第七章自然伽马测井

1、核测井 以核物理学、核射线探测技术为基础 测井方法:伽马测井、中子测井（和核磁测井） 目前独立的核测井方法有30多种，能提供的参数近50种，为勘探和开发服务,1、1896年，Becquerel发现了自然放射性，随后研究人员发展了伽马射线探测技术和探测仪器，到19351939年自然伽马测井得到市场的确认，成为当时唯一的核测井方法，用于划分岩性、确定泥质含量,核测井发展的三个时期,1903年诺贝尔物理学奖-因发现自然发放射性,2、1932年， Chadwick发现中子，随后科学界研究了中子与物质的相互作用和中子的探测技术，1941年以后中子测井成为代表核测井技术的测井方法，确定岩性、孔隙度、套管井

2、饱和度,1935年诺贝尔物理学奖 -因发现中子,3、1945年, purcell发现了核磁共振现象，1949年出现核磁测井技术，1988年研制出第一台核磁测井样机，19901995年核磁测井得到市场的普遍确认，区分油气水、可动与束缚流体，求渗透率及研究孔吼分布,珀赛尔 (E.dward Purcell,1952年诺贝尔物理学奖,核测井的优点,1、对测量条件有广泛的适应性，能在各种泥浆的裸眼井、套管井中进行测量，服务期包括勘探、开发的全过程,2、能提供大量的物理参数，且大部分参数不可能用其它方法获得，即具有不可替代性,核安全,1986年4月26日,切尔诺贝利核电站反应堆发生爆炸,2011年3月1

3、1日，日本大地震引发的核电站核泄露事故,第七章,自然伽马测井（GR) （ natural gamma_ray log ） 自然伽马能谱测井(NGS) (natural gamma_ray spectral log,自然伽马和自然伽马能谱测井,地质及核物理基础：岩石中含天然放射性核素，主要有铀系，钍系和钾，自然衰变时产生不同能量的伽马射线,测量方法：用伽马射线探测器测量地层中总的自然伽马射线强度（自然伽马测井,主要用途：划分岩性及渗透层，求泥质含量，地层对比，沉积环境研究，烃源岩研究,测量方法：对伽马射线进行能谱分析,分别测量岩石的铀、钍、钾含量（自然伽马能谱测井,1 伽马测井基础,一、放射性核

4、素和核衰变,1、原子和原子核,元素符号:X 质子数:Z 中子数:N 质量数:A A=Z+N,2、核素和同位素,核素：原子核中具有一定数目的质子和中子，并处在同一能态上的同类原子（或原子核）,同一核素的原子核中，质子数和中子数都分别相等,同位素：是具有相同原子序数的同一化学元素的两种或多种原子之一, 它们在元素周期表中占同一位置,核素表示,ZXA,同位素表示：AX,3、稳定核素和放射性核素,原子核能自发的发生衰变， 由一种核素变为另一种核素,稳定核素：原子核不能自发的变为另一种核,放射性核素衰变时能发射， 和 射线,放射性核素,r射线:波长小于0.2纳米的电磁波, 具有极强的穿透能力,核衰变,放

5、射性核素的原子核自发地由一种核素变成另一种核素的过程,89,11,和,4、核衰变定律,式中 ： N0 t=0 时的原子核数 N 时刻 t 的原子核数 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T1/2：放射性核素因衰变而减少到原来 一半所需的时间,5、放射性活度（强弱的度量单位,放射性活度：一定量的放射性核素在单位时 间内发生衰变的核数,活度单位:“贝可勒尔”，简称“贝可”，符号为Bq。1Bq=1次核衰变/s,单位质量的活度叫比活度，单位为Bq/kg,吸收剂量:每1千克受照物质吸收1焦耳核辐射能时，其核辐射剂量称为1戈瑞,西弗:用于衡量辐射对生物组织的伤害, 定义为1西弗=1焦

6、耳（辐射能量）/公斤,二、岩石中的放射性核素及能谱,截至2007年, 总共有118种元素被发现,94种存在于地球上 ,已发现的天然核素约有330多种，其中273种为稳定核素，60余种为放射性核素,质量数小于209(质子数大于82)的大多数是稳定核素，只有少数是放射性核素，如K40、Co60、Cs137 、I131,而质量数大于209(质子数大于82)的全部是放射性核素,1、放射系：连续衰变时放射性核素所构成的系列,1) 钍系：钍系是从232Th开始的，到208Pb结束，它的半衰期为1.411010年,铀系：238U开始，到206Pb结束， 238U的半衰期.410年,2、放射系长期平衡,子核与

7、母核的核数比为常数,子核放射性活度恒等于母核放射性活度,3、铀系、钍系、钾的伽马射线初始谱,初始谱：根据放射系中核素的原子核初始衰变产生的伽马光子的能量和相对强度画出的能谱图,相对强度：衰变100个核产生的伽马光子数,自然伽马能谱测井中，选择208Tl发射的2.62Mev 的伽马射线来识别钍,自然伽马能谱测井中选择214Bi发射的1.76Mev 的伽马射线来识别铀,三、岩石的自然伽马放射性与岩石性质的关系,1、与三大类岩石的关系,岩浆岩及变质岩：放射性高于沉积岩，它含有较多的放射性矿物 （锆石，独居石，揭帘石，角闪石及辉石等,沉积岩：一般放射性低于岩浆岩和变质岩。通常不含放射性矿物，其自然放射

8、性主要是岩石吸附放射性物质引起的，吸附能力有限,几种造岩矿物和副矿物的铀含量范围,几种矿物的钍含量和钍铀比,2、沉积岩的放射性,粘土岩放射性最高，而石膏、硬石膏、盐岩等放射性最低，其它岩类在它们之间,蒙脱石：分子中不含放射性核素，但表面积最大（269m2/g)，对放射性物质吸附能力强,伊利石（水白云母）：它本身含有钾，对氧化铀有一定的吸附能力（不是很强,高岭石和绿泥石：本身不含放射性核素，比面积又小，吸附能力差,石油测井中铀、钍、钾含量用的单位： 铀、钍含量用g/g（g/t,g/l)，记作ppm 钾含量用0.01g/g，记作,沉积岩的自然放射性强度随泥质含量增加而增加（含放射性矿物的岩石除外,

9、伽马射线与物质相互作用的几率,用截面 表示，它的物理意义是：一个入射光子与单位面积上一个靶原子（或电子）发生作用的几率，它具有面积的量纲，所以称之为截面。一般用10-24cm2 作为截面的单位,称为靶恩(b),截面的大小与伽马射线能量及靶物质的性质有关,二. 伽马射线与物质的作用与探测,1、光电效应,伽马光子与原子核外的束缚电子作用，光子把全部能量转移给某个束缚电子，使之发射出去（光电子），而光子本身被吸收,光电子能量伽马光子能量,hv:伽马光子的能量,m0c2:电子的静止质量能,光电效应截面,2、康普顿散射,伽马光子与原子的核外电子发生非弹性碰撞，一部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电

10、子，而光子（散射光子）的能量和运动方向发生变化,1).散射光子和反冲电子的能量,散射光子的能量为,反冲电子的动能为,a.当=0o时，散射光子的能量达到最大，这时反冲电子的能量为0，光子能量没有损失,反冲电子的能量达到其最大值,b.当=180o时，这时散射光子能量最小，为,反冲电子能量=0Emaxe,2)、电子的康普顿散射截面e,当hvm0c2时,当hvm0c2时,r0=2.810-13 cm,为经典电子半径,3)、康普顿线性减弱系数,伽马光子通过1cm的物质时,发生康普顿效应的几率,e每个电子的康普顿散射截面,NA阿佛加得罗常数，6.021023/mol 体积密度（g/cm3) A原子的质量（

11、摩尔质量）(g/mol,单位体积的物质中所有电子的康普顿散射截面,3、电子对效应,当伽马光子从原子核旁经过时，在原子核的库仑场的作用下，伽马光子转变为一个正电子和一个负电子，这种过程称为电子对效应,电子对效应截面p,当hv2m0c2时,当hv稍大于2m0c2时,4、三种效应的优势区,I0 x=0 处的射线强度， 光子与物质发生三种作用的总线性衰减几率,5、伽马射线的吸收,在物质中，伽马射线束通过x路程后其强度I为,I=I0e-x,6、伽马射线的探测,1).基本原理概述,伽马光子与探测器发生三种效应，产生次级电子,使气体电离，产生电离电荷,使NaI 晶体激发，产生光子,产生的电子到达阳极，输出一

12、个负电压脉冲,与光阴极物质发生光电效应产生光电子,使光电子倍增形成电子束,在阳极上产生负电压脉冲,计数管,闪烁计数器,记录一个伽马光子，输出一个电脉冲,2).盖革-弥勒计数管(G-M计数器,a. G-M计数管结构,阴极：用金属圆筒或在玻璃内壳上涂一层金属膜,阳极：管中央的一根细导线,管内：充以惰性气体(加少量的乙醇或乙醚等,b.原理,a).管内没有电离电流时,电路不通,阳极A电位U0,b).入射r次级电子管内气体电离电离电子向阳极移动并不断增加到达阳极附近爆发性增加(雪崩) A点电位瞬时降低有瞬时电流通过电阻R流向阳极阳极电位恢复在A点产生一个负电压脉冲,c).计数管记录一个伽马光子就输出一个

13、电压脉冲,d).通常把单位时间(分钟）的脉冲数称为计数率，计数率与伽马射线强度成正比,f).探测效率：记录脉冲数占入射粒子数的比值（约1,3)、闪烁探测器,组成单元：闪烁体、光电倍增管、电子元件,工作过程,b.次级电子使闪烁体激发，退激时产生荧光光子,a.射线进入晶体，通过三种效应产生次级电子,c.将光子收集到光电倍增管的光阴极（原子序数大的材料）上，产生光电子（光电效应,d. 光电子在光电倍增管中数量增加几个数量级，形成的电子流在阳极负载上产生电信号,e.电信号经电子仪器处理、记录,输出脉冲的幅度和能谱响应,1）输出脉冲幅度：与入射伽马光子在闪烁体中损失的能量成正比，而光子是通过三种效应损失

14、能量的，且各不相同,2）输出脉冲的个数： 与入射光子的强度(单位时间伽马光子数)成正比 （计数率脉冲数/分钟,幅度与强度的关系能谱,a.模数变换器将输入 脉冲幅度按比例变 换成整数（地址码,b.每个地址对应存储 器的一个记录道， 每进一个脉冲就增 加一个计数,c.累积每道计数,得到一个谱(计数率与道址,多道脉冲幅度分析器,仪器谱：用伽马谱仪测的自然伽马射线脉冲幅度谱(计数率与道址)，是连续谱（被光子与闪射晶体相互作用复杂化,0.662Mev,峰A：全能峰(0.662Mev),是由光电效应形成的,平台B：是康普顿效应产生的,峰C：为反散射峰（光电效应0.184Mev,峰D：X射线峰(32kev,

15、0.662Mev,基本参数,1）计数率,2）探测效率,探测器每分钟输出的脉冲个数，计数率的大小与入射射线的强度成正比,输出的脉冲数占入射粒子数的百分比(20%左右,3）能量分辨率,脉冲能谱分布的半高宽与入射光子的能量比(约10,2 自然伽马测井,用伽马射线探测器测量地层总的自然伽马射线的强度(计数率,一.自然伽马仪器的刻度,1.测井仪标准化,1）标准刻度井,不同仪器，对同一测量对象得到不同的计数率,低放射性地层两个，高放射性地层一个（在中间，模拟泥岩，总放射性是低放射性地层的2倍,探测效率不同，电子线路和仪器外壳的吸收条件等差别引起,2）API单位,美国石油学会（American Petrol

16、eum Institute）规定,200API=高放射性地层计数率低放射性地层计数率,不同仪器，相同测量对象得出相同的API值,一级刻度井：全国统一的刻度井 二级刻度井：各油田建立的刻度井 三级刻度井：用伽马源现场刻度,不同仪器，一个API单位对应的计数率不同,例：标准刻度井中，高放射性地层强度为40000个光子/分钟， 低放射性地层强度为20000个光子/分钟；甲探测器的探测效率为10%，乙探测器为20,甲一个API单位对应的计数率,乙一个API单位对应的计数率,在刻度井中刻度,甲探测器得到的计数率为：300个脉冲/分钟,乙探测器得到的计数率为：600个脉冲/分钟,对一个放射性强度为3000

17、个光子/分钟的地层测量,而API单位为：300/10=30 API,而API单位为：600/20=30 API,二.自然伽马仪器的探测特性（探测范围,径向：探测深度最大为46cm,纵向：分辨率约为1m,探测范围定义：半径为r 的球体对测量结果的贡献占全空间的贡献的99%时，球的半径r,按地层吸收系数最小值计算,r=46cm, 探测范围最大值是一个直径小于1m 的球体,统计误差产生的原因,核物理现象及对这些现象的探测具有随机性,核衰变数和计数的统计分布,三.自然伽马曲线特点,1）曲线有统计性涨落变化（自学,当数学期望值或平均值M较大时, 统计分布服从高斯分布,服从二项式分布,标准误差,相对误差,

18、服从高斯分布的总体，标准误差就是均方根差,N是一次测量的计数值,n是有限次测量的平均值,a. 计数N的标准（涨落）误差,标准误差,相对误差,b.计数率仪测量结果的误差,标准误差,相对误差,c.伽马曲线的涨落误差,a. 对称于地层中点,b.地层界面: 厚层（大于1m)，曲线半幅点对应 薄层,半幅点厚度大于地层厚度,d.代表值:极值,2）伽马平均曲线,r0=15cm,井眼半径,四.伽马曲线应用,1、识别岩性、划分储层,2、计算泥质含量,适用条件,3.测量注水井吸水剖面(示踪测井,1）吸水剖面：注水井段每个小层的相对吸水量或注水井段累计相对吸水量,2）施工,常选用I131做示踪元素,用医用活性炭做固

19、相载体吸附放射性同位素离子，与水配成活化悬浮液，注入井中时，水进入地层，而活化载体滤积在地层表面，形成活化层，滤积量与吸水量成正比,3）确定吸水量,Jr1(自然伽马）和Jr2 （示踪曲线）重叠,每层的面积差Jr1- Jr2 与该层相对吸水量成正比,4）识别大孔道,大孔道：是一种特殊的孔隙，是流体渗流的优势通道，后天形成的大孔道是由于注水开发形成的水洗通道,识别方法：选用不同粒径的同位素载体测量吸水剖面，使吸水层位得到划分,一、自然伽马能谱的测量,1、自然伽马能谱仪,2）多道脉冲幅度分析器：对电脉冲按幅度分类，分别在各道中记录相应幅度的脉冲数(得到数字谱道址与计数率,1）闪烁探测器：输出电脉冲,

20、计数率与伽马射线强度成正比，幅度与光子在晶体中损失的能量成正比,3 自然伽马能谱测井,3）井下控制系统：由计算机控制伽马谱仪的稳谱、数据采集、数据处理和编码，形成编码谱，经电缆传输到地面仪器,4）数据处理和记录系统：编码谱经解调器恢复为数据谱，经计算机解谱求出铀、钍、钾含量和总放射性强度,钍系、铀系、钾的特征伽马射线仪器谱,二、自然伽马谱的解析,方法有剥谱法（和逆矩阵法,以铀系、钍系、钾的标准伽马仪器谱为依据 假设混合谱是这三种标准谱的线性叠加 特征能量高的核素对能量低的核素的道域计数有贡献，特征能量低的核素对特征能量高的核素的道域计数没有贡献,1、标准仪器谱：用能谱仪在刻度井中测量只含铀、钍或钾一种放射性核素的尺寸足够大的模拟地层，得到每种放射性核素的标准仪器谱,U的自然伽马仪器谱,2、自然伽马仪器谱的解析(剥谱法,特征道域：对三个特征峰刻度的计数用道区间,分别记录K40 、铀系的Bi214 、钍系的Tl208三个特征峰（能量为 1.46mev、1.76Mev、2.62Mev,I（94113)、II(115139)、III(173211,设I、II、III