第7章 GR和放射性同位素测井

放射性测井

放射性测井（核测井）是测量记录反映岩石极其孔隙流体的核物理性质的参数，研究井剖面岩层性质的一类测井方法。

特点：不受井眼介质限制，在裸眼井和套管井、各种钻井泥浆的井中均可测，能进行套管井的地层评价，能够快速分析和确定岩石及其孔隙流体各种化学元素。

分类：按使用的放射性源或测量的放射性类型分

1、伽马测井：以研究伽马辐射为基础，包括GR、NGS、地层密度、岩性密度、放射性同位素示踪测井等。

2、中子测井：以研究中子与岩石及孔隙流体相互作用为基础，包括热中子、超热中子、中子伽马、脉冲中子非弹性散射伽马能谱、中子寿命及活化测井等。

第七章自然伽马测井和放射性同位素测井岩石中含有天然的放射性核素主要是铀系,钍系和钾的放射性同位素.

自然伽马测井：用伽马射线探测器测量岩石总的自然射线强度，以研究井剖面地层性质；

自然伽马能谱测井：在井内对岩石自然伽马射线进行能谱分析,分别测量层内铀、钍、钾含量来研究井剖面地层性质。

第一节伽马测井的核物理基础

一、放射性核素和核衰变

1.核素和同位素

核素：指原子核具有一定数目质子和中子,并处在同一能态上的同类原子。

同位素：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有同一位置。

2.稳定核素和放射性核素

稳定核素:不会自发衰变为另一种核.

放射性核素:原子核能自发地发生衰变,由一种核变为另一种核.

核衰变时发射的三种射线:γ、β、α。

γ——高频电磁波（光子流），穿透能力强，较被测井仪测定（放射性测井探测的主要对象）

β——高速电子流，带负电，穿透能力差；

α——氦核组成的离子流，带正电，穿透能力最差。

3.核衰变定律:

放射性核素——放射出带电粒子（β、α）——激发态的新原子核——辐射γ——稳太的原子核，这个过程称为核衰变。

放射性核数随时间减小而遵循一定的规律，即核衰变定律：

t o e N t N λ-=)(

N0—初始原子个数；λ—衰变常数（表示衰变速度的参数），表示单位时间每个核发生衰变的几率，λ越大，衰变速度越快。

半衰期: 放射性核素因衰变而减少到原来一半所需的时间。 λ693

.0=T ，常见放射性核素的半衰期见表7-1，117页。

4.放射性活度

活度(强度):一定量的放射性核素在单位时间内发生衰变的核素。

单位:1Ci(居里)=3.7X1010核衰变/秒

贝克:1Bq = 1 次核衰变/秒

比度(浓度):放射性核素的放射性活度与其质量之比。

二、岩石的放射性核素

1.主要放射性核素

起决定作用的是铀系，铀系和钾。

2.伽马能谱

不同的核衰变放出的γ能量不同，一般谱成分太多，只选择代表性的伽马射线来识别：

铀系选 92U 238

钍系选 90Th232

钾 19K 40

三、岩石的自然放射性与岩石性质的关系

1.总放射性

(1)沉积岩的放射性低于岩浆岩和变质岩；

(2)沉积岩中自然伽马放射性随泥含量的增加而增加。

粘土中:蒙脱石，伊利石，高岭石，绿泥石(降低)

2.沉积岩中铀，钍，钾的含量

(1)粘土中:钾约含2%，钍约12ppm ，铀约6ppm 。

但与沉积环境有关，不同的粘土矿物，铀钍钾的含量有一定的差别。

(2)砂岩及碳酸岩盐中，随粘土矿物增加，铀、钍、钾含量增加，水流作用可造成铀含量很高。

(3)钍化合物难溶于水，故岩石中钍含量增加，离物源区近 。

(4)四价铀难溶于水，六价铀溶于水，铀含量与沉积环境及成岩后水流作用有关，四价铀氧化成六价铀，六价铀在还原条件下变成四价铀而沉淀。

四、伽马射线与物质的相互作用

1.电子对效应

γ在能量大于1.022Mev 时，它在物质的原子核附近与核的库仑场相互作用，可以转化为一个负电子和一个正电子，而光子本身被全部吸收。

吸收系数(衰减系数)：伽马射线通过单位厚度的吸收介质，因此效应而导致γ射线强度的减弱，用吸收系数ае表示：)022.1(2-=∂λρE Z A N K A ，K 为常数，E γ为入射γ的能量，NA 为阿佛加德罗常数，6.02486 X 1023mol -1，A 为克原子量，Z 原子序数，ρ为密度。

2.康普顿效应

伽马光子与物质原子核外轨道上的电子发生相互作用，将部分能量传给电子，使电子从某方向射出，而损失了部分能量的伽马光子向另一方向散射出去，该伽马光子被成为散射伽马光子。

康普顿减弱系数：A ZN A e ρσ=Ξ

，由康普顿效应引起的伽马射线通过单位

距离物质减弱程度。

Σe —每个电子的康普顿散射截面，为常数；

Z/A —在一定的介质条件下，可看成常数，因此利用Σ与ρ的关系，可确定介质的密度，是密度测井的核物理基础。

3．光电效应

当一个低能量的伽马光子与原子发生作用时，将全部能量交给一个电子，使它脱离原子成为光电子，而光子本身被完全吸收，这种效应称为光电效应。

线性光电吸收系数：当γ的能量大于原子核外电子的结合能时，发生光电效应

的概率。 n A Z λρτ1

.40089.0=

此式说明: 光电吸收系数主要取决于原子序数，由此发展了岩性密度测井。

4.伽马射线的吸收

线性吸收系数:Ξ++∂=τμ ，ρμ∞

为了消除质量的影响，常用质量吸收系数ρμμ/=m 。

若入射伽马的强度为I 0，穿过厚度为L 的吸收介质后的强度为:L e I I

μ-=0。

三种效应发生的比例随Er 而变，一般有:

Er<0.1Mev ，主要为光电效应

0.1Mev

Er>2Mev ，主要为电子对效应

第二节 自然伽马测井

一、岩石的自然伽马放射性 岩石的自然伽马放射性是因岩石含有放射性核素，衰变时放射出发射性射线。 岩石中所含的放射性和的种类和数量不同，放射性强度也不同，根据自然界存在的放射性核素在岩石中的丰度可知，岩石的自然伽马放射性水平主要决定于铀、钍、钾的含量。

二、GR 测井原理

1、仪器

地面仪器：控制面板；

井下仪器：探测器—探测γ射线的强度，转化成电脉冲数；

放大器—将探测器的电信号放大并传至地面；

高压电源—给探测器提供高压。

2、原理

给下井仪供电，探测器工作—提升下井仪经不同地层，当伽马射线照射探测器—探测器输出相应数目的电脉冲—脉冲信号放大，传至地面—单位时间的脉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（脉冲/