放射性測井之自然伽馬測井

1、1放射性測井是近代核物理學成果在測井工作中的應放射性測井是近代核物理學成果在測井工作中的應用。放射性測井方法相對其它測井方法的優(yōu)點是適用。放射性測井方法相對其它測井方法的優(yōu)點是適用范圍廣泛，它可以在裸眼井、套管井中、空井、用范圍廣泛，它可以在裸眼井、套管井中、空井、水基和油基泥漿井中進行測量。水基和油基泥漿井中進行測量。（1）自然伽馬測井）自然伽馬測井（2）自然伽馬能譜測井）自然伽馬能譜測井（3）密度測井）密度測井（4）中子測井）中子測井（5）脈沖中子測井）脈沖中子測井放射性測井2核物理基礎知識1）原子的結構：原子核（質子）原子的結構：原子核（質子+中子）中子）+核外電子核外電子2）放射性核素

2、）放射性核素 核素核素：原子核中具有相同數量的質子和中子并在同一能態(tài)上的同類原子：原子核中具有相同數量的質子和中子并在同一能態(tài)上的同類原子 （同類核素的原子核中質子數和中子數都相同）。（同類核素的原子核中質子數和中子數都相同）。 放射性核素放射性核素：不穩(wěn)定的核素：不穩(wěn)定的核素 （ 其結構和能量都會發(fā)生改變，其結構和能量都會發(fā)生改變， 衰變成其他核素，并放出射線）。衰變成其他核素，并放出射線）。 同位素同位素：原子核中質子數相同而中子數不同，但具有相同的化學性質，：原子核中質子數相同而中子數不同，但具有相同的化學性質， 在元素周期表中占有同一位置。在元素周期表中占有同一位置。 放射性同位素：不

3、穩(wěn)定的同位素。放射性同位素：不穩(wěn)定的同位素。放射性：不穩(wěn)定核素原子核自發(fā)地釋放放射性：不穩(wěn)定核素原子核自發(fā)地釋放 、 等射線等射線一、核衰變及放射性一、核衰變及放射性33） 核衰變核衰變 核衰變：原子核自發(fā)地釋放出一種帶電粒子，并蛻變成另外某種原子核，核衰變：原子核自發(fā)地釋放出一種帶電粒子，并蛻變成另外某種原子核， 同時放出伽馬射線。同時放出伽馬射線。 核衰變常數核衰變常數：決定于該放射性核素本身的性質，其值越大衰變越快。：決定于該放射性核素本身的性質，其值越大衰變越快。 一種元素經過放射變成另一種元素的過程稱為衰變或蛻變。一種元素經過放射變成另一種元素的過程稱為衰變或蛻變。 例如例如 88R

4、a226 86Rn212+ (粒子粒子) 衰變衰變 鐳鐳 氡氡 (注：原子核的表示方法注：原子核的表示方法 ZXA X元素符號，元素符號，Z為質子數，為質子數，A為質量數為質量數A=N+Z) 4) 放射性強（活）度放射性強（活）度 一定量的放射性核素，在單位時間內發(fā)生衰變的核數。一定量的放射性核素，在單位時間內發(fā)生衰變的核數。 放射性強（活）度的單位，放射性強（活）度的單位，1居里居里(Ci)=3.71010次衰變次衰變/秒秒 5）放射性射線的性質）放射性射線的性質 2He4流，極易被吸收，電離本領強，在物質中穿透距離很小。流，極易被吸收，電離本領強，在物質中穿透距離很小。 高速運動的電子流，

5、在物質中穿透距離較短。高速運動的電子流，在物質中穿透距離較短。 頻率很高的電磁波或光子流，不帶電，能量高，穿透力強。頻率很高的電磁波或光子流，不帶電，能量高，穿透力強。46)衰變規(guī)律衰變規(guī)律 對含有一大堆原子的放射性物質來說，其中某一個原子何時放射衰變完全對含有一大堆原子的放射性物質來說，其中某一個原子何時放射衰變完全是偶然的，無法預計的，但是對許多原子的整體來說，某一時刻平均有多少原子是偶然的，無法預計的，但是對許多原子的整體來說，某一時刻平均有多少原子發(fā)生衰變是符合統計規(guī)律的。發(fā)生衰變是符合統計規(guī)律的。 這一規(guī)律是：某一時刻的衰變率這一規(guī)律是：某一時刻的衰變率dN/dt (單位時間衰變的原

6、子核數單位時間衰變的原子核數) 與當時存與當時存在的原子核數在的原子核數 N，二者成正比，二者成正比 即即 dN/dt= N 為衰變系數為衰變系數(比例系數比例系數)，負號表示原子核數隨時間的增長而減小。，負號表示原子核數隨時間的增長而減小。 積分得到：積分得到：N=Noe- t No為最初參與衰變的原子核數為最初參與衰變的原子核數(t=0時，時，N=No) N為衰變之中為衰變之中 t時刻存在的原子核數時刻存在的原子核數57）半衰期半衰期T 以最先參與衰變的原子核數以最先參與衰變的原子核數No為基數，衰變成為基數，衰變成No/2時，經歷時間為時，經歷時間為T， 即：當即：當N=No/2時所需的

7、時間時所需的時間 No/2=Noe- T 得到得到Tln2/ =0.693/ 元素名稱元素名稱 半衰期半衰期 92U238 鈾鈾 4.47109年年 K40 鉀鉀 1.28109年年 Co60 鈷鈷 5.27年年 Cs137 銫銫 30年年 各種物質的衰變系數不同，所以半衰期不同，地質上可利用各種物質的衰變系數不同，所以半衰期不同，地質上可利用半衰期很長的元素來確定地層的地質年代。如：半衰期很長的元素來確定地層的地質年代。如：6二、天然放射性的衰變性質二、天然放射性的衰變性質 1、天然放射性的來歷1）成系的）成系的(重元素重元素:原子序數原子序數81) 鈾系鈾系 92U238 82Pb206

8、(鉛鉛) 釷系釷系 90Th232 82Pb208 (鉛鉛) 錒系錒系 89Ac227 82Pb207 (鉛鉛) i)此三系通過此三系通過 、 衰變，最后達到穩(wěn)定的鉛同位素衰變，最后達到穩(wěn)定的鉛同位素82Pb206 (鉛鉛) ii)在在 ， 衰變的過程中，放出衰變的過程中，放出 、 粒子，伴隨放出粒子，伴隨放出 射線。射線。2） 不成系的不成系的(中等元素中等元素:原子序數原子序數 30Z81) 主要是鉀主要是鉀 19K39 19K40 19K41 其中，其中，19K40 是不穩(wěn)定的元素是不穩(wěn)定的元素,它隨時都可能放出它隨時都可能放出 射線射線72、天然放射性的衰變性質、天然放射性的衰變性質1

9、) 天然放射性衰變分為天然放射性衰變分為： 衰變衰變、 衰變和衰變和 衰變衰變 衰變：放出衰變：放出 射線的衰變。射線的衰變。通式為：通式為： ZXA Z-2YA-4+ (兩個正電荷兩個正電荷)例如：例如： 衰變衰變 92U238 90Th234+ 衰變：放出衰變：放出 射線的衰變。射線的衰變。通式為：通式為： Z ZX XA A Z+1Z+1Y YA A+ + ( (一個負電荷一個負電荷) )例如：例如： 衰變衰變 9090ThTh234234 9191PaPa234234+ + 衰變：放出衰變：放出 射線的衰變。射線的衰變。 射線通常是在射線通常是在 、 衰變的過程中伴隨放出的。衰變的過程

10、中伴隨放出的。82) 、 和和 射線比較射線比較射線種類射線種類 射線射線 射線射線 射線射線產生原因產生原因 衰變放出衰變放出 衰變放出衰變放出 、 衰變伴隨放出衰變伴隨放出實物實物氦氦(2He4)原子核流原子核流高速運動的電子流高速運動的電子流頻率很高的電磁波頻率很高的電磁波波長波長3x10-1110-9cm波速近似于光速波速近似于光速帶電性帶電性2He4帶有兩個質子帶有兩個質子兩個正電荷兩個正電荷每個每個 粒子帶有一粒子帶有一個負電荷個負電荷不帶電不帶電能量能量410MeV1 MeV0.055MeV穿透能力穿透能力空氣中空氣中 2.6-11.5cm巖石中巖石中 103 cm空氣中空氣中

11、幾十幾十cm巖石中巖石中 幾幾cm空氣中空氣中 幾百幾百cm巖石中巖石中 幾十幾十cm測井能否利用測井能否利用不能不能不能不能能能9三、巖石的天然放射性UThK 射線101 1、火成巖的放射性、火成巖的放射性 幾點規(guī)律：幾點規(guī)律：1) 火成巖所含放射性零散而不均勻火成巖所含放射性零散而不均勻 2) 酸性酸性 中性中性 基性基性 超基性超基性 SiO2的含量的含量 大大 小小 顏色顏色 淺淺 深深 放射性元素含量放射性元素含量 大大 小小 3)火成巖放射性元素主要是：釷火成巖放射性元素主要是：釷(Th) 鉀鉀(K) 鈾鈾(U) 鐳鐳(Ra) 112、沉積巖的放射性、沉積巖的放射性 幾點規(guī)律：幾點

12、規(guī)律： 1)沉積巖本身不含有放射性元素，其放射性元素來自火成巖。我們知道沉積巖本身不含有放射性元素，其放射性元素來自火成巖。我們知道機械和化學力的綜合侵蝕作用以及搬運產生了沉積巖，由于搬運和沉積的環(huán)機械和化學力的綜合侵蝕作用以及搬運產生了沉積巖，由于搬運和沉積的環(huán)境不同，使各種沉積巖的放射性元素的含量產生了差異境不同，使各種沉積巖的放射性元素的含量產生了差異 。 2)沉積巖的放射性強度取決于沉積巖的放射性強度取決于泥質含量泥質含量(粘土含量粘土含量) 原因：原因： a.粘土顆粒細，具有較大的粘土顆粒細，具有較大的比面比面（吸附放射性元素的能力強）（吸附放射性元素的能力強） b.粘土顆粒細，沉積

13、的時間長（有充分的時間與放射性元素接觸）粘土顆粒細，沉積的時間長（有充分的時間與放射性元素接觸） c.粘土沉積物中有含粘土沉積物中有含鉀礦物鉀礦物（如：水云母、正長石等（如：水云母、正長石等)3)沉積物的顏色由沉積物的顏色由淺淺深深，其放射性強度由，其放射性強度由小小大大。 4)隨鉀含量的增大，放射性強度增大。隨鉀含量的增大，放射性強度增大。 5)孔隙度孔隙度 和和滲透率減小，放射性強度增大。滲透率減小，放射性強度增大。123、變質巖的放射性、變質巖的放射性變質巖的放射性取決于變質巖的變質巖的放射性取決于變質巖的源巖源巖正變質巖：由火成巖變質而來正變質巖：由火成巖變質而來副變質巖：由沉積巖變質

14、而來副變質巖：由沉積巖變質而來例如某井：例如某井： 正片麻巖正片麻巖 副片麻巖副片麻巖 角閃巖角閃巖 榴輝巖榴輝巖 蛇紋巖蛇紋巖 大大 小小自然自然伽馬伽馬13第一節(jié) 自然伽馬測井Gamma Ray Logging GR測井是以研究巖層天然放射性為基礎，進而研究巖層性質和有關地質問題的一種測井方法14一、自然伽馬測井原理 GR測井儀工作原理測井儀工作原理15一、自然伽馬測井原理一、自然伽馬測井原理 1) 射線探測器探測到地層的射線探測器探測到地層的 射線，并將射線，并將 射線變換成電脈沖信號射線變換成電脈沖信號(每一道每一道 射線變換成一個電脈沖信號射線變換成一個電脈沖信號)。2)此電脈沖信號

15、送入井下的放大器進行放大。此電脈沖信號送入井下的放大器進行放大。3)放大的脈沖信號送入地面的放大器進行放大（其原因是脈沖信放大的脈沖信號送入地面的放大器進行放大（其原因是脈沖信號經電纜傳輸后會衰減號經電纜傳輸后會衰減)。4)由于脈沖信號中混合了一些干擾信號，需經過鑒別器進行鑒別，由于脈沖信號中混合了一些干擾信號，需經過鑒別器進行鑒別，排除干擾。排除干擾。5)將一些畸變的脈沖信號送入整形器進行整形。將一些畸變的脈沖信號送入整形器進行整形。6)歸一后的波形送入計數電路記錄單位時間內脈沖個數，最后得到歸一后的波形送入計數電路記錄單位時間內脈沖個數，最后得到自然伽馬測井曲線。自然伽馬測井曲線。(單位：

16、脈沖單位：脈沖/分鐘分鐘)16砂泥巖剖面砂泥巖剖面GR曲線曲線GR(API)SSSNNSNSN17探測半徑：探測半徑： 煤、金屬礦鉆孔直徑：煤、金屬礦鉆孔直徑：d 20cm 探測半徑：探測半徑： R=2545cm油氣田鉆孔直徑油氣田鉆孔直徑: d 30cm 探測半徑：探測半徑： R=3050cmab段：探測器遠離界面，直到探測器中點離段：探測器遠離界面，直到探測器中點離界面的距離為界面的距離為R，探測器的探測范圍內是低，探測器的探測范圍內是低放射性物質。放射性物質。bcd段：探測器上移過界面，直到探測器中點離段：探測器上移過界面，直到探測器中點離界面的距離為界面的距離為R。 1)隨探測器上移，

17、探測器探測范圍內的高放隨探測器上移，探測器探測范圍內的高放射性物質逐漸增大，使曲線上升，直到探測器中射性物質逐漸增大，使曲線上升，直到探測器中點離底界面的距離為點離底界面的距離為R時為止。時為止。 2)探測器中點位于界面時，探測范圍內的高探測器中點位于界面時，探測范圍內的高低放射性物質各占一半，所以此點為曲線的半幅低放射性物質各占一半，所以此點為曲線的半幅值點。值點。de段：探測器中點離底界面的距離為段：探測器中點離底界面的距離為R時時開始，直到探測器中點離頂界面的距離開始，直到探測器中點離頂界面的距離為為R時為止。探測器的探測范圍內是高放時為止。探測器的探測范圍內是高放射性物質射性物質efg

18、段：分析方法同段：分析方法同bcd段。段。gh段段: 分析方法同分析方法同ab段。段。 注注：薄層用薄層用2/3幅值分層幅值分層 。二、自然伽馬測井曲線分析18 1、刻度的意義和分級、刻度的意義和分級 意義：為了使不同儀器，或者同一儀器在不同的時間，對同一的意義：為了使不同儀器，或者同一儀器在不同的時間，對同一的地層的測定結果能夠作定量比較，必須進行儀器刻度。地層的測定結果能夠作定量比較，必須進行儀器刻度。（就好比用不同的秤，或者同一秤在不同的時間對某一東西進行秤量，（就好比用不同的秤，或者同一秤在不同的時間對某一東西進行秤量，其結果應該一樣，否則就應該對秤進行統一刻度其結果應該一樣，否則就應

19、該對秤進行統一刻度) 。 刻度分級：刻度分級：一級刻度：國家級的統一的標準稱為一級刻度（標準刻度井）。一級刻度：國家級的統一的標準稱為一級刻度（標準刻度井）。二級刻度：各制造廠和大的油田建立區(qū)域級的標準稱為二級刻度二級刻度：各制造廠和大的油田建立區(qū)域級的標準稱為二級刻度 （刻度裝置或刻度井）。（刻度裝置或刻度井）。三級刻度：一般現場使用的標準稱為三級刻度（刻度器、刻度塊）。三級刻度：一般現場使用的標準稱為三級刻度（刻度器、刻度塊）。要求：低級別的刻度裝置必須用高一級刻度裝置進行檢查。要求：低級別的刻度裝置必須用高一級刻度裝置進行檢查。三、自然伽馬測井儀的刻度 Calibration192、AP

20、I標準刻度井休斯頓大學的API標準井高放射性高放射性U 12ppmTh 24ppmK 4%混凝土混凝土混凝土混凝土混凝土混凝土低放射性低放射性物質物質低放射性低放射性物質物質NNAPI200低高N高高為高放射性混凝土中為高放射性混凝土中的讀數；的讀數；N低低為低放射性為低放射性混凝土中的讀數混凝土中的讀數America Petroleum Institute-API201、巖層厚度、巖層厚度(1) h6ro h增大，幅值不再增大增大，幅值不再增大 用半幅值點分層用半幅值點分層(2) h6ro h減小，幅值減小減小，幅值減小 用用2/3幅值點分層幅值點分層ro 井眼半徑井眼半徑井眼、鄰層影響井眼

21、、鄰層影響四、自然伽馬測井曲線的影響因素 212、統計起伏、統計起伏(也稱統計漲落也稱統計漲落) 1)1)現象現象 泥巖的放射性含量是均勻的，泥巖的放射性含量是均勻的，但在同一巖層的各點讀數不一樣其但在同一巖層的各點讀數不一樣其讀數在平均計數率讀數在平均計數率n上下波動上下波動 。經理論計算得到：經理論計算得到：絕對誤差絕對誤差 2)2)產生的原因：衰變規(guī)律產生的原因：衰變規(guī)律3)3)統計漲落的定義統計漲落的定義：在放射性源強不變，：在放射性源強不變，測量條件不變的情況下，在相等的時間測量條件不變的情況下，在相等的時間間隔內，重復觀測放射性強度，每次記間隔內，重復觀測放射性強度，每次記錄的數值不同，總是在某一數值錄的數值不同，總是在某一數值( (平均平均值值) )上下波動，這種現象稱為放射性漲上下波動，這種現象稱為放射性漲落。落。Mnnnnm21212n 為儀器時間常數為儀器時間常數223、井參數的影響、井參數的影響自然伽馬射線強度的吸收方程自然伽馬射線強度的吸收方程u為系數吸收，為系數吸收，L為物質的厚度；為物質的厚度；J o與與J 為伽馬射線吸收前后的強度。為伽馬射線吸收前后的強度。與井參數有關