第2-4章：核辐射测井部分.ppt

核辐射测井部分 第二章原子核物理的一些基本概念和基本知识 主要介绍一些原子核物理的基本概念 放射性和放射性射线 放射性衰变及衰变规律 一 基本概念和基础知识 1 原子和原子核 原子序数Z核电荷数Z电子数质量数A中子数N质子数Z 原子的表示方法原子质量单位 是以碳的同位素12C为标准确定的 即1个原子质量单位u为12C静止质量的1 12 也就是1u mc 12 1 660566 10 27kg 质子质量为 1 00758u 中子质量为 1 00887u X A Z 元素符号 原子序数 质量数 X A 能态 基态 激发态 2 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 定义 具有特定原子序数 即质子数或核电荷数 质量数 即核子数 和核能态 而且其平均寿命长到足以被观察到 一般长于10 10s 的一类原子 核素可以是稳定的 也可以是不稳定的 目前已经知道的核素大约有2700种 其中约300种是稳定的 其余是不稳定的 即放射性的 3 核素 定义 元素的丰度可以用列表法或作图法给出 在列表或作图时 通常都把硅 Si 的丰度值取为10 其他核素的丰度值按比例确定 某种核素在其天然同位素混合物中所占的原子核数目的百分比称为该核素的丰度 4 丰度 5 放射性及放射性衰变 1 定义 原子核自发的放出各种射线而转变为另一种核素的过程 2 衰变表达式 特点 衰变主要发生于重核 绝大多数 衰变发生于A 200的重核 但不等于A 200都能发生 衰变 X A 4 Z Y A Z 2 He 2 4 3 衰变表达式 X A Z Y A Z 1 e v X Z A Y Z 1 A e v 衰变 衰变 特点 中子数过多发生 衰变 质子数过多发生 衰变 粒子的能量是连续能量 能谱连续分布 几乎所有的放射性核素都存在 衰变 4 衰变 定义 原子核由激发态向基态或由高能态向低能态跃迁时 放出 射线的衰变过程称为 衰变 原子核的退激 必然伴随有 射线的放出 射线的能量就等于相应的核能级之间的能量差 X射线产生于原子内层电子的跃迁 它与 射线的差别在于能量和产生的方式不同而已 5 放射性衰变的特点 放射性衰变过程是由核内扰动影响而发生的 与外界条件无关 有些原子核衰变释放一种或二种射线 有些却同时释放三种射线 原子核衰变规律与放出射线的种类无关 与外界环境无关 放射性核素发射的射线有三种 和 射线 6 放射性射线及性质 放射源 铅盒 照相底片 射线 由高速运动的氦原子核 称为 粒子 组成的 它的穿透能力最低 在岩石中只有0 001cm 但电离作用最强 在核辐射测井中 利用 粒子与某些原子核的相互作用可制造中子源 射线 是高速运动的电子流 它的穿透能力比 射线强 在金属中为0 09cm 但电离作用比 粒子弱 在核辐射测井中 利用某些发射 射线的核素作为井间监测示踪剂 射线 是波长很短的电磁波 它的穿透能力最强 电离作用最弱 射线能穿透几十厘米的地层 水泥环 套管和下井仪器的外壳 这一特性使得它成为核辐射测井主要探测对象 如果我们用N t 表示时刻t存在的原子核数 那么在时刻t到t dt之间单位时间内发生衰变的原子核数dN dt就应当和N t 成正比 即 dN dt N t dN N t dt 7 简单放射性衰变的基本规律 对上式积分并令t 0时的原子数为N0 则有 这就是原子核衰变的基本规律 原子核衰变遵循指数衰减规律 原子核衰变的指数规律是原子核本身固有的性质 只和它的内部状态有关 外界因素如高温 高压 强磁场 电场等都不能改变原子核这种指数衰变特性 不同的放射性核素的 不同 即衰变速度不同 N t N0e t 必须指出 原子核衰变规律是一个统计性规律 只有在原子核的数目足够大时才是正确的 否则没有意义 这是因为核衰变是自发的 对于一个核来讲纯属偶然 只有大数目的原子核才遵循统计规律 定义 衰变规律公式中的常数 反映了原子核衰变速度的快慢 称之为衰变常数 表达式 dN dt的意义 表示在时刻t的单位时间内发生衰变的原子核数 它与当时存在的原子核数N t 成正比的 8 衰变常数 dN dt N t 衰变常数 的确切物理意义 表示一个原子核在单位时间内发生衰变的几率 衰变常数 量纲 T 1 通常用秒 1或分 1 不同的放射性核素具有不同的衰变常数 指数衰减规律反映了原子核衰变的 共性 衰变常数反映了各种原子核的 个性 定义 放射性原子核衰变到数量减少一半所经过得时间 表示符号 T1 2意义 表示原子核衰变的快慢 T1 2和 都表示原子核衰变的快慢 9 半衰期 那么二者之间的关系 由半衰期的定义知 由衰减的规律公式有 当 t T1 2 N N0 2 N N0 2 N0e T1 2 T1 2 ln2 0 693 可见 原子核的半衰期与衰变常数成反比关系 即半衰期长 衰变常数就小 半衰期短 衰变常数就大 原因 在单位时间内发生衰变的几率越大 原子核得衰变就越快 原子核总数减少一半的时间自然也就越短 定义 就是指一种放射性原子核平均能够生存的时间 通常用 表示 6 平均寿命 定义 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 通常用符号A表示 7 放射性活度 A N A N N0e t A0e t A0称为初始放射性活度 放射性活度的单位 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 即 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 1 二者关系 1Ci 3 7 1010Bq 第二章伽马射线与物质的作用及密度测井 本章重点 伽马射线与物质的相互作用伽马射线的探测岩性密度测井 第一节伽马射线与物质的相互作用 天然产生由伽马源产生 一 伽马射线的来源 1 伽马射线的产生方式 定义 能够产生伽马射线的装置 进行 测井 活化法测井时使用的 射线源 它由人工或天然放射性同位素制成 如钴 60Co 源 铯 137Cs 源 锌 65Zn 源 汞 203Hg 源和铈 141Ce 源 测井中最常用的是 钴 60Co 源和铯 137Cs 源 2 伽马源 目前 测井即岩性密度测井中使用的伽马源基本上都是137Cs源 伽马源的性质 伽马源的性质是由源强 能量分布 角分布等决定的 以密度测井的137Cs源为例 其源强是2 1 5或1Ci 单能伽马射线 0 662MeV 各向同性发射 思考 能否产生可控伽马源 目前已经发现地层中的元素有100多种 几乎所有的化学元素都能在地层中找到 但主要的地层元素只有少数几种 在地壳内化学元素含量按重量百分比大小的分布依次为O Si Al Fe Ca Na K Mg H Ti C Cl等 二 地层元素分布及含量 各元素在地层中的总量分布极不均匀 前三种元素O Si和Al总量占地壳总量的82 58 前9种即O Si Al Fe Ca Na K Mg和H总量占地壳总量的98 13 而其余元素仅占地壳元素总量的1 87 核辐射测井所关心的不是地层中所有的元素 而是含量在前10种元素 地层元素 质量百分比 O Si Al Fe Ca K Mg H 其他 49 13 26 00 7 45 4 20 3 25 2 40 2 35 1 00 1 87 地层元素含量分布表 需回答 什么是光电效应 光电效应的特点是什么 在测井中作用是什么 1 光电效应定义 当一个 光子与物质原子中的束缚电子作用时 光子把全部能量转移给某个束缚电子 使之脱离原子而发射出去 而光子本身被全部吸收 这个过程称为光电效应 由光电效应发射出来的电子称为光电子 2 核辐射测井中的光电效应 三 光电效应 2 光电子的能量 由能量守恒定律知 光电子能量Ee为hv为入射 光子的能量 Ei为第i壳层电子的结合能 Ee hv Ei 光电效应只有在束缚电子上发生 电子在原子中被束缚得越紧 就越容易发生光电效应 所以 K壳层上打出光电子的几率最大 L壳层次之 M N壳层更次之 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hv很高时 截面 ph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 3 光电效应的特点 发生光电效应的截面原子序数的关系 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 这就是岩性密度测井利用光电效应判断地层岩性的依据 探测器应选用尽可能高Z的物质作为介质 需回答 什么是康普顿效应 康普顿效应的特点是什么 在测井中作用是什么 1 康普顿效应 当入射 光子能量增高后 光电效应逐渐减弱 康普顿效应成为 光子损失能量的主要方式 在康普顿效应中 入射 光子与原子的核外电子发生弹性碰撞 把一部分能量转移给了电子 使电子脱离原子成为反冲电子 损失能量后的 光子则朝另一个方向散射出来 1 核辐射测井中的康普顿效应 四 康普顿 吴有训效应 comptoneffect 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 思考 原子序数 思考 入射能量 2 康普顿效应的特点 3 康普顿散射截面 能量比较低时 入射 能量比较高时 式中 r0为电子的经典半径 散射截面与Z的一次方成正比 而随E 增加而减少 4 反冲电子能量分布即便是单能 射线入射 反冲电子能量是连续分布的 由上面的公式 可得 0 时 E E Eemin 0 反冲电子能量为零 180 时 对不同的角度 反冲电子能量不同 为一连续分布 5 康普顿效应减弱系数 e 由康普顿效应导致的 射线在通过单位距离物质时的强度减弱 这也是康普顿效应求取地层密度的依据 需回答 什么是康普顿效应 康普顿效应的特点是什么 在测井中作用是什么 1 电子对效应 当入射 光子的能量大于两个电子的静电质量能 即大于1 022MeV 时 在原子核的库伦场作用下 光子转化为一个负电子和一个正电子 形成正负电子对 这个过程称为电子对效应 2 发生电子对效应的条件 一是除了 光子和电子外 还必须由原子核参与 二是 光子必须具有足够大的能量 大于1 022MeV 五 电子对效应 4 产生的正负电子对在物质中损失能量后 达到热平衡 正电子在热平衡时与物质中的负电子产生淹没 光子 发出两个0 511MeV的 射线 方向相反 这两个 射线产生的时间非常短 与物质再次相互作用产生光电效应与康普顿效应 产生次级快速电子 对低能 射线与高原子序数的作用物质 光电效应占优势 对中能 射线与低原子序数的作用物质 康普顿效应占优势 对高能 射线与高原子序数的作用物质 电子对效应占优势 思考 0 662MeV 1 022MeV 1 10 设有一束强度为I0 准直的单能 射线沿水平方向垂直地通过单位面积吸收物质 设吸收物质单位体积内的原子数为N 密度为 吸收截面为 r 七 物质对伽马射线的吸收规律 I0 穿过物质后的强度减弱为 dI I0N r dx 令 这表明 射线通过吸收物质时 其强度的减弱服从指数衰减规律 积分 I I0e x 是物质的总吸收系数 单位cm 1 ph e p 为什么要了解伽马射线的探测 探头探测伽马射线的基本原理是什么 探测器的基本组成 探测器探测器伽马射线的具体过程是什么 第二节 射线的探测 第二节 射线的探测 射线进入探测器后 与探测器组成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 射线的 一 射线探测的基本原理 1 电离作用 定义 带电粒子 次级电子 与组成物质原子的束缚电子发生非弹性碰撞 运动的带电粒子与束缚电子之间产生静电作用 使束缚电子产生加速运动 因而获得足够的能量挣脱原子核的束缚 变成自由电子 这样就产生了由自由电子和正离子组成的离子对 探测仪器 利用这种现象的探测器主要有电离室 正比计数器 盖革 弥勒计数管 早期测井探测 射线几乎都采用 但由于计数效率低且不能记录能谱 现已不用 2 激发 定义 如果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 则称之为激发 受激的原子在退激时能释放出光子 发生闪光 称之为荧光 探测仪器 收集荧光的探测器是闪烁探测器 闪烁计数器 是目前测井应用最广泛的探测器 1 闪烁探测器的组成闪烁探测器主要由闪烁体 光电倍增管和电子仪器三部分组成 通常将闪烁体 光电倍增管和前置放大器都装在一个暗盒中 统称为探头 二 闪烁探测器scintillationdetector 2 闪烁探测器探测 射线原理 射线进入探测器闪烁体中 通过光电效应 康普顿效应和电子对效应产生次级电子 闪烁体吸收这些电子的能量 使原子 分子电离和激发 被激发的原子 分子在退激时产生光子即发生闪烁 利用反射物质和光耦合剂使光子尽可能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 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 这些电信号由电子仪器处理和记录 什么是密度测井 密度测井的基本原理是什么 地层密度如何求取 影响因素如何处理 第三节密度测井 一 岩石的 射线特征参数 特征参数 岩石的真密度 b 电子密度ne 电子密度指数 e 光电吸收截面 光电吸收截面指数Pe 岩石的视密度 a 1 真密度定义 岩石的真密度是指每立方厘米体积岩石的质量 用 b表示 单位是g cm3 也称为体积密度 通常所说的密度就是指真密度 对于孔隙度为 饱含水的纯石灰岩 其真密度为 1 岩石的真密度 电子密度 电子密度指数和视密度 不同矿物具有不同的密度 不同岩石的骨架密度不同 这样在井剖面中可以根据密度把不同岩性的地层区分开 孔隙性地层相当于致密地层中岩石骨架的一部分被密度小的水 原油或天然气所取代 故其密度小于致密地层 孔隙度越大 地层的密度越小 这样 密度测井资料可以求取地层的孔隙度 事实上 密度测井是孔隙度测井的主要方法之一 2 电子密度定义 单位体积岩石中的电子数叫岩石的电子密度 用表示ne 单位是电子数 cm3 若岩石由单一元素组成 则ne若岩石由单一化合物组成 则 3 电子密度指数 e 为了方便 在散射 测井中引入电子密度指数的概念 其定义为由单一元素组成的物质 其电子密度指数为 4 1 由单一化合物组成的物质 其电子密度指数为 4 2 4 岩石视密度 a 用密度测井仪器测得的密度值 不是岩石的真实密度值 是一种表面的密度值 称为视密度 对淡水石灰岩地层来说 视密度等于真密度 对其他岩性地层 视密度值不等于它的真密度 1 光电吸收截面 一个原子的光电吸收截面与Z5成正比 其单位是b 原子 即 2 岩石的光电吸收参数 a 而一个电子的光电吸收截面为 b 2 岩石的光电吸收截面指数定义一个与岩石中一个电子的平均光电吸收截面成正比的量Pe为岩石的光电吸收截面指数 有 c Pe是岩性密度测井中所要测的重要参数 它对地层的岩性很敏感 所以通常也称之为光电吸收岩性系数或岩性系数 几种矿物的Pe和U值 由于在测井时 辐射源发射的和探测器探测的都是 射线 因此 岩性密度测井也称散射 测井或 测井 它是以 射线与地层相互作用为基础的测井方法 只利用 射线与物质作用的康普顿效应来测量地层体积密度的测井方法称为地层密度测井 根据光电效应和康普顿效应 用能谱分析方法来测量地层的体积密度和岩石的光电吸收截面指数的测井方法称为岩性密度测井 又称散射 能谱测井 二 地层密度测井基本原理 由于任何岩石的体积密度 b与其电子密度指数 e都有确定的关系 而电子密度指数 e完全决定于岩石的电子密度ne 后者又决定于康普顿减弱系数 c 因而 可以根据 射线的康普顿效应来测量岩石或地层的体积密度 b 由 光子在物质中的吸收规律知 地层的密度不同 对 光子的散射和吸收能力不同 探测器记录的 光子数 或强度 也不同 因此 通过探测器记录的 光子数 可以确定地层的密度 那么我们怎么保证伽马与地层发生的反应以康普顿效应为主 三 地层密度的求取 1 为什么可用探测器计数率确定密度值 只有保证发射的 射线与地层发生相互作用时以康普顿效应占绝对优势 才能使地层对 射线的线性吸收系数 c 做法 地层密度测井选用137Cs为 源 它发射能量为0 662MeV的 光子 排除了生成电子对的可能性 如果将记录 射线的能量阈值设为0 1MeV以上 也就是只记录那些能量较高的一次散射或多次散射的 射线 就可以避开光电效应的影响 2 几个概念 源距 辐射源到探测器的距离 长源距探测器 源距较大的探测器称为长源距探测器 短源距探测器 源距较小的探测器称为短源距探测器 计数率 单位时间内记录的光子数或中子数 当源的强度和源距选定后 探测器接收的 光子数 或强度 取决于两个过程 一是由源发出的光子经过地层一次或有限次散射 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 3 如何用探测器计数率求取地层密度 当源距很小时 第一个过程是主要的 此时 地层的密度越大 探测器接收到的光子数越多 计数率越大 随着源距增大到一定程度 第二个过程的作用逐渐超过第一个过程 处于主导作用 此时 地层的密度越大 吸收的光子数越多 探测器的计数率越小 当密度一定时 在半对数坐标上 计数率与源距呈线性关系 计数率lnN 源距L L0 计数率lnN 源距L L0 1 2 1 2 基本概念 零源距 两条直线交点对应的源距 用L0表示 负源距 小于L0的源距 正源距 大于L0的源距 现在的双源距密度测井仪器一般采用的是正源距 计数率lnN 为了讨论问题方便 我们引入视源距的概念 视源距La等于正源距L与零源距L0之差 即 实验证明 密度测井仪器测量得到的计数率与视源距的关系具有普通 射线吸收方程的形式 即 另一种方法 把上式两边取对数 得 式中 A为仪器对地层密度的灵敏度 有 可见 源距大时仪器灵敏度高 但源距增大时 探测器的计数率会降低 统计误差相应增大 令B lnN0 这就是密度测井的基本公式 可见 如果仪器贴井壁 且井壁没有泥饼 只用一个探测器就能测量地层密度 但一般的储集层处都存在泥饼 所以密度测井通常采用具有两个不同源距探测器的双源距补偿密度测井仪器 1 密度测井的影响因素 实际测井时 仪器测得的地层视密度 a是下列5个变量的函数 地层真密度 b 地层平均原子序数Zb 泥饼厚度hmc 泥饼密度 mc 泥饼的平均原子序数Zmc 康普顿效应可以使之忽略 结合在一起研究 四 影响因素及处理方法 当地层没有泥饼的情况下 这条线称为 脊线 NS 2 泥饼如何影响 当 b 2 5g cm3 mc 1 5g cm3 当泥饼厚度tmc增加时 短源距计数率比长源距计数率增加得快 这样图中的点将向 脊线 右侧偏移 tmc越厚 两计数率交点离点 b 2 5g cm3越远 当tmc 时 两个探测器这能反映泥饼的性质 计数率的交点将返回到 脊线 上 b 1 5g cm3点位置 有泥饼 只有泥饼厚度变化时 当 b 2 0 2 5 3 0g cm3 mc 1 5g cm3 随着泥饼厚度tmc增加 两计数率的交点均向 脊线 右侧偏移 当tmc 时 所有这些曲线都将返回到 脊线 上 b 1 5g cm3点位置 有泥饼 只有地层密度变化变化时 当 b 2 5g cm3 mc 1 5 2 0 3 0g cm3 随着泥饼厚度tmc增加 泥饼视密度小于地层密度的两计数率交点轨迹都偏向 脊线 右侧 形成右侧的一簇曲线 当tmc 时 它们将返回到 脊线 上相应点的位置 随着泥饼厚度tmc增加 泥饼视密度大于地层密度的计数率交点轨迹偏向 脊线 左侧 当tmc 时 它们将返回到 脊线 上 b 3 0g cm3点位置 有泥饼 只有泥饼密度变化时 脊 肋图 3 泥饼影响的处理方式 井眼影响 大于10in 岩性的影响 地层孔隙介质的影响 泥质影响 9 密度测井曲线的影响因素 什么是岩性测井 仪器有何特别设置 为何能进行岩性测井 如何求取地层光电吸收截面指数Pe 二 岩性测井 岩性密度测井仪器的结构与地层密度测井相同 不同的是地层密度测井使用镉窗 镉的原子序数很高 吸收能量低于100keV的 光子 避免光电效应的影响 而岩性密度测井使用铍窗 铍的原子序数很低 几乎所有能量的 光子都能够穿过 因而能探测到光电效应 1 光电吸收截面指数Pe的求取 一般把岩性密度测井测量的 能谱分成软谱段和硬谱段两部分 硬谱段计数对应能量较高的部分 一般取150 500keV中某一能段或总的计数率 用NH表示 软谱段计数对应能量较低的一部分 一般取40 100keV中某一能段或总计数率 用NS表示 利用 NS NH Pe关系来求取Pe 三 岩性密度测井的应用 求取地层孔隙度识别地层岩性 天然辐射无处不在 包括空气 水源 家居和办公环境 大地或土壤 所谓岩石的天然放射性特征就是研究地层中自然放射性核素的化学特征和分布规律 第三章岩石的天然放射性特征及自然伽马测井 什么是矿物的指示元素 三大天然放射性系 特征及初始元素 地层各种矿物尤其粘土矿物的放射性水平 为什么生油岩具有高放射性 自然伽马与自然伽马能谱测井的基本原理 第一节岩石的天然放射性特征 矿物的指示元素 是指选取能够充分表征该矿物特征的极少数元素作为该矿物的代表 例如选取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 对于复杂的矿物 则可以选取2 3种元素作为指示元素 如钾长石就是选取Si Al和K作为指示元素 2 矿物的指示元素 矿物 流体 主要元素含量顺序 石英 石灰岩 白云岩 钾长石 伊利石 云母 石膏 水 油气 O Si O Ca C O Ca Mg C O Si Al H K Mg Fe O Si Al K Mg Fe O Si Al H K Mg Ca O Ca S O H Cl Na C H 地层矿物及其元素 因为每种矿物的化学成分相对稳定 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 为什么核辐射测井可以通过测量地层的元素含量来判断矿物成分 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 自然界中发现的现有元素中 已发现的天然核素有330多种 其中273种为稳定核素 60余种位放射性核素 在自然界中原子量A209的核素全部都是放射性的 二 岩石中放射性核素 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 238U的丰度为99 2739 而235U的丰度只有0 7205 所以锕系对岩石放射性的贡献几乎可以忽略 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 1 岩石的天然放射性系列 1 岩浆岩中的天然放射性核素分布 石英基本上不含放射性杂质 长石和云母含有地层中大部分的钾 其中40K是放射性核素 角闪石和辉石中放射性核素含量更高一些 二 天然放射性核素在岩石中的分布 2 沉积岩中天然放射性核素分布 沉积岩分为碎屑岩 化学岩 包括生物化学岩 和粘土岩三大类 1 粘土岩粘土岩是油气测井中遇到的含有放射性核素最多的矿物 它主要由粘土矿物组成 高岭石 化学式Al4 Si4O10 OH 8 常出现在陆相沉积中 本身不含放射性元素 由于其对放射性物质吸附能力差 对粘土岩的放射性贡献较小 蒙脱石 化学式 Al2Mg3 Si4O10 OH2 本身也不含放射性元素 但对放射性物质的吸收能力强 能吸附较多的氧化铀 因此 对粘土岩的放射性贡献最大 伊利石 化学式为K 1 Al2 Si Al 4O10 nH2O 由于本身含有K 具有放射性 还具有一定吸附能力 吸附氧化铀 绿泥石 化学式为FeAl Si3AlO10 OH 8 nH2O 本身不含放射性元素 又由于吸附能力差 对粘土岩的放射性贡献很低 为什么说生油粘土岩具有相当的放射性 生油的粘土岩的粘土矿物主要以蒙脱石和伊利石为主 其本身放射性和吸附能力使其具有一定的放射性 又由于富含有机质 有利于放射性物质的沉积 因此具有相当的放射性 碎屑岩由碎屑物和胶结物组成的 碎屑物是岩石的主要组成部分 分为砾岩 砂岩 细砂岩 粉砂岩等 放射性主要由正长石 K AlSi3O8 白云母 KAl2 AlSi3O10 OH 2 重矿物及泥质含量决定的 2 碎屑岩 化学岩是通过化学和生物化学作用形成的 最常见 最密切的是碳酸盐岩 即石灰岩和白云岩 其它常见的化学岩还有石膏 硬石膏 岩盐 钾盐等 其中 钾盐含有放射性核素40K 本身具有放射性 其它化学岩的放射性都是由泥质和某些微量元素贡献的 纯的碳酸盐岩放射性核素的含量很低 特别是Th U很低 3 化学岩 一是高放射性岩石 包括粘土岩 火山灰 海绿石砂岩 含铀矾矿的灰岩及钾盐等 二是中等放射性岩石 包括砂层 砂岩 含有少量泥质的碳酸盐岩等 三是低放射性岩石 包括石膏 硬石膏 岩盐 纯的石灰岩和白云岩及纯的石英砂岩等 4 沉积岩按放射性浓度分类 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 如沥青质泥岩的放射性很高 随着钾盐和某些放射性矿物的增加而增加 5 沉积岩的自然放射性规律 自然伽马测井原理 地层岩石中的自然 射线主要是由铀系和钍系中的放射性核素以及40K产生的 其中铀系和钍系中每种核素发射的 能量和强度均不同 有些核素还能发射多种能量的 射线 射线的能量分布复杂 40K只能放射一种单一能量的 射线 其 射线能量均为1 46MeV 三 地层中天然放射性伽马射线能谱 1 铀系 能谱图 铀系中最重要的伽马辐射体是214Bi 其次是214Pb 铀系中能量大于1MeV的 射线都是由214Bi发射的 214Bi一次衰变发射的 射线能量为1 574MeV 约占铀系总能量的85 6 214Pb占12 4 这两个核素发射的 射线强度占整个铀系的85 自然 能谱测井就是根据214Bi的特征 射线强度测定地层中铀的含量 2 钍系 能谱图 钍系中最重要的伽马辐射体是208Tl 铊 其次是228Ac 锕 208Tl和228Ac 射线总能量约占钍系总能量的85 214Pb占12 4 这两个核素发射的 射线强度占整个钍系的71 自然 能谱测井就是根据208Tl的特征 射线强度测定地层中钍的含量 3 40K 能谱图 自然 能谱测井就是根据40K的特征 射线强度测定地层中钾的含量 测井原理 特点 探测深度 刻度原理 API单位 曲线特点 应用 第二节自然伽马测井 在测井时 地层中由铀系 钍系和40K产生的自然 射线穿过地层 井内介质 仪器外壳 进入探测器 探测器利用原子的电离和激发现象 将入射的 射线转化为电脉冲信号进行记录 这样 随着下井仪器在井内自下而上移动 就连续测量出井剖面地层的自然 强度曲线 称为自然 测井曲线 通常用GR表示 一 测量原理 是贴井壁测量地层自然 射线总强度 是核辐射测井中最早 最基本 最简单的测井方法 测量简单 安全 成本很低 而应用价值很高的测井方法 是寻找放射性矿床 烃源岩最有效的方法之一 二 该方法的特点 地层 r 三 仪器探测深度 定义 规定以探测器为中心 半径为r的球体对探测器自然 强度的贡献占全部空间对探测器自然 强度贡献的99 时 r的大小即为仪器的探测深度 自然伽马测井仪器对实际地层的探测深度不超过20cm 属储集层冲洗带范围 四 仪器的刻度和测量单位 刻度原因 单位时间内的计数 计数率 不仅与测量对象与测量环境有关 而且与仪器本身的性能 特别是与探测器的计数效率有关 刻度原理 用自然伽马仪器在规定的条件下 对强度稳定的标准伽马辐射体 地层或伽马源 进行测量 取得计数率的百分之几作为一个标准单位 用这样的单位对测井值进行标定 刻度的理想方法 建立标准刻度井 自然伽马曲线的单位 APIAPI单位 美国石油学会规定 在标准刻度井中 把高放射性和低放射性地层中测得的读数之差定为200个API单位 自然 曲线不是一条光滑的曲线 即使在岩性很均匀的层段也有明显的起伏变化 五 GR曲线形态 忽略统计涨落变化 当上 下围岩的自然 强度相同时 曲线形状对称于地层中点 忽略统计涨落变化 储集层或纯岩石有低自然 异常 异常越大 泥质含量越低 反之泥质含量越高 泥岩层有高自然 异常 纯泥岩地层的自然 曲线平均值构成了一条直线 称为泥岩线 储集层或非泥岩层的自然 值是曲线异常顶部的平均值 泥浆的影响套管的影响水泥环的影响 7 井眼对测量结果的影响 1 划分岩性和高放射性地层 六 自然伽马测井的应用 在自然 曲线上 泥岩和页岩显示明显的高放射性 形成泥岩线 石膏 硬石膏 岩盐和纯的砂岩 石灰岩 白云岩的放射性很低 形成井剖面上的基值线 在砂泥岩剖面中 纯砂岩在自然 曲线上显示为最低值 而泥岩显示为最高值 粉砂岩 泥质砂岩介于中间 自然 读数随着泥质含量的增高而增高 在碳酸盐岩剖面中 粘土岩如泥岩 页岩的自然 读数最高 纯的石灰岩 白云岩读数最低 且随泥质含量增加而增高 2 划分储集层 在砂泥岩剖面 低自然 异常一般就是砂岩储集层 可以用异常的半幅点确定储集层的界面 在碳酸盐岩剖面 低自然 异常只是指示泥质含量较少的岩石层 是否为储集层还必须有相对高一点的孔隙度显示和明显的低电阻率显示 这是碳酸盐岩裂缝发育带的特征 基线 半幅度点 顶界面 底界面 3 计算地层泥质含量 当地层不含泥质以外的放射性物质时 泥质含量的多少就决定了岩石放射性的强弱 此时 自然 曲线是指示泥质含量最好的测井方法 4 地层对比 与其他测井曲线比较 自然 曲线进行地层对比时具有 自然 读数一般与岩石孔隙中的流体性质 油 水或气 无关 与地层水和泥浆的矿化度无关 在曲线上容易找出标准层 在油 气 水过渡带 盐水井及膏岩剖面井中 用自然 测井进行对比的优点更为明显 自然伽马能谱测井提出的原因 仪器谱 应用 第三节自然伽马能谱测井 对岩石自然 放射性起决定作用的是铀系 钍系核素和核素40K 自然 测井测量的是地层全部放射性核素所产生的总放射性强度 测量结果不能区别核素的种类 也不能确定地层中铀 钍 钾含量 因而应用受到限制 在自然 测井基础上发展起来的自然 能谱测井采用能谱分析的方法 不仅可以测量岩石总的放射性强度 还可以测定岩石中铀 钍 钾的种类及含量 一 自然伽马能谱测井的提出 自然 能谱测井是根据铀系 钍系 钾的自然 能谱的特征 应用能谱分析的方法 对测得的铀系 钍系 钾的 射线混合谱进行解析 从而确定U Th K在地层中的含量 通常用能量为1 76MeV的特征 射线来识别U 能量为2 62MeV的特征 射线来识别Th 能量为1 46MeV的 射线来识别K 二 测量原理 自然 能谱测井的下井仪器与自然 测井基本相同 但地面仪器不同于自然 测井仪 其核心是多道脉冲幅度分析器 用自然 能谱测井仪器测到的自然 射线脉冲幅度谱 比初始谱复杂得多 它不但有各种特征 射线引起的光电峰或全能峰 还有 光子与晶体发生康普顿效应或电子对效应而形成的其他能谱分布 这样的能谱称为仪器谱或混合谱 三 仪器谱 只有对复杂的仪器谱进行解析 才能得到各种指示核素的 射线能量和强度 进而确定各种核素的含量 对仪器谱的解析称为解谱 解谱的方法 见书中 有多种 但都需要铀 钍 钾三种核素的自然 标准谱 因为所有解谱方法都假定仪器测得的混合谱是铀 钍 钾三种核素标准谱的线性叠加 实际上 很难获得铀 钍 钾三种核素的自然 标准谱 目前 解谱中用到的标准谱是标准仪器谱 它是用能谱仪器在刻度井中 测量只含有铀 钍或钾一种核素且尺寸足够大的模拟地层得到的 四 标准谱 自然 能谱测井除了记录铀 钍 钾含量 还记录地层自然 总强度和去铀自然 强度 共5条曲线 五 自然伽马能谱测井的应用 自然伽马能谱记录的曲线 生油层富含有机物 对铀的富集起着重要作用 所以生油层中铀的含量特别高 实践证明 有机物中C的含量与U含量 U K或U Th有简单的线性关系 U含量 U K或U Th越大 有机碳含量越多 则生油层的生油能力越强 因此可以用自然 能谱测井来评价生油层的生油能力 寻找生油层 评价生油能力 传统的储集层是低放射性的 泥质含量少 岩性较纯 U Th K含量低 但当储集层中含有某种高放射性物质时 GR值 U Th含量也将显著提高 应用自然伽马能谱测井 可以发现一些有重要生产价值的高放射性储集层 寻找高放射性储集层 统计研究表明 陆相沉积 氧化环境 风化层 Th U 7 海相沉积 灰色或绿色页岩 Th U 7 而海相黑色页岩 磷酸盐岩 Th U 2 另外 用Th U U K和Th K比值还可研究许多其它地质问题 如从化学沉积物到碎屑沉积物 Th U增大 随着沉积物成熟度的增加 Th K增大 用Th U研究沉积环境 根据铀 钍和钾含量可确定粘土矿物类型 用岩心分析确定粘土矿物中铀 钍 钾含量的范围后 就可以根据自然 能谱测井得到的U Th K含量及Th U U K和Th K来确定粘土矿物的类型 识别粘土矿物类型 监测水淹层 求取泥质含量 第四章中子与物质的相互作用及中子测井 本章主要内容 中子源中子探测中子与原子核的反应补偿中子测井 知识点1 中子及其性质 知识点2 2种测井常用中子源及其特点 第一节中子源 中子的电荷 可能带有很小的难以探测到的电荷 可以把它看成是中性粒子 中子的质量 中子的质量略大于质子 1 00866u 中子的寿命 自由中子是不稳定的 它具有 衰变的性质 即 n p v Q T1 2 11 7 0 3min 1 中子的性质 一 中子 与其他粒子相比 中子的优势 由于中子和电子之间没有明显的相互作用 中子不能使物质电离 因此中子的穿透能力很强 它可以穿透仪器外壳 井液 套管和水泥环 进入地层 与地层中物质的原子核并相互作用 产生各种核反应 反应几率往往很大 这些特性对测井很有利 特快中子 能量在10MeV 50MeV之间 快中子 能量在0 5MeV 10MeV之间 中能中子 能量在1keV 0 5MeV之间 慢中子 能量在0 1keV之间 包括超热中子 热中子 冷中子和共振中子 其中能量约为0 025eV的慢中子称为热中子 2 中子的分类 轻核 A90的原子核 3 原子核的分类 1 中子源 1 定义 产生中子的装置称为中子源 2 中子源产生中子的方法 用高能粒子 粒子 氘核 质子P 光子等 去轰击原子核 即靶核 使原子核获得的能量大于中子的结合能 中子便从核内释放出来 靶核经常选用轻原子核 测井用的中子源选用9Be和3H作为靶材料 X Y n Q 二 中子源 2 中子源的性质 一个中子源的性质主要取决于中子源的强度 中子能量分布 辐射强度 半衰期 中子源的强度即中子发射率 即源每秒发射的中子数目 n s 对同位素中子源 通常用源发射带电粒子发射性物质的活度表示为源强 单位是Bq或Ci 3 中子源的分类 中子源大致可以分为四类 同位素中子源 自发裂变中子源 加速器中子源和反应堆中子源 在测井中 用得最多的是同位素中子源和加速器中子源 1 同位素中子源 利用放射性核素 同位素 衰变时发射的具有较高能量的粒子去轰击某些靶物质 产生中子 这种装置的源称之为同位素中子源或放射性中子源 在测井中 最常用的两种同位素中子源是镅 铍源和钚 铍源 钚 铍中子源 国内2006研制成功 是利用238Pu作为作为 辐射体238Pu 234U 产生两种能量 粒子 分别为5 445MeV和5 499MeV 用9Be作为靶核 反应为9Be 12C n Q1 20 9Be 12mC n Q2 80 12mC 12C 镅铍中子源用241Am作为 辐射体241Am 237Np 同样产生两种能量的 粒子 5 486MeV和5 443MeV铍作为靶核 反应同前面一样 镅铍源具有伴生 射线强度低 半衰期长等优点 最适合在测井中应用 但价格昂贵 且241Am是紧缺材料 所以有时用钚铍源代替 同位素中子源的特点出射中子能谱在较宽能量范围内是连续分布的 最可能的能量范围在2 6MeV间 强度 107数量级 相对低 辐射强度相对较高 制备简单 成本低 体积小 使用方便 化学源 对人体和环境造成较大危害 定义 用加速到一定能量的带电粒子轰击某些靶物质 引起发射中子的核反应 这就是加速器中子源 测井中的加速器中子源也称中子发生器或中子管 也是一个微型粒子加速器系统 中子发生器包括三个部分 氚靶或氘靶 氘离子源 加速系统 2 加速器中子源 强度高 可以在广阔能量范围内获得单色中子 测井为14MeV 能产生脉冲中子束流 中子发射是可控的 加速器不运行时不发射中子 环保性好 中子源体积小 重量轻 便于操作 没有 辐射 加速器中子源的特点 知识点1 非弹性散射及特点 知识点2 弹性散射及特点 知识点3 中子活化及特点 知识点4 辐射俘获及特点 知识点5 给出中子能力 要会分析产生哪些核反应 这些核反应分别是何种测井的原理及该测井方法的作用是什么 第二节中子与物质的相互作用 1 非弹性散射过程 快中子先被靶核吸收形成复核 而后放出一个能量较低的中子 靶核处于激发态 即处于较高的能级 这些处于激发态的靶核 常常以发射 射线的方式释放出激发能而回到基态 这种作用过程中 中子与靶核碰撞前后系统的总动能不守恒 故称为非弹性散射 或称 n n 核反应 产生的 射线 核辐射测井中称为非弹性散射伽马射线 1 非弹性散射 2 非弹性散射的反应式 轻核的第一激发能级高且能级间距大 重核的第一激发能级低且能级间距小 因此质量数大的核比较容易激发 4 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 射线能量也较低 中子能量高且靶核质量大 非弹性散射截面就大 同位素中子源发射的中子能量低 发生非弹性散射的概率小 可以忽略 加速器中子源发射的中子能量为14MeV 较易发生非弹性散射 由于非弹性散射 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 射线能谱的测量来进行元素分析 这是非弹性散射 射线能谱 如C O 测井的基础 其中地层中C O Si Ca的非弹性散射截面较大 5 测井中利用非弹性散射的原因 1 弹性散射过程 高能中子在极短的时间内 经过一 二次非弹性碰撞损失了大量的能量后 中子已没有足够的能量再同原子核发生非弹性散射 此时 中子与原子核发生碰撞后 系统的总动能不变 中子所损失的动能全部转变成反冲核的动能 而反冲核仍处于基态 反应式为 主要发生在中子发射后的10 6 10 5s时间间隔内 2 弹性散射 2 碰撞前后中子的动能比值E2 E1 每次弹性碰撞后 快中子的能量损失与靶核的质量数A 入射中子的能量E1以及散射角 有关 由动量守恒和能量守恒定律 可得 对上式讨论 当 0o时 中子动能没损失 E2最大 E2 E1 当 180o时 即发生正碰撞时 中子的动能损失最大 E2最小 有 一次碰撞 中子可能的最大能量损失为 可见 中子与氢核碰撞有可能损失全部能量 原子核的质量数越大 一次碰撞损失的最大能量急剧减少 在核物理中常用每次碰撞的平均对数能量消耗 来表示物质对中子的减速能力 的定义 每次碰撞前后中子能量自然对数差的平均值 有 3 平均对数能量损耗 减缩 当A 10时 上式近似简化为可见 当质量数大于10时 平均对数损耗是由靶核的质量数A决定的 与中子的能量近乎无关 中子从初始能量E0减速到或慢化到热中子能量Et 0 025eV所需的碰撞次数 4 热化碰撞次数 散射次数n 可见 靶核的质量数越小 慢化到热中子所需的碰撞次数越少 氢的碰撞次数最少 即慢化能力或减速能力最强 可见 可见氢是地层中最强的中子减速剂或慢化剂 这是中子测井得物理基础 1 定义 快中子除了与原子核发生非弹性散射外 还能与某些元素的原子核发生 n n p 反应 由这些核反应产生的原子核称为活化核 活化核有些是不稳定的 以一定的半衰期衰变 并发射 或 粒子 这一过程称为中子的活化反应 由活化反应放出的 射线称为次生活化 射线 3 快中子的活化 2 硅活化核反应 反应产物是放射性核素 将发生 衰变 半衰期为2 3min 伴随发射能量为1 782MeV的 射线 利用这一反应的测井方法叫硅测井 是识别岩性的一种测井方法 3 铝活化核反应 产生的Mg是放射性核素 以半衰期9 5min发生 衰变 放出0 84MeV和1 015MeV两种能量的 射线 利用这一核反应的测井方法就是铝活化测井 1 热中子定义 快中子经过一系列的非弹性碰撞及弹性碰撞 能量逐渐减小 最后当中子的能量与组成地层的原子处于热平衡状态时 中子不再减速 处于这种能量状态的中子称为热中子 在温度为25 时 标准的热中子能量为0 025eV 速度为2 2 105cm s 4 热中子的辐射俘获 2 热中子的辐射 热中子在介质中的扩散过程与气体分子的扩散相类似 即从热中子密度大的区域向密度小的区域扩散 直到被该介质中的原子核俘获为止 3 热中子的俘获 物质中的原子核俘获一个热中子而变成激发态的复核 处于激发态的复核放射出一个或几个 光子而回到基态 这一反应称为辐射俘获核反应 也称 n 反应 反应式为 4 热中子扩散与辐射俘获核反应的意义 在辐射俘获反应中放出的 射线叫俘获 射线 测井上习惯称为中子 射线 以辐射俘获反应为基础的测井方法叫中子 测井方法 不同元素的原子核具有不同的能级 它们放出的 射线能量也不同 这是中子 测井方法 中子寿命测井方法 的物理基础 热中子活化反应 热中子使某些原子核活化主要是与这些原子核产生 n 核反应 反应产生的新核往往是放射性的 新核以一定的半衰期衰变 并伴随发射出一定能量的 射线 这是热中子活化测井的物理基础 5 热中子的活化反应 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 第四节岩石的中子特性参数 1 岩石的微观散射截面在核物理中 一个中子与一个原子核发生散射的几率称为微观散射截面 用 s表示 单位为b 2 岩石的宏观散射截面1cm3物质中原子核的微观散射截面总和称为该物质的宏观散射截面 用 s表示 一 快中子在岩石中的减速特性 3 岩石的宏观减速能力岩石宏观散射截面 s与平均对数能量消耗 的乘积称为宏观减速能力 或称为慢化本领 用 表示 单位是cm 1 对单一元素组成的物质 水是地层中减速能力最强的物质 其宏观减速能力 1 53cm 1 由其它轻元素组成的物质 减速能力比水小1 2个数量级 如石灰岩 其 0 13 s 0 432 0 056cm 1 由重元素组成的物质宏观减速能力更差 可以近似认为岩石的减速能力等于孔隙中水或油的减速能力 4 快中子的减速时间在岩石中 快中子从初始能量减速到能量为0 025eV的热中子所需要的时间称为快中子在岩石中的减速时间 用 f表示 m的单位是g E0和Et的单位是尔格 1MeV