地球物理测井密度测井及岩性密度测井
浅析地球物理测井在煤田地质勘探中的应用
浅析地球物理测井在煤田地质勘探中的应用摘要：我国的煤炭资源在世界位居前列，并且煤炭是我国主要的消耗能源，因此煤田地质勘探对我国能源开采的极其重要。
地球物理测井简称测井，是通过在钻孔中提拉探管来测量地下岩层的导电特性、声学特性、放射性等物理参数，从而达到识别地下岩层的目的。
本文主要简单地介绍几种地球物理测井方法及其在煤田地质勘探中的应用。
关键词：地球物理测井；测井方法；煤田勘探1 引言地球物理测井技术经过长达几十年的发展，形成了以核、声、电三种测井系列为主的诸多测井方法，在煤田地质勘探中通过利用这些技术方法，我们可以确定煤层的埋深、厚度及结构；划分地层岩性剖面，推算解释地层时代；确定地下断层性质、层位及断距；测算地层地温梯度；计算地层孔隙度，地层含水饱和度及含水层位置；测量钻孔的顶角和方位角等。
2 测井技术方法介绍2.1自然伽马测井自然伽马测井是煤田地质勘探测井中最常用的测井方法，它主要通过探管测量岩层的天然伽马射线强度。
在沉积岩地层中，因为放射性元素主要存在于黏土矿物中，因此地层泥质含量越多，其放射性越强。
通过这种规律，我们就可利用自然伽马测井来划分钻孔的岩性剖面、确定砂泥岩沉积地层中的泥质含量以及确定地层的渗透性。
通过自然伽马测井，我们也可以根据地层放射性来勘探地层中的其他具有放射性的矿产（如钾盐、钍、铀等）。
2.2密度测井自然伽马测井是测量岩石中的放射性元素发射的伽马射线强度，是被动的测量方式。
而密度测井是采用主动测量的方式：通过探管携带的人工放射源在地下产生射线，测量射线在与地下岩石经过相互作用后的射线强度，进而计算出地下岩层的体积密度，达到识别地下岩性的目的。
由于煤的密度与其他岩石的密度有着十分明显的差异，所以密度测井能让我们简单快速的识别到煤层，确定其埋藏深度及其厚度。
2.3电阻率测井电阻率测井是以地下岩层的导电性（电阻率或电导率）为基础，在钻孔中通过电极系来测量地层电阻率的一种方法。
密度测井及岩性密度测井
2、密度测井（DEN/FDC)
原理
③ Cs主137 要产生中档能量旳伽马 光子，所以伽马光子与地层 之间主要发生康普顿效应.
④
e
zN A A
2、密度测井（DEN/FDC)
原理
Ⅰ对于单探测器
由 b 取f得(N旳)密度为
体积密度（体积密度测井 DEN）。 主要反应泥饼和冲洗带旳 密度。
Ⅱ光子旳能量为中档（ Er 0.1 ~）5m时ev，γ射线与物质旳 作用以康普顿效应为主。
Ⅲ光子旳能量较高（ Er 5m）ev时，伽马射线与物质旳 作用以电子对效应为主。
Ⅳγ射线穿过物质时，同步发生三种作用而减弱，
其吸收系数为
1、伽马射线与物质旳作用
试验证明：
I I 0e L
其中：I0-γ射线源产生旳γ射线旳强度； I-γ射线经过L厚度旳介质后旳强度
2、密度测井（DEN/FDC)
原理
Ⅱ 对于双探测器
NS 主要取决于泥饼旳密度 NL 主要取决于冲洗带及泥饼旳密度
由NS、NL共同拟定密度
b f (NL, NS ) 为补偿密度（补偿密度测井 FDC）主要反应冲洗带旳密度
2、密度测井（DEN/FDC)
原理
2、密度测井（DEN/FDC)补偿密度测井曲线
2、密度测井（DEN/FDC)
原理
仪器旳构造： γ源 探测器 源距
2、密度测井（DEN/FDC)
原理
γ源
C 137
55 s
137 56
Ba
0 1
e
(0.661mev)
即伽马源产生旳是中
档能量旳光子流，自然
它在穿过物质时，主要
《地球物理测井》Ch11.密度和岩性密度测井
由上三式可见，只有康普顿效应与介 质密度关系比较简单。（10-2）式表明康 普顿散射引起的伽马射线减弱程度与介质 密度 或电子密度 成正比。 （10-2）式是对单一元素物质表示 的，对于多种化合物也同样遵循这一关 系，例如对于多中原子构成的矿物，其关 系为： （10-4）
一般而言，伽马光子会随着源距的增强而减小。 则有：
因一般储集层都有泥饼，密度测井都采用不同源距的两个伽 马射线探测器，以补偿泥饼对测量的影响，称为双源距补偿密 度测井。常用短源距为15－25cm，长源距35－40cm。
长源距 探测器
短源距 探测器
伽马源
图10-2 双源距补偿密度测井仪器结构
第二节 泥饼影响及密度测井仪刻度方法
不同岩性地层,其测井响应值(幅度)不同
岩性
砂岩 石灰岩 白云岩 硬石膏
声波时差 微秒/米 164~184 156 143 164 微秒/英尺 50~56 47.5 43.5 50 密 度
1、泥饼对计数率的影响（实验） （1）地层没有泥饼时，用长、短源距计数率 都可得到地层密度，而且两者结果一致。 （2）当存在泥饼时，长、短源距计数率将偏 离正常位置。
即长、短源距探测器计 数率（对数坐标）呈线 性关系，所确定的直线 称为“脊线”，其斜率为 AL/AS，该线与横轴的夹
图10-3 无泥饼时的实验曲线
考虑到以上特点，常将密度孔隙度与补偿中子 孔隙度重叠显示以此来区分岩性。
图10-5 某层系的LDT-CNL-GR曲线
3、划分裂缝带或气层
第八章 测井DEN曲线
图8-2为Z相同而密度不同是的伽马能谱的分布曲 线。低能区，随密度增加，计数率减小，计数率最大 值对应的能量与密度无关，在高能区，计数率随密度 增加而减小。
如果只存在康普顿效应，则μ为康普顿散射吸收系数。
同时，由于沉积岩的Z/A≈0.5，故：
NN e
E
zN A
A
B
L
0
两边取对数得：： ln N ln N0 Kb L
其中：K e N A 2
短源距探测器
计数率与密度、
源距的关系如
图8-4、8-5所
计
示。
数
率
长源距探测器
图8-4 长、短源距计 数率与地层密度的关 系曲线（无泥饼）
地层密度
图8-5、
长、
短源
距计
计
数率
数
与泥
率
饼厚
度、
地层
密度
的关
系
泥饼厚度增加
短源距
长源距
泥饼厚度增加
地层密度
图8-4表明：随地层密度增加，长、短源距计数率均降 低；密度相同，源距大，计数率低。
图8-5表明：（1）当地层密度与泥饼密度相同时， 源距相同、泥饼厚度不同的直线相交于一点，泥饼厚 度不影响计数率；（2）当地层密度大于泥饼密度时 （交点右侧），随泥饼厚度的增加，计数率增大，测 量的地层视密度减小（小于地层密度）；（3）当地层 密度小于泥饼密度相同时（交点左侧），随泥饼厚度 增加，计数率减小，测量的地层视密度增大（大于地 层密度）。
第八章 密度测井
-0.24*(2.65-2.55)/(2.65-1.0)=0.22 地层视石灰岩孔隙度=(2.71-2.25)/(2.71-1.0)=0.27
不变的过渡带
计
密度增加
数
率
能量(kev) 图8-2 Z相同而密度不同地层的散射吸收伽马能谱响应
第二节 密度测井
一、密度测井的基本原理 1、井下仪
图8-3为补偿密度测井仪的示意图，它包 括一个伽马源，两个伽马光子探测器。它们 安装在滑板上，测井时将滑板推靠到井壁上 。在下井仪器的上方装有辅助电子线路。
图8-12 计数率比与Pe的关系曲线
由此，通过测量高能段、低能段的伽马光子数，即 可确定地层密度 、光电吸收截面指数和地层体积光 电吸收截面U。
岩性密度测井的输出为：地层密度、地层密度的 泥饼校正值、光电吸收截面指数Pe和地层体积光电 吸收截面U。如图8-13所示。
图8-13 实测的Pe曲线图
2）、密度曲线与中子测井曲线重叠识别气层。 气层：密度视石灰岩孔隙度大，密度低，中
子孔隙度低。
3）、密度-中子测井交会图确定地层岩性及孔隙 度。
第三节 岩性密度测井
岩性密度测井利用伽马射线与地层的光电效 应及康普顿效应，测定地层密度、孔隙度及岩 性。 一、岩性密度测井的基本原理
1、井下仪 岩性密度测井采用的井下仪与密度测井的相 似。测井时，井下仪的滑板被推倒井壁上，滑 板上装有铯伽马源和长、短源距的伽马光子探 测器。
Pe Z 3.6
其中：α为常数。
第8章-密度测井和岩性密度测井
第八章 密度测井和岩性密度测井此两种测井方法是由伽马源向地层发射伽马射线，经与地层介质相互作用后，再由伽马探测器接收（即为伽马-伽马测井），地层不同，探测器记录的读数不同，从而被用来研究地层性质。
§1 密度测井、岩性密度测井的地质物理基础一、岩石的体积密度b ρ（即真密度）： VG b =ρ （单位体积岩石的质量）对含水纯岩石： φρφρρρρφ⋅+-=⋅+⋅=+=f ma f ma ma fma b V V V VG G )1( 单位：（g/cm 3）其中：V V V ma =+φ（1）组成岩石的骨架矿物不同，ρma 不同，如石英为2.65，方解石为2.71，白云石为2.87，对于相同孔隙度得到的体积密度也就不同，由此可判断岩性；另一方面，利用体积密度计算孔隙度时，必须得先确定岩性。
（2）孔隙性地层的密度小于致密地层，且随着φ的增加ρb 减小，由此可求φ。
且（盐水泥浆）（淡水泥浆）1.10.1=f ρ二、康普顿散射吸收系数∑中等能量γ射线与介质发生康普顿散射康普顿散射而使其强度减小的参数(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减弱程度)： A N z b A eρσ⋅⋅=∑ 沉积岩中大多数核素A z 均接近于0.5(见表8-1, P138)，常见的砂岩、石灰岩、白云岩的A z 的平均值也近似为0.5(见表8-2)，所以对于一定能量范围的伽马射线（e σ为常数），∑只与b ρ有关。
密度测井利用此关系，通过记录康普顿散射的γ射线的强度来测量岩石的密度。
三、岩石的光电吸收截面1、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=2、岩石的光电吸收截面指数Pe 它是描述发生光电效应时物质对伽马光子吸收能力的一个参数，即伽马光子与岩石中一个电子发生光电效应的平均光电吸收截面，单位b/电子。
而它与原子序数关系为：Pe=aZ 3.6a 为常数，地层岩性不同，Pe 有不同的值，也就是说Pe 对岩性敏感，可以以来确定岩性，Pe 是岩性密度测井测量的一个参数。
地球物理测井.密度测井及岩性密度测井
2.648
2.712
2.876
2.977
1.355～1.796
1
0.85
地球物理测井.放射性测井 影响岩石密度的因素：
2
孔隙度
孔隙性地层相当于致密地层中岩石骨架的一部分被密度
小的水、原油或天然气所代替，故其密度小于致密地层。孔
隙度越大，地层的密度越小。所以用密度测井资料可以求地 层的孔隙度。密度测井是三种主要孔隙度测井方法之一。
e
式中
e
ZN Ab A
—每个电子的康普顿散射截面。
地球物理测井.放射性测井
1.密度测井的核物理基础
3、光电效应： (E＜ 0.2 Mev )
电子
光电效应的吸收系数：
能量较低的伽马射线穿过物质与原 子中的电子相碰撞，并将其能量交 给电子，使电子脱离原子而运动， 伽马光子本身则整个被吸收，被释 放出来的电子叫自由电子，这种效 应叫光电效应。此时产生的自由电 子被称为光电子。
石英 2.654 2.65 2.648
方解石 2.71 2.708 2.712
白云石 2.87 2.863 2.876
硬石膏 2.96 2.957 2.977
无烟煤 1.4～1.8 1.442～1.852 1.355～1.796
烟煤 1.2～1.5 1.272～1.59 1.173～1.514
淡水 1 1.11 1
电子对吸收系数：t
电子
当伽马射线能量较高时，射 线粒子与物质的原子核发生碰撞， 从原子核中打出一正一负两个电 子，而本身被全部吸收，称为电 子对。射线能量降低，射线与物 质的这种作用过程称为电子对效 应。
原子核
+e -e
伽马射线
地球物理测井.放射性测井
测井原理与综合解释
测井原理与综合解释测井原理是指利用地球物理仪器和技术，对地下岩石层进行实时监测和测量的过程。
通过测井原理，可以获得有关地下岩石层中所含矿物、岩性、含水性、温度、压力等参数的信息，从而帮助地质学家和工程师进行油气勘探和开发。
测井原理主要依赖于以下几种物理现象和原理：1. 电性测井原理：利用地层中的电性差异，通过测量电阻率、电导率等指标来判断地层的性质。
例如，导电层岩石通常具有良好的含油性能。
2. 密度测井原理：根据地下岩石的密度差异，通过测量岩石的密度来判断地层的性质。
例如，含有矿物质量高的岩石通常具有较高的密度。
3. 声波测井原理：利用地层中声波的传播速度来判断地层的性质。
不同类型的岩石对声波的传播速度有不同的影响。
4. 核磁共振测井原理：利用地层中核磁共振现象，通过测量核磁共振信号来判断地层的性质。
不同类型的岩石对核磁共振信号有不同的响应。
综合解释是指通过将不同类型的测井数据进行综合分析和解释，得出地下岩石层的具体性质和分布。
综合解释的过程包括以下几个步骤：1. 数据校正和质量评估：初步检查测井数据的准确性和有效性，排除可能的误差和异常点。
2. 数据融合：将来自不同类型测井仪器的数据进行融合，形成一个统一的数据集。
3. 数据解释：根据测井原理和地质知识，对数据进行解释，得出地层的特征和性质。
可以使用图表、剖面图等方式展示解释结果。
4. 建模和预测：根据解释结果，建立地下岩石层的模型，并利用模型进行预测和评估。
这可以帮助决策者进行油气资源勘探和开发的决策。
综合解释需要综合考虑不同类型的测井数据，以及地质知识和经验。
准确地解释地下岩石层的性质和分布，对于油气勘探和开发具有重要意义。
地球物理测井基本原理
2.常规测井方法
2.1.1普通电法测井-微电极测井
特点：a.电极距小，几乎不受围岩和 泥浆的影响；b. 探测深度浅，纵向分 辨 率 高 ； c. 在 渗 透 层 处 一 般 有 “ 幅 度 差”。
时差△t（地层纵波速度的倒数，单位是μs/m或
μs/ft）。 目前，主要应用二种类型的声系（单发双收
声系、双发双收声系）。
单发单收
单发双收
T
双发双收
BHC
T
接
收
T
R1
消除井筒影响
R1
消除扩径等影响
阵 列
R
R2
R2
通过检测首波来获得声波时差，只能测量到纵波时差T’
发射器
2.常规测井方法
2.2声波测井
2.常规测井方法
2.1.4自然电位曲线的应用
识别岩性； 划分储层
当 RWA>Rmf 正 SP RWA<Rmf 负 SP
2.常规测井方法
2.1.4自然电位曲线的应用
识别油水层： SP曲线幅
度低的为油层 ，高的为水层
2.2声波测井
2.常规测井方法
声波在不同介质中传播时，其速度、幅度衰减及频率 变化等声学特性是不同的。声波测井就是以岩石等介质 的声学特性为基础而提出的一种研究钻井地质剖面、评 价固井质量等问题的测井方法。
51
67
57
2.常规测井方法
2.3放射性测井
根据岩石及其孔隙流体的某种核物理性质探测井剖 面的一类测井方法。 •优点是：裸眼井、套管井都能正常测井，不受钻井 液的限制。 •方法多，十余种：
密度测井 第二版
e
Z
NA A
b
对于沉积岩来说，大多数核素Z/A均接近于0.5，
常见的砂岩、石灰岩、白云岩的Z/A也近似等于0.5，
所以对于一定能量范围的伽马射线（σe为常数），
∑只与ρb有关。密度测井利用此关系，通过记录康
普顿散射的射线来测量岩石的密度。
勘探开发工程监督管理中心
一、密度测井的地质物理基础
（Formation Density Log, FDL）
密度测井：根据伽马射线与地层的康普顿效应 （Compton Effect）测定地层密度（Density）的测井 方法。
（Litho Density Log, LDL）
岩性密度测井：利用伽马射线与地层的光电效应 （Photoelectric Effect）和康普顿效应（Compton Effect）同时测定地层的岩性（Lithology）和密度 （Density）的测井方法，是密度测井的改进和扩展。
电子 原子核
伽马射线
图7-1（a）
勘探开发工程监督管理中心
一、密度测井的地质物理基础
2
伽马射线与物质的作用
（2）、康普顿效应
γ射线的能量为中等数值，γ射线 与原子的外层电子发生碰撞时，把 一部分能量传给电子，使电子从某 一方向射出，此电子称之为康普顿 电子，损失了部分能量的射线向另 一方向散射出去称为散射γ射线。 如图7-1（b）所示。这种现象称为 康普顿效应。
勘探开发工程监督管理中心
二、密度测井
1 密度测井的基本原理
实际测井中，泥饼影响不可忽视，为此，采用双 源距探测器的补偿密度测井仪，其中长源距的计数率 受泥饼影响小，短源距受泥饼影响大，用长源距得到 一个视地层密度ρb’，再由长、短源距计数率得到泥 饼校正值△ρ，则地层密度ρb= ρb’+ △ρ。最终 得到随深度变化的一条ρb曲线和△ρ曲线。
第八章密度测井
矿物的密度数据表
矿物 石英 方解石 白云石 硬石膏 钾盐 岩盐 石膏 无烟煤 分子式 SiO2 CaCO3 CaMg(CO3)2 CaSO4 KCl NaCl CaSO4· 2H2O 密度/g· cm-3 2.654 2.710 2.870 2.960 1.980 2.165 2.32 1.400 1.800 1.200 1.500 H2O H2O+NaCl N(CH2) CH4 1.000 1.146 0.85 ρ(CH4)
视密度/g· cm-3 2.648 2.710 2.876 2.977 1.863 2.032 2.351 1.355 1.796 1.173 1.514 1.000 1.135 0.850 ρa(CH4)
烟煤 淡水 矿化水 原油 甲烷
1.060 1.1101 1.0797 1.1407 1.247
(1)当Δρ=0时,即没有泥饼影响,得脊线方程：
AL ln N L BL (ln N S BS ) AS
脊线的斜率为:AL/AS
脊角α为: arctg AL
AS
理想脊肋示意图
(2)当Δρ≠0时，有泥饼影响,得肋线方程:
1 AL KAL ln N L BL (ln N S BS ) b K 1 AS K 1
8、密度测井采用不同源距的两个伽马射线探 测器，以补偿泥饼对测量的影响，称为补偿密 度测井。 常用短源距为15~25cm，长源距为35 ~40cm
二、泥饼对计数率的影响 1、影响的定性描述 （1）渗透性地层的井壁通常积有泥饼，它 对计数率的贡献与仪器的探测深度有关 （2）用蒙特卡罗方法，考察源距分别为30cm 和50cm的仪器对纯石灰岩骨架的探测深度。计 算结果表明，计数的90%来自经向厚度大约 5cm的地层，泥饼的影响不能忽略
《地球物理测井》-课后思考题
思考题第一课自然电位测井SP？*1.分析自然电位的成因，写出扩散电动势、扩散吸附电动势、总电动势表达式。
答：自然电场的产生(原理)扩散电动势、扩散吸附电动势、过滤电动势1.扩散电动势产生原因：泥浆和地层水矿化度不同——电化学过程——电动势——自然电场产生过程：溶液浓度不同——离子扩散——离子迁移率不同——两边分别富集正、负离子 (延缓离子迁移速度)——产生电动势(直到正负离子达到动态平衡为止 ) 公式：2.扩散吸附电动势产生原因：泥浆和地层水矿化度不同——产生阳离子交换——产生电动势——自然电场产生过程：溶液浓度不同——带电离子扩散——阳离子交换——孔隙内溶液阳离子增多——浓度小的一方富集正电荷，浓度大的一方富集负电荷产生电动势（扩散吸附）公式：3.过滤电动势产生原因：泥浆柱与地层之间的压差造成离子的扩散。
一般在近平衡钻井情况下不考虑。
总电动势公式：*2.不同Cw、Cmf情况下自然电位测井曲线有哪些特征？1.当Cw>Cmf：（Rmf>Rw,E<0）负异常（淡水泥浆）2.当Cw<Cmf：（Rmf<Rw,E>0）正异常（咸水泥浆）3.当Cw=Cmf：（Rmf=Rw, E=0）无异常，自然电位测井失效*4.自然电位测井曲线在油田勘探开发中应用于哪些方面？1.划分渗透层（半幅点法，砂泥岩剖面较常用）2.估算泥质含量3.地层对比依据： 1)相同沉积环境下沉积的地层岩性特征相似; 2)同一段地层有相同或相似的沉积韵律组合; 3)由1)和2)决定同层、同沉积（相）的SP曲线特征一致。
4.确定、划分沉积相5.确定油水层及油水界面（△USP油小于△USP水）6.识别水淹层(依据 Cw <或> Cwz) 渗透层水淹后SP基线偏移，偏移量与Cw/Cwz(注入)有关7.确定地层水电阻率Rw3.影响自然电位测井的因素有哪些？1.Cw/Cmf影响（地层水矿化度/泥浆滤液矿化度）当Cw>Cmf：（Rmf>Rw,E<0）负异常（淡水泥浆）.当Cw<Cmf：（Rmf<Rw,E>0）正异常（咸水泥浆）当Cw=Cmf：（Rmf=Rw, E=0）无异常，自然电位测井失效2 .岩性影响砂泥岩剖面泥岩(纯泥岩)——基线纯砂岩——SSP(h>4d)当储层Vsh 增大，自然电位幅度△USP（变小）<SSP 靠近泥岩基线3..温度影响温度对离子运动，离子扩散速率有影响不同深度地层温度不同4.地层水、泥浆滤液中含盐性质影响（溶液中离子类型不同，迁移速率不同，直接影响Kd、Kda）5.地层电阻率影响（当地层电阻率较大时，其影响不容忽视。
6章-密度及岩性密度测井
3.14
2.88
9.0
硬石膏
5.05
2.98
14.9
石膏
3.42
2.35
8.11
岩盐
4.65
2.04
9.68
重晶石
266.80
4.12
1070.00
淡水
0.358
1.00
0.398
原油
0.119
0.85
0.11
纯砂岩
1.745
2.31
4.07
一般泥岩
3.42
2.65
9.05
A段：Pe值近似为 5，应为石灰岩；
密度测井曲线的应用
判别岩性 求孔隙度
判别岩性
可利用单一的密度曲线，由不同的密 度值去识别岩性，也可以与声波、中 子测井结合判断岩性。
除判别岩性和求孔隙度外，密度测 井在煤田勘探中有广泛应用，煤层的 密度低于其围岩的密度，在密度曲线 上显示为明显的低读数。
求孔隙度
若已知岩石骨架密度为ρma ，孔隙度为 φ，孔隙中流体平均密度为ρf ，那么地 层的体积密度将为
地层孔隙流体的影响
在仪器探测范围内（约15厘米深） 的渗透性地层中所含的流体主要为泥 浆滤液，其密度在1克/立方厘米左右。 如果是用低压天然气或空气钻井时， 因其密度要比泥浆滤液密度低很多， 必须用天然气的密度代替孔隙度公式 中的ρf ，否则将会有很大误差。
泥质影响
通常泥岩和储集层中泥质密度小于岩 石骨架密度，若不考虑其影响求出的孔 隙度就偏大。
ρb=φρf+(1-φ) ρma φ=（ρma-ρb）/（ρma-ρf） 对于砂岩、石灰岩、白云岩、硬石膏， ρma分别是2.65、2.71、2.87、2.98 。
07补偿密度测井和岩密度测井
补偿密度测井和岩密度测井一、补偿密度测井原理和方法岩石的密度是单位体积岩石的质量，单位是g/cm3，代表符号是ρb，也称为岩石的体积密度。
岩石的体积密度ρb是代表岩石性质的一个重要参数，它不但与岩石的矿物成分及含量有关，还与岩石孔隙度和孔隙中流体的类别、性质和含量有关。
因此，测量岩石体积密度是很有必要的。
前面已经讲过，当γ射线能量为中等时，伽马射线与其所穿过的物质原子中的电子发生碰撞，把一部分能量传给电子，使电子沿某一方向射出，损失了部分能量的伽马射线则沿另一方向射出，这种效应称为康普顿效应。
由于康普顿效应引起γ射线的被吸收和散射，用散射截面σc表示：σc=Zσc.e。
即是说σc与靶物质的原子序数成正比，即与原子的电子数成正比。
因为靶物质是地层岩石，所以σc就与岩石中的电子密度（每立方厘米中的电子数）成正比。
补偿密度测井通常用137C s（铯）作为伽马射线源，它发出的γ射线具有中等能量（0.611Mev）。
当其与中等原子序数的元素组成的地层相互作用时，主要发生康普顿效应。
康普顿散射线性衰变系数μc可用下式表示：μc=ZA*（ρb N Aσc.e）式中μc为康普顿散射线性衰变系数。
Z为原子序数，A为原子的摩尔质量，N A为阿伏伽德罗常数。
σc.e为电子的散射截面，对于沉积岩中的大多数元素而言，ZA近似等于0.5N A为一常数；对于具有一定能量的γ射线来说，σc.e也是常数，因此μc与ρb成正比关系。
或者说γ射线经过岩层的散射和吸收，其能级宽度的减弱仅与岩层的密度有关。
试验证明，经过散射吸收后面到达探测器的γ射线能级宽度只是岩层密度的函数。
岩层密度大则γ射线被吸收得多，散射γ射线的计数率就小。
反之，则计数率就大，这就是密度测井的基本原理。
概括地说：地层体积密度测井就是用距γ源一定距离的探测器，探测从源发射出来的中能γ射线穿过岩石，经康普顿效应散射γ射线计数率从而求得地层体积密度的方法。
属于γ-γ测井技术之一，也称为散射γ射线测井。
地球物理测井方法原理
地球物理测井方法原理
地球物理测井方法是通过在地下钻井孔内采集各种物理测量数据，用于研究地下岩石、水等介质的性质和分布情况。
其原理主要包括以下几种方法：
1. 电测井（电阻率测井）：通过测量电阻率的大小来推断岩石和水等介质的性质。
岩石的电阻率与其孔隙度、孔隙液的含水性相关。
2. 密度测井：利用放射性射线经过地下介质时发生的散射和吸收现象，测量射线的衰减情况，来推断介质的密度、孔隙度等参数。
3. 声波测井（声阻抗测井）：通过发射声波信号，并测量声波在地下介质中传播的速度和衰减程度，来推断岩石的弹性性质、孔隙度等参数。
4. 中子测井：利用中子与地下介质中核素发生散射和吸收的现象，测量中子流量的变化，来推断介质的孔隙度、含水性等。
5. 磁测井（自然电磁场测井）：利用地球自然磁场或人工产生的磁场对地下岩石的磁性进行测量，来推断岩石磁性、含油气性等。
这些测井方法的原理是基于地下介质对电、密度、声波、中子或磁场的响应特性，在测井仪器记录和分析数据后，可以获得地下介质的性质和分布信息，为油气勘
探、水资源管理、地热研究等提供重要依据。
密度测井
Z A NA
e
b
1 2
NA
e
b
测井时所用的伽马源是不变的，所以测井时 井下仪器所测到的散射伽马强度就是与地层岩石 密度有关的函数。
测 井 计 数 率
长
2 g cm3
源
距
计
数
率
3 g cm3
a
b 短源距计数率
无泥饼时地层密度、源距和计数率之间的关系
测 井 计 数 率
长
2 g cm3
源
距
计
泥 饼 厚
数 率
2.5
泥饼引起的
度
数据偏离
加
大
3 g cm3
1.8
a
b 短源距计数率
有泥饼存在并且泥饼密度小于地层密度情况下，
地层密度、源距、泥饼厚度和计数率之间的关系
测 井 计 数 率
长
2 g cm3
源
距
计 泥饼引起的
泥
数 数据偏离
饼 厚
率
度
加
大
3 g cm3
3.0
短源距计数率
a
b
有泥饼存在并且泥饼密度大于地层密度情况下，
地层密度、源距、泥饼厚度和计数率之间的关系
长源距探测器计数率
含重晶石泥饼
1.0
1） 在没有泥饼的条件下，用不同源距的两个探测器
2.0
进行测量。它们的计数率与地层密度的关系与式①一致。
这一类侧井方法所用的轰击粒子和探侧的对象都是 伽马光子，所以通称伽马一伽马侧井或散射伽马测井。
地球物理测井方法与原理
地球物理测井方法与原理地球物理测井是一种对地下储层进行测量、分析和评价的方法。
通过测井工具的下井进行物理量的测定，可以获取地下储层的岩性、地层厚度、孔隙度、渗透率等信息，对油气田勘探开发及油层工程有着重要的意义。
本文将介绍地球物理测井的基本原理和常用方法。
一、测井原理地球物理测井的基本原理是利用测井工具发射相应的能量，将能量通过地层传播后，接收到的反射波或散射波作为信息来获取地下储层的特性。
根据测井工具使用的能量类型和测量的物理量，可将地球物理测井方法分为以下几类。
1. 电测井方法电测井方法是利用测井仪器对地层中的电阻率进行测量，以反映岩层的含油、含水性质。
常用的电测井方法有直流电阻率测井、交流电阻率测井和自然电位测井等。
2. 声测井方法声测井方法是利用声波在地下储层中的传播特性，推断出地层的弹性参数和岩性。
主要包括测井声波、声波速度测井、声阻抗测井和共振测井等。
3. 密度测井方法密度测井方法是通过测量地下储层中的密度，来推断岩层的孔隙度、饱和度等。
常见的密度测井方法有伽马射线测井、中子测井和密度测井等。
4. 核磁共振测井方法核磁共振测井方法是利用核磁共振现象对地下储层进行测量，推断岩层的孔隙度、饱和度和渗透率。
核磁共振测井方法在近年来逐渐兴起，具有高分辨率、无辐射等优点。
二、常用测井方法1. 伽马射线测井伽马射线测井是通过测量地下储层中伽马射线的强度，来判断岩石的密度和放射性元素的含量。
根据伽马射线的特性，可以获得地层的层位、岩性和饱和度等信息。
2. 电阻率测井电阻率测井是通过测量地层中的电阻率，来判断岩石的导电性质和饱和度。
不同的岩石具有不同的电阻率特性，通过电阻率测井可以判断地层的岩性变化和油气的分布情况。
3. 声波速度测井声波速度测井是通过测量地层中声波的传播速度，来判断岩石的弹性参数和孔隙度。
声波在不同岩石中的传播速度不同，通过声波速度测井可以获得地层的岩性、渗透率和孔隙度等信息。
4. 中子测井中子测井是通过测量地层中中子的散射和吸收情况，来推断岩石的孔隙度和饱和度。
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式中: Ｉ0—进入物质前的射线强度； Ｉ—穿过物质后的射线强度； L—物质的厚度。
地球物理测井.放射性测井
2.地层密度测井
一、密度测井的原理（FDL）
1、岩石的真密度（b） 岩石的真密度ρb （体积密度）：单位体积岩石的质量，单位： g/cm3。
假设某纯岩石的骨架密度为ρma，孔隙流体的密度为ρf ， 依据岩石体积物理模型，该岩石饱含淡水的密度ρb与孔隙度 фD的关系为：
.Z
.(
NA A
. )
σ＝σe.ne
因此可得到物质的康普顿吸收系数与其体 密度之间的关系：
地球物理测井.放射性测井
若将伽马射线的能量限制在0.2～1.02MeV范围内，则可 使物质对伽玛射线的吸收系数以康普顿散射吸收系数为主。 这种情况下，一定强度的伽玛射线穿过厚度为L的物质后， 由于物质对散射的吸收而造成的射线强度衰减具有以下规律:
photoelectric effect
地球物理测井.放射性测井
原子的标记形式：
A Z
X
N
X是该原子的化学元素符号； A为质量数 Z---质子数（即原子序数）； N为中子数 即；N=A-Z
地球物理测井.放射性测井
1.密度测井的核物理基础
1、电子对效应electronpair effect (E>1.02Mev)
地球物理测井.放射性测井
4、岩石的视密度（ ρ a）
岩石的视密度ρ a：用密度测井仪测得的密 度值是岩石的视密度。
一般情况下，视密度值不等于它的真 密度，而是略有差别。
地球物理测井.放射性测井
密度测井的基本装置（仪器）
伽马射线源
放出伽马射线
探测器 （闪烁计数器）
探测伽马射线
铅屏
屏蔽由伽马源直接辐射进入探测器的 伽马射线
伽马射线通过单位厚度的吸收介质时，因形成电子对 效应而导致伽马射线的强度减弱，可以用吸收系数（减弱 系数）t表示：
t
Kt
N A b
A
Z 2 (Er
1.022)
当E>1.022MeV时，减弱系数t随E的增大而直线上升
，吸收介质的原子序粒Z对t有明显的影响
地球物理测井.放射性测井
1.密度测井的核物理基础
（Formation Density Log, FDL）
密度测井：根据伽马射线与地层的康普顿效应 （Compton Effect）测定地层密度（Density）的测井 方法。
（Litho Density Log, LDL）
岩性密度测井：利用伽马射线与地层的光电效应 （Photoelectric Effect）和康普顿效应（Compton Effect）同时测定地层的岩性（Lithology）和密度 （Density）的测井方法，是密度测井的改进和扩展。
电子 原子核
伽马射线
地球物理测井.放射性测井
二、伽马射线的吸收
射线通过物质时，与物质发生电子对效应、康普 顿效应和光电效应的概率除与射线能量有关外，还与物 质原子的原子序数有关。图示出了不同能量伽马射线与 物质发生三种作用的优势区域。
地球物理测井.放射性测井
二、伽马射线的吸收
在发生电子对效应、康普顿效应和光电效应过程中， 伽马射线能量将不断降低而最终自身会被吸收。
主要用途：可利用长短源距的测量结果来计算有泥饼影响条件下 被测岩石的真实密度值。
1、基本原理
1个放射性源 两个探测器
贴井壁测量
地球物理测井.放射性测井
仪器的放射源和探测器装 在压向井壁的滑板上。测 井时伽马源向地层发射伽 马光子，经地层散射吸收 后，有部分经过散射的光 子由离源不同距离的两个 伽马射线探测器所接收。 源和探测器之间由屏蔽隔 开，使源发射的伽马光子不能直接射到探测器。仪器背向地层的一方 也屏蔽起来，以减小井的影响。离源近的探测器叫短源距探测器，离 源远的另一个叫长源距探测器。地层的密度不同，对伽马光子的散射 和吸收能力不同，探测器记录到的读数也不同。
地球物理测井.放射性测井
1.密度测井的核物理基础
一、伽马射线与物质的相互作用(P136)
伽马光子与物质发生相互作用的过程中，能 量逐渐降低。随着伽马光子能量的逐渐减弱，伽 马光子与接触物质间将可能逐级产生：
电子对效应
electronpair effect
康普顿效应
compton effect
光电效应
2.876
硬石膏 2.96 2.957
2.977
无烟煤 1.4～1.8 1.442～1.852
1.355～1.796
烟煤
1.2～1.5 1.272～1.59
1.173～ 1.514
淡水 1
1.11
1
原油 0.85 0.97
0.85
地球物理测井.放射性测井
影响岩石密度的因素：
2 孔隙度
孔隙性地层相当于致密地层中岩石骨架的一部分被密度 小的水、原油或天然气所代替，故其密度小于致密地层。孔 隙度越大，地层的密度越小。所以用密度测井资料可以求地 层的孔隙度。密度测井是三种主要孔隙度测井方法之一。
地球物理测井.放射性测井
（2）讨论泥饼对记数率的影响：
L
S
1 AL 1 AS
(ln (ln
NL NS
BL ) BS )
(ln
NL
BL )
AL AS
(ln
NS
BS )
b (a )L
显然，地层的真密度等于长源距测得的视密 度加上一个校正值。
这样极大的减少了井眼的影响，但当井壁不规则、仪器与井壁
接触不好，特别是目的层（渗透层）上泥饼的影响仍不能消除。为 此提出了补偿密度测井以解决该问题。
5、FDL测井的原理
地球物理测井.放射性测井
2.地层密度测井
每个电子的康普顿吸收系数：e 物质的康普顿吸收系数：=e* ne
电子密度：
ne
b
A
N AZ
(0.2Mev＜E＜1.02Mev ） ≌
I I e Lቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ Z / A) N A eb γ射线强度的衰减仅与
0
物质的密度有关
地球物理测井.放射性测井
2.地层密度测井
6、FDL存在的问题 泥饼的影响 不规则井眼 贴井壁不好
地球物理测井.放射性测井
2.地层密度测井
二、补偿密度测井的原理（FDC）
地球物理测井.放射性测井
三、密度测井仪的刻度
刻度标准有一级刻度井、二级刻度块和三级刻度器。
地球物理测井.放射性测井
四、补偿密度测井仪的输出曲线
从前面的推导可以看出， 要测得地层岩石的真密度，首 先需要计算Δ ρ 。因此在实际 测井时，通常记录有两条曲线， 即ρb（DEN）、 Δρ，另外还带 测一条自然伽马（GR）和井径 曲线（CAL）。
方解石 2.71 2.708 2.712
白云石 2.87 2.863 2.876
硬石膏 2.96 2.957 2.977
无烟煤
烟煤
1.4～1.8
1.2～1.5
1.442～1.852 1.272～1.59
1.355～1.796 1.173～1.514
淡水 1
1.11 1
原油 0.85 0.97 0.85
吸收系数：单位长度物质对伽马射线的吸收概率
分别以t、σ、τ表示电子对效应、康普顿效应、光电 效应的吸收系数，则物质对伽马射线的的总吸收系数为 三种吸收系数之和，即：
＝t+σ+τ
地球物理测井.放射性测井
二、伽马射线的吸收
具有一定能量，一定强度的伽马射线穿过厚度为L的物 质后，由于物质对射线的吸收而造成射线强度衰减。其衰 减遵循伽马射线强度衰减规律：
I I0eL
I I e
(
Z A
)
N
A
e
b
L
0
因此，当L一定时，伽玛射线强度的衰减 就仅与物质的密度有关。
地球物理测井.放射性测井
3、电子密度指数的定义（ ρ e）
e 2ne / N A
ne
N A.Z A
.b
由单一元素组成的物质， 其电子密度指数为：
e
( 2Z A
)b
地球物理测井.放射性测井
由于伽马源的能量限制，密度测井的探测范围很浅，通常只 有10＋cm。因此井的影响相当严重。研究表明，当仪器处于井内泥
浆中测量时，由于泥浆散射而进入探测器的伽马射线强度大大超过
的层岩石。也就是说泥浆做的贡献远大于地层，所以用这种方
式进行测井是很不利的。
现在的密度测井仪将伽马源和探测器装在压向井壁的滑板上，同 时伽马源放在一个带定向窗口的铅屏，使之只向一个方向发射，探 测器也定向放置，以增强地层散射伽马射线的记录。
e
ZN A b
A
式中 e —每个电子的康普顿散射截面。
地球物理测井.放射性测井
1.密度测井的核物理基础
3、光电效应： (E＜ 0.2 Mev )
光电效应的吸收系数：
能量较低的伽马射线穿过物质与原 子中的电子相碰撞，并将其能量交 给电子，使电子脱离原子而运动， 伽马光子本身则整个被吸收，被释 放出来的电子叫自由电子，这种效 应叫光电效应。此时产生的自由电 子被称为光电子。
3.2 密度测井及岩性密度测井
资源与环境学院 程超
地球物理测井.放射性测井
密度测井是放射性测井中伽马测井中的一类， 这类测井的轰击粒子和探测对象都是伽马光子，因 此也叫做伽马～伽马测井，有的参考书也称作为散 射测井。主要分为地层密度测井（FDL）和岩性密 度测井(LDL)。
地球物理测井.放射性测井