测井教程第8章 密度测井

第八章密度测井（densitylog）密度测井是孔隙度测井法，它是通过测定井下岩石的体积密度来研究岩石特性和孔隙度的。密度测井就方法的物理基础而言，是属于放射性测井。它在于测量由伽玛源放出的伽玛射线与周围物质相互作用之后所产生的散射伽玛射线的强度。由于该强度与岩石的体积密度有关，所以称之为密度测井。第八章密度测井（densitylog）一、密度测井的基础1．伽玛射线与物质的相互作用由放射性元素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，伽马射线穿过物质时，根据其能量不同，主要产生光电效应、康普顿效应以及电子对效应。（1）光电效应，能量＜0.25MeV；（2）康普顿效应0.25-2.MeV；（3）电子对形成＞1.02MeV（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（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。实际上，γ射线在物质中的吸收系数μ是光电效应、康普顿和电子对效应的综合作用，总吸收系数μ可以写成：吸收系数μ除了和吸收物质的组成元素及γ射线的能量有关外，还和物质结构，即致密程度有关。因此，常常用质量吸收系数μm代替μ，μm＝μ/ρ。ρ是物质的体积密度。从图上可以看出，在不同能量范围内，三种效应起不同的作用，并且在一定能量下，每一种吸收效应的相对重要性，也随着吸收物质的Z值而不同。对于较轻的元素(大多数构成造岩矿物的元素)，当γ射线能量在0.25—2.5MeV之间时，γ射线的吸收几乎完全是由康普顿效应造成。目前，密度测井使用的伽马射线源，一般是铯137(55Cs137)或钴60(27Co60)，其放出的伽马射线的能量不是太高，如铯137辐射的伽马射线能量为0.66MeV。因此，它与岩石作用时，主要产生康普顿效应，并散射伽马射线。密度测井就在于测量这种散射伽马射线的强度。2康普顿散射吸收截面σ前已述及伽马射线通过物质时，与物质发生作用，发生光电效应、康普顿散射、电子对效应，其能量不断减弱、能量逐渐减小，伽马射线逐渐被吸收。伽马射线被吸收的程度与物质的吸收系数有关，它由电子对效应、康普顿效应和光电效应这几部分的吸收系数所决定。对于密度测井所用伽马源放出的伽马射线的能量而言，吸收系数主要取决于康普顿散射系数。也就是取决于康普顿散射吸收截面σ：AZNbAe式中：δe为每个电子的康普顿散射截面，当伽马射线的能量在0.25-2.5MeV的范围内，它可看成常数；NA为亚佛加德罗常数，为6.02486×1023／克分子；Z为原子序数；A为克分子量；ρb岩石的体积密度。对于沉积岩中大多数元素和岩石来讲，Z/A的比值均接近于0.5因此，康普顿散射吸收系数（截面σ）仅与岩石的体积密度有关bAeN5.0二、密度测井的理论基础与补偿密度测井的基本测量方法1．密度测井的基本原理通常用Cs137作伽马源，它发射的伽马射线具有中等能量(0.66MeV)，用它照射物质只能产生康普顿散射和光电效应。由于地层的密度不同，则对伽马光子的散射和吸收的能力不同，探测器接收到的伽马光子的计数率也就不同。通过距离为L的伽马光子的计数率为LeNN0对于密度测井所用伽马源放出的伽马射线的能量而言，吸收系数μ主要取决于康普顿效应。所以ALZNbAeeNN/0由于沉积岩的Z／A=0.5，故LNbAeeNN20二、密度测井的理论基础与补偿密度测井的基本测量方法由于NA是常数，实际测井时，N0(源强度)、L(探测器离伽马源的距离)也是常数；另外，沉积岩中元素原子的微观散射截面δe也基本上为恒定值。因此，在离伽马源距离为L处，探测器所接收到的散射伽马射线强度N就是介质体积密度的函数。由式中可看出，介质的体积密度越大，散射伽马射线强度就低，反之就高。因此，测量散射伽马射线强度的大小能反映岩石的体积密度值。密度测井就是利用此原理进行测井的。实际在进行密度测井时，井下仪器中放入一个伽马射线源，并在离伽马源一定距离处放置一个伽马射线探测器(如闪烁计数器)以测定散射伽马射线的强度。LNNNbAe2lnln0二、密度测井的理论基础与补偿密度测井的基本测量方法在源距选定后，对仪器进行刻度，找到散射伽马射线强度N和介质体积密度ρb的定量关系，则记录散射伽马射线强度（记数率）就可以测得地层的密度。在具体测井时，为了防止由伽马源直接辐射进入探测器的伽马射线，在伽马源与探测器之间安置铅屏以屏蔽这部分射线。需要指出的是，在目前所使用伽马源的能量情况下，密度测井的探测深度很浅，通常仅十多厘米。因此，井孔的影响相当严重。根据理论计算证明，当仪器处在井内泥浆中进行测量时，由泥浆散射进入接收器的伽马射线大大超过其周围岩石，所以，用这种方式进行测井是十分不利的。二、密度测井的理论基础与补偿密度测井的基本测量方法为了克服井孔对密度测井结果的影响，目前使用的密度测井仪均采用推靠装置将装有伽马源和探测器的一臂推向井壁进行测量。同时将伽马源放在一个带定向窗口的铅屏内，使之只向一个方向发射，探测器也定向放置，以增强对岩层散射伽马射线的记录。采用这种装置之后，可以大大减小井孔的影响，但井壁不规则、仪器与井壁接触不良，特别是有意义地层上泥饼的影响等仍不可能消除。为使密度测井结果能较可靠地反映被探测岩石的体积密度，目前广泛使用补偿密度测井。即利用长、短两种源距的测量结果，通过一定的计算，以求得在泥饼影响条件下被探测岩石的真实体积密度值。二、密度测井的理论基础与补偿密度测井的基本测量方法2.补偿密度测井原理右图是常用的密度测井仪示意图，它包括一个伽马源，两个接收伽马射线的探测器，即长源距探测器和短源距探测器。它们安装在滑板上，测井时被推靠到井壁上。在下井仪器的上方装有辅助电子线路。为了说明在有泥饼存在情况下，用长、短源距测量结果确定岩石真实体积密度的原理，我们先讨论泥饼的实际影响情况。二、密度测井的理论基础与补偿密度测井的基本测量方法2.补偿密度测井原理右图是常用的密度测井仪示意图，它包括一个伽马源，两个接收伽马射线的探测器，即长源距探测器和短源距探测器。它们安装在滑板上，测井时被推靠到井壁上。在下井仪器的上方装有辅助电子线路。为了说明在有泥饼存在情况下，用长、短源距测量结果确定岩石真实体积密度的原理，我们先讨论泥饼的实际影响情况。由式可知，在源距一定的情况下，到达探测器的散射伽马射线强度的对数值与仪器周围介质的体积密度具有线性关系。因此当不存在泥饼时，不同密度的岩石，长、短源距计数率NL和Ns在双对数坐标图上得出的交会点应落在一条直线上，如图中倾斜角为α的直线。在该图版上，这条线称为“脊线”。LNNNbAe2lnln0当被探测岩石的井壁上有泥饼时，由于泥饼对长、短源距计数率的影响程度不同，通常由于短源距探测器探测深度浅，受泥饼影响比长源距探测器大，故图上的交会点就会偏离脊线。这种偏离可以有两种情况。一种是当泥饼的密度小于岩石的密度时，泥饼的影响使得长、短源距计数率有所增高，且因短源距计数率增高更显著，于是，图上的交会点将偏离所探测岩石的实际密度值而落在脊线的右上方。另一种情况是当泥饼的密度大于岩石的密度时(如含重晶石的泥饼)，泥饼的影响使得长、短源距计数率降低，且因短源距计数率的降低更显著，于是，图上的交会点将落在脊线的左下方。泥饼的这种影响，除了与泥饼的密度有关以外，还与它的厚度有关。对于一定密度的岩石，由不同泥饼的密度和厚度这两种因素综合影响的结果，其交会点所构成的线叫“肋线”。不同密度的岩石均可以作出这样的一条肋线，从而构成如图所示的“脊肋图”。该图说明，在有泥饼影响时，决定密度测井计数率的变量只有两个：一个是岩石的密度；另一个是泥饼密度和厚度的结合变量。因而，用长、短源距分别测得的计数率，就可以像解联立方程一样单值地确定岩石的密度。如在脊肋图上，我们可根据长、短源距测得的计数率确定一个点，由该点沿着肋线移动与脊线相交于某一个点，交点所指出的密度值便是岩石的真密度。其求解原理是：有泥饼影响时，密度测井测得的视密度ρa(将计数率进行刻度获得)是岩石真密度与泥饼参数共同影响的结果，即长源距为式中：（ρa）L为长源距测得的视密度。XL为加权系数(即在整个探测范围内，泥饼影响所占的百分数)。则岩石部分的影响为1-XL。XL与仪器装置、源距以及泥饼参数和岩石参数等因素有关。（ρmc）1为泥饼参数，它与泥饼密度和厚度有关。同理，短源距有式中（ρa）s为和Xs分别为短源距的视密度和加权系数。bLmcLLaXX11bsmcssaXX11当仪器的装置条件一定时，一定的泥饼密度和厚度范围内，可认为XL和Xs是常数，即K为常数。K的具体数值可通过脊肋图求得。因此，根据长源距测得的视密度(ρa)L加上一个校正值Δρ便可获得地层的真密度ρb。在密度测井的地面仪器中设有求解上述方程的计算器。它先求出Δρ，然后将Δρ与(ρa)L相加便得ρb。因此，在实际测井时，通常都同时记录ρb和Δρ两条曲线。另外，这种仪器还可记录一条井径和一条自然伽马曲线。saLaLabk1)(1lsxxk若令saLak1则Lab三、密度刻度为了将密度测井测得的计数率转换成密度值，即直接用密度的单位(g／cm3)记录测井曲线，需对密度测井仪进行刻度。这种刻度有三种形式：一级刻度：是在标准的刻度井内进行的刻度。在该刻度井内至少应有三种不同密度值的模拟地层。例如美国休斯顿大学的刻度井中有三个不含泥质的纯石灰岩地层，其密度值经准确测定为2.26g／cm3(沃斯汀灰岩)、2.405g／cm3(印第安纳灰岩)和2.68g／cm3(伽太基大理石)。将密度测井仪在这种地层上进行测量便可对其测量结果刻度成密度值。二级刻度：利用根据标准刻度井制作的刻度器对仪器进行制度为二级刻度。这种刻度器通常为圆柱状或半圆柱状的铝块或镁块，其密度分别为Al2.7g/cm3Mg1.76g/cm3可用以在室内校验仪器。三级刻度：一种便携式带标定源的刻度器。利用标定源所放出已知强度的信号模拟某种地层密度放射伽玛射线强度。常用于现场对仪器进行刻度。四、地质应用在石油勘探中，密度测井的基本用途是确定岩层的孔隙度。密度测井同其他测井方法相配合，对于判断岩性和划分气层也有着重要的作用。1.确定岩层的孔隙度确定岩层孔隙度是密度测井的主要用途。若有孔隙度为φ，骨架密度、孔隙流体密度和岩层体积密度分别为ρma、ρf、ρb的纯岩石，则其体积密度和孔隙度的关系是：不同的岩性，其骨架密度不同，砂岩一般为2.65，石灰岩为2.71，白云岩为2.87。在已知岩性和孔隙流体的情况下，就可由密度测井确定岩层孔隙度。fmab)1(fmabma2.确定岩性砂岩2.65g/cm3、石灰岩2.71g/cm3、白云岩2.87g/cm3、硬石膏2.98g/cm3、盐岩2.03g/cm33.密度曲线与中子曲线重叠可用于识别气层天然气相对于地层水和石油而言，其密度很低，密度测井时，其密度值也较低，故由上式计算的孔隙度比实际孔隙度偏大，而在中子测井曲线上气层表现为低孔