第七章 自然伽马测井

原子核内的质子数与核外电子数相同，为原子 序数，用 Z表示；质子数与中子数之和为元素的质量 数，用A表示；原子核内的中子数为 A-Z。X代表元素 符号。 2、同位素和放射性核素
核素：原子核中具有一定数量的质子和中子，并 在同一能态上的同类原子。
同位素：原子核中的质子数相同而中子数不同的 核素，它们具有相同的化学性质，在元素周期表中 占有同一位置。
第一节 伽马测井的核物理基础
一、核衰变及其放射性
1、原子结构 原子的性质：原子是由原子核和核外电子层组成的
一种很微小的粒子，直径约为 10?8 cm，质量小。
原子核由中子和质子组成，直径为 10 ? 14～10 ? 13cm。
质子是氢的原子核，带有一个单位的正电荷 . 中子不带电，其质量几乎与质子相同。
?
?
K
N
A ?Z
A
2
(E?
? 1.022)
(7-5)
图7-2 伽马射线与物质的作用与伽马射线的能量的关系
4、伽马射线的吸收 由于伽马射线与物质产生上述三种效应，因此，
伽马射线的强度会随射线通过物质距离的增加而减弱， 实验表明，其强度的减弱与通过的距离存在下述关系：
I ? I0e??L
(7-6)
其中： Io、I--- 分别为未经吸收物质和经过吸收物
图7-1(b)康普顿效应 康普顿效应。
?
?
?
e
ZN A ?
A
(7-4)
3、电子对效应 当入射伽马光子的
能量大于 1.022 MeV 时 ，它与物质作用就会使 伽马光子转化为电子对 ，其本身被吸收。如图 7-1（c）所示。通常用 吸收系数η表示由于产 生电子对效应而导致的 伽马射线强度的减小。
图7-1（c）电子对效应 产生几率:
图7-3 放电计数管工作原理
图7-4 闪烁计数管工作原理
第二节 自然伽马测井 一、岩石的自然放射性
岩石的自然放射性取决于岩石所含放射性核 素的种类和数量。岩石所含放射性核素主要为：
铀（
U 238
92
）及其衰变物；
钍（ 90Th232 ）、锕（ 80 Ac227 ）及其衰变物；
钾的放射性同位素 19 K 40 。
第七章 自然伽马测井和放射性同位素测井
伽马测井的核物理基础 自然伽马测井 自然伽马能谱测井 放射性同位素测井
? 放射性测井是根据岩石及其孔隙流体和井内 介质的核物理性质，研究钻井地质剖面，寻找油 气等矿藏，研究油田开发及油井工程的一类测井 方法。
? 它是唯一能够确定岩石及其孔隙流体化学元 素含量的测井方法 ；既可在裸眼井又可在套管井 内进行测量；测量结果不受井内介质的限制。
100 分钟 5.27 年
4、放射性活度和放射性比度 放射性活度： 一定量的放射性核素，在单位时间
内发生衰变的核数。 单位为居里。
1居里＝3.7 ? 1010 / s
放射性比度： 放射性活度与其质量之比。 单位为Ci/g。纯镭的放射性比度为 1Ci/g。
5、放射性射线的性质 α射线由α粒子流组成 ，α粒子由两个质子
放射性核素：能自发地改变其结构，衰变为其它核 素，并放射出射线的核素。 3、核衰变
放射性核素的原子核自发地释放出一种带电粒子 （α或β），蜕变成另外某种原子核，同时放射出 γ射线的过程叫核衰变。核能自发地释放α、β、 γ射线的性质叫放射性。
Po 84
210 →82 Pb 206* +2 He 4 （α）
不同岩石所含的放射性核素的种类和数 量不同，与 岩石岩性和沉积环境有关 。
火成岩、变质岩、沉积岩的放射性依次减弱。 还原环境下形成的沉积岩，放射性强； 氧化环境下形成沉积岩，放射性弱。
二、自然伽马测井的测量原理 自然伽马测井的测量过程如图 7-5所示。测量
装置由井下仪和地面仪组成。仪器在井内自下而 上移动测量，连续记录井剖面岩层的自然伽马强 度曲线（自然伽马测井曲线 GR），其单位为计数 率或标准单位 API。测井值越大，说明岩层的放射 性越强。图 7-6为砂泥岩剖面的自然伽马测井曲线。
1、光电效应
γ射线与物质原子
中的电子相碰撞，并
将其能量传给电子，
使电子脱离原子而运
动，γ光子本身则被
图7-1(a) 光电效应
吸收，释放出的电子
产生几率:
叫光电子，如图 7-1(a)
所示。这种效应称为 ?
?
0.0089
? Z ? 4.1
n
(7-3)
A
光电效应。
2、康普顿效应 中等能量的伽马射线
穿过物质时，伽马射线与 原子的外层电子发生作用 ，部分能量传给电子，使 电子从某一方向射出，此 电子为康普顿电子，损失 了部分能量的射线向另一 方向散射出去叫散射伽马 射线，如图 7-1（b）所示 。这种效应称为康普顿效 应。
质L时伽马射线强度；
μ---物质的吸收系数，μ=τ+Σ+η。
此外，还可以用质量吸收系数反映伽马射线通过物
质时的强度减弱程度。? m ? ? ?
(7-7)
三、伽马射线的探测 1、 放电计数管 如图7-3所示，它利用放射性辐射使气体电离的特
性来探测伽马射线wk.baidu.com此计数管的计数效率低。 2、闪烁计数管
由光电倍增管和碘化钠晶体组成，如图 7-4所示。利 用被伽马射线激发的物质的发光现象来探测射线。 其计数效率高、分辨时间短，广泛应用到放射性测 井中。
Pb 82
206* →82 Pb 206 +γ （0.89MeV）
核衰变规律：放射性核素的数量随时间按指 数递减的规律发生变化。其变化与任何外界 作用无关，仅与放射性核素本身的性质有关。 用公式表示为
N ? N0e??t
（7 －1 ）
其中：λ ---- 衰变常数。与放射性核素有关。
N0 、N---分别为t=0和t时刻的放射性核 素个数。
和两个中子组成，与氦原子的核相同，质量大， 穿透能力差，其连一张纸都穿不透。
β射线是电子束 ，β粒子带有一个正电荷或负电 荷，其穿透能力低，只能穿透几层厚纸。
γ射线是高频的电磁波或光子流，能量大， 穿透能力强，测井能够测量得到 。
二、伽马射线与物质的作用 放射性核素产生的γ射线，能量一般在
0.5MeV 到5.3MeV 之间，在这一能量范围内， 伽马光子与物质的作用主要有光电效应、康 普顿效应和电子对效应。
半衰期 T：指从 t=0 时的N0个原子核开始，到 N0/2个原子核发生了衰变所经历的时间。半 衰期T与衰变常数λ的关系为：
T=0.693/λ
（7－2）
常见放射性核素半衰期
放射性核素 钾 铯 钡
铟 钴
符号 K 40
19
55 Cs137
Ba131 In113
Co60
半衰期 T
1.3? 109 年
3.3 年 11.8 天