測(cè)井原理9自然伽馬測(cè)井

1、核測(cè)井定義-將核技術(shù)應(yīng)用于井中測(cè)量，根據(jù)巖石及其孔隙流體的核物理性質(zhì)，研究井的地質(zhì)剖面，勘探石油、天然氣、煤以及金屬、非金屬礦藏，研究石油地質(zhì)、油井工程和油田開(kāi)發(fā)的核地球物理方法 稱核測(cè)井又稱放射性測(cè)井放射性測(cè)井放射性測(cè)井第十第十十二章十二章核測(cè)井的分類核測(cè)井的分類：大體分四類 a)：測(cè)井。含自然和 測(cè)井（散射測(cè)井）。前者又分自然和自然能譜測(cè)井；后者又分 地層密度和巖性密度測(cè)井。 b):中子測(cè)井。主要含中子壽命測(cè)井、 一般中子測(cè)井和中子誘生測(cè)井。中子壽命測(cè)井也稱熱中子衰減時(shí)間測(cè)井；一般中子測(cè)井含熱中子測(cè)井和超熱中子測(cè)井；它們又含有單探測(cè)器中子和補(bǔ)償中子測(cè)井；中子誘生能譜測(cè)井通常包括快中子非彈性

2、散射能譜測(cè)井（即C/O比測(cè)井）、中子俘獲能譜測(cè)井和中子活化能譜測(cè)井等。 c):放射性核素示蹤測(cè)井。這種方法是利用放射核素作為示蹤劑，將摻入流體中，并注入到井內(nèi)，通過(guò)流體在井中的流動(dòng)而使核素分布到各種孔隙空間。利用核測(cè)井對(duì)示蹤劑進(jìn)行追蹤測(cè)量，確定流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其分布規(guī)律。 d):核成像測(cè)井。如核磁共振成像測(cè)井等。20世紀(jì)30年代末，在美國(guó)以及前蘇聯(lián)出現(xiàn)自然伽馬測(cè)井；我國(guó)1956年最先在玉門油田使用。 巖石中含有天然的放射性核素巖石中含有天然的放射性核素,主要是鈾系、釷系主要是鈾系、釷系和鉀的放射形同位素，它們自然衰變時(shí)發(fā)射伽馬射線，和鉀的放射形同位素，它們自然衰變時(shí)發(fā)射伽馬射線，使巖石有天然放

3、射性。使巖石有天然放射性。自然伽馬側(cè)井（自然伽馬側(cè)井（natural gamma-ray log）是用伽馬射線探測(cè)器測(cè)量巖石總的是用伽馬射線探測(cè)器測(cè)量巖石總的自然伽馬射線強(qiáng)度，以研究井剖面地層性質(zhì)的測(cè)井方自然伽馬射線強(qiáng)度，以研究井剖面地層性質(zhì)的測(cè)井方法。法。 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 1 1 伽馬測(cè)井核物理基礎(chǔ)伽馬測(cè)井核物理基礎(chǔ) 2 2 自然伽馬測(cè)井原理自然伽馬測(cè)井原理 3 3 自然伽馬測(cè)井曲線應(yīng)用自然伽馬測(cè)井曲線應(yīng)用第十章第十章 自然伽馬測(cè)井自然伽馬測(cè)井 第一節(jié)第一節(jié) 伽馬測(cè)井核物理基礎(chǔ)伽馬測(cè)井核物理基礎(chǔ) 伽馬測(cè)井主要利用伽馬射線與介質(zhì)的作用研究地層的放射性伽馬測(cè)井主要利用伽馬射線與介質(zhì)的作用研究地

4、層的放射性特性的測(cè)井方法特性的測(cè)井方法,主要有伽馬測(cè)井主要有伽馬測(cè)井,密度測(cè)井等密度測(cè)井等.一一 核衰變及其放射性核衰變及其放射性1 幾個(gè)基本概念幾個(gè)基本概念 原子與原子結(jié)構(gòu)原子與原子結(jié)構(gòu):原子原子是處于中心的帶正電的原子核和核外繞核運(yùn)動(dòng)的一 個(gè)或若干個(gè)電子組成。 原子核原子核由質(zhì)子和中子組成。 原子質(zhì)量單位原子質(zhì)量單位：原子質(zhì)量的國(guó)際單位是以碳的同位素C的原子質(zhì)量為標(biāo)準(zhǔn)確定。 一個(gè)原子質(zhì)量單位u定義為C原子靜止質(zhì)量的1/12， 1u=mc1/12=1.99267810261/12 =1.6605661027 Kg。例如： 通常寫(xiě)成 12C的質(zhì)量為：11.996709u，則質(zhì)量數(shù)為：12 的質(zhì)

5、量為4.001506u，則質(zhì)量數(shù) A=4；C12eH42 原子的結(jié)構(gòu)原子的結(jié)構(gòu) 中子中子 原子核原子核 原子原子 質(zhì)子質(zhì)子 正電荷正電荷 核外電子核外電子 負(fù)電荷負(fù)電荷原子的標(biāo)記形式：NAZXX是該原子的化學(xué)元素符號(hào)； A為質(zhì)量數(shù)-即以u(píng)為單位原子核質(zhì)量四舍五入的整數(shù). Z-質(zhì)子數(shù)（即原子序數(shù)）； N為中子數(shù) 即；N=A-Z，在實(shí)際工作中往 往只寫(xiě)出元素符號(hào)和質(zhì)量數(shù)，即寫(xiě)成 ：XA 核 素凡具有相同質(zhì)子數(shù)Z和中子數(shù)N 的一類原子核素 同位素凡質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)不同的幾 種核素；如： 三種核素都是氫的同位素 同中子素中子數(shù)相同，質(zhì)子數(shù)不同的幾 中核素；如： HHH321 HeH3221 3 放射

6、性核素放射性核素 穩(wěn)定穩(wěn)定核素核素(結(jié)構(gòu)和能量不變化結(jié)構(gòu)和能量不變化) 核素核素 不穩(wěn)定核素不穩(wěn)定核素(結(jié)構(gòu)和能量發(fā)生變化并放射出射線結(jié)構(gòu)和能量發(fā)生變化并放射出射線)不穩(wěn)定核素也叫不穩(wěn)定核素也叫放射性核素放射性核素4 核衰變核衰變 放射性核素的原子核自發(fā)釋放出一種帶電離子放射性核素的原子核自發(fā)釋放出一種帶電離子,蛻變蛻變成為另外原子核同時(shí)放射出伽馬射線的過(guò)程稱為成為另外原子核同時(shí)放射出伽馬射線的過(guò)程稱為核衰變核衰變基態(tài)基態(tài)原子核可處于不同的能量狀態(tài)，能量最低狀態(tài)。激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)原子核處于比基態(tài)高的能量狀態(tài)，即原子核被激發(fā)了。放射性放射性放射性核素都能自發(fā)的放出各種射線。 有的發(fā)射射線，有的發(fā)射射

7、線，有 的在發(fā)射射線或射線的同時(shí)還在發(fā) 射射線，有的三種射線都有。原子核 自發(fā)的放射出各種射線而自身發(fā)生變化 的現(xiàn)象稱為放射性。 放射性核素有天然（自然）的： 等，和人工（生產(chǎn)）放射性核素：ThUU232238235K40CsCo137604 4 射線的性質(zhì)射線的性質(zhì) （1）射線由氦原子核 組成的粒子流。氦核又稱粒子，因而可以說(shuō)是粒子流。 粒子 質(zhì)量數(shù)為4，帶兩個(gè)正電荷。對(duì)物質(zhì)的電離作用很強(qiáng)，而貫穿物質(zhì)的本領(lǐng)很小。在空氣中的射程2.6cm11.5cm，在巖石中的射程只有10cm，即10m 。He4He4 （2）射線高速運(yùn)動(dòng)的電子流。V=2C/3（C為光速)，對(duì)物質(zhì)的電離作用較強(qiáng)，而貫穿物質(zhì)的本

8、領(lǐng)較小。在金屬中的射程約0.09 cm. （3）射線由光子組成的粒子流。光子是不帶電的中性粒子，以光速運(yùn)動(dòng)。 射線又是一中波長(zhǎng)很短的電磁波 ，具有 兩重性，即波動(dòng)性和粒子性。對(duì)物質(zhì)的電離作用很小，而貫穿本領(lǐng)很大。能穿過(guò)地層和 鋼鐵。 光子具有波動(dòng)性，即光子在傳輸過(guò)程中表現(xiàn)出有一定的頻率和波長(zhǎng)， 與和光 速C之間的關(guān)系： 光子具有粒子性是說(shuō)光子是一個(gè)一個(gè)微粒，每個(gè)光子具有一定相對(duì)性，質(zhì)量 有運(yùn)動(dòng)速度C，因而具有一定能量Cmp 核衰變可用核衰變方程式或衰變圖表示.例如地層中的鉀有兩種衰變方程式:40184018401940204019*AAKCaKk核衰變使原子核數(shù)按指數(shù)規(guī)律衰減,關(guān)系見(jiàn)下衰變常數(shù)

9、。的原子核數(shù)；時(shí)刻時(shí)的原子核數(shù)；tNtNeNNt000 衰變常數(shù)表示單位時(shí)間內(nèi)每個(gè)原子核發(fā)生衰變的幾率。半衰期：原有的放射性核數(shù)衰變掉一半所半衰期：原有的放射性核數(shù)衰變掉一半所 需的時(shí)間。需的時(shí)間。693. 02ln22/100TeNNNt平均壽命：每個(gè)原子核在發(fā)生衰變前存在平均壽命：每個(gè)原子核在發(fā)生衰變前存在 的時(shí)間的平均值。的時(shí)間的平均值。15 巖石的自然伽馬放射性與巖石性質(zhì)的關(guān)系巖石的自然伽馬放射性與巖石性質(zhì)的關(guān)系（1）巖石總的自然伽馬放射性 與巖石大類有關(guān)，一般沉積巖的自然伽馬放射性低于巖漿巖和變質(zhì)巖。因?yàn)槌练e巖一般不含放射性礦物，其自然放射性主要是巖石吸附放射性物質(zhì)引起的，而巖石的吸

10、附能力有限。而巖漿巖及變質(zhì)巖含有較多放射性礦物，如長(zhǎng)石和云母含有地層大部分鉀，其中 有放射性。K4019 沉積巖的自然放射性隨巖石泥質(zhì)含量增加而增加，但含放射性礦物的巖石（如海綠石砂巖、獨(dú)居石砂巖、鉀鹽等）例外。沉積巖中黏土巖放射性最高，而石膏、硬石膏、巖鹽等化學(xué)巖最低。 黏土礦物中，蒙脫石表面積最大，對(duì)放射性物質(zhì)吸附能力強(qiáng)，含有較多氧化鈾，對(duì)黏土巖放射性貢獻(xiàn)最大；伊利石內(nèi)含有鉀，對(duì)氧化鈾也有一定吸附能力，具有一定放射性；而高嶺石和綠泥石本身不含有放射性，對(duì)放射性物質(zhì)吸附能力也差，放射性低。 生油黏土巖的黏土礦物常以蒙脫石和伊利石為主，而且富含鈾和釷的放射性物質(zhì)，因而比普通泥巖有更高的放射性。

11、 一般一般:火成巖火成巖:放射性最強(qiáng)放射性最強(qiáng);變質(zhì)巖變質(zhì)巖 :次之次之; 伽馬射線強(qiáng)度高的巖石伽馬射線強(qiáng)度高的巖石: 深海相泥質(zhì)沉積巖深海相泥質(zhì)沉積巖沉積巖沉積巖 :最弱最弱. 伽馬射線強(qiáng)度中等的巖石伽馬射線強(qiáng)度中等的巖石: 淺海相和陸相沉積的泥巖淺海相和陸相沉積的泥巖 伽馬射線強(qiáng)度弱的巖石伽馬射線強(qiáng)度弱的巖石: 砂巖砂巖 石灰?guī)r等石灰?guī)r等（2）鈾、釷、鉀含量 黏土巖中鉀含量最高，約2%；釷次之，約12ppm；鈾含量一般最少，約6ppm。 砂巖和碳酸鹽巖的鈾、釷、鉀含量一般隨著泥質(zhì)含量增加而增加。 含釷化合物難溶于水，是母巖風(fēng)化的產(chǎn)物，巖石含釷量少，表明其沉積環(huán)境離母巖區(qū)較遠(yuǎn)。 第二節(jié)第二節(jié)

12、 自然伽馬測(cè)井原理自然伽馬測(cè)井原理一、伽馬射線與物質(zhì)的作用一、伽馬射線與物質(zhì)的作用 放射性原子核衰變放出的伽馬射線是波長(zhǎng)很短的電磁波，放射性原子核衰變放出的伽馬射線是波長(zhǎng)很短的電磁波，波長(zhǎng)波長(zhǎng)1010-8-81010-11-11cmcm，能量在（，能量在（0.5 0.5 5.35.3）MeV.MeV. 由于伽馬射線能量不同由于伽馬射線能量不同, ,與物質(zhì)的作用不同與物質(zhì)的作用不同, ,一般有光電一般有光電效應(yīng)效應(yīng), ,康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng). .1 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 當(dāng)伽馬射線能量較小時(shí)當(dāng)伽馬射線能量較小時(shí)(能量大約在能量大約在0.01MeV 0.1MeV)，它與原子中的

13、電子碰，它與原子中的電子碰撞，將全部能量傳給一個(gè)電子，使電子脫離撞，將全部能量傳給一個(gè)電子，使電子脫離原子而運(yùn)動(dòng)，而伽馬光子本身被完全吸收。原子而運(yùn)動(dòng)，而伽馬光子本身被完全吸收。：光子波長(zhǎng)）光電吸收系數(shù)（cmAZn:0089. 01 . 4 2 2 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng) 當(dāng)伽馬射線能量中等時(shí)，它與原子的外層電子發(fā)生作用當(dāng)伽馬射線能量中等時(shí)，它與原子的外層電子發(fā)生作用, ,把一部分能量傳給電子把一部分能量傳給電子, ,使該電子從某一方向射出使該電子從某一方向射出, ,而損失了而損失了部分能量的伽馬射線向另一方向散射出去。這種效應(yīng)稱為康部分能量的伽馬射線向另一方向散射出去。這種效應(yīng)稱為康普頓效應(yīng)，

14、發(fā)生散射的伽馬射線稱為散射伽馬射線。普頓效應(yīng)，發(fā)生散射的伽馬射線稱為散射伽馬射線。：?jiǎn)挝惑w積電子數(shù)沉積巖：阿伏加德羅常數(shù)（截面（幾率）每個(gè)電子的康普頓散射ANZAZmolNANZAAeAe5 . 0)10022045. 6:123：介質(zhì)密度：伽馬光子能量：原子量：原子序數(shù)阿佛加德羅常數(shù)常數(shù)rArAEANKEANKZ:)022. 1(Z23 3 電子對(duì)效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng) 當(dāng)伽馬射線能量大于當(dāng)伽馬射線能量大于1.022MEV1.022MEV時(shí)，它與物質(zhì)的原子核時(shí)，它與物質(zhì)的原子核發(fā)生作用發(fā)生作用, ,伽馬射線轉(zhuǎn)化為一對(duì)電子伽馬射線轉(zhuǎn)化為一對(duì)電子( (正負(fù)電子正負(fù)電子) )，而伽馬光，而伽馬光子本身被全

15、部吸收。這種效應(yīng)稱為電子對(duì)效應(yīng)。子本身被全部吸收。這種效應(yīng)稱為電子對(duì)效應(yīng)。 伽馬射線通過(guò)單位厚度物質(zhì)時(shí)，發(fā)生電子對(duì)效應(yīng)引起伽馬射線通過(guò)單位厚度物質(zhì)時(shí)，發(fā)生電子對(duì)效應(yīng)引起伽馬射線強(qiáng)度減弱伽馬射線強(qiáng)度減弱, ,其減弱程度用電子對(duì)吸收系數(shù)表示其減弱程度用電子對(duì)吸收系數(shù)表示: : 4 4 伽馬射線的吸收伽馬射線的吸收 當(dāng)伽馬射線穿過(guò)物質(zhì)時(shí)它與物質(zhì)發(fā)生作用當(dāng)伽馬射線穿過(guò)物質(zhì)時(shí)它與物質(zhì)發(fā)生作用, , 伽馬射線伽馬射線強(qiáng)度減弱強(qiáng)度減弱, ,其總的吸收系數(shù)應(yīng)該是三種吸收系數(shù)的總和：其總的吸收系數(shù)應(yīng)該是三種吸收系數(shù)的總和：xeIIIxI00:則，厚度的介質(zhì)后強(qiáng)度為穿過(guò)，若入射伽馬射線強(qiáng)度為吸收系數(shù) 二二 伽馬射

16、線的探測(cè)伽馬射線的探測(cè) 伽馬射線與物質(zhì)相互作用的三種效應(yīng)將產(chǎn)生次級(jí)電子，這伽馬射線與物質(zhì)相互作用的三種效應(yīng)將產(chǎn)生次級(jí)電子，這些電子能引起物質(zhì)中的原子電離和激發(fā)。些電子能引起物質(zhì)中的原子電離和激發(fā)。電離：束縛電子獲得能量變成自由電子，形成正、負(fù)離子對(duì)；電離：束縛電子獲得能量變成自由電子，形成正、負(fù)離子對(duì)；激發(fā)：激發(fā)：束縛電子獲得能量不能成為自由電子，只能激發(fā)到更高束縛電子獲得能量不能成為自由電子，只能激發(fā)到更高 的能級(jí)；在退激過(guò)程中能放出光子，發(fā)生閃光（熒光）。的能級(jí)；在退激過(guò)程中能放出光子，發(fā)生閃光（熒光）。（1 1） 放電計(jì)數(shù)管（蓋革放電計(jì)數(shù)管（蓋革彌勒計(jì)數(shù)管）：收集電離電荷；彌勒計(jì)數(shù)管）：

17、收集電離電荷；（2 2） 閃爍計(jì)數(shù)管閃爍計(jì)數(shù)管 ：收集熒光。：收集熒光。 優(yōu)點(diǎn)：制造容易，靈敏度高，價(jià)格便宜， 附屬設(shè)備簡(jiǎn)單。對(duì)伽馬射線的探測(cè)效率比G-M計(jì)數(shù)管高。 三、自然伽馬測(cè)井曲線特征三、自然伽馬測(cè)井曲線特征1 自然伽馬測(cè)井儀的標(biāo)準(zhǔn)化自然伽馬測(cè)井儀的標(biāo)準(zhǔn)化 單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)作為計(jì)數(shù)率單位，即脈沖單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)作為計(jì)數(shù)率單位，即脈沖/min。 但即使在相同地層條件下，使用不同儀器可能得到不同的但即使在相同地層條件下，使用不同儀器可能得到不同的輸出信號(hào)，為了方便資料對(duì)比與定量解釋，必須使儀器標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)，為了方便資料對(duì)比與定量解釋，必須使儀器標(biāo)準(zhǔn)化?；?。 方方 法：不同的測(cè)量?jī)x器放在同

18、一個(gè)已知的放射性標(biāo)準(zhǔn)化法：不同的測(cè)量?jī)x器放在同一個(gè)已知的放射性標(biāo)準(zhǔn)化裝置上進(jìn)行檢查測(cè)量，并調(diào)節(jié)儀器的靈敏度使它們有相同的裝置上進(jìn)行檢查測(cè)量，并調(diào)節(jié)儀器的靈敏度使它們有相同的輸出，或者求得不同儀器之間的換算系數(shù)。輸出，或者求得不同儀器之間的換算系數(shù)。 一般自然伽馬的單位是一般自然伽馬的單位是API。美國(guó)石油學(xué)會(huì)（。美國(guó)石油學(xué)會(huì)（American Petroleum Institute）規(guī)定的放射性計(jì)數(shù)率單位，將刻度井）規(guī)定的放射性計(jì)數(shù)率單位，將刻度井中高放射性地層與低放射性地層讀數(shù)之差定為中高放射性地層與低放射性地層讀數(shù)之差定為200個(gè)個(gè)API單單位為標(biāo)準(zhǔn)去刻度其他儀器。位為標(biāo)準(zhǔn)去刻度其他儀器。

19、 全國(guó)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)刻度井中進(jìn)行的刻度，稱為一級(jí)刻度。全國(guó)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)刻度井中進(jìn)行的刻度，稱為一級(jí)刻度。2 曲線測(cè)量過(guò)程曲線測(cè)量過(guò)程 自然伽馬測(cè)井儀器包括兩部分，自然伽馬測(cè)井儀器包括兩部分， 地面儀器：地面儀器： 井下儀器井下儀器: : 探測(cè)器探測(cè)器 放大電路等放大電路等 地層中的地層中的伽馬射線伽馬射線通過(guò)泥漿到達(dá)通過(guò)泥漿到達(dá)探測(cè)器探測(cè)器, ,探探測(cè)器把它變成電脈沖進(jìn)行放大形成電信號(hào)測(cè)器把它變成電脈沖進(jìn)行放大形成電信號(hào), ,再通再通過(guò)電纜到達(dá)地面儀器過(guò)電纜到達(dá)地面儀器, ,變換成電脈沖數(shù)變換成電脈沖數(shù)/ /每分鐘每分鐘( (強(qiáng)度強(qiáng)度) )進(jìn)行記錄進(jìn)行記錄 井下儀器在井內(nèi)自下而上移動(dòng)測(cè)量井下儀器在井

20、內(nèi)自下而上移動(dòng)測(cè)量, ,就連續(xù)就連續(xù)記錄井剖面巖層的自然伽馬強(qiáng)度記錄井剖面巖層的自然伽馬強(qiáng)度, ,稱為自然伽馬稱為自然伽馬測(cè)井曲線測(cè)井曲線(GR).(GR). 一般認(rèn)為伽馬射線在沉積巖中的平均穿透深一般認(rèn)為伽馬射線在沉積巖中的平均穿透深度約度約30cm30cm，在考慮到井內(nèi)泥漿的吸收作用，對(duì)，在考慮到井內(nèi)泥漿的吸收作用，對(duì)實(shí)際地層的探測(cè)深度往往不超過(guò)實(shí)際地層的探測(cè)深度往往不超過(guò)20cm20cm，只在儲(chǔ)，只在儲(chǔ)集層沖洗帶范圍內(nèi)。集層沖洗帶范圍內(nèi)。 3 3 自然伽馬測(cè)井曲線特征及影響因素自然伽馬測(cè)井曲線特征及影響因素（1 1）伽馬射線強(qiáng)度對(duì)地層中心是對(duì)稱的，中心點(diǎn)出現(xiàn)極大值；）伽馬射線強(qiáng)度對(duì)地層中心是對(duì)稱的，中心點(diǎn)出現(xiàn)極大值；當(dāng)?shù)貙雍穸刃∮谌毒畯綍r(shí)，伽馬射線強(qiáng)度的最大值歲厚度變當(dāng)?shù)貙雍穸刃∮谌毒畯綍r(shí)，伽馬射線強(qiáng)度的最大值歲厚度變化而變化；當(dāng)厚度大于化而變化；當(dāng)厚度大于三倍井徑時(shí)，伽馬射線強(qiáng)度與厚度無(wú)關(guān)。三倍井徑時(shí)，伽馬射線強(qiáng)度與厚度無(wú)關(guān)。（2)2)自然伽馬曲線有統(tǒng)計(jì)性漲落變化自然伽馬曲線有統(tǒng)計(jì)性漲落變化 曲線不是一條光滑曲線，即使在巖性很均勻的地段，曲線曲線不是一條光滑曲線，即使在巖性很均勻的地段，曲線也有明顯的起伏變化。也有明顯的起伏變化。（3)3)積分電路的影響積分電路的影響( (測(cè)速測(cè)速* *積分