核辐射测井物理基础

核辐射测井物理基础吴文圣测井研究中心核辐射测井关心的粒子•α粒子•β粒子•γ粒子•中子由高速运动的氦原子核组成的。它的穿透能力最低，但电离作用最强。高速运动的电子流。穿透能力比α粒子强，电离作用比α粒子弱。是波长很短的电磁波。它的穿透能力最强，电离作用最弱。近乎不带电的中性粒子。包括快中子、热中子和超热中子。核辐射测井的主要探测对象及分类•γ粒子•中子伽马测井：以研究伽马射线与地层或流体相互作用为基础的测井方法。中子测井：以研究中子与地层或流体相互作用为基础的测井方法。。主要内容•几个基本概念•伽马测井的物理基础•中子测井的物理基础•核辐射测井的岩石物理基础•探测技术基础•几种常见核辐射测井方法理论基础•核辐射测井的现状与未来§1：几个基本概念•能态：•基态：•激发态：1、能态、基态和激发态原子核处于不同的能量状态。能量最低的状态。处于比基态高的能量状态。2、放射性衰变•原子核自发的放出各种射线而转变为另一种核素的过程。•涉及到三个衰变：α衰变、β衰变或γ衰变。•释放出三种射线：α射线、β射线或γ射线。•衰变的基本规律：N(t)=N0e-λt3、放射性活度•把单位时间内一个放射源发生衰变的原子核数称为放射性活度，也称放射性强度。•由于历史原因，习惯上采用居里（Ci）作为放射性活度单位。它的定义是：一个放射源如果在每秒内产生3.7×1010次衰变，这个放射源的放射性活度即为1居里。•放射性活度的国际单位是贝可勒尔，简称贝可，记作Bq。它的定义是：放射源每秒产生一次衰变为1贝可，1Bq=1s-14、核反应截面•当一定能量的入射粒子轰击靶核时，可能发生多种核反应，每种反应都有一定的几率，反应截面σ就是描述这种反应几率的大小。•σ的物理意义是：一个粒子入射到单位面积内只含一个靶核的靶上所发生反应的几率。•量纲：靶恩（b），1b=10-24cm2§2伽马测井物理基础1.涉及到的主要核反应2.涉及到的岩石特征参数光电效应康普顿效应电子对效应岩石的真密度ρb电子密度ne电子密度指数ρe光电吸收截面σ光电吸收截面指数Pe体积光电吸收截面指数U岩石的视密度ρa02468100246810YAxisTitleXAxisTitleB光子能量E0靶核光电子e光电效应只有在束缚电子上发生，在入射光子能量相同的情况下，电子在原子中被束缚得越紧，就越容易发生光电效应。•发生光电效应截面与原子序数的关系：对于同一能量的入射光子来说，物质的原子序数越高，光电效应截面越大。因为原子序数高，电子在原子中束缚程度也就高，所以截面就大。光电效应截面与作用物质的原子序数有着强烈的依赖关系。光电效应：•γ光子与原子发生光电效应的截面（即几率）与入射光子能量的关系：入射光子能量很高时，截面将很小。因为电子在原子中束缚程度的大小是与入射光子的能量相比较而言的。当入射光子的能量很高时，相对来说，电子的束缚程度就很低，所以截面就很小。6.4KZ02468100246810YAxisTitleXAxisTitleB入射光子能量E0靶核散射光子反冲电子e康普顿效应：•康普顿效应不仅在束缚电子上可以发生，而且在自由电子上也可以发生。正因为如此，康普顿效应大多是在原子的外层电子上发生。AZNKAC02468100246810YAxisTitleXAxisTitleB入射光子能量E0靶核e_e+电子对效应：发生电子对效应的条件：一是除了γ光子和电子外，还必须由原子核参与；二是γ光子必须具有足够大的能量（大于1.022MeV）。0.010.1110100020406080100ZEγ/MeV光电效应区域康普顿效应区电子对效应区电子对效应区•3.物质吸收γ射线的规律II0e-μx=xI0I=I0e-μx§3中子测井物理基础•快中子•热中子非弹性散射弹性散射活化反应辐射俘获活化反应所涉核反应岩石特性参数宏观散射截面减速时间减速长度减速能力宏观俘获截面扩散时间中子寿命nn’γ基态靶核基态靶核激发态靶核非弹性散射•非弹性散射的几个特点：•只有快中子才能产生非弹性散射。•主要发生在中子发射后的10-8~10-7s时间间隔内。•重核比较容易激发非弹性散射，发射的γ射线能量也较低。•由于非弹性散射γ射线的能量取决于靶核的能级特征，其大小反映靶核的性质，因此，可以通过对非弹性散射γ射线能谱的测量来进行元素分析，这是非弹性散射γ射线能谱（如C/O）测井的基础。θ碰撞后的中子反冲核•主要发生在中子发射后的10-6~10-5s时间间隔内。弹性散射)cos21()1(1212122212212AAAmvmvEE•热中子的辐射俘获反应：nγ靶核基态靶核激发态复核§4核辐射测井的岩石物理基础•几乎所有元素周期表中的元素都能在地层中找到。但主要的地层元素O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg和H总量占地壳总量的98.13%。核辐射测井所关心的就是这几种元素。•核辐射测井中，通常用1~3种元素作为某种地层矿物的指示元素，如Si作为石英的指示元素，Ca作为石灰岩的指示元素，Mg和Ca为白云岩的指示元素，Si、Al和K作为钾长石的指示元素。•每种矿物的化学成分稳定时，矿物中元素含量的百分比也是不变的，这是核辐射测井通过测量地层中元素的含量来判断地层的矿物成分和流体类型及含量的前提条件。•岩石的自然放射性是由岩石中放射性核素及其含量决定的。在自然界中原子量A209的核素多数是稳定的，只有少数是放射性的，如40K；而A209的核素全部都是放射性的。•自然界中有三个天然放射系，即铀系、钍系和锕系，它们的初始核素分别为238U、232Th和235U。岩石的自然放射性主要是由238U和232Th开头的两个放射系和放射性核素40K决定的。•核衰变放出的γ光子具有特定的能量。测得地层中γ光子的能量往往可以确定地层中存在某种核素。•沉积岩的自然放射性规律：自然放射性随着泥质含量的增加而增加；随着有机物含量的增加而增加；随着钾盐和某些放射性矿物的增加而增加。•水是地层中减速能力最强的物质。重元素组成的物质宏观减速能力比轻元素差。在岩石骨架中不含氢情况下，可近似地认为岩石的减速能力等于岩石孔隙中水或原油的减速能力。•含氢指数越大的地层减速能力越强，快中子减速时间越短，减速长度越小。•在其他条件相同的条件下，地层水的矿化度越大，岩石宏观俘获截面越大。•硼的俘获截面特别大，岩石中只要含有微量的硼，它的宏观俘获截面显著增大，而且硼俘获热中子几乎不释放伽马射线。•当岩石中泥质含量增加时，铝、铁、钛、钾、锰、硼等俘获截面大的核素增多，岩石的宏观俘获截面增大。•岩石宏观俘获截面越大，热中子的扩散时间越短，中子寿命越小。§5探测技术基础•γ射线与物质相互作用过程中，发生光电效应、康普顿效应和电子对效应。这三种效应均产生次级电子，这些电子能引起组成探测器灵敏元件中物质原子的电离和激发。绝大多数仪器都是利用这两种物理现象来探测γ射线的。1、射线探测的基本原理次级电子与原子的束缚电子发生非弹性碰撞，次级电子与束缚电子之间产生静电作用，使束缚电子获得足够的能量挣脱原子核的束缚，变成自由电子，从而产生由自由电子和正离子组成的离子对束缚电子所获得的能量还不足以使它变成自由电子，而只是激发到更高的能级•目前测井用的探测器主要是闪烁晶体探测器，如NaI、CSI、BGO、GSO。•其探测的具体原理为：①闪烁体吸收次级电子的能量，使原子电离和激发；②被电离和激发的原子在退激时产生光子即发生闪烁；③反射物质和光耦合剂使光子被收集到光电倍增管的光阴极上，并经光电效应产生光电子；④光电子在光电倍增管中倍增，电子数量增加几个数量级，并被阳极收集，在阳极负载上产生电信号；⑤电子仪器处理和记录这些电信号。2、中子探测•在核物理中，探测中子的方法很多，有核反冲法、核反应法、核裂变法和核活化法等。但在核辐射测井中只用核反应一种方法测量中子。•中子是不带电的中性粒子，本身不具有电离能力，但它与某些物质的原子核发生核反应，如（n，α)、(n，p)，会释放出电离能力很强的带电粒子，这是探测中子强度的物理基础3、统计涨落•在进行核辐射测量时，若用探测器多次重复测量相同时间间隔内的粒子数，那么每次测量的结果并不完全相同，而是围绕着某个数值上下涨落，这种现象称为核辐射计数的统计涨落。•核辐射测量中的统计涨落现象是微观粒子运动中的一种规律性现象，与测量的过程和条件无关，是放射性原子核衰变的随机性引起的。•核辐射测量的统计误差具有偶然误差的性质，但它产生的原因与一般非放射性物理量测井的偶然误差不同。4、能谱能量计数率137Cs光电峰反散射峰X射线峰由光电效应造成，能量最大，也称全能峰穿透晶体的光子在与晶体直接接触的物质中反散射而又回到晶体中引起的光电效应造成的由Ba释放出K层电子造成的§6几种常见核辐射测井方法的基础•自然伽马测井•自然伽马能谱测井•岩性密度测井计数率与源距计数率lnN源距dd0ρ1ρ2ρ1ρ2探测器接收光子取决2个过程：一是由源发出的光子经过地层一次或多次散射，使部分光子射向探测器；二是射向探测器的光子，有一部分被再次散射而改变方向或被吸收。Pe的求取234560.002480.006740.018320.049790.135340.36788Nswindows(KeV)40-5050-6060-7070-8080-9090-100100-110110-130130-150Ns/NHPe(barn/e))ln(ln10DENLITHKNPe0.10.20.30.40.50.60.0000.0020.0040.0060.0080.010（高U）（中U）（低U）Pe光电效应区康普顿散射区φ=0φ=0.2φ=0.4相对计数能量（MeV）光子能谱确定光电效应区和康普顿效应区以及密度和Pe的计数能段0.0000840.0000900.0000960.0001020.0001080.0001140.0001202.26033E-6含重晶石不含重晶石2.152.452.75短源距探测器光子通量（粒子数/cm2）反散射探测器光子通量（粒子数/cm2）0.0000840.0000900.0000960.0001020.0001080.0001140.0001205.6028E-91.523E-84.13994E-8含重晶石不含重晶石长源距光子通量（粒子数/cm2）反散射探测器光子通量（粒子数/cm2）02468100246810伽马源反散射探测器短源距探测器长源距探测器地层YAxisTitleXaxistitle4、三探头密度测井01020304050600.00.20.40.60.81.06543211无泥饼、长源距2无泥饼、中间源距3无泥饼、短源距4有泥饼、长源距5有泥饼、中间源距6有泥饼、短源距△ρ/△ρmax薄层层厚（cm）泥饼和薄层的双重影响为泥饼和薄层的双重影响校正提供方法02468100246810中间源距探测器伽马源短源距探测器长源距探测器地层YAxisTitleXaxistitle5.欠平衡与正常测井中的密度测井2468102.00E-0083.00E-0084.00E-0085.00E-0086.00E-0087.00E-0088.00E-008Φ/cm-2φ/%甲烷空气氮气原油泥浆0204060802.00E-0083.00E-0084.00E-0085.00E-0086.00E-0087.00E-008Φ/cm-2Sg/%甲烷氮气空气原油泥浆8101214164.00E-0086.00E-0088.00E-0081.00E-0071.20E-007Φ/cm-2R/cm甲烷氮气空气原油泥浆结论：•当井眼直径较小时，在正常测井或欠平衡测井条件下，气层的密度测井响应特征基本相同，欠平衡密度测井资料可以正常应用．当井眼直径较大时，如果仪器与井壁接触良好，可正常应用，否则需要做井径影响校正．03060901201501802102402703003303600.00000050.00000060.00000070.00000080.0000