《核測(cè)井》自然伽馬測(cè)井

主講教師：程超單位：資源與環(huán)境學(xué)院核測(cè)井（放射性測(cè)井）前面知識(shí)回顧一、地層的地球物理特性二、阿爾奇公式7個(gè)→核特性/放射性適用條件→純巖石三、巖石體積物理模型第三章.核測(cè)井核測(cè)井（放射性測(cè)井）：根據(jù)巖石及其孔隙流體的核物理性質(zhì)，研究鉆井地質(zhì)剖面，勘探石油、天然氣、煤以及鈾等有用礦藏的地球物理方法。核測(cè)井的適用條件：核測(cè)井的優(yōu)點(diǎn)：核測(cè)井的缺點(diǎn)：一般的泥漿井、油基泥漿井、高礦化度泥漿井、空氣鉆井（裸眼井、套管井）它是唯一能夠確定巖石及其孔隙流體化學(xué)元素的含量的測(cè)井方法成本高，測(cè)速低，需要有一定的保護(hù)措施，否則會(huì)對(duì)人體有傷害。分類：伽馬類測(cè)井、中子類測(cè)井以及核磁類測(cè)井目前，伽馬射線類測(cè)井方法可以劃分為三亞類：

放射性測(cè)井

(1)通過(guò)測(cè)量放射性元素自然衰變產(chǎn)生的伽馬射線強(qiáng)度，研究地層物理性質(zhì)的一類測(cè)井方法，如GR、NGS、RTS。

(2)通過(guò)測(cè)量伽馬射線與地層相互作用后誘發(fā)產(chǎn)生的伽馬射線的強(qiáng)度來(lái)研究地層物理性質(zhì)的一類測(cè)井方法，如FDL、FDC、（LDL）。

(3)通過(guò)測(cè)量中子射線與地層相互作用后誘發(fā)產(chǎn)生的伽馬射線的強(qiáng)度來(lái)研究地層物理性質(zhì)的一類測(cè)井方法，如NG、CNL。伽馬測(cè)井的核物理基礎(chǔ)原子核的衰變1、原子的結(jié)構(gòu)原子：由原子核及其核外電子層組成的一種很微小的粒子原子核由質(zhì)子中子組成2、同位素同位素：質(zhì)子數(shù)相同的同一類原子核衰變：放射性元素的原子核自發(fā)地釋放出一種帶電粒子（或），蛻變成另外某種原子核，同時(shí)放射出伽馬（）射線的過(guò)程。3、核衰變放射性：自發(fā)地釋放出、

、射線的性質(zhì)放射性核衰變的規(guī)律：放射性核數(shù)隨時(shí)間按指數(shù)遞減的規(guī)律變化,即：N:放射性元素個(gè)數(shù)t：時(shí)間：衰變系數(shù)3、核衰變1巖石的自然伽馬放射性伽馬射線類測(cè)井的理論基礎(chǔ)

巖石的自然放射性是由巖石中放射性核素及其含量決定的。1地層的放射性元素自然界中存在著三個(gè)天然放射系:因此，巖石的自然放射性主要決定于由238U和232Th開(kāi)頭的兩個(gè)放射系和放射性同位素40K。鈾系釷系錒系伽馬射線類測(cè)井的理論基礎(chǔ)α射線1β射線2

射線3e：帶電，質(zhì)量小，易吸收，穿透能力小光子，不帶電，質(zhì)量小，穿透能力強(qiáng)2.射線的種類2He4：帶電，質(zhì)量大，易吸收，穿透能力小伽馬射線類測(cè)井的理論基礎(chǔ)通常α、β、放射性射線同時(shí)產(chǎn)生，但α、β粒子因穿透距離小，而不能被測(cè)井儀器探測(cè)到，因此，在目前條件下，穿透性強(qiáng)的射線是放射性測(cè)井探測(cè)的主要對(duì)象。伽馬光子與物質(zhì)發(fā)生相互作用的過(guò)程中，能量逐漸降低。隨著伽馬光子能量的逐漸減弱，伽馬光子與接觸物質(zhì)間將可能逐級(jí)產(chǎn)生：伽馬射線類測(cè)井的理論基礎(chǔ)3.射線與物質(zhì)的相互作用電子對(duì)效應(yīng)康普頓效應(yīng)光電效應(yīng)能量大于1.022Mev的光子在通過(guò)原子核附近時(shí)，與核的庫(kù)侖場(chǎng)相互作用，可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)正電子和一個(gè)負(fù)電子，而本身被全部吸收，這種效應(yīng)稱為電子對(duì)效應(yīng)。電子對(duì)效應(yīng)：Electronpaireffect伽馬射線通過(guò)單位厚度的吸收介質(zhì)時(shí)，因形成電子對(duì)效應(yīng)而導(dǎo)致伽馬射線的強(qiáng)度減弱，可以用吸收系數(shù)（減弱系數(shù)）t表示：電子對(duì)效應(yīng)：Electronpaireffect電子對(duì)效應(yīng)：electronpaireffecte+e-γ當(dāng)E>1.022MeV時(shí)，減弱系數(shù)t隨E的增大而直線上升，吸收介質(zhì)的原子序粒Z對(duì)t有明顯的影響康普頓效應(yīng):Comptoneffecte-γγ當(dāng)伽馬光子的能量為中等數(shù)值，即其能量不足以形成電子對(duì)但較核外電子的結(jié)合能大得多時(shí)，就可以產(chǎn)生康普頓效應(yīng)?？灯疹D效應(yīng)：就是指伽馬光子與原子外層的電子發(fā)生作用時(shí)，把一部分能量傳給核外電子，使電子從某一方向射出（該電子稱為康普頓電子），而損失部分能量的伽馬光子向另一方向射出?？灯疹D效應(yīng):Comptoneffect康普頓效應(yīng)對(duì)伽馬測(cè)井非常重要。由康普頓效應(yīng)導(dǎo)致的伽馬射線在通過(guò)單位距離物質(zhì)時(shí)的減弱，通常利用康普頓減弱系數(shù)σ來(lái)表示。σ與吸收體的原子序數(shù)Z和單位體積內(nèi)的原子數(shù)成正比。也即與單位體積內(nèi)的電子數(shù)成正比：式中—每個(gè)電子的康普頓散射截面。當(dāng)伽馬光子的能量在。0.25～2.5MeV的范圍內(nèi)時(shí)，可看成是常數(shù)。是吸收介質(zhì)單位體積中的電子數(shù)，即電子密度。在一定條件下Z/A可看成常數(shù)，故利用此效應(yīng)可測(cè)定伽馬射線穿過(guò)物質(zhì)的密度?？灯疹D效應(yīng):Comptoneffect光電效應(yīng):photoelectriceffect當(dāng)一個(gè)光子和原子相碰撞時(shí)，它可能將所有的能量交給一個(gè)電子，使電子脫離原子而運(yùn)動(dòng)，光子本身則整個(gè)被吸收。這樣脫離開(kāi)原子的電子統(tǒng)稱為光電子，這種效應(yīng)稱為光電效應(yīng)。入射的伽瑪射線原子核光電子e－射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，與物質(zhì)發(fā)生電子對(duì)效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和光電效應(yīng)的概率除與射線能量有關(guān)外，還與物質(zhì)原子的原子序數(shù)有關(guān)。圖示出了不同能量伽馬射線與物質(zhì)發(fā)生三種作用的優(yōu)勢(shì)區(qū)域。4.物質(zhì)對(duì)伽馬射線的吸收在發(fā)生電子對(duì)效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和光電效應(yīng)過(guò)程中，伽馬射線能量將不斷降低而最終自身會(huì)被吸收。＝t+σ+τ

吸收系數(shù)：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度物質(zhì)對(duì)伽馬射線的吸收概率分別以t、σ、τ表示電子對(duì)效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、光電效應(yīng)的吸收系數(shù)，則物質(zhì)對(duì)伽馬射線的的總吸收系數(shù)為三種吸收系數(shù)之和，即：4.物質(zhì)對(duì)伽馬射線的吸收具有一定能量，一定強(qiáng)度的伽馬射線穿過(guò)厚度為L(zhǎng)的物質(zhì)后，由于物質(zhì)對(duì)射線的吸收而造成射線強(qiáng)度衰減。其衰減遵循伽馬射線強(qiáng)度衰減規(guī)律：式中:Ｉ0—進(jìn)入物質(zhì)前的射線強(qiáng)度；Ｉ—穿過(guò)物質(zhì)后的射線強(qiáng)度；L—物質(zhì)的厚度。4.物質(zhì)對(duì)伽馬射線的吸收射線的探測(cè)常用的伽馬射線探測(cè)器有：放電計(jì)數(shù)管閃爍計(jì)數(shù)器

P68:計(jì)數(shù)率采用脈沖／分鐘作單位是一相對(duì)單位，它的大小與計(jì)數(shù)器的性能有關(guān)。同一地層采用不同性能的計(jì)數(shù)器來(lái)測(cè)，則可能得到不同的計(jì)數(shù)率，為了便于比較，需要統(tǒng)一儀器的計(jì)量單位，即使儀器都在同一標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行刻度，采用同樣單位，這種經(jīng)統(tǒng)一刻度后的單位稱條件單位。目前石油公司一般用API，微倫琴/小時(shí)(uR/h)。自然伽馬測(cè)井(NaturalGammaRayLog—GR)是放射性測(cè)井中最早應(yīng)用的一種測(cè)井方法，測(cè)量地層巖石總的自然放射性強(qiáng)度。1自然伽馬與自然伽馬能譜測(cè)井自然伽馬能譜測(cè)井(NaturalGammaRaySpectrumlog—NGS)則不僅能夠測(cè)量地層總的放射性強(qiáng)度，而且能對(duì)接收到的伽馬射線進(jìn)行頻譜分析，定量獲得地層巖石中鈾、釷、鉀的含量，能更好地指導(dǎo)油氣田的開(kāi)發(fā)。自然伽馬測(cè)井原理自然伽馬測(cè)井過(guò)程中:

來(lái)自地下巖層的自然伽馬射線由巖層穿過(guò)鉆井液、儀器外殼進(jìn)入伽馬射線探測(cè)器。探測(cè)器將射線轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)并放大后通過(guò)電纜送至地面儀器記錄。地面儀器對(duì)信號(hào)進(jìn)行再次放大并剔除干擾信號(hào)后，再將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成連續(xù)電流，該電流與射線強(qiáng)度成正比。當(dāng)下井儀器在井內(nèi)連續(xù)移動(dòng)時(shí)，地面儀器就可以連續(xù)記錄出一條反映井剖面上巖層自然伽馬強(qiáng)度的曲線，這就是自然伽馬(GR)測(cè)井曲線。GR測(cè)量的是巖層的自然放射性強(qiáng)度（不用任何放射性源）（一）：巖石的自然放射性巖石中主要的放射性元素：92U238

90Th232

19K40巖石的自然放射性強(qiáng)度主要取決于其三者的比例，其含量與巖性、形成過(guò)程中的物理化學(xué)條件有關(guān)，因此，巖性不同，GR不同。放射性的強(qiáng)度：巖漿巖（火成巖）>變質(zhì)巖>沉積巖沉積巖骨架不含重礦物，除鉀巖外，其他巖石本身基本上不含放射性，但在形成過(guò)程中會(huì)多少地吸附些放射性元素。最低：硬石膏、石膏、不含鉀的鹽巖，煤，瀝青較低：砂巖、灰?guī)r、白云巖較高：泥巖、泥灰?guī)r、鈣質(zhì)巖、泥質(zhì)砂巖等高：鉀巖、深水泥巖、頁(yè)巖最高：放射性蟲(chóng)軟泥、火山灰通常情況下，沉積巖自然放射性強(qiáng)度有以下規(guī)律：地層的GR主要取決于泥質(zhì)含量——VSH隨著泥質(zhì)含量的增多，強(qiáng)度增大；隨著有機(jī)質(zhì)的增多強(qiáng)度增大；隨著鉀鹽和其他放射性礦物的增多強(qiáng)度增大在油氣田開(kāi)發(fā)中常見(jiàn)的沉積巖類，如果骨架不含放射性元素，那么自然伽馬放射性強(qiáng)度高低就主要取決于其中泥質(zhì)的含量。沉積巖類自然伽馬測(cè)井讀數(shù)范圍自然伽馬測(cè)井在測(cè)井過(guò)程中會(huì)受到很多因素的影響：自然伽馬測(cè)井的影響因素鉆井液地層厚度井參數(shù)測(cè)井速度等此外，放射性漲落對(duì)自然伽馬測(cè)井響應(yīng)也有較大影響。放射性漲落現(xiàn)象:在放射性源強(qiáng)度和測(cè)量條件不變的條件下，在相等的時(shí)間間隔內(nèi)，對(duì)放射性射線的強(qiáng)度進(jìn)行重復(fù)多次測(cè)量，每次記錄的數(shù)值不同。同一放射性元素在相同的時(shí)間間隔內(nèi)，衰變次數(shù)不完全相同，總是圍繞一平均值上下起伏。放射性漲落是自然現(xiàn)象，由于放射性漲落的存在，自然伽馬測(cè)井曲線即使在厚地層也會(huì)出現(xiàn)如圖3－5所示的隨機(jī)振蕩現(xiàn)象，因此，對(duì)GR曲線讀值應(yīng)讀其平均值。統(tǒng)計(jì)漲落是由核衰變本身的特性所決定的，與環(huán)境和人的因素?zé)o關(guān)。GR曲線的解釋?xiě)?yīng)用1、劃分巖層GR利用自然伽馬測(cè)井曲線劃分巖性，則主要依據(jù)不同巖層泥質(zhì)含量不同進(jìn)行。在砂泥巖剖面，純砂巖的GR曲線顯示為最低值；泥頁(yè)巖顯示為最高值；粉砂巖、泥質(zhì)砂巖介于兩者之間，隨著其中泥質(zhì)含量增高，其自然伽馬讀數(shù)也增高。在碳酸鹽巖剖面，泥頁(yè)巖的自然伽馬讀數(shù)也最高；石灰?guī)r、白云巖讀數(shù)最低；泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖介于兩者之間，且隨泥質(zhì)含量的增加而增高。利用GR曲線劃分巖性的一般原則：用自然伽馬判斷泥質(zhì)含量高低層段給定巖性剖面，請(qǐng)定性的畫(huà)出GR曲線（5分鐘）泥巖灰?guī)r白云巖泥巖石膏GR回憶巖石的GR的大小關(guān)系GR曲線的解釋?xiě)?yīng)用2、確定地層的泥質(zhì)含量(P148)不含放射性礦物的地層，GR主要取決于地層的泥質(zhì)含量當(dāng)泥質(zhì)含量低時(shí)：當(dāng)泥質(zhì)含量高時(shí)：gcur=2(老地層）gcur=3.7(新地層）GR曲線的解釋?xiě)?yīng)用3、進(jìn)行地層對(duì)比用GR曲線進(jìn)行對(duì)比的優(yōu)點(diǎn)：與巖石孔隙中的流體性質(zhì)（油或水）無(wú)關(guān)與地層水和泥漿礦化度無(wú)關(guān)在GR曲線上容易找到標(biāo)準(zhǔn)層多井剖面對(duì)比圖用GR曲線進(jìn)行地層對(duì)比1地層的放射性元素自然伽馬能譜測(cè)井40K——1.46Mev238U——1.76Mev232Th——2.62Mev和自然伽馬測(cè)井相同，自然伽馬能譜測(cè)井也受到放射性漲落的影響。地面儀器的核心是多通道分析器，進(jìn)行剝譜(P69)分析特征譜:NGS的測(cè)井原理核心部分是：多道分析器。能夠測(cè)量分析伽馬射線的能譜將能譜分為五個(gè)能級(jí)窗兩個(gè)低能窗、三個(gè)高能窗W1:0.15-0.5MevW2:0.5-1.1Mev低能窗高能窗W3:1.32-1.575Mev（鉀窗）W4:1.65-2.39Mev（鈾窗）W5:2.475-2.765Mev（釷窗）由于各個(gè)窗的記數(shù)率并不僅反映對(duì)應(yīng)元素的含量，因此還需要?jiǎng)冏V（對(duì)能量窗均綜合考慮三種元素的貢獻(xiàn)，即得到一組方程：W1=A1Th+B1U+C1K+1W2=A2Th+B2U+C2K+2W3=A3Th+B3U+C3K+3W4=A4Th+B4U+C4K+4W5=A5Th+B5U+C5K+5式中：Wi為第i個(gè)能量窗的計(jì)數(shù)率Ai、Bi、Ci用刻度井得到的第i能量窗的刻度系數(shù)：統(tǒng)計(jì)因子Th、U