8 自然伽马测井

8.1 自然伽马测井的核物理基础
1、核衰变及其放射性
（2）同位素和放射性元素 我们把原子核中质子数相同而中子数不同的元素，称为同位素。它们
在元素周期表中占有同一位置，具有相同的化学性质，但有不同的原子量
，因而具有不同的物理性质，如1H1、1H2、1H3是氢的同位素，铀92U235、
92U 234和 92U 238是铀的同位素等等。
自然伽马测井
Gamma ray log or Natural gamma ray log
自然伽马测井
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。 自然伽马测井是放射性测井中的一种方法。
★它既可以在裸眼井中测井，又可以在套管井中测井（它测量的伽
1、核衰变及其放射性
（5）放射性射线的性质
放射性物质能放出α射线，β射线和γ射线。它们各具如下性质：
α射线(2He4)：是一种带正电荷的粒子流，带有两个单位的正电荷，相当 于一个氦原子核。
β射线(-1e0)：是一种带负电荷的高速运动的粒子流，相当于一个电子，
带一个单位的负电荷。 γ射线：γ射线是频率很高的电磁场或光子流，不带电荷,能量很高，一
谱测井。
2、沉积岩的自然放射性
对于三大类岩石而言，一般说来，火成岩在三大岩类中放射性
最强，变质岩次之，沉积岩最弱。
A 岩浆岩：其中有许多放射性矿物，如长石、云母集中了地层
中绝大多数钾K。角闪石、独居石、辉石也有较高放射性，其中以
碱性岩、锆石、独居石等放射性最强。 B 变质岩：取决于母岩放射性，若为岩浆岩，放射性较强，沉 积岩则次之。 C 沉积岩：一般比岩浆岩、变质岩差，沉积岩中的岩类不同，
自然伽马测井的曲线特征和影响因素
自然伽马测井的地质应用
自然伽马测井
8.1 自然伽马测井的核物理基础
1、核衰变及其放射性
（1）原子的结构 矿物、岩石、石油和地层水都是由分子组成的，分子又由原子组成 ，原子的中心是原子核，离原子核较远处的核外电子，按一定的轨道绕 核运动，它是一种很微小的粒子，直径约为10-8cm。 原子：原子核[ 质子(带一个单位正电荷) + 核外电子(带一个单位负电荷) 一般地，原子是中性的，所以原子核中的质子数等于核外电子层的 电子数，这个数值叫做元素的原子序数，通常用Z表示，它决定了原子的 化学性质和在元素周期表中的位置。 原子核质子和中子的总数叫做元素的质量数，通常用A表示。 中子(不带电)]
1、核衰变及其放射性
（4）核衰变规律
ห้องสมุดไป่ตู้
一种放射性物质的放射性强弱，是以单位时间内发生衰变的原子核的数
目来量度，称为放射性强度，用符号J表示。
J dN dt
J N 0 e t
显然
J J 0 e t ，式中J0—物质的初始放射性强度。
可见，放射性物质的放射性强度也以同样的指数规律衰减。同时，它也
符合统计的规律。
放射性强度的单位是居里（Ci），其定义是： 1Ci=3.7×l010/s，即每 秒 钟 有 3.7×l010 次 核 衰 变 。 其 导 出 单 位 是 毫 居 里 和 微 居 里 ： 1mCi=3.7×l07/s,1μCi=3.7×l04/s 。 1975 年国际计量大会规定放射性强 度的单位为“贝可勒尔”，符号为Bq。
这些放射性元素在衰变过程中都能同时放出伽马射线，且不同元素放
出的γ射线的数量和能量两方面均有区别。如：K：1.46Mev；U、Th：γ能 谱较为复杂，因此，通过探测γ射线的数量（强度）和能量（能谱），就
有可能确定岩石中放射性元素的数量（含量）及种类，并进一步用来寻找
放射性矿床和研究岩层性质等。
2、沉积岩的自然放射性
2、沉积岩的自然放射性
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
②泥质颗粒沉积时间长 ( 特别是深海沉积 ) ，有充分的时间
同放射性元素接触和进行离子交换，所以，泥质岩石就具有较 强的自然放射性。 这也成为我们利用自然伽马测井曲线区分岩石性质、进行 地层对比，以及定量估计岩石中泥质含量的依据。
8.1 自然伽马测井的核物理基础
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。 它主要由NaI萤光晶体和光电倍增管组成。
放射性不同。
2、沉积岩的自然放射性
（1）粘土岩类：含放射性元素最多，放射性最强，主要为泥、页岩
A．高岭石：不含放射性元素，且对离子吸附能力差，放射性强度低。 B．蒙脱石：不含放射性元素，但对阳离子吸附能力强，可吸附很多放射
性强物质，如氧化铀。故其天然放射性强度最大，对粘土岩放射性贡献最大。
C．伊利石：含放射性同位素K40，且有较强阳离子吸附能力，也可吸附 较多U2O氧化铀，有较强放射性。 D．绿泥石：同高岭石相似，天然放射性弱。 （2）碎屑岩类：放射性强度由正长石、白云母、重矿物以及VSH决定，对储 层的主要成份石英砂岩而言，前三种矿物很少，因此主要取决于VSH及组成。 （3）化学岩类：石灰岩、白云岩、膏、盐岩、K盐等。除K具放射性外，其 他岩类主要由岩石中所含泥质及微量无素决定。
通过探测γ射线的数量（强度）和能量（能谱），可以确
定岩石中放射性元素的数量（含量）及种类。因此放射性测井 主要分为自然伽马测井和自然伽马能谱测井。 以研究岩石中放射性元素的相对含量，即探测自然伽马射 线总强度的测井方法叫做自然伽马测井； 测定在一定能量范围内自然伽马射线的强度以区分岩石中 放射性元素的类型及其实际含量的测井方法，则叫自然伽马能
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。 一种放射性元素的半衰期可以精确估计，但无法估计在一个短时间内到 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 底有多少个原子可能发生衰变。但对元素整体而言，其衰变具有统计性，即 差很大，有的长达几十亿年，有的短到若干分之一秒。如，铀的半衰期为 围绕某一平均值在一定范围内变化。 4.51×109年，镭1590年，氡为3.825天等等。
8.1 自然伽马测井的核物理基础
1、核衰变及其放射性
（4）核衰变规律 任何放射性元素从不稳定到稳定的衰变过程，遵循着一个总的趋势，
即随时间呈指数规律递减。而且这种变化与任何外界作用无关，如温度、
压力和电场、磁场等都不能影响放射性衰变的速度，这一速度唯一地取决 于放射性元素本身的性质。 若以No和N分别表示任一放射性元素在时间t=0和t时的原子数，则放射 性元素的衰变规律为 N＝N0e-λt λ为衰变常数，不同的元素，λ值可以相差很大。λ越大，衰变越快。 这个规律说明，随时间增长，放射性元素的原子个数减少。
8.2 自然伽马测井
2、测量原理
进行自然伽马测井的简单原理如图所示。井
③随着钾盐和某些放射性矿物的增加而增加。
可见，除特殊的放射性矿物如钾盐层以外，油气田中常遇到的 沉积岩的自然放射性强弱与岩石中含泥质的多少有密切的关系。
2、沉积岩的自然放射性 岩石含泥质越多，自然放射性就越强。这是因为： ①构成泥质的粘土颗粒较细，有较大的比表面积，在沉积 过程中能够吸附较多的溶液中放射性元素的离子。
2、沉积岩的自然放射性
API是美国石油学会的缩写，API单位是该学会规定的自然伽马测井标准 单位，并已在许多国家广泛应用。这一单位是将自然伽马测井仪器放在标准 的刻度井中进行标定得出的。标定时，规定刻度井中最高和最低放射性地层 自然伽马读数之差为 200个API单位。于是，其它地层即可按它的实际读数得 出相应的API数。表中对于每一种岩石都有一定自然伽马射线强度的变化范围 ，并用横线的纵向宽度来表示出现这一放射性强度的频率。
马射线有较强的穿透能力）。
★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（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）。 自然伽马测井已成为碎屑岩剖面、碳酸盐岩剖面和用盐水泥浆钻井 地区进行测井的重要内容。
自然伽马测井
学习要点
自然伽马测井的核物理基础 岩石的放射性 自然伽马射线的探测 自然伽马测井原理
鄂尔多 斯盆地 铀异常 形成机 理
2、沉积岩的自然放射性
根据实验和统计，沉积岩的自然放射性强度一般有以下变化规
律：
①随泥质含量的增加而增加； ②随有机物含量的增加而增加，如沥青质泥岩的放射性很高。 在还原条件下，六价铀能被还原成四价铀，从溶液中分离出来而沉 淀在地层中，且有机物容易吸附含铀和钍的放射性物质；
在自然界中，有些同位素是稳定的，即它们的结构和能量不会发生改
变。而有些同位素则是不稳定的，能自发地改变其结构，放射出射线并变 成其它元素。这种不稳定的同位素称为放射性同位素。
8.1 自然伽马测井的核物理基础
1、核衰变及其放射性
（3）核衰变
放射性同位素通过放射出射线而从不稳定到稳定的过渡称为核衰变。 这种衰变有两种形式: 一种是从原子核中放出α粒子(2He4)，叫做α衰变； 一种是从原子核中放出β粒子(-1e0)，称为β衰变。 不稳定同位素在向稳定转化(衰变)的过程中，原子核中多余的能量将以 高能电磁波的形式辐射出去，它就是γ射线，所以γ射线是放射性同位素发 生衰变使原子核内部能量发生改变时的伴随产物。
8.1 自然伽马测井的核物理基础
1、核衰变及其放射性
（4）核衰变规律 在习惯上，常用另一常数来表示衰变快慢。这一常数是某种放射性元素 从t＝0时的N0个原子开始，到N0/2个原子发生了衰变所经历的时间，称为半 衰期，用T表示:
N0 ln 2 0.693 N 0 e t T 2
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。
般多在几十万电子伏特以上，并有很强的穿透能力。
这三种射线中，电离能力：α射线的电离本领最强，γ射线最弱；穿 透能力：γ射线最强，它在空气中的射程可达几百米，在沉积岩石中的平 均穿透深度约为30cm；而α射线在岩石中的穿透距离仅约10-3厘米；β射线
在金属中仅能穿透0.9厘米。
来自井下岩石的放射性射线中，γ射线才是唯一可探测到的。
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。
8.2 自然伽马测井
1、方法特点
优点：（1）裸眼井和套管井中均可以进行
（2）油基泥浆、高矿化度以及干井中均可以进行 （3）碳酸盐岩剖面和水化学沉积剖面不可缺少。 缺点：（1）测速慢，成本高。 （2）如果岩石本身组成中含放射性物质，如含火山碎屑 等，则无法正确判断泥质含量。如哈密地区，那么 VSH判定需从其它资料中求取。 自然伽马测井可以解决以下问题： (1)根据天然放射性强弱，判别岩性和划分井地层剖面。 (2)在一个含油气区或单独构造上，各井剖面进行对比。 (3)估计岩石中泥质含量，从而判断岩层的储集性能。
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。自然伽马 读数约50API以下。其中硬石膏最低，10API以下。
2、沉积岩的自然放射性
石油测井的主要研究对象是沉积岩，通常认为，铀、钍、钾等放射性元
素最初存在于火成岩当中，当火成岩风化以及地表水的作用，一部分易溶的 放射性物质 (如铀的化合物 )便以溶液的形式搬运，不易溶解的则在水中与胶 体和岩石及矿物的碎屑一起搬运，最后随同沉积岩一起沉积下来。因而沉积 岩中放射性元素的含量取决于岩石的矿物成分、岩性及形成过程中的物理化 学条件等。