放射性测井之自然伽马测井.ppt

1 放射性测井是近代核物理学成果在测井工作中的应放射性测井是近代核物理学成果在测井工作中的应用。放射性测井方法相对其它测井方法的优点是适用。放射性测井方法相对其它测井方法的优点是适用范围广泛，它可以在裸眼井、套管井中、空井、用范围广泛，它可以在裸眼井、套管井中、空井、水基和油基泥浆井中进行测量。水基和油基泥浆井中进行测量。（1）自然伽马测井）自然伽马测井（2）自然伽马能谱测井）自然伽马能谱测井（3）密度测井）密度测井（4）中子测井）中子测井（5）脉冲中子测井）脉冲中子测井 放射性测井放射性测井 2 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 3 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 88Ra226 86Rn212+(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 ZXA X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。4 6)衰变规律衰变规律 对含有一大堆原子的放射性物质来说对含有一大堆原子的放射性物质来说，其中某一个原子何时放射衰变完全其中某一个原子何时放射衰变完全是偶然的是偶然的，无法预计的无法预计的，但是对许多原子的整体来说但是对许多原子的整体来说，某一时刻平均有多少原子某一时刻平均有多少原子发生衰变是符合统计规律的发生衰变是符合统计规律的。这一规律是：某一时刻的衰变率这一规律是：某一时刻的衰变率dN/dt(单位时间衰变的原子核数单位时间衰变的原子核数)与当时存与当时存在的原子核数在的原子核数 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-t No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 5 7）半衰期半衰期T 以最先参与衰变的原子核数以最先参与衰变的原子核数No为基数为基数，衰变成衰变成No/2时时，经历时间为经历时间为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：半衰期很长的元素来确定地层的地质年代。如：6 二二、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 92U238 82Pb206(铅铅)钍系钍系 90Th232 82Pb208(铅铅)锕系锕系 89Ac227 82Pb207(铅铅)i)此三系通过此三系通过、衰变衰变，最后达到稳定的铅同位素最后达到稳定的铅同位素82Pb206(铅铅)ii)在在，衰变的过程中衰变的过程中，放出放出、粒子粒子，伴随放出伴随放出 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 19K39 19K40 19K41 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放出 射线射线 7 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：ZXA Z-2YA-4+(两个正电荷两个正电荷)例如：例如：衰变衰变 92U238 90Th234+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、衰变的过程中伴随放出的。衰变的过程中伴随放出的。8 2)、和和 射线比较射线比较 射线种类射线种类 射线射线 射线射线 射线射线 产生原因产生原因 衰变放出衰变放出 衰变放出衰变放出 、衰变伴随放出衰变伴随放出 实物实物 氦氦(2He4)原子核流原子核流 高速运动的电子流高速运动的电子流 频率很高的电磁波频率很高的电磁波 波长波长3x10-1110-9cm 波速近似于光速波速近似于光速 带电性带电性 2He4带有两个质子带有两个质子两个正电荷两个正电荷 每个每个 粒子带有一粒子带有一个负电荷个负电荷 不带电不带电 能量能量 410MeV 1 MeV 0.055MeV 穿透能力穿透能力 空气中空气中 2.6-11.5cm 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 测井能否利用测井能否利用 不能不能 不能不能 能能 9 三、岩石的天然放射性三、岩石的天然放射性 U Th K 射线射线 10 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(Ra)11 2、沉积岩的放射性沉积岩的放射性 几点规律：几点规律：1)沉积岩本身不含有放射性元素沉积岩本身不含有放射性元素，其放射性元素来自火成岩其放射性元素来自火成岩。我们知道我们知道机械和化学力的综合侵蚀作用以及搬运产生了沉积岩机械和化学力的综合侵蚀作用以及搬运产生了沉积岩，由于搬运和沉积的环由于搬运和沉积的环境不同境不同，使各种沉积岩的放射性元素的含量产生了差异使各种沉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)随钾含量的增大随钾含量的增大，放射性强度增大放射性强度增大。5)孔隙度孔隙度 和和渗透率减小渗透率减小，放射性强度增大放射性强度增大。12 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 13 第一节第一节 自然伽马测井自然伽马测井 Gamma Ray Logging GR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 14 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 15 一、自然伽马测井原理一、自然伽马测井原理 1)射线探测器探测到地层的射线探测器探测到地层的 射线射线，并将并将 射线变换成电脉冲信号射线变换成电脉冲信号(每一道每一道 射线变换成一个电脉冲信号射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)放大的脉冲信号送入地面的放大器进行放大放大的脉冲信号送入地面的放大器进行放大（其原因是脉冲信其原因是脉冲信号经电缆传输后会衰减号经电缆传输后会衰减)。4)由于脉冲信号中混合了一些干扰信号由于脉冲信号中混合了一些干扰信号，需经过鉴别器进行鉴别需经过鉴别器进行鉴别，排除干扰排除干扰。5)将一些畸变的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)归一后的波形送入计数电路记录单位时间内脉冲个数归一后的波形送入计数电路记录单位时间内脉冲个数，最后得到最后得到自然伽马测井曲线自然伽马测井曲线。(单位：脉冲单位：脉冲/分钟分钟)16 砂泥岩剖面砂泥岩剖面GR曲线曲线 GR(API)S S S N N SN SN 17 探测半径：探测半径：煤煤、金属矿钻孔直径：金属矿钻孔直径：d 20cm 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=3050cm ab段：探测器远离界面段：探测器远离界面，直到探测器中点离直到探测器中点离界面的距离为界面的距离为R，探测器的探测范围内是低探测器的探测范围内是低放射性物质放射性物质。bcd段：探测器上移过界面段：探测器上移过界面，直到探测器中点离直到探测器中点离界面的距离为界面的距离为R。1)随探测器上移随探测器上移，探测器探测范围内的高放探测器探测范围内的高放射性物质逐渐增大射性物质逐渐增大，使曲线上升使曲线上升，直到探测器中直到探测器中点离底界面的距离为点离底界面的距离为R时为止时为止。2)探测器中点位于界面时探测器中点位于界面时，探测范围内的高探测范围内的高低放射性物质各占一半低放射性物质各占一半，所以此点为曲线的半幅所以此点为曲线的半幅值点值点。de