第七章自然伽马测井PPT讲稿.ppt

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1、第七章自然伽马测井第1页，共79页，编辑于2022年，星期二1 1、18961896年，年，BecquerelBecquerel发发现了自然放射性，随后研现了自然放射性，随后研究人员发展了究人员发展了伽马射线探伽马射线探测技术测技术和探测仪器，到和探测仪器，到1935193519391939年年自然伽马测自然伽马测井井得到市场的确认，成得到市场的确认，成为当时唯一的核测井方为当时唯一的核测井方法，用于法，用于划分岩性、确定划分岩性、确定泥质含量泥质含量 核测井核测井发展的三个时期发展的三个时期19031903年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖-因发现自然发放射性因发现自然发放射性 第2页，共79

2、页，编辑于2022年，星期二2 2、19321932年，年，ChadwickChadwick发现中子，随后科学界发现中子，随后科学界研究了研究了中子与物质的相中子与物质的相互作用和中子的探测技互作用和中子的探测技术术，19411941年以后年以后中子测中子测井井成为代表核测井技术成为代表核测井技术的测井方法，确定的测井方法，确定岩性、岩性、孔隙度、套管井饱和度孔隙度、套管井饱和度19351935年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖 -因发现中子因发现中子 第3页，共79页，编辑于2022年，星期二3 3、19451945年年,purcellpurcell发现了发现了核核磁共振现象磁共振现象，194

3、91949年出现年出现核磁测井技术，核磁测井技术，19881988年研年研制出第一台核磁测井样机，制出第一台核磁测井样机，1990199019951995年核磁测井得年核磁测井得到市场的普遍确认，到市场的普遍确认，区分区分油气水、可动与束缚流体，油气水、可动与束缚流体，求渗透率及研究孔吼分布求渗透率及研究孔吼分布珀赛尔珀赛尔 (E.dward Purcell)(E.dward Purcell)19521952年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖第4页，共79页，编辑于2022年，星期二核测井的优点核测井的优点1、对测量条件有、对测量条件有广泛的适应性广泛的适应性，能在，能在各种泥浆各种泥浆的的裸眼

4、井裸眼井、套管井套管井中进行测量，服务期包括勘探、中进行测量，服务期包括勘探、开发的全过程。开发的全过程。2、能提供大量的物理参数，且大部分、能提供大量的物理参数，且大部分参数不可能参数不可能用其它方法获得用其它方法获得，即具有不可替代性。，即具有不可替代性。核安全核安全:19861986年年4 4月月2626日日,切尔诺贝利核电切尔诺贝利核电站反应堆发生爆炸站反应堆发生爆炸20112011年年3 3月月1111日，日本大地震引日，日本大地震引发的核电站核泄露事故发的核电站核泄露事故 第5页，共79页，编辑于2022年，星期二第七章第七章自然伽马测井（自然伽马测井（GR)GR)（natural

5、 natural g gamma_amma_r ray log ay log）自然伽马能谱测井自然伽马能谱测井(NGS)(NGS)(n natural atural g gamma_ray amma_ray s spectral log pectral log)第6页，共79页，编辑于2022年，星期二自然伽马和自然伽马能谱测井自然伽马和自然伽马能谱测井地质及核物理基础地质及核物理基础：岩石中含天然放射性核素，主：岩石中含天然放射性核素，主要有要有铀系，钍系和钾铀系，钍系和钾，自然衰变时产生不同能量，自然衰变时产生不同能量的的伽马射线伽马射线测量方法测量方法：用伽马射线探测器测量地层中：用伽马

6、射线探测器测量地层中总的总的自然伽马射线强度自然伽马射线强度（自然伽马测井自然伽马测井）主要用途主要用途：划分岩性及渗透层，求泥质含量，：划分岩性及渗透层，求泥质含量，地层对比，沉积环境研究，烃源岩研究地层对比，沉积环境研究，烃源岩研究测量方法测量方法：对伽马射线进行能谱分析：对伽马射线进行能谱分析,分别测量岩石分别测量岩石的的铀、钍、钾含量铀、钍、钾含量（自然伽马能谱测井自然伽马能谱测井）第7页，共79页，编辑于2022年，星期二1 伽马测井基础伽马测井基础一、放射性一、放射性核素核素和核衰变和核衰变1 1、原子和原子核、原子和原子核元素符号元素符号:X X质子数质子数:Z Z中子数中子数:

7、N N 质量数质量数:A A A=Z+NA=Z+N第8页，共79页，编辑于2022年，星期二2 2、核素核素和同位素和同位素核素：核素：原子核中具有一定数目的质子和中子，并原子核中具有一定数目的质子和中子，并处在同一处在同一能态上能态上的同类原子（或原子核）的同类原子（或原子核）,同一核素的同一核素的原子核中，原子核中，质子数和中子数都分别相等质子数和中子数都分别相等。同位素：是同位素：是具有相同原子序数具有相同原子序数的同一化学元素的两的同一化学元素的两种或多种原子之一种或多种原子之一,它们在元素周期表中占同一位置。它们在元素周期表中占同一位置。核素表示核素表示:ZXA 同位素表示：同位素表

8、示：AX第9页，共79页，编辑于2022年，星期二3 3、稳定核素和放射性核素、稳定核素和放射性核素 原子核能原子核能自发的发生衰变自发的发生衰变，由一种核素变为另一种核素由一种核素变为另一种核素稳定核素：稳定核素：原子核不能自发的变为另一种核原子核不能自发的变为另一种核放射性核素衰变时能发射放射性核素衰变时能发射，和和 射线射线放射性核素：放射性核素：r r射线射线:波长小于波长小于0.20.2纳米的电磁波纳米的电磁波,具有极强的穿透能具有极强的穿透能力。力。第10页，共79页，编辑于2022年，星期二核衰变：核衰变：放射性核素的原子核放射性核素的原子核自发地自发地由一种核素变成另由一种核素

9、变成另一种核素的过程一种核素的过程（89%)89%)1.46Mev1.46Mev（11%11%），和和 第11页，共79页，编辑于2022年，星期二4 4、核衰变定律、核衰变定律式中式中 ：NN0 0 t=0 t=0 时的原子核数时的原子核数 N N 时刻时刻 t t 的原子核数的原子核数 衰变常数衰变常数 （表示单位时间内每个原子核发生衰变的几率）（表示单位时间内每个原子核发生衰变的几率）半衰期半衰期T T1/21/2：放射性核素因衰变而减少到原来放射性核素因衰变而减少到原来 一半所需的时间一半所需的时间第12页，共79页，编辑于2022年，星期二5 5、放射性活度（强弱的度量单位）、放射性

10、活度（强弱的度量单位）放射性活度：放射性活度：一定量一定量的放射性核素在的放射性核素在单位时单位时 间内发生衰变的核数。间内发生衰变的核数。活度单位活度单位:“贝可勒尔贝可勒尔”，简称，简称“贝可贝可”，符号为，符号为BqBq。1Bq=11Bq=1次核衰变次核衰变/s s单位质量单位质量的活度叫的活度叫比活度比活度，单位为，单位为Bq/kgBq/kg吸收剂量吸收剂量:每每1千克受照物质吸收千克受照物质吸收1焦耳核辐射能时，焦耳核辐射能时，其核辐射剂量称为其核辐射剂量称为1戈瑞戈瑞西弗西弗:用于衡量辐射对生物组织的伤害用于衡量辐射对生物组织的伤害,定义为定义为1 1西弗西弗=1=1焦耳（辐射能量

11、）焦耳（辐射能量）/公斤公斤 第13页，共79页，编辑于2022年，星期二二、岩石中的放射性核素及能谱二、岩石中的放射性核素及能谱截至截至20072007年年,总共有总共有118118种元素被发现种元素被发现,9494种种存在于存在于地球上地球上 ,已发现的天然已发现的天然核素核素约有约有330330多种，其中多种，其中273273种为种为稳定核素稳定核素，6060余种余种为放射性核素为放射性核素质量数质量数小于小于209(209(质子数大于质子数大于82)82)的的大多数是大多数是稳定核稳定核素，只有少数是放射性核素，如素，只有少数是放射性核素，如K K4040、CoCo6060、CsCs1

12、37137 、I I131131而质量数而质量数大于大于209209(质子数大于质子数大于82)82)的的全部是全部是放射放射性核素性核素第14页，共79页，编辑于2022年，星期二1、放射系：、放射系：连续衰变时放射性核素所构成的系列连续衰变时放射性核素所构成的系列1 1)钍系：钍系是从钍系：钍系是从232232ThTh开始的，到开始的，到20208 8PbPb结束，它结束，它的半衰期为的半衰期为1.411.4110101010年年)铀系：铀系：238238U U开始，到开始，到206206PbPb结束，结束，238238U U的半衰的半衰期期.4.41010年年2 2、放射系、放射系长期平

13、衡长期平衡：子核子核与与母核母核的的核数比为常数核数比为常数子核子核放射性活度放射性活度恒等于恒等于母核母核放射性放射性活度活度第15页，共79页，编辑于2022年，星期二3 3、铀系、钍系、钾的伽马射线、铀系、钍系、钾的伽马射线初始初始谱谱初始谱初始谱：根据放射系中核素的原子核初始衰变产生：根据放射系中核素的原子核初始衰变产生的伽马光子的的伽马光子的能量和相对强度能量和相对强度画出的画出的能谱图能谱图相对强度：相对强度：衰变衰变100100个核产生的伽马光子数个核产生的伽马光子数第16页，共79页，编辑于2022年，星期二4040K K产生的伽马射线是单能的，为产生的伽马射线是单能的，为1.

14、46Mev1.46Mev钍系钍系中最重要的中最重要的辐射体是辐射体是208208TlTl自然伽马能谱测井自然伽马能谱测井中，选择中，选择208208TlTl发射的发射的2.622.62MevMev 的伽马射线的伽马射线来来识别钍识别钍铀系铀系中最重要的中最重要的 辐射体是辐射体是214214B Bi i自然伽马能谱测井中选择自然伽马能谱测井中选择214214B Bi i发射的发射的1.761.76MevMev 的伽马的伽马射线来射线来识别铀识别铀第17页，共79页，编辑于2022年，星期二三、岩石的自然伽马放射性与岩石性质的关系三、岩石的自然伽马放射性与岩石性质的关系1 1、与三大类岩石的关系

15、、与三大类岩石的关系岩浆岩岩浆岩及变质岩：放射性高于沉积岩，它含有较及变质岩：放射性高于沉积岩，它含有较多的放射性矿物多的放射性矿物 （锆石，独居石，揭帘石，角闪石及辉石等）（锆石，独居石，揭帘石，角闪石及辉石等）沉积岩：沉积岩：一般放射性一般放射性低于低于岩浆岩和变质岩。通常不岩浆岩和变质岩。通常不含放射性矿物，其自然放射性主要是岩石含放射性矿物，其自然放射性主要是岩石吸附吸附放放射性物质射性物质引起的，吸附能力有限引起的，吸附能力有限第18页，共79页，编辑于2022年，星期二矿物矿物铀含量的范围铀含量的范围/g/gt t-1-1石英、长石石英、长石1212黑云母、角闪石、磁铁矿黑云母、角

16、闪石、磁铁矿310310磷灰石、榍石磷灰石、榍石n n1010揭帘石、独居石、锆石揭帘石、独居石、锆石n n10010001001000几种造岩矿物和副矿物的铀含量范围几种造岩矿物和副矿物的铀含量范围第19页，共79页，编辑于2022年，星期二矿物矿物钍含量钍含量/g gt t-1-1钍、铀比钍、铀比石英石英0.50.510101 155长石长石0.50.510101 166黑云母黑云母0.50.550500.50.533橄榄石橄榄石0.020.022 244独居石独居石12500125004970049700特高特高揭帘石揭帘石91009100高高锆石锆石5605600.40.4榍石榍石51

17、05101.71.7磷灰石磷灰石50502502501 11.31.3绿帘石绿帘石50502502502 21010几种矿物的钍含量和钍铀比几种矿物的钍含量和钍铀比第20页，共79页，编辑于2022年，星期二2 2、沉积岩的放射性、沉积岩的放射性粘土岩放射性最高，而石膏、硬石膏、盐岩粘土岩放射性最高，而石膏、硬石膏、盐岩等放射性最低，其它岩类在它们之间等放射性最低，其它岩类在它们之间蒙脱石：分子中不含放射性核素，但蒙脱石：分子中不含放射性核素，但表面积最大表面积最大（269269mm2 2/g)/g)，对放射性物质对放射性物质吸附能力强吸附能力强伊利石（水白云母）：它伊利石（水白云母）：它本身

18、含有钾本身含有钾，对氧化铀有，对氧化铀有一定的吸附能力一定的吸附能力（不是很强）（不是很强）高岭石和绿泥石：本身高岭石和绿泥石：本身不含放射性核素不含放射性核素，比面积又小，比面积又小，吸附能力差吸附能力差第21页，共79页，编辑于2022年，星期二石油测井中铀、钍、钾含量用的单位：石油测井中铀、钍、钾含量用的单位：铀、钍含量用铀、钍含量用g/gg/g（g/t,g/l)g/t,g/l)，记作记作ppmppm 钾含量用钾含量用0.010.01g/gg/g，记作记作%沉积岩的自然放射性强度沉积岩的自然放射性强度随泥质含量增加而增加随泥质含量增加而增加（含放射性矿物的岩石除外）（含放射性矿物的岩石除

19、外）钾钾铀铀钍钍砂岩砂岩0.73.8%0.73.8%0.20.6ppm0.20.6ppm0.76.7ppm0.76.7ppm碳酸盐岩碳酸盐岩粘土岩粘土岩02.0%02.0%0.19.0ppm0.19.0ppm6ppm6ppm0.17.0ppm0.17.0ppm12ppm12ppm第22页，共79页，编辑于2022年，星期二伽马射线与物质相互伽马射线与物质相互作用的几率作用的几率 用截面用截面 表示，它的物理意义是：表示，它的物理意义是：一个入一个入射光子射光子与与单位面积上一个靶原子（或电子）单位面积上一个靶原子（或电子）发生作用的几率，它具有面积的量纲，所发生作用的几率，它具有面积的量纲，所

20、以称之为以称之为截面截面。一般用。一般用1010-24-24cmcm2 2 作为截面的作为截面的单位单位,称为称为靶恩靶恩(b),b),截面的大小与伽马射线能截面的大小与伽马射线能量及靶物质的性质有关量及靶物质的性质有关二二.伽马射线与物质的伽马射线与物质的作用作用与与探测探测第23页，共79页，编辑于2022年，星期二1、光电效应、光电效应 伽马光子伽马光子与原子核与原子核外的外的束缚电子束缚电子作用，作用，光子把全部能量转光子把全部能量转移给某个束缚电子，移给某个束缚电子，使之发射出去（使之发射出去（光光电子电子），而），而光子光子本身本身被吸收被吸收。光电子能量光电子能量伽马光子能量伽马

21、光子能量第24页，共79页，编辑于2022年，星期二hv:hv:伽马光子的能量伽马光子的能量mm0 0c c2 2:电子的静止质量能电子的静止质量能光电效应截面光电效应截面：第25页，共79页，编辑于2022年，星期二2、康普顿散射、康普顿散射伽马伽马光子与原子的核光子与原子的核外电子外电子发生发生非弹性碰撞非弹性碰撞，一部分能量转移给电子，一部分能量转移给电子，使它脱离原子成为使它脱离原子成为反冲反冲电子电子，而光子（，而光子（散射散射光子光子）的能量和运动方）的能量和运动方向发生变化向发生变化第26页，共79页，编辑于2022年，星期二(1).(1).散射光子和反冲电子的能量散射光子和反冲

22、电子的能量散射光子散射光子的能量为：的能量为：反冲反冲电子的动能电子的动能为：为：第27页，共79页，编辑于2022年，星期二a.a.当当=0=0o o时时，散射光子的能量达到最大，这时反，散射光子的能量达到最大，这时反冲电子的能量为冲电子的能量为0 0，光子能量没有损失光子能量没有损失。反冲电子的能量达到其最大值：反冲电子的能量达到其最大值：b.b.当当=180=180o o时时，这时散射光子能量最小，为：，这时散射光子能量最小，为：反冲电子能量反冲电子能量=0Emaxe第28页，共79页，编辑于2022年，星期二(2)(2)、电子的康普顿散射截面、电子的康普顿散射截面e e当当hvmhvm

23、hvm0 0c c2 2时时:r r0 0=2.810=2.810-13-13 cm,cm,为经典电子半径为经典电子半径第29页，共79页，编辑于2022年，星期二(3)(3)、康普顿、康普顿线性线性减弱系数减弱系数伽马光子通过伽马光子通过1cm1cm的物质时的物质时,发生康普顿效应的几率发生康普顿效应的几率e e每个电子的康普顿散射截面每个电子的康普顿散射截面NNA A阿佛加得罗常数，阿佛加得罗常数，6.02106.02102323/molmol体积密度（体积密度（g/cmg/cm3 3)A A原子的质量（摩尔质量）原子的质量（摩尔质量）(g/mol)(g/mol)(单位体积的物质中所有电子

24、的康普顿散射截面）单位体积的物质中所有电子的康普顿散射截面）电子密度第30页，共79页，编辑于2022年，星期二3、电子对效应、电子对效应当伽马光子从原子核当伽马光子从原子核旁经过时，在原子核旁经过时，在原子核的库仑场的作用下，的库仑场的作用下，伽马光子转变为一个正伽马光子转变为一个正电子和一个负电子电子和一个负电子，这，这种过程称为电子对效应种过程称为电子对效应第31页，共79页，编辑于2022年，星期二电子对效应截面电子对效应截面p p当当hv2mhv2m0 0c c2 2时时:当当hvhv稍大于稍大于2m2m0 0c c2 2时时:第32页，共79页，编辑于2022年，星期二4 4、三种

25、效应的优势区、三种效应的优势区第33页，共79页，编辑于2022年，星期二 I I0 0 x=0 x=0 处的射线强度，处的射线强度，光子与物质发生三种作用的总光子与物质发生三种作用的总线性衰减几率线性衰减几率5、伽马射线的吸收、伽马射线的吸收在物质中，伽马射线束在物质中，伽马射线束通过通过x x路程后路程后其强度其强度I I为为I=II=I0 0e e-x-x伽马光子通过伽马光子通过1cm1cm的物质时的物质时,发生效应的几率发生效应的几率第34页，共79页，编辑于2022年，星期二6、伽马射线的探测、伽马射线的探测(1).(1).基本原理概述基本原理概述伽马光子与探测器发生三种效应，产伽马

26、光子与探测器发生三种效应，产生生次级电子次级电子使气体使气体电离电离，产生电离电荷产生电离电荷使使NaI NaI 晶体晶体激激发发，产生，产生光子光子产生的电子到达阳极，输产生的电子到达阳极，输出一个出一个负电压脉冲负电压脉冲与光阴极物质发生光电效与光阴极物质发生光电效应产生光电子应产生光电子,使光电子倍使光电子倍增形成电子束增形成电子束,在阳极上产在阳极上产生生负电压脉冲负电压脉冲计数管计数管闪烁计数器闪烁计数器v记录一个伽马光子，输出一个电脉冲记录一个伽马光子，输出一个电脉冲第35页，共79页，编辑于2022年，星期二(2).(2).盖革盖革-弥勒计数管弥勒计数管(G-M(G-M计数器计数

27、器)a.a.G-MG-M计数管计数管结构结构阴极：用金属圆筒或在玻璃内壳上涂一层金属膜阴极：用金属圆筒或在玻璃内壳上涂一层金属膜阳极：管中央的一根细导线阳极：管中央的一根细导线管内：充以管内：充以惰性气体惰性气体(加少量的乙醇或乙醚等）加少量的乙醇或乙醚等）高压电源前置放大器定标器计数管探头计数管探头RCG-M计数管第36页，共79页，编辑于2022年，星期二b.b.原理：原理：(a).(a).管内没有电离电流时管内没有电离电流时,电路不通电路不通,阳极阳极A A电位电位U U0 0(b).(b).入射入射r r次级次级电子电子管内气体管内气体电离电离电离电离电子电子向阳向阳极移动并不断增加极

28、移动并不断增加到达阳极附近爆发性增加到达阳极附近爆发性增加(雪雪崩崩)A A点电位瞬时降低点电位瞬时降低有瞬时电流通过电阻有瞬时电流通过电阻R R流向阳极流向阳极阳极电位恢复阳极电位恢复在在A A点产生一个点产生一个负电压脉负电压脉冲冲第37页，共79页，编辑于2022年，星期二(c).(c).计数管记录一个伽马光子就输出一个电压脉冲计数管记录一个伽马光子就输出一个电压脉冲 (d).(d).通常把单位时间通常把单位时间(分钟）的脉冲数称为计数率，分钟）的脉冲数称为计数率，计数率与伽马射线强度成正比计数率与伽马射线强度成正比。(f).(f).探测效率：探测效率：记录脉冲数占入射粒子数的比值记录脉

29、冲数占入射粒子数的比值（约（约1%1%）第38页，共79页，编辑于2022年，星期二(3)(3)、闪烁探测器、闪烁探测器组成单元：闪烁体、光电倍增管、电子元件组成单元：闪烁体、光电倍增管、电子元件第39页，共79页，编辑于2022年，星期二工作过程：工作过程：b.b.次级电子使闪烁体次级电子使闪烁体激发激发，退激时产生荧光，退激时产生荧光光子光子a.a.射线进入晶体，通过三种效应产生射线进入晶体，通过三种效应产生次级电子次级电子c.c.将将光子光子收集到光电倍增管的收集到光电倍增管的光阴极光阴极（原子序数大（原子序数大的材料）的材料）上上，产生光电子产生光电子（光电效应）（光电效应）d.d.光

30、电子在光电倍增管中数量增加几个数量级，光电子在光电倍增管中数量增加几个数量级，形成的电子流在阳极负载上形成的电子流在阳极负载上产生电信号产生电信号e.e.电信号电信号经电子仪器处理、记录经电子仪器处理、记录第40页，共79页，编辑于2022年，星期二第41页，共79页，编辑于2022年，星期二输出脉冲的输出脉冲的幅度和能谱幅度和能谱响应响应1 1）输出脉冲输出脉冲幅度幅度：与入射伽马光子与入射伽马光子在闪烁体中在闪烁体中损失损失的的能量成正比能量成正比，而光子是通过三种效应损失，而光子是通过三种效应损失能量的，且各不相同。能量的，且各不相同。2 2）输出脉冲的个数：输出脉冲的个数：与入射光子的

31、与入射光子的强度强度(单位时间伽马光子数单位时间伽马光子数)成正比成正比 （计数率计数率脉冲数脉冲数/分钟分钟）幅度与强度的关系幅度与强度的关系能谱能谱第42页，共79页，编辑于2022年，星期二a.a.模数变换器将输入模数变换器将输入 脉冲脉冲幅度幅度按比例变按比例变 换成换成整数整数（地址码）地址码）b.b.每个地址对应存储每个地址对应存储 器的一个器的一个记录道记录道，每进一个脉冲就增每进一个脉冲就增 加一个计数加一个计数c.c.累积每累积每道计数道计数,得到一得到一个谱个谱(计数率与道址计数率与道址)多道脉冲幅度分析器多道脉冲幅度分析器第43页，共79页，编辑于2022年，星期二仪器谱

32、：仪器谱：用伽马谱仪测的自然伽马射线脉冲幅度谱用伽马谱仪测的自然伽马射线脉冲幅度谱(计计数率与道址数率与道址)，是连续谱（被光子与闪射晶体相互作是连续谱（被光子与闪射晶体相互作用复杂化）用复杂化）第44页，共79页，编辑于2022年，星期二0.662Mev第45页，共79页，编辑于2022年，星期二峰峰A A：全能峰全能峰(0.662Mev),(0.662Mev),是由是由光电效应光电效应形成的形成的平台平台B B：是康普顿效应产生的是康普顿效应产生的峰峰C C：为反散射峰（光电效应为反散射峰（光电效应0.184Mev0.184Mev）峰峰D：X射线峰射线峰(32kev)0.662Mev第46

33、页，共79页，编辑于2022年，星期二基本参数基本参数（1 1）计数率：）计数率：（2 2）探测效率：）探测效率：探测器探测器每分钟输出的脉冲个数每分钟输出的脉冲个数，计计数率数率的大小与入射的大小与入射射线的强度成射线的强度成正比正比输出的脉冲数占入射粒子数的百分比输出的脉冲数占入射粒子数的百分比(20%20%左右左右)（3 3）能量分辨率：）能量分辨率：脉冲能谱分布的半高宽与入射脉冲能谱分布的半高宽与入射光子的能量比光子的能量比(约约10%)10%)第47页，共79页，编辑于2022年，星期二2 自然伽马测井自然伽马测井用伽马射线探测器用伽马射线探测器测量测量地层总的自然伽马射线地层总的自

34、然伽马射线的的强度强度(计数率计数率)第48页，共79页，编辑于2022年，星期二一一.自然伽马仪器的刻度自然伽马仪器的刻度1.1.测井仪标准化测井仪标准化 （1 1）标准刻度井）标准刻度井 不同仪器，对不同仪器，对同一测量对象同一测量对象得到得到不同的计数率不同的计数率低放射性地层两个，高放射性地层一个（在中间，模低放射性地层两个，高放射性地层一个（在中间，模拟泥岩，总放射性是低放射性地层的拟泥岩，总放射性是低放射性地层的2 2倍）倍）探测效率不同，电子线路和仪器外壳的吸收条件等探测效率不同，电子线路和仪器外壳的吸收条件等差别引起差别引起第49页，共79页，编辑于2022年，星期二（2 2）

35、APIAPI单位单位美国石油学会（美国石油学会（A American merican P Petroleum etroleum I Institutenstitute）规定：规定：200200API=API=高放射性地层计数率高放射性地层计数率 低低放射性地层计数率放射性地层计数率不同仪器不同仪器，相同测量对象相同测量对象得出得出相同的相同的APIAPI值值 一级刻度井：全国统一的刻度井一级刻度井：全国统一的刻度井 二级刻度井：各油田建立的刻度井二级刻度井：各油田建立的刻度井 三级刻度井：用伽马源现场刻度三级刻度井：用伽马源现场刻度不同仪器，不同仪器，一个一个APIAPI单位对应的单位对应的计

36、数率不同计数率不同第50页，共79页，编辑于2022年，星期二例：例：标准刻度井中，高放射性地层强度为标准刻度井中，高放射性地层强度为4 400000000个光子个光子/分钟分钟，低放射性地层强度为低放射性地层强度为2020000000个光子个光子/分钟；甲分钟；甲探测探测器的探测效率为器的探测效率为10%10%，乙乙探测器为探测器为20%20%；甲一个甲一个APIAPI单位对应的计数率单位对应的计数率=40000 10%20000 10%200 =10乙一个乙一个APIAPI单位对应的计数率单位对应的计数率=40000 20%20000 20%200 =20在刻度井中刻度：在刻度井中刻度：第

37、51页，共79页，编辑于2022年，星期二甲探测器得到的计数率为：甲探测器得到的计数率为：30300 0个脉冲个脉冲/分钟分钟，乙探测器得到的计数率为：乙探测器得到的计数率为：6 60000个脉冲个脉冲/分钟分钟，对一个放射性强度为对一个放射性强度为3003000 0个光子个光子/分钟的地层测量：分钟的地层测量：而而APIAPI单位为：单位为：30300 0/10=/10=30 API30 API而而APIAPI单位为：单位为：60600 0/20=/20=30 API30 API第52页，共79页，编辑于2022年，星期二二二.自然伽马仪器的自然伽马仪器的探测特性（探测范围）探测特性（探测范

38、围）径向：探测深度最大为径向：探测深度最大为4646cmcm探测特性探测特性纵向：分辨率约为纵向：分辨率约为1 1mm探测范围定义：半径为探测范围定义：半径为r r 的球体对测量结果的贡献的球体对测量结果的贡献占全空间的占全空间的贡献的贡献的99%99%时，球的半径时，球的半径r r按地层吸收系数按地层吸收系数最小值最小值计算计算,r=46cm,r=46cm,探测范围探测范围最大值最大值是一个直径小于是一个直径小于1 1mm 的球体的球体第53页，共79页，编辑于2022年，星期二统计误差产生的原因统计误差产生的原因核物理现象核物理现象及对这些现象的及对这些现象的探测探测具有随机性具有随机性核

39、衰变数核衰变数和和计数计数的统计分布的统计分布三三.自然伽马曲线特点自然伽马曲线特点（1 1）曲线有统计性涨落变化（）曲线有统计性涨落变化（自学自学）l当数学期望值或平均值当数学期望值或平均值MM较大时较大时,统计分布服统计分布服从从高斯分布高斯分布l服从二项式分布服从二项式分布第54页，共79页，编辑于2022年，星期二标准误差：标准误差：相对误差：相对误差：服从高斯分布的总体，标准误差就是均方根差服从高斯分布的总体，标准误差就是均方根差NN是一次测量的计数值是一次测量的计数值,n,n是有限次测量的平均值是有限次测量的平均值第55页，共79页，编辑于2022年，星期二a.a.计数计数NN的标

40、准（涨落）误差的标准（涨落）误差地层厚度为地层厚度为h h，测速为，测速为v v，平均计数率，平均计数率 n ,n ,则地层则地层内总的计数内总的计数N:N:标准误差标准误差:相对误差相对误差:第56页，共79页，编辑于2022年，星期二b.b.计数率仪测量结果的误差计数率仪测量结果的误差标准误差：标准误差：相对误差：相对误差：c.c.伽马曲线的涨落误差伽马曲线的涨落误差:第57页，共79页，编辑于2022年，星期二a.a.对称对称于地层中点于地层中点b.b.地层界面地层界面:厚层（大于厚层（大于1 1m)m)，曲线曲线半幅半幅点对应点对应薄层薄层,半幅点厚度大于地层半幅点厚度大于地层厚度厚度

41、d.d.代表值代表值:极值极值（2 2）伽马平均曲线）伽马平均曲线(r(r0 0=15cm,=15cm,井眼半径）井眼半径）第58页，共79页，编辑于2022年，星期二四四.伽马曲线应用伽马曲线应用1、识别岩性、划分储层、识别岩性、划分储层第59页，共79页，编辑于2022年，星期二2、计算泥质含量、计算泥质含量适用条件？第60页，共79页，编辑于2022年，星期二3.3.测量测量注水井吸水剖面注水井吸水剖面(示踪测井示踪测井)（1 1）吸水剖面：注水井段每个小层的相对吸水量）吸水剖面：注水井段每个小层的相对吸水量或注水井段累计相对吸水量。或注水井段累计相对吸水量。（2 2）施工）施工常选用常

42、选用I I131131做示踪元素做示踪元素,用医用活性炭做固相载体吸用医用活性炭做固相载体吸附放射性同位素离子，与水配成活化悬浮液，注附放射性同位素离子，与水配成活化悬浮液，注入井中时，水进入地层，入井中时，水进入地层，而活化载体滤积在地层表而活化载体滤积在地层表面，形成活化层，滤积量与吸水量成正比面，形成活化层，滤积量与吸水量成正比。第61页，共79页，编辑于2022年，星期二（3 3）确定吸水量）确定吸水量 J Jr1 r1(自然伽马自然伽马）和）和J Jr2r2 （示踪曲线示踪曲线）重叠）重叠,每层的面每层的面积差积差J Jr1 r1-J-Jr2r2 与该层相对吸水量成正比：与该层相对吸

43、水量成正比：第62页，共79页，编辑于2022年，星期二（4 4）识别大孔道）识别大孔道 大孔道：是一种特殊的孔隙，是流体渗流的优势大孔道：是一种特殊的孔隙，是流体渗流的优势通道，后天形成的大孔道是由于注水开发形成的通道，后天形成的大孔道是由于注水开发形成的水洗通道水洗通道识别方法：选用识别方法：选用不同粒径的同位素载体不同粒径的同位素载体测量吸水测量吸水剖面，使吸水层位得到划分剖面，使吸水层位得到划分第63页，共79页，编辑于2022年，星期二第64页，共79页，编辑于2022年，星期二一、自然伽马一、自然伽马能谱的测量能谱的测量1 1、自然伽马能谱仪、自然伽马能谱仪（2 2）多道脉冲幅度分

44、析器：对电脉冲按幅度）多道脉冲幅度分析器：对电脉冲按幅度分类，分别在各道中记录相应幅度的脉冲数分类，分别在各道中记录相应幅度的脉冲数(得得到数字谱到数字谱道址与计数率道址与计数率)（1 1）闪烁闪烁探测器：输出电脉冲探测器：输出电脉冲,计数率计数率与伽马射线与伽马射线强度强度成正比，成正比，幅度幅度与光子在晶体中损失的与光子在晶体中损失的能量能量成成正比正比3 3 自然伽马能谱测井自然伽马能谱测井第65页，共79页，编辑于2022年，星期二（3 3）井下控制系统：由计算机控制伽马谱仪的稳）井下控制系统：由计算机控制伽马谱仪的稳谱、数据采集、数据处理和谱、数据采集、数据处理和编码编码，形成编码谱

45、，形成编码谱，经电缆传输到地面仪器经电缆传输到地面仪器（4 4）数据处理和记录系统：编码谱经）数据处理和记录系统：编码谱经解调解调器恢器恢复为数据谱，经计算机复为数据谱，经计算机解谱解谱求出铀、钍、钾含量求出铀、钍、钾含量和总放射性强度和总放射性强度第66页，共79页，编辑于2022年，星期二钍系、铀系、钾的钍系、铀系、钾的特征伽马射线特征伽马射线仪器谱仪器谱第67页，共79页，编辑于2022年，星期二二、自然伽马二、自然伽马谱的解析谱的解析方法有方法有剥谱法剥谱法（和逆矩阵法（和逆矩阵法 ）u以以铀系铀系、钍系钍系、钾钾的的标准伽马仪器谱标准伽马仪器谱为依据为依据u假设混合谱是这三种标准谱的

46、假设混合谱是这三种标准谱的线性叠加线性叠加u特征特征能量高的核素对能量低的核素的能量高的核素对能量低的核素的道域道域计数有贡计数有贡献，特征能量低的核素对特征能量高的核素的道域献，特征能量低的核素对特征能量高的核素的道域计数没有贡献计数没有贡献第68页，共79页，编辑于2022年，星期二1、标准仪器谱：、标准仪器谱：用能谱仪在用能谱仪在刻度井中刻度井中测量测量只含铀、只含铀、钍或钾一种放射性核素钍或钾一种放射性核素的尺寸足够大的模拟地层，的尺寸足够大的模拟地层，得到每种放射性核素的标准得到每种放射性核素的标准仪器谱仪器谱。U U的自然伽马仪器谱的自然伽马仪器谱第69页，共79页，编辑于2022

47、年，星期二2 2、自然伽马仪器谱的解析、自然伽马仪器谱的解析(剥谱法剥谱法）特征道域：对三个特征峰刻度的计数用特征道域：对三个特征峰刻度的计数用道区间道区间 分别记录分别记录K K40 40 、铀系的铀系的BiBi214 214 、钍系的、钍系的TlTl208208三个三个特征特征峰峰（能量为（能量为 1.46 1.46mevmev、1.76Mev1.76Mev、2.62Mev2.62Mev）I I（9494113)113)、II(115II(115139)139)、III(173III(173211)211)第70页，共79页，编辑于2022年，星期二n n1 1=n n11 11+n n1

48、212+n+n1313 n n2 2=n n2222+n n2323 n n3 3=n n3333设设I I、II II、IIIIII特征道域的计数率分别是特征道域的计数率分别是n1n1、n2n2、n3n3，则其组成为：则其组成为：n n11 11、n n2222、n n3333：分别是：分别是K K40 40 、Bi Bi214214和和TlTl208208在在I I、II II、IIIIII特征道域造成的计数率特征道域造成的计数率 n n1212：是铀系的：是铀系的BiBi214214在在I I道域造成的的计数率道域造成的的计数率 n n1313、n n2323：分别是钍系的：分别是钍系的

49、TlTl208208在在I I、II II特征道特征道域造成的计数率域造成的计数率第71页，共79页，编辑于2022年，星期二 n n1212=a=a1212n n2222 n n1313=a=a1313n n3333 n n2323=a=a2323n n3333 a a1212:由铀系标准谱求出的系数，由铀系标准谱求出的系数，a a1313 、a a2323 :由钍系标准谱求出的系数由钍系标准谱求出的系数有以下实验关系：有以下实验关系：第72页，共79页，编辑于2022年，星期二 n n120 120 和和n n220220 铀系标准谱中铀系标准谱中I I、II II道域的计数率道域的计数率

50、 即：即：a a1212=n=n120120/n/n220220 a a1313=n=n130130/n/n330330 a a2323=n=n230230/n/n330 330 n n130130、n n230230、n n330330钍系标准谱中钍系标准谱中I I、II II、IIIIII道域的道域的计数率计数率第73页，共79页，编辑于2022年，星期二 在刻度井中铀、钍、钾含量已知的模块中对仪器进在刻度井中铀、钍、钾含量已知的模块中对仪器进行刻度，求系数行刻度，求系数K KU U、K Kthth、K Kp p，则可将测井剥谱得出则可将测井剥谱得出的净计数率转换为铀、钍、钾的含量的净计数