自然伽马能谱测井
伽马测井
➢ 铋(Bi)：214Bi是铀系中的主要伽马辐射体，特征伽马射线的能量是1.76MeV。
在自然伽马能谱测井中，主要根据214Bi的这一特征峰确定铀在地层中的含量；
➢ 钋(Po)：钋有七个同位素，其中218Po, 214Po和210Po是铀系的子体。218Po和9Be 混合可制造中子源，在铀矿普查时可利用210Po寻找铀矿；
2点认识： 1）铀的伽马辐射强度会随时间而变化，所以将碳酸盐岩或火成岩裸眼井段 作为标准井，对自然伽马强度和能谱测井都是不合适的。 2）由于铀及其子体的化学性质活跃，风化、运移、富集过程影响因素多， 通常不是泥质含量的可靠指示元素。
c) 以各类腐殖酸盐络合物形式运移，在下述条件下沉积：腐殖
酸氧化，络合物被破坏；吸附作用；与某些盐类作用形成不 溶性盐；
d) 呈铀的胶溶体U02(OH)2的形式运移，在下述条件下沉积：被带
负电荷的硅酸胶体及Fe（OH)3吸附；与还原剂相遇。
③ 铀系中的几个典型核素：
➢ 镭(Ra)：镭有四个同位素，其中226Ra是238U的一个子体。由于在采油井水驱前 沿的镭在井眼周围的富集，使自然伽马总强度增强能指示储层水淹级别的高低；
208Tl，其次是238Ac。这两个核素发
射的伽马射线的总能量约占钍系发 射的伽马射线总能量85％，而其辐 射强度约占钍系总强度的71％。 208Tl发射的能量为2.62MeV的伽马 射线，是钍系能量最高强度最大的 伽马谱线。
②散射伽马测井：测量点状伽马源生成的散射伽马辐射场； ③示踪伽马测井：测量由载体携带的放射性示踪剂发射的伽马辐
自然伽马测井
勘探开发工程监督管理中心
一、伽马测井的核物理基础
1
核衰变及其放射性
（2）、同位素和放射性核素
核素指的是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，同一核素的原子核中质 子数和中子数都相等。而同位素是原子核中质子数 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。
一、伽马测井的核物理基础
1
核衰变及其放射性
（3）、核衰变
放射性核素的原子核自发地放射出一 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。
勘探开发工程监督管理中心
一、伽马测井的核物理基础
1
核衰变及其放射性
（3）、核衰变
勘探开发工程监督管理中心
一、伽马测井的核物理基础
1
核衰变及其放射性
（3）、核衰变
这里给出几种放射性核素的半衰期。
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
100 分钟
5.27 年
勘探开发工程监督管理中心
2
伽马射线和物质的作用
γ光子和物质的这三种作用的几率和γ光子的能量有关，低能γ 光子和物质作用以光电效应为主，中能γ光子和物质发生康普顿 效应的几率最大，而电子对效应则发生在伽马光子的能量大于 1.022 MeV时。
低能
光电效应
中能
康普顿效应
大于1.022MeV
电子对效应
第七章 自然伽马测井
(7-6)
其中： Io 、 I--- 分别为未经吸收物质和经过吸收物 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。 (7-7)
m
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。此计数管的计数效率低。 2、闪烁计数管
图7－8
自然伽马曲线
三、自然伽马测井曲线的特点及影响因素
自然伽马测井仪探测的伽马光子主要是
以仪器为球心、半径为 30～45厘米范围内岩
石放射出的伽马光子，此范围为自然伽马测
井的探测范围。
１、自然伽马测井曲线的特点（理论）
自然伽马测井 的理论曲线如图 7-9所示，从图中 不难看出曲线具 有下列特点：
其中：GR----目的层测井值；
GRcl----纯地层的测井值；
GRsh-----泥岩层测井值，API单位。
GCUR----希尔奇指数，与地层年代有关。
第三系地层，取3.7；老地层取2。
例：自然伽马测井曲线上的读数为：
纯砂岩=15API；泥岩=90API；目的层=40API。
地层为第三系碎屑岩。求地层泥质含量。
图7-14
利用自然伽马曲线作地层对比的实例
35-5 35-1
5559-5581
S1k1
5564-5585
S1k1
图7-14
利用自然伽马曲线作地层对比的实例
第三节
自然伽马能谱测井
自然伽马测井只能反映地层中所有放射 性核素的总效应，而不能区分地层中所含放 射性核素的种类及含量。自然伽马能谱测井 即可完成这一任务。
放射性测井之自然伽马测井讲解
放射性：不稳定核素原子核自发地释放、β、 等射线
2
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
1）原子的结构：原子核（质子+中子）+核外电子 2）放射性核素
核素：原子核中具有相同数量的质子和中子并在同一能态上的同类原子 （同类核素的原子核中质子数和中子数都相同）。
放射性核素：不稳定的核素 （ 其结构和能量都会发生改变， 衰变成其他核素，并放出射线）。
同位素：原子核中质子数相同而中子数不同，但具有相同的化学性质， 在元素周期表中占有同一位置。
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。
7
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
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
27
200
160
特高 → 高 → 中等 → 最低
3) 碳酸盐岩剖面
自然伽马能谱测井在油田的应用分析
技术与检测Һ㊀自然伽马能谱测井在油田的应用分析赵金宝摘㊀要:自然伽马能谱测井是根据铀㊁钍㊁钾放射性核素在衰变时放出的Υ射线的能谱特征不同从而确定铀㊁钍㊁钾在地层中的含量ꎮ自然伽马能谱测井与自然伽马测井都是测量地层的自然伽马ꎮ不同之处是将入射的伽马射线的能量以幅度大小输出到多道脉冲幅度分析器ꎬ所测是地层伽马能谱ꎬ地面仪器将接受的伽马能谱进行解谱ꎬ得到地层中铀㊁钍钾的含量ꎬ仪器最终输出伽马射线的总强度和地层中铀㊁钍㊁钾的含量ꎮ关键词:自然伽马能谱测井ꎻ储层评价ꎻ泥质含量ꎻ岩性分析一㊁自然伽马能谱测井原理油田勘探开发中ꎬ储层评价㊁解释是测井解释重要工作ꎬ其中黏土矿物识别和岩性识别是这项工作的重要内容ꎮ自然伽马能谱测井是根据铀㊁钍㊁钾放射性核素在衰变时放出的Υ射线的能谱特征不同从而确定铀㊁钍㊁钾在地层中的含量ꎮ自然伽马能谱测井是放射性测井中一种最基本的测井方法ꎬ与自然伽马不同之处是它采用能谱分析的方法ꎬ可定量测量地层中铀㊁钍㊁钾的含量ꎬ并给出地层总的伽马放射性强度ꎮ所以自然伽马能谱测井可以解决更多的地质问题ꎮ二㊁自然伽马能谱测井的应用自然伽马能谱测井可以研究地层特性ꎬ包括泥质含量准确计算㊁识别高放射性储层㊁识别钾盐㊁识别黏土类型㊁沉积环境分析以及变质岩岩性识别等ꎮ下面主要介绍自然伽马能谱测井资料在测井解释中的应用ꎮ(一)计算泥质含量在自然伽马能谱测井资料中ꎬ地层的泥质含量与钍或钾的含量有较好的线性关系ꎬ而与地层的铀含量关系较复杂ꎮ因此ꎬ可以同时利用钍㊁钾及无铀伽马曲线或根据地质情况选其中一条曲线ꎬ计算地层泥质含量ꎮ(二)识别高放射性储集层利用自然伽马能谱测井可以有效识别和划分具有高自然伽马放射性的储集层ꎮ在人们传统的概念ꎬ储集层是低放射性㊁泥质含量较少㊁比较纯的岩石ꎬ因而忽视了高放射性储集层的生产价值ꎮ在纯砂岩和碳酸盐岩的放射性元素含量都较低ꎬ但对于某些渗透性砂岩和碳酸盐岩地层ꎬ由于水中含有易溶的铀元素ꎬ并随水运移ꎬ在某些适宜条件下沉淀ꎬ形成具有高放射性渗透层ꎬ即高伽马储层ꎬ此时可用自然伽马能谱测井进行储层划分ꎮ高自然伽马的地层一方面可以作为标志层与邻井进行对比ꎬ另一方面又可以帮助识别流体性质ꎮ另外ꎬ硬地层中高铀会指示具有渗流能力的储集层ꎮ(三)黏土矿物类型识别一般来讲ꎬ在绝大多数黏土矿物中ꎬ钾和钍的含量高ꎬ而铀的含量相对较低ꎬ因此ꎬ根据Ｔｈ/Ｋꎬ可大致确定黏土类型ꎮＴｈ/Ｋ比值在２８以上为重钍矿ꎬ在１２~２８之间为高岭石ꎬ在３.５~１２之间为蒙脱石ꎬ在２~３.５之间为伊利石ꎬ在１.５~２之间为云母ꎬ在０.８~１.５之间为海绿石ꎬ在０.５~０.８之间为长石ꎬ小于０.５为钾蒸发岩ꎮˑ井ˑˑ组Ｔｈ测量值主要在７~２０ｐｐｍꎬＫ测量值主要在２.４~４.０％之间ꎬＴｈ/Ｋ比值在２~５之间ꎬ黏土类型为伊利石和蒙脱石为主的混合黏土层ꎬ见图１ꎮ(四)沉积环境分析由钾㊁铀㊁钍的性质可知ꎬ高能环境钍含量比低能环境高ꎬ铀和钾含量在低能环境比高能环境高ꎮ另外ꎬ铀含量与氧化还原条件有关ꎬ还原环境有机质含量高ꎬ铀含量高ꎻ钾含量与黏土关系密切ꎮＴｈ/Ｕ值可判断沉积环境的氧化还原条件ꎬ据经验统计:Ｔｈ/Ｕ值大于７时ꎬ属风化完全㊁有氧化和淋滤作用的陆相沉积ꎻＴｈ/Ｕ值２~７ꎬ岩性为灰色和绿色泥岩夹砂岩ꎬ属还原环境沉积ꎻ小于２时ꎬ属强还原环境ꎮˑ井ˑˑ组Ｔｈ/Ｋ比值主要在２~６.３之间ꎬＴｈ/Ｕ比值在２~７之间ꎬ沉积环境主要属低能还原沉积ꎮ(五)变质岩岩性分析利用自然伽马能谱测井曲线制作的测井数据交会图是识别含油气盆地内变质岩岩性的简单而有效的方法ꎮ它是图１㊀ˑ井ˑˑ组黏土类型分析图把两种测井数据在平面图上交会ꎬ根据交会点的坐标定出所求参数的数值和范围的一种方法ꎮ在交会图上能直观地看出各种岩性的分界和分布的区域ꎬ能比较直观的识别变质岩ꎮ通过对变质岩物理特性进行分析ꎬ发现作为变质岩分类指标的二氧化硅(ＳｉＯ２)含量与钾(Ｋ)含量有很强的相关性ꎬＳｉＯ２含量高则钾含量高ꎬ钍含量从酸性岩石向超基性岩石减少ꎬ而自然伽马测井测量的是地层中放射性元素的总含量ꎬ一般从基性到酸性变质岩逐渐升高ꎬ另一个指示岩性的光电吸收截面指数ꎬ一般从基性到酸性变质岩逐渐降低ꎮ自然伽马㊁光电吸收截面指数㊁钍三条测井曲线的交会图可以区分之ꎮˑ井发育的变质岩为玄武质安山岩㊁火山角砾岩㊁花岗岩ꎮ研究发现:利用ＧＲ－ＴｈꎬＰｅ－Ｔｈ交会图可以有效识别变质岩岩性ꎬＧＲ－Ｔｈ交会图版可以分成四个区:基性岩性区㊁中性岩性区㊁中性向酸性过渡岩性区㊁酸性岩性区ꎮˑ井中玄武质安山岩落在基性岩为主以及部分中性区域ꎬ显示低ＧＲ㊁低Ｔｈ特征ꎮ火山角砾岩和花岗岩落在酸性岩性区ꎬ显示高ＧＲ㊁高Ｔｈ特征ꎮＰｅ－Ｔｈ交会图中玄武质安山岩显示高Ｐｅ值ꎬ火山角砾岩和花岗岩显示低Ｐｅ值ꎮ即ˑ井中玄武质安山岩显示低ＧＲ㊁低Ｔｈ㊁高Ｐｅ特征ꎻ火山角砾岩和花岗岩显示高ＧＲ㊁高Ｔｈ㊁低Ｐｅ特征ꎮ三㊁结论自然伽马能谱测井是放射性测井中一种最基本的测井方法ꎬ它可以定量测定地层中铀㊁钍㊁钾的含量ꎬ并给出地层总的伽马放射性强度ꎮ随着勘探和开发难度的加大ꎬ自然伽马能谱测井将发挥越来越重要的作用ꎮ参考文献:[１]胡挺ꎬ潘秀萍.自然伽马能谱测井在杭锦旗地区的应用[Ｊ].工程地球物理学报ꎬ２０１７(１).作者简介:赵金宝ꎬ胜利油田油藏动态监测中心ꎮ１０２。
自然伽马能谱测井
二、自然伽马能谱测井的 应用
• 一）研究储集层 • 1、储集层的分类 • 1）陆源碎屑岩储集层 • 包括砾岩、砂或砂岩、粉砂或粉砂岩 • 2）火山碎屑岩储集层 • 主要由火山碎屑构成，按颗粒大小可
• 分为集块岩和火山砂、凝灰或火山灰 • 3）碳酸盐岩碎屑储集层 • 主要是由贝壳碎片或碳酸盐岩碎屑堆
一、自然伽马能谱测井原 理
• 自然伽马能谱测井仪器的井下仪器与自 然伽马测井基本相同，将入射的伽马射 线能量的大小以脉冲的幅度大小输出， 不同的是地面仪器，自然伽马能谱测井 仪器地面部分有多道脉冲幅度分析器， 该分析器将能量分为五个能量窗。
• W1: 0.15~0.5MEV • : 0.5~1.1MEV • W3: 1.32~1.575MEV • W4: 1.65~2.39MEV • W5: 2.475~2.765MEV • 五个能量窗输出的信号分别进入5个计数
2、环境监测
• 用伽马能谱测井可对放射性矿物的开采、 加工、各类核工业和科研部门的环境进 行定期监测，主要防范铀对水体的污染。 其方法是定期在观察井中做自然伽马能 谱分析，配合取样分析，观察铀系和锕 系子体的扩散。
• 式中Th为目的层钍曲线值（ppm）； Thmin为邻近不含泥质地层的钍读数 （ppm）；Thmax为邻近泥岩层的钍读 数（ppm）。
• （2）用经验公式求出泥质含量的估值， 如用公式
二）研究生油层
• 这里主要讨论用自然 伽马能谱测井从粘土 岩中定性识别生油岩 和定量估算生油指标
1、定性识别生油岩
• 1）普遍泥岩的钾、铀、钍响应 • 普通粘土岩的钾、铀、钍含量都比较高，
其中钾和钍和粘土矿产的体积含量比铀 相关性好。
第2章自然伽马和伽马能谱测井
（北京）
CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM
油气地球物理测井工程
★自然伽马测井的测量原理
通过探测器（晶体和光电倍增管）把地层中放射的伽马射线转变为电脉冲，经过放大输送到地面仪器记录下来。
高放射性地层，地层中点取得极大值；
V：测井速度；
τ：积分电路的时间常数。
值低）；
与地层分别地质年代有关的经验参数，
；
y = 8.4179e2.7793x
R = 0.937
20
40
60
80
100
00.20.40.60.81
自然伽马相对值
岩
心
泥
质
含
量
(
%
)
密度中子交会法自然伽马法
泥质
指示
长
4
＋
52
原解释厚度4m，现解释
厚度11m
油：22.1t/d
X衍射和薄片分析表明：该段岩石骨架为石英、长石；石英
含量47.23%，长石含量38.63%，粘土含量较常规高
粘土中富含高放射性的云母等矿物。
1) 钍系：钍系是从232Th开始的，到206Pb结束，半衰
放射系长期平衡：
Examples of Spectral Gamma Ray Log。
自然伽马能谱测井原理
自然伽玛能谱测井是一种用于地质勘探和岩石识别的方法，通过测量地下岩石中放射性元素的能谱来获取相关信息。
其原理如下：
1. 放射性元素存在：地球上的许多岩石含有放射性元素，如钍、铀和钾等。
这些元素在衰变过程中会释放出伽马射线。
2. 伽马射线的测量与分析：自然伽马能谱测井利用探测仪器（伽马探头）记录并测量地下岩石中的伽马射线强度。
该探头通常由一个或多个伽马探测器组成。
3. 能谱数据采集：伽马探头将记录到的伽马射线强度转换为能谱数据，即不同能量范围内的伽马射线计数值。
4. 分析和解释：通过对能谱数据进行分析和解释，可以得到与地下岩石特征相关的信息。
例如，不同放射性元素的能峰位置和强度可以用于鉴定岩石类型和成分。
5. 岩石识别和解释：基于能谱数据和相关模型，可以进行岩石识别和解释。
通过比较实测的能谱数据与已知的岩石库进行匹配，可以判断地下岩石的类型、组成和含量等。
自然伽马能谱测井具有广泛的应用领域，包括油气勘探、矿产资
源调查和环境监测等。
它能够提供有关地下岩石的物性参数、岩性特征和地层分布等重要信息，为地质研究和开发提供了重要参考依据。
第7章 自然伽马测井
2 沉积岩的自然放射性
自然界的岩石和矿石均不同程度的具有一定的放射性，它们几乎全 部是由放射性元素铀、钍、锕以及放射性同位素钾19K40在其中存在并 进行衰变的结果。铀、钍、锕这三个放射性系列，分别由半衰期较长 的铀的一种同位素92U238、钍元素90Th232和铀的另一种同位素92U235 开始进行衰变，产生一系列新的放射性同位素，并继续衰变向着稳定 元素过渡。
3 伽马射线的探测
目前使用较为普遍的伽马射线探测器主要是闪烁计数器， 图1是闪烁计数器的简单结构。它主要由NaI萤光晶体和光电 倍增管组成。
其工作原理是，伽马射线射到萤光体(如碘化钠晶体)上， 从其原子中打出电子，并在该电子的激发下发出闪光。光电 倍增管将闪光转变为电脉冲，电脉冲的数量与进入萤光体的 伽马射线成正比，这就是闪烁计数器的基本工作原理。
1.2 自 然 伽 马 测 井
自然伽马测井可以解决以下问题： ➢根据天然放射性强弱，判别岩性和划分井地层剖面。 ➢在一个含油气区或单独构造上，各井剖面进行对比。 ➢估计岩石中泥质含量，从而判断岩层的储集性能，特别是在泥浆矿化度 较高地区，碳酸盐岩剖面中，自然电位无法清楚划分渗透性岩层，自然伽 马可以解决。 自然伽马测井的优缺点： 优点：（1）裸眼井和套管井中均可以进行
沉积岩的自然放射性，大体可分为高、中、低三种类型。
➢①高自然放射性的岩石：包括泥质砂岩、砂质泥岩、泥岩、 深海沉积的泥岩，以及钾盐层等，其自然伽马测井读数约 100API以上。特别是深海泥岩和钾盐层，自然伽马测井读数 在所述沉积岩中是最高的。
➢②中等自然放射性的岩石，包括砂岩、石灰岩和白云岩。其 自然伽马测井读数介于50—100API之间。
J N0et
显然
J J0et
自然伽马测井原理6
半衰期：从N0个原子开始有N0 /2发生了衰变， 所经历的时间。用T表示：
ln 2 T
放射性元素不同，其半衰期也不同，见P135 2、放射性射线的性质核衰变 核衰变放出三种射线：、、 射线 带电 能量衰减快、 射程短 射线 穿透能力弱
射线
是频率很高 的电磁波、 能量高
穿透 能力强
V合适
五：GR曲线的解释应用 1、划分岩层 砂泥岩剖面（骨架不含放射性矿物） GR 泥 岩 砂 岩 碳酸盐岩剖面相同 砂 岩
泥 岩
给定岩性剖面，请定性的画出GR曲线（5分钟 GR 泥岩 灰岩 泥岩 白云岩
石膏
2、确定地层的泥质含量 不含放射性矿物的地层，GR主要取决 于地层的泥质含量 当泥质含量低时：
沉积岩骨架不含重矿物，除钾岩外，其他岩 石本身基本上不含放射性，但在形成过程中 会多少地吸附些放射性元素。
强度最低的：硬石膏、石膏、不含钾的盐岩 强度 低的：砂岩、灰岩、白云岩 强度较高的：浅海相和陆相沉积的泥岩、泥 灰岩、钙质岩、泥质砂岩等 强度高的：钾岩、深水泥岩、页岩 强度最高的：放射性软泥、彭土灰 除了钾岩及骨架含放射性元素的岩石外，岩 石的GR强度随岩石颗粒变细而增加的。 通常情况下：地层的GR主要取决与泥质含量
Vsh GR GRmin GRmax GRmin
当泥质含量高时：
gcur=2(老地层） gcur=3.7(新地层）
I sh
GR GRmin GRmax GRmin
2
gcur Ish
Vsh
2 gcur
1 1
3、进行地层对比 用GR曲线进行对比的优点：
与岩石孔隙中的流体性质（油或水）无关 与地层水和泥浆矿化度无关 在GR曲线上容易找到标准层
《测井仪器原理》第八章 自然伽马能谱测井仪器
8.1.2 伽马能谱探测原理
1.伽马射线探测器
伽马射线与物质的相互作用能引起物质中原子的 电离和激发。利用这两种物理现象可以探测伽马 射线。 利用次级电子电离气体而建立的探测器有电离室、 正比计数器和盖革一弥勒计数器等。 利用次级电子使原子核的外层电子受激发，当原 子返回基态时放出光子，发生闪光，而建立了闪 烁计数器。
伽马能谱测量要通过伽马脉冲幅度来判别它 们是从哪种放射性核素放射出来的，因而幅度信 息是重要的，必须保证不受其它因素影响。 由于闪烁晶体和光电倍增管的对温度十分灵 敏，由于温度的变化会导致谱信号记入错误的能 窗，因此，稳谱措施是自然伽马能谱测井仪设计 中很重要的一环。 NGT-C自然伽马能谱测井仪采用两种稳谱方法。
•解谱原理 用U、Th和K分别代表各自含量，W1~W5代表 五个能窗的计数率，则
W1 a11U a12Th a13 K W a U a Th a K 2 21 22 23 W3 a31U a32Th a33 K W a U a Th a K 41 42 43 4 W5 a51U a52Th a53 K 式中,a11 ~ a53由仪器刻度时标定.
铀（U）、钍（Th）、钾（K）的伽马射线能谱
各种粘土矿物的Th/K比
因此，用Th和K的比值可识别各种粘土矿物。
用Th和U的比值研究沉积环境
从化学沉积物到碎屑沉积物，Th和U的比 值增大 ； 碳酸盐岩的Th/U为0.3～2.8； 粘土岩的Th/U为2.0～4.1 ； 砂岩的U含量变化范围很大，因而Th/U 值变化范围也大。
第八章自然伽马能谱测井仪
8.1 自然伽马能谱测井方法原理 8.2 NGT—C自然伽马能谱测井仪测量原理 8.3 NGT—C自然伽马能谱测井仪电路分析 8.4 小结 习题
自然伽马能谱测井--研究沉积环境
钍铀比的地质意义
从表中可以看出： 属于氧化环境的只有纸坊组 地层，钍/铀比平均值大于7； 属于还原到氧化过渡环境的 有延长组、和尚沟组、刘家 沟组、石千峰组、石盒子组、 山西组地层，钍/铀比平均 值在2.19-7之间； 属于还原环境的有太原组、 本溪组、马家沟组地层，钍 /铀平均值小于2.19。
2
利用其测量值可以研究 地层特性，计算泥质含 量、地层粘土矿物归类、 识别高自然伽马放射性 储层、评价生油岩等。 具体过程是采用交会图 技术，做出地层Th—K 交会图，按照给定的 Th—K交会图版，进行 相关工作
目 录
1
自然伽马能谱测井原理
钍铀比的地质意义
2
3
应用实例
结束语
4
1
自然伽马能谱测井原理
1
通过自然伽马能谱测井划分地层
泥岩地层的主要成分为粘土矿物，其 不同的岩石含有 的化学成分不同，
含有的放射性元素主要为铀(U)、钍 (Th)、钾(K)； 纯砂岩和碳酸岩的放射性元素含量 都比较低。
其放射性物质的
成分也不一样
某些渗透性砂岩和碳酸岩地层,由
于水中含有易溶的铀元素,并随水运移, 在某些适宜的条件下沉淀,形成高放射 性渗透层,此时可以通过自然伽马能谱 测井划分出地层。
地层中存在的放射性核素，主 要是天然放射性核素，这些核素又 分放射系和非放射系的天然放射性 核素。放射系为钍系、铀系和锕铀 系，但锕铀系的头一个核素235U在 自然界中的丰度很低，其放射性贡 献甚微，不予考虑。非放射系的天 然放射性核素如表1所列。从表中可 见，主要是87Rb和40K，但是87Rb 无伽马辐射。所以，在研究地层中 的自然伽马能谱主要是238U（铀)、 232Th（钍）放射系和40K（钾） 放射的伽马射线能谱。
第4章-自然伽马测井讲解
仪器与自然伽马测井仪基本相同， 使用NaI闪烁计数器，将入射的伽 马射线能量的大小以脉冲幅度大 小输出。地面仪器部分不同
该仪器的核心是多道脉冲幅度分 析器，该分析器将能谱分为5个能 量窗口，各窗的能量范围是：
用剥谱器对复杂谱进行解析
W1：0.15～0.5MeV W2：0.5～1.1MeV
自然伽马能谱测井测量原理
砂
岩
锯齿状
泥 岩
实测自然伽马测井曲线特征 7
（1）测井测量的每一点计数率的涨落误差σ1
n
如能根据多次测量确定平均值，则每次的测量读数 与平均值的误差就是σ1。采用积分线路的自然伽马 测井仪，其输出结果是在输出时刻前2τ时间内的平 均值，则曲线上任何一点的相对标准误差为：
相对误差： 1
1 2n
穿过某油田的
剖面确定第1、
2类砂岩的分布
12
砂泥岩剖面：低GR的为砂岩储集层，在厚层状态下可以用半幅点分层
碳酸盐岩剖面：低GR说明含泥质少的纯岩石，结合高孔隙度、低电阻率可划分 出储集层
3、确定泥质含量
1)、地质基础（计算条件）：地层除粘土矿物外，不含其它放射性矿物时
2）相对值计算法：
IGR
GR GRmin GRmax GRmin
特征谱
19 K 40
1、铀、钍和钾的谱特征
分析谱曲线，可得岩层中所含各种放射 性元素及其含量
特征值（用以识别铀、钍、钾的特征能 量）：
19 K 40－1.46MeV Th－－2.62MeV U－－1.76MeV
钍系
特征谱
铀—镭系
铀系、钍系、K40伽马能谱
16
岩石样品的 伽马仪器谱
虽然各种谱 峰值较多， 但三个特征 峰最易识别
自然伽马能谱测井
主要应用
自然伽马能谱测井除了具有GR测井所拥有的功能以外，还具有：1、寻找高放射性储集层
2、计算泥质含量
3、研究沉积环境和粘土矿物类型
将测量的U、Th、K，忽略各自的单位计算比值Th/U、Th/K和U/K，则这些比值在地质上有相当大的意义。
例如：
Th/U：大于7为陆相沉积，氧化环境或风化壳，小于7为海相沉积，灰色或绿色泥岩，小于2为海相黑色泥岩，磷酸盐岩；估计泥质地层的生油能力，Th/U愈低，有机碳含量愈高；指示较大的不整合面或至古滨线的距离，Th/U愈大则愈近。
Th/K：指示沉积环境，离古滨线的距离；识别不同沉积相的岩石类型；粘土矿物分类，参看图2-3-17，图中每条直线标的数据是Th/K。
U/K：估计泥质沉积的生油能力，愈高愈好；指示天然裂缝系统，比值很高表示裂缝发育；地层对比，含铀矿物的标准层。
4、研究生油层
还原环境和有机物的富集，可以使泥质沉积物吸附大量铀离子，因而使生油层的铀含量明显升高，并使U或U/K与有机碳含量有密切关系.。
关于自然伽玛能谱测井曲线质量控制与异常分析
一、能谱测井质量控制的相关理论沉积自然放射性的反映就是自然伽马能谱井，通过对华北地区某油田油井资料进行查阅，获取了铀的相对比值曲线和钍铀比值-能谱的测井特征比值，通过这种自然伽马能谱井的构建，实现对碳酸盐岩风化壳的有效识别，在此基础上，准确划分岩溶地层，最终完成对自然伽马能量井质量的判断。
在母岩风化产物之中，一部分化合物的主要成分是钍，故此类化合物被学者称为含钍化合物，该化合物与水融合难度高，如果岩石中钍含量较少，则反映出沉积环境与母岩区之间的距离较大。
与此同时，地层水活动的频繁与否，与地层中U含量增减变化存在直接关联，如果地表上部存在含有4价铀的矿物，则这个矿物会在氧化作用的影响下发生变化，具体表现为4价铀会增加至6价铀，其存在形式为铣络离子。
在查阅资料后得知，与其他离子相比，这种离子在水中的融合效率较高，具有十分活泼的化学性质，会在水的作用下流动，在受到有机质影响后，易沉淀，除有机质之外，黏土和磷酸盐的吸附作用可以取得与之相同的结果。
二、铀相对比值为了充分发挥能谱测井的作用，使沉积地层和碳酸盐岩岩溶地层相关信息得到反映，在应用这项检测方法前，需要完成铀相对比值的设立，究其原因。
主要是这个比值可以作为岩溶地层指示器，UR=1-KTh/GRSL；在这个式子中，铀相对比值由UR代表；无铀伽马含量由KTh代表；总伽马含量由GRSL代表。
基于油田实际资料，在将铀相对比值UR作为指示运用过程中，所产生的规律如下所述：（1）如果铀对比值小于0.5，岩溶作用强，其所属地层为海相地层；（2）如果铀对比值小于0.2，岩溶作用无，其所属地层为陆相地层；（3）如果铀对比值小于0.5，岩溶作用弱，其所属地层为过渡带。
三、应用实例和评价1.华北地区某油田地层基本特征通过查阅资料，钻芯取样和测井曲线分析等技术方法的使用，得知该油田的地层为过渡带，存在不同的环境，主要包括氧化环境和还原环境，且呈现出交替出现的特点，但其下的部分房组却与之不同，属于典型的海相沉积，且稳定性较强，其所属环境为还原。
自然伽马能谱测井原理及其应用
班级资工11101班学号 201107964 姓名陈强目录自然伽马能谱测井原理 (3)自然伽马能谱测井分析与应用 (5)关于自然伽玛能谱的几点认识与总结 (9)自然伽马能谱测井原理及其应用The Principle and Application of Natural Gamma RaySpectrometry Logging1 自然伽马能谱测井原理1.1 自然伽马能谱测井的理论基础地层中存在的放射性核素，主要是天然放射性核素，这些核素又分放射系和非放射系的天然放射性核素。
放射系为钍系、铀系和锕铀系，但锕铀系的头一个核素235U在自然界中的丰度很低，其放射性贡献甚微，不予考虑。
非放射系的天然放射性核素如表1所列。
从表中可见，主要是87Rb和40K，但是87Rb无伽马辐射。
所以，在研究地层中的自然伽马能谱主要是238U、232Th放射系和40K放射的伽马射线能谱。
因为地层岩石的自然伽马射线主要是由铀系和钍系中的放射性核素及40K产生的。
而铀系和钍系所发射的伽马射线是由许多种核素共同发射的伽马射线的总和，但每种核素所发射的伽马射线的能量和强度不同，因而伽马射线的能量分布是复杂的。
而40K只能发射一种伽马射线，其能量1．46Mev的单能。
如果我们把横座标表示为伽马射线的能量，纵座标表示为相应的该能量的伽马射线的强度。
把这些粒子发射的伽马射线的能量画在座标系中，那么就得到了伽马射线的能量和强度的关系图，这个图称为自然伽马的能谱图。
铀系和钍系在放射性平衡状态下系内核素的原子核数的比例关系是确定的，因此不同能量伽马的相对强度也是确定的，因此我们可以分别在这两个系中选出某种核素的特征核素伽马射线的能量来分别识别铀和钍。
这种被选定的某种核素称为特征核素，它发射的伽射线的能量称为特征能量，在自然伽马能谱测井中，通常选用铀系中的214Bi发射的1．76MeV 的伽马射线来识别铀，选用钍系中的208Tl发射的2. 62MeV的伽马射线来识别钍，用1．46MeV的伽马射线来识别钾。
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岩浆岩中铀含量，从酸性、中性、基性到超基性岩逐渐减少。
1、自然伽马能谱测井的地质基础
(1) 铀、钍和钾的地球化学特征
① 铀的地球化学特征
在氧化环境中，酸性岩浆岩中的4价铀矿物被风化，在蚀变和 淋滤过程中，不溶于水的4价铀矿物转化为可溶于水的6价铀盐。6 价铀通常以络阳离子(UO2)2+的形式存在，并以溶液方式运移。进入 还原环境时，6价铀又转化为4价铀而沉积。
几乎所有陨石的钍铀比(Th／U)都等于3～4；而在岩浆岩中Th／U也 几乎是定值，多数在4左右。在氧化环境中，铀和钍会发生明显地分离。 钍的化合物性质稳定，运移以机械风化迁移为主。粘土矿物对钍的选择 性吸附、以及钍在稳定矿物中的存在，是控制沉积岩中钍分布的主要因 素。钍常作为粘土矿物指示剂，钍铀比可指示沉积环境和岩性。
自然伽马能谱测井 学习内容
1、自然伽马能谱测井的地质基础 2、自然伽马能谱测井原理 3、自然伽马能谱测井曲线特征 4、自然伽马能谱测井资料的应用
自然伽马能谱测井
自然伽马测井探测的是自然伽马射线总强度，它反映的是地层 中所有放射性元素的总效应，而不能区分地层中所含放射性元素的 种类及含量。
在此基础上，发展起来的自然伽马能谱测井(NGS)，采用能谱分 析的办法，可以定量测定铀、钍、钾的含量，同时，还给出地层总 的伽马放射性强度。所以自然伽马能谱测井可以解决更多的勘探和 开发中的地质问题。
榆林242井高伽马异常层 （榆林242井位于盆地东北部）
煤层
煤层底板炭质泥 岩呈高伽马，铀
丰度高。
4、自然伽马能谱测井资料的应用
⑶ 用Th/U比值研究沉积环境
鄂尔多斯盆地已发现的 铀矿化均为砂岩型铀矿。
到目前为止，盆地内发 现大型铀矿1处，小型铀矿 床2处，矿点8个，矿化点数 10个，总体上构成环盆周边 分布的5个砂岩型铀矿集中 区。
大约有60%的铀在副矿物中，30%为活性铀，而造岩矿物中只 占10%。
所谓活性铀是指：①被吸附的铀；②易溶的铀矿物；③变生矿 物中的铀；④溶解于液体包裹体和颗粒间液体中的铀。
1、自然伽马能谱测井的地质基础
(1) 铀、钍和钾的地球化学特征
② 钍的地球化学特征
钍化合价以4价为主，4价钍和4价铀关系密切，常呈类质同象置换。 钍和铀经常是共生的，钍、铀比被认为是太阳系的基本比值之一。
1、自然伽马能谱测井的地质基础
(2) 铀、钍和钾在岩石中的分布
① 岩浆岩
岩浆岩中铀、 钍和钾含量和钍 铀比见表。
蚀变岩石与未蚀变岩石相比，通常近 矿蚀变围岩中的铀含量会普遍升高，蚀变 岩石中活性铀含量也高于未蚀变岩石。不 同时代或不同地区的同一种岩性的岩石， 铀、钍、钾含量也有差异。一般来说。时 代越新，岩石铀含量也越高。
计算方法同于自然伽马测井,定量计算公式形式: △GR= (GR-GRmin)/(GRmax-GRmin) Vsh=(2c·△GR-1)/(2c-1)
其中老地层 C=2, 新地层 C=3.7—4
4、自然伽马能谱测井资料的应用
⑶ 用Th/U比值研究沉积环境 统计表明：陆相沉积、氧化环境、风化层，Th／U＞7； 海相沉积、灰色或绿色页岩，Th／U＜7； 海相黑色页岩、磷酸盐岩，Th／U＜2。 用Th/U、U/K和Th／K比值还可研究许多其它地质问题，如从
1、自然伽马能谱测井的地质基础
(2) 铀、钍和钾在岩石中的分布
② 沉积岩 A. 粘土岩中铀(238U)、钍(232Th)和钾(40K)的分布
一般说来，普通粘土岩中钾和钍的含量 高，而铀相对钾和钍来说含量较低。统计表 明粘土岩中平均含量：钾2％，铀6ppm，钍 12ppm。在还原环境中，铀的含量会增高， 如黑色海相页岩中铀含量可高达l00ppm。还 原环境下，若粘土中富含有机物或硫化物时 ，铀含量明显增高。
钍系的主要γ辐射体是Th208，特征γ射线的能量是2.62MeV。在自 然γ能谱测井中，主要根据这一特征峰确定钍在地层中的含量。
1、自然伽马能谱测井的地质基础
(1) 铀、钍和钾的地球化学特征
③ 钾的地球化学特征
钾有三个天然同位素，K39、K40和K41，其中K40是放射性同位素，它 发射1.46 MeV的γ 光子。
一般情况，粘土岩中钍与铀含量之比 (Th／U)在2.0～4.1。
(2) 铀、钍和钾在岩石中的分布
② 沉积岩 B. 砂岩和碳酸盐岩中铀、钍和钾的分布
自然伽马能谱测井 学习内容
1、自然伽马能谱测井的地质基础 2、自然伽马能谱测井原理 3、自然伽马能谱测井曲线特征 4、自然伽马能谱测井资料的应用
2、自然伽马能谱测井原理
从解谱仪输出信号送至照像记录设备进行记录 。最后输出四个量：自然伽马总计数率(SGR)，钍 含量(THOR)、铀含量(URAN)、钾含量(POTA)。
谱特征有 包含情形
自然伽马能谱测井 学习内容
1、自然伽马能谱测井的地质基础 2、自然伽马能谱测井原理 3、自然伽马能谱测井曲线特征 4、自然伽马能谱测井资料的应用
1、自然伽马能谱测井的地质基础
(2) 铀、钍和钾在岩石中的分布
① 岩浆岩
已知的铀矿物和含铀矿物主要是铀的氧化物、含氧盐以及少量氢氧化物 和有机化合物。在岩浆岩中酸性岩的铀、钍含量最高，大约比中性岩高1倍 ，比基性岩高6倍，比超基性岩高1000倍。酸性岩和中性岩中的钾含量比基 性岩、超基性岩高。
大体上说，岩浆岩中铀的含量随Na、K、Si的含量增高而增高。花岗岩 富铀，碱性岩则相对富钍。在酸性岩中，一部分铀因铁、镁沉淀剂作用形成 钛铀矿、钍、铀矿、晶质铀矿等显微包裹体分散在多种造岩矿物(如黑云母 、角闪石)中，而大部分铀则呈类质同象混入物形式进入到副矿物(如锆石、 榍石、揭帘石、独居石、烧绿石等)中。分散在造岩矿物中的铀约占10％， 分散在副矿物中的约占60％，还有30％以上的铀可呈活性铀分散吸附在各种 矿物颗粒的表面，或溶于毛细水或薄膜水中。
鄂尔多斯盆地铀矿分布图
4、自然伽马能谱测井资料的应用
鄂尔多斯盆地油、气、煤、铀共存关系
THE END
富含有机质生 油层
页岩
4、自然伽马能谱测井资料的应用
⑵ 求泥质含量 研究发现，地层的泥质含量与钍或钾的含量有较好的线性关系，
而与地层的铀含量关系较小。 因为铀除了伴随碎屑沉积存在外，还与地层的有机质含量以及一
些含铀重矿物的含量等因素有关，所以一般不用铀含量求泥质含量， 而用总计数率、钍含量和钾含量的测井值计算泥质含量。
化学沉积物到碎屑沉积物Th／U比增加，随着沉积物的成熟度增加 ，Th/K比增大。
用Th/U、U/K和Th／K比值还可以识别粘土矿物。
4、自然伽马能谱测井资料的应用
⑶ 用Th/U比值研究沉积环境
深部高伽马异常 层岩性主要为泥岩、 炭质泥岩等。右图异 常层为二叠系太原组 煤层底板炭质泥岩。 声波时差曲线幅值比 煤层小，电阻率电位 比煤层低，自然伽马 呈明显高值，高达 260API。
自然界中的有机质，一来自水生有机物， 二来自陆生植物。它们与铀之间都有亲和力存 在。虽然这种亲和力机理还在研究中。但这种 亲和力使有机质与铀含量有明显相关关系。
这种现象的另一种解释是，海水中的铀离 子与其他微量元素为浮游生物所吸附；陆生植 物的腐质酸也容易吸附铀离子。从而，源岩的 自然放射性明显高于非源岩，并且这种增加是 铀引起的。
2、自然伽马能谱测井原理
(2)测井原理 五个能窗输出的信号分别送入五个计数器进行
计数。由于钾窗的计数率中含有少量铀、钍γ射线 的成分，U窗中亦含有少量Th的成分，Th窗中又含 有少量U的成分。所以各窗的计数率并不仅仅反映 对应的元素的含量，因而还需要解谱。
所谓解谱就是对各能窗均综合考虑三种元素的 贡献，列出方程组求解。解线性方程组的仪器装置 叫解谱仪。
自然伽马能谱测井是根据铀、钍、钾三种放射性元素在衰变时放 出的γ射线能谱不同，测定地层中铀、钍、钾含量的一种测井方法。
(1)自然伽马能谱 K40只有能量为1.46MeV伽马射
线，铀系和钍系有各种能量伽马射 线，但大部分分布在1.3MeV以下。
钍系在2.62MeV处有一明显峰值 ，可作为钍系的特征谱；
3、自然伽马能谱测井曲线特征
曲线特征同 自然伽马测井
曲线特征☺
自然伽马能谱测井 学习内容
1、自然伽马能谱测井的地质基础 2、自然伽马能谱测井原理 3、自然伽马能谱测井曲线特征 4、自然伽马能谱测井资料的应用
4、自然伽马能谱测井资料的应用
⑴ 研究生油层
大量研究表明，岩石中的有机物对铀富集 起着重要作用，因此应用自然伽马能谱测井， 可在纵向和横向上，追踪生油层和评价生油层 生油能力。
铀系在1.76MeV处也出现一个峰 值，作为铀系的特征谱。
1.46MeV
2.62MeV 1.76MeV
0.5
2、自然伽马能谱测井原理
(2)测井原理 自然伽马能谱测井仪的下井仪器与自然伽马测井仪基本相同，使
用NaI闪烁计数器，将入射的伽马射线能量的大小以脉冲的幅度大小输 出，不同之处是地面仪器部分，其测量原理如图。
钾在岩浆岩中的含量随SiO2的增加而增高。 含钾的硅酸岩矿物易于被风化分解，钾被淅出并被流水所雨水中钾含量为0.2～3 ppm(0.2～3g／t)。岩石风化后，一部分钾被带入河 流、湖泊、海洋和潜水中。 钾的离子半径较大，极化率高，易于被粘土矿物所吸收，所以钾能大 量停留在大陆上，而仅有0.038％的钾被带入海洋。
自然伽马能谱测井
Natural gamma ray spectrometry log or Spectral gamma-ray log
西安石油大学 油气资源学院 赵军龙
自然伽马能谱测井 学习内容
1、自然伽马能谱测井的地质基础 2、自然伽马能谱测井原理 3、自然伽马能谱测井曲线特征 4、自然伽马能谱测井资料的应用