第八章密度測井

1、第八章第八章 密度與巖性密度測井密度與巖性密度測井（Formation density logFormation density logLitho-density logLitho-density log）用用伽馬射線源伽馬射線源向地層發(fā)射伽馬射線向地層發(fā)射伽馬射線用用伽馬射線探測器伽馬射線探測器測量伽馬光子與地層的測量伽馬光子與地層的康譜頓效應(yīng)康譜頓效應(yīng)產(chǎn)生的散射伽馬射線的產(chǎn)生的散射伽馬射線的計數(shù)率計數(shù)率(強度強度) )，得到地層的體積密度，得到地層的體積密度密度測井密度測井主要用于識別巖性、主要用于識別巖性、計算孔隙度計算孔隙度、計算巖、計算巖石的石的彈性及機械參數(shù)彈性及機械參數(shù)1 1 核

2、物理基礎(chǔ)核物理基礎(chǔ)一、巖石的真密度、電子密度一、巖石的真密度、電子密度1. 1.巖石的真密度巖石的真密度( (體積密度體積密度) )b b單位體積巖石的質(zhì)量，單位單位體積巖石的質(zhì)量，單位g/cmg/cm3 3飽和淡水的純巖石的密度：飽和淡水的純巖石的密度：fmab)1 (mama巖石骨架的密度巖石骨架的密度f f孔隙流體的密度孔隙流體的密度2.2.巖石的電子密度巖石的電子密度n ne e單位體積巖石中的電子數(shù)，單位是電子數(shù)單位體積巖石中的電子數(shù)，單位是電子數(shù)/cm/cm3 3由一種原子組成的巖石：由一種原子組成的巖石：AZNnbAe電子密度電子密度：NNA A阿佛加得羅常數(shù)，阿佛加得羅常數(shù)，6

3、.026.0210102323/ /molmolb b體積密度（體積密度（g/cmg/cm3 3) )AA原子的質(zhì)量數(shù)（摩爾質(zhì)量）原子的質(zhì)量數(shù)（摩爾質(zhì)量）由單一化合物組成的巖石：由單一化合物組成的巖石：iiZn式中：式中：Z Zi i分子中第分子中第i i種原子的原子序數(shù)種原子的原子序數(shù) n ni i分子中第分子中第i i種原子的個數(shù)種原子的個數(shù)biiAeMZnNn電子密度電子密度：一個分子中的電子數(shù)一個分子中的電子數(shù)MM化合物分子的摩爾質(zhì)量化合物分子的摩爾質(zhì)量二二 . .巖石的電子密度指數(shù)和視密度巖石的電子密度指數(shù)和視密度電子密度指數(shù)電子密度指數(shù)e e: :AeeNn2bAeeAZNn)(2

4、2biiAeeMZnNn22單一元素組成的巖石單一元素組成的巖石:單一化合物組成的巖石單一化合物組成的巖石: 1. 1.電子密度指數(shù)電子密度指數(shù)元元素素的的 2 2( (Z Z/ /A A) )數(shù)數(shù)值值表表 元元素素 A A Z Z 2 2( (Z Z/ /A A) ) H H 1 1. .0 00 07 79 9 1 1 1 1. .9 98 84 43 3 C C 1 12 2. .0 01 11 1 6 6 0 0. .9 99 99 91 1 O O 1 15 5. .9 99 99 9 8 8 1 1. .0 00 00 00 0 N Na a 2 22 2. .9 98 89 98

5、 8 1 11 1 0 0. .9 95 56 69 9 M Mg g 2 24 4. .3 30 05 5 1 12 2 0 0. .9 98 87 75 5 A Al l 2 26 6. .9 98 81 15 5 1 13 3 0 0. .9 96 63 36 6 S Si i 2 28 8. .0 08 85 5 1 14 4 0 0. .9 99 97 7 S S 3 32 2. .0 06 6 1 16 6 0 0. .9 99 98 81 1 C Cl l 3 35 5. .4 45 53 3 1 17 7 0 0. .9 95 59 90 0 K K 3 39 9. .0 03

6、 39 9 1 19 9 0 0. .9 97 73 34 4 C Ca a 4 40 0. .0 04 4 2 20 0 0 0. .9 99 98 88 8 e礦礦物物的的密密度度數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)表表 礦礦物物 分分子子式式 密密度度/gcm-3 電電子子密密度度指指數(shù)數(shù) 視視密密度度/gcm-3 石石英英 SiO2 2.654 0.9985 2.650 2.648 方方解解石石 CaCO3 2.710 0.9991 2.708 2.710 白白云云石石 CaMg(CO3)2 2.870 0.9977 2.863 2.876 硬硬石石膏膏 CaSO4 2.960 0.9990 2.957 2.97

7、7 鉀鉀鹽鹽 KCl 1.980 0.9657 1.916 1.863 巖巖鹽鹽 NaCl 2.165 0.9581 2.074 2.032 石石膏膏 CaSO42H2O 2.32 1.0222 2.372 2.351 無無煙煙煤煤 1.400 1.800 1.030 1.442 1.852 1.355 1.796 煙煙煤煤 1.200 1.500 1.060 1.272 1.590 1.173 1.514 淡淡水水 H2O 1.000 1.1101 1.110 1.000 礦礦化化水水 H2O+NaCl 1.146 1.0797 1.237 1.135 原原油油 N(CH2) 0.85 1.

8、1407 0.970 0.850 甲甲烷烷 CH4 (CH4) 1.247 1.247(CH4) a(CH4) MZnii/ )(2測出電子密度就能確定體積密度測出電子密度就能確定體積密度2.2.巖石的視密度巖石的視密度設(shè)巖石的骨架密度為設(shè)巖石的骨架密度為mama，孔隙度為孔隙度為，孔孔隙中充滿淡水，則巖石的體積密度隙中充滿淡水，則巖石的體積密度b b：0000. 1)1 (mab若骨架的電子密度指數(shù)為若骨架的電子密度指數(shù)為meme，巖石的電子巖石的電子密度指數(shù)密度指數(shù)e e：1101.1)1(mee對于淡水石灰?guī)r對于淡水石灰?guī)r,mama=2.710,=2.710,meme=2.7075,=2

9、.7075,代代入上兩式，合并消去入上兩式，合并消去得：得：1883. 00704. 1eb巖石的視密度巖石的視密度：密度測井儀器，在飽含淡水：密度測井儀器，在飽含淡水的純石灰?guī)r中刻度，在其它地層中得到的密的純石灰?guī)r中刻度，在其它地層中得到的密度稱為視密度度稱為視密度1883. 00704. 1ea2 2 密度測井基本原理密度測井基本原理康譜頓效應(yīng)引起的康譜頓效應(yīng)引起的伽馬射線減弱系數(shù)伽馬射線減弱系數(shù)為：為：)(,bAececbAAZNAZNbiiAecMZnN, 如果令如果令mm= /= /b b，則，則mm幾乎是常數(shù)幾乎是常數(shù)，稱它為質(zhì)量康譜頓減弱系數(shù)，稱它為質(zhì)量康譜頓減弱系數(shù)， =m m

10、 b b一、密度測井基本原理一、密度測井基本原理c c,e ,e電子的康普頓散射截面，電子的康普頓散射截面，E Er r=0.25-=0.25-2.5Mev2.5Mev時，近似為常數(shù)時，近似為常數(shù)1 1、選用、選用C Cs s137 137 作為源作為源, ,發(fā)射能量為發(fā)射能量為0.660.662Mev2Mev的伽的伽馬光子馬光子2 2、用伽馬射線探測器，記錄、用伽馬射線探測器，記錄散射伽馬計數(shù)率散射伽馬計數(shù)率，且探測起始能量定為且探測起始能量定為0.10.20.10.2MeV,MeV,能在很大程度能在很大程度上避免光電效應(yīng)的影響上避免光電效應(yīng)的影響3 3、伽馬源與伽馬射線探測器中點間的距離稱

11、、伽馬源與伽馬射線探測器中點間的距離稱為源距為源距; ;4 4、貼井壁測量、貼井壁測量5 5、源與探測器間有伽馬吸收物質(zhì)（鉛）、源與探測器間有伽馬吸收物質(zhì)（鉛）6 6、探測器接收到的散射伽馬射線強度（計數(shù)、探測器接收到的散射伽馬射線強度（計數(shù)率）決定于兩個過程：率）決定于兩個過程： （1 1）源發(fā)射的光子經(jīng)地層一次或多次散射）源發(fā)射的光子經(jīng)地層一次或多次散射后后能到達探測器能到達探測器的光子數(shù)的光子數(shù) （2 2）射向探測器的光子被再散射）射向探測器的光子被再散射而改變方而改變方向或被吸收向或被吸收的光子數(shù)的光子數(shù)哪個過程起主導(dǎo)作用取決于哪個過程起主導(dǎo)作用取決于源距源距7 7、散射伽馬計數(shù)率與源

12、距的關(guān)系、散射伽馬計數(shù)率與源距的關(guān)系 （1 1）當源距較小時，密）當源距較小時，密度越大，計數(shù)率越高度越大，計數(shù)率越高 （2 2）當源距較大時，）當源距較大時，密度越大，計數(shù)率越低密度越大，計數(shù)率越低 （3 3）零源距）零源距( (d d0 0) )，儀器對儀器對密度失去靈敏度的源距，密度失去靈敏度的源距，大于零源距的為正源距，大于零源距的為正源距，密度測井都采用正源距密度測井都采用正源距。 （4 4）視源距）視源距dada：實際源實際源距與零源距之差距與零源距之差da=d- dda=d- d0 0（5 5）設(shè)零源距計數(shù)率為）設(shè)零源距計數(shù)率為NN0 0，源距源距d d時計數(shù)率為時計數(shù)率為: :

13、abmdeNN0兩端取對數(shù)：兩端取對數(shù)：abmdNN0lnln計數(shù)率對密度的靈敏度：計數(shù)率對密度的靈敏度：ambddNdAln令：令： 0ln NB 將將A A、B B代入上式，得：代入上式，得：)(ln1BNAb8 8、密度測井采用、密度測井采用不同源距的兩個伽馬射線探不同源距的兩個伽馬射線探測器測器，以，以補償泥餅對測量的影響補償泥餅對測量的影響，稱為補償密，稱為補償密度測井。度測井。 常用短源距為常用短源距為15251525cmcm，長源距為長源距為35 4035 40cmcm（1 1）滲透性地層的井壁通常積有泥餅，它）滲透性地層的井壁通常積有泥餅，它對計數(shù)率的貢獻與儀器的探測深度有關(guān)對

14、計數(shù)率的貢獻與儀器的探測深度有關(guān) 1 1、影響的定性描述、影響的定性描述（2 2）用蒙特卡羅方法，考察源距分別為）用蒙特卡羅方法，考察源距分別為3030cmcm和和5050cmcm的儀器對純石灰?guī)r骨架的探測深度。的儀器對純石灰?guī)r骨架的探測深度。計算結(jié)果表明，計算結(jié)果表明，計數(shù)的計數(shù)的90%90%來自經(jīng)向厚度大約來自經(jīng)向厚度大約5 5cmcm的地層的地層，泥餅的影響不能忽略，泥餅的影響不能忽略二、泥餅對計數(shù)率的影響二、泥餅對計數(shù)率的影響2 2、影響密度測井值的因素、影響密度測井值的因素地層密度地層密度 b b，地層平均原子序數(shù)地層平均原子序數(shù)Z Zb b ，泥餅厚度泥餅厚度h hmcmc ，泥餅

15、密度泥餅密度 mcmc ，及泥餅平均原子序數(shù)及泥餅平均原子序數(shù) Z Zmcmc Z Zmcmc：當泥餅含當泥餅含60%60%的的重晶石重晶石時，實際密度時，實際密度2.52.5g/cmg/cm3 3，對計數(shù)率的影響卻相當于不含重晶對計數(shù)率的影響卻相當于不含重晶石泥餅密度石泥餅密度3.553.55g/cmg/cm3 3 , ,影響不能忽略影響不能忽略 mcmc* * ：（泥餅視密度）用于：（泥餅視密度）用于綜合綜合 mcmc 和和 Z Zmcmc 的影響。不含重晶石的泥餅的影響。不含重晶石的泥餅 mcmc* *= mcmc ，而含，而含重晶石的泥餅重晶石的泥餅 mcmc* * mcmc 3 3、

16、泥餅影響的實驗研究、泥餅影響的實驗研究用下標用下標L L表示長源距表示長源距, S, S表示短源距表示短源距)(ln1)(ln1SSSSLLLLBNABNA無泥餅影響無泥餅影響, ,所以有：所以有：L L= = S S= = b b，兩式合并得：兩式合并得：)(ln)(lnSSSLLLBNAABN(1)無泥餅無泥餅或?qū)懗桑夯驅(qū)懗桑篠LSSSLLNaaBBNAANln)(lnln10即長、短源距探測器計數(shù)率（對數(shù)坐標）呈線即長、短源距探測器計數(shù)率（對數(shù)坐標）呈線性關(guān)系，所確定的直線稱為性關(guān)系，所確定的直線稱為“脊線脊線”，它與橫，它與橫坐標的夾角叫坐標的夾角叫“脊角脊角”（2 2）給定的）給定的

17、b b和和mcmc* *（b b2.5g/cm2.5g/cm3 3，mcmc* *=1.5g/cm=1.5g/cm3 3), ),當泥餅厚度由小到大，直至當泥餅厚度由小到大，直至充分大時，充分大時，lnNlnNL L和和lnNlnNS S將呈偏離將呈偏離“脊線脊線”的曲的曲線段，它起于線段，它起于b b（泥餅厚度為泥餅厚度為0 0），止于），止于mcmc* *（泥餅厚度充分大，地層無影響）泥餅厚度充分大，地層無影響）（3 3）保持）保持mcmc* *=1.5g/cm=1.5g/cm3 3不變，對不變，對bb3.03.0、2.52.5、2.0 g/cm2.0 g/cm3 3三種地層分別改變泥餅厚

18、度時，三種地層分別改變泥餅厚度時，各曲線變化趨勢與第二種情況相同，并且都趨向各曲線變化趨勢與第二種情況相同，并且都趨向b b mcmc* *=1.5g/cm=1.5g/cm3 3的脊線點的脊線點（4 4）保持）保持b b2.5g/cm2.5g/cm3 3不變不變, ,分別改變分別改變mcmc* *(1.5(1.5、2.02.0、3.0 g/cm3.0 g/cm3 3) )和泥餅厚度，當和泥餅厚度，當mcmc* * b b時時, ,關(guān)系曲線在脊線上方，起于關(guān)系曲線在脊線上方，起于b b2.52.5，止于止于b b mcmc* *=3.0=3.0的脊點上的脊點上如果對如果對b b1.91.9、2.

19、02.0、2.12.1、2.22.2、2.32.3、2.42.4、2.52.5、2.62.6、2.72.7、2.82.8、2.9g/cm2.9g/cm3 3，分分別在有限范圍內(nèi)改別在有限范圍內(nèi)改變泥餅視密度和厚變泥餅視密度和厚度，可繪成度，可繪成“脊肋脊肋圖圖”，泥餅影響線泥餅影響線稱為肋線稱為肋線三、雙探測器計算三、雙探測器計算b b的方法的方法 bSmcSSbLmcLLxxxx)1 ()1 (*bSSSSmcmcSLLLbxxxxxx11111*1. 1.計算計算b b的方程的方程將后式代入前式得：將后式代入前式得：)(1)(SLLSLLSLLbKxxx將將 L L和和 S S與計數(shù)率的關(guān)

20、系式代入得：與計數(shù)率的關(guān)系式代入得：)(ln)(ln1)(ln1SSSLLLLLLbBNAABNKBNA)(ln1BNAbLSLxxxK令：令：上式說明，上式說明， b b主要決定于長源距計數(shù)率求出的主要決定于長源距計數(shù)率求出的密度密度)(1SLLbK代表泥餅的影響，稱為泥餅影響補償值，代表泥餅的影響，稱為泥餅影響補償值，普通泥漿普通泥漿00，重晶石泥漿，重晶石泥漿00.2 0.2MevMev的譜段，相對計數(shù)率受的譜段，相對計數(shù)率受P Pe e影響很小，且計數(shù)率隨能量增大而降低；影響很小，且計數(shù)率隨能量增大而降低；3 3、在、在E Er r 0.1 0.1MevMev的譜段，隨能量降低，的譜段

21、，隨能量降低，光子相對計數(shù)率逐漸減小，光電吸收漸成光子相對計數(shù)率逐漸減小，光電吸收漸成主要的作用，對主要的作用，對P Pe e反應(yīng)敏感反應(yīng)敏感1 1、在、在E Er r 0.1Mev 0.1Mev處出現(xiàn)極大值，且處出現(xiàn)極大值，且P Pe e越越大，峰幅度降低并向右移動；大，峰幅度降低并向右移動；b b 相同而相同而PePe不同的巖石中測得的散射伽馬能譜不同的巖石中測得的散射伽馬能譜三、散射伽馬譜的采集和譜特點三、散射伽馬譜的采集和譜特點1 1、探頭的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集、探頭的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集（1 1）用用C Cs s137 137 作為源，長短兩個源距的閃爍作為源，長短兩個源距的閃爍探測器（碘化鈉晶

22、體）探測器（碘化鈉晶體）， 測量經(jīng)地層散射測量經(jīng)地層散射后射入晶體的伽馬光子后射入晶體的伽馬光子。（2 2）探測器貼井壁處開的窗口用）探測器貼井壁處開的窗口用低低Z Z值的鈹值的鈹，以保證所有能量的伽馬光子都能被探測到。以保證所有能量的伽馬光子都能被探測到。A A、對原始數(shù)據(jù)進行濾波處理、扣除本底計數(shù)對原始數(shù)據(jù)進行濾波處理、扣除本底計數(shù) （3 3）井下采用快速）井下采用快速A/DA/D轉(zhuǎn)換，能量在轉(zhuǎn)換，能量在408040800KeV0KeV范圍內(nèi)分范圍內(nèi)分256256道進行能譜積累，將道進行能譜積累，將全譜數(shù)據(jù)傳到地面，地面計算機將做如下處理：全譜數(shù)據(jù)傳到地面，地面計算機將做如下處理：B B、

23、進行實時能量刻度進行實時能量刻度 C C、根據(jù)刻度結(jié)果按設(shè)計好的能量段把全譜根據(jù)刻度結(jié)果按設(shè)計好的能量段把全譜分成分成8 8個能窗，并計算出各能窗的計數(shù)率個能窗，并計算出各能窗的計數(shù)率 D D、用轉(zhuǎn)換模型將能窗計數(shù)率轉(zhuǎn)換為密度、巖用轉(zhuǎn)換模型將能窗計數(shù)率轉(zhuǎn)換為密度、巖性參數(shù)（性參數(shù)（P Pe e) )2 2、散射伽馬譜的特征、散射伽馬譜的特征1 1）在）在100100keVkeV的的附近有一個散射附近有一個散射峰，將散射伽馬峰，將散射伽馬分成兩部分，分分成兩部分，分界點隨界點隨P Pe e值的增值的增高而向右移動。高而向右移動。2 2）在分界點的）在分界點的右邊，康普頓效右邊，康普頓效應(yīng)占優(yōu)勢應(yīng)占優(yōu)勢，窗計，窗計數(shù)率的變化反應(yīng)數(shù)率的變化反應(yīng)電子密度指數(shù)電子密度指數(shù)e e的變化，可的變化，可利用這一譜段求利用這一譜段求取地層密度取地層密度。3 3）在分界點的）在分界點的左左邊，光電效應(yīng)占優(yōu)邊，光電效應(yīng)占優(yōu)勢勢，但也受康普頓，但也受康普頓效應(yīng)的影響，用這效應(yīng)的影響，用這一能窗計數(shù)率與高一能窗計數(shù)率與高能窗計數(shù)率比值確能窗計數(shù)率比值確定定P Pe e值值4 4）模型計算和實）模型計算和實測都證明，測都證明，長短源長短源距探測器記錄的散距探測器記錄的散射伽馬譜的基本特射伽馬譜的基本特征是相同的征是相同的。四、四、P Pe e 測量與計算