第六章 伽马测井

第二节 自然伽马测井
五、自然伽马曲线的应用
1．划分岩性，确 定渗透层
在砂泥岩剖面中： 纯砂岩在自然伽马 曲线上显示出最低值 泥岩显示最高值。 而粉砂岩、泥质砂 岩介于二者之间，并 随着岩层中泥质含量 增加曲线幅度增大。
在碳酸盐岩剖面中，
粘土岩(泥岩、页岩)的自然伽
马显示最高值；
纯的石灰岩、白云岩的自然伽
第一节 伽马测井的核物理基础
吸收（衰减）系数：伽马射线通过单位厚度的吸收介质，因此 效应导致伽马射线强度的减弱，用吸收系数标示:
N A 2 e K Z ( E 1.022) A
K为常数，Eγ为入射伽马的能量，NA为阿伏伽德罗常数，A为 克原子量，Z为原子序数，ρ为密度
由上式可以看出：
2
GCUR GR
2 GCUR
1 1
老地层：GCUR=2； 新地层：GCUR=3.7—4
第二节 自然伽马测井
自然伽玛测井的优缺点： 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。
第六章 自然伽马测井
放射性测井分类：（按测量的放射性类型划分）
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。
N0：初始原子个数 λ：衰变常数（反映衰变速度的参数），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
第一节 伽马测井的核物理基础
半衰期：放射性核素因衰变而减少到原来一半所需的 时间。
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）=3.7×1010核衰变/秒 贝克勒尔：=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。
第二节 自然伽马测井
一、岩石的自然放射性
岩石的放射性是因岩石含有放射性核素，衰变时放出放 射性射线。 岩石中所含的放射性核的种类和数量不同，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主要取决于铀、钍、钾的含量。 自然伽马测井正是通过测量地层中天然放射特性的高低来 研究地层性质的核测井方法。 测量自γ射线强度的方法叫做 自然伽马测井，测量自然伽玛能谱的方法叫做自然伽马测井。
第二节 自然伽马测井
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。 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，
第二节 自然伽马测井
第二节 自然伽马测井
沉积岩的放射性低于岩浆岩和变质岩。 沉积岩中自然伽马放射性随泥质含量的增加而增加。
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。
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。
第二节 自然伽马测井
五、自然伽马曲线的应用
3、确定泥质含量
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 GR为计算Vsh的最好方法，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。
GR GRmin GR = GRmax GRmin
Vsh =
3、光电效应：当伽马射线能量较低（低于0.25Mev）时，它 与组成物质元素原子中的电子相碰撞之后，把能量全部转交 电子，使电子获得能量后脱离其电子壳层而飞出，同时伽马 射线被吸收而消失。这一过程称为光电效应，被释放出来的 电子叫光电子。
第一节 伽马测井的核物理基础
线性光电吸收系数：当伽马射线能量大于原子核外电子 结合能时，发生光电效应的概率。
第一节 伽马测井的核物理基础
二、伽马射线与物质的相互作用
γ 射线能量一般在0.5Mev到5.3Mev之间，在这一能量范围 内，伽马光子与物质的相互作用主要有以下三种： 1、电子对效应：γ 在能量大于1.02Mev时，它在物质的原子 核附近与核的库伦场相互作用，可以转化为一个负电子和一 个正电子，而光子本身全部被吸收。
第一节 伽马测井的核物理基础
5、放射性射线的性质
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。 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。
得到的是一条随深度变化的计数率曲线脉冲分现常用api单位美国石油学会采用的单位表示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1200定义为api自然伽马测井单位二自然伽马的测井原理三自然伽马的曲线特征自然测井曲线记录下来的主要是仪器附近以探测器中心为球心半径为3045cm范围内岩石放射出来的射线
第二节 自然伽马测井
2、放射性涨落误差
放射性涨落的影响-实测曲线呈锯齿状
由于地层中放射性元素的衰变是随机
的，因此，在一定时间间隔内衰变的原 子核数，亦即放射出的伽马射线数不可
能完全相同。但从统计的角度采看，它
基本上围绕着一个平均值在一定的范围 内波动。这就是通常所说的统计起伏， 或放射性涨落。 放射性涨落现象的存在，使得采用 同样的测量时间，在同一地层上测得的 自然伽马读数并不一致。表现在测井曲 线上，即呈锯齿状的变化，如图所示。
当Eγ能量小于1.022 MeV时， 吸收系数值为负，即不可 能形成电子对；而当Eγ能量>1.022 MeV时，减弱系数 随 Eγ 的增大而直线上升。 吸收介质的原子系数Z对δe有明显影响，即在重核附近形 成电子对的几率比轻核大得多。
第一节 伽马测井的核物理基础
2、康普顿效应：能量较高伽马射线与物质中原子核外电子 碰撞时，一部分能量转交给电子，使之脱离原子电子壳层 而飞出，同时伽马射线改变自己运动方向，继续与其它电 子相撞。每碰撞一次，能量损失一部分，并改变其运动方 向，形成所谓康普顿效应。源自第一节 伽马测井的核物理基础
康普顿减弱系数∑：由康普顿效应引起的伽马射线通过单位 距离物质的减弱强度。
ZN A e A
e : 每个电子的康普顿散射截面，为常数；
Z/A 在一定介质条件下，为常数，因此，利用 和 的关系，可以确定介质的密度，是密度测井的核 物理基础
第一节 伽马测井的核物理基础
第二节 自然伽马测井
四、自然伽马曲线的影响因素
1、测速v和仪器电路积分常数τ对曲线 的影响
Vτ的影响使GR曲线发生畸变，主要 表现在幅度值Grmax下降，且Grmax位 臵不在地层中心而向上偏移，视厚度增 大，半幅点上移。同时造成半幅点划分 地层界面与实际地层界面有一偏差，而 且前者比后者浅。偏差的大小与Vτ成正 比。 为了尽可能减小这种影响，在实际测 井工作中应通过试验选择合适的提升速 度和时间常数。同时，在整理资料时， 需通过同其它曲线的对比，将整个曲线 下移一定深度。
四、自然伽马曲线的影响因素 3、地层厚度的影响 薄层（h<3d），曲线受上下 围岩变化 4、井参数的影响
因泥浆、套管和水泥吸收伽马 射线，使曲线幅度降低泥浆、套管、 水泥环吸收伽马射线，所以这些物 质会使自然伽马测井值降低。一层 套管时的自然伽马测井值大约是没有套管的自然伽马测井曲线 值的75％。如有多层套管则自然伽马值将明显下降。
第六章 自然伽马测井
放射性测井是测量记录岩石及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组测井方法，包括自然伽马，自 然伽马能谱、中子、密度测井等。
放射性测井的特点：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，快速分 析和确定岩石及其孔隙流体各种化学元素。
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，并放射出射线的核素。
第一节 伽马测井的核物理基础
3、核衰变
放射性核素——放射出带电粒子（α、β）——激发 态的新原子核——辐射γ——稳态的原子核，这个过程 称为核衰变，核衰变具有一定的半衰期。
放射性核素随时间减小而遵循一定的规律，即核衰 变规律：
0.0089
Z
4.1
A

n
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。
第一节 伽马测井的核物理基础
4、伽马射线的吸收
γ 射线通过物质时，会同物质发生上述三种作用，γ 强度随着通过物质的距离而减弱，γ 射线通过吸收物质 时其强度与所穿过吸收物质的厚度有如下关系：
为了消除质量影响，常用质量吸收系数 三种效应发生的比例随Eγ而变，一般有： Eγ<0.1Mev时，主要为光电效应； 0.1Mev< Eγ <2Mev时，主要发生康普顿效应； Eγ >2Mev时，发生电子对效应
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。
第二节 自然伽马测井
二、自然伽马的测井原理




进行自然伽玛测井的简单原理如图 所示：（井下仪器、地面仪器） 探测器——将接收到的伽玛射线转 换成电脉冲 放大器——探测器输出电脉冲加以 放大->剔除->计数率->电器积累连 续电流简单变换和刻度→自然伽玛 GR曲线。记录电位差与单位时间 内的脉冲数成正比。即与周围岩石 放射性强度成正比。 得到的是一条随深度变化的计数率 曲线（脉冲/分），现常用API单位 （美国石油学会采用的单位，表示 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API自然伽马测井单位）
放射性不同。
第二节 自然伽马测井
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，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。 ③低自然放射性的岩石：包括岩盐、煤层和硬石膏。其中 硬石膏最低。
第二节 自然伽马测井
三、自然伽马的曲线特征
自然γ测井曲线记录下来的主要是仪器附 近，以探测器中心为球心，半径为30-45cm 范围内岩石放射出来的γ射线。这个范围 就是自然γ测井的探测范围。用这个“探 测范围”的概念，能够容易理解自然γ测 井曲线的形状及其特点。 1．曲线特征 中心对称（上下围岩放射性相同），中 心出现极大值 h＜3d0 曲线极大值随h增加而增加 ,h≥3d0 极大值=const,与强度大小成正比 ，与厚度无关。 h≥3d0半幅点定界面，h＜3d0 厚度＞真 实厚度。
第一节 伽马测井的核物理基础
一、核衰变及其放射性
1、原子的结构
矿物、岩石、石油和地层水都是由分子组成的，分子又 是由原子组成的。原子的中心是原子核，离核较远处核外电 子按一定的轨道绕核运动。
第一节 伽马测井的核物理基础
2、同位素和放射性核素
核素：指原子核中具有一定数目质子和中子，并处于同 一能态的同一类原子。 同位素：指质子数相同，而中子数不同的核素，它们在 元素周期表中占有同一位臵。 核素有稳定核素和放射性核素之分。 稳定核素：原子核不会自发地变为另一种核的核素。
马值最低；
泥灰岩、泥质石灰岩、泥质白
云岩的自然伽马测井曲线值介
于两者之间，且随泥质含量增 加而幅值增大。
2．进行地层对比
其优点： （1）与岩石流体性质无关（油、水、地层矿化度等） （2）与泥浆性质无关（盐、水泥浆） （3）在自然伽马测井曲线上容易找到标淮层，如海相沉积的泥岩，在很 大区域内显示明显的高幅度值。 在油气水边界地带进行地层对比，因为岩石中含流体性质变化大，使 R、SP曲线形状变化不益于进行对比。另外膏盐地区尤为重要。