放射性测井之自然伽马测井讲课文档
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5)将一些畸变的脉冲信号送入整形器进行整形。
6)归一后的波形送入计数电路记录单位时间内脉冲个数，最后得到 自然伽马测井曲线。(单位：脉冲/分钟)
14
第14页，共30页。
GR(API) SN S
N
S N SN S
第15页，共30页。
砂泥岩剖面GR曲线
15
二、自然伽马测井曲线分析
探测半径：
煤、金属矿钻孔直径：d ≤ 20cm
能
7
三、岩石的天然放射性
U
Th
射线
K
8
第8页，共30页。
1、火成岩的放射性
几点规律：1) 火成岩所含放射性零散而不均匀
2)
酸性 中性 基性 超基性
SiO2的含量
颜色
大
浅
→ →
小
深
放射性元素含量 大
→
小
3)火成岩放射性元素主要是：钍(Th) 钾(K) 铀(U) 镭(Ra)
9
第9页，共30页。
2、沉积岩的放射性 几点规律：
n上下波动 。
nn1n2M nm
经理论计算得到：
绝对误差
n
2
1 2
为仪器时间常数
2)产生的原因：衰变规律
第20页，共30页。
3)统计涨落的定义：在放射性源强不变，测量条 件不变的情况下，在相等的时间间隔内，重复观 测放射性强度，每次记录的数值不同，总是在某
一数值(平均值)上下波动，这种现象称为放射
GR
特高 → 高 → 中等 → 最低
3) 碳酸盐岩剖面
泥岩
泥质灰岩、泥质白云岩
纯石灰岩、白云岩
GR 最高
第23页，共30页。
→
中等
→
最低
GR(API)
23
砂泥岩剖面
24
第24页，共30页。
25
第25页，共30页。
2、确定泥质含量
泥质含量与自然伽马射线强度成正比，推导计算泥质含量的方法同自然电位，可推导得到 的计算泥质含量公式如下：
1)地层对比
J与岩石孔隙中的流体(油或水)的性质无关； J与地层水、泥浆的矿化度无关； J曲线的标准层容易获得。
2)沉积环境分析
J、SP、Ra与岩层的粒度、分选性、泥质含量密切 相关，而这几个量与沉积环境密切相关，所以可以利用
J、SP、Ra进行沉积
地层对比 30
第30页，共30页。
，否则就应该对秤进行统一刻度) 。
刻度分级： 一级刻度：国家级的统一的标准称为一级刻度（标准刻度井）。 二级刻度：各制造厂和大的油田建立区域级的标准称为二级刻度
（刻度装置或刻度井）。 三级刻度：一般现场使用的标准称为三级刻度（刻度器、刻度块）。
要求：低级别的刻度装置必须用高一级刻度装置进行检查。
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两个正电荷
个负电荷
能量
4－10MeV
1 MeV
穿透能力
空气中 2.6-11.5cm 岩石中 10－3 cm
测井能否利用
不能
空气中 几十cm 岩石中 几cm
不能
第7页，共30页。
射线 、衰变伴随放出 频率很高的电磁波 波长3x10-11－10-9cm
波速近似于光速
不带电
0.05－5MeV
空气中 几百cm 岩石中 几十cm
四、自然伽马测井曲线的影响因素
1、岩层厚度 (1) h>6ro
h增大，幅值不再增大 用半幅值点分层 (2) h<6ro h减小，幅值减小 用2/3幅值点分层 ro 井眼半径
第19页，共30页。
井眼、邻层影响
19
2、统计起伏(也称统计涨落)
1)现象
泥岩的放射性含量是均匀的，但在同一 岩层的各点读数不一样其读数在平均计数率
SH GRGRmin GRmax GRmin
式中GR 、GRmax 、GRmin分别为待研究地层、纯泥岩、纯砂岩的自然伽马测井强度。
进行非线性 校正:
Vsh
2cSH 1 2c 1
C ＝ 3.7 新地层 C ＝ 2.0 老地层
应用条件： （1）不同地层中粘土矿物放射性是相同的
（2）除了粘土矿物之外，不含有其他放射性矿物
—— 频率很高的电磁波或光子流，不带电，能量高，穿透力强。
2
第2页，共30页。
6)衰变规律
对含有一大堆原子的放射性物质来说，其中某一个原子何时放射衰变完全是偶然的，无法预 计的，但是对许多原子的整体来说，某一时刻平均有多少原子发生衰变是符合统计规律的。
这一规律是：某一时刻的衰变率dN/dt (单位时间衰变的原子核数) 与当时存在的原子核 数 N，二者成正比
c.粘土沉积物中有含钾矿物（如：水云母、正长石等)
3)沉积物的颜色由浅→深，其放射性强度由小→大。 4)随钾含量的增大，放射性强度增大。 5)孔隙度和渗透率减小，放射性强度增大。
10
第10页，共30页。
3、变质岩的放射性
变质岩的放射性取决于变质岩的源岩 正变质岩：由火成岩变质而来 副变质岩：由沉积岩变质而来
放射性测井之自然伽马测井
第1页，共30页。
3） 核衰变
核衰变：原子核自发地释放出一种带电粒子，并蜕变成另外某种原子核， 同时放出伽马射线。
核衰变常数λ：决定于该放射性核素本身的性质，其值越大衰变越快。
一种元素经过放射变成另一种元素的过程称为衰变或蜕变。
例如
88Ra226 → 86Rn212+(粒子)
性涨落。
20
3、井参数的影响 自然伽马射线强度的吸收方程
J
J
euL
0
u为系数吸收，L为物质的厚度； Jo与J为伽马射线吸收前后的强度。 与井参数有关的几种吸收系数
物质 u
钢 0.5cm-1
水泥环 二者之间
泥浆 0.1－0.2cm-1
清水 二者之间
空气 <0.1cm-1
21
第21页，共30页。
五、自然伽马测井的应用
即 dN/dt=－N 为衰变系数(比例系数)，负号表示原子核数随时间的增长而减小。
积分得到：N=Noe-t
No为最初参与衰变的原子核数(t=0时，N=No) N为衰变之中 t时刻存在的原子核数
3
第3页，共30页。
7）半衰期T
以最先参与衰变的原子核数No为基数，衰变成No/2时，经历时间为T，
即：当N=No/2时所需的时间
第16页，共30页。
注：薄层用2/3幅值分层 。
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三、自然伽马测井仪的刻度 Calibration
1、刻度的意义和分级
意义：为了使不同仪器，或者同一仪器在不同的时间，对同一的地层 的测定结果能够作定量比较，必须进行仪器刻度。
（就好比用不同的秤，或者同一秤在不同的时间对某一东西进行秤量，其结果应该一样
2） 不成系的 (中等元素:原子序数 30≤Z≤81)
主要是钾 19K39 19K40 19K41 其中，19K40 是不稳定的元素,它随时都可能放出射线
5
第5页，共30页。
2、天然放射性的衰变性质
1) 天然放射性衰变分为： 衰变、衰变和 衰变
衰变：放出射线的衰变。
通式为： ZXA → Z-2YA-4+(两个正电荷) 例如： 衰变 92U238 → 90Th234+ 衰变：放出射线的衰变。
GR测井仪工作原理
13
一、自然伽马测井原理
1) 射线探测器探测到地层的射线，并将射线变换成电脉冲信号( 每一道射线变换成一个电脉冲信号)。
2)此电脉冲信号送入井下的放大器进行放大。
3)放大的脉冲信号送入地面的放大器进行放大（其原因是脉冲信 号经电缆传输后会衰减)。
4)由于脉冲信号中混合了一些干扰信号，需经过鉴别器进行鉴别 ，排除干扰。
• 1、划分岩性 • 2、确定泥质含量 • 3 、划分煤层（煤层厚度、深度） • 4、其他（地层对比、沉积微相等）
22
第22页，共30页。
1、划分岩性
1）砂泥岩剖面
粗砂岩 中砂岩 细砂岩 泥岩
J
小→ 大
SP幅度 大 → 小
Ra
大 →小
Vsh
小 →大
2) 膏盐剖面 钾岩
泥岩 砂岩及其它岩石 岩盐、石膏
通式为： ZXA → Z+1YA+(一个负电荷)
例如：衰变
90Th234 → 91Pa234+
衰变：放出射线的衰变。
射线通常是在、衰变的过程中伴随放出的。
6
第6页，共30页。
2) 、和 射线比较
射线种类 产生原因
实物
射线 衰变放出
氦(2He4) 原子核流
射线 衰变放出
高速运动的电子流
带电性
2He4带有两个质子 每个粒子带有一
探测半径： R=25－45cm
油气田钻孔直径:
d ≤ 30cm
探测半径： R=30－50cm
ab段：探测器远离界面，直到探测器中点离界面的距
离为R，探测器的探测范围内是低放射性物质。
bcd 段 ： 探 测 器 上 移 过 界 面 ， 直 到 探 测 器 中 点 离 界 面的距离为R。
1)随探测器上移，探测器探测范围内的高放射性物质逐渐
No/2=Noe-T
得到T＝ln2/=0.693/
各种物质的衰变系数不同，所以半衰期不同，地质上可利用 半衰期很长的元素来确定地层的地质年代。如：
元素名称
半衰期
92U238 铀 K40 钾
4.47×109年 1.28×109年
Co60 钴
5.27年
Cs137 铯
30年
4
第4页，共30页。
二、天然放射性的衰变性质
增大，使曲线上升，直到探测器中点离底界面的距离为R时为 止。
2)探测器中点位于界面时，探测范围内的高低放射性物质
各占一半，所以此点为曲线的半幅值点。
de段：探测器中点离底界面的距离为R时开 始，直到探测器中点离顶界面的距离为R时为止 。探测器的探测范围内是高放射性物质
efg段：分析方法同bcd段。 gh段: 分析方法同ab段。
1、天然放射性的来历
1）成系的
(重元素:原子序数>81)
铀系 92U238 钍系 90Th232 锕系 89Ac227
82Pb206 (铅) 82Pb208 (铅) 82Pb207 (铅)
i)此三系通过、衰变，最后达到稳定的铅同位素82Pb206 (铅) ii)在，衰变的过程中，放出、粒子，伴随放出射线。
第17页，共30页。
2、API标准刻度井
休斯顿大学的API标准井
America Petroleum Institute-API 第18页，共30页。
混凝土 混凝土
低放射性 物质
高放射性 U 12ppm Th 24ppm K 4%
混凝土
低放射性 物质
API N高N低 200
N高为高放射性混凝土中 的读数；N低为低放射性 混凝土中的读数 18
26
第26页，共30页。
GRmax GRmin
第27页，共30页。
Shale line
Vsh=100%
Sand line Vsh=0
27
第28页，共30页。
GR Vsh
28
3 、划分煤层（煤层厚度、深度） 1)煤中的有机质与无机质都不含放射性物质，所以GR低 2)煤的GR与煤的灰分含量有关
4、其它
镭
氡
衰变
(注：原子核的表示方法 ZXA X元素符号，Z为质子数，A为质量数A=N+Z)
4) 放射性强（活）度
一定量的放射性核素，在单位时间内发生衰变的核数。
放射性强（活）度的单位，1居里(Ci)=3.7×1010次衰变/秒
5）放射性射线的性质
α —— 2He4流，极易被吸收，电离本领强，在物质中穿透距离很小。 β —— 高速运动的电子流，在物质中穿透距离较短。
1)沉积岩本身不含有放射性元素，其放射性元素来自火成岩。我们知道机械和化学力
的综合侵蚀作用以及搬运产生了沉积岩，由于搬运和沉积的环境不同，使各种沉积岩的放 射性元素的含量产生了差异 。
2)沉积岩的放射性强度取决于泥质含量(粘土含量)
原因：
a.粘土颗粒细，具有较大的比面（吸附放射性元素的能力强）
b.粘土颗粒细，沉积的时间长（有充分的时间与放射性元素接触）
例如某井：
正片麻岩 岩
大
副片麻岩 角闪岩 榴辉岩 蛇纹
自然伽马
小
11
第11页，共30页。
第一节 自然伽马测井 Gamma Ray Logging
• GR测井是以研究岩 层天然放射性为基 础，进而研究岩层 性质和有关地质问 题的一种测井方法
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第12页，共30页。
一、自然伽马测井原理
第13页，共30页。
6)归一后的波形送入计数电路记录单位时间内脉冲个数，最后得到 自然伽马测井曲线。(单位：脉冲/分钟)
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第14页，共30页。
GR(API) SN S
N
S N SN S
第15页，共30页。
砂泥岩剖面GR曲线
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二、自然伽马测井曲线分析
探测半径：
煤、金属矿钻孔直径：d ≤ 20cm
能
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三、岩石的天然放射性
U
Th
射线
K
8
第8页，共30页。
1、火成岩的放射性
几点规律：1) 火成岩所含放射性零散而不均匀
2)
酸性 中性 基性 超基性
SiO2的含量
颜色
大
浅
→ →
小
深
放射性元素含量 大
→
小
3)火成岩放射性元素主要是：钍(Th) 钾(K) 铀(U) 镭(Ra)
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第9页，共30页。
2、沉积岩的放射性 几点规律：
n上下波动 。
nn1n2M nm
经理论计算得到：
绝对误差
n
2
1 2
为仪器时间常数
2)产生的原因：衰变规律
第20页，共30页。
3)统计涨落的定义：在放射性源强不变，测量条 件不变的情况下，在相等的时间间隔内，重复观 测放射性强度，每次记录的数值不同，总是在某
一数值(平均值)上下波动，这种现象称为放射
GR
特高 → 高 → 中等 → 最低
3) 碳酸盐岩剖面
泥岩
泥质灰岩、泥质白云岩
纯石灰岩、白云岩
GR 最高
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→
中等
→
最低
GR(API)
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砂泥岩剖面
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第24页，共30页。
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第25页，共30页。
2、确定泥质含量
泥质含量与自然伽马射线强度成正比，推导计算泥质含量的方法同自然电位，可推导得到 的计算泥质含量公式如下：
1)地层对比
J与岩石孔隙中的流体(油或水)的性质无关； J与地层水、泥浆的矿化度无关； J曲线的标准层容易获得。
2)沉积环境分析
J、SP、Ra与岩层的粒度、分选性、泥质含量密切 相关，而这几个量与沉积环境密切相关，所以可以利用
J、SP、Ra进行沉积
地层对比 30
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，否则就应该对秤进行统一刻度) 。
刻度分级： 一级刻度：国家级的统一的标准称为一级刻度（标准刻度井）。 二级刻度：各制造厂和大的油田建立区域级的标准称为二级刻度
（刻度装置或刻度井）。 三级刻度：一般现场使用的标准称为三级刻度（刻度器、刻度块）。
要求：低级别的刻度装置必须用高一级刻度装置进行检查。
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两个正电荷
个负电荷
能量
4－10MeV
1 MeV
穿透能力
空气中 2.6-11.5cm 岩石中 10－3 cm
测井能否利用
不能
空气中 几十cm 岩石中 几cm
不能
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射线 、衰变伴随放出 频率很高的电磁波 波长3x10-11－10-9cm
波速近似于光速
不带电
0.05－5MeV
空气中 几百cm 岩石中 几十cm
四、自然伽马测井曲线的影响因素
1、岩层厚度 (1) h>6ro
h增大，幅值不再增大 用半幅值点分层 (2) h<6ro h减小，幅值减小 用2/3幅值点分层 ro 井眼半径
第19页，共30页。
井眼、邻层影响
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2、统计起伏(也称统计涨落)
1)现象
泥岩的放射性含量是均匀的，但在同一 岩层的各点读数不一样其读数在平均计数率
SH GRGRmin GRmax GRmin
式中GR 、GRmax 、GRmin分别为待研究地层、纯泥岩、纯砂岩的自然伽马测井强度。
进行非线性 校正:
Vsh
2cSH 1 2c 1
C ＝ 3.7 新地层 C ＝ 2.0 老地层
应用条件： （1）不同地层中粘土矿物放射性是相同的
（2）除了粘土矿物之外，不含有其他放射性矿物
—— 频率很高的电磁波或光子流，不带电，能量高，穿透力强。
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6)衰变规律
对含有一大堆原子的放射性物质来说，其中某一个原子何时放射衰变完全是偶然的，无法预 计的，但是对许多原子的整体来说，某一时刻平均有多少原子发生衰变是符合统计规律的。
这一规律是：某一时刻的衰变率dN/dt (单位时间衰变的原子核数) 与当时存在的原子核 数 N，二者成正比
c.粘土沉积物中有含钾矿物（如：水云母、正长石等)
3)沉积物的颜色由浅→深，其放射性强度由小→大。 4)随钾含量的增大，放射性强度增大。 5)孔隙度和渗透率减小，放射性强度增大。
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第10页，共30页。
3、变质岩的放射性
变质岩的放射性取决于变质岩的源岩 正变质岩：由火成岩变质而来 副变质岩：由沉积岩变质而来
放射性测井之自然伽马测井
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3） 核衰变
核衰变：原子核自发地释放出一种带电粒子，并蜕变成另外某种原子核， 同时放出伽马射线。
核衰变常数λ：决定于该放射性核素本身的性质，其值越大衰变越快。
一种元素经过放射变成另一种元素的过程称为衰变或蜕变。
例如
88Ra226 → 86Rn212+(粒子)
性涨落。
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3、井参数的影响 自然伽马射线强度的吸收方程
J
J
euL
0
u为系数吸收，L为物质的厚度； Jo与J为伽马射线吸收前后的强度。 与井参数有关的几种吸收系数
物质 u
钢 0.5cm-1
水泥环 二者之间
泥浆 0.1－0.2cm-1
清水 二者之间
空气 <0.1cm-1
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第21页，共30页。
五、自然伽马测井的应用
即 dN/dt=－N 为衰变系数(比例系数)，负号表示原子核数随时间的增长而减小。
积分得到：N=Noe-t
No为最初参与衰变的原子核数(t=0时，N=No) N为衰变之中 t时刻存在的原子核数
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7）半衰期T
以最先参与衰变的原子核数No为基数，衰变成No/2时，经历时间为T，
即：当N=No/2时所需的时间
第16页，共30页。
注：薄层用2/3幅值分层 。
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三、自然伽马测井仪的刻度 Calibration
1、刻度的意义和分级
意义：为了使不同仪器，或者同一仪器在不同的时间，对同一的地层 的测定结果能够作定量比较，必须进行仪器刻度。
（就好比用不同的秤，或者同一秤在不同的时间对某一东西进行秤量，其结果应该一样
2） 不成系的 (中等元素:原子序数 30≤Z≤81)
主要是钾 19K39 19K40 19K41 其中，19K40 是不稳定的元素,它随时都可能放出射线
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第5页，共30页。
2、天然放射性的衰变性质
1) 天然放射性衰变分为： 衰变、衰变和 衰变
衰变：放出射线的衰变。
通式为： ZXA → Z-2YA-4+(两个正电荷) 例如： 衰变 92U238 → 90Th234+ 衰变：放出射线的衰变。
GR测井仪工作原理
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一、自然伽马测井原理
1) 射线探测器探测到地层的射线，并将射线变换成电脉冲信号( 每一道射线变换成一个电脉冲信号)。
2)此电脉冲信号送入井下的放大器进行放大。
3)放大的脉冲信号送入地面的放大器进行放大（其原因是脉冲信 号经电缆传输后会衰减)。
4)由于脉冲信号中混合了一些干扰信号，需经过鉴别器进行鉴别 ，排除干扰。
• 1、划分岩性 • 2、确定泥质含量 • 3 、划分煤层（煤层厚度、深度） • 4、其他（地层对比、沉积微相等）
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第22页，共30页。
1、划分岩性
1）砂泥岩剖面
粗砂岩 中砂岩 细砂岩 泥岩
J
小→ 大
SP幅度 大 → 小
Ra
大 →小
Vsh
小 →大
2) 膏盐剖面 钾岩
泥岩 砂岩及其它岩石 岩盐、石膏
通式为： ZXA → Z+1YA+(一个负电荷)
例如：衰变
90Th234 → 91Pa234+
衰变：放出射线的衰变。
射线通常是在、衰变的过程中伴随放出的。
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第6页，共30页。
2) 、和 射线比较
射线种类 产生原因
实物
射线 衰变放出
氦(2He4) 原子核流
射线 衰变放出
高速运动的电子流
带电性
2He4带有两个质子 每个粒子带有一
探测半径： R=25－45cm
油气田钻孔直径:
d ≤ 30cm
探测半径： R=30－50cm
ab段：探测器远离界面，直到探测器中点离界面的距
离为R，探测器的探测范围内是低放射性物质。
bcd 段 ： 探 测 器 上 移 过 界 面 ， 直 到 探 测 器 中 点 离 界 面的距离为R。
1)随探测器上移，探测器探测范围内的高放射性物质逐渐
No/2=Noe-T
得到T＝ln2/=0.693/
各种物质的衰变系数不同，所以半衰期不同，地质上可利用 半衰期很长的元素来确定地层的地质年代。如：
元素名称
半衰期
92U238 铀 K40 钾
4.47×109年 1.28×109年
Co60 钴
5.27年
Cs137 铯
30年
4
第4页，共30页。
二、天然放射性的衰变性质
增大，使曲线上升，直到探测器中点离底界面的距离为R时为 止。
2)探测器中点位于界面时，探测范围内的高低放射性物质
各占一半，所以此点为曲线的半幅值点。
de段：探测器中点离底界面的距离为R时开 始，直到探测器中点离顶界面的距离为R时为止 。探测器的探测范围内是高放射性物质
efg段：分析方法同bcd段。 gh段: 分析方法同ab段。
1、天然放射性的来历
1）成系的
(重元素:原子序数>81)
铀系 92U238 钍系 90Th232 锕系 89Ac227
82Pb206 (铅) 82Pb208 (铅) 82Pb207 (铅)
i)此三系通过、衰变，最后达到稳定的铅同位素82Pb206 (铅) ii)在，衰变的过程中，放出、粒子，伴随放出射线。
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2、API标准刻度井
休斯顿大学的API标准井
America Petroleum Institute-API 第18页，共30页。
混凝土 混凝土
低放射性 物质
高放射性 U 12ppm Th 24ppm K 4%
混凝土
低放射性 物质
API N高N低 200
N高为高放射性混凝土中 的读数；N低为低放射性 混凝土中的读数 18
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第26页，共30页。
GRmax GRmin
第27页，共30页。
Shale line
Vsh=100%
Sand line Vsh=0
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GR Vsh
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3 、划分煤层（煤层厚度、深度） 1)煤中的有机质与无机质都不含放射性物质，所以GR低 2)煤的GR与煤的灰分含量有关
4、其它
镭
氡
衰变
(注：原子核的表示方法 ZXA X元素符号，Z为质子数，A为质量数A=N+Z)
4) 放射性强（活）度
一定量的放射性核素，在单位时间内发生衰变的核数。
放射性强（活）度的单位，1居里(Ci)=3.7×1010次衰变/秒
5）放射性射线的性质
α —— 2He4流，极易被吸收，电离本领强，在物质中穿透距离很小。 β —— 高速运动的电子流，在物质中穿透距离较短。
1)沉积岩本身不含有放射性元素，其放射性元素来自火成岩。我们知道机械和化学力
的综合侵蚀作用以及搬运产生了沉积岩，由于搬运和沉积的环境不同，使各种沉积岩的放 射性元素的含量产生了差异 。
2)沉积岩的放射性强度取决于泥质含量(粘土含量)
原因：
a.粘土颗粒细，具有较大的比面（吸附放射性元素的能力强）
b.粘土颗粒细，沉积的时间长（有充分的时间与放射性元素接触）
例如某井：
正片麻岩 岩
大
副片麻岩 角闪岩 榴辉岩 蛇纹
自然伽马
小
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第一节 自然伽马测井 Gamma Ray Logging
• GR测井是以研究岩 层天然放射性为基 础，进而研究岩层 性质和有关地质问 题的一种测井方法
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一、自然伽马测井原理
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