放射性测井

放射性测井

杨 贵 凯

目 录

一、放射性测井基础 .................................................................................. 1

1、基本概念 ......................................................................................... 1

2、伽马射线与物质的相互作用............................................................ 2

3、伽马射线的吸收与探测 ................................................................... 3

二．自然伽玛测井 ...................................................................................... 5

1、定义 ................................................................................................. 5

2、自然伽玛曲线特点及主要影响因素 ................................................ 6

3、测井速度和仪器时间常数（v ）对测井曲线的影响 ...................... 6

4、井参数的影响 .................................................................................. 7

5、自然伽马测井仪器的表准化............................................................ 8

6、自然伽玛曲线主要应用 ................................................................... 8

三．自然伽玛能谱测井 ............................................................................ 10

四．补偿密度测井（地层密度测井或伽玛测井）、岩性密度测井 ........... 10

1、基本概念 ....................................................................................... 10

2、计数率与地层密度关系 ................................................................. 11

3、影响密度测井数值的主要因素 ...................................................... 12

4、密度曲线主要应用......................................................................... 12

五、补偿中子测井 .................................................................................... 13

1、基本概念 ....................................................................................... 13

2、中子测井主要影响因素 ................................................................. 14

3、主要应用 ....................................................................................... 14

一、放射性测井基础

放射性测井是测量地层及井内介质的物理性质的地球物理方法。根据探测射线的类型可分为：1探测伽玛射线方法，如自然伽玛、自然伽玛能谱、放射性同位素、补偿密度、岩性密度等测井；2探测中子方法，如补偿中子、中子伽玛、次生活化中子、中子寿命等测井。

1、基本概念

核素：是指原子核中具有一定数目质子和中子并在同一能态上的同类原子，同一核素的原子核中质子数和中子数都相等。核素分为稳定核素和放射性核素。

同位素：是指核中质子数相同而中子数不同的核素，它们元素周期表中占有同一位置。 核衰变定律：设在t时刻某种放射性核素有N个原子核，在dt时间间隔里有dN个核衰变，则有

-dN

dt=λN （1）

式中λ为衰变常数，表示单位时间内每个核发生衰变的几率，λ大则衰变得快。则式（1）积分，并令t=0时N=N0，则有

N（t）=N0e-λt （2）

此公式称为衰变定律。

放射性活度：一定量的放射性核素，在单位时间里发生衰变得核数，叫放射性活度（或放射性强度）单位为居里。

放射性比度：是指放射性核素得放射性活度与其质量之比，单位为贝可勒尔/克，或居里/克。

伽马射体：能在衰变时发射伽马光子得核素，称为伽马射体。地层中能发射伽马光子的核素主要有铀、钍及其衰变产物和钾的放射性同位素K40。由浓缩得放射性核素造成得发射伽马光子的装置叫伽马射线源，简称伽马源。

由核物理知道，伽马射线是波长很短的电磁波，波长在10-8—10-11厘米之间。伽马射线的穿透能力强，能穿透几十厘米的地层、套管及仪器外壳。

伽马光子的能量为：Eλ=hν

其中：h为普朗克常数，ν是频率。

2、伽马射线与物质的相互作用

由放射性原子核衰变放出的伽马射线，能量一般在0.5Mev到5.3Mev之间。在这一能量范围内，伽马光子与物质的相互作用主要有电子对效应、康普顿效应及光电效应。

1）电子对效应

当伽马光子的能量大于两个电子的静止

量能时，则它在通过原子核附近时，与核的

库仑场相互作用，可以转化为一个电子和一

个正电子，而本身全部被吸收。这种效应称

为电子对效应。

吸收系数（x）：伽马射线通过单位厚度

得吸收介质时，因形成电子对而导致伽马射电子对效应 线强度的减弱。吸收介质的原子序数Z对吸收系数有明显的影响，既在重核附近形成的电子对的几率比轻核大得多。

2）康普顿效应

当伽马光子的能量为中等数值，即其能量不足以形成电子对，但较核外束缚电子的结合能εj大得多，就是说实际上对该能量的伽马光子，可以把束缚电子看成自由电子时，就可以产生康普顿效应。

这种效应就是伽马光子与原子核外轨道电子相互作用时，把一部分能量传给电子，使电子从某一方向射出，而损失了部分能量

的伽马光子向另一方向散射出去。

由康普顿效应导致的伽马射线在通过

单位距离物质时的减弱，通常用康普顿减弱

系数σ来表示。减弱系数与吸收体的原子序

数Z和单位体积内的原子数成正比，也即与

吸收单位体积内的电子数成正比。公式：

σ=σZN

eA散射光子散射电子

e- ρ 康普顿效应 A

（3）

σe是每个电子的康普顿散射截面，当伽马光子的能量在0.25MeV~2.5MeV的范围内

时，它可看成是常数。而ZNAρ是吸收介质单位体积中的电子数，即电子密度。在一定

A

条件下，Z/A可看成常数，故利用此效应可测定介质的密度。

其中：NA—阿佛加德罗常数

Z—原子序数

A—克原子量

3）光电效应

当一个光子和原子相碰撞时，它可能将它所有的能量交给电子，使它脱离原子而运动，光子本身则整个被吸收。由这种作用所释放出来的电子主要是K壳层的电子，也可以是L壳层或其它壳层的电子。这样脱离开原子的电子数统称为光电子，这种效应则称为光电效应。光电子所带走的能量由下式决定：

E0=hν0-εi（i=K，L，⋯） （4）

εI为由I壳层移去一个电子所需要的能量，而hν0是光子的能量。当入射的伽马光子的能量大于原子中K、L⋯电子的结合能时，相应的电子在吸收光子的能量后能脱离开原子飞出来。但如果光子的能量不足，则K电子不吸收光子，这种伽马光子便能穿透物质。

光电吸收系数与原子序数关系密切，低能伽马射线对重原子的发生光电效应几率很大。利用此效应可寻找重金属和识别富含重矿物的地层。

3、伽马射线的吸收与探测

伽马射线穿透物质时，由于发生电子对效应、康普顿效应及光电效应，它的强度将随着通过物质厚度的增加而减弱。

1）伽马射线探测的基本原理

伽马射线与物质相互作用的过程中，主要通过前述的三种效应而产生次级电子。这些电子能引起物质中原子的电离和激发，绝大多数仪器都是利用这两种物理现象来探测伽马射线的。

当运动的带电粒子在物质中通过时，它的速度将慢慢降低，能量逐步减小。这些能量主要消耗在使物质电离和激发上。

电离作用是带电粒子和组成物质的原子的束缚电子间非弹性碰撞的结果。由于带电粒子和束缚电子之间的静电作用，使束缚电子产生加速运动，因而获得足够的能量而变成自由电子。这样就产生了一对自由电子和正离子所组成的离子对。这样的电离过程为直接电

离。若直接电离产生的电子仍有足够的能量，它就能直接产生离子对。

如果束缚电子所获得的能量还不够使它变成自由电子，而只能激发到更高的能级，则称为激发作用。受激的原子在退激发过程中能放出光子，发生闪光。

收集电离电荷的探测器有电离室、正比计数管和盖革弥勒计数管等。收集荧光的探测器是闪烁计数器。

盖革-弥勒记数管：探测伽马射线的有机管。每记录一个伽马光子，计数器就输出一个脉冲。G-M计数管对伽马光子的通量率成正比，也即与射线的强度成正比。

G-M计数管的特性参数主要有坪长、坪斜、死时间和探测效率等。

坪曲线：

利用G-M计数管记录强度不变的

放射源时，其计数率和外加电压U的关

系曲线如图所示特征。此曲线有一段计

数率基本上不随电压的升高而改变的

范围，把这段称为“坪”。坪长为V2-V1。

当外加电压小于V1时，计数管还未达

到正常的工作状态，而当外加电压大于

V2时，计数管就连续放电。随着累计计数次数的增加，超过一定限度后，计数管的坪长将缩短，坪斜将增加。通常要求有机管的坪长不小于100伏坪斜不大于每100伏5%。

闪烁计数器：是利用荧光物质的闪烁现象记录核辐射的装置。它既能探测各种带电粒子又能探测中性粒子。既能探测粒子的强度，又能探测它们的能量，效率高，分辨时间短。是放射性测井中应用最广的探测器。

闪烁计数器的探头是一个密闭的暗盒，包括闪烁体、光导和光电倍增管。探头的功能是与入射粒子直接作用，并且把粒子损耗的能量转变为电脉冲。

工作流程：当核辐射进入闪烁体时，使闪烁体中的原子受激，而后产生荧光。利用光导和反射物质，使大部分荧光光子收集到光电倍增管的光阴极上。光子在阴极上打出光电子。光电子在光电倍增管中倍增，最后倍增的电子束在阳极上产生电压脉冲，此脉冲被记录下来。

闪烁体一般为碘化钠晶体。

光导是闪烁晶体和光电倍增管光阴极之间所加的导光物质。它的作用是减少荧光在闪烁体射出光的那个面上发生全反射，以使大部分光子能射出闪烁体，

并被引导到光电倍增

管的光阴极上去。

光电倍增管是把光脉冲转变成电脉冲的元

件，能将极微弱的光成比例地转变成较大的电

压脉冲，并且响应时间极快。

探测器计数率正比于射线的强度。

放射性测量中的具有涨落现象

二．自然伽玛测井

1、定义

自然伽玛测井是测量地层内部天然放射性的一种测井方法。当地层含有放射性矿物时，地层会放射出伽玛射线，伽玛射线是一种类似于光的高频电磁波，当射线被测量仪器的探头接收时，伽玛射线便损失了大部分能量而转换为可见光，然后由光电倍增管转换为电脉冲，脉冲的数量就反映了地层伽玛射线的强度。地层中的主要发射性元素为铀系、钍系和钾40系。用自然伽玛测井曲线可以进行地层对比、划分砂泥岩、计算泥质含量、识别岩性、评价生储盖组合等。

沉积岩放射性浓度粗略地分为三类：

1）放射性高的岩石：粘土岩、火山灰、钾岩等。其它还有海绿石砂岩、独居石砂岩、钾钒矿砂岩。

2）放射性中等的沉积岩：砂岩、含少量泥质的碳酸盐岩等；

3）放射性低的沉积岩：石膏、岩盐、纯的石灰岩、白云岩和石英砂岩等。

沉积岩的放射性有以下变化规律：

a、

b、 随泥质含量的增加而增加； 随有机物含量的增加而增加，如沥青质泥岩的放射性很高，有机物容易吸附

含铀和钍的放射性物质。

c、 随着钾岩和某些放射性矿物的增加而增加。

一般认为伽马射线在沉积岩中平均穿透深度约30厘米，受井眼影响一般不超过20厘米。

2、自然伽玛曲线特点及主要影响因素

1）曲线特点：

a、对于放射性物质含量均匀各向同性的岩层，当上、下围岩的放射强度相等时，曲线对称于地层中点；

b、对着地层中点，曲线呈极大值，并且随着岩层厚度增加而增大，当厚度是井径3倍时，极大值为常数，曲线的极大值与地层放射性强度成正比。

c、当地层厚度是井径3倍时，由曲线的半幅点确定的岩层厚度为真厚度。

2）影响自然伽玛曲线的主要因素

a、地层的厚度；

b、测井速度和仪器时间常数；

c、仪器标准化的影响；

d、井参数的影响；

e、放射性测井曲线统计起伏误差的影响。

3、测井速度和仪器时间常数（vτ）对测井曲线的影响

vτ对曲线影响表现在以下几方面：

1）vτ ≠0的曲线与vτ=0的曲线不重合，不同的vτ值测得的曲线只有起点是相互一致的。

2）vτ越大曲线的幅度下降得越多。

3）在仪器移动方向上，vτ越大，曲线拖尾越长。

4）vτ越大曲线越不对称，其极大值和上下半幅点的位置分别对地层中点及上下边界点向仪器移动方向移动了一段距离。

5）vτ越大，曲线的半幅宽越大，由半幅宽确定的视厚度大于真厚度。

6）随地层厚度减小，vτ影响越大。

4、井参数的影响

1)、泥浆

如果井内没有泥浆，则井对伽玛射线吸收弱；而当有泥浆时，井内介质对伽玛射线的吸收较强。可是由于泥浆中含有粘土，具有一定的放射性，这就抵消了伽玛射线强度的减弱，因此，井筒内泥浆一般对自然伽玛射线影响不大。

泥浆密度不同，对伽玛射线的吸收程度不同。密度大，则吸收强。

2)、泥浆矿化度

如果泥浆中不含钾盐或其它放射性元素，则泥浆矿化度对伽玛曲线影响不大。

3)、井径扩径

对已下套管井，泥浆柱的直径是常数。对裸眼井而言，井径扩大对曲线影响较大，当泥浆中不含放射性物质时，扩径时曲线数值变小。如果泥浆放射性大于岩石强度，则井径加大，曲线读数增大。

4)、套管

由于套管对伽玛射线吸收强于泥浆，因此，当仪器从没有套管的井段进入有套管井段时，伽玛射线强度减弱，曲线的异常幅度减小。

5)、水泥环

如果水泥中不含放射性元素，则水泥环的存在将使读数降低，水泥环越厚，降低越多。

5、自然伽马测井仪器的表准化

自然伽马测井仪器标准化的原理是：用自然伽马测井仪器，在规定的条件下，对强度稳定的标准伽马辐射体进行测量，取得计数率的百分之几做一个标准单位，用这样的单位对测井值进行标定。

仪器标准化最基本的方法是建立标准刻度井，在刻度井中对仪器进行标定。高放射性和低放射性地层中测得的读数差定为200个API单位。

6、自然伽玛曲线主要应用

1、划分岩性及进行地层对比

泥岩和页岩显示明显的高放射性。在泥岩剖面上，纯砂岩显示最低值，泥岩显示最高值，泥质砂岩界于中间，并且随着泥质含量增高，自然伽玛数值也增高。岩浆岩、富含放射性矿物的砂岩或石灰岩等比较高。

一般情况下，石膏、硬石膏、岩盐和纯的石灰岩、白云岩的放射性很低。白云岩往往比石灰岩具有较高的放射性。

2、计算泥质含量

7、自然伽马测井曲线的验收标准

1、测井前后都用三级刻度器对仪器进行刻度，测井前刻度值与传递的车间值之间相对误差应在±5%以内，测井后刻度值与传递的车间值之间相对误差应在±7%以内。

2、自然伽马曲线变化与录井的岩性剖面相符合，在泥岩测得的自然伽马值符合本地区规律值。

3、曲线不得出现跳动。

4、重复曲线形状基本相同，在泥岩处重复误差小于

三．自然伽玛能谱测井

自然伽玛能谱测井仪器采用NaI(T1)闪烁伽玛探测器，通过能窗（K40 1.45Mev；U 1.76Mev、2.2Mev；Th228 2.62Mev）,采用输出脉冲幅度分析器，测得某一时间内各自个幅度的脉冲数，从而得出不同能量的伽玛射线能谱，用于分析不同的放射性元素。自然伽玛能谱的K40主要分布于长石、云母、以粘土矿物中；U往往与重矿物伴生，是碎屑沉积的指示，不溶于水；Th容易在还原环境中随有机质的一起沉积，溶于水且于磷酸盐类矿物有关。自然伽玛能谱测井主要用于综合评价生储盖、识别裂缝型储层、区别有效裂缝与无效裂缝等。

四．补偿密度测井（地层密度测井或伽玛测井）、岩性密度测井 1、基本概念

地层密度测井是利用伽玛射线与物质之间的康普顿效应。当伽玛射线穿过地层时，由于产生康普顿散，伽玛射线就会被吸收，地层对伽玛射线吸收的强弱决定于岩石中单位体积内所含的电子数，即电子密度，而电子密度又与地层密度有关，因此通过测定伽玛射线的强度就可以测定岩石的密度。用密度曲线可以计算地层的密度、地层的孔隙度、确定粘土类型（同中子交会）、识别特殊岩性等。

补偿密度测井是利用长短源距探测器测出的密度差值补偿泥饼影响的密度测井。

岩性密度测井

为了改进补偿密度测井，提高测井对地层岩性划分的能力，除了测量地层密外，还测量岩石的有效光电吸收截面指数（Pe）。更有效地对多矿物地层的岩性剖面分析（引入了单位体积有效光电吸收截面指数U= Pe×ρb）。

岩石的光电吸收截面指数：定义岩石中一个电子的平均光电吸收截面为岩石的光电吸收截面指数（质量光电吸收截面），用Pe表示，它对地层岩性很敏感，又称为光电吸收岩性系数。用U表示一个体积光电吸收截面指数。U=ρePe。

常见矿物Pe、ρb和U值

2、计数率与地层密度关系

当源强和源距选定后，探测器接收到的散射伽马射线的强度决定于两个作用过程：1）由源发射出的伽马光子经地层一次散射或多次散射使部分光子射向探测器；2）射向探测器的伽马光子，有一部分被再散射而改变方向或者被吸收。当源距很小时，上述1）过程是主要的，因而地层密度越大，计数率也越高。当源距很大时，上述2）过程的作用超过了1）过程的作用。因而地层密度越大，探测器接收到的光子越少。换句话说，在密度大的地层，计数率随源距的增大下降得快；而在密度小的地层中，计数率随源距下降得慢。那么在不同密度的地层中，计数率随源距衰减的曲线会有一个交点，相应的源距为零源距。

源距为零源距时，不同密度的地层具有相同的计数率，仪器对地层密度的灵敏度为零。小于零源距为负源距，大于零源距为正源距，密度测井均采用正源距。

ρb=-

lnN-lnN0

σmda

lnN-lnN0

=

A

其中：N—为视源距为da时的计数率； N0—为零源距时的计数率； σm—为质量康普顿减弱系数； A—为仪器对地层的灵敏度；

da—为视源距，是真源距与零源距的差。

源距大时灵敏度高，但太大会使计数率降低，从而增加统计误差。短源距一般为15~25

厘米，长源距一般选为35~40厘米。

3、密度测井仪的刻度

密度测井仪的刻度，至少需要两种不同密度的标准地层或刻度块做为刻度标准，并需要有一种泥饼以调节泥饼补偿值。

刻度标准有一级刻度井、二级刻度块和三级刻度器。

4、影响密度测井数值的主要因素

1、地层岩性成份的影响；

2、井眼的影响，扩径使密度数值失真； 3、仪器刻度;

4、时间常数及测井速度;

5、地层孔隙流体的影响；

6、泥质的影响，一般粘土矿物的密度（克/立方厘米）： 伊利石 2.76~3.0 高岭石 2.6~2.63 蒙脱石 2.2~2.7

5、密度曲线主要应用

1、计算地层孔隙度

ϕ=

ρma-ρbρma-ρf

2、识别岩性，不同岩性具有不同的密度值，一般典型的泥岩密度值为2.2~2.65g/cm3，浅处泥岩比较小，深层泥岩密度大；

3、识别气层，在气层密度值变低，结合中子测井可以很好气层。

6、岩性密度的测井应用

1、区分岩性

在复杂岩性地层通过岩石的光电吸收截面指数（岩性系数）可以识别矿物成份，结合补偿密度数值可以准确划分岩性成份的变化。

2、计算泥质含量

7、补偿密度曲线的验收标准

1、测井前，密度测井必须进行车间刻度。测井前用三级刻度器进行刻度检查，长、短源距探测器计数率比值与车间刻度时的相对误差应在±3%以内或密度绝对误差小于0.03g/m3。测井后，用三级刻度器检查时，长、短源距计数率比值与车间标定值相对误差在±3%以内或密度绝对误差小于0.03g/m3。 2、曲线首尾脊、肋线刻度误差小于0.03 g/m3。 3、测井曲线密度值与标志层应符合。

4、除钻井液中加重晶石或在煤层、黄铁矿层等外，密度曲线一般应为0到正值。 5、在井壁规则的均质层，重复曲线值误差绝对值应小于0.03 g/cm3 。 6、在渗透层，密度值与区域岩性吻合。

五、补偿中子测井 1、基本概念

由中子源向地层发射连续的快中子流，快中子和井内地层中元素的原子核相碰撞时被减速，地层中的氢原子对快中子的减速能力最强。因此，快中子在地层中被减速为热中子的过程主要取决于地层的含氢量。用中子计数器直接测量下井仪器周围地层中的热中子密度。通常把淡水的含氢量规定一个单位。

补偿中子测井探测的是地层中的热中子，采用双源距，且适当增加了源距，从而增加了探测深度，减小了井参数及岩石热中子吸收性质对测量结果的影响，同时这种仪器还采用了强放射源，减少了统计起伏误差影响。

快中子到地层中，与地层中质量相同的氢原子碰撞，能量损失后减速为超热中子、热

中子，用长短源矩两个探测器探测量并记录下来，根据两探测器的计数率与地层孔隙度的关系曲线，在地面仪器中设计了计算线路，所以所记录的曲线就是地层的孔隙度指示曲线。在测井过程中，其计数率与地层的含氢量有关。当纯地层岩石孔隙中不含流体或孔隙流体主要为地层水时，中子测井值反映了地层的孔隙度近似值。当地层不是纯岩石骨架或含氢，尤其是地层含气，对于孔隙度指示曲线则就应该做一些必要的影响校正，而获得地层的真实孔隙度。利用补偿中子测井确定岩石的孔隙度、划分岩性、识别气层，综合其它资料判断油水界面等。

2、中子测井主要影响因素

1、井参数影响

补偿中子测井裸眼井标准刻度条件：井径77/8英寸，井眼和地层孔隙中为淡水；无泥饼或间隙；井温为24 C;1个大气压仪器在井中偏心。 1）当井径增大时，测出的孔隙度会偏大； 2）泥饼，间隙等因素对于补偿中子影响较小。

3）天然气影响。天然气含氢指数越小，挖掘效应越明显。

挖掘效应：由于岩石骨架被“挖空”，而使得测出得孔隙度比实际的含氢指数还要小，这种现象称挖掘效应。

2、岩性影响，泥岩数值大于砂岩。 3、孔隙度影响，孔隙度大，数值大。

3、主要应用

1、计算地层孔隙度 2、识别岩性 3、识别气层

4、补偿中子测井曲线的验收标准

1、上井前，在车间用中子刻度筒刻度仪器，在孔隙度为15%的刻度点上，长、短源距计数率比值与标准比值的相对误差应在±10%以内，并将此值传递给现场刻度，传递误差应在±4%以内。

测井前，用现场刻度器检查仪器，长、短源距计数率比值与现场刻度器被传递值的相对误差应在±4%以内，测后刻度与测前刻度在孔隙度为15%处的误差应少于1个孔隙度单位。

2、在标志层曲线幅度值与本地区经验值应符合。

3、重复曲线形状相同，渗透层重复误差规定：孔隙度在10%以内，误差小于1个孔隙度单位；孔隙度10~20%范围内，误差小于2个孔隙度单位；孔隙度在20~30%范围内，误差小于3个孔隙度单位。

六、放射性测井主要岩性变化范围

放射性测井曲线各种岩性骨架数值见表：