测井原理自然伽马测井.ppt

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1、测井原理自然伽马测井现在学习的是第1页，共39页核测井的分类核测井的分类：大体分四类 a)：测井。含自然和 测井（散射测井）。前者又分自然和自然能谱测井；后者又分 地层密度和岩性密度测井。b):中子测井。主要含中子寿命测井、一般中子测井和中子诱生测井。中子寿命测井也称热中子衰减时间测井；一般中子测井含热中子测井和超热中子测井；它们又含有单探测器中子和补偿中子测井；中子诱生能谱测井通常包括快中子非弹性散射能谱测井（即C/O比测井）、中子俘获能谱测井和中子活化能谱测井等。现在学习的是第2页，共39页 c):放射性核素示踪测井。这种方法是利用放射核素作为示踪剂，将掺入流体中，并注入到井内，通过流体在

2、井中的流动而使核素分布到各种孔隙空间。利用核测井对示踪剂进行追踪测量，确定流体的运动状态及其分布规律。d):核成像测井。如核磁共振成像测井等。20世纪30年代末，在美国以及前苏联出现自然伽马测井；我国1956年最先在玉门油田使用。现在学习的是第3页，共39页 岩石中含有天然的放射性核素岩石中含有天然的放射性核素,主要是铀系、钍系和钾主要是铀系、钍系和钾的放射形同位素，它们自然衰变时发射伽马射线，使岩石有的放射形同位素，它们自然衰变时发射伽马射线，使岩石有天然放射性。天然放射性。自然伽马侧井（自然伽马侧井（natural gamma-ray log）是用是用伽马射线探测器测量岩石总的自然伽马射线

3、强度，以研究井剖伽马射线探测器测量岩石总的自然伽马射线强度，以研究井剖面地层性质的测井方法。面地层性质的测井方法。主要内容主要内容 1 1 伽马测井核物理基础伽马测井核物理基础 2 2 自然伽马测井原理自然伽马测井原理 3 3 自然伽马测井曲线应用自然伽马测井曲线应用第十章第十章 自然伽马测井自然伽马测井现在学习的是第4页，共39页 第一节第一节 伽马测井核物理基础伽马测井核物理基础 伽马测井主要利用伽马射线与介质的作用研究地层的放射性特性的测伽马测井主要利用伽马射线与介质的作用研究地层的放射性特性的测井方法井方法,主要有伽马测井主要有伽马测井,密度测井等密度测井等.一一 核衰变及其放射性核衰

4、变及其放射性1 几个基本概念几个基本概念 原子与原子结构原子与原子结构:原子原子是处于中心的带正电的原子核和核外绕核运动的一 个或若干个电子组成。原子核原子核由质子和中子组成。原子质量单位原子质量单位：原子质量的国际单位是以碳的同位素C的原子质量为标准确定。一个原子质量单位u定义为C原子静止质量的1/12，1u=mc1/12=1.99267810261/12 =1.6605661027 Kg。现在学习的是第5页，共39页例如：通常写成 12C的质量为：11.996709u，则质量数为：12 的质量为4.001506u，则质量数 A=4；现在学习的是第6页，共39页2 原子的结构原子的结构 中子

5、中子 原子核原子核 原子原子 质子质子 正电荷正电荷 核外电子核外电子 负电荷负电荷原子的标记形式：X是该原子的化学元素符号；A为质量数-即以u为单位原子核质量四舍五入的整数.Z-质子数（即原子序数）；N为中子数 即；N=A-Z，在实际工作中往 往只写出元素符号和质量数，即写成：现在学习的是第7页，共39页 核 素凡具有相同质子数Z和中子数N 的一类原子核素 同位素凡质子数相同，中子数不同的几 种核素；如：三种核素都是氢的同位素 同中子素中子数相同，质子数不同的几 中核素；如：现在学习的是第8页，共39页 3 放射性核素放射性核素 稳定稳定核素核素(结构和能量不变化结构和能量不变化)核素核素

6、不稳定核素不稳定核素(结构和能量发生变化并放射出射线结构和能量发生变化并放射出射线)不稳定核素也叫不稳定核素也叫放射性核素放射性核素4 核衰变核衰变 放射性核素的原子核自发释放出一种带电离子放射性核素的原子核自发释放出一种带电离子,蜕变成为另蜕变成为另外原子核同时放射出伽马射线的过程称为外原子核同时放射出伽马射线的过程称为核衰变核衰变现在学习的是第9页，共39页基态基态原子核可处于不同的能量状态，能量最低状态。激发态激发态原子核处于比基态高的能量状态，即原子核被激发了。放射性放射性放射性核素都能自发的放出各种射线。有的发射射线，有的发射射线，有 的在发射射线或射线的同时还在发 射射线，有的三种

7、射线都有。原子核 自发的放射出各种射线而自身发生变化 的现象称为放射性。放射性核素有天然（自然）的：等，和人工（生产）放射性核素：现在学习的是第10页，共39页4 4 射线的性质射线的性质 （1）射线由氦原子核 组成的粒子流。氦核又称粒子，因而可以说是粒子流。粒子 质量数为4，带两个正电荷。对物质的电离作用很强，而贯穿物质的本领很小。在空气中的射程2.6cm11.5cm，在岩石中的射程只有10cm，即10m。现在学习的是第11页，共39页 （2）射线高速运动的电子流。V=2C/3（C为光速)，对物质的电离作用较强，而贯穿物质的本领较小。在金属中的射程约0.09 cm.（3）射线由光子组成的粒子

8、流。光子是不带电的中性粒子，以光速运动。射线又是一中波长很短的电磁波，具有 两重性，即波动性和粒子性。对物质的电离作用很小，而贯穿本领很大。能穿过地层和 钢铁。现在学习的是第12页，共39页 光子具有波动性，即光子在传输过程中表现出有一定的频率和波长，与和光 速C之间的关系：光子具有粒子性是说光子是一个一个微粒，每个光子具有一定相对性，质量 有运动速度C，因而具有一定能量现在学习的是第13页，共39页 核衰变可用核衰变方程式或衰变图表示.例如地层中的钾有两种衰变方程式:现在学习的是第14页，共39页核衰变使原子核数按指数规律衰减,关系见下 衰变常数表示单位时间内每个原子核发生衰变的几率。现在学

9、习的是第15页，共39页半衰期：原有的放射性核数衰变掉一半所半衰期：原有的放射性核数衰变掉一半所 需的时间。需的时间。平均寿命：每个原子核在发生衰变前存在平均寿命：每个原子核在发生衰变前存在 的时间的平均值。的时间的平均值。现在学习的是第16页，共39页5 岩石的自然伽马放射性与岩石性质的关系岩石的自然伽马放射性与岩石性质的关系（1）岩石总的自然伽马放射性 与岩石大类有关，一般沉积岩的自然伽马放射性低于岩浆岩和变质岩。因为沉积岩一般不含放射性矿物，其自然放射性主要是岩石吸附放射性物质引起的，而岩石的吸附能力有限。而岩浆岩及变质岩含有较多放射性矿物，如长石和云母含有地层大部分钾，其中 有放射性。

10、现在学习的是第17页，共39页 沉积岩的自然放射性随岩石泥质含量增加而增加，但含放射性矿物的岩石（如海绿石砂岩、独居石砂岩、钾盐等）例外。沉积岩中黏土岩放射性最高，而石膏、硬石膏、岩盐等化学岩最低。黏土矿物中，蒙脱石表面积最大，对放射性物质吸附能力强，含有较多氧化铀，对黏土岩放射性贡献最大；伊利石内含有钾，对氧化铀也有一定吸附能力，具有一定放射性；而高岭石和绿泥石本身不含有放射性，对放射性物质吸附能力也差，放射性低。生油黏土岩的黏土矿物常以蒙脱石和伊利石为主，而且富含铀和钍的放射性物质，因而比普通泥岩有更高的放射性。现在学习的是第18页，共39页 一般一般:火成岩火成岩:放射性最强放射性最强;

11、变质岩变质岩:次之次之;伽马射线强度高的岩石伽马射线强度高的岩石:深海相泥质沉积岩深海相泥质沉积岩沉积岩沉积岩:最弱最弱.伽马射线强度中等的岩石伽马射线强度中等的岩石:浅海相和陆相沉积的泥岩浅海相和陆相沉积的泥岩 伽马射线强度弱的岩石伽马射线强度弱的岩石:砂岩砂岩 石灰岩等石灰岩等现在学习的是第19页，共39页（2）铀、钍、钾含量 黏土岩中钾含量最高，约2%；钍次之，约12ppm；铀含量一般最少，约6ppm。砂岩和碳酸盐岩的铀、钍、钾含量一般随着泥质含量增加而增加。含钍化合物难溶于水，是母岩风化的产物，岩石含钍量少，表明其沉积环境离母岩区较远。现在学习的是第20页，共39页 第二节第二节 自然

12、伽马测井原理自然伽马测井原理一、伽马射线与物质的作用一、伽马射线与物质的作用 放射性原子核衰变放出的伽马射线是波长很短的电磁波，波长放射性原子核衰变放出的伽马射线是波长很短的电磁波，波长1010-8-81010-11-11cmcm，能量在（，能量在（0.5 0.5 5.35.3）MeV.MeV.由于伽马射线能量不同由于伽马射线能量不同,与物质的作用不同与物质的作用不同,一般有光电效应一般有光电效应,康普康普顿效应和电子对效应顿效应和电子对效应.现在学习的是第21页，共39页1 光电效应光电效应 当伽马射线能量较小时当伽马射线能量较小时(能量大约在能量大约在0.01MeV 0.1MeV)，它与原

13、子中的电子碰，它与原子中的电子碰撞，将全部能量传给一个电子，使电子脱离撞，将全部能量传给一个电子，使电子脱离原子而运动，而伽马光子本身被完全吸收。原子而运动，而伽马光子本身被完全吸收。现在学习的是第22页，共39页 2 2 康普顿效应康普顿效应 当伽马射线能量中等时，它与原子的外层电子发生作用当伽马射线能量中等时，它与原子的外层电子发生作用,把一部把一部分能量传给电子分能量传给电子,使该电子从某一方向射出使该电子从某一方向射出,而损失了部分能量的伽而损失了部分能量的伽马射线向另一方向散射出去。这种效应称为康普顿效应，发生散射马射线向另一方向散射出去。这种效应称为康普顿效应，发生散射的伽马射线称

14、为散射伽马射线。的伽马射线称为散射伽马射线。现在学习的是第23页，共39页3 3 电子对效应电子对效应 当伽马射线能量大于当伽马射线能量大于1.022MEV1.022MEV时，它与物质的原子核发生作用时，它与物质的原子核发生作用,伽马射线转化为一对电子伽马射线转化为一对电子(正负电子正负电子)，而伽马光子本身被全部吸收。，而伽马光子本身被全部吸收。这种效应称为电子对效应。这种效应称为电子对效应。伽马射线通过单位厚度物质时，发生电子对效应引起伽马射线强伽马射线通过单位厚度物质时，发生电子对效应引起伽马射线强度减弱度减弱,其减弱程度用电子对吸收系数表示其减弱程度用电子对吸收系数表示:现在学习的是第

15、24页，共39页 4 4 伽马射线的吸收伽马射线的吸收 当伽马射线穿过物质时它与物质发生作用当伽马射线穿过物质时它与物质发生作用,伽马射线强度伽马射线强度减弱减弱,其总的吸收系数应该是三种吸收系数的总和：其总的吸收系数应该是三种吸收系数的总和：现在学习的是第25页，共39页 二二 伽马射线的探测伽马射线的探测 伽马射线与物质相互作用的三种效应将产生次级电子，这些电子伽马射线与物质相互作用的三种效应将产生次级电子，这些电子能引起物质中的原子电离和激发。能引起物质中的原子电离和激发。电离：束缚电子获得能量变成自由电子，形成正、负离子对；电离：束缚电子获得能量变成自由电子，形成正、负离子对；激发：激

16、发：束缚电子获得能量不能成为自由电子，只能激发到更高束缚电子获得能量不能成为自由电子，只能激发到更高 的能级；在退激过程中能放出光子，发生闪光（荧光）。的能级；在退激过程中能放出光子，发生闪光（荧光）。（1 1）放电计数管（盖革放电计数管（盖革弥勒计数管）：收集电离电荷；弥勒计数管）：收集电离电荷；（2 2）闪烁计数管闪烁计数管：收集荧光。：收集荧光。现在学习的是第26页，共39页优点：制造容易，灵敏度高，价格便宜，附属设备简单。现在学习的是第27页，共39页对伽马射线的探测效率比G-M计数管高。现在学习的是第28页，共39页 三、自然伽马测井曲线特征三、自然伽马测井曲线特征1 自然伽马测井仪

17、的标准化自然伽马测井仪的标准化 单位时间内的脉冲数作为计数率单位，即脉冲单位时间内的脉冲数作为计数率单位，即脉冲/min。但即使在相同地层条件下，使用不同仪器可能得到不同的输但即使在相同地层条件下，使用不同仪器可能得到不同的输出信号，为了方便资料对比与定量解释，必须使仪器标准化。出信号，为了方便资料对比与定量解释，必须使仪器标准化。方方 法：不同的测量仪器放在同一个已知的放射性标准化装置上进法：不同的测量仪器放在同一个已知的放射性标准化装置上进行检查测量，并调节仪器的灵敏度使它们有相同的输出，或者求得行检查测量，并调节仪器的灵敏度使它们有相同的输出，或者求得不同仪器之间的换算系数。不同仪器之间

18、的换算系数。一般自然伽马的单位是一般自然伽马的单位是API。美国石油学会（。美国石油学会（American Petroleum Institute）规定的放射性计数率单位，将刻度井中高放射性地层）规定的放射性计数率单位，将刻度井中高放射性地层与低放射性地层读数之差定为与低放射性地层读数之差定为200个个API单位为标准去刻度其他仪单位为标准去刻度其他仪器。器。全国统一的标准刻度井中进行的刻度，称为一级刻度。全国统一的标准刻度井中进行的刻度，称为一级刻度。现在学习的是第29页，共39页2 曲线测量过程曲线测量过程 自然伽马测井仪器包括两部分，自然伽马测井仪器包括两部分，地面仪器：地面仪器：井下仪

19、器井下仪器:探测器探测器 放大电路等放大电路等 地层中的地层中的伽马射线伽马射线通过泥浆到达通过泥浆到达探测器探测器,探测器把它探测器把它变成电脉冲进行放大形成电信号变成电脉冲进行放大形成电信号,再通过电缆到达地面再通过电缆到达地面仪器仪器,变换成电脉冲数变换成电脉冲数/每分钟每分钟(强度强度)进行记录进行记录 井下仪器在井内自下而上移动测量井下仪器在井内自下而上移动测量,就连续记录就连续记录井剖面岩层的自然伽马强度井剖面岩层的自然伽马强度,称为自然伽马测井曲线称为自然伽马测井曲线(GR).(GR).一般认为伽马射线在沉积岩中的平均穿透深度约一般认为伽马射线在沉积岩中的平均穿透深度约30cm3

20、0cm，在考虑到井内泥浆的吸收作用，对实际地，在考虑到井内泥浆的吸收作用，对实际地层的探测深度往往不超过层的探测深度往往不超过20cm20cm，只在储集层冲洗，只在储集层冲洗带范围内。带范围内。现在学习的是第30页，共39页现在学习的是第31页，共39页现在学习的是第32页，共39页 3 3 自然伽马测井曲线特征及影响因素自然伽马测井曲线特征及影响因素（1 1）伽马射线强度对地层中心是对称的，中心点出现极大值；当地）伽马射线强度对地层中心是对称的，中心点出现极大值；当地层厚度小于三倍井径时，伽马射线强度的最大值岁厚度变化而变化；层厚度小于三倍井径时，伽马射线强度的最大值岁厚度变化而变化；当厚度

21、大于当厚度大于三倍井径时，伽马射线强度与厚度无关。三倍井径时，伽马射线强度与厚度无关。（2)2)自然伽马曲线有统计性涨落变化自然伽马曲线有统计性涨落变化 曲线不是一条光滑曲线，即使在岩性很均匀的地段，曲线也有明显的曲线不是一条光滑曲线，即使在岩性很均匀的地段，曲线也有明显的起伏变化。起伏变化。（3)3)积分电路的影响积分电路的影响(测速测速*积分电路时间常数积分电路时间常数)由于记录仪器中的积分电路具有惰性由于记录仪器中的积分电路具有惰性(充充/放电需要时间放电需要时间),),输出电压相输出电压相对于输入要滞后一段时间而仪器又在移动对于输入要滞后一段时间而仪器又在移动,可能使测井曲线发生畸变可

22、能使测井曲线发生畸变,主要为主要为:极大值减小极大值减小,且不在地层中心而向上移动且不在地层中心而向上移动,视厚度增大视厚度增大,半幅点上移半幅点上移.一般一般:地层厚度越小地层厚度越小,积分电路的影响越大积分电路的影响越大,曲线畸变越严重曲线畸变越严重.实际测井实际测井中要适当控制测井速度中要适当控制测井速度.现在学习的是第33页，共39页现在学习的是第34页，共39页 现在学习的是第35页，共39页现在学习的是第36页，共39页现在学习的是第37页，共39页第三节第三节 自然伽马测井曲线的应用自然伽马测井曲线的应用一一 划分岩性划分岩性现在学习的是第38页，共39页现在学习的是第39页，共39页