放射性測井之自然伽馬測井

放射性測井之自然伽馬測井第1頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五核物理基礎(chǔ)知識1）原子的結(jié)構(gòu)：原子核（質(zhì)子+中子）+核外電子2）放射性核素

核素：原子核中具有相同數(shù)量的質(zhì)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(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都相同）。

放射性核素：不穩(wěn)定的核素（其結(jié)構(gòu)和能量都會發(fā)生改變，衰變成其他核素，并放出射線）。

同位素：原子核中質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同，但具有相同的化學(xué)性質(zhì)，在元素周期表中占有同一位置。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、β、等射線一、核衰變及放射性第2頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五3）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，同時放出伽馬射線。核衰變常數(shù)λ：決定于該放射性核素本身的性質(zhì)，其值越大衰變越快。一種元素經(jīng)過放射變成另一種元素的過程稱為衰變或蛻變。例如88Ra226→86Rn212+(粒子)衰變鐳氡

(注：原子核的表示方法ZXAX元素符號，Z為質(zhì)子數(shù)，A為質(zhì)量數(shù)A=N+Z)4)放射性強(qiáng)（活）度一定量的放射性核素，在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的核數(shù)。放射性強(qiáng)（活）度的單位，1居里(Ci)=3.7×1010次衰變/秒5）放射性射線的性質(zhì)

α——2He4流，極易被吸收，電離本領(lǐng)強(qiáng)，在物質(zhì)中穿透距離很小。

β——高速運(yùn)動的電子流，在物質(zhì)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(qiáng)。第3頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五6)衰變規(guī)律

對含有一大堆原子的放射性物質(zhì)來說，其中某一個原子何時放射衰變完全是偶然的，無法預(yù)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(tǒng)計規(guī)律的。這一規(guī)律是：某一時刻的衰變率dN/dt(單位時間衰變的原子核數(shù))與當(dāng)時存在的原子核數(shù)N，二者成正比

即dN/dt=－N

為衰變系數(shù)(比例系數(shù))，負(fù)號表示原子核數(shù)隨時間的增長而減小。積分得到：N=Noe-t

No為最初參與衰變的原子核數(shù)(t=0時，N=No)N為衰變之中t時刻存在的原子核數(shù)第4頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五7）半衰期T以最先參與衰變的原子核數(shù)No為基數(shù)，衰變成No/2時，經(jīng)歷時間為T，即：當(dāng)N=No/2時所需的時間

No/2=Noe-T

得到T＝ln2/=0.693/

元素名稱 半衰期

92U238

鈾4.47×109年

K40鉀1.28×109年

Co60

鈷5.27年

Cs137銫30年

各種物質(zhì)的衰變系數(shù)不同，所以半衰期不同，地質(zhì)上可利用半衰期很長的元素來確定地層的地質(zhì)年代。如：第5頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五二、天然放射性的衰變性質(zhì)

1、天然放射性的來歷1）成系的(重元素:原子序數(shù)>81)

鈾系92U238

82Pb206(鉛)

釷系90Th232

82Pb208(鉛)

錒系89Ac227

82Pb207(鉛)

i)此三系通過、衰變，最后達(dá)到穩(wěn)定的鉛同位素82Pb206(鉛)ii)在，衰變的過程中，放出、粒子，伴隨放出射線。2）

不成系的(中等元素:原子序數(shù)30≤Z≤81)

主要是鉀19K3919K4019K41

其中，19K40是不穩(wěn)定的元素,它隨時都可能放出射線第6頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五2、天然放射性的衰變性質(zhì)1)天然放射性衰變分為：衰變、衰變和

衰變衰變：放出射線的衰變。通式為：ZXA→

Z-2YA-4+(兩個正電荷)例如：衰變92U238→

90Th234+衰變：放出射線的衰變。通式為：ZXA→

Z+1YA+(一個負(fù)電荷)例如：衰變90Th234

→

91Pa234+衰變：放出射線的衰變。射線通常是在、衰變的過程中伴隨放出的。第7頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五2)、和射線比較射線種類射線射線射線產(chǎn)生原因衰變放出衰變放出、衰變伴隨放出實(shí)物氦(2He4)原子核流高速運(yùn)動的電子流頻率很高的電磁波波長3x10-11－10-9cm波速近似于光速帶電性2He4帶有兩個質(zhì)子兩個正電荷每個粒子帶有一個負(fù)電荷不帶電能量4－10MeV1MeV0.05－5MeV穿透能力空氣中2.6-11.5cm巖石中10－3cm空氣中幾十cm巖石中幾cm空氣中幾百cm巖石中幾十cm測井能否利用不能不能能第8頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五三、巖石的天然放射性UThK射線第9頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五1、火成巖的放射性幾點(diǎn)規(guī)律：1)火成巖所含放射性零散而不均勻

2)酸性中性基性超基性

SiO2的含量大→小顏色淺→深放射性元素含量大→小

3)火成巖放射性元素主要是：釷(Th)鉀(K)鈾(U)鐳(Ra)第10頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五2、沉積巖的放射性幾點(diǎn)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。我們知道機(jī)械和化學(xué)力的綜合侵蝕作用以及搬運(yùn)產(chǎn)生了沉積巖，由于搬運(yùn)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(chǎn)生了差異。2)沉積巖的放射性強(qiáng)度取決于泥質(zhì)含量(粘土含量)

原因：

a.粘土顆粒細(xì)，具有較大的比面（吸附放射性元素的能力強(qiáng)）

b.粘土顆粒細(xì)，沉積的時間長（有充分的時間與放射性元素接觸）

c.粘土沉積物中有含鉀礦物（如：水云母、正長石等)3)沉積物的顏色由淺→深，其放射性強(qiáng)度由小→大。

4)隨鉀含量的增大，放射性強(qiáng)度增大。

5)孔隙度和滲透率減小，放射性強(qiáng)度增大。第11頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五3、變質(zhì)巖的放射性變質(zhì)巖的放射性取決于變質(zhì)巖的源巖正變質(zhì)巖：由火成巖變質(zhì)而來副變質(zhì)巖：由沉積巖變質(zhì)而來例如某井：

正片麻巖副片麻巖角閃巖榴輝巖蛇紋巖大小自然伽馬第12頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)自然伽馬測井

GammaRayLoggingGR測井是以研究巖層天然放射性為基礎(chǔ)，進(jìn)而研究巖層性質(zhì)和有關(guān)地質(zhì)問題的一種測井方法第13頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五一、自然伽馬測井原理

GR測井儀工作原理第14頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五一、自然伽馬測井原理

1)射線探測器探測到地層的射線，并將射線變換成電脈沖信號(每一道射線變換成一個電脈沖信號)。2)此電脈沖信號送入井下的放大器進(jìn)行放大。3)放大的脈沖信號送入地面的放大器進(jìn)行放大（其原因是脈沖信號經(jīng)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(jīng)過鑒別器進(jìn)行鑒別，排除干擾。5)將一些畸變的脈沖信號送入整形器進(jìn)行整形。6)歸一后的波形送入計數(shù)電路記錄單位時間內(nèi)脈沖個數(shù)，最后得到自然伽馬測井曲線。(單位：脈沖/分鐘)第15頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五砂泥巖剖面GR曲線GR(API)SSSNNSNSN第16頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五探測半徑：煤、金屬礦鉆孔直徑：d≤20cm探測半徑：R=25－45cm油氣田鉆孔直徑:d≤

30cm探測半徑：

R=30－50cmab段：探測器遠(yuǎn)離界面，直到探測器中點(diǎn)離界面的距離為R，探測器的探測范圍內(nèi)是低放射性物質(zhì)。bcd段：探測器上移過界面，直到探測器中點(diǎn)離界面的距離為R。

1)隨探測器上移，探測器探測范圍內(nèi)的高放射性物質(zhì)逐漸增大，使曲線上升，直到探測器中點(diǎn)離底界面的距離為R時為止。

2)探測器中點(diǎn)位于界面時，探測范圍內(nèi)的高低放射性物質(zhì)各占一半，所以此點(diǎn)為曲線的半幅值點(diǎn)。de段：探測器中點(diǎn)離底界面的距離為R時開始，直到探測器中點(diǎn)離頂界面的距離為R時為止。探測器的探測范圍內(nèi)是高放射性物質(zhì)efg段：分析方法同bcd段。gh段:分析方法同ab段。

注：薄層用2/3幅值分層。二、自然伽馬測井曲線分析第17頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五1、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，對同一的地層的測定結(jié)果能夠作定量比較，必須進(jìn)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(jìn)行秤量，其結(jié)果應(yīng)該一樣，否則就應(yīng)該對秤進(jìn)行統(tǒng)一刻度)。刻度分級：一級刻度：國家級的統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)稱為一級刻度（標(biāo)準(zhǔn)刻度井）。二級刻度：各制造廠和大的油田建立區(qū)域級的標(biāo)準(zhǔn)稱為二級刻度

（刻度裝置或刻度井）。三級刻度：一般現(xiàn)場使用的標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行檢查。三、自然伽馬測井儀的刻度Calibration第18頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五2、API標(biāo)準(zhǔn)刻度井休斯頓大學(xué)的API標(biāo)準(zhǔn)井高放射性

U12ppm

Th24ppm

K4%混凝土混凝土混凝土低放射性物質(zhì)低放射性物質(zhì)N高為高放射性混凝土中的讀數(shù)；N低為低放射性混凝土中的讀數(shù)AmericaPetroleumInstitute--API第19頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五1、巖層厚度(1)h>6roh增大，幅值不再增大用半幅值點(diǎn)分層(2)h<6ro

h減小，幅值減小用2/3幅值點(diǎn)分層ro井眼半徑井眼、鄰層影響四、自然伽馬測井曲線的影響因素

第20頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五2、統(tǒng)計起伏(也稱統(tǒng)計漲落)

1)現(xiàn)象泥巖的放射性含量是均勻的，但在同一巖層的各點(diǎn)讀數(shù)不一樣其讀數(shù)在平均計數(shù)率n上下波動。經(jīng)理論計算得到：絕對誤差

2)產(chǎn)生的原因：衰變規(guī)律3)統(tǒng)計漲落的定義：在放射性源強(qiáng)不變，測量條件不變的情況下，在相等的時間間隔內(nèi)，重復(fù)觀測放射性強(qiáng)度，每次記錄的數(shù)值不同，總是在某一數(shù)值(平均值)上下波動，這種現(xiàn)象稱為放射性漲落。

為儀器時間常數(shù)第21頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五3、井參數(shù)的影響自然伽馬射線強(qiáng)度的吸收方程u為系數(shù)吸收，L為物質(zhì)的厚度；Jo與J為伽馬射線吸收前后的強(qiáng)度。與井參數(shù)有關(guān)的幾種吸收系數(shù)物質(zhì)鋼水泥環(huán)泥漿清水空氣u0.5cm-1二者之間0.1－0.2cm-1二者之間<0.1cm-1第22頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五五、自然伽馬測井的應(yīng)用1、劃分巖性2、確定泥質(zhì)含量3、劃分煤層（煤層厚度、深度）4、其他（地層對比、沉積微相等）第23頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五1、劃分巖性1）砂泥巖剖面

粗砂巖中砂巖細(xì)砂巖泥巖

J

小→大

SP幅度大→小

Ra大→小

Vsh小→大2)膏鹽剖面

鉀巖泥巖砂巖及其它巖石巖鹽、石膏

GR特高→高→中等→最低

3)碳酸鹽巖剖面

泥巖泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖純石灰?guī)r、白云巖

GR

最高→中等→最低GR(API)第24頁，共31