放射性测井

地球物理测井资源与环境学院桑琴2007年7月第三章核测井（放射性测井）核测井（放射性测井）：以物质的原子核物理性质为基础的一组测井方法。它是根据岩石及其孔隙流体和井内介质（套管、水泥等）的核物理性质，研究钻井地质剖面，寻找有用矿藏，研究油田开发工程的一类测井方法。核测井的适用条件：一般的泥浆井、油基泥浆井、高矿化度泥浆井、空气钻井（裸眼井、套管井）核测井的优点：它是唯一能够确定岩石及其孔隙流体化学元素的含量的测井方法地球物理测井—核测井伽马测井的核物理基础地球物理测井—核测井伽马测井的核物理基础一、原子核的衰变及放射性1、原子的结构原子：由原子核及其核外电子层组成的一种很微小的粒子。原子核由质子和中子组成2、同位素同位素：质子数相同的同一类原子。例：氢的同位素：氕、氘、氚地球物理测井—核测井伽马测井的核物理基础3、核衰变核衰变：放射性元素的原子核自发地释放出一种带电粒子（或），蜕变成另外某种原子核，同时放射出伽马（）射线的过程。放射性：自发地释放出、，射线的性质放射性核衰变的规律：放射性核数随时间按指数递减的规律变化即：teNN0N:放射性元素个数t:时间：衰变系数地球物理测井—核测井伽马测井的核物理基础半衰期：从N0个原子开始衰变到N0/2时所经历的时间。用T表示：2lnT放射性元素不同，其半衰期也不同，见P1354、放射性射线的性质核衰变放出三种射线：、、地球物理测井—核测井伽马测井的核物理基础射线射线能量衰减快、穿透能力弱射程短带电射线是频率很高的电磁波、能量高穿透能力强射程长中性粒子射线不是由核衰变产生的，是由特殊的中子源产生的，特点是：能量高、穿透力强探测器能探测到的射线：中子射线、射线地球物理测井—核测井伽马测井的核物理基础二、常用GR强度单位1、放射性强度单位1居里：单位时间内发生衰变的原子核数。1居里=1克镭的源强=1克镭当量/克（每克物质的放射性强度单位相当于1克镭）=3.7*1010次/秒2、放射性剂量单位单位质量的物质被射线照射时所吸收的能量来度量射线强度为放射性剂量。用伦琴表示。而测井用的单位是微伦琴/小时，单位时间内的射线剂量为剂量率。地球物理测井—核测井伽马测井的核物理基础3、条件单位测井时记录的是单位时间的脉冲数，不同的仪器记录器在统一标准下刻度。采取相同的单位：微伦琴/小时API三、核衰变的统计涨落同一放射性元素在相同的时间间隔内，衰变次数不完全相同，总是围绕一平均值上下起伏。统计涨落是由核衰变本身的特性所决定的，与环境和人的因素无关。地球物理测井—核测井伽马测井的核物理基础它由光电倍增管和碘化钠晶体组成。它是利用被伽玛射线激发的物质的发光现象来探测射线的。伽玛射线碘化钠晶体光电倍增管电子数逐级倍增大量电子最后到达阳极使阳极电压瞬时下降产生电压负脉冲，输入测量线路予以记录用单位时间记录的脉冲数来反映伽玛射线的强度地球物理测井—核测井自然伽马测井GR测量的是岩层的自然放射性强度（不用任何放射性源）一、岩石的自然放射性岩石中主要的放射性元素：92U23890Th23219K40岩石的自然放射性强度主要取决于其三者的比例，其含量与岩性以及形成过程中的物理化学条件有关，因此，岩性不同，GR不同。火成岩变质岩沉积岩地球物理测井—核测井自然伽马测井沉积岩骨架不含重矿物，除钾岩外，其他岩石本身基本上不含放射性，但在形成过程中会多少地吸附些放射性元素。强度最低的：硬石膏、石膏、不含钾的盐岩强度较低的：砂岩、灰岩、白云岩强度较高的：浅海相和陆相沉积的泥岩、泥灰岩、钙质泥岩、含砂泥岩等强度高的：钾岩、深水泥岩、页岩强度最高的：放射性软泥、澎土岩、火山灰除了钾岩及骨架含放射性元素的岩石外，岩石的GR强度随岩石颗粒变细而增加。通常情况下：地层的GR值的高低主要取决与泥质含量沉积岩的自然放射性有以下变化规律：a.随泥质含量的增加而增加；b.随有机物含量增加而增加，如沥青质泥岩的放射性很高。在还原条件下，六价铀能被还原成四价铀，从溶液中分离出来而沉淀在地层中，且有机物容易吸附含铀和钍的放射性物质；c.随着钾盐和某些放射性矿物的增加而增加。地球物理测井—核测井自然伽马测井地球物理测井—核测井自然伽马测井泥浆仪器外壳进入探测器记录连续电流所产生的电位差穿过至经传输至地面仪器处理使与单位时间的电脉冲数成正比射线GR曲线见P141图3-7二、GR测井基本原理地球物理测井—核测井自然伽马测井三、GR曲线特征（均匀理想模型地层点测）GR（API）当上下围岩相同时，曲线对称与地层中部，低放射性地层对应GR低，高放射性地层对应GR高h3d曲线幅度不受岩层厚度的影响；h3d曲线的最大或最小受岩层厚度的影响（？）地球物理测井—核测井自然伽马测井地球物理测井—核测井自然伽马测井四、影响因素1、岩层厚度的影响岩层厚度增加或减小，GR曲线减小或增大2、井参数影响d增加裸眼井对GR吸收增加，但泥浆中所含一定的放射性补偿了一部分，影响小套管井：水泥环厚度增加-----GR减小地球物理测井—核测井自然伽马测井3、统计涨落误差由于涨落误差的存在，实测的GR曲线出现许多“小锯齿”地球物理测井—核测井自然伽马测井4、测井速度当h一定：GR受V测和时间常数的影响t=h/v；v增加，t时间常数，探测器无法全部探测到地层发出的GR，导致GR下降，还会使其发生崎变，深度错位。V增加V合适GR（API）滞后现象积分电路的特点所至地球物理测井—核测井自然伽马测井五、GR曲线的解释及应用1、划分岩层砂泥岩剖面（骨架不含放射性矿物）GR碳酸盐岩剖面相同泥岩砂岩泥岩砂岩给定岩性剖面，请定性的画出GR曲线。泥灰岩灰岩白云岩泥岩石膏GR回忆岩石的GR的大小关系地球物理测井—核测井自然伽马测井地球物理测井—核测井自然伽马测井2、确定地层的泥质含量当泥质含量低时：minmaxminGRGRGRGRVsh当泥质含量高时：gcur=2(老地层）gcur=3.7(新地层）1212minmaxmingcurIshgcurVshGRGRGRGRIsh不含放射性矿物的地层，GR主要取决于地层的泥质含量地球物理测井—核测井自然伽马测井3、进行地层对比P147用GR曲线进行对比的优点：与岩石孔隙中的流体性质（油或水）无关与地层水和泥浆矿化度无关在GR曲线上容易找到标准层地球物理测井—核测井自然伽马测井650遂宁组J2s6904193T1j5+4T1j340824374T1j2T1j34261普光6井地质分层对比图自然伽马能谱测井的地质依据，是U、Th,K在矿物和岩石中的分布规律与岩石的矿物成分、成岩环境和地下水活动有关。一般说来，普通粘土岩中钾和钍含量高，而铀的含量较低（相对于钾和钍）。据Belk-nap,W.B.等人由200块不同种类的粘土岩取得的分析数据，粘土岩中放射性元素的平均含量约为：钾2%，铀6ppm，钍12ppm。地球物理测井—核测井自然伽马能谱测井（NGS）纯的砂岩和碳酸盐岩放射性元素含量很低，但有些地层也可能具有很高的放射性，这些高放射性地层又可能是储集层，此类储集层用普通自然伽马测井是无法识别的，而用自然伽马能谱测井却往往能成功地将其和泥岩区别开。渗透性地层中U含量的增高与地层水的活动有密切关系。有些储集层还由于岩石骨架中含有放射性重矿物而显示为高放射性地层。还应指出，岩石中钍和铀的含量比（通常称为钍铀比）具有重要的地质意义，利用它可以解决一系列地质问题。据统计，粘土岩的Th/U为2.0-4.1；碳酸盐岩的Th/U为0.3-2.8；砂岩的铀含量变化范围很大，Th/U值变化范围也大。地球物理测井—核测井自然伽马能谱测井（NGS）在还原环境中，尤其当粘土岩中含有机物和硫化物时，粘土对铀离子的吸附力增强，粘土的铀含量明显增高。地球物理测井—核测井自然伽马能谱测井（NGS）一、铀、钍、钾的伽马射线的特征谱不同的放射性元素放出的伽马射线的能量不同、经过统计分析：钾系的特征谱：1.46Mev钍系的特征谱：2.62Mev铀系的特征谱：1.76Mev在特征能量峰处的伽马射线的强度最大P148选定铀系中某种核素的伽马射线能量来识别铀，用钍系的某种核素的伽马射线能量识别钍。这种选定的某种核素称为特征核素，它放射的伽马射线能量称为特征能量。二、NGS的测井原理核心部分是：多道分析器。能够测量分析伽马射线的能谱将能谱分为五个能级窗两个低能窗、三个道能窗W1：0.15-0.5MevW2:0.5-1.1MevW3:1.32-1.575Mev（钾窗）W4:1.65-2.39Mev（铀窗）W5:2.475-2.765Mev（钍窗）地球物理测井—核测井自然伽马能谱测井（NGS）地球物理测井—核测井自然伽马能谱测井（NGS）由于各个窗的记数率并不仅反映对应元素的含量，因此还需要剥谱（对能量窗均综合考虑三种元素的贡献，即得到一组方程：W1=A1Th+B1U+C1K+1W2=A2Th+B2U+C2K+2W3=A3Th+B3U+C3K+3W4=A4Th+B4U+C4K+4W5=A5Th+B5U+C5K+5Wi—为第i个能量窗的计数率Ai、Bi、Ci—用刻度井得到的第I能量窗的刻度系数：统计因子Th、U、K：表示钍、铀、钾的含量地球物理测井—核测井自然伽马能谱测井（NGS）输出的测井曲线：SGR（GR总计数率）THOR钍含量URAN铀含量POTA钾含量地球物理测井—核测井自然伽马能谱测井（NGS）1、确定泥质含量研究发现：泥质含量与钍和钾的含量成线性关系minmaxmin)(XXXXVxshX=Th,k含钾的岩石（云母、长石）不能用该公式计算泥质含量三、NGS曲线应用地球物理测井—核测井自然伽马能谱测井（NGS）2、研究生油层研究发现：岩石中的有机物对铀的富集起着重要作用。有机碳含量与U/K存在线性关系U、U/K越高，生油能力越强有机碳含量U、U/K计数率比P150实际曲线地球物理测井—核测井自然伽马能谱测井（NGS）3、寻找放射性异常储集层特点：SGR高、铀或者钾含量高原因岩层中含有放射性矿物、云母、长石实际曲线P151图3-214、鉴别泥岩储集层富含有机物的高放射性黑色页岩，在局部地段有裂缝、燧石、粉砂或灰岩夹层，可能成为产油层。曲线特点K、TU含量低，而铀含量高地球物理测井—核测井自然伽马能谱测井（NGS）5、用TH/U比值研究沉积环境TH/U7陆相沉积、氧化环境、风化层TH/U7海相沉积、灰色、绿色页岩TH/U2海相黑色页岩、磷酸盐岩纯的碎屑岩储集层K、Th、U的含量均很低。但当这些岩石中含有高放射性矿物（如独居石、锆石等）时，纯砂岩的K、Th、U含量也能显著增高。右图中420-490ft之间的膨润土和凝灰岩薄层显示为低含钾、高含铀和钍。775-900ft之间为高含铀的砂岩地层。故总计数率不能作为泥质指示曲线用。和碎屑岩储集层一样，纯的碳酸盐岩储集层K、U、Th的含量都很低。但当地层中有钾碱、长石和粘上矿物时、K含量会明显上升；而在还原条件下，地层水中的铀在渗透带沉积，可使地层的U含量高达20ppm。因此在碳酸盐岩剖面中，自然伽马能谱测井有助于区分岩性，对剖面进行详细对比，更可靠地估算泥质含量，寻找高产裂缝带及确定施行增产措施的层位。地球物理测井—核测井自然伽马能谱测井（NGS）本节的重点：岩石的自然放射性GR曲线的应用及影响因素NGS曲线的应用与GR曲线间的关系核衰变、核射线、放射性强度单位