1、2019/5/22,长江大学工程技术学院,1,放射性测井 radioactivity log,授课人：王功军,2019/5/22,长江大学工程技术学院,2,放射性测井radioactivity log,总学时： 32 理论教学：28 实验教学： 4 教材：放射性测井原理 黄隆基 参考书：矿场地球物理测井技术测井资 料综合解释 陈一鸣,2019/5/22,长江大学工程技术学院,3,6、中子与物质的作用,第二章 放射性测井基础知识,2019/5/22,长江大学工程技术学院,4,第二章 放射性测井基础知识,2019/5/22,长江大学工程技术学院,5,第二节、放射性强度的探测器,、放射性强弱的表示（
2、放射性单位）,第二章 放射性测井基础知识,(1)放射性强弱通常以放射性源每单位时间内发生衰变的原子核数来表示。作为强度的单位，1居里定义为每秒有3.7x1010次核衰变。居里的单位太大，常用居里的千分之一 毫居里作为单位。1居里3.7 x1010贝可勒尔另外，放射性测井中，也常用计数率 脉冲/分钟作为放射性强度的单位。 (2)放射性浓度单位。表示的是单位质量或单位体积的物质的放射性强度。最常用的单位是：克镭当量/克：每克物质中含有相当于一克镭的放射性就称为一克镭当量/克，所以“克镭当量/克”单位就等于每克物质的放射性强度为一居里。,2019/5/22,长江大学工程技术学院,6,2、放射性强度的
3、探测器,第二章 放射性测井基础知识,R.C积分电路,图2-1 放射性强度探测器,2019/5/22,长江大学工程技术学院,7,第二章 放射性测井基础知识,2019/5/22,长江大学工程技术学院,8,第一章 放射性测井概述 第二章 放射性测井基础知识 第三章 自然伽马及自然伽马能谱测井 第四章 密度测井 第五章 中子测井 第六章 中子寿命测井 第七章 碳氧比能谱测井 第八章 核磁共振测井,放射性测井,2019/5/22,长江大学工程技术学院,9,第三章 自然伽马及自然伽马能谱测井,第一节 自然伽马测井 第二节 自然伽马能谱测井,2019/5/22,长江大学工程技术学院,10,第一节 自然伽马测
4、井 （Natural Gamma Ray Log，simple: GR ）,自然伽马测井是在井内测量岩石中自然存在的放射性核素在核衰变过程中放射出来的伽马射线强度来研究地质问题的一种测井方法.,第三章 自然伽马及自然伽马能谱测井,自然伽马测井资料的应用1、划分岩性。2、地层对比。只与岩性有关，容易找到标志层。3、计算泥质含量。4、确定射孔层位,2019/5/22,长江大学工程技术学院,11,第一节 自然伽马测井 （Natural Gamma Ray Log，simple: GR ）,一、自然伽马测井原理 二、自然伽马测井曲线 三、岩石的放射性 四 、自然伽马测井曲线及影响因素 五、自然伽马测井
5、曲线的应用,2019/5/22,长江大学工程技术学院,12,一、自然伽马测井原理,1 自然伽马测井仪器地面仪器井下仪器:探测器 放大电路等,第三章 自然伽马及自然伽马能谱测井,地面仪器,井下仪器,2 测量过程地层中的伽马射线通过泥浆到达探测器,探测器把它变成电脉冲进行放大形成电信号,再通过电缆到达地面仪器,变换成电脉冲数/每分钟(强度)进行记录井下仪器在井内自下而上移动测量,就连续记录井剖面岩层的自然伽马强度,称为自然伽马测井曲线(GR).自然伽马测井曲线(GR)单位:计数率(1/MIN)或API,图3-1 测量过程,2019/5/22,长江大学工程技术学院,13,二、自然伽马测井曲线,第三章
6、 自然伽马及自然伽马能谱测井,图3-2 GR测井曲线,2019/5/22,长江大学工程技术学院,14,岩石的放射性，主要是由于含有铀(U)、钍(Th)、钾(K)等放射性元素，所以岩石的放射性强度决定放射性元素的含量。一般条件下，岩石的放射性物质含量很少，按放射性的强弱沉积岩可分为以下几类： 自然伽马放射性高：放射性软泥、红色粘土、海绿石砂岩、独居石等岩石。 自然伽马放射性中：浅海相和陆上沉积的泥质岩石，如泥质砂岩，泥质石灰岩，泥灰岩等。 自然伽马放射性低：砂岩、石灰岩、石膏、岩盐、煤和沥青等,第三章 自然伽马及自然伽马能谱测井,三、岩石的放射性,2019/5/22,长江大学工程技术学院,15,
7、1 自然伽马测井曲线探测范围自然 伽马测井曲线记录的主要是仪器附近以探测器为球心半径为30-45厘米范围内岩石放射出的自然伽马射线,四 、自然伽马测井曲线及影响因素,第三章 自然伽马及自然伽马能谱测井,2 曲线特点： 1) 当上下岩石相同时曲线对称; 2) 在高放射性地层,曲线的极大值出现在地层中心,且随地层厚度增加而增加,当厚度大于3倍井眼直径时极大值为一常数; 3) 当厚度大于3倍井眼直径时曲线半幅点对应于地层上下界面.,图3-3 GR测井曲线随地层厚度变化,2019/5/22,长江大学工程技术学院,16,1)积分电路的影响(测速*积分电路时间常数)由于记录仪器中的积分电路具有惰性(充/放
8、电需要时间),输出电压相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,主要为:极大值减小,且不在地层中心而向上移动,视厚度增大,半幅点上移. 一般:地层厚度越小,积分电路的影响越大,曲线畸变越严重.实际测井中要适当控制测井速度.,3 自然伽马测井曲线影响因素,第三章 自然伽马及自然伽马能谱测井,图3-4 GR测井曲线受积分电路影响,2019/5/22,长江大学工程技术学院,17,2) 放射性涨落的影响由于地层中的放射性核素的衰变是随机的且彼此独立,同时伽马射线被探测到也是偶然独立的,使得每次测量结果不完全相同，但结果满足统计规律,这种现象叫放射性涨落或统计起伏现象.,第三章 自
9、然伽马及自然伽马能谱测井,图3-5 GR测井曲线受放射性涨落的影响,2019/5/22,长江大学工程技术学院,18,3) 地层厚度的影响厚度增加极大值变大,第三章 自然伽马及自然伽马能谱测井,厚度变化,图3-6 GR测井曲线受地层厚度的影响,2019/5/22,长江大学工程技术学院,19,井眼直径变大相当于伽马射线通过的路程变大,被吸收的几率变大,被探测几率变小,曲线值变小;同时泥浆的种类(含放射性物质或非放射性物质)也对曲线值有影响,4)井眼的影响,第三章 自然伽马及自然伽马能谱测井,可见，实际仪器的测量值以L为主，在L的基础上加上补偿量 ,以|L-s来指示泥饼的影响, k是一个与mc、hm
10、c无关的仪器常数，,第四章 密度测井,特别地当hmc较小时有：,五 密度测井曲线及其应用,1、曲线特征 密度测井一般记录两条曲线，一条是b， 一条是。 记录的作用一般测井质量监督曲线。（太大， 泥饼太厚或极板与井壁接触不良） 普通泥饼时为正值 重晶石泥饼为负值 密度曲线b特征与GR类似,第四章 密度测井,图4-2 FDC测井曲线,2、 应用 （1） 划分岩性 （2） 判断气层天然气的密度 （3） 确定孔隙度（主要应用）体积模型确定孔隙度在定量计算前，先检查密度测井数据质量，井眼影响的校正，提出一个计算模型。,第四章 密度测井,单矿物模型：,第四章 密度测井,多矿物模型：,对于单矿物模型：已知b
11、，ma,f就可以求出孔隙度。求出的孔隙度称为密度孔隙度，记为,密度孔隙度的影响因素及校正方法,井眼的影响 :密度测井一般采用推靠井壁测量，在井眼扩大的地方，仪器推靠不好，对测井值有影响（偏小）。一般当井经小于10英寸时，井径的影响可以忽略不记。 岩性对孔隙度计算的影响因地层密度测井仪器是用纯灰岩刻度的，对非灰岩地层，求出的孔隙度是有误差的。 （1）若地层的岩性为纯灰岩，则 （2）若地层为砂岩，计算 的密度孔隙度就偏大，,第四章 密度测井,（3）若地层为百云岩：计算的密度孔 隙度就偏小，,第四章 密度测井,地层流体的影响,因仪器刻度时，用的是谈水 , 当地层孔隙内的流体密度不等于谈水的密度时，求
12、出的密度孔隙度就有误差。,对于单矿物模型：,则若用f=1计算的孔隙度就偏小；,第四章 密度测井,f要用gas代替，否则有较大的误差。,泥质的影响,地层中含有泥质时也会影响孔隙度的计算，对于含泥质的岩石，为了消除泥质的影响。,当地层有多种矿物和多种流体组成的时候，则,第四章 密度测井, 统计方法确定密度与孔隙度关系,第四章 密度测井,用补偿密度与岩心分析孔隙度建立关系，图版共用岩样430块，划分为47个层段。岩心孔隙度与补偿密度的关系式为： =196.7265- 73.5738DEN 相关系数R=0.9257，平均相对误差8.20%，平均绝对误差1.20个孔隙度。,图4-3 密度与孔隙度图版,密
13、度测井曲线,第四章 密度测井,图4-4 密度测井实测曲线,第五章 中子测井,第一节 概述第二节 中子测井基本原理第三节 超热中子测井第四节 补偿中子测井第五节 中子伽马测井,第一节 概述,第五章 中子测井,中子测井利用中子与地层物质相互作用的各种效应，测量地层特性的测井方法的总称。根据中子测井仪器记录的对象不同可以分为：,按仪器结构特征的不同，可以分为普通中子测井，贴井壁中子测井，补偿中子测井等。,从中子源发出的高能中子与地层物质的原子核发生各种作用，其结果是高能中子逐步减弱为超热中子和热中子，或被原子核吸收，发生核反应。中子与物质相互作用的类型有：非弹性散射；弹性散射；核俘获引起的核反应等。
14、快中子 En0.5mev中能中子 En=(0.10.5)mev 慢中子 En=(00.1)mev超热中子为0.210ev 热中子为0.025ev即热中子与吸收物质处于平衡状态,第五章 中子测井,探测仪器记录的低能中子的数量或原子核俘获中子发出的伽马射线的强度与地层对中子的减速能力和吸收特性有关。中子测井正是利用了这些特性对地层进行探测的。,第五章 中子测井,1）中子测井测量地层孔隙度的原理氢核与中子的质量几乎相等，是最强的减速物质。因此，中子测井的结果将反映地层的含氢量。在油层或水层中，储集空间中被含氢核的油或水充填，这样储集体中含氢量的多少反映岩石孔隙度的大小。因此，中子测井是一种孔隙度测井
15、方法。,2）油层和气层对中子的减速能力的差异非常明显，因此中子测井也是一种指示气层的测井方法。 3）氯是地层中重要的中子吸收物质，氯是大多数地层水的主要离子成分，可见中子测井对于划分油水层也有重要作用。 4）中子与地层中的原子核发生非弹性散射，使原子核处于激发态，在退激时发出伽马射线。这些伽马射线的能量，反映靶原子核的能级结构。因不同的原子核其能级结构是不同的，因此发出的伽马射线的能量也是不同的。我们把这种不同原子核发生的伽马射线称为特征伽马射线。测量地层发射的伽马射线的能谱，就可以分析地层中元素的成分。,第五章 中子测井,例如：碳核的特征伽马射线为：,氧核的特征伽马射线为：,第五章 中子测井
16、,对于给定的中子源，中子与地层中的碳核和氧核发生非弹性散射次数的多少，取决于地层中相应核素的多少，取决于地层中相应的核素的丰度。即特征伽马射线的强度取决于地层中碳核、氧核的数目。显然，油层与水层中单位体积中的碳核和氧核的数目是不同的。,第二节 中子测井基本原理,第五章 中子测井,普通中子测井是利用地层中氢核对快中子的减速能力测量地层的含氢指数，进而确定地层孔隙度的测井方法。 一、地层的含氢指数自然界中，对中子减速能力最强的核素是氢核，岩石中的氢核的多少就决定了地层对中子的主要减速能力。为了度量地层对中子的减速能力，引入几个概念。,1含氢量，含氢指数 含氢量：单位体积中氢核的数目。 含氢指数：单
17、位体积岩石中的氢核数目与同体积的水的氢核数目之比。,第五章 中子测井,含氢指数=,式中x是单个分子中含的氢核数目；M是分子量；NA是阿伏加德罗常数。,二、中子测井基本原理,1原理 中子测井利用地层中氢核对快中子的减速能力特性，测量地层的含氢指数，进而确定地层的孔隙度。,2仪器的基本结构 S中子源 R探测器,第五章 中子测井,图5-2 SNP井下仪器示意图,中子源 通常采用点状连续中子源，如Am(镅）Be（铍）中子源，平均中子能量 中子源照射地层后，在地层中形成稳定的空间分布。中子测井测量地层减速后的超热中子，或热中子，或中子伽马射线。,第五章 中子测井,源距的选择 一般取3545cm例如： s
18、chlumberger的SNP取d=42cm,探测器 分如下几种： （a）超热中子探测器：测量经地层减速后的超热中子（En=10.1ev），相应的仪器称为超热中子测井仪器。 （b）热中子探测器：测量经地层减速后的热中子（En=0.10.001ev），相应的仪器称为热中子测井仪器。 （c）伽马探测器：测量中子射入地层后产生的伽马射线强度或能谱，相应的仪器称为中子伽马测井仪器或中子伽马能谱测井仪器。,第五章 中子测井,第三节 超热中子测井 井壁中子测井（Sidewall Neutron Log,SNP),第五章 中子测井,一、超热中子测井仪器的计数率响应、 源距的选择、仪器的刻度。,1、计数率的响
19、应 点状快中子源在无限均匀地层中形成稳定超热中子通量为：,式中:De为超热中子的扩散系数，,为宏观散射截面；,Le为超热中子的减速长度,第五章 中子测井,为宏观俘获截面,为平均散射自由程；,为物质的有效原子量。,第五章 中子测井,显然，中子探测器的计数率,即,K与仪器结构有关的常数。,几点定性讨论： 计数率N与探测器距点源的距离r有关, 且距离r增大，则 减小，因此N减小。 测得的计数率N与地层的特性有关，主要表现为公式中的De与Le的影响，这两个常数表达了地层的特性。当仪器结构一定时，则r和k固定，测得的计数率N与地层对快中子的减速特性有关。,第五章 中子测井,地层的特性由Le和De表示，而
20、Le与De取决于地层中的含氢量孔隙度。因此，用同一种仪器，在相同岩性的地层中测量计数率N的大小，就可以反映地层孔隙度的大小。这是中子测井测量孔隙度的原理。,第五章 中子测井,2、源距的选择 设有两个岩性相同，孔隙度分别1，2为充满淡水的地层， 12 地层1： De1 Le1 测量计数率为N1 地层2： De2 Le2 测量计数率为N2,扩散系数表示的是体积元内穿出中子的能力。减速长度表达的是经多大的距离快中子变为超热中子。孔隙度大的地层中含氢核多，对中子的减速能力就大。因此，对中子的扩散系数就小，减速长度就小。即：De1De2, Le1Le2。反过来说，充满淡水的孔隙度小的地层扩散系数大，减速
21、长度长。,第五章 中子测井,则：,有：,因为De1De2 ，所以：,可见，用不同的源距可得到三种情况：,令：,则：,第五章 中子测井,若选择的源距等于零源距，在这种情况下，对不同孔隙度的地层，测得的计数率相同，达不到利用中子测井测量不同地层的计数率确定孔隙度的目的。,第五章 中子测井,若选择的源距小于零源距，即孔隙度增大，计数率上升。这种源距称为负源距，对于中子测井无意义。这个r0称为零源距，对于普通地层，这个r0值为几厘米到几十厘米。,若选择的源距大于零源距时，孔隙度增大，计数率减小。由前面的公式，随着源距的增加，比值呈指数减小。可见源距的增加仪器对地层探测的灵敏度就增加。然而另一个不利因素
22、出现了，随着源距的增加，超热中子的通量呈指数下降，即计数率N本身的值急剧减小，测量的统计误差增大。这又使我们不能选择太大的源距。权衡地层探测的灵敏度和统计误差，通常中子测井的源距选择为3045cm。斯伦贝谢公司的SNP选择为42cm。,第五章 中子测井,3、仪器的刻度由前面的讨论可知，一旦确定了仪器的源距，中子测井仪器测得得计数率取决于含水地层的扩散系数和减速长度 。,N=,地层的含氢指数与地层的孔隙度是有直接联系的，,第五章 中子测井,中子仪器的刻度就是要利用标准地层确定仪器测量的N和的关系以及将仪器标准化。,第五章 中子测井,仪器标准化的内容包括：标准地层（标准井，孔隙度，岩性已知），采用
23、标准单位（API），孔隙度刻度是仪器的标准单位向孔隙度的转换。其关系如下式：,仪器刻度条件： （a）氢是以淡水的形式充满地层的孔隙度空间； （b）在包含水的纯灰岩地层中，中子测井的孔隙度响应等于地层的真含氢指数，即为地层的真孔隙度。,这样进行仪器刻度的实质在于，致密灰岩地层对快中子的减速能力作为计算孔隙度的参考基准。当某种地层对中子的减速能力与致密纯灰岩相同时，该地层的中子孔隙度值为零。,第五章 中子测井,以淡水饱和的纯灰岩地层作为标准地层刻度仪 器后，仪器测得的地层孔隙度称为中子测井的视灰岩孔隙度。中子仪器刻度后对于饱和淡水的纯砂岩地层，测得的视灰岩孔隙度小于零。对于饱和淡水的纯白云岩地层，
24、测得的视灰岩孔隙度大于零。,为了确定仪器的N和的关系，需要一套不同值的标准刻度地层，孔隙度的范围为0-所有地层可能遇到的最大孔隙度。,实际地层测量的含氢指数HI也等于地层中孔隙部分的含有氢指数加上地层骨架的等效含氢指数。,第五章 中子测井,4、计数率与孔隙度的关系图版,各公司的仪器都有自己的校正图版，现在都实现软件中了。,5、中子测井的探测深度，纵向分辨率参考相应仪器的指标，探测深度约1520cm，纵向分辨率取决于仪器的源距。,二、超热中子测井资料的影响因素，校正方法,第五章 中子测井,1、井眼影响及校正在井中测量的含氢指数并不是地层的真实含氢指数。测量的含氢指数是仪器探测范围内所有介质的含氢
25、指数。由于中子测井的探测深度较浅，因此测量结果受井眼条件影响较大。为了减少井眼的影响。采用贴井壁测量。但是通常贴井壁测量并未把井眼影响减少到可以忽略的程度。井眼的影响主要表现在两个方面：,井径增大，测量的N2增大； 泥浆比重增大，使测得的含氢指数缓慢减小。 井眼影响的校正方法：1图版校正；2仪器测量时的自动井径校正； 3对于泥饼的影响，常利用图版进行校正。,2、岩性的影响及校正 地层对快中子的减速是地层中的氢核与岩石骨架共同作用的结果，即:,第五章 中子测井,第五章 中子测井,式中 HIMA是致密岩石骨架的等效含氢指数。,实际应用中，可不用直接测量HIMA，而是通过测量N，间接知道其影响。,在
26、已知岩性的条件下，对于饱和淡水的纯岩石，若已知真孔隙度，测量N，则可求出HIMA,由上式 :,对于砂岩 :,约为HIMA=-0.035。,可见砂岩测量的中子孔隙度要小于实际地层的真孔隙度。,第五章 中子测井,对于石灰岩 由于仪器是用纯灰岩刻度的，,对于白云岩,0.015-0.05左右。,对岩性影响的中子孔隙度校正可用图版法。,3、孔隙流体性质的影响，天然气的挖掘效应 挖掘效应：在含气地层中，中子测井的孔隙度响应比地层真实含氢指数小的现象称为挖掘效应。 产生挖掘效应的原因：天然气对快中子的减速能力比同体积的岩石骨架对快中子的减速能力小。对于高能中子，骨架对快中子的减速能力接近氢核的减速能力。因此，在最初的几个自由程里，骨架所含原子核对中子的减速能力相对比较重要。如果岩石骨架被挖掉一部分，代之以气体，这就减少了骨架对快中子的碰撞几率，使中子的最初几个自由程更长，导致超热中子分布半径更大，进而使探测器处接受到的中子数增加，由于仪器的测量原理，中子记数率增加孔隙度减小。,第五章 中子测井,挖掘效应的校正为了使中子测井孔隙度与岩石的含氢指数一致，应在中子孔隙度值上再加一个校正值。,为等效淡水饱和度体积。,影响挖掘效应大小的因素有 ,Sw ,g气的成分，岩性。,第五章 中子测井,
