自然伽马能谱测井原理及其应用.doc

自然伽马能谱测井原理及其应用The Principle and Application of Natural Gamma Ray Spectrometry Logging聂万岭（长江大学 资工10904班）摘要：自然伽马能谱测井就是在钻出的深井中，对地层的自然(天然)伽马射线进行能谱分析，由不同的能量的伽马射线强度确定地层中铀、钍、和钾的含量及其分布情况，从而评价地层的岩性、生油能力以及解决更多的地质和油田开发中的问题。关键词：自然伽马能谱测井；生油岩；粘土矿物；泥质含量；高自然伽马放射性储层1 自然伽马能谱测井原理11 自然伽马能谱测井的理论基础地层中存在的放射性核素，主要是天然放射性核素，这些核素又分放射系和非放射系的天然放射性核素。放射系为钍系、铀系和锕铀系，但锕铀系的头一个核素235U在自然界中的丰度很低，其放射性贡献甚微，不予考虑。非放射系的天然放射性核素如表1所列。从表中可见，主要是87Rb和40K，但是87Rb无伽马辐射。所以，在研究地层中的自然伽马能谱主要是238U、232Th放射系和40K放射的伽马射线能谱。因为地层岩石的自然伽马射线主要是由铀系和钍系中的放射性核素及40K产生的。而铀系和钍系所发射的伽马射线是由许多种核素共同发射的伽马射线的总和，但每种核素所发射的伽马射线的能量和强度不同，因而伽马射线的能量分布是复杂的。而40K只能发射一种伽马射线，其能量146Mev的单能。如果我们把横座标表示为伽马射线的能量，纵座标表示为相应的该能量的伽马射线的强度。把这些粒子发射的伽马射线的能量画在座标系中，那么就得到了伽马射线的能量和强度的关系图，这个图称为自然伽马的能谱图。铀系和钍系在放射性平衡状态下系内核素的原子核数的比例关系是确定的，因此不同能量伽马的相对强度也是确定的，因此我们可以分别在这两个系中选出某种核素的特征核素伽马射线的能量来分别识别铀和钍。这种被选定的某种核素称为特征核素，它发射的伽射线的能量称为特征能量，在自然伽马能谱测井中，通常选用铀系中的214Bi发射的176MeV的伽马射线来识别铀，选用钍系中的208Tl发射的2. 62MeV的伽马射线来识别钍，用146MeV的伽马射线来识别钾。当我们把伽马射线按我们所选定的特征能量分别计数，那么这就叫测谱。测谱测出的结果打印成数据表或绘成能谱图。因而将测得的自然伽马能谱转换成地层的铀、钍、钾的含量，并计录在磁带上或以连续测井曲线的形式输出，这就是自然伽马能谱测井。要用自然伽马能谱测井，必须满足两个条件：(1)地层岩石中必须存在具有7辐射的放射性核素，或者说，岩石中的放射性核素必须具有7辐射；(2)放射性核素在地层岩石中的分布必须具有特异性。12自然伽马能谱测井仪器自然伽马测井仪的测量装置由井下仪器和地面仪器组成。井下仪由伽马射线探测器(由闪烁晶体和光电倍增管组成)、脉冲幅度鉴别器、分频器、整形器及电缆驱动器等电路组成。这几大部分组成一套完整的测井仪器。自然伽马测井仪是一种沿着井眼剖面测量岩层自然放射性活度分布的测量仪器。测井时，闪烁晶体把地层伽马射线转变成光脉冲信号，由光电倍增管的光阴极转换为光电子，经光电倍增管放大后输出负电压脉冲，经幅度鉴别、分频、整形、功放，然后经电缆输送到地面。并下仪器沿井身自下而上移动测量，就连续记录出井剖面上岩层的自然伽马强度曲线，称为自然伽马测井曲线。2 自然伽马能谱测井分析与应用自然伽马能谱测井资料包括：地层总自然伽马（GR)，地层无铀伽马(KTh)，及地层中铀(URAN)、钍(ThOR)、钾(POTA)的含量。利用其测量值可以研究地层特性，计算泥质含量、地层粘土矿物归类、识别高自然伽马放射性储层、评价生油岩等。具体过程是采用交会图技术，做出地层ThK交会图，按照给定的ThK交会图版，归类粘土矿物，定性识别粘土矿物。同样，采用ThU交会，可分析沉积环境的变化情况。在还原环境和有机质富集的条件下，可以使泥质沉积吸附大量的铀离子，自然伽马能谱测井中铀曲线代表地层中铀的含量，因而可用来评价生油岩。21评价生油层自然伽马能谱资料中的铀曲线反映地层中放射性矿物铀的含量。研究表明，放射性元素铀与有机质的丰度有很密切的关系，有机质越富集的地方，能谱曲线中所显示的铀含量越高，指示与油气关系越密切。根据这一结果，分析老27井的自然伽马能谱资料如图1所示，在泥岩出油层段铀含量大于310-6。对没有自然伽马能谱资料的樊41井、罗42井、大93井等进行分析结果发现：在地质录井或井壁取心资料中，反映的岩性为泥岩与油页岩或油泥岩互层，或者距油页岩或油泥岩距离较近，是较好的生油层。22确定地层岩性由于地层中天然放射性核素的分布具有一定的规律性，因此，利用自然伽马能谱测井可以确定地层的岩性，特别是对于一些复杂地层的岩性识别，自然伽马能谱测井将优于其它测井方法。(1)利用ThU交会图划分岩性一般情况下，地层中的钍(Th)含量随岩石的粒度变细而增加，利用钍值可以把地层中的砂岩、粉砂岩和泥岩等划分得很清楚，因此Th是一个识别岩性的较好参数。此外，在地层原始沉积的过程中，铀(U)的含量与地下水的溶解和迁移程度有关，而油气藏的形成与地下水的活动也有关系，并且油气藏的形成还要求有良好的封闭条件，因此油气藏的形成与U有一定的关系，为此，利用ThU交会图可以更准确地区分岩石的岩性。(2)利用ThK交会图划分岩性在地层中，钾(K)的含量也与岩性有关。一般情况下，钾的含量随岩石的粒度变细而增加。此外，在碳酸盐中钾含量较多，这是由于碳酸盐在形成过程中的淋滤作用而造成的。为此，利用ThK交会图也可以区分岩石的岩性。23粘土矿物类型的识别图2是用自然伽马能谱测井识别不同粘土矿物，定量计算粘土图版。该图版首先以测井深度对岩心深度进行归位，然后按不同地区、同一层系对伽马射线衍射资料进行统计，当某种粘土矿物超过50时，就以该矿物为主要的粘土矿物，该粘土矿物就对应一定的铀、钍、钾测井值；然后再分别以测井的铀一钍、铀一钾、钍钾的测井值(API)为纵坐标和横坐标，将这个层系的粘土矿物点于坐标中，经过统计得到一个图版。从图中易知，伊利石、高岭石、绿泥石、伊蒙混层相互交错，个别伊蒙混层能明显地区分。这说明各地区不同地层粘土矿物与能谱测井值的响应是不同的，其响应关系与地层成岩过程中的母岩、地层水放射性的含量有关。由于某些粘土矿物具有特殊的U，Th，K含量，所以自然伽马能谱测井可用于鉴定粘土矿物和矿物类型。24计算泥质含量可以用总伽马计数率计算泥质含量：25寻找高放射性储层纯砂岩和碳酸盐岩放射性元素含量很低，但有些地层中，由于岩石骨架中含有放射性矿物而明显呈现高放射性，有些渗透性地层由于地层水活动使其放射性矿物增多，引起放射性升高。传统观念认为储集层是低放射性的、泥质含量较少的、比较纯的岩石，而忽视了高放射性储层的生产价值。运用自然伽马能谱测井中的无铀伽马计算泥质含量，可以弥补常规方法的不足。准确识别高放射性储层，确定岩性剖面。3总结自然伽马能谱测井测量的地层中铀(U)、钍(Th)、钾(K)的含量，为地质研究提供了非常重要的资料，利用能谱资料可以计算泥质含量，识别粘土矿物类型，评价生油岩等。在高放射性储层中，用无铀伽马能精确计算泥质含量，确定岩性剖面，判断高放射性(裂缝)储层，避免了高放射性储层的漏失，弥补了用自然伽马计算泥质含量的不足，为储层评价提供了精确的解释依据。参考文献1庞巨丰，迟云鹏等现代核测井技术与仪器M北京，石油工业出版社，1998，62白运台自然伽马能