第八章密度测井
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第八章 密度测井
4.含水泥质砂岩的密度为2.25,地层水密度为1.0.地层泥 质含量为0.24,泥岩密度为2.55.求地层孔隙度和视石灰 岩孔隙度. 解: 地层孔隙度=(2.65-2.25)/(2.65-1.0)
-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。
-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
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。
第8章 密度测井和岩性密度测井
U
U V
i 1 i
n
i
Ui、Vi分别为组成岩石各部分的光电吸收截面和相对体积。
2016/7/26 测井方法 8
三 岩石的光电吸收截面
如孔隙度为φ的纯砂岩的光电吸收截面为：
U (1 )U ma U f
体积光电吸收截面U与光电吸收截面指数Pe有 近似关系：
Pe U / b
且： f
2016/7/26
1.（淡水泥浆） 0 1.（盐水泥浆） 1
测井方法 4
二 康普顿散射吸收系数Σ
中等能量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)：
z N A b e A
沉积岩中大多数核素Z/A均接近于0.5，常见的砂岩、 石灰岩、白云岩的Z/A的平均值也近似为0.5，所以对于 一定能量范围的伽马射线（σe为常数）， Σ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 的强度来测量岩石的密度。
2016/7/26
测井方法
14
第三节 岩性密度测井
一、岩性密度测井的基本原理 二、岩性密度测井的应用
2016/7/26
测井方法
15
一 岩性密度测井的基本原理
伽马源产生的单能γ射线照射地层，其高能谱段 的γ，只受康普顿效应影响，低能谱段，主要受光电 效应的影响。在高能区设立窗口，计数γ计数率，确 定地层密度，为补偿泥饼的影响，采用长短两个探测 器，得到地层密度和泥饼补偿值ρb和Δρ；低能区开 设窗口，计数γ，以测量地层的光电吸收截面指数Pe。 实际上是利用低能窗和高能窗计数率比值进行光电吸 收截面指数计算的。
2016/7/26
U V
i 1 i
n
i
Ui、Vi分别为组成岩石各部分的光电吸收截面和相对体积。
2016/7/26 测井方法 8
三 岩石的光电吸收截面
如孔隙度为φ的纯砂岩的光电吸收截面为：
U (1 )U ma U f
体积光电吸收截面U与光电吸收截面指数Pe有 近似关系：
Pe U / b
且： f
2016/7/26
1.（淡水泥浆） 0 1.（盐水泥浆） 1
测井方法 4
二 康普顿散射吸收系数Σ
中等能量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)：
z N A b e A
沉积岩中大多数核素Z/A均接近于0.5，常见的砂岩、 石灰岩、白云岩的Z/A的平均值也近似为0.5，所以对于 一定能量范围的伽马射线（σe为常数）， Σ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 的强度来测量岩石的密度。
2016/7/26
测井方法
14
第三节 岩性密度测井
一、岩性密度测井的基本原理 二、岩性密度测井的应用
2016/7/26
测井方法
15
一 岩性密度测井的基本原理
伽马源产生的单能γ射线照射地层，其高能谱段 的γ，只受康普顿效应影响，低能谱段，主要受光电 效应的影响。在高能区设立窗口，计数γ计数率，确 定地层密度，为补偿泥饼的影响，采用长短两个探测 器，得到地层密度和泥饼补偿值ρb和Δρ；低能区开 设窗口，计数γ，以测量地层的光电吸收截面指数Pe。 实际上是利用低能窗和高能窗计数率比值进行光电吸 收截面指数计算的。
2016/7/26
第八章密度测井
*
S xS mc (1 xS ) b
*
加权和
1 xL * b L mc 1 xL 1 xS
mc
*
1 xS 1 S b xS xS
1 将后式代入前式得： b (ln N B ) A
xL 1 b L (L S ) L (L S ) xS x L K
6.散射伽马计数率与ρb的关系(=μm ρb) 由两个过程决定： （1）源发射的光子经地层一次或多次散射 后能到达探测器的光子数 ρb 越大，计数率越高 （2）射向探测器的光子被再散射而改变方 向或被吸收的光子数 ρb 越大，计数率越低
哪个过程起主导作用取决于: 源距
7.散射伽马计数率N与ρb及源距d的关系
2ne 2 ni Zi b 岩石单一化合物组成: e NA M
2.电子密度指数（电子密度）与体积密度的关系
e b
元素的 2(Z/A)数值表 元素 H C O Na Mg Al Si S Cl K Ca A 1.0079 12.011 15.999 22.9898 24.305 26.9815 28.085 32.06 35.453 39.039 40.04 Z 1 6 8 11 12 13 14 16 17 19 20 2(Z/A) 1.9843 0.9991 1.0000 0.9569 0.9875 0.9636 0.997 0.9981 0.9590 0.9734 0.9988
式中：Zi——分子中第i种原子的原子序数 ni——分子中第i种原子的个数 M——化合物分子的摩尔质量, g/mol
二 .岩石的电子密度指数（测井）
2 ne 1.电子密度指数ρe: e NA
N A b Z ne A
S xS mc (1 xS ) b
*
加权和
1 xL * b L mc 1 xL 1 xS
mc
*
1 xS 1 S b xS xS
1 将后式代入前式得： b (ln N B ) A
xL 1 b L (L S ) L (L S ) xS x L K
6.散射伽马计数率与ρb的关系(=μm ρb) 由两个过程决定： （1）源发射的光子经地层一次或多次散射 后能到达探测器的光子数 ρb 越大，计数率越高 （2）射向探测器的光子被再散射而改变方 向或被吸收的光子数 ρb 越大，计数率越低
哪个过程起主导作用取决于: 源距
7.散射伽马计数率N与ρb及源距d的关系
2ne 2 ni Zi b 岩石单一化合物组成: e NA M
2.电子密度指数（电子密度）与体积密度的关系
e b
元素的 2(Z/A)数值表 元素 H C O Na Mg Al Si S Cl K Ca A 1.0079 12.011 15.999 22.9898 24.305 26.9815 28.085 32.06 35.453 39.039 40.04 Z 1 6 8 11 12 13 14 16 17 19 20 2(Z/A) 1.9843 0.9991 1.0000 0.9569 0.9875 0.9636 0.997 0.9981 0.9590 0.9734 0.9988
式中：Zi——分子中第i种原子的原子序数 ni——分子中第i种原子的个数 M——化合物分子的摩尔质量, g/mol
二 .岩石的电子密度指数（测井）
2 ne 1.电子密度指数ρe: e NA
N A b Z ne A
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
第8章密度测井
⑴ 电子对效应--当能量大于1.02MeV的伽马射线穿过原子核附近时，在 原子核库仑场的作用下形成一对正、负电子，伽马射线本身被吸收，这种过 程称为电子对效应。
电子对效应
伽马射线穿过单位距离的物质时，由于电子对效应使其强度减弱，用吸 收系数k表示。经验表明k与原子序数Z的平方成正比。
⑵ 康普顿效应--当伽马射线的能量中等时，伽马射线与原子中的电子发生 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 伽马射线沿另一方向射出，这种效应为康普顿效应，碰撞后射出的电子叫作 康普顿电子。
右图为补偿地层测井 曲线，图中右侧的密度
校正值Δρ 曲线用来表
示测井曲线的质量，不 代表真正的校正值，利
用密度校正值Δρ 曲线与
井径曲线配合，即可判 断测井质量是否可靠。
补偿地层测井曲线
三、 密度刻度
直接用密度记录测井曲线，需对密度测井仪进行制度
一级刻度：在标准刻度井内进行的刻度
二级刻度：利用根据标准刻度井制作的刻度器对仪器进行制度 为二级刻度。
Al 2.7g/cm3
Mg 1.76g/cm3
三级刻度：一种便携式带标定源的刻度器。利用标定源所放出 已知强度的信号模拟某种地层密度放射伽马射线强度。常用 于现场对仪器进行刻度。
用充满水的石灰岩对仪器进行刻度，得出体积密度
ρb与电子密度系数ρe之间的关系：线通过物质的吸收规律
γ射线通过物质时，与物质发生作用其能量不断减弱，强度逐渐 减小的过程称为γ射线被吸收。吸收规律
I=I0e- μ L
lnI=lnI0-N0σcρbL/2
I0——初始强度；L——距离；μ——物质总吸收系数。
→距放射源为L处，接收到强度I是体积密度的函数。
测井教程第8章 密度测井
二、密度测井的理论基础与补偿密度测井的基本测量方法
为了克服井孔对密度测井结果的影响，目前使用的密度 测井仪均采用推靠装臵将装有伽马源和探测器的一臂推向 井壁进行测量。同时将伽马源放在一个带定向窗口的铅屏 内，使之只向一个方向发射，探测器也定向放臵，以增强 对岩层散射伽马射线的记录。 采用这种装臵之后，可以大大减小井孔的影响，但井壁 不规则、仪器与井壁接触不良，特别是有意义地层上泥饼 的影响等仍不可能消除。为使密度测井结果能较可靠地反 映被探测岩石的体积密度，目前广泛使用补偿密度测井。 即利用长、短两种源距的测量结果，通过一定的计算，以 求得在泥饼影响条件下被探测岩石的真实体积密度值。
密度测井就是利用此原理进行测井的。 实际在进行密度测井时，井下仪器中放入一个伽马射线源 ，并在离伽马源一定距离处放臵一个伽马射线探测器(如闪烁计 数器)以测定散射伽马射线的强度。
二、密度测井的理论基础与补偿密度测井的基本测量方法
在源距选定后，对仪器进行刻度，找到散射伽马射线强 度N和介质体积密度ρb的定量关系，则记录散射伽马射线强 度（记数率）就可以测得地层的密度。 在具体测井时，为了防止由伽马源直接辐射进入探测器 的伽马射线，在伽马源与探测器之间安臵铅屏以屏蔽这部 分射线。 需要指出的是，在目前所使用伽马源的能量情况下，密 度测井的探测深度很浅，通常仅十多厘米。 因此，井孔的影响相当严重。根据理论计算证明，当仪 器处在井内泥浆中进行测量时，由泥浆散射进入接收器的 伽马射线大大超过其周围岩石，所以，用这种方式进行测 井是十分不利的。
（2）康普顿效应0.25-2.MeV；
（3）电子对形成＞1.02MeV
（1）光电效应： 当伽玛射线能量较低（低于0.25Mev）时，它与组成物质元 素原子中的电子相碰撞之后，把能量全部转交电子，使电子获 得能量后脱离其电子壳层而飞出，同时伽玛射线被吸收而消失。 这一过程称为光电效应，被释放出来的电子叫光电子。产生光 电效应的几率，与入射伽玛射线能量和组成物质原子序数有关 （2）康普顿一吴有训效应 能量较高伽玛射线与物质中原子核外电子碰撞时，一部分 能量转交给电子，使之脱离原子电子壳层而飞出，同时伽玛射 线改变自己运动方向，继续与其它电子相撞。每碰撞一次，能 量损失一部分，并改变其运动方向，形成所谓康普顿一吴有训 效应。伽玛射线经多次碰撞之后，能量不断降低，最后以光电 效应结束。
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 G 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, P 138)，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。
第八章 密度测井详解
b
(8-9)
当入射伽马射线的能量在一定范围内时,
e
是常数，所以，Σ仅与岩石密度有关(正比于岩石 密度）。
三、岩石的光电吸收截面
1、岩石光电吸收截面指数Pe
伽马光子与岩石中一个电子发生的平均光
电吸收截面，单位：b/电子。
P e Z
3.6
(8-10)
其中：α为常数。
2、体积光电吸收截面 U
0.136×密度
0
四、伽马射线通过物质时的能谱 图8-1为0.661MeV伽马射线打入密度相同
而原子序数不同的三种地层的伽马能谱曲线。
由图看出：
1）在低能区，原子序数越大，计数率越低，
说明物质吸收的伽马光子数越多； 2）计数率最大值对应的伽马光子能量随Z值 的增大而降低； 3）高能区，计数率几乎与Z无关。
每立方厘米物质的光电吸收截面。
单位为
b / cm
n i 1
3
。
(8-11)
U U iVi
其中：Ui、Vi分别为组成岩石的第i部分的体积光电 吸收截面和相对体积。
3、U与Pe的关系
Pe U / b
(8-12)
表8－2 岩性参数
矿物
石英
密度
电子密度指数 Pe
U
2.65
2.65
1.81
图8-2
能量(kev) Z相同而密度不同地层的散射吸收伽马能谱响应
随介质密度增大，伽马光子计数率降低（伽马射线 衰减与介质密度成正比）
第二节
密度测井
泥饼
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
地层密度测井
b f
ma ma
适用条件： 纯岩层
含泥质岩层 b ma • (1 Vsh ) f • Vsh • sh
岩石有多种矿物构成：
n
ma
mai •Vmai
1
3、密度与中子曲线重叠确定岩性、判别气层
4、密度--中子交会图法
确定岩性
孔隙度
岩石的骨架成分 交会图
六：岩性密度测井 （一）、岩石的宏观光电吸收截面 1、宏观光电吸收截面 ：单位体积的岩石对一个伽马光子的吸收概
一：伽马射线与物质的相互作用
射线的能量<30Mev,则与物质相互作用的三
种形式： 电子对效应： (>1.02Mev)
原子核
+e
-e
核外电子
康普顿效应： (0.2>E>1.02Mev)
射线
e 散射的射线E1
光电效应： (0.2 Mev >E)
射线
光电子
二：伽马射线的吸收
吸收：射线粒子的消失
吸收系数：单位长度的物质对射线的吸收概
岩性密度测井曲线识别岩性
b U 、 而Pe的影响很小，由
此称之为岩性系数。
2）可用P146的图8-10确定
求出单 矿物的 孔隙度
作垂线 过交点 与斜线 作水平 的交点 线
已知的Pe 与水平线
的交点
据交 点确 定岩 性
Pe
白云石
3：计算泥质含量 用U求（体积模型写出） 4：计算由三矿物构成的复杂岩石中个矿物的 相对含量 b= maa(1- )+ f
U=Umaa(1- )+Uf maa= AVA+ BVB+ CVC
Umaa= UAVA+ UBVB+ UCVC
第11讲密度测井
三. 岩石的光电吸收截面
用截面表示伽玛光子与物质作用的几率：一个 入射光子与单位面积上一个靶原子（或电子）发 生作用的几率，它具有面积的量纲，所以称之为
截面。
一般用10-24cm2 作为截面的单位，称为靶恩(b)， 截面大小与伽马射线及靶物质性质有关。
1.密度测井物理基础 岩石的光电吸收截面指数Pe
谱分布；称为伽玛射线的能谱。
1.密度测井物理基础 四. 伽玛射线通过物质时的能谱
低能区， Z 增加，计 数率下降。
高能区，计数率随密 度ρb增加而下降。
2.密度测井的基本原理
测量人工伽玛射线与
地层作用的测井方法。 密度测井：康普顿效
应 岩性密度测井：康普
顿效应+光电效应
2.密度测井的基本原理
描述发生光电效应时物质对伽玛光子吸收能力
的参数。表示伽玛光子与岩石中一个电子发生的
平均光电吸收截面，单位 b/ 电子；与原子序数的
关系：
Pe a Z
3.6
a为常数。地层岩性不同，Pe有不同的值；Pe对
岩性敏感，可以用来区分岩性。
1.密度测井物理基础 体积光电吸收截面U
每立方厘米（单位体积）物质的光电吸收截面 岩石的U满足“体积物理模型”：
《测井解释与生产测井》
第11讲 密度测井
张元中
中国石油大学（北京）地球物理与信息工程学院
《测井解释与生产测井》
主要内容
1. 密度（岩性密度）测井的地质物理基础 2. 密度测井的基本原理
3. 密度测井曲线的应用
教材 第8章：第1节，第2节，第3节
1.密度测井物理基础 1. 密度（岩性密度）测井的地质物理基础 一. 岩石的体积密度
测量U与Pe，可以确定岩性。
密度测井
低能小于 150keV
高能大于 800keV
中能800150keV
理 都 成
工 大 学
成都理工大学 周文
CHENGDU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
一、密度测井（FDC）原理及应用
1.1基本原理
体积密度的确定：
康普顿效应（散射）的碰撞次数与地 层中的物质的电子密度（电子数/平方 厘米）有关，而电子密度与岩石的体 积密度有关（岩石密度与岩石骨架成 份、孔隙流体、孔隙度大小等有关）， 有： 2Z
时组合测井得到自然伽玛（ＧＲ）、 井径曲线，可以测量中子（ＣＮＬ） 测井曲线。
1.3曲线解释
①岩石密度 （间接判断岩性） 对于充满流体（水、油）的砂岩、石 灰岩、白云岩等地层，测井读数可 以看作地层的体积密度值。
理 都 成
工 大 学
成都理工大学 周文
CHENGDU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
b
e b (
b——岩石密度； e ——电子密度；
Z——原子序数；A——原子量
A
)
图2—10 补赏双源距地层密度测井 仪（FDC）示意图
理 都 成
工 大 学
成都理工大学 周文
CHENGDU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
一、密度测井（FDC）原理及应用
1.2曲线特征
测得的曲线包括：体积密度 b ，同
f mVm m dVm dP m g mVm dZ 2D dZ
2
Gr m (1 K F )
式中：
K Vm dVm dZ
2
—速度变化引起的压差 —摩擦引起的损失
f V F m m 2D
高能大于 800keV
中能800150keV
理 都 成
工 大 学
成都理工大学 周文
CHENGDU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
一、密度测井（FDC）原理及应用
1.1基本原理
体积密度的确定：
康普顿效应（散射）的碰撞次数与地 层中的物质的电子密度（电子数/平方 厘米）有关，而电子密度与岩石的体 积密度有关（岩石密度与岩石骨架成 份、孔隙流体、孔隙度大小等有关）， 有： 2Z
时组合测井得到自然伽玛（ＧＲ）、 井径曲线，可以测量中子（ＣＮＬ） 测井曲线。
1.3曲线解释
①岩石密度 （间接判断岩性） 对于充满流体（水、油）的砂岩、石 灰岩、白云岩等地层，测井读数可 以看作地层的体积密度值。
理 都 成
工 大 学
成都理工大学 周文
CHENGDU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
b
e b (
b——岩石密度； e ——电子密度；
Z——原子序数；A——原子量
A
)
图2—10 补赏双源距地层密度测井 仪（FDC）示意图
理 都 成
工 大 学
成都理工大学 周文
CHENGDU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
一、密度测井（FDC）原理及应用
1.2曲线特征
测得的曲线包括：体积密度 b ，同
f mVm m dVm dP m g mVm dZ 2D dZ
2
Gr m (1 K F )
式中：
K Vm dVm dZ
2
—速度变化引起的压差 —摩擦引起的损失
f V F m m 2D
密度测井
密度测井选用Cs137为伽马源，它发射能量为0.661MeV 的伽马光子，这就排除了形成电子对的可能性。这时的吸收 系数基本上是以康普顿效应的吸收系数为主的，其它两种效 应的吸收系数都可以忽略不计。
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。
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。
密度测井
密度测井
中海油田服务公司测井事业部 2003年 2003年1月10日 10日
主要内容
1. 概述 2. 密度测井原理 3. 测井仪器 4. 地质应用
1. 概况
自然伽马测井是利用岩石中放射性元素发 射的伽马射线的总强度, 射的伽马射线的总强度,来探测地层岩石的泥质 含量等。它采用的是被动测量方式。 含量等。它采用的是被动测量方式。 密度测井采用的是主动测量方式。 密度测井采用的是主动测量方式。它利用 人工放射性物质产生的射线， 人工放射性物质产生的射线，来探测地层的体 积密度（即岩石的总体密度， 积密度（即岩石的总体密度，包括固体骨架和 孔隙中的流体）。 孔隙中的流体）。 为了消除井眼尺寸的影响， 为了消除井眼尺寸的影响，采用补偿密度 测井。 测井。
（2222 ZDL）
密度测井刻度
刻度目的:将密度测井的计数率转换成密度值。 刻度目的:将密度测井的计数率转换成密度值。 刻度原理: 刻度原理: 一级刻度:在至少模拟三种不同密度地层的标准刻度井中进行。例如， 一级刻度:在至少模拟三种不同密度地层的标准刻度井中进行。例如， 美国休斯顿大学的刻度井中模拟三种不含泥的纯石灰岩地层： 美国休斯顿大学的刻度井中模拟三种不含泥的纯石灰岩地层：
康普顿过程示意图
散射光子能量
散射光子能量 原子 e 康普顿反冲电子
光电吸收
当伽马射线能量较低（低于0.25MeV 0.25MeV） 当伽马射线能量较低（低于0.25MeV）时， 它与组成物质的元素原子中的电子相碰撞之后， 它与组成物质的元素原子中的电子相碰撞之后， 把自身的全部能量转交给电子， 把自身的全部能量转交给电子，使电子获得能 量并脱离其电子壳层而飞出， 量并脱离其电子壳层而飞出，同时伽马射线被 吸收而消失。这一过程称为“光电效应” 吸收而消失。这一过程称为“光电效应”。被 释放出来的电子称为“光电子” 释放出来的电子称为“光电子”。 产生光电效应的几率随着入射伽马射线能 量的增加而减小， 量的增加而减小，随着元素原子序数的增大而 增大。 增大。
中海油田服务公司测井事业部 2003年 2003年1月10日 10日
主要内容
1. 概述 2. 密度测井原理 3. 测井仪器 4. 地质应用
1. 概况
自然伽马测井是利用岩石中放射性元素发 射的伽马射线的总强度, 射的伽马射线的总强度,来探测地层岩石的泥质 含量等。它采用的是被动测量方式。 含量等。它采用的是被动测量方式。 密度测井采用的是主动测量方式。 密度测井采用的是主动测量方式。它利用 人工放射性物质产生的射线， 人工放射性物质产生的射线，来探测地层的体 积密度（即岩石的总体密度， 积密度（即岩石的总体密度，包括固体骨架和 孔隙中的流体）。 孔隙中的流体）。 为了消除井眼尺寸的影响， 为了消除井眼尺寸的影响，采用补偿密度 测井。 测井。
（2222 ZDL）
密度测井刻度
刻度目的:将密度测井的计数率转换成密度值。 刻度目的:将密度测井的计数率转换成密度值。 刻度原理: 刻度原理: 一级刻度:在至少模拟三种不同密度地层的标准刻度井中进行。例如， 一级刻度:在至少模拟三种不同密度地层的标准刻度井中进行。例如， 美国休斯顿大学的刻度井中模拟三种不含泥的纯石灰岩地层： 美国休斯顿大学的刻度井中模拟三种不含泥的纯石灰岩地层：
康普顿过程示意图
散射光子能量
散射光子能量 原子 e 康普顿反冲电子
光电吸收
当伽马射线能量较低（低于0.25MeV 0.25MeV） 当伽马射线能量较低（低于0.25MeV）时， 它与组成物质的元素原子中的电子相碰撞之后， 它与组成物质的元素原子中的电子相碰撞之后， 把自身的全部能量转交给电子， 把自身的全部能量转交给电子，使电子获得能 量并脱离其电子壳层而飞出， 量并脱离其电子壳层而飞出，同时伽马射线被 吸收而消失。这一过程称为“光电效应” 吸收而消失。这一过程称为“光电效应”。被 释放出来的电子称为“光电子” 释放出来的电子称为“光电子”。 产生光电效应的几率随着入射伽马射线能 量的增加而减小， 量的增加而减小，随着元素原子序数的增大而 增大。 增大。
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-3
0 .9 9 8 5 0 .9 9 9 1 0 .9 9 7 7 0 .9 9 9 0 0 .9 6 5 7 0 .9 5 8 1 1 .0 2 2 2
无烟煤
1 .0 3 0
烟煤
1 .0 6 0
淡水 矿化水 原油 甲烷
1 .11 0 1 1 .0 7 9 7 1 .1 4 0 7 1 .2 4 7
测出电子密度就能确定体积密度
2.岩石的视密度 设岩石的骨架密度为ρma，孔隙度为φ，孔 隙中充满淡水，则岩石的体积密度ρb：
b ma (1 ) 1 . 0000
若骨架的电子密度指数为ρme，岩石的电子 密度指数ρe：
e me (1 ) 1 . 1101
哪个过程起主导作用取决于源距
7、散射伽马计数率与源距的关系 （1）当源距较小时，密 度越大，计数率越高 （2）当源距较大时， 密度越大，计数率越低 （3）零源距(d0)，仪器对 密度失去灵敏度的源距， 大于零源距的为正源距， 密度测井都采用正源距。 （4）视源距da：实际源 距与零源距之差da=d- d0
（5）设零源距计数率为N0，源距d时计数率为:
N N 0e
m bda
两端取对数： ln N ln N 0 m b d a 计数率对密度的灵敏度： A 令：
B ln N 0
d ln N d b mda
将A、B代入上式，得： b
1 A
(ln N B )
二 .岩石的电子密度指数和视密度 1.电子密度指数 电子密度指数ρe:
e
2ne N
A
单一元素组成的岩石: 2 n e 2 ( Z ) e b
N
A
A
单一化合物组成的岩石:
e
2ne N
A
2 niZ i M
b
e
元 素 的 2(Z/A)数 值 表 元素 H C O Na Mg Al Si S Cl K Ca A 1.0079 12.011 15.999 22.9898 24.305 26.9815 28.085 32.06 35.453 39.039 40.04 Z 1 6 8 11 12 13 14 16 17 19 20 2(Z/A) 1.9843 0.9991 1.0000 0.9569 0.9875 0.9636 0.997 0.9981 0.9590 0.9734 0.9988
xL xS xL
1 K
( L S )
令：
K
将L和S与计数率的关系式代入得：
1 1 AL b (ln N S B S ) (ln N L B L ) (ln N L B L ) AL K AS
上式说明， ρb主要决定于长源距计数率求出的 密度
e
N A b Z A
NA——阿佛加得罗常数，6.02×1023/mol ρb——体积密度（g/cm3) A——原子的质量数（摩尔质量）
由单一化合物组成的岩石： 电子密度： n e
N
A
M
ni Z i
b
niZ i
一个分子中的电子数
式中：Zi——分子中第i种原子的原子序数 ni——分子中第i种原子的个数 M——化合物分子的摩尔质量
（3）保持ρmc*=1.5g/cm3不变，对ρb＝3.0、 2.5、2.0 g/cm3三种地层分别改变泥饼厚度时， 各曲线变化趋势与第二种情况相同，并且都趋向 ρb＝ ρmc*=1.5g/cm3的脊线点
（4）保持ρb＝2.5g/cm3不变,分别改变ρmc*(1.5、 2.0、3.0 g/cm3)和泥饼厚度，当ρmc*< ρb时, lnNL和lnNS的关系曲线在脊线下方，起始部分相 同,而后分别趋向于ρmc*（ 1.5、2.0）的脊点上； 当ρmc*> ρb时,关系曲线在脊线上方，起于ρb＝ 2.5，止于ρb＝ ρmc*=3.0的脊点上
b L 1 K ( L S )
Δρ—代表泥饼的影响，称为泥饼影响补偿值， 普通泥浆Δρ>0，重晶石泥浆Δρ<0
密度测井通常记录ρb和Δρ两条曲线
2.理想脊肋图
b L
1 K ( L S ) 1 AL K
L
1 AL
(ln N L B L )
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 分子式 S iO 2 C aC O 3 C a M g (C O 3 ) 2 C aSO 4 KCl N aC l C a S O 4· H 2O 2 密 度 /g · m c 2 .6 5 4 2 .7 1 0 2 .8 7 0 2 .9 6 0 1 .9 8 0 2 .1 6 5 2 .3 2 1 .4 0 0 1 .8 0 0 1 .2 0 0 1 .5 0 0 H 2O H 2O + N a C l N (C H 2 ) CH4 1 .0 0 0 1 .1 4 6 0 .8 5 ρ (C H 4 )
1 AS K
(ln N L B L )
(ln N S B S )
(1)当Δρ=0时,即没有泥饼影响,得脊线方程：
ln N L B L AL AS (ln N S B S )
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:
2、影响密度测井值的因素 地层密度b，地层平均原子序数Zb ，泥饼厚度 hmc ，泥饼密度mc ，及泥饼平均原子序数 Zmc
Zmc：当泥饼含60%的重晶石时，实际密度 2.5g/cm3，对计数率的影响却相当于不含重晶 石泥饼密度3.55g/cm3 ,影响不能忽略
mc* ：（泥饼视密度）用于综合mc 和 Zmc 的影响。不含重晶石的泥饼mc*= mc ，而含 重晶石的泥饼mc*> mc
AL AS
(ln N S B S ) B L a 0 a 1 ln N S
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”，它与横 坐标的夹角叫“脊角”
（2）给定的ρb和ρmc*（ρb＝2.5g/cm3， ρmc*=1.5g/cm3),当泥饼厚度由小到大，直至 充分大时，lnNL和lnNS将呈偏离“脊线”的曲 线段，它起于ρb（泥饼厚度为0），止于 ρmc*（泥饼厚度充分大，地层无影响）
*
S x S mc (1 x S ) b
*
b mc
*
1 1 xL 1 xS
L
xL 1 xS
mc
*
S
1 xS xS
b
b
1 A
(ln N B )
将后式代入前式得：
b L
xL xS xL
( L S ) L
如果对ρb＝1.9、 2.0、2.1、2.2、2.3、 2.4、2.5、2.6、2.7、 2.8、2.9g/cm3，分 别在有限范围内改 变泥饼视密度和厚 度，可绘成“脊肋 图”，泥饼影响线 称为肋线
三、双探测器计算ρb的方法 1.计算ρb的方程
L x L mc (1 x L ) b
tg
tg tg
1
AL
K 1 AS
1
1 K 1
tg
k
1 tg tg tg b (ln N L B L ) (ln N S B S ) A L tg tg tg tg
(一)、出厂刻度（得到仪器的脊肋图） 1、脊线刻度：用两个不同密度（已知）的刻度块
视 密 度 /g · m c 2 .6 4 8 2 .7 1 0 2 .8 7 6 2 .9 7 7 1 .8 6 3 2 .0 3 2 2 .3 5 1 1 .3 5 5 1 .7 9 6 1 .1 7 3 1 .5 1 4 1 .0 0 0 1 .1 3 5 0 .8 5 0 ρ a (C H 4 )
-3
2 ( ni Z i ) / M
电子密度指数 2 .6 5 0 2 .7 0 8 2 .8 6 3 2 .9 5 7 1 .9 1 6 2 .0 7 4 2 .3 7 2 1 .4 4 2 1 .8 5 2 1 .2 7 2 1 .5 9 0 1 .11 0 1 .2 3 7 0 .9 7 0 1 .2 4 7 ρ (C H 4 )
3、泥饼影响的实验研究
(1)无泥饼 用下标L表示长源距, S表示短源距
L S
1 AL 1 AS (ln N (ln N
L
BL ) BS )
S
无泥饼影响,所以有：ρL= ρS= ρb，两式合并得：
(ln N
L
B L)
AL AS
(ln N
S
BS )
或写成：
ln N
L
2、用伽马射线探测器，记录散射伽马计数率， 且探测起始能量定为0.1~0.2MeV,能在很大程度 上避免光电效应的影响 3、伽马源与伽马射线探测器中点间的距离称 为源距; 4、贴井壁测量
5、源与探测器间有伽马吸收物质（铅）
6、探测器接收到的散射伽马射线强度（计数
率）决定于两个过程： （1）源发射的光子经地层一次或多次散射 后能到达探测器的光子数 （2）射向探测器的光子被再散射而改变方 向或被吸收的光子数
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