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 Iμ-=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 ，主要为康普顿效应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/分），现常用API单位（是美国石油学会采用的单位，两倍于北美泥岩平均放射性的模拟地层的自然伽马测井曲线值的1/200定义为1API自然伽马测井单位）。

3、探测范围岩石放射的γ射线能到达探测器的一个以探测器为球心的球体，半径为30~45cm（与地层的吸收系数有关）。

三、自然伽马测井曲线1、自然伽马测井的标准化为什么要标准化?标准化的基本方法----建立标准刻度井，再刻度井中对每支仪器进行标定。

2.自然咖马测井曲线特点.1）上下围岩相同时，曲线对称于地层中点，并在地层中点取得极值；2）地层厚度小于纵向探测范围时，地层厚度减小，曲线幅度降低；3）地层厚度大于探测范围时，半幅点对应地层界面。

三、影响因素1、υτ的影响（υ—测井速度，仪器提升速度；τ—记录仪中电路的积分时间常数，υτ越大，曲线幅度越小，对称性越差，极值向提升方向偏移越远（图7-8，p123），因此测井速度受到限制。

2、放射性涨落误差（统计误差）涨落现象：多次测量，各次读数与全部读数的平均值之差大部分分布在一定范围内。

由于涨落现象，使GR曲线呈现“锯齿状”，由于放射性涨落引起的误差，称为涨落误差，记为σ。

±的几率为68.3%，因此，只有当曲物理意义：同一地层各点的读数落在σ线幅度变化超过上述范围，且超过（2.5~3）σ时，曲线才做分层或地层解释。

3、厚度的影响薄层，曲线受上下围岩而反变化。

4、井的影响因泥浆、套管和水泥吸收伽马射线，使曲线幅度降低，裸眼井，主要受井径和泥浆的影响；套管井则要考虑到套管和水泥环的影响，做必要的校正。

四、应用1.划分岩性和地层对比I.主要依据：Vsh不同，GR读数不同。

砂泥岩剖面：泥岩层GR幅度最高，纯地层，GR最低；碳酸盐岩剖面：泥岩、页岩的GR 幅度最高，纯的石灰岩、白云岩GR 幅度最低，而泥质灰岩、泥质白云岩GR 界于中间；膏盐剖面：盐岩、石膏层的GR 较低，泥岩层GR 幅度最高。

II.地层对比，划分储集层。

砂泥岩剖面:低GR 的为砂岩储集层.在厚层状态可用半幅点分层。

碳酸盐岩剖面:低GR 说明含泥质少的纯岩石，结合高孔隙度低电阻率可划出储集层。

3.计算泥质含量（1）地质基础（计算条件）：地层除粘土矿物外，不含其它放射性矿物（此时伽马为计算Vsh 的最好方法。

（2）方法：I. 相对值法：minmax min GR GR GR GR Ish --= 1212--=⋅GCUR Ish GUCR Vsh II. 经验法：用统计发得到Vsh —GR 经验公式。

第三节、自然伽马能谱测井一、测井基础不同的放射性核素，放射的γ能量不同，因此分析谱曲线，可得岩层中所含各种放射性元素及其含量，铀、钍、钾的射线能谱见图7-17（p131）特征值（用以识别铀、钍、钾的特征能量）：K 40—1.46Mev U —1.76Mev Th —2.62Mev 。

二、NGS 与GR 测井的区别GR 测井记录的是能量大于100Kev 的所有γ造成的总的计数率，反映的是岩层中所有放射性核数的总效应。

NGS 分别对应别铀、钍、钾三种主要放射性核素辐射的γ造成的计数率进行记录，反映的是不同放射性核素的效应。

测井得到的曲线分别是反映钍含量(ppm)，铀含量(ppm)和K 40含量及总的计数率（API ）。

三、NGS 的应用（略）1、研究生油层岩石中有机物对铀的富集起着重要作用，因此可用于追踪生油层和评价生油能力。

U 或U/K 越高，说明有机碳越多，则泥岩为生油岩，且生油能力强（图7-19）。

实例参照132页图7-20。

2、寻找页岩储集层富含有机物的高放射性黑色页岩，在局部地段有裂缝、粉砂或碳酸盐岩夹层，可能成为产油层，其特点是钾、钍含量低，而铀含量高。

3、寻找高放射性碎屑岩和碳酸盐岩储集层。

储集层岩石中含有高放射性矿物时，放射性也会较强。

4、用Th/U 研究沉积环境统计研究表明：陆相沉积、氧化环境、风化层，Th/U>7；海相沉积、灰色或灰绿色页岩， Th/U<7；海相黑色页岩、磷酸盐岩，Th/U<2。

5、求泥质含量地层中泥质含量与钍或钾的含量有较好的相关关系，而与地层中铀的含量关系较小。

一般不用铀含量而用总的计数率、钍含量和钾含量测井值计算泥质含量。

（1）总计数率求泥质含量 minmax min CTS CTS CTS CTS SVCT --= 1212--=⋅SVCT GCUR SVCT SVCE 式中：SVCT —用总的计数率求出的泥质含量指数；CTS —总的计数率；CTS min —纯地层计数率；CTS max —泥岩总计数率；SVCE —用总的计数率求出的泥质体积含量；GCUR —区域参数；(2)由钍含量求泥质含量 minmax min Th Th Th Th SVTH --= 1212--=⋅SVTH GCUR SVTH SVTE （3）由钾含量求泥质含量minmax min 4040404040K K K K SVK --= 12124040--=⋅SVK GCUR SVK SVKE 6、区分泥质砂岩和云母利用钍和钾的含量交会图（图7-13），可以给出石英、云母和泥质的百分含量。