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第七章放射性测井 放射性测井 核测井 是测量记录反映岩石及其孔隙流体和井内介质的核物理性质的参数 研究井剖面岩层性质 寻找石油矿藏等的一类测井方法 7 1自然伽马测井和自然伽马能谱测井 一 伽马测井的核物理基础1 放射性和放射性衰变 1 核素和同位素核素 一种核素是指原子核的质子数和中子数都相等并处于同一能态的同一类原子 用下列符号表示 其中为元素的符号 Z和A分别表示质子数和质量数 例如是一种核素 同位素 是指几种质子数相同而中子数不同的核素统称为该种元素的同位素 例如 和 这三种核素都是氢的同位素 2 放射性和放射性核素放射性 原子核自发地放出各种射线的性质统称为放射性 放射性核素 能自发地发生衰变 由一种核变为另一种核的核素称为放射性核素 如就是放射性核素 稳定核素 不能自发发生变化的核素就是稳定核素 例如 就是稳定核素 3 核射线 射线是高速运动的氦原子核 粒子 它的穿透能力最低 但电离能力最强 在核测井中 利用粒子和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 但电离能力较射线弱 射线是波长很短的电磁波 它的贯穿能力最强 但电离能力最弱 射线能穿透几十厘米的地层 水泥环 套管和下井仪器的外壁而被探测仪器接收到 是核测井的主要探测对象 4 放射性衰变 放射性核素的原子核自发地释放出一种粒子变成另外一种原子核的放射性现象称为放射性衰变 衰变方式 衰变 原子核自发地发射粒子 核 转变成另一种原子核的放射性现象称为衰变 其过程可表示为 例如放射性核素钋 经过衰变变成铅 同时放出射线 衰变 原子核自发地放出负电子 正电子或俘获一个轨道电子而发生的转变 统称为衰变 跃迁 由 衰变产生的子核往往处于激发态 而后可以通过发射射线释放多余的能量而退激到基态的过程称为跃迁 或称衰变 5 核衰变基本规律半衰期 放射性核素因衰变而减少到原来一半所需的时间 用 6 放射性活度一个放射源在单位时间内衰变的原子核数 称为放射性活度 2 伽马射线和物质的相互作用 1 射线与物质相互作用的几率利用截面来描述作用几率的大小 定义式为 储层岩性分析 储层孔隙度计算 射线 源 地层物质 射线与物质的相互作用 问题1 伽马射线与物质之间的相互作用有哪些 问题2 核测井利用这些过程怎样来确定储集层岩性和孔隙度呢 伽马源 地层物质 康普顿效应 电子对效应 光电效应 主要作用方式 2 光电效应 原子核 核外电子 入射光子 光电子 1 光子与靶物质原子发生电磁相互作用 2 光子被吸收 能量全部交给内层束缚电子 3 束缚电子摆脱原子发射出来成为光电子 原子核 核外电子 入射光子 光电子 光子与靶物质原子发生电磁相互作用 结果是吸收一个 光子 并将 光子的能量全部转移给某个束缚电子 该束缚电子摆脱原子对它的束缚之后发射出来 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 图3 1伽马射线与物质的三种作用 a 光电效应 b 康普顿效应 c 电子对效应 3 康普顿效应 原子核 核外电子 入射光子 散射光子 反冲电子 1 光子与原子的核外电子发生非弹性碰撞 2 光子一部分能量转移给外层电子 光子发生散射 其能量和运动方向发生变化 3 束缚电子获得能量脱离原子成为反冲电子 原子核 核外电子 入射光子 散射光子 反冲电子 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子 同时光子发生散射 散射光子的能量和运动方向发生变化 即康普顿效应 4 电子对效应 原子核 核外电子 入射光子 负电子 正电子 1 光子受到原子核库仑场的作用 2 光子转变为一个正电子和一个负电子 自身消失 原子核 核外电子 入射光子 负电子 正电子 当 光子从原子核旁经过时 在原子核的库仑场作用下 光子转换为一个正电子和一个负电子 这种过程称为电子对效应 是高能 射线与物质作用的一种主要方式 对于不同的吸收物质和能量区域 每种效应的相对重要性不同 对于低能伽马射线和原子序数高的吸收物质 光电效应占优势 对于中能伽马射线和原子序数较低的吸收物质 康普顿效应占优势 对于高能伽马射线和原子序数高的吸收物质 电子对效应占优势 5 射线的衰减规律 射线通过吸收物质时 由于发生上述三种效应 其强度要减弱 穿过吸收物质后的强度与吸收物质的厚度的关系为 3 射线的探测 1 闪烁探测器闪烁探测器主要有闪烁体 光电倍增管和电子仪器三部分组成 常用的闪烁体主要有碘化钠 铊 碘化铯 铊 和BGO等 2 半导体探测器半导体探测器的探测介质是半导体材料 在测井中比较有前途的是高纯锗探测器 与闪烁探测器比较 主要优点是能量分辨率高 线性范围宽 但输出幅度小 须在低温条件加工作 图3 2闪烁探测器组成示意图 二 自然伽马测井自然伽马测井是用伽马射线探测器测量地层总的自然伽马放射性的强度 以研究地层性质和寻找放射性矿床的测井方法 1 岩石的自然伽马放射性岩石的自然伽马放射性决定于岩石中所含的放射性核素的种类和数量 即主要是岩石中铀 钍 钾的含量决定 1 钍系 从钍 开始经6次 衰变和4次 衰变 最后生成稳定核素 2 铀系 从铀 开始经8次 衰变和6次 衰变 最后生成稳定核素 2 自然伽马测井原理 1 铀 铀系中最重要的 辐射体是214Bi 其次是214Pb 主要特征 射线为0 609MeV 1 12MeV 1 76MeV和2 204MeV 自然 能谱测井就是根据214Bi的特征 射线来确定地层中铀的含量 常取1 76MeV为铀系的特征 射线 2 钍 钍系中最重要的 辐射体是208Tl 其次是228Ac 主要特征 射线的能量分别为0 239MeV 0 583MeV 0 908MeV 0 960MeV和2 62MeV 其中208Tl发射的能量为2 62MeV的 射线是钍系中能量最高 强度最大的 射线 自然 能谱测井就是根据208Tl发射的特征 射线强度来确定地层中钍的含量 地层中存在的40K 能够放出能量为1 46MeV的单一 射线 根据它可以来确定地层中钾的含量 岩石的自然 能谱 地层岩石的自然 放射性是由铀 钍 钾的含量及其能谱决定的 测井原理 给下井仪供电 探测器工作提升下井仪经不同地层 当伽马射线照射探测器 探测器将伽马射线转化为相应数目的电脉冲脉冲信号经放大器放大 由电缆传至地面地面仪器把单位时间的脉冲数被转化成相应电位差值记录仪记录 得到是一条随深度变化的计数率曲线 脉冲 分 现常用API单位 3 自然伽马测井曲线 1 自然伽马测井的标准化不同的探测器 甚至相同的探测器探测其效率和仪器的差别 会造成同一测量对象得到不同的测量结果 对自然伽马测井仪进行标准化 标准化的基本方法 建立标准刻度井 在刻度井中对每支仪器进行标定 2 自然伽马测井曲线特点 上下围岩放射性相同时 曲线对称于地层中点 并在地层中点取得极值 高放射性地层 地层中点的极大值随地层厚度h的增加而增大 但当时 极大值为常数 与地层厚度无关 只和岩石的自然放射性成正比 对于的地层为厚层 否则为薄层 厚层曲线两个半幅点正对着地层的上 下两个界面 由半幅宽确定的视厚度ha与地层真厚度h相等 而薄层曲线的两个半幅点将落在该层之外 视厚度ha大于地层真厚度h 图3 3有限厚度放射性地层沿井轴的光子通量 3 影响因素 的影响 放射性涨落误差 厚度的影响 环境的影响 4 自然伽马测井曲线的应用 1 划分岩性和地层对比主要依据 岩层中Vsh不同 GR读数不同 砂泥岩剖面 砂岩显示最低值 粘土 泥岩和页岩 最高值 粉砂岩泥质砂岩介于中间 随泥质含量增加曲线幅度变大 2 划分储集层砂泥岩剖面 低自然伽马异常就是砂岩储集层 异常半幅点确定储集层界面 碳酸盐岩剖面 低GR说明含泥质少的纯岩石 结合高孔隙度和低电阻率可划出储集层 3 计算泥质含量 三 自然伽马能谱测井 NGS 自然伽马能谱测井根据地层中铀 钍 钾放射性核素放射出来的伽马射线能谱的不同 测定铀 钍 钾含量的测井方法 1 地层的自然伽马能谱 2 自然伽马能谱测井原理 1 自然伽马能谱测井仪器 射线探测器 脉冲幅度分析器 多道分析器 稳谱源和稳谱探测器 下井仪器控制系统 数据处理和记录系统 2 仪器谱 标准谱和谱处理方法解谱 就是对各能窗综合考虑各种贡献列出方程组求解的过程 主要有 剥谱法 逆矩阵法 最小二乘逆矩阵法 加权最小二乘矩阵法 3 自然伽马能谱曲线自然伽马总计数率 SGR 钍含量 THOR 铀含量 URAN 钾含量 POTA 3 自然伽马能谱测井资料的应用 1 岩性识别和地层对比 2 识别粘土矿物 3 求泥质含量 4 研究生油层 5 寻找储集层 6 研究沉积环境 表3 1铀 钍 钾含量数据表 图3 5页岩储集层在能谱曲线上的特点 7 2放射性同位素测井 放射性同位素测井 radioisotopelog 又称放射性同位素示踪测井 是利用放射性同位素作示踪剂来研究注水动态和油井技术情况的一种测井方法 一 放射性同位素测井方法1 测井过程井内注入被放射性同位素活化