测井教程第7章 自然伽马测井

第七章
自然伽马测井
自然伽马测井是放射性测井中的一种方法。放射性测井是以 物质原子核物理性质为基础的一组测井方法，统称为核测井，包 括自然伽马，自然伽马能谱、中子、密度测井等。 自然伽马测井测量的伽马射线，有较强的穿透能力，能在已经 下了套管的井中测量，因此，这种方法既可以在裸眼井中测量， 又可以在套管井中测井。 由于岩石的自然放射性与剖面上岩石的导电性无关，与井内所 充填的介质特性无关，因此，它能在任意岩层剖面，以及在井内 充满高矿化度泥浆、油基泥浆甚至空气的条件下使用。也正是由 于这些原因，这种方法已成为碳酸盐岩剖面和用盐水泥浆钻井的 地区进行测井的重要内容。 从应用的角度考虑，自然伽马测井同自然电位测井类似。定性 方面，可用以划分泥质和非泥质地层，确定渗透层。定量方面， 可以用它来计算地层的泥质含量，判断渗透层的物性好坏。
一、测量原理
进行自然伽马测井的简单原理如图所示，整个测量 装臵由井下仪器和地面仪器两大部分组成。
沉积岩的自然放射性，大体可分为高、中、低三种类型。
①高自然放射性的岩石：包括泥质砂岩、砂质泥岩、泥岩、 深海沉积的泥岩，以及钾盐层等，其自然伽马测井读数约 100API以上。特别是深海泥岩和钾盐层，自然伽马测井读数 在所述沉积岩中是最高的。 ②中等自然放射性的岩石，包括砂岩、石灰岩和白云岩。 其自然伽马测井读数介于50—100API之间。 ③低自然放射性的岩石：包括岩盐、煤层和硬石膏。自然
N0 2 N 0e
t
T

T和λ一样，也是不受任何外界作用的影响，而且和时间无关的常 量。不同放射性元素的T值也是不同的。 自然界中，各种放射性元素的半衰期相差很大，有的长达几十亿年 ，有的短到若干分之一秒。例如，铀的半衰期为4.51×109 年，镭 1590年，氡为3.825天等等。 一种放射性元素的半衰期可以精确估计，但是无法估计在一个短 时间内到底有多少个原子可能发生衰变。然而，对元素整体来讲，其 衰变具有统计性，即围绕某一平均值在一定范围内变化。
可见，来自井下岩石的放射性射线中，γ射线才是唯一可探测到的
。
2
沉积岩的自然放射性
自然界的岩石和矿石均不同程度的具有一定的放射性，它们几乎 全部是由放射性元素铀、钍、锕以及放射性同位素钾 19K40在其中存在 并进行衰变的结果。铀、钍、锕这三个放射性系列，分别由半衰期较 长的铀的一种同位素 92U238、钍元素90Th232和铀的另一种同位素 92U235开 始进行衰变，产生一系列新的放射性同位素，并继续衰变向着稳定元 素过渡。
质； ③随着钾盐和某些放射性矿物的增加而增加。 可见，除特殊的放射性矿物如钾盐层以外，油气田中常遇 到的沉积岩的自然放射性强弱与岩石中含泥质的多少有密切
的关系。
岩石含泥质越多，自然放射性就越强。
这是因为：①构成泥质的粘土颗粒较细，有较大的比表面
积，在沉积过程中能够吸附较多的溶液中放射性元素的离子。
第七章
一、核衰变及其放射性
⑴原子的结构
自然伽马测井
1.1 自然伽马测井的核物理基础
矿物、岩石、石油和地层水都是由分子组成的，分子又由原子组成， 原子的中心是原子核，离较远处的核外电子，按一定的轨道绕核运动， 它是一种很微小的粒子，直径约为l0-8cm。 原子：原子核[ 质子(带一个单位正电荷) + 核外电子(带一个单位负电荷) 中子(不带电)]
所有这些放射性元素在衰变过程中都能同时放出伽马射线，且不 同元素放出的γ射线的数量和能量两方面均有区别。如：K：1.46Mev ；U、Th：γ能谱较为复杂，因此，通过探测γ射线的数量（强度）和 能量（能谱），就有可能确定岩石中放射性元素的数量（含量）及种 类，并进一步用来寻找放射性矿床和研究岩层性质等。 以研究岩石中放射元素的相对含量，即探测自然伽马射线总强度 的测井方法叫做自然伽马测井；
其导出单位是毫居里和微居里：1mCi=3.7×l07/s 1μCi=3.7×l04/s
1975年国际计量大会对放射性强度的单位作了新的规定，按规定， 国际单位制的强度单位命名为“贝可勒尔”，符号为Bq。
1Bq=1/s
1Ci=3.7×l010 Bq
⑸放射性射线的性质
放射性物质能放出三种本质不同的射线，它们分别是α射线，β射 线和γ射线。它们各具如下性质：
而测定在一定能量范围内自然伽马射线的强度以区分岩石中放射 性元素的类型及其实际含量的测井方法，则叫自然伽马能谱测井。
2
沉积岩的自然放射性
对于三大类岩石而言，一般说来，火成岩在三大岩类中放 射性最强，变质岩次之，沉积岩最弱。 1）岩浆岩：其中有许多放射性矿物，如长石、云母集中了地 层中绝大多数钾K。角闪石、独居石、辉石也有较高放射性， 其中以碱性岩、锆石、独居石等放射性最强。
一起沉积下来。因而沉积岩中放射性元素的含量取决于
岩石的矿物成分、岩性及形成过程中的物理化学条件等。
根据实验和统计，沉积岩的自然放射性强度一般有以下
变化规律： ①随泥质含量的增加而增加； ②随有机物含量的增加而增加，如沥青质泥岩的放射性很高。 在还原条件下，六价铀能被还原成四价铀，从溶液中分离出
来而沉淀在地层中，且有机物容易吸附含铀和钍的放射性物
84Po 82Pb 210→ 82Pb 206*+ 2He 4（α） 206*→ 82Pb 206+γ（0.89mev）
⑷核衰变规律 任何放射性元素从不稳定到稳定的衰变过程，遵循着一个总 的趋势，即随时间呈指数规律递减。而且这种变化与任何外界作 用无关，如温度、压力和电场、磁场等都不能影响放射性衰变的 速度，这一速度唯一地取决于放射性元素本身的性质。
②泥质颗粒沉积时间长(特别是深海沉积)，有充分的时间同
放射性元素接触和进行离子交换，所以，泥质岩石就具有较
强的自然放射性。 这也成为我们利用自然伽马测井曲线区分岩石性质、进行 地层对比，以及定量估计岩石中泥质含量的依据。
3 伽马射线的探测
目前使用较为普遍的伽马射线探测器主要是闪烁计数器，
图1是闪烁计数器的简单结构。它主要由NaI萤光晶体和光电
⑷核衰变规律
一种放射性物质的放射性强弱，是以单位时间内发生衰变的原子核 的数目来量度，称为放射性强度，用符号J表示。
J dN dt
t
J N 0e
t
显然
J J 0e
式中：J0—物质的初始放射性强度。 可见，放射性物质的放射性强度也以同样的指数规律衰减。同时， 它也符合统计的规律。 放射性强度的单位是居里（Ci），它的定义是： 1Ci=3.7×l010/s，即每秒钟有3.7×l010次核衰变。
是氢的同位素，铀92U235、92U234和92U238是铀的同位素等等。
在自然界中，有些同位素是稳定的，即它们的结构和能量不会
发生改变。而有些同位素则是不稳定的，这种能自发地改变结构
，放射出射线，并变成其它元素的同位素。这种不稳定的同位素 称为放射性同位素。
⑶核衰变
放射性同位素通过放射出射线而从不稳定到稳定的过渡称为核衰变。 这种衰变有两种形式 一种是从原子核中放出α粒子(2He4)，叫做α衰变； 另一种是从原子核中放出β粒子(-1e0)，称为β衰变。 在这些衰变过程中，多余的能量以γ射线的形式释放。 不稳定同位素在向稳定转化的过程中，原子核中多余的能量将以高能电磁 波的形式辐射出去，它就是γ射线，所以γ射线是放射性同位素发生衰变使 原子核内部能量发生改变时的伴随产物。 如：放射性元素钋（84Po210），α衰变，由钋变为激发态的铅（82Pb206）， 并迅速以γ射线形式释放出能量，跃升为基态的铅（82Pb206）
2）变质岩：取决于母岩放射性，若为岩浆岩，放射性较强，
沉积岩则次之。 3）沉积岩：一般比岩浆岩、变质岩差，沉积岩中的不同岩 类，放射性不同。
（1）粘土岩类：含放射性元素最多，放射性最强，主要为泥、页岩。
A．高岭石：不含放射性元素，且对离子吸附能力差，放射性强度低。 B．蒙脱石：不含放射性元素，但对阳离子吸附能力强，可吸附很多 放射性强物质，如氧化铀。因此，其天然放射性强度最大，对粘土岩 放射性贡献最大。 C．伊利石：含放射性同位素K40，且有较强阳离子吸附能力，也可 吸附较多U2O氧化铀，有较强放射性。 D．绿泥石：同高岭石相似，天然放射性弱。 （2）碎屑岩类：放射性强度由正长石、白云母、重矿物以及泥质含量 决定，对储层的主要成份石英砂岩而言，前三种矿物很少，因此主要 取决于泥质含量及组成。 （3）化学岩类：石灰岩、白云岩、膏、盐岩、K盐等。除K具放射性外， 其他岩类主要由岩石中所含泥质及微量无素决定。
API是美国石油学会的缩写，API单位是该学会规定的自然伽马测井标准 单位，并已在许多国家广泛应用。这一单位是将自然伽马测井仪器放在标准 的刻度井中进行标定得出的。标定时，规定刻度井中最高和最低放射性地层 自然伽马读数之差为200个API单位。于是，其它地层即可按它的实际读数得 出相应的API数。表中对于每一种岩石都有一定自然伽马射线强度的变化范围 ，并用横线的纵向宽度来表示出现这一放射性强度的频率。
α射线(2He4)：是一种带正电荷的粒子流，带有两个单位的正电荷， 相当于一个氢原子核。 β射线(-1e0)：是一种带负电荷的高速运动的粒子流，相当于一个电 子，带一个单位的负电荷。 γ射线：γ射线是频率很高的电磁场或光子流，不带电荷,能量很高 ，一般多在几十万电子伏特以上，并有很强的穿透能力。 这三种射线： 电离能力：α射线的电离本领最强，γ射线最弱。 穿透能力：γ射线最强，它在空气中的射程可达几百米，在沉积岩 石中的平均穿透深度约为30公分；而α射线在岩石中的穿透距离仅约 10-3厘米；β射线在金属中仅能穿透0.9厘米。
若以No和N分别表示任一放射性元素在时间t=0和t时的原子数， 则放射性元素的衰变规律为 N＝N0e-λt 式中λ为衰变常数，其值仅决定于该放射性元素本身的性质。 不同的元素，λ值可以相差很大。显然，λ越大，衰变越快。 这个规律说明，随时间增长，放射性元素的原子个数减少。
⑷核衰变规律
在习惯上，常用和λ有关的另一常数来表示衰变的快慢。这一常 数是某种放射性元素从t＝0时的N0个原子开始，到N0/2个原子发生了衰 变所经历的时间，称为半衰期，用T表示:
伽马读数约50API以下。其中硬石膏最低，10API以下。
石油测井的主要研究对象是沉积岩，通常认为，铀、 钍、钾等放射性元素最初存在于火成岩当中，当火成岩 风化以及地表水的作用，一部分易溶的放射性物质(如铀 的化合物)便以溶液的形式搬运，而不易溶解的则在水中
与胶体和岩石及矿物的碎屑一起搬运，最后随同沉积岩
一般地，原子是中性的，所以原子核中的质子数等于核外电子层的电 子数，这个数值叫做元素的原子序数，通常用Z表示，它决定了原子的化 学性质和在元素周期表中的位臵。 原子核中，质子和中子的总数叫做元素的质量数，通常用A表示。
第七章
⑵同位素和放射性元素
自然伽马测井
我们把原子核中质子数相同而中子数不同的元素，称为同位 素。它们在元素周期表中占有同一位臵，具有相同的化学性质， 但有不同的原子量，因而具有不同的物理性质，如1H1、1H2、1H3
倍增管组成。 其工作原理是，伽马射线射到萤光体(如碘化钠晶体)上， 从其原子中打出电子，并在该电子的激发下发出闪光。光电 倍增管将闪光转变为电脉冲，电脉冲的数量与进入萤光体的 伽马射线成正比，这就是闪烁计数器的基本工作原理。
1.2
自 然 伽 马 测 井
自然伽马测井可以解决以下问题： 根据天然放射性强弱，判别岩性和划分井地层剖面。 在一个含油气区或单独构造上，各井剖面进行对比。 估计岩石中泥质含量，从而判断岩层的储集性能，特别是在泥浆矿化度 较高地区，碳酸盐岩剖面中，自然电位无法清楚划分渗透性岩层，自然 伽马可以解决。 自然伽马测井的优缺点： 优点：（1）裸眼井和套管井中均可以进行 （2）油基泥浆、高矿化度以及干井中均可以进行 （3）碳酸盐岩剖面和水化学沉积剖面不可缺少。 缺点：（1）测速慢，成本高。 （2）如果岩石本身组成中含放射性物质，如含火山碎屑等，则无 法正确判断泥质含量。如哈密地区，那么SH判定需从其分资料中求取。