第05章 伽马-密度

2020 4 6 1 放射性测井 放射性测井是根据岩石和介质的核物理性质 研究钻井地质剖面 寻找油气藏以及研究油井工程的地球物理方法 放射性测井方法 按其应用射线的类型可分为两大类 即主要利用伽马射线的伽马测井法和利用中子的中子测井法 2020 4 6 2 放射性测井的特点 裸眼井 套管井内均可进行测井 在油基泥浆 高矿化度泥浆以及干井中均可测井 是碳酸盐岩剖面和水化学沉积剖面不可缺少的测井方法 但是它的测速慢 成本高 由于生产和解释方法的改进 放射性测井解决生产问题的范围不断扩大 它仍是一项重要的测井方法 特别是核磁共振测井仪的研制成功 更加扩大了放射性测井的应用范围 本部分内容主要分两章分别介绍伽马测井和中子测井 2020 4 6 3 第五章伽马测井 伽马测井是一类利用伽马射线性质的核测井方法 两种类型 测量岩石天然放射性的方法 自然伽马测井 是最简单的放射性测井方法 测量地层总的伽马放射性 用于划分岩性和储集层 计算泥质含量等 自然伽马能谱测井 除可测量总伽马放射性外 主要测得地层中放射性核素铀 钍 钾等的含量 具有重要的地质意义 提供人工伽马源的方法 放射性同位素测井 利用放射性同位素做为示踪剂 解决与示踪有关的各种生产和工程问题 密度 岩性密度测井 利用伽马射线与地层的作用 测量地层密度 解决与地层岩性和孔隙度等有关的问题 2020 4 6 4 5 1伽马测井的核物理基础5 2自然伽马测井5 3自然伽马能谱测井5 4放射性同位素测井5 5密度与岩性密度测井 第五章伽马测井 2020 4 6 5 5 1伽马测井的核物理基础 1 放射性核素和核衰变 1 核素 同位素同位素 质子数相同 中子数不同 化学性质相同 核素 质子数 中子数都分别相同 核性质相同 如 1H1 1H2 1H3分别是氢的三种同位素 是三种不同的核素 2 放射性核素和核衰变不稳定核素的原子核能够自发地释放出带电粒子 或 蜕变为另一种核素 同时放出伽马射线 这种自发地释放 等射线的性质称为放射性 这些不稳定核素称为放射性核素 这个过程称为核衰变 2020 4 6 6 核衰变定律 N N0e t 为衰变常数 半衰期 放射性核素因衰变而减少到原来一半所需时间用T或T1 2表示 与 的关系 T ln2 3 放射性活度和比度活度 单位时间内放射出粒子的数 习惯上称强度 单位Ci或Bq 比度 活度与发生衰变的物质的质量数的比值 4 放射线性质 氦核 2He4 易引起物质电离 易被吸收 穿透力差 高速电子流 在物质中射程极短 频率很高的电磁波或光子流 不带电 能量高 穿透力强 能穿透几十厘米的地层 套管及仪器外壳 只有伽马射线能被仪器探测到而用于放射性测井中 2020 4 6 7 2 伽马射线与物质的相互作用 光电效应 低能 与电子碰撞 被全部吸收 打出光电子 康普顿效应 中能 与电子碰撞 能量损失后成为散射 放出康普顿电子 电子对效应 高能 与库仑场作用 转化为一正 负电子对 2020 4 6 8 康普顿效应引起伽马射线减弱 用康普顿减弱系数 表示 一定条件下 与介质密度 成正比 由此发展了密度测井 光电效应导致伽马光子被完全吸收 用宏观光电吸收截面 表示 测井时K为常数 故 可反映岩性 另外常用光电吸收截面指数Pe Z KZ3 6和体积光电吸收截面指数U反映岩性 密度测井利用了康普顿效应 测量地层密度 岩性密度测井利用了康普顿效应和光电效应 可同时测量岩性和密度 3 伽马射线的探测伽马射线探测器 计数管 测井中主要应用闪烁计数管和盖革 弥勒计数管 将探测到的 光子转换为电脉冲进行计数 2020 4 6 9 5 1伽马测井的核物理基础5 2自然伽马测井5 3自然伽马能谱测井5 4放射性同位素测井5 5密度与岩性密度测井 第五章伽马测井 2020 4 6 10 1 岩石的自然放射性 1 地层的主要放射性核素岩石的自然伽马放射性是由岩石中放射性核素的种类及其含量决定的 其中起决定作用的是铀系 钍系和放射性核素K40 习惯称铀 U238 钍 Th232 钾 K40 铀 钍 钾含量 粘土岩中钾含量最高 约2 钍次之 约12ppm 铀含量一般最低 约6ppm 但在还原环境的生油粘土岩中铀含量明显升高 砂岩和碳酸盐岩的铀 钍 钾含量一般随其泥质含量增加而增加 但水流作用也可造成铀含量很高 5 2自然伽马测井 2020 4 6 11 2 岩石的自然伽马放射性与岩石性质的关系 岩石大类 一般沉积岩放射性低于岩浆岩和变质岩 因沉积岩一般不含放射性矿物 其放射性主要由吸附放射性物质引起的 岩浆岩及变质岩则含较多放射性矿物 沉积岩石的放射性 沉积岩中 放射性矿物的含量一般都不高 除钾盐层以外 沉积岩自然放射性的强弱与岩石中含泥质的多少有密切的关系 岩石泥质含量越大 自然放射性就越强 可分为高 中 低放三种类型 高放岩石 泥岩 泥质砂岩 深海泥岩及钾盐层等 中放岩石 砂岩 石灰岩和白云岩 低放岩石 岩盐 煤层和硬石膏等 2020 4 6 12 2 自然伽马测井原理及影响因素 1 测量原理 自然伽马测井仪是通过伽马探测器把地层中放射的伽马射线转变为电脉冲 经过放大输送到地面仪器记录下来 测井曲线包括原始计数率曲线及API工程值GR 探测范围大约是以探测器为中心 半径30 45cm球体范围 2 曲线特征 上下围岩相同时 曲线对称 中部极值代表地层读数 高放射性地层 如泥岩 对应极大值 当地层厚度小于3倍的钻头直径 h 3d0 时 极大值随地层厚度增大而增大 极小值随地层厚度增大而减小 当h 3d0时 极值为一常数 与层厚无关 当h 3d0时 可用 半幅点 确定地层界面 2020 4 6 13 地层厚度对曲线幅度的影响由于受围岩影响 层厚变小 h 3d0 时 要考虑层厚对GR读值的影响 3 主要影响因素 V 的影响受测速V 地面仪器积分电路时间常数 的影响 可使得指根据实测GR曲线定出的岩层界面深度与实际深度之间有一偏差 深度偏移 2020 4 6 14 放射性涨落的影响 在放射性源强度和测量条件不变时 相等时间间隔内 对射线强度多次重复测量 每次记录的数值一般是不相同的 但总在某一数值附近变化 此现象叫放射性涨落 曲线上显示小的 锯齿 形状 原因是由于放射性元素各原子核的衰变彼此是独立的 衰变的次序是偶然的等 2020 4 6 15 井参数的影响 井径变化的影响 井径的扩大就意味着已下套管井水泥环增厚和裸眼井泥浆层增厚 假设水泥和泥浆不含放射性元素 则水泥环和泥浆层增厚会使自然伽马测井曲线值降低 但是由于泥浆有一些放射性 所以泥浆的影响很小 由于钢铁对伽马射线的吸收能力很强 所以下了套管的井 自然伽马测井曲线值会因套管吸收伽马射线而有所下降 因此应用GR曲线时 应结合井径曲线和套管程序对井径和套管的影响加以考虑校正 2020 4 6 16 3 GR测井刻度方法 自然伽马测井仪给出的测量结果是计数率 一般地说 计数率高说明地层的自然放射性强 但对于同一客观环境 不同的测井仪器测得的计数率可能会差别很大 刻度的目的就是建立仪器的读数与地层参数的对应关系 也就是对自然伽马仪器标准化 刻度的基本方法是建立人工标准刻度井 在井中对仪器标定 美国石油学会规定的放射性计数率单位为API 它是将刻度井中高放与低放地层读数之差定为200API 对于不同仪器 一个API单位对应的计数率是不同的 从而可使不同仪器对同一测量对象测得相同API值 我们国家也建有一些刻度井 实际中有一 二 三级等多级刻度 其它放射性测井仪器的刻度与此类似 后面一般不再单独介绍 2020 4 6 17 胜利测井公司放射性刻度井群 放射性测井仪刻度井群是参照API标准设计建造 选用天然岩石模块制作的具有不同井眼尺寸 不同岩性和不同地质物理参数的标准刻度井群 能够对中子 密度 自然伽玛等放射性仪器和标准器进行标准和标定 同时为研制下井仪器提供试验环境 2020 4 6 18 4 GR测井主要应用 1 划分岩性和地层对比SP不能用时 是代替SP测井的最好方法 其应用还优于SP GR曲线与地层水 Cw 和泥浆矿化度 Cm 无关 一般与地层流体性质无关 容易找到标志层 2020 4 6 19 2 划分储集层在砂泥岩剖面 低自然伽马异常一般就是砂岩储集层 半幅点 确定储集层界面 碳酸盐岩剖面则要结合其它资料判断 2020 4 6 20 3 计算泥质含量当地层不含泥质以外的放射性物质时 GR曲线是指示地层泥质含量的最好方法 相对值法计算Vsh 4 计算粒度中值研究表明 GR测井曲线的变化与粒度中值Md曲线的变化有较好的对应性 相关性很高 用经验关系式计算Md 2020 4 6 21 5 1伽马测井的核物理基础5 2自然伽马测井5 3自然伽马能谱测井5 4放射性同位素测井5 5密度与岩性密度测井 第五章伽马测井 2020 4 6 22 5 3自然伽马能谱测井 1 放射性地层的自然伽马能谱初始谱 铀系 钍系和k40放出的射线未经地层的散射吸收而得到的一系列谱线称为初始谱 仪器谱 初始谱在实际地层中是测不到的 因为地层中含有多种放射性物质 不能单独测量 而且 地层放射出的 射线在到达探测器之前 会与地层物质发生光电效应 康普顿效应和电子对效应等各种作用 使得仪器接收到的是一个混合谱 也称为仪器谱 自然放射性主要由铀 钍 钾造成 它们在地质上都有各自的意义 但GR测量总的放射性 自然伽马能谱测井可得到它们各自的含量 2020 4 6 23 初始谱 仪器谱特征峰 仪器谱中能量分别为1 46MeV 1 76MeV和2 62MeV的三个峰最易识别 它们分别是K40 铀系Bi214和钍系Tl208三个指示核素的特征峰 2020 4 6 24 2 测井原理 脉冲幅度分析系统根据特征峰的分布 对仪器谱进行分道记录 自然伽马仪器谱的解析对仪器谱进行解析 分别确定出指示核素的含量 测井曲线自然伽马能谱的实时处理结果或进一步的处理结果都是以测井曲线的形式给出的 除了记录地层铀 钍 钾含量 还用API单位或计数率单位记录普通自然伽马SGR和去铀自然伽马CGR 2020 4 6 25 3 主要应用 寻找高放射性储集层在油田开发中研究流体流动情况计算泥质含量研究沉积环境和粘土矿物类型研究生油层 虽然自然伽马能谱测井有很多用途 但因U Th K数值低而精度有限 加上仪器复杂 测速低和成本高 一般不把它做为一种常规测井方法 而常用于复杂情况下的重点研究 2020 4 6 26 5 1伽马测井的核物理基础5 2自然伽马测井5 3自然伽马能谱测井5 4放射性同位素测井5 5密度与岩性密度测井 第五章伽马测井 2020 4 6 27 5 4放射性同位素测井 放射性同位素测井是利用放射性同位素做为示踪剂 向井内注入被放射性同位素活化的溶液或固体悬浮液 并将其压入管外通道或滤积在射孔孔道附近的地层表面上 通过测量注入示踪剂前后同一井段的伽马射线强度 用于研究和观察油井技术状况和采油注水动态的测井方法 常用于解决与示踪过程有关的各种问题 也称示踪测井 下面通过几个例子说明其应用 2020 4 6 28 1 寻找窜槽位置 2020 4 6 29 2 检查封堵效果 例1 从B注入活化水泥 例2 射开的四个层同时注入活化煤油水泥 后抽吸导出 AB为水层 已堵住 2020 4 6 30 3 检查压裂效果 2020 4 6 31 4 测定吸水剖面 2020 4 6 32 5 1伽马测井的核物理基础5 2自然伽马测井5 3自然伽马能谱测井5 4放射性同位素测井5 5密度与岩性密度测井 第五章伽马测井 2020 4 6 33 5 5密度与岩性密度测井 2 密度测井原理 计数率与密度的关系 1 伽马源 密度测井选用Cs137 岩性密度使用Cr51 1 密度测井 2020 4 6 34 伽马源和源距选定后 探测器接收到的 强度决定于散射和吸收两个过程 测井 正源距 记录的计数率越低 地层密度越大 3 测量方式 贴井壁测量 为克服泥饼厚度 密度等影响 常采用双源距补偿方式 L由长源距计数率NLS得到 由长短源距计数率NLS NSS共同得到 2020 4 6 35 4 记录曲线 一般记录曲线为DEN或 b 补偿密度 FDC 记录 b和 两条曲线 单位是g cm3 克 厘米3 有时还直接给出由 b刻度得到的孔隙度曲线 常用石灰岩刻度 探测深度 与岩性 孔隙度 源距等有关 一般在冲洗带或侵入带 2020 4 6 36 2 岩性密度测井LDT 岩性密度测井同时利用了康普顿效应和光电效应 前者主要反映地层密度 后者与密度及岩性均有关 需对接收到的伽马射线谱进行分析 分别测得密度和岩性 一般记录Pe 光电吸收截面指数 或U 体积光电吸收截面 b和 等几条曲线 2020 4 6 37 3 仪器刻度 密度测井和岩性密度测井仪器都是在几个已经精确知道了其体积密度的纯实验地层中刻度的 这