第七章自然伽马测井
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测井教程第7章 自然伽马测井
第七章
自然伽马测井
自然伽马测井是放射性测井中的一种方法。放射性测井是以 物质原子核物理性质为基础的一组测井方法，统称为核测井，包 括自然伽马，自然伽马能谱、中子、密度测井等。 自然伽马测井测量的伽马射线，有较强的穿透能力，能在已经 下了套管的井中测量，因此，这种方法既可以在裸眼井中测量， 又可以在套管井中测井。 由于岩石的自然放射性与剖面上岩石的导电性无关，与井内所 充填的介质特性无关，因此，它能在任意岩层剖面，以及在井内 充满高矿化度泥浆、油基泥浆甚至空气的条件下使用。也正是由 于这些原因，这种方法已成为碳酸盐岩剖面和用盐水泥浆钻井的 地区进行测井的重要内容。 从应用的角度考虑，自然伽马测井同自然电位测井类似。定性 方面，可用以划分泥质和非泥质地层，确定渗透层。定量方面， 可以用它来计算地层的泥质含量，判断渗透层的物性好坏。
一、测量原理
进行自然伽马测井的简单原理如图所示，整个测量 装臵由井下仪器和地面仪器两大部分组成。
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。 ③低自然放射性的岩石：包括岩盐、煤层和硬石膏。自然
N0 2 N 0e
t
T
T和λ一样，也是不受任何外界作用的影响，而且和时间无关的常 量。不同放射性元素的T值也是不同的。 自然界中，各种放射性元素的半衰期相差很大，有的长达几十亿年 ，有的短到若干分之一秒。例如，铀的半衰期为4.51×109 年，镭 1590年，氡为3.825天等等。 一种放射性元素的半衰期可以精确估计，但是无法估计在一个短 时间内到底有多少个原子可能发生衰变。然而，对元素整体来讲，其 衰变具有统计性，即围绕某一平均值在一定范围内变化。
自然伽马测井
自然伽马测井是放射性测井中的一种方法。放射性测井是以 物质原子核物理性质为基础的一组测井方法，统称为核测井，包 括自然伽马，自然伽马能谱、中子、密度测井等。 自然伽马测井测量的伽马射线，有较强的穿透能力，能在已经 下了套管的井中测量，因此，这种方法既可以在裸眼井中测量， 又可以在套管井中测井。 由于岩石的自然放射性与剖面上岩石的导电性无关，与井内所 充填的介质特性无关，因此，它能在任意岩层剖面，以及在井内 充满高矿化度泥浆、油基泥浆甚至空气的条件下使用。也正是由 于这些原因，这种方法已成为碳酸盐岩剖面和用盐水泥浆钻井的 地区进行测井的重要内容。 从应用的角度考虑，自然伽马测井同自然电位测井类似。定性 方面，可用以划分泥质和非泥质地层，确定渗透层。定量方面， 可以用它来计算地层的泥质含量，判断渗透层的物性好坏。
一、测量原理
进行自然伽马测井的简单原理如图所示，整个测量 装臵由井下仪器和地面仪器两大部分组成。
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。 ③低自然放射性的岩石：包括岩盐、煤层和硬石膏。自然
N0 2 N 0e
t
T
T和λ一样，也是不受任何外界作用的影响，而且和时间无关的常 量。不同放射性元素的T值也是不同的。 自然界中，各种放射性元素的半衰期相差很大，有的长达几十亿年 ，有的短到若干分之一秒。例如，铀的半衰期为4.51×109 年，镭 1590年，氡为3.825天等等。 一种放射性元素的半衰期可以精确估计，但是无法估计在一个短 时间内到底有多少个原子可能发生衰变。然而，对元素整体来讲，其 衰变具有统计性，即围绕某一平均值在一定范围内变化。
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。
第七章自然伽马测井
• γ射线：频率很高的电磁波或光子流，不带电，能量高， 穿透力强。能够穿透地层、套管以及仪器外壳，可以 在井中被探测到。
09:13:03
第七章 自然伽马测井和放射性同位素测井
9
第一节 伽马测井的核物理基础
二、伽马射线和物质的作用形式
– 1.光电效应 •γ射线能量较低时，穿过物质与原子中的电子相碰撞， 将其能量交给电子，使电子脱离原子运动，而γ整个被 吸收，释放出光电子。光电效应发生几率τ随原子序数 的增大而增大，随γ能量增大而减小。
0.0089
Z 4.1
A
n
09:13:03
第七章 自然伽马测井和放射性同位素测井
10
第一节 伽马测井的核物理基础
二、伽马射线和物质的作用形式
–1.光电效应
•τ——线性光电吸收系数， γ光子穿过1cm吸收物质时 产生光电子的几率；
•λ——γ光子的波长；
•n——指数常数，对不同的元素取不同的值，对C、O 来说取3.05，对Na到Fe的元素来说取2.85；
09:13:03 第七章 自然伽马测井和放射性同位素测井 26
第二节 自然伽马测井
一、岩石的自然放射性
– 煤中的有机质（由碳、氢、氧、氮等元素组成的有机 化合物）和无机质（矿物杂质和水分）都不是放射性 物质，因此在一般情况下，煤层的放射性均很弱。 – 煤层放射性的强弱与煤的灰分合量有很密切的关系。 灰分增高，煤层的放射性也随之增强，某些高灰分煤 层的放射性甚至比围岩还要高。
m
09:13:03 第七章 自然伽马测井和放射性同位素测井 16
第一节 伽马测井的核物理基础
三、伽马射线的探测
– 1.放电计数管
• 放电计数管是利用放射性射线使气体电离的性质来探测伽 马射线。
09:13:03
第七章 自然伽马测井和放射性同位素测井
9
第一节 伽马测井的核物理基础
二、伽马射线和物质的作用形式
– 1.光电效应 •γ射线能量较低时，穿过物质与原子中的电子相碰撞， 将其能量交给电子，使电子脱离原子运动，而γ整个被 吸收，释放出光电子。光电效应发生几率τ随原子序数 的增大而增大，随γ能量增大而减小。
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Z 4.1
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第七章 自然伽马测井和放射性同位素测井
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第一节 伽马测井的核物理基础
二、伽马射线和物质的作用形式
–1.光电效应
•τ——线性光电吸收系数， γ光子穿过1cm吸收物质时 产生光电子的几率；
•λ——γ光子的波长；
•n——指数常数，对不同的元素取不同的值，对C、O 来说取3.05，对Na到Fe的元素来说取2.85；
09:13:03 第七章 自然伽马测井和放射性同位素测井 26
第二节 自然伽马测井
一、岩石的自然放射性
– 煤中的有机质（由碳、氢、氧、氮等元素组成的有机 化合物）和无机质（矿物杂质和水分）都不是放射性 物质，因此在一般情况下，煤层的放射性均很弱。 – 煤层放射性的强弱与煤的灰分合量有很密切的关系。 灰分增高，煤层的放射性也随之增强，某些高灰分煤 层的放射性甚至比围岩还要高。
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09:13:03 第七章 自然伽马测井和放射性同位素测井 16
第一节 伽马测井的核物理基础
三、伽马射线的探测
– 1.放电计数管
• 放电计数管是利用放射性射线使气体电离的性质来探测伽 马射线。
自然伽马测井和放射性同位素测井性质和方法
–
0第4.七06章.202自0 然伽马测井和放射性同位素测井
13
第一节 伽马测井的核物理基础
•二、伽马射线和物质的作用形式
–2.康普顿效应
• 伽马射线与物质作用发生康普顿效应引起伽马射线强 度减弱，其减弱程度用康普顿系数Σ表示。
e
NAZb
A
• σe——每个电子的康普顿散射截面，当伽马光子的能
量在0.25～2.5MeV的范围内时，它可看成是常数；
0第4.七06章.202自0 然伽马测井和放射性同位素测井
9
第一节 伽马测井的核物理基础
•一、原子核的衰变及其放射性
–5.放射性射线
• α射线：是氦原子核2He4流，带有两个单位正电荷， 容易引起物质的电离或激发，极易被吸收，电离能力 强，在物质中穿透距离很小，在井中探测不到。
• β射线：高速运动的电子流，在物质中穿透距离较短。 • γ射线：频率很高的电磁波或光子流，不带电，能量
0第4.七06章.202自0 然伽马测井和放射性同位素测井
4
第一节 伽马测井的核物理基础
•一、原子核的衰变及其放射性
– 1、原子的结构
• 矿物、岩石、石油和地层水都是由分子组成的，分 子又是由原子组成的。原子的中心是原子核，离核 较远处核外电子按一定的轨道绕核运动。
0第4.七06章.202自0 然伽马测井和放射性同位素测井
• 放射性：不稳定的核素所具有的自发地改变自身结构， 衰变成其它核素并释放射线（α、β、γ） 的性质。
• 放射性同位素：具有放射性的同位素。
0第4.七06章.202自0 然伽马测井和放射性同位素测井
6
第一节 伽马测井的核物理基础
•一、原子核的衰变及其放射性
–3. 核衰变
0第4.七06章.202自0 然伽马测井和放射性同位素测井
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第一节 伽马测井的核物理基础
•二、伽马射线和物质的作用形式
–2.康普顿效应
• 伽马射线与物质作用发生康普顿效应引起伽马射线强 度减弱，其减弱程度用康普顿系数Σ表示。
e
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A
• σe——每个电子的康普顿散射截面，当伽马光子的能
量在0.25～2.5MeV的范围内时，它可看成是常数；
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第一节 伽马测井的核物理基础
•一、原子核的衰变及其放射性
–5.放射性射线
• α射线：是氦原子核2He4流，带有两个单位正电荷， 容易引起物质的电离或激发，极易被吸收，电离能力 强，在物质中穿透距离很小，在井中探测不到。
• β射线：高速运动的电子流，在物质中穿透距离较短。 • γ射线：频率很高的电磁波或光子流，不带电，能量
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第一节 伽马测井的核物理基础
•一、原子核的衰变及其放射性
– 1、原子的结构
• 矿物、岩石、石油和地层水都是由分子组成的，分 子又是由原子组成的。原子的中心是原子核，离核 较远处核外电子按一定的轨道绕核运动。
0第4.七06章.202自0 然伽马测井和放射性同位素测井
• 放射性：不稳定的核素所具有的自发地改变自身结构， 衰变成其它核素并释放射线（α、β、γ） 的性质。
• 放射性同位素：具有放射性的同位素。
0第4.七06章.202自0 然伽马测井和放射性同位素测井
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第一节 伽马测井的核物理基础
•一、原子核的衰变及其放射性
–3. 核衰变
自然伽马能谱测井
器进行计数解谱得到相应的铀、钍、钾 的含量。
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。
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。
第七章自然伽马测井
总的自然伽马射线强度
✓自然伽马能谱测井对伽马射线进行能谱分析,
分别测量岩石的铀、钍、钾含量
✓主要用途：划分岩性及渗透层，确定泥质含量
§1 岩石的自然伽马放射性
一、放射性核素和核衰变
1、原子和原子核
质子数:Z
中子数:N
质量数:A A=Z+N
2、核素和同位素
➢同位素：原子核中质子数相同而中子数不同 的原子，它们在元素周期表中占同一位置。
伽马光子与探测器发生三种效应，
产生次级电子
使气体电离， 计数管 产生的电子到达阳极，
产生电离电荷
输出一个负电压脉冲
使NaI 晶体激 发，产生荧光
闪烁计数器 在光阴极上打出电子， 使电子迅速增多形成电
子束，在阳极上产生一Fra bibliotek个负电压脉冲
❖记录一个伽马光子，输出一个电脉冲
2.盖革-弥勒计数管(G-M计数器) （1） G-M计数器结构 阴极：用金属圆筒或在玻璃内壳上涂一层金属膜 阳极：管中央的一根细导线 管内：充以惰性气体(加少量的乙醇或乙醚等）
（表示单位时间内每个原子核发生衰变的几率）
半衰期T1/2：放射性核素因衰变而减少到原来 一半所需的时间
5、放射性活度（强弱的度量单位） ➢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。
旧的单位为居里（Ci)，1Ci=3.71010次核衰变/s
新的活度单位为“贝可勒尔”，简称“贝可”， 符号为Bq。1Bq=1次核衰变/s， 1Ci=3.71010 Bq
c.计数管记录一个伽马光子就输出一个电压脉冲
d.通常把单位时间(分钟）的脉冲数称为计数 率，其大小与伽马射线强度成正比。
（3）特性参数
a.坪长：计数率随电压变化很小的一段直线称 为“坪”，它对应的电位差 VB-VA称为坪长
✓自然伽马能谱测井对伽马射线进行能谱分析,
分别测量岩石的铀、钍、钾含量
✓主要用途：划分岩性及渗透层，确定泥质含量
§1 岩石的自然伽马放射性
一、放射性核素和核衰变
1、原子和原子核
质子数:Z
中子数:N
质量数:A A=Z+N
2、核素和同位素
➢同位素：原子核中质子数相同而中子数不同 的原子，它们在元素周期表中占同一位置。
伽马光子与探测器发生三种效应，
产生次级电子
使气体电离， 计数管 产生的电子到达阳极，
产生电离电荷
输出一个负电压脉冲
使NaI 晶体激 发，产生荧光
闪烁计数器 在光阴极上打出电子， 使电子迅速增多形成电
子束，在阳极上产生一Fra bibliotek个负电压脉冲
❖记录一个伽马光子，输出一个电脉冲
2.盖革-弥勒计数管(G-M计数器) （1） G-M计数器结构 阴极：用金属圆筒或在玻璃内壳上涂一层金属膜 阳极：管中央的一根细导线 管内：充以惰性气体(加少量的乙醇或乙醚等）
（表示单位时间内每个原子核发生衰变的几率）
半衰期T1/2：放射性核素因衰变而减少到原来 一半所需的时间
5、放射性活度（强弱的度量单位） ➢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。
旧的单位为居里（Ci)，1Ci=3.71010次核衰变/s
新的活度单位为“贝可勒尔”，简称“贝可”， 符号为Bq。1Bq=1次核衰变/s， 1Ci=3.71010 Bq
c.计数管记录一个伽马光子就输出一个电压脉冲
d.通常把单位时间(分钟）的脉冲数称为计数 率，其大小与伽马射线强度成正比。
（3）特性参数
a.坪长：计数率随电压变化很小的一段直线称 为“坪”，它对应的电位差 VB-VA称为坪长
自然伽马测井
井下仪器在井内自 下而上移动测量，就 连续记录出井剖面岩 层的自然伽马强度曲 线，称为自然伽马测 井曲线（用GR表 示），以计数率 （1/min）或标准化 单位（µR/h或API*） 刻度
砂 泥 岩 剖 面 自 然 伽 马 测 井 曲 线
三 自然伽马测井曲线的特点
1、当上下围岩的放射线含量相同时，曲线形 状对称于地层中点。 2、高放射性地层，对着地层中心曲线有一极 大值，并且它岁地层厚度（h）的增加而增 大，当h≥3d时（d为井直径），极大值 GRmax为常数，且与地层厚度无关，只与岩 石的自然放射线强度成正比。 3、当h≥3d时，由曲线的半幅度点确定为地层 真实厚度。当h<3d时，因受放射性围岩的 影响，自然伽马幅度值随层厚h减小而减小， 地层越薄，曲线幅度值就越小。
碳酸盐岩剖面放射性测井曲线
• 2 估算泥质含量 在不含放射性矿物的情况下，泥质含量的多少就 决定了沉积岩石的放射性的强弱。 相对值法 地层中的泥质含量与自然伽马读数GR 的关系往往是通过实验确定的。德莱赛测井公司在 墨西哥湾才采用下式求泥质的体积含量Vsh
2GCUR IGR - 1 vsh 2GCUR - 1
式中 GCUR——希尔奇指数，它与地层地质时代有关，可根据取心分析资 料与自然伽马测井值进行统计确Байду номын сангаас，对北美第三系地层取3.7，老地层取2 IGR——自然伽马相对值，也称泥质含量指数
GR - GR min IGR GR max - GR min
GR、GRmin、GRmax分别表示目的层的、纯砂岩层的、纯泥岩层的自然伽马读数值
自然伽马测井
一 岩石的自然放射性 二 自然伽马测井的测量原理
一 岩石的自然放射性
岩石的自然放射线决定于岩石所含的放 射性核素的种类和数量。 不同岩石所含的放射性元素的种类和含 量是不同的，火成岩在三大岩类中放射性 最强，其次是变质岩，最弱是沉积岩。 由于不同地层具有不同的自然放射性， 因而，有可能根据自然伽马测井法研究地 层的性质。
自然伽马测井
• 闪烁计数管的工作原理
• a 伽马射线进入NaI晶体，从它的原子中打出电子 伽马射线进入NaI晶体，从它的原子中打出电子 NaI晶体 来。 • b 次级电子使NaI晶体激发，产生闪烁光。 次级电子使NaI晶体激发，产生闪烁光 NaI晶体激发 闪烁光。 • c 将闪烁光光子收集到光电倍增管的光阴极上， 将闪烁光光子收集到光电倍增管的光阴极上， 产生光电子 光电子。 产生光电子。 • d 光电倍增管中电压逐级增大，光电子数量逐级 光电倍增管中电压逐级增大， 倍增，使阳极电压下降，产生电压负脉冲 负脉冲。 倍增，使阳极电压下降，产生电压负脉冲。 • e 脉冲信号被传送到地面系统，处理并记录。 脉冲信号被传送到地面系统，处理并记录。 • 原理图
放电计数管和 放电计数管和闪烁计数管
• 放电计数管由于对伽马射线的记录率很低 ），基本上不被采用 （1%~2%），基本上不被采用。 ），基本上不被采用。 • 闪烁计数管：由光电倍增管和碘化钠晶体及电子 闪烁计数管： 元件组成。 元件组成。 • 一般光电倍增管联极的极数为 一般光电倍增管联极的极数为9~11个，放大倍数 个 左右， 为105~106左右，由光电倍增管和碘化钠晶体构成 的计数管具有计数效率高，分辨时间短的优点。 的计数管具有计数效率高，分辨时间短的优点。
一
岩石的自然放射性
• 1 伽马放射性高的岩石 深海相的泥质沉积 如海绿石砂岩，高放射性独居石， 物，如海绿石砂岩，高放射性独居石，钾 钡矿砂岩，含铀钒矿的石灰岩以及钾岩等。 钡矿砂岩，含铀钒矿的石灰岩以及钾岩等。 • 2 伽马放射性中等的岩石 包括浅海相和 陆相沉积的泥质岩石，如泥质砂岩、 陆相沉积的泥质岩石，如泥质砂岩、泥灰 岩和泥质石灰岩。 岩和泥质石灰岩。 • 3伽马放射性低的岩石 砂层、砂岩和石灰 伽马放射性低的岩石 砂层、 煤和沥青等。（ 。（煤和沥青放射性含量 岩、煤和沥青等。（煤和沥青放射性含量 变化较大） 变化较大）
自然伽马测井和自然伽马能谱测井
四、自然伽马能谱测井
分析各种放射性元素含量的重要性
砂岩中Th、K、U的含量都很低。 砂岩中含有了放射性矿物之后，放射性 将会异常高,如云母砂岩：K很高,且Th/K ≈2.58×10-4,U→0 含锆石、独居石等重矿物后：K低，Th高 、U特别高且Th/K高 。
四、自然伽马能谱测井
分析各种放射性元素含量的重要性 ⑵ 有助于研究沉积环境：
不同的沉积环境， U、Th、K的含量不同： 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 从化学沉积物到碎屑沉积物： Th/U增大 沉积物的成熟度增加： Th/K增大 低能还原环境： U含量高 。
四、自然伽马能谱测井
分析各种放射性元素含量的重要性
岩石中有无放射性及放射性与什么地质问题 相关联，是我们关注的焦点 。
一、核物理基础
4、岩石中的放射性
一般的岩石中或多或少有些放射性元素存在
，所以岩石元素具有一定的放射性。
放射性元素一般是：钍（
）Th、92032铀（
）
、钾 U 238 88
（
） 。K 40 19
研究结果表明：各种岩石中放射性元素的种
三、自然伽马测井的应用
⑵估计地层中的泥质含量 相对值法公式（德莱赛公司）:
I GR
?
GR ? GR min GR max ? GR min
Vsh
?
2 C ?I GR ? 1 2C ? 1
三、自然伽马测井的应用
⑵估计地层中的泥质含量
绝对值法公式（斯仑贝谢公司 ）:
Vsh
?
ρb ?GR ? B0 ρsh ?GR sh ? B0
第7章自然伽马测井
身放射性附加(附泥浆含强被射性,一般 不含) 井径、泥浆、套管 （3）放射性统计起伏：统计规律—各次测 的平均值
（4）测速v和仪器积分常数τ对曲线影响
四、地质应用
1．划分岩性，确定渗透层
主要是根据地层中泥质含量的变化引起 自然伽马曲线幅度变化来区分不同的岩性， 右图是自然伽马测井曲线对不同地层响应：
需要注意的是：对某一地区来说，应该根据岩心 分析结果与自然伽马曲线进行对比分析，找出地区性 的规律，再应用于自然伽马曲线的解释。
2．进行地层对比，优点： （1）与岩石流体性质无关（油、水、地层矿化度等） （2）与泥浆性质无关（盐、水泥浆） （3）易找到标准层。
在油气水边界地带进行地层对比，因为岩石中含流体性质 变化大，使R、SP曲线形状变化不益于进行对比。另外 膏盐地区尤为重要。
β射线：高速中子流，射程小，电离程度中等。
γ射线：频率高的电磁波或光子流，不带电，能量高，穿透力强。
5．伽马射线与物质作用
自然伽马射线→穿过物质与原子相互作用，将发生不同形式的作用， 其中主要形式为：光电效应、 康普顿一吴有训效应、 形成电子 对
（1）光电效应：当伽马射线能量较低（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，同时伽马射线被吸收而 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，与入射伽马射线能量和组成物质原子序数有 关
（3）电子对的形成 能量高于1.02Mev伽马射线与物质作用时，在原子核力场作用下，
可转变成正、负电子对，即一个正电子和一个负电子。伽马射线 在形成电子对后，本身被吸收。 （4）伽马射线的吸收 伽马射线能量衰减，强度减小过程称为伽马射线被吸收。 （5）电子密度与体积密度 产生康普顿一吴有训效应几率与单位体积中电子数（电子密度）有 关，电子密度ρe
（4）测速v和仪器积分常数τ对曲线影响
四、地质应用
1．划分岩性，确定渗透层
主要是根据地层中泥质含量的变化引起 自然伽马曲线幅度变化来区分不同的岩性， 右图是自然伽马测井曲线对不同地层响应：
需要注意的是：对某一地区来说，应该根据岩心 分析结果与自然伽马曲线进行对比分析，找出地区性 的规律，再应用于自然伽马曲线的解释。
2．进行地层对比，优点： （1）与岩石流体性质无关（油、水、地层矿化度等） （2）与泥浆性质无关（盐、水泥浆） （3）易找到标准层。
在油气水边界地带进行地层对比，因为岩石中含流体性质 变化大，使R、SP曲线形状变化不益于进行对比。另外 膏盐地区尤为重要。
β射线：高速中子流，射程小，电离程度中等。
γ射线：频率高的电磁波或光子流，不带电，能量高，穿透力强。
5．伽马射线与物质作用
自然伽马射线→穿过物质与原子相互作用，将发生不同形式的作用， 其中主要形式为：光电效应、 康普顿一吴有训效应、 形成电子 对
（1）光电效应：当伽马射线能量较低（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，同时伽马射线被吸收而 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，与入射伽马射线能量和组成物质原子序数有 关
（3）电子对的形成 能量高于1.02Mev伽马射线与物质作用时，在原子核力场作用下，
可转变成正、负电子对，即一个正电子和一个负电子。伽马射线 在形成电子对后，本身被吸收。 （4）伽马射线的吸收 伽马射线能量衰减，强度减小过程称为伽马射线被吸收。 （5）电子密度与体积密度 产生康普顿一吴有训效应几率与单位体积中电子数（电子密度）有 关，电子密度ρe
自然伽马测井
自然伽马测井－以研究岩层或矿体天然放射性为基础，进而研究岩层性质和有关地质问题的一种测井方法。
§ 7－ 1 原子核的基本知识和天然放射性1 ．原子核的基本知识原子核组成—中子，质子核系—具有相同质子数 Z 和中子数 N 的一类原子核表示方法（或）同位素—质子数相同，中子数不同的核素。
2 ．天然放射性核素分为稳定与不稳定的两种，不稳定核素的原子核能自发地放射某种射线，这种现象称为放射性，不稳定核素也称为放射性核素。
原子核衰变—原子核由于放出射线而发生的转变。
放射性核素放出的射线有三种：α、β、γ。
放射性核素的衰变遵从统计规律，在某一时间的衰变率和当时存在的可以衰变的原子核数 N 成正比。
即：式中λ为衰变系数放射性活度—放射性核素的衰变率（单位时间的衰变数），通常通过测定放射性衰变过程中单位时间放出的射线数，即射线强度来了解放射性活度。
半衰期 T —原了核数衰减一半所需的时间，平均寿命τ—放射性原子核平均生存的时间3 ．放射性单位1 ）活度单位－具可勒尔（ Bq ），一具可等于每秒一次核衰变1Bg = 1S -1活度旧单位为居里（ C i ）1 C i = 3.7 × 10 10 Bq2 ）剂量单位：吸收剂量：戈端（ Gray ），一戈端表示一千克物质吸收一热耳的辐射能量时的吸收剂量。
1Gy = 1J/ kg照射剂量：库仑每千克， C/kg ，它是指单位质量的物体（空气），在 x 或 r 辐射后产生电离的电量。
旧单位为仑琴（ R ）1R = 2.578 × 10 -4 C/kg3 ）克镭当量：用于衡量γ放射性强弱，凡放出γ射线的物质和 1 克镭在同样条件下所引起的电离作用相等时，这一物质的放射量为 1 克镭当量。
4 ） API 单位：休斯敦美国石油研究所的γ射线刻度井中低放射性层和高放射性层放射性差值的 1/200 ，定义为 1API 。
4 ．岩石的天然放射性1 ）岩浆岩—放射性物质含量高，全土全油比大。
第7章 自然伽马和放射性同位素测井(4课时)
7.2 伽马测井的核物理基础
二、伽马射线与物质的作用
由于伽马射线能量不同,与物质的作用不同,一般有光电效应,康普顿效应和 电子对效应。
1、光电效应
当伽马射线能量较小时它与原子中的电子碰撞,并将能量传给电子,使电子脱
离原子而运动,伽马射线被吸收并释放出光电子。 发生光电效应几率与伽马射线能量以及吸收物质的原子序数有密切关系.随
62
28
7.3 自然伽马测井
2、地层对比
用自然伽马曲线进行地层对比有如下几个优点：(1)一般与孔隙流体无关。储 层含油、含水或含气对曲线影响不大，或根本没什么影响，用自然电位和电阻率进 行对比，同一储层由于和流体性质不同差别很大。含水时自然电位异常幅度大，电 阻率低。含油气时异常幅度小，电阻率高。(2)与地层水和钻井液的矿化度关系不 大。(3)很容易识别风化壳，薄的页岩等，曲线特征明显。(4)在膏盐剖面及盐水钻 井液条件下，自然电位和电阻率曲线变化较小，就显示出了GR曲线对比的优越性。 （5）套管井也可以地层对比。
K
NA
A
Z 2 ( Er 1.022 )
K : 常数
4、伽马射线的吸收
当伽马射线穿过物质时它与物质发生作用, 伽马射线强度减弱,其规律为:
I I 0e l
m
62
10
7.2 伽马测井的核物理基础
三、伽马射线的探测
1、放电计数管
利用放射性辐射使气体电离的特性来探测
原子序数增加而迅速增加,但随伽马射线能量增加而迅速减小.一般发生光电效
应的几率为:
0.0089
Z 4.1
A : 光电吸收系数（cm）
n
：光子波长
62
放射性测井
【问题2】核测 井利用这些过程怎 样来确定储集层岩 性和孔隙度呢？
储层岩性分析
储层孔隙度计算
主要作用方式 伽马源
电子对效应 康普顿效应 光电效应
地层物质
（2）、光电效应
入射光子
原子核
核外电子 光电子
1.γ光子与靶物质原子发生电磁相互作用； 2.γ光子被吸收，能量全部交给内层束缚电子； 3.束缚电子摆脱原子发射出来成为光电子。
图3-6注入放射性活化液找窜槽管柱图
图3-7 放射性同位素找窜测井曲线 1、参考曲线 2、放射性同位素测井曲线
检查封堵效果
检查压裂效果
放射性同位素吸水剖面测井图
思考题
• 1、伽马射线与物质相互作用时，可能产生 的三种效应为_____________、________ 和_______________。
4、自然伽马测井曲线的应用 • （1）划分岩性和地层对比 • 主要依据：岩层中Vsh不同，GR读数不同。
• 砂泥岩剖面：砂岩显示最低值，粘土（泥岩 和页岩）最高值，粉砂岩泥质砂岩介于中间， 随泥质含量增加曲线幅度变大；
• （2）划分储集层 • 砂泥岩剖面：低自然伽马异常就是砂岩储
集层，异常半幅点确定储集层界面；
• 一、放射性同位素测井方法 • 1、测井过程 • 井内注入被放射性同位素活化的溶液或固
体悬浮物质 ；压入套管外 ；测量注入示踪 剂前后的伽马射线强度 ；对比评价。 • 2、放射性同位素的选择和配制
• 二、放射性同位素测井的应用
• 1、放射性同位素测井找窜槽位置 • 2、检查封堵效果 • 3、检查压裂效果 • 4、测定吸水剖面，计算相对吸水量
变成另外一种原子核的放射性现象称为放射 性衰变。
• 衰变方式：
储层岩性分析
储层孔隙度计算
主要作用方式 伽马源
电子对效应 康普顿效应 光电效应
地层物质
（2）、光电效应
入射光子
原子核
核外电子 光电子
1.γ光子与靶物质原子发生电磁相互作用； 2.γ光子被吸收，能量全部交给内层束缚电子； 3.束缚电子摆脱原子发射出来成为光电子。
图3-6注入放射性活化液找窜槽管柱图
图3-7 放射性同位素找窜测井曲线 1、参考曲线 2、放射性同位素测井曲线
检查封堵效果
检查压裂效果
放射性同位素吸水剖面测井图
思考题
• 1、伽马射线与物质相互作用时，可能产生 的三种效应为_____________、________ 和_______________。
4、自然伽马测井曲线的应用 • （1）划分岩性和地层对比 • 主要依据：岩层中Vsh不同，GR读数不同。
• 砂泥岩剖面：砂岩显示最低值，粘土（泥岩 和页岩）最高值，粉砂岩泥质砂岩介于中间， 随泥质含量增加曲线幅度变大；
• （2）划分储集层 • 砂泥岩剖面：低自然伽马异常就是砂岩储
集层，异常半幅点确定储集层界面；
• 一、放射性同位素测井方法 • 1、测井过程 • 井内注入被放射性同位素活化的溶液或固
体悬浮物质 ；压入套管外 ；测量注入示踪 剂前后的伽马射线强度 ；对比评价。 • 2、放射性同位素的选择和配制
• 二、放射性同位素测井的应用
• 1、放射性同位素测井找窜槽位置 • 2、检查封堵效果 • 3、检查压裂效果 • 4、测定吸水剖面，计算相对吸水量
变成另外一种原子核的放射性现象称为放射 性衰变。
• 衰变方式：
《自然伽马测井》PPT课件
(2) 、 与 地 层 水 和 钻 井 液 的 矿化度关系不大。
(3) 、 很 容 易 识 别 风 化 壳 、 薄的页岩等，曲线特征明 显。
(4) 、 在 膏 盐 剖 面 及 盐 水 钻 井液条件下，自然电位和 电阻率曲线变化较小，就 显示出了自然伽马曲线进 行对比的优越性。
(5) 、 在 套 管 井 也 可 以 进 行 地层比。
绝对误差 1： n1
22
（2）某段地层内测量的平均记数率的涨落误差σ2
即以某一深度上一次测量的测井读数代替应由多 次重复测量计算的平均值时所带来的误差
相对误 2差
1 N
v hn
N－厚度为 h的地层脉冲总数
绝对误 2差 n2
vn h
（3）放射性的涨落误差： (12)
放射性测井曲线涨落误差
即是每一点的涨落误差范围（2σ1）加上每次测量的平均计数率的涨落误差范围
n
GCUR=3.7
GCUR=2
2GCURIGR 1 Vsh 2GCUR1
IGR
或者考虑体密度 对自然伽马的数 值影响
VshsbhG GsR h R BB 00
这 里 ： B0 是 不 含 泥质纯地层的背
B0 sdGsR d
景值
3)、经验法：用统计法得到Vsh～GR的 经验公式
利用IGR确定泥质含量Vsh的图版 13
位移和形态畸变随之加剧。
仪
器
移
动
方
向
时间常数RC对放射性测井曲线的影响
不同测井速度对自然伽马测井曲线的影响
深度位移：指根据实测自然伽马测井曲线的分层原则（如用半幅值点）定出的岩 层界面深度与实际深度之间有一偏差，而且前者比后者偏浅。
实际测井要选择合适的提升速度和仪器时间常数，同时，在整理资料时，需通过
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3、稳定核素和放射性核素 放射性核素： 原子核能自发的发生衰变，
由一种核素变为另一种核素
放射性核素衰变时能发射， 和 射线 r射线:波长小于0.2纳米的电磁波, 具有极强的穿 透能力。 稳定核素：原子核不能自发的变为另一种核
核衰变： ， 和 放射性核素的原子核自发地由一种核素变 成另一种核素的过程
3、铀系、钍系、钾的伽马射线初始谱
初始谱：根据放射系中核素的原子核初始衰变产 生的伽马光子的能量和相对强度画出的能谱图 相对强度：衰变100个核产生的伽马光子数
钍系中最重要的
γ辐射体是208Tl
自然伽马能谱测井 中，选择208Tl发射 的2.62Mev 的伽马 射线来识别钍
214B 铀系中最重要的γ 辐射体是 i 40K产生的伽马射线是单能的，为1.46Mev 自然伽马能谱测井中选择214Bi发射的1.76Mev 的 伽马射线来识别铀
第七章
自然伽马测井（GR)
（ natural gamma_ray log ）
自然伽马能谱测井(NGS) (natural gamma_ray spectral log )
自然伽马和自然伽马能谱测井
地质及核物理基础：岩石中含天然放射性核
素，主要有铀系，钍系和钾，自然衰变时产生 不同能量的伽马射线
质量数:A
A=Z+N
2、核素和同位素
同位素：是具有相同原子序数的同一化学元素 的两种或多种原子之一, 它们在元素周期表中占 同一位置。
核素：原子核中具有一定数目的质子和中子， 并处在同一能态上的同类原子（或原子核）,同一 核素的原子核中，质子数和中子数都分别相等。
核素表示:
Z
A X
A 同位素表示： X
三、岩石的自然伽马放射性与岩石性质的关系 1、与三大类岩石的关系 岩浆岩及变质岩：放射性高于沉积岩，它含有 较多的放射性矿物 （锆石，独居石，揭帘石，角闪石及辉石等） 沉积岩：一般放射性低于岩浆岩和变质岩。通 常不含放射性矿物，其自然放射性主要是岩石 吸附放射性物质引起的，吸附能力有限
几种造岩矿物和副矿物的铀含量范围 矿物 石英、长石 黑云母、角闪石、磁铁 矿 磷灰石、榍石 揭帘石、独居石、锆石 铀含量的范围/g·t-1 1~2 3~10 n×10 n×100~1000
1、放射系：连续衰变时放射性核素所构成的 系列 1) 钍系：钍系是从232Th开始的，到208Pb结束， 它的半衰期为1.41×1010年 ２)铀系：238U开始，到206Pb结束， 238U的半 衰期４.4７×10９年 2、放射系长期平衡： 子核与母核的核数比为常数
子核放射性活度恒等于母核放射性活度
40 19
K ek
40 18 r
40 m 18 r
A
（11%）
40 m 18
Ar A
40 20
1.46Mev （89%)
40 19
k Ca e
4、核衰变定律
N N 0e
t
式中 ： N0 ——t=0 时的原子核数 N ——时刻 t 的原子核数 ——衰变常数 （表示单位时间内每个原子核发生衰变的几率） 半衰期T1/2：放射性核素因衰变而减少到原来 一半所需的时间
测量方法：用伽马射线探测器测量地层中总
的自然伽马射线强度（自然伽马测井）
测量方法：对伽马射线进行能谱分析,分别测
量岩石的铀、钍、钾含量（自然伽马能谱测井）
主要用途：划分岩性及渗透层，求泥质含量，
地层对比，沉积环境研究，烃源岩研究
§1 伽马测井基础一、放射性核和核衰变1、原子和原子核
元素符号:X 质子数:Z 中子数:N
3、1945年, purcell发现了 核磁共振现象，1949年出 现核磁测井技术，1988年 研制出第一台核磁测井样 机，1990—1995年核磁测 井得到市场的普遍确认， 区分油气水、可动与束缚 流体，求渗透率及研究孔 珀赛尔 (E.dward Purcell) 吼分布 1952年诺贝尔物理学奖
几种矿物的钍含量和钍铀比
矿物
石英 长石 黑云母 橄榄石 独居石 揭帘石 锆石 榍石 磷灰石 绿帘石
钍含量/g·t-1 0.5~10 0.5~10 0.5~50 0.02 12500~49700
9100 560 510 50~250 50~250
核测井的优点
1、对测量条件有广泛的适应性，能在各种泥 浆的裸眼井、套管井中进行测量，服务期包括 勘探、开发的全过程。 2、能提供大量的物理参数，且大部分参数不 可能用其它方法获得，即具有不可替代性。
核安全:
1986年4月26日,切尔诺贝利核 电站反应堆发生爆炸 2011年3月11日，日本大地震 引发的核电站核泄露事故
二、岩石中的放射性核素及能谱 截至2007年, 总共有118种元素被发现,94种存 在于地球上 ,已发现的天然核素约有330多种， 其中273种为稳定核素，60余种为放射性核素 质量数小于209(质子数大于82)的大多数是稳 定核素，只有少数是放射性核素，如K40、Co60 、Cs137 、I131 而质量数大于209(质子数大于82)的全部是放 射性核素
核测井发展的三个时期
1、1896年，Becquerel 发现了自然放射性，随 后研究人员发展了伽马 射线探测技术和探测仪 器，到1935—1939年自 然伽马测井得到市场的 确认，成为当时唯一的 核测井方法，用于划分 1903年诺贝尔物理学奖 岩性、确定泥质含量 -因发现自然发放射性
2、1932年， Chadwick发现中子， 随后科学界研究了中 子与物质的相互作用 和中子的探测技术， 1941年以后中子测井 成为代表核测井技术 的测井方法，确定岩 性、孔隙度、套管井 1935年诺贝尔物理学奖 -因发现中子 饱和度
5、放射性活度（强弱的度量单位）
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。
活度单位:“贝可勒尔”，简称“贝可”，符号 为Bq。1Bq=1次核衰变/s 单位质量的活度叫比活度，单位为Bq/kg 吸收剂量:每1千克受照物质吸收1焦耳核辐射 能时，其核辐射剂量称为1戈瑞 西弗:用于衡量辐射对生物组织的伤害, 定义为 1西弗=1焦耳（辐射能量）/公斤