第七章自然伽瑪測(cè)井 油礦地球物理測(cè)井 教學(xué)課件

1、第七章 自然伽瑪測(cè)井,自然伽瑪測(cè)井是放射性測(cè)井中的一種方法。放射性測(cè)井是以物質(zhì)原子核物理性質(zhì)為基礎(chǔ)的一組測(cè)井方法，統(tǒng)稱(chēng)為核測(cè)井，包括自然伽瑪，自然伽瑪能譜、中子、密度測(cè)井等。由于物質(zhì)的核物理性質(zhì)不受溫度、壓力、化學(xué)性質(zhì)等外界因素的影響。因此有可能根據(jù)某些無(wú)素原子核特殊性質(zhì)，利用放射性測(cè)井直接研究他們存在數(shù)量多少，對(duì)于研究石油鉆井具有一定意義。 前言：原子核基本知識(shí)（預(yù)備知識(shí)） 1原子核結(jié)構(gòu) 原子：原子核 質(zhì)子(帶一個(gè)單位正電荷) + 中子(不帶電) 核外電子(帶一個(gè)單位負(fù)電荷) 質(zhì)子+中子核子 質(zhì)子+中子=質(zhì)量數(shù) 質(zhì)子數(shù)=原子序數(shù),2同位素：原子序數(shù)相同而質(zhì)量不同的原子構(gòu)成的元素稱(chēng)為同位素，同

2、位素的化學(xué)性質(zhì)相同，在元素周期表中占一個(gè)位置。 如氫的三種同位素： （氕） （氘） （氚） 表示方法： x元素符號(hào) z-質(zhì)子數(shù) a- 中子數(shù) 3核衰變 放射性同位素的原子核另一種原子核+、衰變 n0初始量 衰變系數(shù) t時(shí)間 dn衰變率或放射性強(qiáng)度 半衰期：t 平均壽命 4放射性射線(xiàn)及其性質(zhì) 射線(xiàn)：氦原子流，質(zhì)量大，引起電離或激發(fā)，被物質(zhì)吸收，射程小，穿透能力差。 射線(xiàn)：高速中子流，射程小，電離程度中等。 射線(xiàn)：頻率高的電磁波或光子流，不帶電，能量高，穿透力強(qiáng)。,5伽瑪射線(xiàn)與物質(zhì)作用 自然伽瑪射線(xiàn)穿過(guò)物質(zhì)與原子相互作用，將發(fā)生不同形式的作用，其中主要形式為：光電效應(yīng)、 康普頓一吳有訓(xùn)效應(yīng)、 形成

3、電子對(duì) （1）光電效應(yīng)：當(dāng)伽瑪射線(xiàn)能量較低（低于0.25mev）時(shí)，它與組成物質(zhì)元素原子中的電子相碰撞之后，把能量全部轉(zhuǎn)交電子，使電子獲得能量后脫離其電子殼層而飛出，同時(shí)伽瑪射線(xiàn)被吸收而消失。這一過(guò)程稱(chēng)為光電效應(yīng)，被釋放出來(lái)的電子叫光電子。產(chǎn)生光電效應(yīng)的幾率，與入射伽瑪射線(xiàn)能量和組成物質(zhì)原子序數(shù)有關(guān) （2）康普頓一吳有訓(xùn)效應(yīng) 能量較高伽瑪射線(xiàn)與物質(zhì)中原子核外電子碰撞時(shí)，一部分能量轉(zhuǎn)交給電子，使之脫離原子電子殼層而飛出，同時(shí)伽瑪射線(xiàn)改變自己運(yùn)動(dòng)方向，繼續(xù)與其它電子相撞。每碰撞一次，能量損失一部分，并改變其運(yùn)動(dòng)方向，形成所謂康普頓一吳有訓(xùn)效應(yīng)。伽瑪射線(xiàn)經(jīng)多次碰撞之后，能量不斷降低，最后以光電效應(yīng)結(jié)

4、束。,（3）電子對(duì)的形成 能量高于1.02mev伽瑪射線(xiàn)與物質(zhì)作用時(shí)，在原子核力場(chǎng)作用下，可轉(zhuǎn)變成正、負(fù)電子對(duì)，即一個(gè)正電子和一個(gè)負(fù)電子。伽瑪射線(xiàn)在形成電子對(duì)后，本身被吸收。 （4）伽瑪射線(xiàn)的吸收 伽瑪射線(xiàn)能量衰減，強(qiáng)度減小過(guò)程稱(chēng)為伽瑪射線(xiàn)被吸收。 （5）電子密度與體積密度 產(chǎn)生康普頓一吳有訓(xùn)效應(yīng)幾率與單位體積中電子數(shù)（電子密度）有關(guān)，電子密度e 一般性： n0阿佛加德羅常數(shù)；z質(zhì)子數(shù)；a質(zhì)量數(shù)；b體積密度,6中子與物質(zhì)作用 分類(lèi)： （1）慢中子：能量100電子伏特為慢中子，0.1100電子伏特中子為超熱中子，0.025電子伏特中子為熱中子 （2）中能中子：能量：100電子伏特10萬(wàn)電子伏特

5、（3）高能快中子：能量：10萬(wàn)電子伏特 幾種作用形式： （1）非彈性作用：高能快中子與原子核碰撞 （2）彈性散射：高能快中子經(jīng)一、二次非彈性散射后，能量降低，繼續(xù)碰撞原子，降低能量和運(yùn)動(dòng)速度，而總能量不變，經(jīng)多次碰撞，能量損失，速度降低，最后變?yōu)闊嶂凶印?（3）輻射俘獲：能量低的熱中子在其他物質(zhì)附近漫游，很容易被其他物質(zhì)俘獲而被吸收，過(guò)程為輻射俘獲其他物質(zhì)由于俘獲中子而后穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)則易放出r射線(xiàn)。,自 然 伽 瑪 測(cè) 井,自然伽瑪測(cè)井可以解決以下： （1）據(jù)天然放射性強(qiáng)弱，判別巖性和劃分井地層剖面。 （2）在一個(gè)含油氣區(qū)或單獨(dú)構(gòu)造上，各井剖面進(jìn)行對(duì)比。 （3）估計(jì)巖石中泥質(zhì)含量，從而判斷巖層

6、的儲(chǔ)集性能，特別是在泥漿礦化度較高地區(qū)，碳酸鹽巖剖面中，自然電位無(wú)法清楚劃分滲透性巖層，自然伽瑪可以解決。 自然伽瑪測(cè)井的優(yōu)缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：（1）裸眼井和套管井中均可以進(jìn)行 （2）油基泥漿、高礦化度以及干井中均可以進(jìn)行 （3）碳酸鹽巖剖面和水化學(xué)沉積剖面不可缺少。 缺點(diǎn)：（1）測(cè)速慢，成本高。 （2）如果巖石本身組成中含放射性物質(zhì)，如含火山碎屑等，則無(wú)法正確判斷泥質(zhì)含量。如哈密地區(qū)，那么sh判定需從其分資料中求取。,自 然 伽 瑪 測(cè) 井 總 述,巖石的放射性是由巖石中所含的u、th、k系放射性同位素引起的。這些元素在自然界衰變過(guò)程中的均放出射線(xiàn),且不同元素放出的射線(xiàn)的數(shù)量和能量?jī)煞矫婢袇^(qū)別。

7、如：k 1.46mev,u、th：能譜較為復(fù)雜，因此，通過(guò)探測(cè)射線(xiàn)的數(shù)量（強(qiáng)度）和能量（能譜），有就可能確定巖石中放射性元素的數(shù)量（含量）及種類(lèi)，并進(jìn)一步用來(lái)尋找放射性礦床和研究巖層性質(zhì)等。測(cè)量自射線(xiàn)強(qiáng)度的方法叫做自然伽瑪法，測(cè)量自然伽瑪能譜的方法叫做自然伽瑪能譜法。 自然測(cè)井是在井內(nèi)測(cè)量巖層中自然存在的放射性元素核衰變過(guò)程中放射出來(lái)的射線(xiàn)的強(qiáng)度，通過(guò)測(cè)量巖層的自然射線(xiàn)的強(qiáng)度來(lái)認(rèn)識(shí)巖層的一種放射性測(cè)井法，其射線(xiàn)強(qiáng)度與放射性元素的含量及類(lèi)型有關(guān) 一、巖石的自然放射性規(guī)律(三大巖類(lèi)) 1巖漿巖：其中有許多放射性礦物，如長(zhǎng)石，云母集中了地層中絕大多數(shù)鉀k。角閃石、獨(dú)居石、輝石也有較高放射性，其中以堿

8、性巖、鋯石、獨(dú)居石等放射性最強(qiáng)。,2變質(zhì)巖：取決于母巖放射性，若為巖漿巖，放射性較強(qiáng)，沉積巖則次之。 3沉積巖：一般比巖漿巖、變質(zhì)巖差，沉積巖中的不同巖類(lèi)，放射性不同。 （1）粘土巖類(lèi)：含放射性元素最多，放射性最強(qiáng)，主要為泥、頁(yè)巖。 a高嶺石：不含放射性元素，且對(duì)離子吸附能力差，放射性強(qiáng)度低。 b蒙脫石：不含放射性元素，但對(duì)陽(yáng)離子吸附能力強(qiáng)，可吸附很多放射性強(qiáng)物質(zhì)，如氧化鈾。因此，其天然放射性強(qiáng)度最大，對(duì)粘土巖放射性貢獻(xiàn)最大。 c伊利石：含放射性同位素k40，且有較強(qiáng)陽(yáng)離子吸附能力，也可吸附較多u2o氧化鈾，有較強(qiáng)放射性。 d綠泥石：同高嶺石相似，天然放射性弱。 （2）碎屑巖類(lèi)：放射性強(qiáng)度由正

9、長(zhǎng)石、白云母、重礦物以及泥質(zhì)含量決定，對(duì)儲(chǔ)層的主要成份石英砂巖而言，前三種礦物很少，因此主要取決于泥質(zhì)含量及組成。 （3）化學(xué)巖類(lèi)：石灰?guī)r、白云巖、膏、鹽巖、k鹽等。除k具放射性外，其他巖類(lèi)主要由巖石中所含泥質(zhì)及微量無(wú)素決定。 放射性規(guī)律 a放射強(qiáng)度隨泥質(zhì)含量vsh增加，而增加。 b隨有機(jī)質(zhì)含量增加而增加。 c隨k鹽和放射性物質(zhì)的含量的增加而增加,二、測(cè)量原理,進(jìn)行自然伽瑪測(cè)井的簡(jiǎn)單原理如圖所示：（井下儀器、地面儀器） 探測(cè)器將接收到的伽瑪射線(xiàn)轉(zhuǎn)換成電脈沖 放大器探測(cè)器輸出電脈沖加以放大-剔除-計(jì)數(shù)率-電器積累連續(xù)電流簡(jiǎn)單變換和刻度自然伽瑪gr曲線(xiàn)。記錄電位差與單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)成正比。即與周

10、圍巖石放射性強(qiáng)度成正比。,三、曲線(xiàn)特征及影響因素 1曲線(xiàn)特征 （1）中心對(duì)稱(chēng)（上下圍巖放射性相同），中心出現(xiàn)極大值。 （2）h3d0 曲線(xiàn)極大值隨h增加而增加, h3d0 極大值=const,與強(qiáng)度大小成正比，與厚度無(wú)關(guān)。 （3）h3d0半幅點(diǎn)定界面，h3d0 厚度真實(shí)厚度。 2影響因素 （1）厚度h對(duì)幅度影響 （2）井參數(shù)：對(duì)巖石射線(xiàn)吸收及它們自身放射性附加(附泥漿含強(qiáng)被射 性,一般不含) 井徑、泥漿、套管 （3）放射性統(tǒng)計(jì)起伏：統(tǒng)計(jì)規(guī)律各次測(cè)的平均值 （4）測(cè)速v和儀器積分常數(shù)對(duì)曲線(xiàn)的影響,四、地質(zhì)應(yīng)用,1劃分巖性，確定滲透層,2進(jìn)行地層對(duì)比，其優(yōu)點(diǎn)： （1）與巖石流體性質(zhì)無(wú)關(guān)（油、水、地

11、層礦化度等） （2）與泥漿性質(zhì)無(wú)關(guān)（鹽、水泥漿） （3）易找到標(biāo)準(zhǔn)層。 在油氣水邊界地帶進(jìn)行地層對(duì)比，因?yàn)閹r石中含流體性質(zhì)變化大，使r、sp曲線(xiàn)形狀變化不益于進(jìn)行對(duì)比。另外膏鹽地區(qū)尤為重要。,3確定巖石的泥質(zhì)含量 gr= (gr-grmin)/(grmax-grmin) vsh=(2c gr-1)/(2c-1) c：老地層：c=2； 新地層c=3.74,4確定巖石的粒度中值，作沉積環(huán)境分析 c0、c1為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。 （gr=grmin） （gr=grmax） md1取grmax相應(yīng)層段的平均粒度中小值。,四、自然伽瑪能譜測(cè)井（ngs）,自然伽瑪測(cè)井雖是確定泥質(zhì)含量有效方法，但自然伽瑪讀數(shù)只能提供巖石自然放射性的總概念，當(dāng)巖石放射性是由于某些非泥質(zhì)因素引起時(shí)，則由此求得的泥質(zhì)含量用于其做地質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí)，將造成錯(cuò)誤解釋。如：把高放射性的火成巖沖積成當(dāng)成泥巖層，含高鈾u的碳酸鹽巖儲(chǔ)層當(dāng)成非儲(chǔ)層等。為此，在自然伽瑪測(cè)井的基礎(chǔ)上，又引進(jìn)了自然伽瑪能譜測(cè)井。自然伽瑪能譜是測(cè)定一定能量范圍內(nèi)自然伽瑪射線(xiàn)的強(qiáng)度以區(qū)分巖石中放射性元素類(lèi)型及其實(shí)際含量的測(cè)井方法。自然界常見(jiàn)三種放射性元素為鈾（u）系、釷（th）系、鉀（k）系，且他們地層中放射出射線(xiàn)具有不同的能量并各自具有特征的能譜（k 1.46mev u、th、0.5mev）因此利用能級(jí)窗口，可以分別記錄地層中這三種放射性元素各自的強(qiáng)度