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1、第第3章章 核测井核测井一、一、自然伽马测井二、密度测井 三、中子测井三、中子测井第1页/共46页总总 述述 核测井也称作核测井也称作放射性测井放射性测井，是以测量井内介质的各种核物理性质为基础，是以测量井内介质的各种核物理性质为基础，进而研究地质剖面、寻找石油、天然气及其它矿产、并解决钻井和采油过进而研究地质剖面、寻找石油、天然气及其它矿产、并解决钻井和采油过程中各种工程问题的一类地球物理测井方法。程中各种工程问题的一类地球物理测井方法。核测井的定义：核测井的定义：放射性是原子核衰变过程中放出射线的一种性质。放射性是原子核衰变过程中放出射线的一种性质。放射性：放射性：第2页/共46页 核测井
2、方法很多，但是常用的主要两大类：核测井方法很多，但是常用的主要两大类：伽马射线测井伽马射线测井核测井分类：核测井分类：核测井核测井中子测井中子测井第3页/共46页伽马射线测井伽马射线测井自然伽马测井自然伽马测井自然伽马能谱测井自然伽马能谱测井密度测井密度测井岩性密度测井岩性密度测井放射性同位素测井放射性同位素测井第4页/共46页中子测井中子测井热中子测井热中子测井超热中子测井超热中子测井中子伽马测井中子伽马测井中子寿命测井中子寿命测井第5页/共46页 自然伽马测井自然伽马测井是通过测量岩层的自然伽马射线的强度来认识岩层的一是通过测量岩层的自然伽马射线的强度来认识岩层的一种种放射性核放射性核测井
3、方法。测井方法。它是在井内测量岩层中它是在井内测量岩层中天然存在天然存在的放射性元素核衰变过程中放射出来的放射性元素核衰变过程中放射出来的的伽马射线的强度伽马射线的强度。3.1 自然伽马测井自然伽马测井第6页/共46页 最常用的核测井方法最常用的核测井方法 方法简单，易于测量方法简单，易于测量 与岩石中的含泥量关系密切，是判断岩石与岩石中的含泥量关系密切，是判断岩石 性质最常用的资料性质最常用的资料伽马射线能穿透套管伽马射线能穿透套管特点：特点：第7页/共46页自然伽马测井基础自然伽马测井基础 组成物质的基本单位是原子组成物质的基本单位是原子1 1、原子结构、原子结构一、原子与原子核一、原子与
4、原子核第8页/共46页2 2、原子核、原子核原子核原子核中子中子质子质子 质子和中子统称为核子。质子是一个带正电的基本粒子，其荷电量和质子和中子统称为核子。质子是一个带正电的基本粒子，其荷电量和电子的电量相当，实际上就是氢的原子核；中子不带电。电子的电量相当，实际上就是氢的原子核；中子不带电。第9页/共46页3 3、核素与同位素、核素与同位素 原子核的质子数与核外电子数相等，称做原子核的质子数与核外电子数相等，称做原子序数原子序数Z Z。原子的核子数称做。原子的核子数称做质量数质量数A A，因此，因此中子数中子数N NA-ZA-Z。具有相同质子数具有相同质子数Z Z和中子数和中子数N N的一类
5、原子核，称为一种的一类原子核，称为一种核素核素，或把具有相，或把具有相同原子序数同原子序数Z Z和质量数和质量数A A的一类原子核，称为一种的一类原子核，称为一种核素核素。第10页/共46页3 3、核素与同位素、核素与同位素 核素是用它所属的化学元素的符号按下列方式表示：核素是用它所属的化学元素的符号按下列方式表示：X X是元素符号是元素符号 例如：例如：是氧元素的一种核素。是氧元素的一种核素。原子序数原子序数Z Z相同而质量数相同而质量数A A不同的原子核所组成的元素称做不同的原子核所组成的元素称做同位素同位素。如。如第11页/共46页 原子核所具有的能量有高低之分，处于最低能级的叫原子核所
6、具有的能量有高低之分，处于最低能级的叫基态基态；此时原子核稳；此时原子核稳定，叫做定，叫做稳定核素稳定核素。原子核处于高能级时叫原子核处于高能级时叫激发态激发态；此时原子核不稳定，叫做；此时原子核不稳定，叫做不稳定核素不稳定核素。概念：概念：二、稳定核素和放射性核素二、稳定核素和放射性核素第12页/共46页 依据能量守恒定律，不稳定核素的原子核，在其向低能态的转变过程中，部依据能量守恒定律，不稳定核素的原子核，在其向低能态的转变过程中，部分能量以某种射线形式释放，这种现象称作分能量以某种射线形式释放，这种现象称作放射性放射性。不稳定核素也称。不稳定核素也称放射性核放射性核素素。同时，原子核发生
7、的变化则称作。同时，原子核发生的变化则称作原子核衰变原子核衰变。1 1、放射性的性质与天然放射性、放射性的性质与天然放射性 放射性核素分类：放射性核素分类：天然天然人工人工第13页/共46页 放射性核素放射出的射线主要有三种：放射性核素放射出的射线主要有三种：2 2、放射性射线的性质、放射性射线的性质 射线带正电；射线带正电；射线带负电；射线带负电；射线不带电。射线不带电。粒子是氦的原子核；粒子是氦的原子核；粒子就是电子；粒子就是电子；射线为波长极短的电磁波。射线为波长极短的电磁波。第14页/共46页 射线射线的电离能力最强，但穿透能力最差，在空气中仅穿透的电离能力最强，但穿透能力最差，在空气
8、中仅穿透2.62.611.3cm11.3cm；在；在岩石中只有岩石中只有1010-3-3cm.cm.射线射线的电离能力较弱，但穿透能力稍强，在金属中穿透的电离能力较弱，但穿透能力稍强，在金属中穿透0.9mm0.9mm。射线射线的电离能力最小，但穿透能力很强，在空气中穿透几百米，在岩石中几的电离能力最小，但穿透能力很强，在空气中穿透几百米，在岩石中几厘米到几十厘米。厘米到几十厘米。结论：结论：测井中主要用测井中主要用 射线射线第15页/共46页 放射性核素的核衰变不受放射性核素的核衰变不受外界条件外界条件的影响，各原子核之间也无任何联系。的影响，各原子核之间也无任何联系。因此，对某一原子来说，衰
9、变完全是偶发事件，只能用统计规律研究一群原因此，对某一原子来说，衰变完全是偶发事件，只能用统计规律研究一群原子核的衰变情况。子核的衰变情况。三、放射性核素的衰变规律三、放射性核素的衰变规律1 1、核衰变定律、核衰变定律放射性核素的衰变是按指数规律进行的放射性核素的衰变是按指数规律进行的温度、压力衰变系数第16页/共46页 半衰期半衰期T T是指放射性核素的原子核数衰变至初始值一半时所需的时间。是指放射性核素的原子核数衰变至初始值一半时所需的时间。T T表表示衰减的快慢程度，不能表示生存时间。示衰减的快慢程度，不能表示生存时间。2 2、半衰期和平均寿命、半衰期和平均寿命 每个原子核的每个原子核的
10、平均寿命平均寿命：第17页/共46页（1 1 1 1）放射性强度单位）放射性强度单位 放射性强度放射性强度(活度活度)指放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核指放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核数。数。（2 2 2 2）放射性的浓度单位）放射性的浓度单位 单位质量或单位体积的物质放射性强度。单位质量或单位体积的物质放射性强度。四、放射性强度的探测四、放射性强度的探测 1 1、放射性强弱的表示、放射性强弱的表示居里居里(Ci)(Ci)(Ci)(Ci)CiCiCiCig g g g第18页/共46页（3 3 3 3）放射性的剂量单位）放射性的剂量单位（4 4 4 4）APIAPIAPIAPI单
11、位单位 对于对于GRGRGRGR测井，表示物质伽马射线总强度。测井，表示物质伽马射线总强度。1 1、放射性强弱的表示、放射性强弱的表示伦琴伦琴(R)(R)(R)(R)第19页/共46页（1 1 1 1）放电计数管）放电计数管 利利用用放放射射性性辐辐射射使使气气体体电电离离的的特特性性来来探探测测伽伽马马射射线线。结结构构简简单单，一一个个充充气气的的玻玻璃璃管管，内内壁壁一一层层金金属属作作为为阴阴极极，中中间间为为阳阳极极，在在阴阴阳两极间加高压。阳两极间加高压。2 2、放射性强度的探测、放射性强度的探测CRE阴极阳极玻璃管放电计数管工作原理图第20页/共46页 当当伽伽马马射射线线进进入
12、入计计数数管管时时，它它从从金金属属阴阴极极上上打打出出电电子子来来，这这些些具具有有一一定定动动能能的的电电子子在在管管内内运运动动，引引起起管管内内气气体体电电离离，产产生生带带负负电电的的电电子子和和正正离离子子，在在高高压压电电场场的的作作用用下下，电电子子被被吸吸向向阳阳极极，并并受受电电场场的的加加速速作作用用，电电子子获获得得很很大大的的动动能能，在在它它运运动动的的过过程程中中又又使使其其它它分分子子发发生生电电离离，产产生生电电子子和和正正离离子子，这这些些离离子子也也被被电电场场加加速速。这这样样就就有有大大量量的的电电子子产产生生并并到达阳极，引起阳极放电。到达阳极，引起
13、阳极放电。放电计数管工作原理图CRE阴极阳极玻璃管第21页/共46页 通通过过计计数数管管就就有有一一个个负负脉脉冲冲电电流流产产生生，使使阳阳极极电电压压降降低低，形形成成一一个个电电压压负负脉脉冲冲，被被测测量量线线路路记记录录下下来来，接接着着又又有有伽伽马马射射线线进进入入计计数数管管，又又形形成一个电压负脉冲被记录。这种放电计数管的效率成一个电压负脉冲被记录。这种放电计数管的效率1 1 1 12 2 2 2。CRE阴极阳极玻璃管第22页/共46页（2 2 2 2）闪烁计数器）闪烁计数器 由由光光电电倍倍增增管管和和碘碘化化钠钠晶晶体体组组成成。它它是是利利用用物物质质被被伽伽马马射射
14、线线照照射射使使物物质质发发光光的的现现象象来来探探测测伽伽马射线的。马射线的。第23页/共46页 当伽马射线进入当伽马射线进入NaINaINaINaI晶体时，伽马射线从晶体打出电子来，这些电子具有晶体时，伽马射线从晶体打出电子来，这些电子具有较高的能量，它们在晶体中运动，又使被它们碰撞的原子激发，激发态的原较高的能量，它们在晶体中运动，又使被它们碰撞的原子激发，激发态的原子在回到稳定的基态时，就放出闪烁光即光子，这些光子射到光阴极上，发子在回到稳定的基态时，就放出闪烁光即光子，这些光子射到光阴极上，发生光电效应而产生电子。光电子在电场的作用下趋向阳极。在到达阳极的中生光电效应而产生电子。光电
15、子在电场的作用下趋向阳极。在到达阳极的中途，经过聚焦电极和多个打拿极。由聚焦电极将电子聚焦在第一个打拿板上，途，经过聚焦电极和多个打拿极。由聚焦电极将电子聚焦在第一个打拿板上，从打拿极上打出比入射电子更多的电子来，由极性相同、电压递增的几个打从打拿极上打出比入射电子更多的电子来，由极性相同、电压递增的几个打拿极逐渐加快电子的速度，并从打拿极上打出数量逐级倍增的电子来，倍增拿极逐渐加快电子的速度，并从打拿极上打出数量逐级倍增的电子来，倍增后的大量电子进入阳极，形成脉冲电流，使阳极电压下降，产生后的大量电子进入阳极，形成脉冲电流，使阳极电压下降，产生电压负脉冲，电压负脉冲，输入测量电路予以记录。输
16、入测量电路予以记录。第24页/共46页弱弱强强 岩石中含有天然的放射性元素，它们在衰变的过程中放出大量的射岩石中含有天然的放射性元素，它们在衰变的过程中放出大量的射线，所以岩石具有自然放射。可以在井内测量到穿透力很强的伽马射线。线，所以岩石具有自然放射。可以在井内测量到穿透力很强的伽马射线。不同的岩层，放射性元素的含量和种类不同。岩石的放射性元素含量不同的岩层，放射性元素的含量和种类不同。岩石的放射性元素含量与与岩石的岩性岩石的岩性及其及其形成过程形成过程中的各种条件有关。中的各种条件有关。五、岩石的自然放射性五、岩石的自然放射性沉积岩沉积岩变质岩变质岩火成岩火成岩第25页/共46页沉积岩放射
17、性强弱沉积岩放射性强弱硬硬石石膏膏、石石膏膏砂砂岩岩、石石灰灰岩岩泥泥岩岩、泥泥灰灰岩岩钾钾岩岩膨膨润润土土、火火山山灰灰第26页/共46页 一般情况下，沉积岩的放射性主要取决于一般情况下，沉积岩的放射性主要取决于岩层的泥质含量。这是因为：岩层的泥质含量。这是因为：1 1、泥质颗粒细，具有较大的比面，使得它、泥质颗粒细，具有较大的比面，使得它吸附放射性元素的能力较大；吸附放射性元素的能力较大；2 2、沉积时间长，吸附的放射性物质、沉积时间长，吸附的放射性物质多，有多，有充分时间使放射性元素从溶液中分离出来与泥充分时间使放射性元素从溶液中分离出来与泥质颗粒一起沉积下来。质颗粒一起沉积下来。泥岩放
18、射性较强的原因泥岩放射性较强的原因第27页/共46页 测测量量装装置置由由井井下下仪仪器器和和地地面面仪仪器器组组成成。下下井井仪仪器器有有探探测测器器(闪闪烁烁计计数数器器)、放放大大器器、高高压压电源等。电源等。自然伽马测井原理自然伽马测井原理第28页/共46页 当当自自然然伽伽马马射射线线穿穿过过钻钻井井液液和和仪仪器器外外壳壳进进入入探探测测器器经经过过闪闪烁烁计计数数器器，将将伽伽马马射射线线转转化化为为电电脉脉冲冲信信号号，经经放放大大器器把把电电脉脉冲冲放放大大后后由由电电缆缆送送到到地地面面仪仪器器。地地面面仪仪器器把把每每分分钟钟电电脉脉冲冲数数转转变变成成与与其其成成正正比
19、比例例的的电电位位差差进进行行记记录录，并并下下仪仪器器沿沿井井身身移移动动，就就连连续续记记录录出出井井剖剖面面上上自自然然伽伽马马强度曲线，称强度曲线，称GRGR。第29页/共46页1987.3.141987.3.14探测范围为探测范围为303045cm45cm自然伽马测井曲线特点自然伽马测井曲线特点第30页/共46页(1)(1)曲线与地层厚度有关曲线与地层厚度有关 当当h h3d3d时时极极大大值值(或或极极小小值值)随随厚度增加而增大厚度增加而增大(或减小或减小)。当当h h=3d=3d时，曲线与层厚无关。时，曲线与层厚无关。1 1 1 1、理论计算结果、理论计算结果第31页/共46页
20、(2)(2)当当h h3d3d时时 半幅点不能确定界面。半幅点不能确定界面。(3)(3)当当h=3dh=3d时时 地层界面与曲线半幅点对应。地层界面与曲线半幅点对应。曲曲线线对对称称地地层层中中点点，地地层层中中心心位位置置的的平平均均值值为为地地层层的的伽伽马马射射线线强强度度值。值。第32页/共46页2 2 2 2、GRGRGRGR曲线的影响因素曲线的影响因素（1 1 1 1）地层厚度的影响）地层厚度的影响（2 2 2 2）井的影响）井的影响钻井液、井径、套管、水泥环钻井液、井径、套管、水泥环第33页/共46页（3 3 3 3）放射性涨落误差的影响）放射性涨落误差的影响 在在放放射射性性源
21、源强强度度和和测测量量条条件件不不变变的的情情况况下下，在在相相同同的的时时间间间间隔隔内内，对对放放射射性性射射线线的的强强度度进进行行反反复复测测量量，每每次次记记录录的的数数值值不不相相同同，而而且且总总是是在在某某一一数数值值附附近近变变化化，这这种种现现象象叫叫放放射射性涨落。性涨落。第34页/共46页（3 3 3 3）放射性涨落误差的影响）放射性涨落误差的影响 它它和和测测量量条条件件无无关关，是是微微观观世世界界的的一一种种客客观观现现象象，并并且且有有一一定定的的规规律律。这这是是由由于于放放射射性性元元素素的的各各个个原原子子核核的的衰衰变变彼彼此此独独立立，衰衰变变的的次次
22、序序是是偶偶然然原原因因造造成成的的。这这种种现现象象的的存存在在，使使得得自自然然伽伽马马曲曲线线不不光光滑滑，有有许许多起伏的变化。多起伏的变化。各种放射性测井都存在涨落误差。各种放射性测井都存在涨落误差。（4 4 4 4）测井速度的影响）测井速度的影响第35页/共46页应用应用划分岩性划分岩性地层对比地层对比计算泥质含量计算泥质含量自然伽马测井曲线的应用自然伽马测井曲线的应用第36页/共46页 根根据据不不同同的的岩岩性性自自然然伽伽马马射射线线强强度度不不同同可可以以划划分分岩岩性性。在在砂砂泥泥岩岩剖剖面面，纯纯砂砂岩岩GRGR最最低低，粘粘土土最最高高，泥泥质质砂砂岩岩较较低低，泥
23、泥质质粉粉砂砂岩岩和和砂砂质质泥泥岩岩较较高高。即即自自然然伽伽马马随泥质含量的增加而升高。随泥质含量的增加而升高。1 1 1 1、划分岩性、划分岩性第37页/共46页 在在碳碳酸酸盐盐岩岩地地层层中中，纯纯石石灰灰岩岩和和纯纯白白云云岩岩最最低低，泥泥岩岩和和页页岩岩最最高高，泥泥灰灰岩岩较较高高，泥泥质质石石灰灰岩岩，泥泥质质白白云云岩岩界界于于它它们们之之间间，也也是是随随泥泥质质增增加加曲曲线线数数值值增增高。高。第38页/共46页 膏膏盐盐剖剖面面中中，石石膏膏层层的的数数值值最最低低，泥泥岩岩最最高高，砂砂岩在二者之间。岩在二者之间。第39页/共46页2 2 2 2、地层对比、地层
24、对比第40页/共46页2 2 2 2、地层对比、地层对比第41页/共46页2 2 2 2、地层对比、地层对比第42页/共46页 用用自自然然伽伽马马曲曲线线进进行行地地层层对对比比有有如如下下几几个个优优点点：(1)(1)一一般般与与孔孔隙隙流流体体无无关关。储储层层含含油油、含含水水或或含含气气对对曲曲线线影影响响不不大大，或或根根本本没没什什么么影影响响，用用自自然然电电位位和和电电阻阻串串进进行行对对比比，同同一一储储层层由由于于合合流流体体性性质质不不同同差差别别很很大大。含含水水时时自自然然电电位位异异常常幅幅度度大大，电电阻阻率率低低。含含泊泊气气时时异异常常幅幅度度小小，电电阻阻
25、串串高高。(2)(2)与与地地层层水水和和钻钻井井液液的的矿矿化化度度关关系系不不大大。(3)(3)很很容容易易识识别别风风化化壳壳，薄薄的的页页岩岩等等，曲曲线线特特征征明明显显。(4)(4)在在膏膏盐盐剖剖面面及及盐盐水水钻钻井井液液条条件件下下，自自然然电电位位和和电电阻阻率率曲曲线线变变化化较较小小，就就显显示示出出了了 GRGR曲曲线线对对比比的的优优越越性性。（5 5）套套管管井井也也可可以以地地层层对比对比。2 2 2 2、地层对比、地层对比第43页/共46页一一般般情情况况下下，泥泥质质是是控控制制自自然然伽伽马马射射线线强强度度的的主主要要因因素素，所所以以在在一一个个地地区区通通过过岩岩心心分分析析，用用统统计计的的方方法法可可以以找找到到自自然然伽伽马马射射线线强强度度和和泥泥质质含含量量之之间间的关系，利用这种关系的关系，利用这种关系 可以由可以由GRGR确定确定泥质含量。泥质含量。3 3 3 3、计算泥质含量、计算泥质含量北美北美第三系地层第三系地层：GCUR=3.7;GCUR=3.7;老地层老地层：GCUR=2GCUR=2第44页/共46页第45页/共46页感谢您的观看！第46页/共46页