵蝕作用以及搬運(yùn)產(chǎn)生了沉積巖，由于搬運(yùn)和沉積的環(huán)境不同，使各種沉積巖的放射性元素的含量產(chǎn)生了差異境不同，使各種沉積巖的放射性元素的含量產(chǎn)生了差異 。 2)沉積巖的放射性強(qiáng)度取決于沉積巖的放射性強(qiáng)度取決于泥質(zhì)含量泥質(zhì)含量(粘土含量粘土含量) 原因：原因： a.粘土顆粒細(xì)，具有較大的粘土顆粒細(xì)，具有較大的比面比面（吸附放射性元素的能力強(qiáng)）（吸附放射性元素的能力強(qiáng)） b.粘土顆粒細(xì)，沉積

13、的時(shí)間長（有充分的時(shí)間與放射性元素接觸）粘土顆粒細(xì)，沉積的時(shí)間長（有充分的時(shí)間與放射性元素接觸） c.粘土沉積物中有含粘土沉積物中有含鉀礦物鉀礦物（如：水云母、正長石等（如：水云母、正長石等)3)沉積物的顏色由沉積物的顏色由淺淺深深，其放射性強(qiáng)度由，其放射性強(qiáng)度由小小大大。 4)隨鉀含量的增大，放射性強(qiáng)度增大。隨鉀含量的增大，放射性強(qiáng)度增大。 5)孔隙度孔隙度 和和滲透率減小，放射性強(qiáng)度增大。滲透率減小，放射性強(qiáng)度增大。123、變質(zhì)巖的放射性、變質(zhì)巖的放射性變質(zhì)巖的放射性取決于變質(zhì)巖的變質(zhì)巖的放射性取決于變質(zhì)巖的源巖源巖正變質(zhì)巖：由火成巖變質(zhì)而來正變質(zhì)巖：由火成巖變質(zhì)而來副變質(zhì)巖：由沉積巖變質(zhì)

14、而來副變質(zhì)巖：由沉積巖變質(zhì)而來例如某井：例如某井： 正片麻巖正片麻巖 副片麻巖副片麻巖 角閃巖角閃巖 榴輝巖榴輝巖 蛇紋巖蛇紋巖 大大 小小自然自然伽馬伽馬13第一節(jié) 自然伽馬測井Gamma Ray Logging GR測井是以研究巖層天然放射性為基礎(chǔ)，進(jìn)而研究巖層性質(zhì)和有關(guān)地質(zhì)問題的一種測井方法14一、自然伽馬測井原理 GR測井儀工作原理測井儀工作原理15一、自然伽馬測井原理一、自然伽馬測井原理 1) 射線探測器探測到地層的射線探測器探測到地層的 射線，并將射線，并將 射線變換成電脈沖信號(hào)射線變換成電脈沖信號(hào)(每一道每一道 射線變換成一個(gè)電脈沖信號(hào)射線變換成一個(gè)電脈沖信號(hào))。2)此電脈沖信號(hào)

15、送入井下的放大器進(jìn)行放大。此電脈沖信號(hào)送入井下的放大器進(jìn)行放大。3)放大的脈沖信號(hào)送入地面的放大器進(jìn)行放大（其原因是脈沖信放大的脈沖信號(hào)送入地面的放大器進(jìn)行放大（其原因是脈沖信號(hào)經(jīng)電纜傳輸后會(huì)衰減號(hào)經(jīng)電纜傳輸后會(huì)衰減)。4)由于脈沖信號(hào)中混合了一些干擾信號(hào)，需經(jīng)過鑒別器進(jìn)行鑒別，由于脈沖信號(hào)中混合了一些干擾信號(hào)，需經(jīng)過鑒別器進(jìn)行鑒別，排除干擾。排除干擾。5)將一些畸變的脈沖信號(hào)送入整形器進(jìn)行整形。將一些畸變的脈沖信號(hào)送入整形器進(jìn)行整形。6)歸一后的波形送入計(jì)數(shù)電路記錄單位時(shí)間內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)，最后得到歸一后的波形送入計(jì)數(shù)電路記錄單位時(shí)間內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)，最后得到自然伽馬測井曲線。自然伽馬測井曲線。(單位：

16、脈沖單位：脈沖/分鐘分鐘)16砂泥巖剖面砂泥巖剖面GR曲線曲線GR(API)SSSNNSNSN17探測半徑：探測半徑： 煤、金屬礦鉆孔直徑：煤、金屬礦鉆孔直徑：d 20cm 探測半徑：探測半徑： R=2545cm油氣田鉆孔直徑油氣田鉆孔直徑: d 30cm 探測半徑：探測半徑： R=3050cmab段：探測器遠(yuǎn)離界面，直到探測器中點(diǎn)離段：探測器遠(yuǎn)離界面，直到探測器中點(diǎn)離界面的距離為界面的距離為R，探測器的探測范圍內(nèi)是低，探測器的探測范圍內(nèi)是低放射性物質(zhì)。放射性物質(zhì)。bcd段：探測器上移過界面，直到探測器中點(diǎn)離段：探測器上移過界面，直到探測器中點(diǎn)離界面的距離為界面的距離為R。 1)隨探測器上移，

17、探測器探測范圍內(nèi)的高放隨探測器上移，探測器探測范圍內(nèi)的高放射性物質(zhì)逐漸增大，使曲線上升，直到探測器中射性物質(zhì)逐漸增大，使曲線上升，直到探測器中點(diǎn)離底界面的距離為點(diǎn)離底界面的距離為R時(shí)為止。時(shí)為止。 2)探測器中點(diǎn)位于界面時(shí)，探測范圍內(nèi)的高探測器中點(diǎn)位于界面時(shí)，探測范圍內(nèi)的高低放射性物質(zhì)各占一半，所以此點(diǎn)為曲線的半幅低放射性物質(zhì)各占一半，所以此點(diǎn)為曲線的半幅值點(diǎn)。值點(diǎn)。de段：探測器中點(diǎn)離底界面的距離為段：探測器中點(diǎn)離底界面的距離為R時(shí)時(shí)開始，直到探測器中點(diǎn)離頂界面的距離開始，直到探測器中點(diǎn)離頂界面的距離為為R時(shí)為止。探測器的探測范圍內(nèi)是高放時(shí)為止。探測器的探測范圍內(nèi)是高放射性物質(zhì)射性物質(zhì)efg

18、段：分析方法同段：分析方法同bcd段。段。gh段段: 分析方法同分析方法同ab段。段。 注注：薄層用薄層用2/3幅值分層幅值分層 。二、自然伽馬測井曲線分析18 1、刻度的意義和分級(jí)、刻度的意義和分級(jí) 意義：為了使不同儀器，或者同一儀器在不同的時(shí)間，對(duì)同一的意義：為了使不同儀器，或者同一儀器在不同的時(shí)間，對(duì)同一的地層的測定結(jié)果能夠作定量比較，必須進(jìn)行儀器刻度。地層的測定結(jié)果能夠作定量比較，必須進(jìn)行儀器刻度。（就好比用不同的秤，或者同一秤在不同的時(shí)間對(duì)某一東西進(jìn)行秤量，（就好比用不同的秤，或者同一秤在不同的時(shí)間對(duì)某一東西進(jìn)行秤量，其結(jié)果應(yīng)該一樣，否則就應(yīng)該對(duì)秤進(jìn)行統(tǒng)一刻度其結(jié)果應(yīng)該一樣，否則就應(yīng)

19、該對(duì)秤進(jìn)行統(tǒng)一刻度) 。 刻度分級(jí)：刻度分級(jí)：一級(jí)刻度：國家級(jí)的統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)稱為一級(jí)刻度（標(biāo)準(zhǔn)刻度井）。一級(jí)刻度：國家級(jí)的統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)稱為一級(jí)刻度（標(biāo)準(zhǔn)刻度井）。二級(jí)刻度：各制造廠和大的油田建立區(qū)域級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)稱為二級(jí)刻度二級(jí)刻度：各制造廠和大的油田建立區(qū)域級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)稱為二級(jí)刻度 （刻度裝置或刻度井）。（刻度裝置或刻度井）。三級(jí)刻度：一般現(xiàn)場使用的標(biāo)準(zhǔn)稱為三級(jí)刻度（刻度器、刻度塊）。三級(jí)刻度：一般現(xiàn)場使用的標(biāo)準(zhǔn)稱為三級(jí)刻度（刻度器、刻度塊）。要求：低級(jí)別的刻度裝置必須用高一級(jí)刻度裝置進(jìn)行檢查。要求：低級(jí)別的刻度裝置必須用高一級(jí)刻度裝置進(jìn)行檢查。三、自然伽馬測井儀的刻度 Calibration192、AP

20、I標(biāo)準(zhǔn)刻度井休斯頓大學(xué)的API標(biāo)準(zhǔn)井高放射性高放射性U 12ppmTh 24ppmK 4%混凝土混凝土混凝土混凝土混凝土混凝土低放射性低放射性物質(zhì)物質(zhì)低放射性低放射性物質(zhì)物質(zhì)NNAPI200低高N高高為高放射性混凝土中為高放射性混凝土中的讀數(shù)；的讀數(shù)；N低低為低放射性為低放射性混凝土中的讀數(shù)混凝土中的讀數(shù)America Petroleum Institute-API201、巖層厚度、巖層厚度(1) h6ro h增大，幅值不再增大增大，幅值不再增大 用半幅值點(diǎn)分層用半幅值點(diǎn)分層(2) h6ro h減小，幅值減小減小，幅值減小 用用2/3幅值點(diǎn)分層幅值點(diǎn)分層ro 井眼半徑井眼半徑井眼、鄰層影響井眼

21、、鄰層影響四、自然伽馬測井曲線的影響因素 212、統(tǒng)計(jì)起伏、統(tǒng)計(jì)起伏(也稱統(tǒng)計(jì)漲落也稱統(tǒng)計(jì)漲落) 1)1)現(xiàn)象現(xiàn)象 泥巖的放射性含量是均勻的，泥巖的放射性含量是均勻的，但在同一巖層的各點(diǎn)讀數(shù)不一樣其但在同一巖層的各點(diǎn)讀數(shù)不一樣其讀數(shù)在平均計(jì)數(shù)率讀數(shù)在平均計(jì)數(shù)率n上下波動(dòng)上下波動(dòng) 。經(jīng)理論計(jì)算得到：經(jīng)理論計(jì)算得到：絕對(duì)誤差絕對(duì)誤差 2)2)產(chǎn)生的原因：衰變規(guī)律產(chǎn)生的原因：衰變規(guī)律3)3)統(tǒng)計(jì)漲落的定義統(tǒng)計(jì)漲落的定義：在放射性源強(qiáng)不變，：在放射性源強(qiáng)不變，測量條件不變的情況下，在相等的時(shí)間測量條件不變的情況下，在相等的時(shí)間間隔內(nèi)，重復(fù)觀測放射性強(qiáng)度，每次記間隔內(nèi)，重復(fù)觀測放射性強(qiáng)度，每次記錄的數(shù)值不同，總是在某一數(shù)值錄的數(shù)值不同，總是在某一數(shù)值( (平均平均值值) )上下波動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為放射性漲上下波動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為放射性漲落。落。Mnnnnm21212n 為儀器時(shí)間常數(shù)為儀器時(shí)間常數(shù)223、井參數(shù)的影響、井參數(shù)的影響自然伽馬射線強(qiáng)度的吸收方程自然伽馬射線強(qiáng)度的吸收方程u為系數(shù)吸收，為系數(shù)吸收，L為物質(zhì)的厚度；為物質(zhì)的厚度；J o與與J 為伽馬射線吸收前后的強(qiáng)度。為伽馬射線吸收前后的強(qiáng)度。與井參數(shù)有關(guān)