第三章_核测井.ppt

1、第三章 核测井,西安科技大学资源勘查2008级,核测井(放射性测井)：以物质的原子核物理性质为基础的测井方法。它是根据岩石及其孔隙流体和井内介质(套管、泥浆等)的核物理性质来研究钻井地质剖面，寻找煤、石油等有用矿藏，研究油气田开发及油气井工程的测井方法。,引言,放射性测井优点：它是唯一能够确定岩石及其孔隙流体化学元素含量的测井方法。既可以在裸眼井又可以在套管井中测量，而且不受井眼介质的影响。 放射性测井缺点：成本高；测速低；需要一定的放射性防护措施。 核测井适用条件：不仅适用于一般的泥浆井，而且也适用于油基泥浆井、高矿化度泥浆井、空气钻井(裸眼井、套管井)等，是一种适用范围较大的测井方法。,引

2、言,第一节 自然伽马和伽马能谱测井,自然伽马测井(Gamma Ray)和自然伽马能谱测井(Natural Gamma Spectrometry)均是以研究岩石的自然放射性为基础的放射性测井方法。,一、伽马测井的核物理基础 (一)原子核的衰变及其放射性,1.原子的结构 原子：由原子核及其核外电子层组成的一种很微小的粒子，直径大约为10-8cm。原子核的直径大约为10-1410-13cm，由中子和质子组成。质子就是氢原子核，带1个单位正电荷，中子是不带电的粒子，其质量几乎与质子相同，约为1个原子质量单位(U)，(质量数为12的碳元素的一个原子质量的1/12为一个原子质量单位)。,第一节 自然伽马和

3、伽马能谱测井,第一节 自然伽马和伽马能谱测井,原子呈中性：原子核中的质子数=核外电子数 元素的原子序数(Z)：原子核中的质子数目； 元素的质量数(A)：中质子数中子数； 原子核：ZXA；X代表元素符号，右上角质量数A，左下角原子序数Z。 例：6C12表示质量数为12的碳原子核。,第一节 自然伽马和伽马能谱测井,元素：同类原子的统称；决定元素化学性质的是元素的原子序数，即原子核所含的质子数，与其质量数无关。也就是说：原子序数相同而质量数不同的各元素其化学性质是相同的，它们在周期表中占有同一位置。 同位素：原子序数(原子核中质子数)相同而中子数不同的核素。 例：氢的同位素：11H氕、12H氘、13

4、H氚。,2.同位素与放射性核素,第一节 自然伽马和伽马能谱测井,3.核衰变 核衰变：放射性元素的原子核自发地释放出一种带电粒子(粒子或粒子)，蜕变成为另外某种原子核，同时放射出伽马()射线的过程。 放射性：原子核能自发地释放出、射线的性质。,第一节 自然伽马和伽马能谱测井,放射性核衰变的规律：放射性核数随着时间按指数递减的规律变化，且这种变化与任何作用(如温度、压力、电磁场等)无关，衰变速度唯一地取决于放射性元素本身。 若以N0和N分别表示任意放射性元素在时间t=0和t的个数，则放射性元素衰变规律可用下列关系式表示，其中为衰变系数。,第一节 自然伽马和伽马能谱测井,半衰期：指放射性元素从t=0

5、时的N0个原子开始，到有N0/2个原子核发生衰变所经历的时间，用T表示。,第一节 自然伽马和伽马能谱测井,T和一样，不受任何外界的影响，而且是与时间无关的常量。放射性元素不同，其半衰期也不同，放射性元素的半衰期相差很大，有的短到若干分之一秒，而有的则长达几十亿年。,第一节 自然伽马和伽马能谱测井,常见放射性核素半衰期,第一节 自然伽马和伽马能谱测井,4.放射性活度与放射性比度 一定量的放射性核素，在单位时间内发生衰变的核素叫放射性活度或放射性强度。 活度的单位为居里(Ci)：1Ci3.71010/S 1Ci1000mCi1000000Ci 另一单位：贝克勒尔 Bq 1Bq1/S 1Ci3.71

6、010Bq,第一节 自然伽马和伽马能谱测井,放射性比度(比放射性、比活度、放射性浓度)是指放射性核素的放射性活度与其质量之比，其单位为Bq/g或Ci/g。纯镭的放射性比度为1Ci/g。,第一节 自然伽马和伽马能谱测井,5.放射性射线的性质 放射性物质通过衰变能够放出三种放射性射线，即：、，它们具有不同的性质。 射线：氦原子核流，2He4，带两个单位正电荷。质量大，易引起物质电离或激发而被物质吸收。 射线电离本领最强，在物质中的穿透距离很小，在空气中约为2.5cm左右，在地层岩石中仅为10-3cm，因此，在井内根本探测不到射线。,第一节 自然伽马和伽马能谱测井,射线：射线是高速运动的电子流，它在

7、物质中的射程也比较短，能量为1Mev的射线在铅中的射程仅为1.48cm。 射线：射线是频率非常高的电磁波(波长为310-1110-9cm)或光子流，不带电荷，能量十分高，一般在几十万电子伏特以上，而且具有很强的穿透能力，能够穿透几十厘米的地层、套管及仪器外壳。,第一节 自然伽马和伽马能谱测井,通常情况下，、和射线是同时发生的，由于和射线的穿透能力弱，不能被测井仪器探测到，而射线的穿透能力强，在井下能够被探测和记录。 中性粒子射线不是由核衰变产生的，而是由特殊的中子源产生的，其特点是能量高、穿透力强。 放射性测井探测器探测到的射线：中子射线和射线。,第一节 自然伽马和伽马能谱测井,1、放射性强度

8、单位,1居里：单位时间内发生衰变的原子核数 1居里=1克镭的源强=1克镭当量/克（每克 物质的放射性强度单位相当于1克镭） =3.7*1010次/秒,2、放射性剂量单位,单位质量的物质被射线照射时所吸收的能量来 度量射线强度为放射性剂量。用伦琴表示。 而测井用的单位是微伦琴/小时. 单位时间内的射线剂量为剂量率,二、常用GR强度单位,3、条件单位,三、核衰变的统计涨落,测井时记录的是单位时间的脉冲数，不同的仪器记录数不同，为了统一单位和比较，必须使仪器在统一标准下刻度，采取相同的单位 微伦琴/小时 API,第一节 自然伽马和伽马能谱测井,同一放射性元素在相同的时间间隔内，衰变次数不完全相同，总

9、是围绕一平均值上下起伏。 统计涨落是由核衰变本身的特性所决定的，与环境和人的因素。,核射线探测器-闪烁记数管,它由光电倍增管和碘化钠晶体组成。它是利用被伽玛射线激发的物质的发光现象来探测射线的。,伽玛射线,碘 化 钠 晶 体,光电倍增 管电子数 逐级倍增,大量电子最 后到达阳极 使阳极电压 瞬时下降产 生电压负脉 冲，输入测 量线路予以 记录,用单位时间记录的 脉冲数来反映伽玛 射线的强度,GR测量的是岩层的自然放射性强度(不用任何放射性源）,(一)岩石的自然放射性,岩石中主要的放射性元素： 92U238 90Th232 19K40,三、自然伽马测井(GR) Gamma-Ray Log,岩石的

10、自然放射性强度主要主要取决于其三者的比例，其含量与岩性、形成过程中的物理化学条件有关，因此，岩性不同，GR不同. 火成岩 变质岩 沉积岩,沉积岩骨架不含重矿物，除钾岩外，其他岩石本身基本上不含放射性，但在形成过程中会多少地吸附些放射性元素。 强度最低的：硬石膏、石膏、不含钾的盐岩 强度低的：砂岩、灰岩、白云岩 强度较高的：浅海相和陆相沉积的泥岩、泥灰岩、钙质岩、泥质砂岩等 强度高的：钾岩、深水泥岩、页岩 强度最高的：放射性软泥、彭土灰 除了钾岩及骨架含放射性元素的岩石外，岩石的GR强度随岩石颗粒变细而增加的。 通常情况下：地层的GR主要取决与泥质含量。,(一)岩石的自然放射性,(二)GR 测井

11、的基本原理,射线,泥浆,仪器外壳,进入探 测器,成比例的连 续电位差 并记录成GR,穿过,至,经传输,至地面 仪处理,与单位时间脉冲数,仪 器,泥浆,地面仪,射线,电缆,处理成GR,单位：脉冲/分钟 微伦琴/小时 API,(三)GR 曲线特征(均匀理想模型地层点测),GR(API),当上下围岩相同时，曲 线基本与地层中部对称， 低放射性地层对应GR 低，高放射性地层对应 GR高,h3d 曲线幅度不受 岩层厚度的影响 h3d 曲线的最大或 最小受岩层厚度的影 响,(四)影响因素,1、岩层厚度的影响,岩层厚度增加或减小，GR曲线减小或增大。,实际中并非单一岩层、V测不等于零测井时就会受到许多因素的

12、影响。,2、井参数影响,裸眼井对GR吸收增加，但泥浆中所含一 定的放射性补偿了一部分，影响小,套管井：水泥环厚度增加 -GR降低，钢对GR也要产生吸收,3、统计涨落误差,由于涨落误差的存在，实测的GR 曲线出现许多“小锯齿”,4、测井速度,当h一定：GR受V测 和时间常数的影响 t=h/v v增加，t时 间常数，探测器无 法全部探测到地层 发出的GR，导致 GR下降，还会使其 发生崎变，深度错位,V增加,V合适,GR（API）,滞后现象,五、GR曲线的解释应用,1.划分岩层,砂泥岩剖面(骨架不含放射性矿物),泥岩,砂 岩,泥岩,砂 岩,GR,碳酸盐岩剖面相同,用自然伽马判断泥质含量高低层段,2

13、.确定地层的泥质含量,当泥质含量低时：,当泥质含量高时：,gcur=2(老地层） gcur=3.7(新地层）,不含放射性矿物的地层，GR主要取决于地层的泥质含量。,3.进行地层对比,用GR曲线进行对比的优点：,与岩石孔隙中的流体性质（油或水）无关,与地层水和泥浆矿化度无关,在GR曲线上容易找到标准层,多井剖面对比图,用GR曲线进行地层对比,Natural Gamma-Ray Spectro-log,(一）铀、钍、钾的伽马射线的特征谱,不同的放射性元素放出的伽马射线的能量不同、经过统计分析：,钾系的特征谱：1.46Mev,钍系的特征谱：2.62Mev,铀系的特征谱：1.76Mev,在特征能量峰处

14、的伽马射线的强度最大。,四、自然伽马能谱测井（NGS）,铀、钍、钾放射的伽马射线能谱图,(二）NGS的测井原理,W1：0.15-0.5 Mev W2:0.5-1.1Mev W3:1.32-1.575Mev（钾窗） W4:1.65-2.39Mev （铀窗） W5:2.475-2.765Mev（钍窗）,低能窗,高能窗,核心部分是：多道分析器。 能够测量分析伽马射线的能谱将能谱分为五个能级窗两个低能窗、三个高能窗。,W1=A1Th+B1U+C1K+1 W2=A2Th+B2U+C2K+2 W3=A3Th+B3U+C3K+3 W4=A4Th+B4U+C4K+4 W5=A5Th+B5U+C5K+5,(二）

15、NGS的测井原理,式中：Wi为第i个能量窗的计数率AiBiCi用刻度井得到的第I能量窗的刻度系数； ：统计因子； Th、U、K：表示钍、铀、钾的含量。,由于各个窗的记数率并不仅反映对应元素的含量，因此还需要剥谱，对能量窗均综合考虑三种元素的贡献，即得到一组方程：,输出的测井曲线：SGR （GR总计数率） THOR 钍含量 URAN铀含量 POTA钾含量,(三)NGS曲线应用,1.确定泥质含量,研究发现：泥质含量与钍和钾的含量成线性关系,X=Th,k,含钾的岩石（云母、长石） 不能用该公式计算泥质含量,2.研究生油层,研究发现：岩石中的有机物对铀的富集起着重要作用。 有机碳含量与U/K存在线性关

16、系。,U、U/K越高，生油能力越强,有机碳含量,U、U/K计数率比,(三)NGS曲线应用,3.寻找放射性异常储集层,特点：SGR高、铀或者钾含量高 原因岩层中含有放射性矿物、云母、长石,4.鉴别泥岩储集层,曲线特点,K、TU含量低，而铀含量高,(三)NGS曲线应用,富含有机物的高放射性黑色页结，在局部地段有裂缝、燧石、粉砂或灰岩夹层，可能成为产油层。,5.用TH/U比值研究沉积环境,TH/U7 陆相沉积、氧化环境、风化层,TH/U7 海相沉积、灰色、绿色页岩,TH/U2 海相黑色页岩、磷酸盐岩,(三)NGS曲线应用,6.确定粘土矿物类型 各种粘土矿物由于各自的地质成因及地球化学性质的不同，铀(

17、U)、钍(Th)、钾(K)的含量也各不相同(见表)。一般来讲，在绝大多数粘土矿物中，钾和钍的含量高，而铀的含量相对较低。因此，根据钍 、钾含量的比值，可以大致确定粘土矿物的类型。,(三)NGS曲线应用,本节的重点,岩石的自然放射性,GR曲线的应用及影响因素,NGS曲线的应用与GR曲线间的关系,核衰变、核射线、放射性强度单位,第二节 散射伽玛测井 地层密度测井 Formation Density Log,第三章 核测井,一、伽马射线与物质的相互作用,射线的能量30Mev,则与物质相互作用的三种形式：,电子对效应： (1.02Mev),+e,-e,原子核,核外电子,康普顿效应： (0.2E1.02

18、Mev),e,散射的射线E1,射线,光电效应：(0.2 Mev E),光电子,射线,一、伽马射线与物质的相互作用,二、伽马射线的吸收,吸收：射线粒子的消失 吸收系数：单位长度的物质对射线的吸收概率。 电子对t 康普顿 光电效应,研究表明，射线强度衰减遵循指数衰减规律,三、密度测井的原理(FDL),1.电子密度的定义（e）,单位体积中岩石的电子数,Z:原子序数 A：质量数 N0：阿伏加德罗常数,2.FDL测井的原理,每个电子的康普顿吸收系数：e,物质的康普顿吸收系数：=e* e,(0.2E1.02Mev）： ,由此可求出地层密度值,3.FDL的下井仪,1个放射性 源探测器 贴井壁测量,4.FDL

19、存在的问题,泥饼的影响 不规则井眼 贴井壁不好,地层密度值的影响大 提出了：,FDC：,COMPENSATE FORMAION DENSITY LOG,三、密度测井的原理(FDL),四、补偿密度测井的原理（FDC）,利用长短源距的测量结果来计算有泥饼影响条件下被测岩石的真实密度值。,1个放射性源两个探测器贴井壁测量,计算公式：,XL、XS权系数与装置、源距、泥饼参数、岩石参数有关,mc与hmc、mc有关,g/cm3,影响因数：井径、极板曲率 10英寸 不能很好贴井壁， 受泥饼影响大、,下井仪,输出的测井曲线：密度值曲线与密度差值曲线,四、补偿密度测井的原理（FDC）,五、密度测井曲线的应用,1

20、.划分岩层,G/cm3,孔隙度增加-密度下降 密度值不能准确反映岩性,2.求岩层孔隙度,适用条件： 纯岩层,砂岩=2.65 灰岩 =2.71 白云岩=2.87 盐岩=2.17 硬石膏=2.97 淡水泥浆=1 盐水泥浆=1.1 克/立方厘米,例题：淡水泥浆井中，一纯砂岩层的密度=2.4025克/立方厘米，求该岩层的孔隙度 解：淡水泥浆的密度=1g/cm3 代入公式： 孔隙度=（2.4025-2.65）/（1.0-2.65） =15%,含泥质岩层,岩石有多种矿物构成：,3.密度与中子曲线重叠确定岩性、判别气层,4.密度中子交会图法,确定岩性 孔隙度 岩石的骨架成分,第三节 中子测井 Neutron

21、 Log,第三章 核测井,中子源：它由轰击粒子和靶组成(氚为靶、氘为轰击离子），中子源可分为同位素和脉冲中子源。 同位素中子源(核衰变产生轰击离子，然后，轰击其它元素产生中子)人不可控制； 脉冲中子源(用氘轰击氚产生中子)人可控制。,一、中子和中子源,放出伽马射线（次生伽马射线）,基态原子核,二、中子和物质的相互作用,1.快中子非弹性散射阶段,2.弹性散射阶段,快n,n能量降低,激发态原子核（获得动能）,基态原子核,该过程的能量是守恒的,每次弹性碰撞的平均能量损失： E=2AEn/(1+A)2,A越小-E大，A越大-E小，元素周期表中，H的A 最小，物质含H多，弹性散射时间短，减速能力强。,3

22、.热中子扩散阶段,热n,激发态原子核（获得内能）,原子核,放出伽马射线（次生伽马射线）,回至,三、描述中子与物质相互作用各阶段的物理量,1.减速长度,H最短（减速能力最强）。,从快中子变至热中子的这段时间为弹性散射时间。,物质的减速能力决定了减速长度，物质减速能力的大小用减速长度来表示。,岩层的减速长度取决于各元素的减速长度，所有元素中氢的减速能力最强，含H越多减速长度越短。地层含H，减速长度取决于含H量。,1.减速长度,扩散长度：描述热中子扩散阶段长短。,热中子扩散阶段的长短与物质所含原子核的俘获能力有关。,宏观俘获截面：单位体积的地层对热中子的俘获概率。（描述地层对热中子的俘获能力）,沉积

23、岩中氯元素的最大，地层含氯，地层的取决于含氯量。 地层不含氯和其它较高的元素，H的相对较高，地层的在一定程度上反映H量。,2.扩散长度,3.宏观俘获截面,四、超热中子测井(Sidewall Neutron Porsity Log),(一) 超热中子测井的基本原理(贴井壁测量),1.孔隙度与减速长度间的关系,由于中子源出来的中子在地层中运动、与地层中的原子核发生弹性碰撞，能量损失，速度降低，成为超热中子，减速长度取决于元素的种类和含量。,同-不同元素组成不同岩性的岩层-减速长度不同,中100%含水- -地层的减速能力 -减速长度,2.超热中子的空间分布,F 不同、岩性不同-超热中子在中子源周围的分布不同。,F -含H -L S -超热中子在源附近分布 -,L源小，计数率高,L源大，计数率低,F -含H -L S -超热中子在离源较远地方分布 -,L源小，计数率低,L源大，计数率高,总结: 小源距：含氢量与记数率成正比 大源距：含氢量与记数率成反比,2.超热中子的空间分布