第七章 自然伽玛测井 自然伽玛测井是放射性测井中的一种方法。放射性测井是以物 质原子核物理性质为基础的一组测井方法，统称为核测井，包 括自然伽玛，自然伽玛能谱、中子、密度测井等。由于物质的 核物理性质不受温度、压力、化学性质等外界因素的影响。因 此有可能根据某些无素原子核特殊性质，利用放射性测井直接 研究他们存在数量多少，对于研究石油钻井具有一定意义。 前言：原子核基本知识（预备知识） 1原子核结构 原子：原子核 质子(带一个单位正电荷) + 中子(不带电) 核外电子(带一个单位负电荷) 质子+中子核子 质子+中子=质量数 质子数=原子序数 2同位素：原子序数相同而质量不同的原子构成的元素称为同 位素，同位素的化学性质相同，在元素周期表中占一个位置。 如氢的三种同位素： （氕） （氘） （氚） 表示方法： X元素符号 Z-质子数 A- 中子数 3核衰变 放射性同位素的原子核另一种原子核+、衰变 N0初始量 衰变系数 t时间 dN衰变率或放射性强度 半衰期：T 平均寿命 4放射性射线及其性质 射线：氦原子流，质量大，引起电离或激发，被物质吸收，射 程小，穿透能力差。 射线：高速中子流，射程小，电离程度中等。 射线：频率高的电磁波或光子流，不带电，能量高，穿透力强 。 5伽玛射线与物质作用 自然伽玛射线穿过物质与原子相互作用，将发生不同形式的 作用，其中主要形式为：光电效应、 康普顿一吴有训效应、 形 成电子对 （1）光电效应：当伽玛射线能量较低（低于0.25Mev）时，它 与组成物质元素原子中的电子相碰撞之后，把能量全部转交电 子，使电子获得能量后脱离其电子壳层而飞出，同时伽玛射线 被吸收而消失。这一过程称为光电效应，被释放出来的电子叫 光电子。产生光电效应的几率，与入射伽玛射线能量和组成物 质原子序数有关 （2）康普顿一吴有训效应 能量较高伽玛射线与物质中原子核外电子碰撞时，一部分能量 转交给电子，使之脱离原子电子壳层而飞出，同时伽玛射线改 变自己运动方向，继续与其它电子相撞。每碰撞一次，能量损 失一部分，并改变其运动方向，形成所谓康普顿一吴有训效应 。伽玛射线经多次碰撞之后，能量不断降低，最后以光电效应 结束。 （3）电子对的形成 能量高于1.02Mev伽玛射线与物质作用时，在原子核力场作用下 ，可转变成正、负电子对，即一个正电子和一个负电子。伽玛射 线在形成电子对后，本身被吸收。 （4）伽玛射线的吸收 伽玛射线能量衰减，强度减小过程称为伽玛射线被吸收。 （5）电子密度与体积密度 产生康普顿一吴有训效应几率与单位体积中电子数（电子密度） 有关，电子密度e 一般性： N0阿佛加德罗常数；Z质子数；A质量数；b体积密度 6中子与物质作用 分类： （1）慢中子：能量100电子伏特为慢中子，0.1100电子伏特 中子为超热中子，0.025电子伏特中子为热中子 （2）中能中子：能量：100电子伏特10万电子伏特 （3）高能快中子：能量：10万电子伏特 几种作用形式： （1）非弹性作用：高能快中子与原子核碰撞 （2）弹性散射：高能快中子经一、二次非弹性散射后，能量降 低，继续碰撞原子，降低能量和运动速度，而总能量不变，经多 次碰撞，能量损失，速度降低，最后变为热中子。 （3）辐射俘获：能量低的热中子在其他物质附近漫游，很容易 被其他物质俘获而被吸收，过程为辐射俘获其他物质由于俘获中 子而后稳定态转变时则易放出r射线。自 然 伽 玛 测 井 自然伽玛测井可以解决以下： （1）据天然放射性强弱，判别岩性和划分井地层剖面。 （2）在一个含油气区或单独构造上，各井剖面进行对比。 （3）估计岩石中泥质含量，从而判断岩层的储集性能，特别是 在泥浆矿化度较高地区，碳酸盐岩剖面中，自然电位无法清楚划 分渗透性岩层，自然伽玛可以解决。 自然伽玛测井的优缺点： 优点：（1）裸眼井和套管井中均可以进行 （2）油基泥浆、高矿化度以及干井中均可以进行 （3）碳酸盐岩剖面和水化学沉积剖面不可缺少。 缺点：（1）测速慢，成本高。 （2）如果岩石本身组成中含放射性物质，如含火山碎屑等，则 无法正确判断泥质含量。如哈密地区，那么SH判定需从其分资 料中求取。自 然 伽 玛 测 井 总 述 岩石的放射性是由岩石中所含的U、Th、k系放射性同位素引起 的。这些元素在自然界衰变过程中的均放出射线,且不同元素放 出的射线的数量和能量两方面均有区别。如：K 1.46Mev,U、Th ：能谱较为复杂，因此，通过探测射线的数量（强度）和能量 （能谱），有就可能确定岩石中放射性元素的数量（含量）及种 类，并进一步用来寻找放射性矿床和研究岩层性质等。测量自 射线强度的方法叫做自然伽玛法，测量自然伽玛能谱的方法叫做自然伽玛能谱法。 自然测井是在井内测量岩层中自然存在的放射性元素核衰变 过程中放射出来的射线的强度，通过测量岩层的自然射线的 强度来认识岩层的一种放射性测井法，其射线强度与放射性 元素的含量及类型有关 一、岩石的自然放射性规律(三大岩类) 1岩浆岩：其中有许多放射性矿物，如长石，云母集中了地层中绝大多数钾 K。角闪石、独居石、辉石也有较高放射性，其中以碱性岩、锆石、独居石等 放射性最强。 2变质岩：取决于母岩放射性，若为岩浆岩，放射性较强，沉积岩则次之 。 3沉积岩：一般比岩浆岩、变质岩差，沉积岩中的不同岩类，放射性不同 。 （1）粘土岩类：含放射性元素最多，放射性最强，主要为泥、页岩。 A高岭石：不含放射性元素，且对离子吸附能力差，放射性强度低。 B蒙脱石：不含放射性元素，但对阳离子吸附能力强，可吸附很多放射性强 物质，如氧化铀。因此，其天然放射性强度最大，对粘土岩放射性贡献最大 。 C伊利石：含放射性同位素K40，且有较强阳离子吸附能力，也可吸附较多 U2O氧化铀，有较强放射性。 D绿泥石：同高岭石相似，天然放射性弱。 （2）碎屑岩类：放射性强度由正长石、白云母、重矿物以及泥质含量决 定，对储层的主要成份石英砂岩而言，前三种矿物很少，因此主要取决于泥 质含量及组成。 （3）化学岩类：石灰岩、白云岩、膏、盐岩、K盐等。除K具放射性外， 其他岩类主要由岩石中所含泥质及微量无素决定。 放射性规律 A放射强度随泥质含量Vsh增加，而增加。 B随有机质含量增加而增加。 C随K盐和放射性物质的含量的增加而增加二、测量原理 进行自然伽玛测井的简单原 理如图所示：（井下仪器、 地面仪器） 探测器将接收到的伽玛 射线转换成电脉冲 放大器探测器输出电脉 冲加以放大-剔除-计数率- 电器积累连续电流简单变换 和刻度自然伽玛GR曲线。 记录电位差与单位时间内的 脉冲数成正比。即与周围岩 石放射性强度成正比。 三、曲线特征及影响因素 1曲线特征 （1）中心对称（上下围岩放射性相同 ），中心出现极大值。 （2）h3d0 曲线极大值随h增加而增 加, h3d0 极大值=const,与强度大小 成正比，与厚度无关。 （3）h3d0半幅点定界面，h3d0 厚 度真实厚度。 2影响因素 （1）厚度h对幅度影响 （2）井参数：对岩石射线吸收及它 们自身放射性附加(附泥浆含强被射 性,一般不含) 井径、泥浆、套 管 （3）放射性统计起伏：统计规律各 次测的平均值 （4）测速v和仪器积分常数对曲线的 影响四、地质应用 1划分岩性，确定渗透层 2进行地层对比，其优点： （1）与岩石流体性质无关（油、水、地层矿化度等） （2）与泥浆性质无关（盐、水泥浆） （3）易找到标准层。 在油气水边界地带进行地层对比，因为岩石中含流体性 质变化大，使R、SP曲线形状变化不益于进行对比。另 外膏盐地区尤为重要。 3确定岩石的泥质含 量 GR= (GR-GRmin)/(GRmax- GRmin) Vsh=(2c GR-1)/(2c-1) C：老地层：C=2； 新地层C=3.74 4确定岩石的粒度中值，作沉积环境分析 C0、C1为经验常数。 （GR=GRmin） （GR=GRmax） Md1取GRmax相应层段的平均粒度中小值。四、自然伽玛能谱测井（NGS）自然伽玛测井虽是确定泥质含量有效方法，但自然伽玛读数只能提供岩石自 然放射性的总概念，当岩石放射性是由于某些非泥质因素引起时，则由此求 得的泥质含量用于其做地质评价时，将造成错误解释。如：把高放射性的火 成岩冲积成当成泥岩层，含高铀U的碳酸盐岩储层当成非储层等。为此，在自 然伽玛测井的基础上，又引进了自然伽玛能谱测井。自然伽玛能谱是测定一 定能量范围内自然伽玛射线的强度以区分岩石中放射性元素类型及其实际含 量的测井方法。自然界常见三种放射性元素为铀（U）系、钍（Th）系、钾（ K）系，且他们地层中放射出射线具有不同的能量并各自具有特征的能谱（K 1.46MEV U、TH、0.5MEV）因此利用能级窗口，可以分别记录地层中这三 种放射性元素各自的强度，在实际测量过程中，提供五条测井参数曲线： 以百分含量表示的钾含量K% 以浓度表示的铀（UPPM） 以浓度表示的钍（ThPPM） 合成的总自然伽玛GR 无铀自然伽玛（钍、钾含量）SGR利用这些参数，可以了解产生自然放射性的来源物质，分析它们的类型和数 量等，进而确定泥质含量，确定粘土类型、分析沉积环境 GR、U、Th、K、SGR曲线 粘土矿物与K、Th/K之间的关系及图版