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1、放射性测井之自然伽马测井第1页，此课件共31页哦核物理基础知识核物理基础知识1）原子的结构：原子核（质子）原子的结构：原子核（质子+中子）中子）+核外电子核外电子2）放射性核素）放射性核素核素核素：原子核中具有相同数量的质子和中子并在同一能态上的同类原子：原子核中具有相同数量的质子和中子并在同一能态上的同类原子（同类核素的原子核中质子数和中子数都相同）。（同类核素的原子核中质子数和中子数都相同）。放射性核素放射性核素：不稳定的核素：不稳定的核素（其结构和能量都会发生改变，其结构和能量都会发生改变，衰变成其他核素，并放出射线）。衰变成其他核素，并放出射线）。同位素同位素：原子核中质子数相同而中子
2、数不同，但具有相同的化学性质，：原子核中质子数相同而中子数不同，但具有相同的化学性质，在元素周期表中占有同一位置。在元素周期表中占有同一位置。放射性同位素：不稳定的同位素。放射性同位素：不稳定的同位素。放射性：不稳定核素原子核自发地释放放射性：不稳定核素原子核自发地释放、等射线等射线一、核衰变及放射性一、核衰变及放射性第2页，此课件共31页哦3）核衰变核衰变核衰变：原子核自发地释放出一种带电粒子，并蜕变成另外某种原子核，核衰变：原子核自发地释放出一种带电粒子，并蜕变成另外某种原子核，同时放出伽马射线。同时放出伽马射线。核衰变常数核衰变常数：决定于该放射性核素本身的性质，其值越大衰变越快。：决定
3、于该放射性核素本身的性质，其值越大衰变越快。一种元素经过放射变成另一种元素的过程称为衰变或蜕变。一种元素经过放射变成另一种元素的过程称为衰变或蜕变。例如例如88Ra22686Rn212+(粒子粒子)衰变衰变镭镭氡氡(注：原子核的表示方法注：原子核的表示方法ZXAX元素符号，元素符号，Z为质子数，为质子数，A为质量数为质量数A=N+Z)4)放射性强（活）度放射性强（活）度一定量的放射性核素，在单位时间内发生衰变的核数。一定量的放射性核素，在单位时间内发生衰变的核数。放射性强（活）度的单位，放射性强（活）度的单位，1居里居里(Ci)=3.71010次衰变次衰变/秒秒5）放射性射线的性质）放射性射线
4、的性质2He4流，极易被吸收，电离本领强，在物质中穿透距离很小。流，极易被吸收，电离本领强，在物质中穿透距离很小。高速运动的电子流，在物质中穿透距离较短。高速运动的电子流，在物质中穿透距离较短。频率很高的电磁波或光子流，不带电，能量高，穿透力强。频率很高的电磁波或光子流，不带电，能量高，穿透力强。第3页，此课件共31页哦6)衰变规律衰变规律对对含含有有一一大大堆堆原原子子的的放放射射性性物物质质来来说说，其其中中某某一一个个原原子子何何时时放放射射衰衰变变完完全全是是偶偶然然的的，无无法法预预计计的，但是对许多原子的整体来说，某一时刻平均有多少原子发生衰变是符合统计规律的。的，但是对许多原子的
5、整体来说，某一时刻平均有多少原子发生衰变是符合统计规律的。这这一一规规律律是是：某某一一时时刻刻的的衰衰变变率率dN/dt(单单位位时时间间衰衰变变的的原原子子核核数数)与与当当时时存存在在的的原原子子核核数数N，二者成正比，二者成正比即即dN/dt=N 为衰变系数为衰变系数(比例系数比例系数)，负号表示原子核数随时间的增长而减小。，负号表示原子核数随时间的增长而减小。积分得到：积分得到：N=Noe-tNo为最初参与衰变的原子核数为最初参与衰变的原子核数(t=0时，时，N=No)N为衰变之中为衰变之中t时刻存在的原子核数时刻存在的原子核数第4页，此课件共31页哦7）半衰期半衰期T以最先参与衰变
6、的原子核数以最先参与衰变的原子核数No为基数，衰变成为基数，衰变成No/2时，经历时间为时，经历时间为T，即：当即：当N=No/2时所需的时间时所需的时间No/2=Noe-T得到得到Tln2/=0.693/元素名称元素名称半衰期半衰期92U238铀铀4.47109年年K40钾钾1.28109年年Co60钴钴5.27年年Cs137铯铯30年年各种物质的衰变系数不同，所以半衰期不同，地质上可利用半衰期很各种物质的衰变系数不同，所以半衰期不同，地质上可利用半衰期很长的元素来确定地层的地质年代。如：长的元素来确定地层的地质年代。如：第5页，此课件共31页哦二、天然放射性的衰变性质二、天然放射性的衰变性
7、质 1、天然放射性的来历1）成系的）成系的(重元素重元素:原子序数原子序数81)铀系铀系92U23882Pb206(铅铅)钍系钍系90Th23282Pb208(铅铅)锕系锕系89Ac22782Pb207(铅铅)i)此三系通过此三系通过、衰变，最后达到稳定的铅同位素衰变，最后达到稳定的铅同位素82Pb206(铅铅)ii)在在，衰变的过程中，放出衰变的过程中，放出、粒子，伴随放出粒子，伴随放出 射线。射线。2）不成系的不成系的(中等元素中等元素:原子序数原子序数30Z81)主要是钾主要是钾19K3919K4019K41其中，其中，19K40是不稳定的元素是不稳定的元素,它随时都可能放出它随时都可能
8、放出 射线射线第6页，此课件共31页哦2、天然放射性的衰变性质、天然放射性的衰变性质1)天然放射性衰变分为天然放射性衰变分为：衰变衰变、衰变和衰变和 衰变衰变 衰变：放出衰变：放出 射线的衰变。射线的衰变。通式为：通式为：ZXAZ-2YA-4+(两个正电荷两个正电荷)例如：例如：衰变衰变92U23890Th234+衰变：放出衰变：放出 射线的衰变。射线的衰变。通式为：通式为：Z ZX XA A Z+1Z+1Y YA A+(一个负电荷一个负电荷)例如：例如：衰变衰变 9090ThTh234234 9191PaPa234234+衰变：放出衰变：放出 射线的衰变。射线的衰变。射线通常是在射线通常是在
9、、衰变的过程中伴随放出的。衰变的过程中伴随放出的。第7页，此课件共31页哦2)、和和 射线比较射线比较射射线线种种类类 射射线线 射射线线 射射线线产产生原因生原因 衰衰变变放出放出 衰衰变变放出放出、衰衰变变伴随放出伴随放出实实物物氦氦(2He4)原子核流原子核流高速运高速运动动的的电电子流子流频频率很高的率很高的电电磁波磁波波波长长3x10-1110-9cm波速近似于光速波速近似于光速带电带电性性2He4带带有两个有两个质质子子两个正两个正电电荷荷每个每个 粒子粒子带带有一个有一个负电负电荷荷不不带电带电能量能量410MeV1 MeV0.055MeV穿透能力穿透能力空气中空气中2.6-11
10、.5cm岩石中岩石中103 cm空气中空气中几十几十cm岩石中岩石中几几cm空气中空气中几百几百cm岩石中岩石中几十几十cm测测井能否利用井能否利用不能不能不能不能能能第8页，此课件共31页哦三、岩石的天然放射性三、岩石的天然放射性UThK 射线射线第9页，此课件共31页哦1 1、火成岩的放射性、火成岩的放射性几点规律：几点规律：1)火成岩所含放射性零散而不均匀火成岩所含放射性零散而不均匀2)酸性酸性中性中性基性基性超基性超基性SiO2的含量的含量大大小小颜色颜色浅浅深深放射性元素含量放射性元素含量大大小小3)火成岩放射性元素主要是：钍火成岩放射性元素主要是：钍(Th)钾钾(K)铀铀(U)镭镭
11、(Ra)第10页，此课件共31页哦2、沉积岩的放射性、沉积岩的放射性几点规律：几点规律：1)沉沉积积岩岩本本身身不不含含有有放放射射性性元元素素，其其放放射射性性元元素素来来自自火火成成岩岩。我我们们知知道道机机械械和和化化学学力力的的综综合合侵侵蚀蚀作作用用以以及及搬搬运运产产生生了了沉沉积积岩岩，由由于于搬搬运运和和沉沉积积的的环环境境不不同同，使使各各种种沉沉积岩的放射性元素的含量产生了差异积岩的放射性元素的含量产生了差异。2)沉积岩的放射性强度取决于沉积岩的放射性强度取决于泥质含量泥质含量(粘土含量粘土含量)原因：原因：a.粘土颗粒细，具有较大的粘土颗粒细，具有较大的比面比面（吸附放射
12、性元素的能力强）（吸附放射性元素的能力强）b.粘土颗粒细，沉积的时间长（有充分的时间与放射性元素接触）粘土颗粒细，沉积的时间长（有充分的时间与放射性元素接触）c.粘土沉积物中有含粘土沉积物中有含钾矿物钾矿物（如：水云母、正长石等（如：水云母、正长石等)3)沉积物的颜色由沉积物的颜色由浅浅深深，其放射性强度由，其放射性强度由小小大大。4)随钾含量的增大，放射性强度增大。随钾含量的增大，放射性强度增大。5)孔隙度孔隙度 和和渗透率减小，放射性强度增大。渗透率减小，放射性强度增大。第11页，此课件共31页哦3、变质岩的放射性、变质岩的放射性变质岩的放射性取决于变质岩的变质岩的放射性取决于变质岩的源岩
13、源岩正变质岩：由火成岩变质而来正变质岩：由火成岩变质而来副变质岩：由沉积岩变质而来副变质岩：由沉积岩变质而来例如某井：例如某井：正片麻岩正片麻岩副片麻岩副片麻岩角闪岩角闪岩榴辉岩榴辉岩蛇纹岩蛇纹岩大大小小自然自然伽马伽马第12页，此课件共31页哦第一节第一节自然伽马测井自然伽马测井GammaRayLoggingGR测井是以研究岩测井是以研究岩层天然放射性为层天然放射性为基基础础，进而研究岩层，进而研究岩层性质和有关地质问性质和有关地质问题的一种测井方法题的一种测井方法第13页，此课件共31页哦一、自然伽马测井原理一、自然伽马测井原理 GR测井仪工作原理测井仪工作原理第14页，此课件共31页哦一
14、、自然伽马测井原理一、自然伽马测井原理 1)射射线线探探测测器器探探测测到到地地层层的的 射射线线，并并将将 射射线线变变换换成成电电脉脉冲冲信信号号(每每一一道道 射射线变换成一个电脉冲信号线变换成一个电脉冲信号)。2)此电脉冲信号送入井下的放大器进行放大。此电脉冲信号送入井下的放大器进行放大。3)放放大大的的脉脉冲冲信信号号送送入入地地面面的的放放大大器器进进行行放放大大（其其原原因因是是脉脉冲冲信信号号经经电电缆缆传传输输后会衰减后会衰减)。4)由由于于脉脉冲冲信信号号中中混混合合了了一一些些干干扰扰信信号号，需需经经过过鉴鉴别别器器进进行行鉴鉴别别，排排除干扰。除干扰。5)将一些畸变的
15、脉冲信号送入整形器进行整形。将一些畸变的脉冲信号送入整形器进行整形。6)归归一一后后的的波波形形送送入入计计数数电电路路记记录录单单位位时时间间内内脉脉冲冲个个数数，最最后后得得到到自自然然伽伽马马测井曲线。测井曲线。(单位：脉冲单位：脉冲/分钟分钟)第15页，此课件共31页哦砂泥岩剖面砂泥岩剖面GR曲线曲线GR(API)SSSNNSNSN第16页，此课件共31页哦探测半径：探测半径：煤、金属矿钻孔直径：煤、金属矿钻孔直径：d20cm探测半径：探测半径：R=2545cm油气田钻孔直径油气田钻孔直径:d 30cm探测半径：探测半径：R=3050cmab段段：探探测测器器远远离离界界面面，直直到到
16、探探测测器器中中点点离离界界面的距离为面的距离为R，探测器的探测范围内是低放射性物质。，探测器的探测范围内是低放射性物质。bcd段段：探探测测器器上上移移过过界界面面，直直到到探探测测器器中中点点离离界界面面的距离为的距离为R。1)随随探探测测器器上上移移，探探测测器器探探测测范范围围内内的的高高放放射射性性物物质质逐逐渐渐增增大大，使使曲曲线线上上升升，直直到到探探测测器器中中点点离离底底界界面面的距离为的距离为R时为止。时为止。2)探探测测器器中中点点位位于于界界面面时时，探探测测范范围围内内的的高高低低放放射射性物质各占一半，所以此点为曲线的半幅值点。性物质各占一半，所以此点为曲线的半幅
17、值点。de段段：探探测测器器中中点点离离底底界界面面的的距距离离为为R时时开开始始，直直到到探探测测器器中中点点离离顶顶界界面面的的距距离离为为R时时为为止止。探测器的探测范围内是高放射性物质探测器的探测范围内是高放射性物质efg段：分析方法同段：分析方法同bcd段。段。gh段段:分析方法同分析方法同ab段。段。注注：薄层用薄层用2/3幅值分层幅值分层。二、自然伽马测井曲线分析二、自然伽马测井曲线分析第17页，此课件共31页哦 1、刻度的意义和分级、刻度的意义和分级意意义义：为为了了使使不不同同仪仪器器，或或者者同同一一仪仪器器在在不不同同的的时时间间，对对同同一一的的地地层层的测定结果能够作
18、定量比较，必须进行仪器刻度。的测定结果能够作定量比较，必须进行仪器刻度。（就就好好比比用用不不同同的的秤秤，或或者者同同一一秤秤在在不不同同的的时时间间对对某某一一东东西西进进行行秤秤量量，其其结果应该一样，否则就应该对秤进行统一刻度结果应该一样，否则就应该对秤进行统一刻度)。刻度分级：刻度分级：一级刻度：国家级的统一的标准称为一级刻度（标准刻度井）。一级刻度：国家级的统一的标准称为一级刻度（标准刻度井）。二二级级刻刻度度：各各制制造造厂厂和和大大的的油油田田建建立立区区域域级级的的标标准准称称为为二二级级刻刻度度（刻度装置或刻度井）。（刻度装置或刻度井）。三级刻度：一般现场使用的标准称为三级
19、刻度（刻度器、刻度块）。三级刻度：一般现场使用的标准称为三级刻度（刻度器、刻度块）。要求：低级别的刻度装置必须用高一级刻度装置进行检查。要求：低级别的刻度装置必须用高一级刻度装置进行检查。三、自然伽马测井仪的刻度三、自然伽马测井仪的刻度Calibration第18页，此课件共31页哦2、API标准刻度井标准刻度井休斯顿大学的休斯顿大学的API标准井标准井高放射性高放射性U 12ppmTh 24ppmK 4%混凝土混凝土混凝土混凝土混凝土混凝土低放射性低放射性物质物质低放射性低放射性物质物质N高高为高放射性混凝土中的为高放射性混凝土中的读数；读数；N低低为低放射性混凝为低放射性混凝土中的读数土中
20、的读数AmericaPetroleumInstitute-API第19页，此课件共31页哦1、岩层厚度、岩层厚度(1)h6roh增大，幅值不再增大增大，幅值不再增大用半幅值点分层用半幅值点分层(2)h6roh减小，幅值减小减小，幅值减小用用2/3幅值点分层幅值点分层ro井眼半径井眼半径井眼、邻层影响井眼、邻层影响四、自然伽马测井曲线的影响因素四、自然伽马测井曲线的影响因素 第20页，此课件共31页哦2、统计起伏、统计起伏(也称统计涨落也称统计涨落)1)1)现象现象泥泥岩岩的的放放射射性性含含量量是是均均匀匀的的，但但在在同同一一岩岩层层的的各各点点读读数数不不一一样样其其读读数数在在平平均均计
21、计数率数率n上下波动上下波动。经理论计算得到：经理论计算得到：绝对误差绝对误差2)2)产生的原因：衰变规律产生的原因：衰变规律3)3)统统计计涨涨落落的的定定义义：在在放放射射性性源源强强不不变变，测测量量条条件件不不变变的的情情况况下下，在在相相等等的的时时间间间间隔隔内内，重重复复观观测测放放射射性性强强度度，每每次次记记录录的的数数值值不不同同，总总是是在在某某一一数数值值(平平均均值值)上上下下波波动动，这这种种现现象称为放射性涨落。象称为放射性涨落。为仪器时间常数为仪器时间常数第21页，此课件共31页哦3、井参数的影响、井参数的影响自然伽马射线强度的吸收方程自然伽马射线强度的吸收方程
22、u为系数吸收，为系数吸收，L为物质的厚度；为物质的厚度；J o与与J 为伽马射线吸收前后的强度。为伽马射线吸收前后的强度。与井参数有关的几种吸收系数与井参数有关的几种吸收系数物物质质钢钢水泥水泥环环泥泥浆浆清水清水空气空气u0.5cm-1二者之二者之间间0.10.2cm-1二者之二者之间间0.1cm-1第22页，此课件共31页哦五、自然伽马测井的应用五、自然伽马测井的应用1、划分岩性、划分岩性2、确定泥质含量、确定泥质含量3、划分煤层（煤层厚度、深度）、划分煤层（煤层厚度、深度）4、其他（地层对比、沉积微相等）、其他（地层对比、沉积微相等）第23页，此课件共31页哦1、划分岩性、划分岩性1）砂
23、泥岩剖面）砂泥岩剖面粗砂岩粗砂岩中砂岩中砂岩细砂岩细砂岩泥岩泥岩J 小小大大SP幅度幅度大大小小Ra大大小小Vsh小小大大2)膏盐剖面膏盐剖面钾岩钾岩泥岩泥岩砂岩及其它岩石砂岩及其它岩石岩盐、石膏岩盐、石膏GR特高特高高高中等中等最低最低3)碳酸盐岩剖面碳酸盐岩剖面泥岩泥岩泥质灰岩、泥质白云岩泥质灰岩、泥质白云岩纯石灰岩、白云岩纯石灰岩、白云岩 GR 最高最高中等中等最低最低GR(API)第24页，此课件共31页哦砂泥岩剖面砂泥岩剖面第25页，此课件共31页哦第26页，此课件共31页哦2、确定泥质含量、确定泥质含量泥泥质质含含量量与与自自然然伽伽马马射射线线强强度度成成正正比比，推推导导计计算
24、算泥泥质质含含量量的的方方法法同同自自然然电电位位，可可推导得到的计算泥质含量公式如下：推导得到的计算泥质含量公式如下：式中式中GR、GRmax、GRmin分别为待研究地层、纯泥岩、纯砂岩的自然伽马测井强度。分别为待研究地层、纯泥岩、纯砂岩的自然伽马测井强度。C 3.7新地层新地层C 2.0老地层老地层（1）不同地层中粘土矿物放射性是相同的）不同地层中粘土矿物放射性是相同的（2）除了粘土矿物之外，不含有其他放射性矿物）除了粘土矿物之外，不含有其他放射性矿物应用条件：应用条件：进行非线性校进行非线性校正正:第27页，此课件共31页哦Shale lineVsh=100%Sand lineVsh=0
25、GRmaxGRmin第28页，此课件共31页哦GRVsh第29页，此课件共31页哦4、其它、其它1)地层对比地层对比J 与岩石孔隙中的流体与岩石孔隙中的流体(油或水油或水)的性质无关；的性质无关；J 与地层水、泥浆的矿化度无关；与地层水、泥浆的矿化度无关；J 曲线的标准层容易获得。曲线的标准层容易获得。2)沉积环境分析沉积环境分析J、SP、Ra与与岩岩层层的的粒粒度度、分分选选性性、泥泥质质含含量量密密切切相相关关，而而这这几几个个量量与与沉沉积积环环境境密密切切相相关关，所所以以可可以以利利用用J、SP、Ra进进行行沉积环境分析。沉积环境分析。3、划分煤层（煤层厚度、深度）、划分煤层（煤层厚度、深度）1)煤中的有机质与无机质都不含放射性物质，所以煤中的有机质与无机质都不含放射性物质，所以GR低低2)煤的煤的GR与煤的灰分含量有关与煤的灰分含量有关第30页，此课件共31页哦地层对比地层对比第31页，此课件共31页哦