放射性 测井

第九章 放射性测井放射性测井是根据岩石和介质的核物理性质，研究钻井地质剖面，寻找油气藏以及研究油井工程的地球物理方法。

放射性测井方法，按其探测射线的类型可分为两大类，即探测伽马射线的伽马测井法和探测中子的中子测井法。

⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧脉冲中子测井中子伽马测井中子测井确定孔隙度）中子测井岩性密度密度测井自然伽马能谱自然伽马泥质含量、划分岩性）伽马测井放射性测井(( 放射性测井的优点：１、裸眼井、套管井内均可进行测井；２、在油基泥浆、高矿化度泥浆以及干井中均可测井；３、是碳酸岩剖面和水化学沉积剖面不可缺少的测井方法。

但是它的测速慢，成本高。

由于生产和解释方法的改进，放射性测井解决生产问题的范围不断扩大，它仍是一项重要的测井方法。

特别是核磁共振测井仪的研制成功，更加扩大了放射性测井的应用范围。

第一节 放射性测井的基本知识一、原子核的衰变及其放射性１、原子的结构⎪⎩⎪⎨⎧⎩⎨⎧负电荷核外电子：带一个单位：不带电中子位正电荷氢的原子核，带一个单质子原子核Ａ原子(N):(Z) ２、核素和同位素核素：是指原子核中具有一定数目质子和中子并在同一能态上的同类原子，同一核素的原子核质子数和中子数相等。

同位素：是指核中质子数相同而中子数不同的核素，它们在元素周期表中占同一位置。

３、核衰变放射性同位素的原子核自发地发生分解，转变成另外某种原子核，并放出放射性射线λβα、、，这种现象叫核衰变，放出放射性射线的性质叫放射性。

如： -+→β40204019Ca Kλβ+→→+-4018*40184019A A K任何放射性元素衰变时，其原子核数量都是按下列规律减少的： t eN N λ-=0N 0：放射性元素的初始量；N ：经过时间t 后的放射性元素量；λ：衰变常数，表征衰变速度的常数。

由上式可看出，随着t ↗，放射性元素的原子数↘，当t →∞，原子数量越接近于零。

除了用λ外，还用半衰期T 来说明衰变的速度。

半衰期就是从放射性元素原子核的初始量，开始到一半原子已发生衰变时所经历的时间，T 和λ有如下关系：λ693.0=T 。

λ越大，T 越短，放射性元素的衰变越快。

４、放射性射线的性质在放射性射线中γβα、、，此外还有其它射线，这里只介绍γβα、、射线。

①α射线：是氢的原子核流，氢的原子核是42He ，因其质量大，易引起物质的电离或激发，被物质吸收，所以它在物质中运动时，射程很小，在空气中为2.5cm 左右，在岩石中和金属矿层中，约为数十万分之一米，因α射线穿透能力很差，所以在井内探测不到α射线。

②β射线：是高速运动的电子流。

它在物质中的射程也较短。

③γ射线：是频率很高的电磁波（波长为3x10-11～10-9cm ）或光子流，不带电荷，但其能量很高，一般在几十万电子伏特以上，并且有很强的穿透能力，例如要使给定的γ射线强度减弱到一半，则需要穿过12.7mm 厚的铅层(铅的吸收能力很强)，所以γ射线在放射性测井中能被探测到而得到利用。

5、伽马射线与物质的作用γ射线穿过物质时，与构成物质的原子发生作用，主要产生如下现象：光电效应，康普顿效应，电子对效应。

(1) 光电效应：γ射线穿过物质，与构成物质的原子中的电子相碰撞，γ量子将其所有能量交给电子，使电子脱离原子而运动形成光电子，γ量子本身则整个被吸收，这种效应称为光电效应。

光电效应和γ射线的能量与吸收物质的原子序数有密切关系，随原子序数增加而迅速增大，但随射线能量增大光电效应迅速减小。

（岩性密度测井的部分原理）(2) 康普顿效应：能量较大的γ射线穿过物质和电子碰撞时，γ量子能量一部分转交给电子，使电子以与γ量子的初始运动方向成ϕ角的方向射出，形成康普顿电子，γ量子则朝着与其初始运动成θ角的方向散射，这种效应称为康普顿效应。

γ射线通过物质时，康普顿散射会导致γ射线强度减弱，其减弱常以散射吸收系数σ表示，σ与γ射线的能量、吸收物质的原子序数以及吸收物质单位体积内的电子数有关，σ随γ射线的能量增大而减小。

康普顿吸收系数A ZN A eρσσ=， e σ为康普顿散射截面。

由上式知 ρσ∝，这就是岩性密度测井的原理。

(3) 电子对效应。

当γ射线的能量大于1.022MeV 时，它与物质作用，光子即转化为一个正电子和一个负电子，而其本身被吸收。

γ射线通过物质时，以上三种作用都可能发生，但是，γ射线能量低时以光电效应为主，能量较高时以康普顿效应为主，能量很高时以电子对效应为主。

(4) 伽马射线的吸收。

γ射线通过物质时，会发生以上三种作用，伽马量子被吸收，γ射线强度逐渐减弱，其程度随吸收物质的吸收系数增大而加剧。

实验证明γ射线强度和穿过吸收物质的厚度有如下关系：L e I I μ-=0其中：I 、0I 分别为未经吸收物质和经过厚度为L 的吸收物质的γ射线强度；L 为γ射线经过的吸收物质的厚度；μ为总吸收系数，由光电效应、康普顿散射以及电子对效应的吸收系数所决定。

6、中子与物质的作用中子按其具有的动能d E 可分为以下几类： a 、慢中子：d E <1KeV 的中子，其中d E 为0.025eV 左右的中子叫热中子，0.2～10eV 的中子为超热中子。

b 、中能中子：1KeV <d E <500KeV 之间的中子。

c 、d E >500KeV 的中子。

中子在物质中运动，可与物质产生如下几种作用：(1) 非弹性散射。

高能快中子与原子核碰撞时，将产生非弹性散射，并放射出γ射线，例如高能中子打到碳原子核上就会产生非弹性散射。

（C/O 比能谱测井的原理）)43.4()(12610*13612610MeV C n C C n γ++→→+激发态的碳原子核(2) 快中子对原子核的活化：除非弹性散射外，还发生),(αn (反应截面大，可被测井应用)、),(P n 即),(γn (反映截面小)。

⎪⎭⎪⎬⎫+++→+→+Q Si Al P Al n Si γβ28142813112813102814识别岩性的硅测井 112712102713P Mg n Al +→+→识别岩性和测定泥质含量的铝测井 (3) 弹性散射：高能快中子经过一、二次非弹性散射后，降低了能量，再和原子核碰撞时就只能发生弹性散射了。

中子和原子核发生碰撞前后，中子和靶核的总动量不变，中子损失的能量变成了靶核的动能，而中子能量减小，运动速度降低并发生散射。

在弹性散射过程中，靶核越轻，它得到的能量越多，中子损失的能量就越大，速度下降就越大。

(4) 辐射俘获。

在热中子的作用下，几乎所有元素都产生辐射俘获。

这种核反应就是靶核将热中子俘获而处于激发态，又很快以γ射线的形式将激发能释放掉而回到稳定的基态。

靶核每俘获一个热中子可以放出一个、两个和三个γ量子。

二、放射性强度的探测器１、放射性强弱的表示（放射性单位）(1)放射性强弱通常以放射性源每单位时间内发生衰变的原子核数来表示。

作为强度的单位，1居里定义为每秒有3.7x1010次核衰变。

居里的单位太大，常用居里的千分之一 —毫居里作为单位。

1居里＝3.7 x1010贝可勒尔另外，放射性测井中，也常用计数率 — 脉冲/分钟作为放射性强度的单位。

(2)放射性浓度单位。

表示的是单位质量或单位体积的物质的放射性强度。

最常用的单位是：克镭当量/克：每克物质中含有相当于一克镭的放射性就称为一克镭当量/克，所以“克镭当量/克”单位就等于每克物质的放射性强度为一居里。

2、放射性强度的探测器(1) 放电计数管：利用放射性辐射使气体电离的特性探测 γ射线。

(2) 闪烁计数器：它由光电倍增管和碘化钠晶体组成，它是利用被γ射线激发的物质的发光现象来探测 γ射线。

(3) 中子的探测：中子与带电粒子不同，不能直接使气体电离，它与原子中电子作用的几率又很小，主要是与原子核发生作用。

因此，探测中子主要依靠中子和原子核的核反应进行的，测井用到的有两类探测器，三氟化硼正比计数管和锂玻璃探测器硼俘获热中子的核反应式为：)(427310105αHe Li n B +→+，利用α射线使计数管内气体电离，形成脉冲电流。

锂俘获热中子的核反应式为)(42311063αHe H n Li +→+，也是利用核反应放出α射线来记录中子。

第二节 伽马测井一、自然伽马测井把仪器放到井下，测量地层放射性强度的方法叫自然伽马测井(GR)。

这种方法已有很长的历史，GR 与SP 相配合能很好地划分岩性和确定渗透性地层，GR 的另一优点是可在套管井中测量。

１、岩石的放射性岩石的放射性，主要是由于含有铀(U)、钍(Th)、钾(K)等放射性元素，所以岩石的放射性强度决定放射性元素的含量。

一般条件下，岩石的放射性物质含量很少，按放射性的强弱沉积岩可分为以下几类：(1) 自然伽马放射性高：放射性软泥、红色粘土、海绿石砂岩、独居石等岩石。

(2) 自然伽马放射性中：浅海相和陆上沉积的泥质岩石，如泥质砂岩，泥质石灰岩，泥灰岩等。

(3) 自然伽马放射性低：砂岩、石灰岩、石膏、岩盐、煤和沥青等２、自然伽马测井测量原理测量原理如图，测量装置由井下仪器和地面仪器组成。

下井仪器有探测器（闪烁计数管）、放大器和高压电源等几部分。

自然伽马射线由岩层穿过泥浆、仪器外壳进入探测器，探测器将γ射线转化为电脉冲信号，经放大器把电脉冲放大后由电缆送到地面仪器。

早期的自然伽马曲线采用计数率（脉冲/分钟）单位，曲线用r J 表示，现今的自然伽马测井都采用标准刻度单位API ，曲线用GR 表示。

定义高放射性地层与低放射性地层读数之差为200API 单位，作为标准刻度单位。

３、自然伽马测井曲线把自然伽马测井仪下到井中，测量地层放射性强度随深度变化的曲线，称为自然伽马曲线(GR)。

(1) 曲线特点。

根据理论计算自然伽马测井理论曲线如图。

其特点为：a 、曲线对称于地层中点，在地层中点处有极大值或极小值，反映该层放射性大小。

b 、当地层厚度h 小于三倍的钻头直径d 0 (h < 3d 0)时，极大值随h ↗而↗（极小值随h ↗而↘）。

当h ≥3d 0时，极大值（或极小值）为一常数，与地层厚度无关，与岩石的自然放射性强度成正比。

c 、h ≥3d 0时，由曲线的半幅点确定的底厚度等于地层的真实厚度，当h < 3d 0时，由半幅点确定的地层厚度大于地层的真实厚度，而且越薄，大得越多。

理论曲线是在测速为零、点状计数管的条件下计算得到的，但实际测井中，计数管不是点状的，测速也不为零，所以实测曲线和理论曲线是有些差异的，但基本形状仍然相似。

(2) 自然伽马测井曲线的影响因素a 、层厚的影响。

地层变薄会使泥岩层的自然伽马测井曲线值下降，砂岩层的自然伽马测井曲线值上升，并且地层越薄，这种下降和上升就越多。

因此对h < 3d 0的地层，应用曲线时，应考虑层厚的影响。