1、放射性测井原理,2004年10月10日,主要内容一、 概况二、 理论基础三、 自然伽马测井四、 自然伽马能谱测井五、 地质应用,1. 概况放射性测井是测量地层的自然放射性以及人工核辐射与地层及井内介质的相互作用，从而研究地层、井内介质的一些物理、化学特性及油田开发过程中的动态变化。在石油勘探和开发中，经常采用放射性测井方法来研究和划分地质剖面，测定地层的吸水面以及检查油井工程质量等。,放射性测井方法较多，每种方法都以研究岩石及其孔隙流体的某种核物理为基础，大致分三类：伽马测井 研究伽马辐射为基础，包括自然伽马、自然伽 马能谱、地层密度（伽马伽马）测井、岩性密 度测井等。 中子测井 研究中子与岩
2、石及其孔隙流体相互作用为基 础,包括超热中子、热中子、中子伽马、中子寿 命等。 核磁测井 利用核磁现象研究地层自用流体含量。,放射性测井具有独特的优点，能够在井下快速分析和确定岩石及其孔隙流体中各种化学元素含量的有效方法，不受井内介质的限制，是套管井中唯一能够进行地层评价的测井方法。,2.放射性测井的理论基础,自然界有些同位素是稳定的，即它们的结构和和能量不会发生改变。自然界中还有一些同位素则不稳定，它们能自发地改变结构，放射出射线，并变成其它元素的同位素。这种不稳定的同位素称为放射性同位素。,放射性同位素,放射性同位素通过放射出射线而从不稳定到稳定的过渡，称为放射性同位素的核衰变。 第一种:
3、衰变原子核ZXA放出粒子（即氦核2He4）,形成新元素Z2YA4 第二种:衰变原子核ZXA放出粒子（即电子）,形成新元素Z1YA,放射性同位素衰变的两种形式,放射性物质的三种射线,进一步研究表明，放射性物质能放射出三种本质不同的射线：,各种射线的电离和穿透特性,可见,来自井下地层中的放射性射线中,只有伽马射线才具有可探测性。,岩石和矿物均不同程度地具有一定的放射性。岩石的放射性几乎全部是由放射性元素铀、钍、锕以及放射性同位素19K40在其中存在并衰变的结果。铀、钍、锕这三个放射性系列，分别由半衰期较长的铀的一种同位素92U238、钍元素90Th232和铀的另一种同位素92U235开始衰变，产生
4、一系列新的放射性同位素，并继续衰变直至变成稳定元素。所有这些放射性元素在衰变过程中，原子核中多余的能量以高能电磁波的形式辐射出去，即放射出伽马射线（或称为“光子”）。,放射性的本质元素的衰变,放射性强度定义：单位时间内发生衰变的原子核的数目。放射性强度与其中所含某种放射性元素的含量有关。 单位：居里 （curie），即每秒钟内有3.7107次核衰变。国际单位：贝克 Bq.,半衰期,定义：放射性原子核的数目，由于衰变而减少到原来一半时所需要的时间称为半衰期。用T1/2表示。 测井中心现有各种源的强度和半衰期见附表,人工源：对应于天然放射性核素，通过人工提炼合成的放射性物质，典型的Cs137,其能
5、量为0.662MeV,半衰期30年，2Cu，241Am,伽马射线与物质之间的相互作用康普顿散射光电吸收产生电子对,康普顿散射能量较高的伽马射线与物质中原子的核外电子（K、L层）发生碰撞时，一部分能量转交给电子，使之脱离原子的电子壳层而飞出（这种电子叫做“康普顿电子”），同时伽马射线改变自己的运动方向，继续与其它电子碰撞。每碰撞一次，能量就损失一部分，并改变其运动方向，现场所谓的“康普顿散射”。伽马射线经过多次碰撞之后，能量不断降低，直到最后以光电效应结束。产生康普顿效应的伽马射线能量范围0.25-2.5MeV。,康普顿过程示意图,光电吸收当伽马射线能量较低（低于0.25MeV）时，它与组成物质
6、的元素原子中的电子(内层束缚电子）相碰撞之后，把自身的全部能量转交给电子，使电子获得能量并脱离其电子壳层而飞出，同时伽马射线被吸收而消失。这一过程称为“光电效应”。被释放出来的电子称为“光电子”。产生光电效应的几率随着入射伽马射线能量的增加而减小，随着元素原子序数的增大而增大。,产生电子对当能量高于1.02MeV的伽马射线与物质作用时，在原子核力场的作用下，可转变成正、负电子对，即一个正电子和一个负电子。伽马射线形成电子对后，本身被吸收。,一般来说，当光子能量2MeV时，电子对效应处于主导地位。,伽马射线的探测射线与物质相互作用的过程中，主要通过光电效应、康普顿散射效应和电子对效应而产生次级电
7、子，这些电子引起物质中原子电离和激发，大多数仪器利用这两种物理现象来探测射线。探测射线的探测器主要有：盖革管、闪烁计数器。,闪烁计数器工作原理伽马射线入射到闪烁体时，使闪烁体的原子受激，退激产生荧光，通过光导，收集到光电倍增管，之后产生为电压脉冲。晶体一般为NaI(碘化钠）或CsI（碘化铯）。晶体为透明的玻璃体，其重要特性为发出光脉冲幅度和伽马射线能量成正比。相对其他探测器，优点为探测效率高，死时间短。但易潮解，易碎。晶体与光电倍增管之间的光导为需要保养耦合的硅油，可使大部分荧光光子射到光电倍增管。光电倍增管主要是将光脉冲转变为电脉冲的元件，将光成比例地转变成较大的电压脉冲。,闪烁晶体分辨率,
8、仪器的分辨率主要决定于晶体的分辨率。伽马射线打到晶体上，产生荧光，然后转移到光电倍增管上，光电子按总增益系数倍增，形成电脉冲输出。输出脉冲的幅度并非一样，而是围绕一个平均幅度涨落，实测脉冲幅度分布如图。脉冲幅度越窄，能够分辨两种伽马光子的能量差别越小，故用分辨率去判定探测器的性能 分辨率=h1/2/hmax*100%,式中hmax是分布曲线中最大计数处的振幅值，h1/2为最大计数率的一半在曲线上相截的振幅宽度。,自然放射性的能量不同的元素放出的伽马射线的能量是不同的。如钾同位素19K40发射1.46MeV单一能量的伽马射线。其它放射性系列发出多种能量的伽马射线。沉积岩的自然放射性既取决于其中所
9、含这些放射性元素的数量,也取决于其类型。,自然放射性与测井自然伽马测井:以地层自然放射性为基础，测井时用伽马探测器沿井眼进行测量，只记录伽马射线的强度，研究岩石放射性元素的相对含量,即探测自然伽马射线总强度。 自然伽马能谱测井：既测量自然伽马射线强度，也分析在一定能量范围内自然伽马射线的强度即伽马射线能谱，以区分岩石中放射性元素的类型及其实际含量。,沉积岩中放射性物质的来源通常认为，放射性元素最初存在于火成岩中。当火成岩风化以及地表水的作用，一部分易溶的放射性物质便以溶液的形式搬运，而不易溶解的则在水中与胶体和岩石及矿物的碎屑一起搬运，最后随同沉积岩一起沉积下来。,自然放射性与沉积岩中泥质的关
10、系除了钾盐外，沉积岩的自然放射性与岩石中的泥质含量有密切的关系。岩石含泥质越多，自然放射性就越强。这是因为：1.构成泥质的粘土颗粒较细，有较大的比面积，在沉积过程中能够吸附较多的溶液中放射性元素的离子。2.泥质颗粒沉积时间较长，有充分的时间同放射性元素接触和进行离子交换。这是利用自然伽马测井曲线区分岩石性质、进行地层对比，以及定量估计岩石中泥质含量的依据。,主要沉积岩的自然放射性,伽马测井的应用 自然伽马测井资料可用于划分地质剖面，确定地层的泥质含量，进行地质对比，跟踪射孔，寻找放射性矿物。,中子测井中子测井属于放射性测井。它是利用岩石的另一种特性，即岩石中的含氢量来研究岩石性质和孔隙度的。补
11、偿中子测井（CN）也是一种不居中的测井仪器。它利用自身的化学中子源和长、短源距两个探测器， 测量尚未被地层俘获的热中子密度随源距的衰减率，并把衰减率转换成刻度过的孔隙度值,补偿中子测井基本原理这种测井方法将装有中子源和探测器的井下仪器下入井中,中子源发射出的中子在穿过井孔进入岩层的路径中,同物质的原子核发生碰撞并经过减速、扩散和被俘获这么几个过程。在这些过程中，探测器周围的中子分布状况，以及中子被俘获后所放出的伽马射线强度，与仪器周围的岩石性质，特别是岩石的含氢量有关。而储集层的含氢量又取决于它的孔隙度。中子测井是目前使用最广泛的一种孔隙度测井。,中 子中子是一种不带电的中性粒子，其质量与氢核
12、质量相近。中子与物质作用时，能穿过原子的电子壳层而与原子核相碰撞，所以它具有较强的穿透能力。按能量大小，中子可分为： 快中子 (或称“高能中子”)：100000eV； 中能中子：100eV100000eV； 慢中子：100eV。其中，0.1eV100eV的中子-超热中子,0.025eV的中子-热中子.,中子源中子测井所用的中子是中子源产生的。常用的中子源由钋铍中子源、镅铍中子源和镭铍中子源。它们都是利用放射性元素钋、镅或镭在衰变时放出的射线与铍发生核反应而放出中子的。例如，放射性元素镅衰变时放出射线95Am241 2He4 + 93Np237, 然后，射线轰击铍原子核，发生核反应4Be9 +
13、2He4 6AC12 +0n1 + 。,中子与物质的作用中子源发射出的快中子，它们与组成物质的原子核发生作用。可以分为以下两个作用阶段：(1)快中子的减速过程;(2)热中子的扩散及被俘获。,补偿中子测井与岩石含氢量,补偿中子测井响应主要反映岩石中的氢元素含量。这是因为： 沉积岩中不同元素对中子产生弹性散射的几率（即散射截面）不同，氢元素的弹性散射截面最大。 氢元素（其原子核仅1个质子）质量与中子最接近，和中子碰撞后中子能量损失最大，使中子减速成热中子的过程也最快。,热中子的扩散,快中子减速为热中子后，同气体分子的扩散类似。它们从密度大的地方向密度低的地方散。,热中子被俘获,热中子被俘获,热中子扩散时，由于速度较慢，在原子周围停留时间就较长，因而很容易被原子核俘获。热中子被原子核俘获的几率取决于元素的俘获能力，一般用“俘获截面”来描述。,岩石中主要元素的俘获截面,补偿中子测井测量的信息,元素的原子核俘获热中子后，处于激发状态。当它回到稳定的基态时，多余的能量就以伽马射线（即“俘获伽马射线”或“次生伽马射线”）的形式释放出来。补偿中子测井就是测量俘获伽马射线。,
