测井原理9自然伽马测井

第三节 自然伽马测井曲线的应用
一 划分岩性
二 地层对比 与电阻率曲线相比,GR具有: 1 与地层水和泥浆浓度无关; 2 与地层孔隙所含流体性质无关; 3)容易找到标准层.
（2）β射线—高速运动的电子流。V=2C/3 （C为光速)，对物质的电离作用较强，而贯 穿物质的本领较小。在金属中的射程约0.09 cm.
（3）γ射线—由γ光子组成的粒子流。γ光子 是不带电的中性粒子，以光速运动。 γ 射线 又是一中波长很短的电磁波 ，具有 两重性， 即波动性和粒子性。对物质的电离作用很小， 而贯穿本领很大。能穿过地层和 钢铁。
Z n 0.0089 A : 光电吸收系数（cm） ：光子波长
4.1
2
康普顿效应 当伽马射线能量中等时，它与原子的外层电子发生作用, 把一部分能量传给电子,使该电子从某一方向射出,而损失了 部分能量的伽马射线向另一方向散射出去。这种效应称为康 普顿效应，发生散射的伽马射线称为散射伽马射线。
4 核衰变
放射性核素的原子核自发释放出一种带电离子,蜕变 成为另外原子核同时放射出伽马射线的过程称为核衰变
基态—原子核可处于不同的能量状态，能量最低状 态。 激发态—原子核处于比基态高的能量状态，即原子 核被激发了。 放射性—放射性核素都能自发的放出各种射线。 有的发射α射线，有的发射β射线，有 的在发射α射线或β射线的同时还在发 射γ射线，有的三种射线都有。原子核 自发的放射出各种射线而自身发生变化 的现象称为放射性。 235 238 232 放射性核素有天然（自然）的： U U Th 等，和人工（生产）放射性核素： 40 K 60 137
一般:
火成岩:放射性最强;
变质岩 :次之; 伽马射线强度高的岩石: 伽马射线强度弱的岩石: 深海相泥质沉积岩 砂岩 石灰岩等
沉积岩 :最弱. 伽马射线强度中等的岩石: 浅海相和陆相沉积的泥岩
（2）铀、钍、钾含量 黏土岩中钾含量最高，约2%；钍次之， 约12ppm；铀含量一般最少，约6ppm。 砂岩和碳酸盐岩的铀、钍、钾含量一 般随着泥质含量增加而增加。 含钍化合物难溶于水，是母岩风化的 产物，岩石含钍量少，表明其沉积环境 离母岩区较远。
沉积岩的自然放射性随岩石泥质含量增加而增加， 但含放射性矿物的岩石（如海绿石砂岩、独居石砂 岩、钾盐等）例外。沉积岩中黏土岩放射性最高， 而石膏、硬石膏、岩盐等化学岩最低。 黏土矿物中，蒙脱石表面积最大，对放射性物质 吸附能力强，含有较多氧化铀，对黏土岩放射性贡 献最大；伊利石内含有钾，对氧化铀也有一定吸附 能力，具有一定放射性；而高岭石和绿泥石本身不 含有放射性，对放射性物质吸附能力也差，放射性 低。 生油黏土岩的黏土矿物常以蒙脱石和伊利石为 主，而且富含铀和钍的放射性物质，因而比普通泥 岩有更高的放射性。
2 曲线测量过程
自然伽马测井仪器包括两部分， 地面仪器： 井下仪器: 探测器 放大电路等 地层中的伽马射线通过泥浆到达探测器,探 测器把它变成电脉冲进行放大形成电信号,再通 过电缆到达地面仪器,变换成电脉冲数/每分钟 (强度)进行记录 井下仪器在井内自下而上移动测量,就连续 记录井剖面岩层的自然伽马强度,称为自然伽马 测井曲线(GR). 一般认为伽马射线在沉积岩中的平均穿透深 度约30cm，在考虑到井内泥浆的吸收作用，对 实际地层的探测深度往往不超过20cm，只在储 集层冲洗带范围内。
A
X
核
素—凡具有相同质子数Z和中子数N
的一类原子核素
同位素—凡质子数相同，中子数不同的几 1 2 3 种核素；如：
H H H
H
3 2
三种核素都是氢的同位素
同中子素—中子数相同，质子数不同的几
中核素；如： 2 1
He
3 放射性核素
稳定核素(结构和能量不变化)
核素 不稳定核素(结构和能量发生变化并放射出射线) 不稳定核素也叫放射性核素
•核测井的分类：大体分四类
a)：γ测井。含自然γ和γ —γ测井（散射测 井）。前者又分自然γ和自然γ能谱测井；后者 又分 地层密度和岩性密度测井。 b):中子测井。主要含中子寿命测井、 一 般中子测井和中子诱生γ测井。中子寿命测井也 称热中子衰减时间测井；一般中子测井含热中 子测井和超热中子测井；它们又含有单探测器 中子和补偿中子测井；中子诱生γ能谱测井通常 包括快中子非弹性散射γ能谱测井（即C/O比测 井）、中子俘获γ能谱测井和中子活化γ能谱测 井等。
NA 2 K Z ( Er 1.022) A
K : 常数 Z：原子序数 Er：伽马光子能量 N A : 阿佛加德罗常数 A：原子量
：介质密度
4
伽马射线的吸收
当伽马射线穿过物质时它与物质发生作用, 伽马射线 强度减弱,其总的吸收系数应该是三种吸收系数的总和：
吸收系数 : 若入射伽马射线强度为 I 0， 穿过x厚度的介质后强度为 I， 则 I I 0e
第十章 自然伽马测井
岩石中含有天然的放射性核素,主要是铀系、钍系 和钾的放射形同位素，它们自然衰变时发射伽马射线， 使岩石有天然放射性。自然伽马侧井（natural gamma-ray log）是用伽马射线探测器测量岩石总的 自然伽马射线强度，以研究井剖面地层性质的测井方 法。
主要内容
1 伽马测井核物理基础 2 自然伽马测井原理 3 自然伽马测井曲线应用
γ光子具有波动性，即γ光子在传输过程中 表现出有一定的频率ν和波长λ， λ与ν和光 速 C之间的关系： C
ν
γ光子具有粒子性是说γ光子是一个一个微 粒，每个γ光子具有一定相对性，质量 m 有运动速度C，因而具有一定能量
γ
pγ
Байду номын сангаас
核衰变可用核衰变方程式或衰变图表示. 例如地层中的钾有两种衰变方程式:
40 19 K 40 19 K 40 20
Ca


k
40* A18

40 A18

核衰变使原子核数按指数规律衰减,关系见下
N N 0e
t
N 0 t 0时的原子核数； N 时刻t的原子核数；
衰变常数。
衰变常数表示单位时间内每个原子核发 生衰变的几率。
c):放射性核素示踪测井。这种方法是利 用放射核素作为示踪剂，将掺入流体中，并 注入到井内，通过流体在井中的流动而使核 素分布到各种孔隙空间。利用核γ测井对示 踪剂进行追踪测量，确定流体的运动状态及 其分布规律。 d):核成像测井。如核磁共振成像测井等。 20世纪30年代末，在美国以及前苏联出现 自然伽马测井； 我国1956年最先在玉门油田使用。
Z NA e A e : 每个电子的康普顿散射 截面（几率）
N A：阿伏加德罗常数（ 6.022045 1023 m ol1 ) Z 沉积岩： 0.5 A Z NA ：单位体积电子数 A
3 电子对效应
当伽马射线能量大于1.022MEV时，它与物质的原子核 发生作用,伽马射线转化为一对电子(正负电子)，而伽马 光子本身被全部吸收。这种效应称为电子对效应。 伽马射线通过单位厚度物质时，发生电子对效应引起 伽马射线强度减弱,其减弱程度用电子对吸收系数表示:
3
自然伽马测井曲线特征及影响因素
（1）伽马射线强度对地层中心是对称的，中心点出现极大值； 当地层厚度小于三倍井径时，伽马射线强度的最大值岁厚度变 化而变化；当厚度大于三倍井径时，伽马射线强度与厚度无关。 （2)自然伽马曲线有统计性涨落变化 曲线不是一条光滑曲线，即使在岩性很均匀的地段，曲线 也有明显的起伏变化。 （3)积分电路的影响(测速*积分电路时间常数) 由于记录仪器中的积分电路具有惰性(充/放电需要时间),输出 电压相对于输入要滞后一段时间而仪器又在移动,可能使测井 曲线发生畸变,主要为: 极大值减小,且不在地层中心而向上移动,视厚度增大,半 幅点上移. 一般:地层厚度越小,积分电路的影响越大,曲线畸变越严重.实 际测井中要适当控制测井速度.
例如：
通常写成
12
C
12C的质量为：11.996709u，则质量数为：12
4
He
的质量为4.001506u，则质量数
A=4；
2 原子的结构
中子
原子核
原子
质子 正电荷 核外电子 负电荷
A 原子的标记形式： Z
XN
X是该原子的化学元素符号； A为质量数----即以u为单位原子核质量四舍五入的整数. Z---质子数（即原子序数）； N为中子数 即；N=A-Z，在实际工作中往 往只写出元素符 号和质量数，即写成 ：
x
二 伽马射线的探测
伽马射线与物质相互作用的三种效应将产生次级电子，这 些电子能引起物质中的原子电离和激发。
电离：束缚电子获得能量变成自由电子，形成正、负离子对；
激发：束缚电子获得能量不能成为自由电子，只能激发到更高 的能级；在退激过程中能放出光子，发生闪光（荧光）。 （1） 放电计数管（盖革—弥勒计数管）：收集电离电荷； （2） 闪烁计数管 ：收集荧光。
第二节
自然伽马测井原理
一、伽马射线与物质的作用
放射性原子核衰变放出的伽马射线是波长很短的电磁波， 波长10-8～10-11cm，能量在（0.5 ～ 5.3）MeV. 由于伽马射线能量不同,与物质的作用不同,一般有光电 效应,康普顿效应和电子对效应.
1 光电效应 当伽马射线能量较小时(能量大约在 0.01MeV～ 0.1MeV)，它与原子中的电子碰 撞，将全部能量传给一个电子，使电子脱离 原子而运动，而伽马光子本身被完全吸收。
核测井定义将核技术应用于井中测量根据岩石及其孔隙流体的核物理性质研究井的地质剖面勘探石油天然气煤以及金属非金属矿藏研究石油地质油井工程和油田开发的核地球物理方法称核测井又称放射性测井?
放射性测井
第十—十二章
核测井定义----将核技术应用于井中 测量，根据岩石及其孔隙流体的核物 理性质，研究井的地质剖面，勘探石 油、天然气、煤以及金属、非金属矿 藏，研究石油地质、油井工程和油田 开发的核地球物理方法 —称核测井 〈又称放射性测井〉
第一节 伽马测井核物理基础
伽马测井主要利用伽马射线与介质的作用研究地层的放射性 特性的测井方法,主要有伽马测井,密度测井等. 一 核衰变及其放射性 1 几个基本概念 原子与原子结构:原子—原子是处于中心的带正电的原子核和 核外绕核运动的一 个或若干个电子组成。 原子核——由质子和中子组成。 原子质量单位：原子质量的国际单位是以碳的同位素¹ ² C的原 子质量为标准确定。 一个原子质量单位u——定义为¹ ² C原子静止质量的1/12， 1u=mc×1/12=1.992678×10—26×1/12 =1.660566×10－27 Kg。
优点：制造容易，灵敏度高，价格便宜， 附属设备简单。
对伽马射线的探测效率比G-M计数管高。
三、自然伽马测井曲线特征
1 自然伽马测井仪的标准化 单位时间内的脉冲数作为计数率单位，即脉冲/min。 但即使在相同地层条件下，使用不同仪器可能得到不同的 输出信号，为了方便资料对比与定量解释，必须使仪器标准 化。 方 法：不同的测量仪器放在同一个已知的放射性标准化 装置上进行检查测量，并调节仪器的灵敏度使它们有相同的 输出，或者求得不同仪器之间的换算系数。 一般自然伽马的单位是API。美国石油学会（American Petroleum Institute）规定的放射性计数率单位，将刻度井 中高放射性地层与低放射性地层读数之差定为200个API单 位为标准去刻度其他仪器。 全国统一的标准刻度井中进行的刻度，称为一级刻度。
半衰期：原有的放射性核数衰变掉一半所 需的时间。
N0 t N N 0e 2
平均寿命：每个原子核在发生衰变前存在 的时间的平均值。
T1 / 2
ln 2

0.693

1

5 岩石的自然伽马放射性与岩石性质的关系
（1）岩石总的自然伽马放射性 与岩石大类有关，一般沉积岩的自然 伽马放射性低于岩浆岩和变质岩。因为 沉积岩一般不含放射性矿物，其自然放 射性主要是岩石吸附放射性物质引起的， 而岩石的吸附能力有限。而岩浆岩及变 质岩含有较多放射性矿物，如长石和云 40 母含有地层大部分钾，其中 有放射性。 19 K
Co Cs
4
射线的性质
4
（1）α 射线—由氦原子核 He 组成的粒 子流。氦核又称α 粒子，因而可以说是α 粒 子流。 α 粒子— 4 He 质量数为4，带两个 正电荷。对物质的电离作用很强，而贯穿物 质的本领很小。在空气中的射程2.6cm— 11.5cm，在岩石中的射程只有10¯³cm，即 10μ m 。