第4章-自然伽马测井

1自然伽马测井2岩石中所含的放射性元素的种类和数量不同，放射性强度也不同。岩石的自然伽马放射性水平主要决定于铀U、钍Th、钾K的含量。自然伽马测井GR：通过测量岩层的自然伽马射线的强度来认识岩层的一种放射性测井方法。是在井内测量岩层中自然存在的放射性元素核衰变过程中放射出来的伽马射线的强度。4.2.1自然伽马测井的测量原理4.2自然伽马测井井下仪器包括：伽马射线探测器（将接收到的伽马射线转换成电脉冲的装置）、供给该探测器所需的高压电源，以及将探测器输出的电脉冲进行放大的放大器等。地面仪器主要包括：将来自地下的一连串电脉冲转换成连续电流的一整套电路，以及记录仪和电源等。测量原理：当井下仪器在井内由下向上提升时，来自岩层的自然伽马射线穿过钻井液和仪器外壳进入探测器，经过闪烁计数器，将伽马射线转化为电脉冲信号，放大器把电脉冲放大后由电缆送到地面仪器，地面仪器把每分钟电脉冲数转变成与其成正比例的电位差进行记录，井下仪器沿井身移动，就连续记录出井剖面上自然伽马强度曲线，称为GR曲线，单位是脉冲/分，在仪器标准化后，曲线单位是μR/h。现在使用API单位。3自然伽马测井原理整形器计数率计积分线路输入输出特性时间常数：RC输入电压输入电压输出电压计数电路41、理论曲线特征1)、探测范围岩石放射的伽马射线能到达探测器的一个以探测器中点为球心的球体，其半径约为30～45cm。2)、总体特征对着高放射性地层，曲线显示高读数，并在岩层中心处出现极大值。对于厚岩层，该极大值能很好地反映岩层的放射性，随着岩层厚度的变薄，极大值随之降低。4.2.2自然伽马测井曲线的特点自然伽马测井的探测半径和岩层厚度与GR曲线的解释关系3)、曲线的对称性上下围岩放射性含量相同时，曲线对称于地层中点，反之，曲线不对称。5自然伽马理论曲线理论曲线与实际情况的差异分析理想情况：探测器在井内是进行的点测，而且每一个点上的读数是较长时间内（＞3τ）所测脉冲数的平均值。实际测井情况（有v和τ参数）：◆仪器有一定的上提速度v，使得探测器在井内每一深度的停留时间有限◆地面仪器中将脉冲数平均转化为连续电流的计数率电路的时间常数τ有一定的数值，且不可能太长－－记录电路的“延迟性”。d0－井径4)、当岩层厚度较厚时当h大于3倍d0井径或者大于2倍探测半径时，地层中心处的平均值为地层的伽马射线强度值，可用曲线上最大幅度一半的地方（半幅值点）划分岩层的上下界面。5)、当岩层变薄时当h＜3d0时，受低放射性围岩的影响，自然伽马幅度值对厚度h减小而减小，岩层界面的位置移向曲线的顶端。61)、测井速度v和记录仪中电路的积分时间常数τ的影响vτ越大，曲线幅度越小，对称性越差，极值向提升方向偏移越远，即曲线的深度位移和形态畸变随之加剧。不同测井速度对自然伽马测井曲线的影响2、自然伽马测井曲线的影响因素深度位移：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，需通过与其它曲线的对比，将整个曲线下移一定深度（深度校正）。时间常数RC对放射性测井曲线的影响仪器移动方向72)、放射性涨落误差的影响放射性涨落：在放射性源强度和测量条件不变的情况下，在相同的时间间隔内，对放射性射线的强度进行反复测量，每次记录的数值不相同，但总在平均值）附近变化实测自然伽马测井曲线特征锯齿状n－地层的平均计数率n它和测量条件无关，是微观世界的一种客观现象，并且有一定的规律。这是由于放射性元素的各个原子核的衰变彼此独立，衰变的次序是偶然原因造成的。这种现象的存在，使得自然伽马曲线不光滑，有许多起伏的变化。这些起伏是放射性涨落引起的，不是由于地层放射性元素含量变化引起的。放射性测井曲线上读数的变化，一种是地层性质引起的变化，用它可以划分地质剖面。另一种变化是放射性涨落引起的。区分这两种变化是正确解释应用的前提。放射性涨落符合统计规律，其误差可以计算。统计涨落GRSP泥岩砂岩8n放射性测井曲线涨落误差（1）测井测量的每一点计数率的涨落误差σ1如能根据多次测量确定平均值，则每次的测量读数与平均值的误差就是σ1。采用积分线路的自然伽马测井仪，其输出结果是在输出时刻前2τ时间内的平均值，则曲线上任何一点的相对标准误差为：n211相对误差：11n绝对误差：曲线上任何一点的计数率和真值间的偏差为：（3）放射性的涨落误差：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（2σ2）)(21（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hnvnnhvN2221绝对误差相对误差的地层脉冲总数－厚度为hN)2293)、地层厚度的影响◆当地层足够厚时，对应曲线的幅度平均值代表地层的真实情况。当地层很薄时，曲线的平均值达不到代表地层的真实性质。◆在砂泥岩剖面，由于地层变薄会使得泥岩的自然伽马测井曲线值下降，砂岩层的自然伽马曲线值上升，并且地层越薄，这种上升和下降的幅度越大。对于地层层厚小于3d0时，应考虑层厚的影响。4)、井的影响井内钻井液的放射性强弱对数值有影响。井径大，井内钻井液降低了岩层的数值。套管和管外的水泥环有很强的吸收能力，也降低了曲线的数值。在大井眼和套管井中，要做曲线校正。物理意义：同一地层各点的读数n落在的几率为68.3%。如果分层正确，那么该层内就应有70%左右的读数不超出，如果曲线幅度变化超过上述范围，且超过(2.5～3)σ时，则分层不正确，应重新分层。nn地层厚度对自然伽马曲线的影响薄砂层薄泥岩层测值围绕平均值的变化情况及其统计分布规律示意图高斯分布厚砂层厚泥岩层104.2.3自然伽马曲线的应用1、划分岩性GRmaxGRmin砂泥岩剖面自然伽马测井曲线自然伽马测井响应曲线1)、在砂泥岩剖面，纯砂岩GR最低，粘土最高，泥质砂岩较低，泥质粉砂岩和砂质泥岩较高。即自然伽马随泥质含量的增加而升高。GR112)、在碳酸盐岩地层，纯石灰岩和纯白云岩最低，泥岩和页岩最高，泥灰岩较高，泥质石灰岩、泥质白云岩介于它们之间，也是随泥质增加曲线数值增高。3)、在膏盐剖面中，石膏层的数值最低，泥岩最高，砂岩在二者之间。碳酸盐岩剖面自然伽马测井曲线用自然伽马测井曲线划分膏盐剖面砂岩储集层砂岩储层砂岩储层122、进行地层对比(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，同一储层由于含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。穿过某油田的剖面确定第1、2类砂岩的分布(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。133、确定泥质含量1)、地质基础（计算条件）：地层除粘土矿物外，不含其它放射性矿物时2）相对值计算法：砂泥岩剖面：低GR的为砂岩储集层，在厚层状态下可以用半幅点分层碳酸盐岩剖面：低GR说明含泥质少的纯岩石，结合高孔隙度、低电阻率可划分出储集层1212minmaxminGCURIGCURshGRGRVGRGRGRGRI利用IGR确定泥质含量Vsh的图版3)、经验法：用统计法得到Vsh～GR的经验公式00BGRBGRVshshbsh或者考虑体密度对自然伽马的数值影响这里：B0是不含泥质纯地层的背景值sdsdGRB0GCUR=3.7GCUR=2GRI14常见矿物铀、钍和钾含量1、粘土岩石中铀()、钍()和钾()的分布粘土岩中粘土含量＞50％，一般来说，普通粘土岩中钾、钍含量高，而铀的含量较低。根据统计分析得知放射性平均含量钾2%，铀6mg/l，钍12mg/l。在还原环境中，铀的含量会增高，如海相页岩中铀含量可达100mg/l。若富含有机质或硫化物时，铀含量明显增高。粘土岩中Th/U比值在2.0～4.1范围内。采用能谱分析的方法，可以定量测量钍、铀、钾的含量，同时给出地层总的伽马放射性强度和无铀自然伽马强度，用以解决更多的地层问题。4.3自然伽马能谱测井4.3.1自然伽马能谱NGS测井的地质基础23892U23290Th4019K粘土矿物粘土矿物膨润土蒙脱石高岭石伊利石绿泥石蒙脱石高岭石伊利石绿泥石152、沉积岩中铀、钍和钾的含量表4-2砂岩和碳酸盐岩铀、钍和钾的含量范围◆砂岩及碳酸盐岩中，随粘土矿物增加，铀、钍、钾的含量增加，但水流作用也可造成铀含量很高。用钾含量或钾、钍含量之和（去铀自然伽马）计算泥质含量，比用总的自然伽马计算泥质含量更好。◆钍化合物难溶于水，是母岩风化的产物，故岩石中钍含量较高时，离物源区较近。Th/U比与沉积环境有关。◆四价铀U4+难溶于水，六价铀U6+溶于水，铀含量与沉积环境及成岩后水流作用有关。四价铀氧化成六价铀，六价铀在还原环境条件下变成四价铀而沉淀。铀含量与生油粘土岩的有机碳含量有关，或者与储集层水流作用有关。为了避免高含铀含量造成对储集层的误判，NGS测井还记录去铀自然伽马曲线。岩石K（%）U（ppm）Th（ppm）砂岩0.7～3.80.2～0.60.7～2.0碳酸盐岩0.0～2.00.1～9.00.1～7.0161、铀、钍和钾的谱特征分析谱曲线，可得岩层中所含各种放射性元素及其含量特征值（用以识别铀、钍、钾的特征能量）：－1.46MeVTh－－2.62MeVU－－1.76MeV4.3.2自然伽马能谱测井原理铀系、钍系、K40伽马能谱4019K4019K特征谱特征谱根据铀、钍和钾的自然伽马能谱特征，用能谱分析的方法，将测量到的铀、钍和钾的伽马放射性的混合谱，进行谱的解析，从而确定铀、钍和钾在地层中的含量。钍系铀—镭系17混合谱：用伽马谱仪测到的自然伽马射线脉冲幅度谱要比初始谱复杂的多，它不但有各种特征伽马射线引起的光电峰或全能峰，还会有伽马光子与晶体发生康普顿散射或生成电子对等效应形成的其它能谱分布岩石样品的伽马仪器谱虽然各种谱峰值较多，但三个特征峰最易识别初始谱：根据铀系和钍系核素的原子核初始衰变发射的伽马光子能量和强度绘出的谱18仪器与自然伽马测井仪基本相同，使用NaI闪烁计数器，将入射的伽马射线能量的大小以脉冲幅度大小输出。地面仪器部分不同该仪器的核心是多道脉冲幅度分析器，该分析器将能谱分为5个能量窗口，各窗的能量范围是：2、测井仪和记录原理自然伽马能谱NGS分别对铀、钍、钾三种主要放射性核素辐射的伽马射线造成的计数率进行记录，反映的是不同放射性核素的效应。测井得到的曲线分别是反映钍含量（ppm）、铀含量（ppm）和K40（%）含量及总的计数率（API）自然伽马能谱测井测量原理W1：0.15～0.5MeVW2：0.5～1.1MeVW3：0.32～1.575MeV（含1.46MeV钾的特征谱）W4：1.65～2.39MeV（含1.76MeV铀的特征谱）W5：2.475～2.39MeV（含2.62MeV钍的特征谱）自然伽马总计数率(SGR)、钍含量，铀含量、钾含量、去铀自然伽马CGR用剥谱器对复杂谱进行解析19W1～W5分别是5个窗的计数率，响应矩阵A（5×3的矩阵）内元素值对应于每种放射性同位素对每个窗贡献的计数率（刻度系数），确定这15个系数可认为是对井下仪器的标准刻度。KUThA54321实际计算解谱：对各能窗综合考虑三种元素的贡献，列出方程组求解用NaI晶体探测器取得的钾、钍、铀的真实能谱图井下部分地面部分自然伽马能谱测井仪器的原理示意图钍系铀系钾201、研究生油岩岩石中有机质对铀的富集起着重要作用，还原环境和有机质的富集，可以使泥质沉积物吸附