测井方法原理-放射性声波测井(测井解释培训教材-COSL)

月主讲人：刘建新目录自然伽马测井密度测井中子测井一二三核测井（放射性测井）：以物质的原子核物理性质为基础的一组测井方法。它是根据岩石及其孔隙流体和井内介质（套管、水泥等）的核物理性质，研究钻井地质剖面，寻找有用矿藏，研究油田开发工程的一类测井方法。核测井的适用条件：一般的泥浆井、油基泥浆井、高矿化度泥浆井、空气钻井（裸眼井、套管井）核测井的优点：伽马测井的核物理基础它是唯一能够确定岩石及其孔隙流体化学元素含量的测井方法。伽马测井的核物理基础一、原子核的衰变及放射性1、原子的结构原子：由原子核及其核外电子层组成的一种很微小的粒子。原子核由质子和中子组成2、同位素同位素：质子数相同的同一类原子。例：氢的同位素：氕、氘、氚伽马测井的核物理基础3、核衰变放射性：自发地释放出、，射线的性质放射性核衰变的规律：放射性核数随时间按指数递减的规律变化。即：teNN0N:放射性元素个数t:时间：衰变系数核衰变：放射性元素的原子核自发地释放出一种带电粒子（或），蜕变成另外某种原子核，同时放射出伽马（）射线的过程。伽马测井的核物理基础二、常用GR强度单位1、放射性强度单位2、放射性剂量单位1居里：单位时间内发生衰变的原子核数。1居里=1克镭的源强=1克镭当量/克（每克物质的放射性强度单位相当于1克镭）=3.7*1010次/秒单位质量的物质被射线照射时所吸收的能量来度量射线强度为放射性剂量。用伦琴表示。而测井用的单位是微伦琴/小时，单位时间内的射线剂量为剂量率。伽马测井的核物理基础3、条件单位三、核衰变的统计涨落同一放射性元素在相同的时间间隔内，衰变次数不完全相同，总是围绕一平均值上下起伏。统计涨落是由核衰变本身的特性所决定的，与环境和人的因素无关。测井时记录的是单位时间的脉冲数，不同的仪器记录器在统一标准下刻度。采取相同的单位：微伦琴/小时API自然伽马测井GR测量的是岩层的自然放射性强度（不用任何放射性源）一、岩石的自然放射性岩石中主要的放射性元素：92U23890Th23219K40岩石的自然放射性强度主要取决于其三者的比例，其含量与岩性以及形成过程中的物理化学条件有关，因此，岩性不同，GR不同。火成岩变质岩沉积岩自然伽马测井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、不含钾的盐岩强度较低的：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、钙质泥岩、含砂泥岩等强度高的：钾岩、深水泥岩、页岩强度最高的：放射性软泥、澎土岩、火山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。通常情况下：地层的GR值的高低主要取决于泥质含量沉积岩的自然放射性有以下变化规律：a.随泥质含量的增加而增加；b.随有机物含量增加而增加，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；c.随着钾盐和某些放射性矿物的增加而增加。自然伽马测井自然伽马测井泥浆仪器外壳进入探测器记录连续电流所产生的电位差穿过至经传输至地面仪器处理使与单位时间的电脉冲数成正比射线GR曲线二、GR测井基本原理自然伽马测井三、GR曲线特征（均匀理想模型地层点测）GR（API）当上下围岩相同时，曲线对称于地层中部，低放射性地层对应GR低，高放射性地层对应GR高h3d曲线幅度不受岩层厚度的影响；h3d曲线的最大或最小受岩层厚度的影响（？）自然伽马测井自然伽马测井四、影响因素1、岩层厚度的影响2、井参数影响d增加裸眼井对GR吸收增加，但泥浆中所含一定的放射性补偿了一部分，影响小套管井：水泥环厚度增加-----GR减小岩层厚度增加或减小，GR曲线减小或增大。自然伽马测井3、统计涨落误差由于涨落误差的存在，实测的GR曲线出现许多“小锯齿”自然伽马测井4、测井速度V增加V合适GR（API）滞后现象积分电路的特点所至当h一定：GR受V测和时间常数的影响t=h/v；v增加，t时间常数，探测器无法全部探测到地层发出的GR，导致GR下降，还会使其发生崎变，深度错位。自然伽马测井五、GR曲线的解释及应用1、划分岩层碳酸盐岩剖面相同砂泥岩剖面（骨架不含放射性矿物）GR泥岩砂岩泥岩砂岩H随着泥质含量的增加，GR值增加。泥岩-高值；砂岩-低值给定岩性剖面，请定性的画出GR曲线。泥灰岩灰岩白云岩泥岩石膏GR回忆岩石的GR的大小关系自然伽马测井自然伽马测井2、确定地层的泥质含量当泥质含量低时：minmaxminGRGRGRGRVsh当泥质含量高时：gcur=2(老地层）gcur=3.7(新地层）1212minmaxmingcurIshgcurVshGRGRGRGRIsh不含放射性矿物的地层，GR主要取决于地层的泥质含量。自然伽马测井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地球物理测井—核测井自然伽马测井GR重点：沉积岩的自然放射性有什么变化规律GR曲线的解释与应用（地层对比、泥质含量的计算）自然伽马能谱测井的地质依据，是U、Th,K在矿物和岩石中的分布规律与岩石的矿物成分、成岩环境和地下水活动有关。一般说来，普通粘土岩中钾和钍含量高，而铀的含量较低（相对于钾和钍）。据Belk-nap,W.B.等人由200块不同种类的粘土岩取得的分析数据，粘土岩中放射性元素的平均含量约为：钾2%，铀6ppm，钍12ppm。自然伽马能谱测井（NGS）纯的砂岩和碳酸盐岩放射性元素含量很低，但有些地层也可能具有很高的放射性，这些高放射性地层又可能是储集层，此类储集层用普通自然伽马测井是无法识别的，而用自然伽马能谱测井却往往能成功地将其和泥岩区别开。渗透性地层中U含量的增高与地层水的活动有密切关系。有些储集层还由于岩石骨架中含有放射性重矿物而显示为高放射性地层。还应指出，岩石中钍和铀的含量比（通常称为钍铀比）具有重要的地质意义，利用它可以解决一系列地质问题。据统计，粘土岩的Th/U为2.0-4.1；碳酸盐岩的Th/U为0.3-2.8；砂岩的铀含量变化范围很大，Th/U值变化范围也大。自然伽马能谱测井（NGS）自然伽马能谱测井（NGS）在还原环境中，尤其当粘土岩中含有机物和硫化物时，粘土对铀离子的吸附力增强，粘土的铀含量明显增高。自然伽马能谱测井（NGS）2、研究生油层U、U/K越高，生油能力越强有机碳含量U、U/K计数率比研究发现：岩石中的有机物对铀的富集起着重要作用。有机碳含量与U/K存在线性关系纯的碎屑岩储集层K、Th、U的含量均很低。但当这些岩石中含有高放射性矿物（如独居石、锆石等）时，纯砂岩的K、Th、U含量也能显著增高。右图中420-490ft之间的膨润土和凝灰岩薄层显示为低含钾、高含铀和钍。775-900ft之间为高含铀的砂岩地层。故总计数率不能作为泥质指示曲线用。高放射性碎屑岩储集层和碎屑岩储集层一样，纯的碳酸盐岩储集层K、U、Th的含量都很低。但当地层中有钾碱、长石和粘上矿物时、K含量会明显上升；而在还原条件下，地层水中的铀在渗透带沉积，可使地层的U含量高达20ppm。因此在碳酸盐岩剖面中，自然伽马能谱测井有助于区分岩性，对剖面进行详细对比，更可靠地估算泥质含量，寻找高产裂缝带及确定施行增产措施的层位。高放射性碳酸盐岩储集层自然伽马测井密度测井中子测井一二三地层密度测井FDL密度测井——利用康普顿散射反映地层密度岩性密度测井——利用康普顿散射和光电效应来确定地层密度和岩性，进而求孔隙度密度测井和岩性密度测井都是利用伽马射线和地层介质发生各种效应来研究地层性质的。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。地层密度测井一、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：1、电子对效应(E1.02Mev)电子对吸收系数：t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，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。原子核电子+e-e伽马射线地层密度测井2、康普顿效应(0.2Mev＜E＜1.02Mev)康普顿散射吸收系数：当伽马射线能量为中等时，伽马射线与原子的外层电子发生作用，把一部分能量传给电子，使电子从某一方向射出，此电子称为康普顿电子，损失了部分能量的射线向另一方向散射出去，这种效应称为康普顿效应。原子核电子Φ伽马射线散射伽马射线地层密度测井3、光电效应：(E＜0.2Mev)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。原子核电子伽马射线密度测井选用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。如果将记录伽马射线的阈值定在0.1-0.2MeV，也就是说只记录那些能量较高的一次散射或多次散射伽马射线。地层密度测井伽马源的选择：地层密度测井三、密度测井的原理（FDL）1、电子密度的定义（e）单位体积中岩石的电子数。Z:原子序数A：质量数N0：阿伏加德罗常数ZNAbe0密度测井仪器是用纯石灰岩为标准岩性进行刻度的，岩性不同时其骨架会造成附加孔隙度。砂岩：孔隙度为零的纯石英砂岩，视密度为2.65克/厘米。用石灰岩刻度的仪器骨架密度ρｍａ取2.71克/厘米3φ=(2.71-2.65)/(2.71-1.0)=0.035即孔隙度为零的砂岩，当以石灰岩为标准进行处理时，会显示为3.5%的孔隙度。习惯上把这个孔隙度值称为孔隙度为零的砂岩的“石灰岩孔隙度”孔隙度为φ的砂岩，若孔隙度中充满淡水，其密度为ρｂ＝2．6５-1．6５φ它的“石灰岩孔隙度”为Ф＝0.035＋0.965φ白云岩：白云岩骨架密度为2.87克/厘米3。孔隙度为零的白云岩其“石灰岩孔隙度”为:φ＝(2.71-2.87)/(2.71-1.0)=-0.094孔隙度为φ的白云岩，其密度为ρｂ＝2．８７-1．８７φ其“石灰岩孔隙度”为Ф＝-0.094＋1.094φ上述计算说明，以石灰岩为标准刻度的仪器，如果忽略了岩性的影响，对砂岩地层求出的孔隙度比实际孔隙度大，而对白云岩求出的孔隙度比实际孔隙度小。当岩石骨架中含有重矿物时，用密由此可得出以下两点结论：(1)用密度测井值求孔隙度时，应根据岩性确定其视密度，而(2)利用非石灰岩地层的“石灰岩孔隙度”与实际孔隙度的差别可以识别岩性。地层密度测井四、补偿密度测井（FDC）主要用途：可利用长短源距的测量结果来计算有泥饼影响条件下被测岩石的真实密度值。1个放射性源两个探测器贴井壁测量1、基本原理仪器的放射源和探测器装在压向井壁的滑板上。测井时伽马源向地层发射伽马光子，经地层散射吸收后，有部分经过散射的光子由离源不同距离的两个伽马射线探测器所接收。源和探测器之间由屏蔽隔开，使源发射的伽马光子不能直接射到探测器。仪器背向地层的一方也屏蔽起来，以减小井的影响。离源近的探测器叫短源距探测器，离源远的另一个叫长源距探测器。地层的密度不同，对伽马光子的散射和吸收能力不同，探测器记录到的读数也不同。2、计数率与地层密度的关系探测器到源的距离叫源距。当源强和源距选定后，探测器接收到的散射伽马射线的强度决定于地层的两个作用过程：当源距很小时上述第①个过程是主要的，因而地层密度越大，计数率也越高。当源距很大时，上述第②个过程压倒了第①个过程的作用，因而地层的密度越大，探测器接收到的光子越少，计数率就越小。①由源发射出的伽马光子经地层散射或多次散射使部分光子射向探测器；②射向探测器的那些伽马光子，有一部分被再散射而改变方向或者被吸收。可知，在密度大的地层中，计数率随源距的增