测井原理9-自然伽马测井.

核测井定义----将核技术应用于井中测量，根据岩石及其孔隙流体的核物理性质，研究井的地质剖面，勘探石油、天然气、煤以及金属、非金属矿藏，研究石油地质、油井工程和油田开发的核地球物理方法—称核测井〈又称放射性测井〉放射性测井第十—十二章•核测井的分类：大体分四类a)：γ测井。含自然γ和γ—γ测井（散射测井）。前者又分自然γ和自然γ能谱测井；后者又分地层密度和岩性密度测井。b):中子测井。主要含中子寿命测井、一般中子测井和中子诱生γ测井。中子寿命测井也称热中子衰减时间测井；一般中子测井含热中子测井和超热中子测井；它们又含有单探测器中子和补偿中子测井；中子诱生γ能谱测井通常包括快中子非弹性散射γ能谱测井（即C/O比测井）、中子俘获γ能谱测井和中子活化γ能谱测井等。c):放射性核素示踪测井。这种方法是利用放射核素作为示踪剂，将掺入流体中，并注入到井内，通过流体在井中的流动而使核素分布到各种孔隙空间。利用核γ测井对示踪剂进行追踪测量，确定流体的运动状态及其分布规律。d):核成像测井。如核磁共振成像测井等。20世纪30年代末，在美国以及前苏联出现自然伽马测井；我国1956年最先在玉门油田使用。岩石中含有天然的放射性核素,主要是铀系、钍系和钾的放射形同位素，它们自然衰变时发射伽马射线，使岩石有天然放射性。自然伽马侧井（naturalgamma-raylog）是用伽马射线探测器测量岩石总的自然伽马射线强度，以研究井剖面地层性质的测井方法。主要内容1伽马测井核物理基础2自然伽马测井原理3自然伽马测井曲线应用第十章自然伽马测井第一节伽马测井核物理基础伽马测井主要利用伽马射线与介质的作用研究地层的放射性特性的测井方法,主要有伽马测井,密度测井等.一核衰变及其放射性1几个基本概念原子与原子结构:原子—原子是处于中心的带正电的原子核和核外绕核运动的一个或若干个电子组成。原子核——由质子和中子组成。原子质量单位：原子质量的国际单位是以碳的同位素¹²C的原子质量为标准确定。一个原子质量单位u——定义为¹²C原子静止质量的1/12，1u=mc×1/12=1.992678×10—26×1/12=1.660566×10－27Kg。例如：通常写成12C的质量为：11.996709u，则质量数为：12的质量为4.001506u，则质量数A=4；C12eH42原子的结构中子原子核原子质子正电荷核外电子负电荷原子的标记形式：NAZXX是该原子的化学元素符号；A为质量数----即以u为单位原子核质量四舍五入的整数.Z---质子数（即原子序数）；N为中子数即；N=A-Z，在实际工作中往往只写出元素符号和质量数，即写成：XA核素—凡具有相同质子数Z和中子数N的一类原子核素同位素—凡质子数相同，中子数不同的几种核素；如：三种核素都是氢的同位素同中子素—中子数相同，质子数不同的几中核素；如：HHH321HeH32213放射性核素稳定核素(结构和能量不变化)核素不稳定核素(结构和能量发生变化并放射出射线)不稳定核素也叫放射性核素4核衰变放射性核素的原子核自发释放出一种带电离子,蜕变成为另外原子核同时放射出伽马射线的过程称为核衰变基态—原子核可处于不同的能量状态，能量最低状态。激发态—原子核处于比基态高的能量状态，即原子核被激发了。放射性—放射性核素都能自发的放出各种射线。有的发射α射线，有的发射β射线，有的在发射α射线或β射线的同时还在发射γ射线，有的三种射线都有。原子核自发的放射出各种射线而自身发生变化的现象称为放射性。放射性核素有天然（自然）的：等，和人工（生产）放射性核素：ThUU232238235K40CsCo137604射线的性质（1）α射线—由氦原子核组成的粒子流。氦核又称α粒子，因而可以说是α粒子流。α粒子—质量数为4，带两个正电荷。对物质的电离作用很强，而贯穿物质的本领很小。在空气中的射程2.6cm—11.5cm，在岩石中的射程只有10¯³cm，即10μm。He4He4（2）β射线—高速运动的电子流。V=2C/3（C为光速)，对物质的电离作用较强，而贯穿物质的本领较小。在金属中的射程约0.09cm.（3）γ射线—由γ光子组成的粒子流。γ光子是不带电的中性粒子，以光速运动。γ射线又是一中波长很短的电磁波，具有两重性，即波动性和粒子性。对物质的电离作用很小，而贯穿本领很大。能穿过地层和钢铁。γ光子具有波动性，即γ光子在传输过程中表现出有一定的频率ν和波长λ，λ与ν和光速C之间的关系：γ光子具有粒子性是说γ光子是一个一个微粒，每个γ光子具有一定相对性，质量有运动速度C，因而具有一定能量νCγmγp核衰变可用核衰变方程式或衰变图表示.例如地层中的钾有两种衰变方程式:40184018401940204019*AAKCaKk核衰变使原子核数按指数规律衰减,关系见下衰变常数。的原子核数；时刻时的原子核数；tNtNeNNt000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：原有的放射性核数衰变掉一半所需的时间。693.02ln22/100TeNNNt平均寿命：每个原子核在发生衰变前存在的时间的平均值。15岩石的自然伽马放射性与岩石性质的关系（1）岩石总的自然伽马放射性与岩石大类有关，一般沉积岩的自然伽马放射性低于岩浆岩和变质岩。因为沉积岩一般不含放射性矿物，其自然放射性主要是岩石吸附放射性物质引起的，而岩石的吸附能力有限。而岩浆岩及变质岩含有较多放射性矿物，如长石和云母含有地层大部分钾，其中有放射性。K4019沉积岩的自然放射性随岩石泥质含量增加而增加，但含放射性矿物的岩石（如海绿石砂岩、独居石砂岩、钾盐等）例外。沉积岩中黏土岩放射性最高，而石膏、硬石膏、岩盐等化学岩最低。黏土矿物中，蒙脱石表面积最大，对放射性物质吸附能力强，含有较多氧化铀，对黏土岩放射性贡献最大；伊利石内含有钾，对氧化铀也有一定吸附能力，具有一定放射性；而高岭石和绿泥石本身不含有放射性，对放射性物质吸附能力也差，放射性低。生油黏土岩的黏土矿物常以蒙脱石和伊利石为主，而且富含铀和钍的放射性物质，因而比普通泥岩有更高的放射性。一般:火成岩:放射性最强;变质岩:次之;伽马射线强度高的岩石:深海相泥质沉积岩沉积岩:最弱.伽马射线强度中等的岩石:浅海相和陆相沉积的泥岩伽马射线强度弱的岩石:砂岩石灰岩等（2）铀、钍、钾含量黏土岩中钾含量最高，约2%；钍次之，约12ppm；铀含量一般最少，约6ppm。砂岩和碳酸盐岩的铀、钍、钾含量一般随着泥质含量增加而增加。含钍化合物难溶于水，是母岩风化的产物，岩石含钍量少，表明其沉积环境离母岩区较远。第二节自然伽马测井原理一、伽马射线与物质的作用放射性原子核衰变放出的伽马射线是波长很短的电磁波，波长10-8～10-11cm，能量在（0.5～5.3）MeV.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(能量大约在0.01MeV～0.1MeV)，它与原子中的电子碰撞，将全部能量传给一个电子，使电子脱离原子而运动，而伽马光子本身被完全吸收。：光子波长）光电吸收系数（cmAZn:0089.01.42康普顿效应当伽马射线能量中等时，它与原子的外层电子发生作用,把一部分能量传给电子,使该电子从某一方向射出,而损失了部分能量的伽马射线向另一方向散射出去。这种效应称为康普顿效应，发生散射的伽马射线称为散射伽马射线。：单位体积电子数沉积岩：：阿伏加德罗常数（截面（几率）每个电子的康普顿散射ANZAZmolNANZAAeAe5.0)10022045.6:123：介质密度：伽马光子能量：原子量：原子序数阿佛加德罗常数常数rArAEANKEANKZ::)022.1(Z23电子对效应当伽马射线能量大于1.022MEV时，它与物质的原子核发生作用,伽马射线转化为一对电子(正负电子)，而伽马光子本身被全部吸收。这种效应称为电子对效应。伽马射线通过单位厚度物质时，发生电子对效应引起伽马射线强度减弱,其减弱程度用电子对吸收系数表示: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,其总的吸收系数应该是三种吸收系数的总和：xeIIIxI00:则，厚度的介质后强度为穿过，若入射伽马射线强度为吸收系数二伽马射线的探测伽马射线与物质相互作用的三种效应将产生次级电子，这些电子能引起物质中的原子电离和激发。电离：束缚电子获得能量变成自由电子，形成正、负离子对；激发：束缚电子获得能量不能成为自由电子，只能激发到更高的能级；在退激过程中能放出光子，发生闪光（荧光）。（1）放电计数管（盖革—弥勒计数管）：收集电离电荷；（2）闪烁计数管：收集荧光。优点：制造容易，灵敏度高，价格便宜，附属设备简单。对伽马射线的探测效率比G-M计数管高。三、自然伽马测井曲线特征1自然伽马测井仪的标准化单位时间内的脉冲数作为计数率单位，即脉冲/min。但即使在相同地层条件下，使用不同仪器可能得到不同的输出信号，为了方便资料对比与定量解释，必须使仪器标准化。方法：不同的测量仪器放在同一个已知的放射性标准化装置上进行检查测量，并调节仪器的灵敏度使它们有相同的输出，或者求得不同仪器之间的换算系数。一般自然伽马的单位是API。美国石油学会（AmericanPetroleumInstitute）规定的放射性计数率单位，将刻度井中高放射性地层与低放射性地层读数之差定为200个API单位为标准去刻度其他仪器。全国统一的标准刻度井中进行的刻度，称为一级刻度。2曲线测量过程自然伽马测井仪器包括两部分，地面仪器：井下仪器:探测器放大电路等地层中的伽马射线通过泥浆到达探测器,探测器把它变成电脉冲进行放大形成电信号,再通过电缆到达地面仪器,变换成电脉冲数/每分钟(强度)进行记录井下仪器在井内自下而上移动测量,就连续记录井剖面岩层的自然伽马强度,称为自然伽马测井曲线(GR).一般认为伽马射线在沉积岩中的平均穿透深度约30cm，在考虑到井内泥浆的吸收作用，对实际地层的探测深度往往不超过20cm，只在储集层冲洗带范围内。3自然伽马测井曲线特征及影响因素（1）伽马射线强度对地层中心是对称的，中心点出现极大值；当地层厚度小于三倍井径时，伽马射线强度的最大值岁厚度变化而变化；当厚度大于三倍井径时，伽马射线强度与厚度无关。（2)自然伽马曲线有统计性涨落变化曲线不是一条光滑曲线，即使在岩性很均匀的地段，曲线也有明显的起伏变化。（3)积分电路的影响(测速*积分电路时间常数)由于记录仪器中的积分电路具有惰性(充/放电需要时间),输出电压相对于输入要滞后一段时间而仪器又在移动,可能使测井曲线发生畸变,主要为:极大值减小,且不在地层中心而向上移动,视厚度增大,半幅点上移.一般:地层厚度越小,积分电路的影响越大,曲线畸变越严重.实际测井中要适当控制测井速度.第三节自然伽马测井曲线的应用一划分岩性二地层对比与电阻率曲线相比,GR具有:1与地层水和泥浆浓度无关;2与地层孔隙所含流体性质无关;3)容易找到标准层.三计算泥质含量1相对比值法:7.321212minmaxmin，新地层为老地层为：希尔奇指数泥质含量：泥质含量指数：GCURVGRGRGRGRIGCURIGCURshGRGR2斯伦贝谢方法:然伽马测井值纯砂岩、纯石灰岩的自目的层、泥岩层、、、、积密度；纯砂岩、纯石灰岩的体、分别为目的层、泥岩层、、、或纯地层背景值泥质含量：SsdshSsdshbSSsdsdshshbshGRGRGRGRGRGRBBBGRBGRV11110000)(: