第7章放射性测井

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1、第七章第七章 放射性测井放射性测井 放射性测井（核测井）是测量记录反放射性测井（核测井）是测量记录反映岩石及其孔隙流体和井内介质的映岩石及其孔隙流体和井内介质的核物理核物理性质性质的参数，研究井剖面岩层性质、寻找的参数，研究井剖面岩层性质、寻找石油矿藏等的一类测井方法。石油矿藏等的一类测井方法。7-1自然伽马测井和自然伽马能谱测井自然伽马测井和自然伽马能谱测井 一、伽马测井的核物理基础一、伽马测井的核物理基础 1、放射性和放射性衰变、放射性和放射性衰变 （1）核素和同位素）核素和同位素 核素：一种核素是指原子核的质子数和核素：一种核素是指原子核的质子数和中子数都相等并处于同一能态的同一类原中子

2、数都相等并处于同一能态的同一类原子，用下列符号表示：子，用下列符号表示：，其中，其中 为元素为元素的符号；的符号；Z和和A分别表示质子数和质量数，分别表示质子数和质量数，例如例如 是一种核素。是一种核素。同位素：是指几种质子数相同而中子数不同的同位素：是指几种质子数相同而中子数不同的核素统称为该种元素的同位素，例如核素统称为该种元素的同位素，例如 、和和 ，这三种核素都是氢的同位素。，这三种核素都是氢的同位素。（2）放射性和放射性核素）放射性和放射性核素 放射性放射性：原子核自发地放出各种射线的性质：原子核自发地放出各种射线的性质统称为放射性。统称为放射性。放射性核素放射性核素：能自发地发生衰

3、变，由一种核：能自发地发生衰变，由一种核变为另一种核的核素称为放射性核素，如变为另一种核的核素称为放射性核素，如 就是放射性核素；就是放射性核素；稳定核素：不能自发发生变化的核素就是稳稳定核素：不能自发发生变化的核素就是稳定核素，例如定核素，例如 、就是稳定核素。就是稳定核素。（3）核射线）核射线 射线是高速运动的氦原子核（粒子），它射线是高速运动的氦原子核（粒子），它的穿透能力最低，但电离能力最强。在核测的穿透能力最低，但电离能力最强。在核测井中，利用井中，利用 粒子和某些原子核的相互作用粒子和某些原子核的相互作用可制造中子源；可制造中子源；射线是高速运动的电子流，它的穿透能射线是高速运动的

4、电子流，它的穿透能力比力比 射线强，但电离能力较射线强，但电离能力较 射线弱；射线弱；射线是波长很短的电磁波，它的贯穿能射线是波长很短的电磁波，它的贯穿能力最强，但电离能力最弱。力最强，但电离能力最弱。射线能穿透射线能穿透几十厘米的几十厘米的地层、水泥环、套管和下井仪地层、水泥环、套管和下井仪器的外壁器的外壁而被探测仪器接收到，是而被探测仪器接收到，是核测井核测井的主要探测对象的主要探测对象。（4）放射性衰变）放射性衰变 放射性核素的原子核自发地释放出一种粒子放射性核素的原子核自发地释放出一种粒子变成另外一种原子核的放射性现象称为变成另外一种原子核的放射性现象称为放射放射性衰变性衰变。衰变方式

5、衰变方式：衰变：原子核自发地发射衰变：原子核自发地发射 粒子粒子 （核）转变成另一种原子核的放射性现象称为核）转变成另一种原子核的放射性现象称为 衰变。衰变。其过程可表示为：其过程可表示为：例如放射性核素钋（例如放射性核素钋（）经过）经过 衰变变成衰变变成铅铅 ，同时放出，同时放出 射线。射线。衰变：原子核自发地放出负电子、正衰变：原子核自发地放出负电子、正电子或俘获一个轨道电子而发生的转变，电子或俘获一个轨道电子而发生的转变，统称为统称为 衰变。衰变。跃迁：由跃迁：由 、衰变产生的子核往衰变产生的子核往往处于激发态，而后可以通过发射往处于激发态，而后可以通过发射 射线射线释放多余的能量而退激

6、到基态的过程称为释放多余的能量而退激到基态的过程称为 跃迁，或称跃迁，或称 衰变。衰变。（5）核衰变基本规律）核衰变基本规律半衰期：放射性核素因衰变而减少到原来半衰期：放射性核素因衰变而减少到原来一半所需的时间，用一半所需的时间，用 （6）放射性活度）放射性活度一个放射源在单位时间内衰变的原子核数，一个放射源在单位时间内衰变的原子核数，称为放射性活度称为放射性活度。2、伽马射线和物质的相互作用、伽马射线和物质的相互作用（1）射线与物质相互作用的几率射线与物质相互作用的几率 利用截面利用截面 来描述作用几率的大小，定来描述作用几率的大小，定义式为：义式为：储层岩性分析储层岩性分析储层孔隙度计算储

7、层孔隙度计算射线射线源源地层物质地层物质射线与物质射线与物质的相互作用的相互作用【问题【问题1 1】伽马伽马射线与物质之间的射线与物质之间的相互作用有哪些？相互作用有哪些？【问题【问题2 2】核测核测井利用这些过程怎井利用这些过程怎样来确定储集层岩样来确定储集层岩性和孔隙度呢性和孔隙度呢？伽马源伽马源地层物质地层物质康普顿效应康普顿效应电子对效应电子对效应光电效应光电效应主要作用方式主要作用方式（2）、光电效应）、光电效应原子核原子核核外电子核外电子入射光子入射光子光电子光电子1.1.光子与靶物质原子发生电磁相互作用；光子与靶物质原子发生电磁相互作用；2.2.光子被吸收，能量全部交给内层束缚电

8、子；光子被吸收，能量全部交给内层束缚电子；3.3.束缚电子摆脱原子发射出来成为光电子。束缚电子摆脱原子发射出来成为光电子。原子核原子核核外电子核外电子入射光子入射光子光电子光电子 光子与靶物质原子发生电磁相互作用，光子与靶物质原子发生电磁相互作用，结果是结果是吸收吸收一个一个光子光子，并将，并将光子的光子的能量全部能量全部转移转移给某个束缚电子，该束缚电子摆脱原子对给某个束缚电子，该束缚电子摆脱原子对它的束缚之后发射出来，这个过程称为它的束缚之后发射出来，这个过程称为光电光电效应效应。由光电效应发射出来的电子称为光电子。由光电效应发射出来的电子称为光电子。图3-1伽马射线与物质的三种作用（a）

9、光电效应；（b）康普顿效应；（c）电子对效应（3）、）、康普顿效应康普顿效应原子核原子核核外电子核外电子入射光子入射光子散射光子散射光子反冲电子反冲电子1.光子与原子的核外电子发生非弹性碰撞；光子与原子的核外电子发生非弹性碰撞；2.光子一部分能量转移给外层电子，光子发生光子一部分能量转移给外层电子，光子发生 散射，其能量和运动方向发生变化；散射，其能量和运动方向发生变化；3.束缚电子获得能量脱离原子成为反冲电子。束缚电子获得能量脱离原子成为反冲电子。原子核原子核核外电子核外电子入射光子入射光子散射光子散射光子反冲电子反冲电子 光子与原子的核外电子发生光子与原子的核外电子发生非弹性非弹性碰撞碰撞

10、，一部分能量转移一部分能量转移给电子，使它脱离给电子，使它脱离原子成为反冲电子，同时原子成为反冲电子，同时光子发生散射光子发生散射，散，散射光子的射光子的能量和运动方向发生变化能量和运动方向发生变化，即康普，即康普顿效应。顿效应。（4）、电子对效应）、电子对效应原子核原子核核外电子核外电子入射光子入射光子负电子负电子正电子正电子1.光子受到原子核库仑场的作用；光子受到原子核库仑场的作用；2.光子转变为一个正电子和一个负电子，自身消失光子转变为一个正电子和一个负电子，自身消失原子核原子核核外电子核外电子入射光子入射光子负电子负电子正电子正电子 当当光子从原子核旁经过时，在原子核光子从原子核旁经过

11、时，在原子核的库仑场作用下，的库仑场作用下，光子转换为一个正电子光子转换为一个正电子和一个负电子和一个负电子 ，这种过程称为，这种过程称为电子对效电子对效应应，是高能是高能射线与物质作用的一种主要方射线与物质作用的一种主要方式。式。对于不同的吸收物质和能量区域，每种效应对于不同的吸收物质和能量区域，每种效应的相对重要性不同：的相对重要性不同：对于对于低能低能伽马射线和伽马射线和原子序数高原子序数高的吸收的吸收物质，光电效应占优势；物质，光电效应占优势；对于对于中能中能伽马射线和伽马射线和原子序数较低原子序数较低的吸的吸收物质，康普顿效应占优势；收物质，康普顿效应占优势；对于对于高能高能伽马射线

12、和伽马射线和原子序数高原子序数高的吸收的吸收物质，电子对效应占优势。物质，电子对效应占优势。（5）射线的衰减规律射线的衰减规律 射线通过吸收物质时，由于发生上述三射线通过吸收物质时，由于发生上述三种效应，其强度要减弱，穿过吸收物质后种效应，其强度要减弱，穿过吸收物质后的强度与吸收物质的厚度的关系为：的强度与吸收物质的厚度的关系为：3、射线的探测射线的探测（1）闪烁探测器）闪烁探测器闪烁探测器主要有闪烁体、光电倍增管和闪烁探测器主要有闪烁体、光电倍增管和电子仪器三部分组成。电子仪器三部分组成。常用的闪烁体主要有碘化钠（铊）、碘化常用的闪烁体主要有碘化钠（铊）、碘化铯（铊）和铯（铊）和BGO等。等

13、。（2）半导体探测器）半导体探测器半导体探测器的探测介质是半导体材料，半导体探测器的探测介质是半导体材料，在测井中比较有前途的是高纯锗探测器，在测井中比较有前途的是高纯锗探测器，与闪烁探测器比较，主要优点是与闪烁探测器比较，主要优点是能量分辨能量分辨率高率高，线性范围宽，但输出幅度小，须在，线性范围宽，但输出幅度小，须在低温条件加工作。低温条件加工作。图3-2 闪烁探测器组成示意图 二、自然伽马测井二、自然伽马测井 自然伽马测井是用伽马射线探测器自然伽马测井是用伽马射线探测器测量地层总的测量地层总的自然伽马放射性的强度自然伽马放射性的强度，以研究地层性质和寻找放射性矿床的测以研究地层性质和寻找

14、放射性矿床的测井方法。井方法。1、岩石的自然伽马放射性、岩石的自然伽马放射性 岩石的自然伽马放射性决定于岩石中所含岩石的自然伽马放射性决定于岩石中所含的放射性核素的种类和数量，即主要是岩的放射性核素的种类和数量，即主要是岩石中石中铀、钍、钾铀、钍、钾的含量决定的含量决定。（1）钍系）钍系从钍从钍（）开始）开始经经6次次衰衰变变和和4次次衰衰变变，最后生成，最后生成稳稳定定核素核素（2）铀系）铀系从从铀铀（）开始）开始经经8次次衰衰变变和和6次次衰衰变变，最后生成，最后生成稳稳定核素定核素 2、自然伽马测井原理、自然伽马测井原理（1）铀：铀系中最重要的）铀：铀系中最重要的辐射体是辐射体是214B

15、i，其次是，其次是214Pb，主要特征，主要特征射线为射线为0.609MeV、1.12MeV、1.76MeV和和2.204MeV，自然，自然能谱测井就是根据能谱测井就是根据214Bi的特征的特征射线来确定地层中铀的含量，常取射线来确定地层中铀的含量，常取1.76MeV为铀系的特征为铀系的特征射线。射线。（2）钍：钍系中最重要的）钍：钍系中最重要的辐射体是辐射体是208Tl，其次是，其次是228Ac，主要特征，主要特征射线的能量分别射线的能量分别为为0.239MeV、0.583MeV、0.908MeV、0.960MeV和和2.62MeV。其中其中208Tl发射的能量为发射的能量为2.62MeV的

16、的射线是射线是钍系中能量最高、强度最大的钍系中能量最高、强度最大的射线，自然射线，自然能谱测井就是根据能谱测井就是根据208Tl发射的特征发射的特征射线射线强度来确定地层中钍的含量。强度来确定地层中钍的含量。地层中存在的地层中存在的40K，能够放出能量为，能够放出能量为1.46MeV的单一的单一射线，根据它可以来确定射线，根据它可以来确定地层中钾的含量。地层中钾的含量。岩石的自然岩石的自然能谱能谱地层岩石的自然地层岩石的自然放射性是由铀、钍、钾放射性是由铀、钍、钾的含量及其能谱决定的的含量及其能谱决定的。测井原理：测井原理：给下井仪供电，探测器工作提升下井仪经给下井仪供电，探测器工作提升下井仪

17、经不同地层，当伽马射线照射探测器，探测不同地层，当伽马射线照射探测器，探测器将伽马射线转化为相应数目的电脉冲脉器将伽马射线转化为相应数目的电脉冲脉冲信号经放大器放大；冲信号经放大器放大；由电缆传至地面地面仪器把单位时间的脉由电缆传至地面地面仪器把单位时间的脉冲数被转化成相应电位差值记录仪记录，冲数被转化成相应电位差值记录仪记录，得到是一条随深度变化的计数率曲线（脉得到是一条随深度变化的计数率曲线（脉冲冲/分），现常用分），现常用API单位。单位。3、自然伽马测井曲线、自然伽马测井曲线（1）自然伽马测井的标准化）自然伽马测井的标准化不同的探测器、甚至相同的探测器探测其不同的探测器、甚至相同的探测

18、器探测其效率和仪器的差别，会造成同一测量对象效率和仪器的差别，会造成同一测量对象得到不同的测量结果，对自然伽马测井仪得到不同的测量结果，对自然伽马测井仪进行进行标准化标准化。标准化的基本方法标准化的基本方法-建立标准刻度井，建立标准刻度井，在刻度井中对每支仪器进行标定在刻度井中对每支仪器进行标定（2）自然伽马测井曲线特点）自然伽马测井曲线特点 上下围岩放射性相同时，曲线对称于地上下围岩放射性相同时，曲线对称于地层中点，并在地层中点取得极值；层中点，并在地层中点取得极值；高放射性地层，地层中点的极大值随地高放射性地层，地层中点的极大值随地层厚度层厚度h的增加而增大，但当的增加而增大，但当 时，极

19、时，极大值为常数，与地层厚度无关，只和岩石大值为常数，与地层厚度无关，只和岩石的自然放射性成正比的自然放射性成正比；对于对于 的地层为厚层，否则为薄层。厚的地层为厚层，否则为薄层。厚层曲线两个半幅点正对着地层的上、下两个界面，层曲线两个半幅点正对着地层的上、下两个界面，由半幅宽确定的视厚度由半幅宽确定的视厚度ha与地层真厚度与地层真厚度h相等；相等；而薄层曲线的两个半幅点将落在该层之外，视厚而薄层曲线的两个半幅点将落在该层之外，视厚度度ha大于地层真厚度大于地层真厚度h。图3-3有限厚度放射性地层沿井轴的光子通量（3）影响因素）影响因素 的影响的影响 放射性涨落误差放射性涨落误差 厚度的影响厚

20、度的影响环境的影响环境的影响4、自然伽马测井曲线的应用、自然伽马测井曲线的应用（1）划分岩性和地层对比）划分岩性和地层对比主要依据：岩层中主要依据：岩层中Vsh不同，不同，GR读数不同。读数不同。砂泥岩剖面：砂岩显示最低值，粘土（泥岩砂泥岩剖面：砂岩显示最低值，粘土（泥岩和页岩）最高值，粉砂岩泥质砂岩介于中间，和页岩）最高值，粉砂岩泥质砂岩介于中间，随泥质含量增加曲线幅度变大；随泥质含量增加曲线幅度变大；（2）划分储集层）划分储集层砂泥岩剖面：低自然伽马异常就是砂岩储砂泥岩剖面：低自然伽马异常就是砂岩储集层，异常半幅点确定储集层界面；集层，异常半幅点确定储集层界面；碳酸盐岩剖面：低碳酸盐岩剖面

21、：低GR说明含泥质少的纯岩说明含泥质少的纯岩石，结合高孔隙度和低电阻率可划出储集石，结合高孔隙度和低电阻率可划出储集层。层。（3）计算泥质含量）计算泥质含量三、自然伽马能谱测井（三、自然伽马能谱测井（NGS）自然伽马能谱测井根据地层中铀、钍、钾自然伽马能谱测井根据地层中铀、钍、钾放射性核素放射出来的伽马射线能谱的不同，放射性核素放射出来的伽马射线能谱的不同，测定铀、钍、钾含量的测井方法。测定铀、钍、钾含量的测井方法。1、地层的自然伽马能谱2、自然伽马能谱测井原理、自然伽马能谱测井原理（1）自然伽马能谱测井仪器）自然伽马能谱测井仪器射线探测器：射线探测器：脉冲幅度分析器（多道分析器）：脉冲幅度分

22、析器（多道分析器）：稳谱源和稳谱探测器：稳谱源和稳谱探测器：下井仪器控制系统下井仪器控制系统数据处理和记录系统数据处理和记录系统（2）仪器谱、标准谱和谱处理方法）仪器谱、标准谱和谱处理方法解谱：就是对各能窗综合考虑各种贡献列解谱：就是对各能窗综合考虑各种贡献列出方程组求解的过程，主要有：剥谱法、出方程组求解的过程，主要有：剥谱法、逆矩阵法、最小二乘逆矩阵法、加权最小逆矩阵法、最小二乘逆矩阵法、加权最小二乘矩阵法二乘矩阵法 3、自然伽马能谱曲线、自然伽马能谱曲线自然伽马总计数率（自然伽马总计数率（SGR）、钍含量）、钍含量（THOR）、铀含量（）、铀含量（URAN）、钾含量）、钾含量（POTA）

23、3、自然伽马能谱测井资料的应用、自然伽马能谱测井资料的应用（1）岩性识别和地层对比）岩性识别和地层对比（2）识别粘土矿物）识别粘土矿物（3）求泥质含量）求泥质含量（4）研究生油层）研究生油层（5）寻找储集层）寻找储集层（6）研究沉积环境）研究沉积环境表表3-1 3-1 铀铀、钍钍、钾钾含量数据表含量数据表矿物名称铀含量g/t钍含量g/t钾含量/%蒙脱石27.71424015高岭石1.5761900.5伊利石1.54.5绿泥石17.438.20800.3海绿石243.05.8黑云母1405506.210白云母2820257.89.8铝土矿33010130膨润土1206500.5图3-5页岩储集层

24、在能谱曲线上的特点7-2 放射性同位素测井放射性同位素测井 放射性同位素测井（放射性同位素测井（radioisotope log）又）又称放射性同位素示踪测井，是利用放射性称放射性同位素示踪测井，是利用放射性同位素作示踪剂来研究注水动态和油井技同位素作示踪剂来研究注水动态和油井技术情况的一种测井方法。术情况的一种测井方法。一、放射性同位素测井方法一、放射性同位素测井方法1、测井过程、测井过程 井内注入被放射性同位素活化的溶液或固井内注入被放射性同位素活化的溶液或固体悬浮物质体悬浮物质；压入套管外；压入套管外；测量注入示踪；测量注入示踪剂前后的伽马射线强度剂前后的伽马射线强度；对比评价。；对比评价。2、放射性同位素的选择和配制、放射性同位素的选择和配制二、放射性同位素测井的应用二、放射性同位素测井的应用 1、放射性同位素测井找窜槽位置、放射性同位素测井找窜槽位置2、检查封堵效果、检查封堵效果3、检查压裂效果、检查压裂效果4、测定吸水剖面，计算相对吸水量、测定吸水剖面，计算相对吸水量 图3-6注入放射性活化液找窜槽管柱图图3-7 放射性同位素找窜测井曲线1、参考曲线 2、放射性同位素测井曲线检查封堵效果检查压裂效果放射性同位素吸水剖面测井图