（地质工程专业论文）随钻自然伽马测量仪器的系统设计.pdf

f i i ii i1 11i l l i ii it illi 18 7 6 4 0 4 g a m m a l w dt o o l s at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo f e n g i n e e r i n gm a s t e r c a n d i d a t e ：g a ob i n s u p e r v i s o r ：p r o f l ih u i y i n s c h o o lo fg e o s c i e n c e s c h i n au n i v e r s i t yo f p e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所 取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以 标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人 或他人为获得中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的 说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： l 萤堑日期：乃，f 年 月 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其 印刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关 部门( 机构) 送交、赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印， 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：受递 指导教师签名 日期：如，年 日期：厶i t 年 fa e l ，具i e l 摘要 随着世界经济、工业的发展，各国对油气资源的需求也越来越大，但由于油气 资源的不可再生性，提高油气的采收率就成为人们追求的目标，面对国外公司技术 的封锁和国内应用市场的巨大需求，随钻自然伽马测井仪器的研发对提升我国的石 油测井仪器研发水平，打破国外对该行业高端设备的技术垄断，降低钻井成本，提 高油井产量具有重要的意义。 本文首先系统的介绍了石油测井的基本概念、理论基础、最新进展等。对于随 钻自然伽马测井仪器的研制意义、放射性测井的原理和刻度方法等进行了深入的分 析。在此基础上对随钻自然伽马测量仪器研究的内容进行了详细的介绍，并着重分 析了系统硬件和软件的设计方法，包括总体分析与设计、电源电路设计、脉冲整形 电路设计、伽马数据采集与存储电路设计等。针对随钻仪器需要长时间工作在高温、 高压、强振动环境中，对随钻自然伽马短节的可靠性设计，采取了必要的措施，使 其达到现场应用的要求。最后通过对仪器的部分试验和现场应用验证了该仪器的特 性和指标。 关键词：随钻测井，自然伽马，电路分析与设计，可靠性设计 t h es y s t e ma n a l y s i sa n dc i r c u i td e s i g n f o rn a t u r a lg a m m al w dt o o l s g a ob i n ( e n g i n e e r i n g g e o l o g y ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f l ih u i - y m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw o r l de c o n o m ya n di n d u s t r y , t h ed e m a n dt oo i la n dg a s r e s o u r c ei n c r e a s eg r e a t l yi na l lc o u n t r i e s ，b e c a u s eo fn o n - r e n e w a lo fo i la n dg a sr e s o u r c e s ， i tb e c o m et h eg o a lt oe n h a n c et h er e c o v e r yo fo i la n dg a s w i t ht h et e c h n i c a lb l o c k a d eo f t h ef o r e i g nc o m p a n ya n dh u g ed e m a n do fd o m e s t i ca p p l i c a t i o nm a r k e t ，t h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fn a t u r a lg a m m al w dt o o l sh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et oe n h a n c e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tl e v e lo f 0 1 1 1 c o u n t r y so i ll o g g i n gt o o l s ，t ob r e a kt h et e c h n i c a l m o n o p o l yo ff o r e i g nh i g h e n de q u i p m e n t ，t or e d u c ed r i l l i n gc o s t ，a n dt oi n c r e a s eo i l p r o d u c t i o n t h i sp a p e rs y s t e m a t i c a l l yd e s c r i b e st h eb a s i cc o n c e p t s ，t h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n , t h el a t e s tp r o g r e s so fo i ll o g g i n ga n ds oo n ，a n dh a si n d e p t ha n a l y s i sa b o u tt h er e s e a r c h s i g n i f i c a n c eo fn a t u r a lg a m m al w dt o o l s ，t h ep r i n c i p l e sa n dc a l i b r a t i o no fr a d i o a c t i v e l o g g i n gm e t h o d s o nt h i sb a s ei th a sd e t a i ld e s c r i p t i o no fn a t u r a lg a m m al w dt o o l s ，a n d a n a l y z e st h es y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g nm e t h o d s ，i n c l u d i n gt h eo v e r a l l a n a l y s i sa n dd e s i g n , p o w e rc i r c u i td e s i g n ，p u l s es h a p i n g c i r c u i td e s i g n ，g rd a t a a c q u i s i t i o na n ds t o r a g ec i r c u i td e s i g na n ds oo n i nv i e wo fl o n gh o u r sw o r k i n ga th i g h t e m p e r a t u r e ，h i g hp r e s s u r e ，h i g hv i b r a t i o ne n v i r o n m e n t ，i tp r o p o s en e wd e s i g nm e t h o do f r e l i a b i l i t yd e s i g nf o rn a t u r a lg a m m al w dt o o l st om e e tt h ed e m a n do ff i e l da p p l i c a t i o n f i n a l l y , t e s t i n go fp a r to ft h ei n s t r u m e n ta n df i e l da p p l i c a t i o np r o v e nt h ep r o p e r t ya n d i n d i c a t eo ft h ei n s t r u m e n t k e yw o r d s ：l o g g i n gw h i l ed r i l l i n g ，n a t u r a lg a m m a , c i r c u i ta n a l y s i sa n dd e s i g n , r e l i a b i l i t yd e s i g n 目录 第一章绪论。1 1 1 选题的依据和意义1 1 2 石油测井发展历史1 1 3 随钻自然伽马测井国内外现状分析4 1 3 1 国内研究现状4 1 3 2 国外随钻伽马测井仪器现状4 1 3 3 发展趋势6 1 4 论文主要研究内容6 第二章随钻自然伽马测量的基本原理7 2 1 岩石中的自然伽马放射性7 2 2 自然伽马辐射场的分布特征8 2 3 伽马射线与物质相互作用及探测1 0 2 4 伽马射线探测的影响因素1 1 2 5 随钻自然伽马短节的刻度研究1 2 2 5 1 自然伽马刻度器的要求一1 2 2 5 2 刻度方法及过程1 3 2 5 3 测试所需设备14 2 6 随钻自然伽马测井应用1 5 第三章伽马短节的系统设计1 6 3 1 系统总体设计方案1 6 3 1 1 伽马芯一1 6 3 1 2 电路短节18 3 1 3 其他结构部件1 9 3 1 4 系统测量短节电路框图19 3 2 电路分析2 0 3 2 1 伽马芯供电电源电路2 0 3 2 3 采集存储电路2 1 3 2 4 单片机复位和硬件看门狗电路2 2 3 2 5 脉冲整形电路2 3 3 3 伽马短节软件设计2 5 3 4 信息传输及地面系统方案3 0 3 4 1 信息传输方案3 0 3 4 2 随钻伽马自动校正算法。3l 3 4 3 地面系统方案3 5 第四章可靠性设计及岩性测量实验。3 6 4 1 可靠性设计的基本理论3 6 4 2 电子的可靠性设计3 8 4 2 1 下井仪器用电子元器件的失效规律及相应的可靠性保障措施3 8 4 2 2 可靠性保障技术及应用方法一3 9 4 3 机械可靠性设计一4 1 4 4 岩性测量实验4 4 第五章结论4 7 参考文献4 8 j l 炙谢51 于油气 势下勘 国情的 因此，在这种形势下，基于航天科工惯性技术有限公司多年来石油测井仪器方 面的研制基础，依托航天科工集团及航天三院的整体优势，结合国内高校的技术研 究以及国外先进技术的引进、消化、吸收和自主创新的基础上，研制h t - l w d 系统， 对提升我国的石油测井仪器研发水平，打破国外对该行业高端设备的技术垄断，降 低钻井成本，提高油井产量具有重要的意义。 在钻井过程中，随钻伽马测井是作为地质导向最常用的方法之一，主要应用于 定向井、水平井的钻井施工中，进行地层岩性判断。国内对随钻伽马测井技术也有 一定的研究，但是相对于国外的技术比较落后。目前随钻伽马仪器在国内的应用主 要是购买国外仪器或者租用国外测井公司服务，但由于价格等因素的影响，制约了 该仪器在我国的广泛应用，所以随钻自然伽马测井仪器的研制，具有一定的社会效 益及经济效益。 本课题正是在此基础上，以航天科工集团第三研究院重大自主创新项目 h t u 胁系列陀螺( 地磁) 组合无线随钻地质选装导向系统为依托，选取随钻 伽马短节的系统分析与电路设计为论文的研究方向，探讨伽马短节井下实现功能的 可能性，并可以在此基础上研发国产随钻伽马测量仪器，大幅度降低仪器的成本， 非常有利于在国内钻井行业的推广应用，是一项高科技、有价值的研究课题。 1 2 石油测井发展历史 二次工业革命以来，随着世界工业的发展，特别是二十世界初内燃机的发明， 石油逐渐成为内燃机的燃料，并最终促成了世界石油工业的诞生。而石油勘探测井 的目的就是要通过不同的技术手段，在广阔的地球上采集野外原始地质资料来最终 指导人们找到油气，并且开采出来，为人类社会文明的发展和进步服务。 第一章绪论 但是，在人类近代使用石油的早期，主要使用的是石油主要来自地表露头的石 油，或者即使有一些初级和原始的开发活动，也并非是盈利性的，那时的世界主要 能源还是煤炭和木柴。随着世界第一口油井被美国人e d v , i l ( e 钻探成功，拉开世界 石油工业诞生的帷幕，到法国人s c h l u m b e r g e r 兄弟( c o n r a d 和m a r c a l ) 于1 9 2 7 年 9 月5 日采用点测方式成功测量出第一条测井曲线，石油的勘探开采终于又进入了 一个崭新的阶段【蚴。从那时至今的八十多年的时间里，测井技术在勘探、开采油气 等地下矿藏的过程中，形成了以地质学、数学、物理学等基础学科为基础，结合电 子信息技术、计算机信息技术来解决地质和工程问题的一门实用性很强的边缘性技 术学科1 3 1 。在地球物理测井技术诞生之前，能够分辨地层的方法主要包括有：观察 泥浆、监控钻井的速度、岩屑录井、钻井取芯、井壁取芯等这样一些不全面、不准 确甚至作业复杂、成本很高的方法。但这些过去的困难和不足随着地球物理测井技 术的诞生而成为历史，通过高精度、集成化的测量仪器采集丰富的地下地质信息， 经过测井解释人员的处理、解释，对油气层进行评价，为油气资源的勘探开发提供 了极为重要的信息和资料。 我国第一次测井是由从英国留学归来，并执教于中央大学的著名地球物理学 家，翁文波先生于1 9 3 9 年1 2 月2 0 日在我国四川省的巴县石油沟油矿1 号井，用1 米电极系测量出我国井内第一条自然电位和电阻率曲线【4 】。新中国成立后，我国的 石油工业取得了令人瞩目的成就与进步，全国原油产量从1 9 4 9 年的1 2 1 万吨，逐 年提升产量，到2 0 1 0 年年原油产量首次突破2 亿吨，仅次于俄罗斯、沙特、美国， 排名世界第四；2 0 1 0 年天然气产量达到9 5 0 亿立方米，创历史最高纪录【5 l 。但就总 体上而言，我国的测井技术在信息采集方面要落后于国外，设备基本上是要靠引进。 不过我国的测井资料的解释技术与国外相比是水平相当，在有些方面甚至处于世界 领先的水平。 从测井技术的诞生至今已进8 0 年了。这8 0 年来，测井技术的发展伴随着电子 技术及计算机技术的进步，大约经历了以下几个发展阶段1 6 , 7 1 ： 第阶段：从2 0 世纪3 0 年代到1 9 4 5 年的发展阶段。这一阶段的特点有：方 法少、仪器落后、影响因素多、仅能定性解释、探测深度小并且单一等。 第二阶段：1 9 4 5 年到1 9 6 4 年的模拟测井阶段，由于人类对能源的迫切需求， 测井技术发展迅速。这一阶段其特点有：出现了核、声和热等多种测井方法、全自 动连续记录仪、聚焦测量、仪器贴壁( 减小井孔影响) 、可以半定量、定量解释、 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 多个探测深度测井( 提高横向探测能力) 。 第三阶段：1 9 6 4 年到1 9 9 0 年的数控测井时代。该阶段是飞速发展的阶段，也 是较成熟的阶段。其特点有：方法系列化，出现了一整套测井方法、仪器综合化， 一次下井完成多参数的测量、记录数字化，测量结果采用磁带、磁盘等记录、操作 程控化，在计算机上用程序控制测量、解释自动化，采用计算机程序进行自动解释。 第四阶段：1 9 9 0 年至今。该阶段是成像测井阶段。把测井技术由解决均质地层 评价问题推向了解决非均质( 裂缝性) 地层评价的成象测井技术时代。成像测井最 明显的特点是把微处理器放到井下，把工作站搬到仪器车上，传感器可对井壁进行 扫描，对井周不同深度地球物理参数进行阵列组合测量，得到直观、清晰的三维测 井图( 图像包括丰富的地质信息、工程信息) ，并且具有完整、成熟的解释软件包。 在油气田的勘探、开发过程中，在钻井完成之后必须进行测井，以便获得地层 的各项测井资料参数，用来判断地层的含油气情况。通常情况下，在钻井完工以后， 用电缆将测井仪器下放到井中，对目的层进行测量，以便获取测井资料。 但在某些特殊地层，如大斜度井甚至是水平井的情况下，测井仪器很难再通过 电缆下放到井下；此外，在水平井井壁状况不好的情况下，易发生坍塌或漏失也会 对测井资料的获取造成困难；另外钻井过程中要用的泥浆液进行循环，也会对地层 造成或多或少的侵入影响。这时通过测井得到井下地层的各种参数资料，会与地层 刚钻开时产生差别。于是人们考虑，在地层被泥浆或钻井液侵入之前或是侵入很浅 的时候，就能得到井下地层的各种参数资料，这样就能为解释人员提供更加准确、 真实的井下地层的参数资料和地质特征。于是人们把测井用的测量工具安装在靠近 钻头的钻具中，这样钻头不需要中断钻进工作可以将测井仪器测量的井下地层各种 资料信息，实时的传送到地面系统，这就是随钻测井。这样不仅方便了对定向井、 大位移井甚至是水平井进行测量，更可以利用实时取得并传输到地面系统的钻井参 数和地层地质参数来指导作业人员及时的调整钻头的钻进轨迹；并且随钻测井得到 井下地层的地质参数资料是在泥浆滤液侵入地层以前或者是泥浆侵入很浅时获得 的，对比一般的电缆测井，能得到更加有效、真实的评价。 在上世纪的最后1 0 年到本世纪初，随钻测井技术又取得了长足的发展，电缆 测井所具备的测井方法，都己成功应用到随钻测井技术上。全球几大著名的石油工 程服务公司也都加强了随钻测井的研发进度，随钻测井技术将更趋完善，随钻测井 的业务也是不断增长；并且随着石油勘探开发向复杂地质储集层的进一步发展，随 3 第一章绪论 钻测井将取代电缆测井更多的市场份额，成为面对油田工程技术服务的主要技术手 段【8 】。 1 3 随钻自然伽马测井国内外现状分析 对于石油勘探开发的客观实际要求，需要提供丰富的地质信息，而这些信息的 采集和处理就必须使用相应的测井设备来可靠、快速的完成。可见测井装备仪器从 单独测井发展到组合测井的进步是与测井技术的发展紧密的联系在一起的，测井技 术经历的各个发展阶段，都有相应的测井装备的出现来对应。 1 3 1 国内研究现状 回顾我国测井事业的发展过程，8 0 多年来在测井技术和测井资料的解释方面取 得了非常大的进步，尤其是我们的测井资料的处理与解释等方面比国外做的更加出 色，但在测井仪器的研发方面还有待突破。测井仪器的研发离不开对地质参数和影 响因素的深入研究，故而测井仪器装备的研发也将带动测井方法的改进和研究【9 】。 我们国内的有些院校和科研单位，近年来对随钻自然伽马测井仪器的研究有了 不小的突破，有些技术甚至与国外测井公司的产品也不相上下。 测井是一门包含多学科综合应用的技术，在目前的知识经济形势下，我国的测 井仪器研制工作要加快与国内高等院校、科研单位的合作的步伐，同时注重与国际 上掌握先进技术公司的合作。在掌控核心技术和保护知识产权的前提下，可以充分 利用国际市场上可以购买到的仪器和部分零部件，学习掌握国外先进的科研成果和 经验技术，来加快我们国家自己的测井仪器装备的研发速度，以达到用技术平均水 平较高的国产仪器设备来武装我们自己国家的测井队伍。 1 3 2 国外随钻伽马测井仪器现状 近年来，随着随钻测量及其相关技术的迅速发展，应用的领域逐渐扩大，对世 界石油开发局势有巨大影响的三大石油公司，h a l l i b u r t o n 公司( 包括n ls p e r r y s u n 公司) 、s c h l u m b e r g e r 公司( 包括a n a d r i l l 公司) 和b a k e r - h u g h e si n t e q 公司， 在激烈的竞争中不断开发和完善自己赖以生存的品牌，这又对随钻测井技术进步和 发展起到了很好的推动作用。目前这几大石油公司已经致力于开发能适应于高温、 高压、强冲击、强振动等恶劣环境下的随钻仪器，并已投入市场。而国内目前只有 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 少数几家科研单位和公司正处于研究开发随钻仪器的起步阶段，因此在技术上同国 外相比较，仍然存在一定的距离。 在新型随钻测井仪器方面，国外各大石油仪器厂家最近几年，面对激烈的市 场竞争，也相继研制出了能满足更高设计要求的测井仪器。 法国的g e o s e r v i c e 公司，为了满足欠平衡钻井施工的需要，推出了电磁波无 线随钻测量仪，可以满足水平井及欠平衡井施工的要求，并能选择加挂自然伽马 测井仪器进行简单的地层评价【1 0 1 。 s p e r r y s u n 公司推出的s o l a r l 7 5 t m 高温井下测量系统，能够可靠的在1 7 5 。c 的 高温恶劣环境下测量伽马值和井下参数，耐压值达到了1 4 1 m p a l l l 】。 a n a d r i l l 公司推出了全新设计的无线随钻测量仪器p o w e rp u l s e r ，刚。运用全新的 设计理念，大大简化了现场维修程序，能够平均无故障运行1 0 0 0 小时以上；在数 据传输方式和速率方面，采用了连续波和压缩编码技术，大大节省了脉冲数据的传 输时间【1 2 1 。 随着钻井工程技术的日益发展，目前随钻自然伽马测量技术在解决仪器的 可靠性、数据传输技术等方面，将会朝以下几个方面发展【1 3 】： ( 1 ) 按照钻井工程所需的实际井眼尺寸的要求，需要研发各种不同尺寸的 随钻测井仪，来适应不断变化发展的钻井新形势； ( 2 ) 由于钻头与随钻测井仪器的距离越接近，测井仪器所测量得到的结果 越接近地层真实情况，因此近钻头测量技术的发展相当重要； ( 3 ) 随钻测井仪器的可靠性大大增强。随着存储芯片存储容量的提升， 以及电子元器件抗高温高压能力的进步，将能制造出的随钻测井仪器，更能适 应钻井环境高温高压、强冲击和强振动带来的影响，以适应各种恶劣地质条件 下的随钻测量工作； ( 4 ) 井下数据的上传技术得到突破。随着井下测井信息量的增大，就必须提 高井下数据的上传速率。通过对泥浆脉冲传输、电磁波传输、光纤传输技术的改善， 井下数据传输技术将得到突破。 ( 5 ) 测量传感器的精度要求越来越高，才能适应测井工程发展提出的需求， 更是为适应测量目的层的复杂性提出的要求。 5 第一章绪论 1 3 3 发展趋势 世界顶尖的测井仪器三大公司s e h l u m b e r g e r 、h a l l i b u r t o n 、b a k e r - h u g h e s ，其 随钻测井技术已经成熟，仪器的系列化和商业化程度很高。其发展趋势和方向主 要表现在以下几个方面1 1 4 】： ( 1 ) 提高仪器在各种环境下的适应能力。s c h l u m b e r g e r 等国外公司制造的伽马 测井仪器，适合工作于高温、高压等恶劣环境下，国内同类仪器与这些世界先进水 平的差距还不小，竞争力明显不足。 ( 2 ) 提高仪器探头灵敏度。目前国内外通用的方法是尽可能的增大探测器的 长度和直径，其中增加长度是首先考虑的选择，这样进而提高仪器探测器的灵敏度， 达到降低伽马测井曲线重复性误差的目的。 ( 3 ) 引入多方位测量技术，如方位伽马测量。方位伽马测井仪器通常采用多 个伽马探测器，可以同时获得同一测量点上不同方位的伽马数据，使这些获得的数 据更加的准确。 ( 4 ) 数据传输方式的改进。国外的很多公司用电磁波传输信号取代泥浆脉冲 传输的方式，大大提升了数据从地下到地面的传输速率，更多的地层资料在跟以前 相同的时间内被获取，能更加及时的反映地层变化情况，具有更好的实时性，提升 了仪器的地层分辨能力。 1 4 论文主要研究内容 本课题目的在于通过研究，对随钻自然伽马短节进行系统分析，并对伽马短节 的结构和电路进行设计，主要包括对电源电路、脉冲整形电路、c p u 电路进行系统 化的设计，研究满足仪器精度的抗高温、抗振动、抗干扰的低功耗井下自然伽马短 节电路。具体内容为： ( 1 ) 系统总体设计 随钻自然伽马测量短节为独立的钻铤化仪器，包括了超敏感的密封碘化钠闪烁 晶体和一个坚固耐用的高温度光电倍增管、伽马电路短节等几大部分，通过带导电 环的接头与其它仪器连接。 ( 2 ) 针对随钻仪器需要长时间工作在高温、高压、强冲击、强振动环境中， 对随钻自然伽马短节的可靠性设计，采取了必要的措施，使其达到现场应用的高温、 强振动要求。 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第二章随钻自然伽马测量的基本原理 2 1 岩石中的自然伽马放射性 原子核在衰变时会发射a 、p 和丫射线。其中的仅粒子是氦核2 h e 4 ，p 粒子是电 子，而丫射线是波长很短的电磁波。q 和b 射线很容易被物质吸收，但是丫射线不 易被物质所吸收，穿透力极强，容易被测量到，是放射性测井主要探测对象之一。 岩石中含有的具有天然放射性的核素，主要是由铀系、钍系和钾的放射性同位素， 他们在自然衰变的时候会发射伽马射线，从而使岩石具有天然放射性，这些元素我 们称之为放射性核素【1 5 , 1 6 。 地壳中u 、t h 和k 的平均丰度为t h 2 3 2 = 1 2 p p m ，u 2 3 8 = 4 p p m ，k 4 0 = 2 。砂岩和 碳酸盐岩放射性元素含量低。某些岩石和矿物的u 、t h 、k 含量见下表2 1 。 表2 - 1 某些岩石和矿物的u 、t h 、k 含量 在岩浆岩中酸性岩的铀、钍含量最高，大约比中性岩高l 倍，比基性岩高6 倍，比 超基性岩高1 0 0 0 倍。酸性岩和中性岩中的钾的含量比基性岩和超基性岩高。大体上说， 岩浆岩中铀的含量随着钠、钾和硅的含量的增高而增高；花岗岩富铀，碱性岩则相对 富钍。 蒙脱石对放射性物质的吸附能力最强，故铀和钍的含量最高，对粘土岩的放射性 7 第二章随钻自然伽马测量的基本原理 贡献最大；高岭石铀和钍含量都较低，对粘土岩的放射性贡献较小；水白云母本身含 有钾，具有放射性，对粘土岩的放射性有贡献。生油粘土岩中的粘土矿物以蒙脱石和 高岭石为主，且富含有机质，放射性物质含量高，尤其铀含量明显高于其它粘土岩。 沉积岩按放射性浓度可粗略分为三类： ( 1 ) 放射性高的岩石：包括粘土岩、火山灰、海绿石砂岩、独居石砂岩、钾钒 矿砂岩、含铀钒矿的灰岩及钾盐等。深海相泥岩的放射性浓度常达9 0 x 1 0 1 2 克镭当量 克；浅海相泥岩的放射性浓度为( 2 0 3 0 ) x 1 0 也克镭当量克。钾盐中的4 0 k 可达6 0 x 1 0 。1 2 克镭当量克。 ( 2 ) 放射性中等的沉积岩：包括砂层、砂岩和含有少量泥质的碳酸盐岩等，其 放射性浓度为( 1 8 ) x 1 0 。1 2 克镭当量克。 ( 3 ) 放射性低的沉积岩：包括石膏、硬石膏、岩盐、纯的石灰岩、白云岩和石 英砂岩等。 根据实验和统计，沉积岩的自然放射性变化规律有： ( 1 ) 随泥质含量的增加而增加。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 随着钾盐和某些放射性矿物的增加而增加。 2 2 自然伽马辐射场的分布特征 ( 1 ) 源强密度：含有铀、钍、钾的岩石样品就是一种分布在有限空间的伽马源； 每种放射性核素的活度和单位时间里发射的光子数成正比；伽马源在单位时间里发射 的光子总数称为源强；单位体积的源强称为源强密度。 假设地层含有一种放射性物质，地层密度为p ，每克岩石中含有q 克该种元素，每 克核素每秒钟平均放出a 爪光子，则源强密度为：a = a q r 。 ( 2 ) 无限厚均匀地层中丫射线的通量 为了便于研究，先考虑无限均匀放射性地层的原始状态，即在尚未钻井之前地层 中伽马射线的强度。 当伽马光子能量为1 5 m e v 时，纯水、石英、方解石的线性吸收系数分别为 0 0 5 7 5 c m 、0 1 4 4 4 c m 、o 1 4 0 4 c m 。 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 d 矿 ， 图2 1( 2 1 ) 式的推导图 p 地层对丫射线的平均线性衰减系数为p ，地层体积元d v 内的放射性物质在地层中 某点p 处产生的丫射线通量d 以为： 弘= 景玩叩 ( 2 - 1 ) 采用球坐标系，则有： d v = ，2s i n o d r d o d 呼a( 2 2 ) 积分后得： 以2 j 陟4 n - r z 胪72 警睁咖f s i n o d o 胁 协3 ， ：a q p ( 1 - e - ) ：兰( 1 _ e - u r ) 对于无限大均匀放射性地层：r _ 时，则在p 点处产生的y 射线通量为： 。= 万a ( 2 _ 4 ) 无限均匀放射性地层中任意一点处的y 射线通量，其大小取决于地层的体积密度、 放射性物质的含量、产生丫射线的平均强度和线性吸收系数。 估算自然伽马测井的探测范围： r d t ：1 一e - l , r( 2 5 ) j 旧 ， 当肛- 4 6 0 5 时，= 9 9 ，即测量得到的伽马射线通量是无限均匀地层的9 9 。 j r o 若取斗分别为0 1 0 c m 。1 和o 1 5 c m ，则相应的球半径为4 6 0 5 c m 和3 0 7 c m 。可以认为， 自然伽马测井对地层的探测范围大约是直径小于l m 的球体，在球心观测不到超出这 一范围的伽马辐射体的初始能量伽马。 ( 3 ) 无限厚均匀地层沿井轴的y 射线通量 在无限大的均匀放射性地层，井眼半径为r o ，井内充满钻井液，且不含放射性物 质，钻井液和地层对丫射线的平均线性衰减系数分别为和p ，地层为无限厚。选取柱 9 第二章随钻自然伽马测量的基本原理 坐杯系，开轴中心一点为坐杯原点0 ，则地层体积兀d v 内的放射住物质在井轴0 点处 产生的丫射线通量叽为： d j , = 若斋跆- ( 脶删( 2 - 6 ) 其中：r ：( r - r o ) 4 7 + z 2 一：( r 一) 、| ；+ ( 三) z ； r y r r = 、1 + ( 三) 2 ；r = ，2 + z 2 。 y ， 则整个均匀地层在0 点产生的y 射线通量为： 2 肛= 蜥玩1 肭州咖 = a q pf _ ”l f e 州乐) 2 抛胁 协7 ， 令t = z r , 贝l j d z = r d t 2 警ee 专一 比o r o 州) 】风r 2 却 叫p ef 专咄眦州卜动厩掀 2 警j c o 高尹啪舸西 沼8 ， ( 4 ) 有限厚均匀放射性地层沿井轴的丫射线通量 = 警n 一互( 一厅i ) 伫 ( 2 9 ) j t 的变化由z l 和h 决定，即由观察点在井轴上相对放射性地层下界面的位置和地层 厚度来决定。对于确定的放射性地层，当地层厚度为无限大时，井轴上任一点的伽马 射线强度由帅的值决定的，帅越小以越大；对于有限厚的地层，观察点在地层中点时， l 的大小由地层厚度h 决定，当h 2 3r o 时就接近于无限厚地层的相应数值。 2 3 伽马射线与物质相互作用及探测 丫射线是由放射性原子核自发衰变发出的波长在l o - s l o 1 6 c m 的电磁波，能量 一般在( o 5 5 3 ) m e v 。当- 光子在( o 5 5 3 ) m e v 能量范围内时，其与物质的 相百作用丰要有电子对效应、康普顿效应、光申效应。这凿效应都能产牛次级电子。 1 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 这些电子又可以引发物质中的原子电离和激发。 ( 1 ) 当伽马光子的能量大于两个电子的静止质量能时( 即2 m e v ) ，会发生电 子对效应：伽马光子在原子核附近跟原子核的库伦场相互作用，就会转化为一正一 负的电子对，伽马光子本身被全部吸收了。 ( 2 ) 当伽马光子的能量较低，大约为0 0 1 m e v - - - o 1 m e v 时，会产生光电效应： 伽马光子在于原子作用时，将其能量全部交给一个束缚电子，使其脱离原子成为光 电子，而伽马光子本身消失。 ( 3 ) 当伽马光子的能量为中等，不足以形成电子对，但又比核外束缚电子的 结合能大的多时会产生康普顿效应，即伽马光子与核外电子发生相互作用，将自身 一部分能量转移给电子，使得该电子和伽马光子朝不同的方向散射出去。 2 4 伽马射线探测的影响因素 放射性的测量中，即使是在完全相同的测量条件下( 例如放射性源的半衰期足 够长，在测量时间内可以认定该放射性源的活度基本没有变化，放射性源与计数管 的相对位置也始终保持不变；测量时间也尽量足够精确，不会产生其它误差，探测 器的工作电压也保持稳定) ，反复测量放射源的计数，结果也不是完全相同的，而 总是在某一计数值附近上下变化，涨落较大的情况只有极小的可能性发生，这种现 象就是放射性测量的涨落变化，它是由放射性核素的核衰变引起的n 7 1 。 地层中的放射性物质是由大量的放射性原子所组成的，其中的原子核在哪个时 间，哪一个或是哪几个原子核会发生核衰变是完全独立的、随机的，也是不可预测 的，也就是说，放射性核衰变是一个偶然事件，是一种随机现象。由概率统计理论 可知，随机现象都可以用一定的统计规律来研究。 由于统计涨落现象的存在，使得自然伽马曲线即使在均匀的厚泥层或是砂岩层 上，仍然会出现微小的摆动。放射性测井曲线的涨落误差，包括了两个方面：曲线 上每点计数率的涨落误差和测量的平均计数率含有的涨落误差。对这两种涨落误差 的正确区分，对放射性测井曲线才能做出正确的判断。从概率统计理论可以得出以 下结论【1 8 】： ( 1 ) 计数率线路的时间常数太小的话，曲线统计涨落明显，曲线的毛刺会过 多： ( 2 ) 计数率线路的时闻常数太大，曲线过于平滑，则可能将薄层平滑掉。 第二章随钻自然伽马测量的基本原理 伽马测井仪器一般是沿井轴移动。在仪器与地层之间的一些物质，比如裸眼井 或套管井中的泥浆、套管和水泥环、钻铤，也会对测量结果产生两个方面的影响： 一是它们本身的自然放射性，另外主要的影响是其放射性一般比地层低，或者是会 吸收、减弱一些来自地层的伽马射线，从而使自然伽马读数偏低，井径越大的话影 响越严重，需要根据仪器类型进行井眼校正。 2 5 随钻自然伽马短节的刻度研究 美国石油学会( a m e d c a np e t r o l e u mi n s t i t u t e ，简称a p i ) 在休斯敦大学建立了 自然伽马一级刻度井( t i p 自然伽马基准井) 。并定义a p i 为自然伽马的刻度单位。在 美国休斯顿大学建造的一套三层混凝土标准模块组成的刻度井，每个模块都是直径 1 2 1 9 m ，高2 4 3 8 m 的带井眼的圆柱体，中间的一层是含有1 3 p p m ( 1 3 9 t ) 铀、2 4 p p m 钍和4 0 钾的高放射层，而上下两层是未加放射性物质的低放射层，将仪器在并眼 中测到的高放射性和低放射性两种模块的读数差定为2 0 0 个a p i 单位。自然伽马 a p i 量值基本都是溯源于美国休斯敦大学的自然伽马a p i 刻度井【1 9 1 。我国石油行业 自然伽马基准井用于复现和保存自然伽马a p i 单位量值，经部门( 行业) 技术鉴定、 国家技术监督局计量认证作为自然伽马a p i 单位量值的溯源基准，设置于石油工业 测井计量站。该基准井是两块天然岩石实体块组成，其两块岩石a p i 值得差值是 2 0 7 4 5 a p i + 1 9 8a p i 。目前很多油田都建立了自己的自然伽马标准井，而在井场或 车间对自然伽马测井仪刻度，则是利用装在固定支架上的放射性小球，成为环境刻 度器，它由一级刻度井标定，进行量值传递。 2 5 1 自然伽马刻度器的要求 自然伽马刻度器是用于直接刻度测井仪的模拟器，刻度器和特定的测井仪相配 套，其量值溯源于自然伽马基准井。自然伽马刻度器的a p i 值应大于1 0 0a p i 。一 般情况下仪器出厂前进行一级刻度，在测井现场或仪修车间进行三级刻度。 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 专 器 具 图2 - 2 自然伽马三级刻度示意图 2 5 2 刻度方法及过程 ( 1 ) 刻度方法及过程 自然伽马仪器刻度的目的就是要得到刻度系数口o ，2 1 1 ，即确定自然伽马仪器单位 计数率响应所代表的a p i 数值，由于每支仪器的探头、晶体、光电倍增管以及调整 电路等都不无完全一样，所以每支仪器都对应着独自的刻度系数。具体公式为： f = = u - u o 尸 ( 2 1 0 ) 其中：卜刻度系数，测井仪每个计数率响应所代表的a p i 值，单位为c p s a p i ； 嘲0 度器的a p i 标称值，单位为a p i ； n 旷_ 力口刻度器时的计数率值，单位为c p s ； n o - 一本底脉冲计数率值，单位为c p s 。 刻度过程如下： ( a ) 把仪器按要求安装好后，放在仪器架上。给下井仪器供电，仪器预热时 间2 0m i n ： 1 3 第二章随钻自然伽马测量的基本原理 ( b ) 启动刻度程序，不加刻度器记录本底值； ( c ) 按正确位置放好刻度器，测量加刻度器后的值； ( d ) 计算f 因子； ( e ) 存储刻度结果。 ( 2 ) 仪器刻度要求和条件 自然伽马测井仪经过预热，处于正常工作状态；自然伽马测井仪置于散射效应 可以忽略的环境中，3 0 m 范围内无其它放射源影响；仪器应放于高于地面6 0 c m 的 仪器支架上；加刻度器时，刻度器与自然伽马测井仪相对位置要准确，刻度器紧靠 晶体中心位置；计数时间的选择应保证计数率统计涨落误差小于1 ；首次刻度后 的自然伽马测井仪要经过基准井或工作标准井验证。验证时，仪器装入外壳，安装 好所有的o 密封圈。把仪器放入基准井的低放射层，预热2 0 分钟后进行测量计数， 测量平均计数率为q ，再把仪器放入高放射性刻度地层，再测得平均计数率为2 ， 根据两块岩石的a p i 值差，可以得出带抗压筒的仪器的刻度系数。 按照要求，自然伽马仪器每个月要刻度一次，另外仪器如果维修或更换过探头、 晶体、光电倍增管以及整形电路等部分，仪器都需要进行重新刻度。 2 5 3 测试所需设备 图2 - 3 伽马测试连接示意图 地面功能测试所需设备：伽马探管；计算机及相应伽马软件；测试盒( 供电与通 讯) ；i 0 线缆；探管读数线；刻度器；刻度支架等，如图2 3 所示。 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 2 6 随钻自然伽马测井应用 自然伽马测井是经典的物理测井方法之一，它是在2 0 世纪3 0 年代后期，作为 第一种非电法测井而引入的。自然伽马测井有广泛的应用，传统的自然伽马测井可 应用于圈： ( 1 ) 按照天然放射性强弱，判别岩性和划分渗透性地层。岩石的自然伽马放 射性与岩石性质的关系相一致。据此，大体把岩石分成三类：高放射性岩石。如花 岗岩等火成岩，含放射性矿物的砂岩或石灰岩、盐、深海相黑色泥岩等。中等放射 性的岩石。如大多数泥岩、含泥质较多的砂岩、泥灰岩等。低放射性岩石。一般砂 岩、石灰岩、白云岩、硬石膏、岩盐等。具体的岩性划分首先要基于地层中除了泥 质外没有其它放射性矿物，再根据总结地区规律、剖面的岩性组成、找出放射