第7章-GR和放射性同位素測(cè)井A(20100419).ppt

1、第七章 自然伽馬和放射性 同位素測(cè)井,主講人: 韓學(xué)輝 博士 副教授,引言 第一節(jié) 伽馬測(cè)井的核物理基礎(chǔ) 第二節(jié) 自然伽馬測(cè)井 第三節(jié) 自然伽馬能譜測(cè)井 第四節(jié) 放射性同位素測(cè)井,內(nèi)容:,放射性測(cè)井是根據(jù)巖石、孔隙流體和井內(nèi)介質(zhì)(套管、水泥等)的核物理性質(zhì)差異，研究井剖面，研究巖性、物性、含油性、油田開(kāi)發(fā)及油井工程問(wèn)題的一類測(cè)井方法。 特點(diǎn)： 基本不受井眼介質(zhì)限制，在裸眼井和套管井、各種鉆井泥漿的井中均可測(cè)，能進(jìn)行套管井的地層評(píng)價(jià)，能夠快速分析和確定巖石及其孔隙流體各種化學(xué)元素。,引言,分類 (按使用的放射性源或測(cè)量的放射性類型分) 1)伽馬測(cè)井：以研究伽馬輻射為基礎(chǔ)，包括GR、NGS、地 層

2、密度、巖性密度、放射性同位素示蹤測(cè)井等。 2)中子測(cè)井：以研究中子與巖石及孔隙流體相互作用為基 礎(chǔ)，包括熱中子、超熱中子、中子伽馬、脈沖中子非彈性散射 伽馬能譜、中子壽命及活化測(cè)井等。,一、放射性核素和核衰變 二、伽馬射線與物質(zhì)的相互作用 三、伽馬射線的探測(cè),第一節(jié) 伽馬測(cè)井的核物理基礎(chǔ),一、放射性核素和核衰變,1.原子的結(jié)構(gòu) 由原子核和核外電子組成。原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成。質(zhì)子帶正電，中子不帶電，二者質(zhì)量基本相同。質(zhì)子數(shù)一般與核外電子(帶負(fù)電)數(shù)相等，原子不帶電，質(zhì)子數(shù)叫做元素的原子序數(shù)(Z)，質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的總數(shù)叫元素的質(zhì)量數(shù)(A)表示。用符號(hào)ZXA表示某一原子核，如6C12 表示質(zhì)量數(shù)為

3、12的碳原子核。 2.同位素和放射性核素 核素指原子核具有一定數(shù)目質(zhì)子和中子，并處在同一能態(tài)上的同類原子。同位素指核中質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的核素，它們?cè)谠刂芷诒碇姓加型晃恢谩Ｈ珉?1H1、氘1H2、 氚1H3。 穩(wěn)定核素：結(jié)構(gòu)和能量不會(huì)發(fā)生變化，不會(huì)自發(fā)衰變?yōu)榱硪环N核。 放射性核素：結(jié)構(gòu)和能量不穩(wěn)定，原子核能自發(fā)地發(fā)生衰變,放出射線，由一種核變?yōu)榱硪环N核。,3. 核衰變 放射性核素的原子核自發(fā)釋放出一種帶電粒子(、)，同時(shí)放出射線的過(guò)程叫核衰變。核能夠自發(fā)放出、 、射線的性質(zhì)叫放射性。 如： 84Po21082Pb206*+2He4() 82Pb206*82Pb206+ (0.89MeV

4、),4.核衰變定律 放射性核素在核衰變過(guò)程中遵循一定的定律。放射性核數(shù)隨時(shí)間按指數(shù)衰減的定律叫核衰變定律：,N0：初始原子個(gè)數(shù) ：衰變常數(shù)（表示衰變速度的參數(shù)），表示單位時(shí)間每個(gè)核發(fā)生衰變的幾率，越大，衰變速度越快。,半衰期: 放射性核素因衰變而減少到原來(lái)一半所需的時(shí)間。,核衰變定律是不受溫度、壓力、磁場(chǎng)等的影響。,5.放射性活度和比度 活度(強(qiáng)度)：一定量的放射性核素在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的核數(shù)。 單位:1Ci(居里)=3.7X1010核衰變/秒 =1克鐳1秒種內(nèi)衰變的核數(shù) m Ci、Ci。 貝可勒爾:1Bq = 1 次核衰變/秒 1Ci(居里)=3.7X1010 Bq 比度(濃度):放射性核

5、素的放射性活度與其質(zhì)量之比。 單位 Bq/g或Ci/g 鐳的比度 1Ci/g。,6.放射性射線的性質(zhì) 核衰變時(shí)發(fā)射的三種射線:、。 氦核組成的離子流，帶正電，穿透能力最差。 高速電子流，帶負(fù)電，穿透能力差； 高頻電磁波(光子流)，能量高，穿透能力強(qiáng)，能穿透 幾十厘米的地層、套管以及儀器外殼，是放射性測(cè)井探測(cè)的 主要對(duì)象。,1)光電效應(yīng) 射線能量較低時(shí)，穿過(guò)物質(zhì)與原子中的電子相碰撞，將其能量交給電子，使電子脫離原子而運(yùn)動(dòng)，整個(gè)被吸收，釋放出光電子。 光電效應(yīng)發(fā)生幾率隨原子序數(shù)的增大而增大，隨能量增大而減小。,二、 伽馬射線和物質(zhì)的作用形式,放射性核衰變放出的射線能量一般在0.55.3MeV之間，

6、在該能量范圍內(nèi)主要發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓、電子對(duì)效應(yīng)。,光電效應(yīng)發(fā)生幾率：,波長(zhǎng)，10-8cm,指數(shù)常數(shù),密度，g/cm3,2)康普頓效應(yīng) 中等能量的 與原子的外層電子發(fā)生作用時(shí)，把一部分能量傳給電子， 使電子從一個(gè)方向射出康普頓電子， 損失了部分能量的射線向另一個(gè)方向散射出去康普頓射線。 發(fā)生康普頓效應(yīng)時(shí)， 損失的強(qiáng)度與原子序數(shù)Z及單位體積內(nèi)的電子數(shù)有關(guān)?？灯疹D效應(yīng)效應(yīng)的結(jié)果是導(dǎo)致射線強(qiáng)度的減弱，減弱的程度與康普頓吸收系數(shù)有關(guān)。 康普頓吸收系數(shù)：,每個(gè)電子的康普頓散射截面,沉積巖中的大多數(shù)元素的Z/A近似為0.5,因此可利用該效應(yīng)測(cè)量地層的密度.,3)電子對(duì)效應(yīng) 當(dāng)能量大于1.022Mev時(shí)，

7、它與物質(zhì)作用就會(huì)使轉(zhuǎn)化為電子對(duì) (正、負(fù)電子)，而本身被吸收。穿過(guò)單位厚度介質(zhì)的吸收系數(shù)為:,射線的能量,4)射線的吸收 射線穿過(guò)吸收介質(zhì)時(shí),會(huì)發(fā)生3種效應(yīng),其剩余強(qiáng)度與穿過(guò)介質(zhì)的厚度有如下關(guān)系: 質(zhì)量吸收系數(shù)： m = / ,與物質(zhì)作用時(shí)，三種效應(yīng)發(fā)生幾率與的能量有關(guān) ： 低能以光電效應(yīng)為主； 中能以康普頓效應(yīng)為主； 高能以電子對(duì)效應(yīng)為主。,吸收系數(shù):正比于物質(zhì)的密度,1)放電計(jì)數(shù)管(蓋革計(jì)數(shù)器)： 輻射使氣體電離探測(cè)射線,惰性氣體,三、伽馬射線的探測(cè),計(jì)數(shù)效率為12%,射線轟擊管內(nèi)的金屬壁； 打出有一定動(dòng)能的電子， 電子導(dǎo)致管內(nèi)氣體電離出 正負(fù)離子，在高壓電場(chǎng)作用 下，電子吸向陽(yáng)極，導(dǎo)致陽(yáng)

8、極 放電，計(jì)數(shù)管有脈沖 電流產(chǎn)生，記錄下來(lái)。,2)閃爍計(jì)數(shù)管 射線+NaI較高能量的e激發(fā)原子回到穩(wěn)定態(tài)時(shí)產(chǎn)生光子(通過(guò)光導(dǎo)物質(zhì)后在光陰極光電效應(yīng))光電子(經(jīng)過(guò)多次聚焦，數(shù)量增加)在陽(yáng)極記錄,光電倍增管,計(jì)數(shù)效率高，分辨時(shí)間短，測(cè)井中廣為采用。,自然伽馬測(cè)井是在井內(nèi)測(cè)量地層中自然存在的放射性核素 衰變放射出的射線強(qiáng)度的測(cè)井方法。主要用于劃分巖性、 估算泥質(zhì)含量和地層對(duì)比。 一、巖石的自然放射性 二、自然伽馬測(cè)井原理 三、自然伽馬測(cè)井曲線特點(diǎn)及影響因素 四、自然伽馬測(cè)井曲線的應(yīng)用,第二節(jié) 自然伽馬(GR)測(cè)井,一、巖石的自然放射性,巖石放射性決定于放射性核素的種類和數(shù)量。主要放射性核素： 鈾、釷

9、、錒及其衰變子體以及19K40 。起決定作用的是鈾系、釷系和鉀。 地層的放射性與巖性和巖石形成過(guò)程中的物理化學(xué)條件有關(guān)。 1.巖石總放射性 (1)火山巖變質(zhì)巖沉積巖 (2)沉積巖自然伽馬放射性隨泥含量的增加而增加。 粘土中:蒙脫石，伊利石，高嶺石，綠泥石(降低) 高放射性：深海泥質(zhì)沉積物 中放射性：淺海、陸相泥質(zhì)巖石 低放射性：砂巖、石灰?guī)r、煤等,2.沉積巖中鈾，釷，鉀的含量 (1)粘土中：鉀約含2%，釷約12ppm，鈾約6ppm。 但與沉積環(huán)境有關(guān)，不同的粘土礦物，鈾、釷、鉀的含量有一定的差別。粘土巖Th/U在2.0-4.1之間。 (2)砂巖及碳酸鹽巖中，隨粘土礦物增加，鈾、釷、鉀含量增加，

10、水流作用可造成鈾含量很高。 (3)釷化合物難溶于水，故巖石中釷含量增加，離物源區(qū)近 。 (4)四價(jià)鈾難溶于水，六價(jià)鈾溶于水，鈾含量與沉積環(huán)境及成巖后水流作用有關(guān)，四價(jià)鈾氧化成六價(jià)鈾，六價(jià)鈾在還原條件下變成四價(jià)鈾而沉淀。為什么海相泥巖放射性含量高。,二、自然伽馬測(cè)井原理,計(jì)數(shù)率(脈沖/分鐘) 或者API刻度,射線進(jìn)入,放大電脈沖,傳輸電脈沖,放大電脈沖,鑒別電脈沖,記錄,巖石的自然伽馬放射性水 平主要決定于鈾、釷、鉀 的含量。,(是美國(guó)石油學(xué)會(huì)采用的單位，兩倍于北美泥巖平均放射性的模擬地層的自然伽馬測(cè)井曲線值的1/200定義為1API自然伽馬測(cè)井單位)。,大,自然伽馬放射性主要來(lái)源于井周圍附近(

11、探測(cè)半徑3045cm) 1)測(cè)井曲線響應(yīng)特點(diǎn) 以地層中點(diǎn)對(duì)稱 地層中點(diǎn)取得最大值 地層變薄（h3do，幅度不隨地層厚度增加變化，半幅點(diǎn)對(duì)應(yīng)地層頂?shù)走吔纭?三、自然伽馬測(cè)井特點(diǎn)及影響因素,2)影響因素 (1)v影響 (積分電路的延時(shí)性) 半幅點(diǎn)滯后距離= v(m/s)(s) 目前測(cè)速一般為600m/h，如果為0.25s，滯后距離小于0.33m。如果使用1:200比例尺，圖上距離1.65mm，不必校正。 (2)放射性漲落 漲落現(xiàn)象：同一放射源，相同時(shí)間間隔的多次測(cè)量，各次讀數(shù)與全部讀數(shù)的平均值之差大部分分布在一定范圍內(nèi)。由于漲落現(xiàn)象，使GR曲線呈現(xiàn)“鋸齒狀”，由于放射性漲落引起的誤差，稱為漲落誤差

12、，記為（標(biāo)準(zhǔn)差）。 物理意義：同一地層各點(diǎn)的讀數(shù)落在的幾率為68.3%，因此，只有當(dāng)曲線幅度變化超過(guò)上述范圍，且超過(guò)(2.53)時(shí)，曲線才做分層或地層解釋。,1幅度值下降； 2極值偏離地層中心，半幅點(diǎn)發(fā)生上移； 3地層厚度越小，V越大，畸變?cè)絿?yán)重。,(3)地層厚度 薄層，曲線受上下圍巖的放射性影響而出現(xiàn)一些異常變化。 砂巖的變大，泥巖的變小。圖7-11。 (4)井的影響 因泥漿、套管和水泥吸收伽馬射線，使曲線幅度降低， 裸眼井，主要受井徑和泥漿的影響；套管井則要考慮到套管 程序和水泥環(huán)的影響，做必要的校正。,1)劃分地層 主要依據(jù)：Vsh不同，GR讀數(shù)不同。 (1)砂泥巖剖面 泥巖層GR幅度最

13、高，純地層，GR最低； (2)碳酸巖剖面 泥巖、頁(yè)巖的GR幅度最高，純的石灰?guī)r、白云巖GR幅度最低，而泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖GR介于中間； (3)膏鹽剖面 巖鹽、石膏層的GR較低，泥巖層GR幅度最高。,四、自然伽馬測(cè)井曲線應(yīng)用,2)地層對(duì)比 優(yōu)點(diǎn)： (1)與地層水礦化度無(wú)關(guān) (2) 一般與地層流體無(wú)關(guān) 與含油性沒(méi)有關(guān)系。 (3)容易找到標(biāo)準(zhǔn)層(常是橫向上分布范圍較廣泛的泥巖),因此，GR是標(biāo)準(zhǔn)測(cè)井主要內(nèi)容 之一，與電測(cè)井一起劃分地層、油層組。,測(cè)井深度校正： 每次下井要測(cè)一條GR，幾次下井的不同測(cè)井曲線可校至同一深度。 甚至在裸眼井和套管井中也可對(duì)比來(lái)確定射孔深度。只是套管井中的曲線幅度由于受套

14、管、水泥環(huán)影響而有所降低，但曲線形態(tài)上可對(duì)比。,3)估算泥質(zhì)含量 假設(shè)：泥質(zhì)比面積大，吸附放射性物質(zhì)能力強(qiáng)，其含量的多少?zèng)Q定了沉積巖石放射性的強(qiáng)弱。,GCUR與地層地質(zhì)年代有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，一般老地層取，新地層.7。,II. 經(jīng)驗(yàn)法： 用統(tǒng)計(jì)法得到VshGR經(jīng)驗(yàn)公式。,I. 相對(duì)值法：,注意：在儲(chǔ)層含有長(zhǎng)石等放射性礦物較高的儲(chǔ)層中不能用。 在U含量較高的地層(鈾礦、有機(jī)質(zhì)豐富)中不能應(yīng)用GR求取儲(chǔ)層泥質(zhì)含量,第三節(jié) 自然伽馬能譜(NGS)測(cè)井 GR測(cè)井只能測(cè)量地層總的放射性，能譜測(cè)井主要依據(jù)鈾、釷、鉀三種放射性核素放出的射線的能譜差異來(lái)測(cè)量其含量，同時(shí)可以測(cè)量總的放射性。因此，NGS相對(duì)GR而言

15、能夠解決更多地質(zhì)問(wèn)題。,一、自然伽馬能譜測(cè)井的地質(zhì)依據(jù) 二、自然伽馬能譜測(cè)井原理 三、自然伽馬能譜測(cè)井資料應(yīng)用,一、 自然伽馬能譜測(cè)井的地質(zhì)依據(jù) 1)粘土巖中釷、鉀含量比鈾含量高（鈾含量主要受有機(jī)物吸附作用影響） 2) 砂巖、碳酸巖中鈾、釷、鉀的分布,二、自然伽馬能譜測(cè)井原理 根據(jù)鈾、釷、鉀的自然伽馬能譜特征，測(cè)量混合譜，解譜分析確定各自的含量。,1.46Mev,1.3Mev 2.62Mev,1.3Mev 1.76Mev,井下儀器與自然伽馬測(cè)井儀相同，地面儀器加置解譜分析器。,核心,能窗： W1：0.150.5Mev W2：0.51.1Mev W3：1.321.575Mev(K) W4：1.6

16、52.39Mev(U) W5：2.4752.765Mev(Th) 解譜： 五個(gè)能窗輸出信號(hào)分別送到五個(gè)計(jì)數(shù)器， 通過(guò)解譜儀解譜，得到各元素的相對(duì)含量 輸出值：自然伽馬總計(jì)數(shù)率、U、Th、K四條曲線,三、自然伽馬能譜測(cè)井資料應(yīng)用 1)研究生油巖 巖石中有機(jī)物對(duì)鈾的富集起著重要作用，因此可用于追蹤生油層和評(píng)價(jià)生油能力。U或U/K越高，說(shuō)明有機(jī)碳越多，則泥巖為生油巖，且生油能力強(qiáng)（如右圖）。,2)尋找頁(yè)巖儲(chǔ)集層 富含有機(jī)物的高放射性黑色頁(yè)巖，在局部地段有裂縫、粉砂或碳酸鹽巖夾層，可能成為產(chǎn)油層，其特點(diǎn)是鉀、釷含量低，而鈾含量高。,3)尋找高放射性碎屑巖和碳酸巖儲(chǔ)層 儲(chǔ)集層巖石中含有高放射性礦物時(shí)，放

17、射性也會(huì)較強(qiáng),高硼潤(rùn)土、凝灰?guī)r,砂巖,4)研究沉積環(huán)境 陸相、氧化環(huán)境：Th/U7 海相淺海半深海環(huán)境：Th/U7 海相深海環(huán)境：Th/U2 5)求取泥質(zhì)含量 一般Th、K與泥質(zhì)含量關(guān)系較大， 而U與泥質(zhì)含量關(guān)系較小。 XCTS、Th、K40 但不能用U,6)區(qū)分泥質(zhì)砂巖和云母 利用釷和鉀的 含量交會(huì)圖（如右 圖），可以給出石 英、云母和泥質(zhì)的 百分含量。,一、放射性同位素測(cè)井找串槽位置 二、放射性同位素測(cè)井檢查封堵效果 三、檢查壓裂效果的放射性同位素測(cè)井 四、放射性同位素載體法測(cè)定吸水剖面，計(jì)算相對(duì)吸水量,第四節(jié) 放射性同位素測(cè)井,又稱放射性示蹤測(cè)井，利用人工放射性同位素為示蹤劑，通過(guò)對(duì)比測(cè)

18、量含示蹤劑的活化溶液或懸浮液注入前后的伽馬射線強(qiáng)度來(lái)研究油井技術(shù)和采油注水動(dòng)態(tài)的測(cè)井方法(如果某層與注液井段連通，示蹤劑就可能進(jìn)入地層或者過(guò)濾在該層表面)，伽馬射線強(qiáng)度增大。,油井投入生產(chǎn)后，由于 固井質(zhì)量差或固井后由于其它 工程施工，使水泥環(huán)破裂，造 成層間串槽。 主要施工步驟：施工前，先 測(cè)一條自然伽馬曲線作為參考 曲線，而后將活化液壓入找串 槽層，與參考曲線比較，若注 后測(cè)量結(jié)果大，則可查出示蹤 液的通道，找出串槽位置。,一 、放射性同位素測(cè)井找串槽位置 GS的應(yīng)用,對(duì)油層注入活化油，對(duì)水層注入活化水。,注入了活化液的 B層，曲線異常幅度較 大，被封隔器封隔的 A層處，雖未注入活 化液也有明顯增大， 則A、B有串槽；C層 處，兩曲線基本重 合，則B、C無(wú)串槽。,A,B,C,二、 放射性同位素測(cè)井檢查封堵效果,串槽油井中部分層段 出水、誤射孔等井段需要 第二次注水泥封堵。 先測(cè)一條自然伽馬曲線 作為參考曲線，然后將加 入少量放射性同位素的煤 油水泥擠入上述井段，再 測(cè)一條放射性同位素伽馬 曲線，若封堵良好，則封 堵處曲線幅度增大。,A、B串通，將B層射開(kāi)注入活化水泥，經(jīng)比較，AB段曲線幅度明顯升