1、核辐射测井部分核辐射测井部分第二章第二章 原子核物理的一些基本概念和基本知识原子核物理的一些基本概念和基本知识o主要介绍一些原子核物理的基本概念，放射性和放射性射线，放射性衰变及衰变规律.一、基本概念和基础知识一、基本概念和基础知识1、原子和原子核、原子和原子核原子序数原子序数Z核电荷数核电荷数Z电子数电子数质量数质量数A中子数中子数N质子数质子数Zo原子的表示方法o原子质量单位：是以碳的同位素12C为标准确定的，即1个原子质量单位u为12C静止质量的1/12，也就是1u=mc/12=1.66056610-27kg。o质子质量为：1.00758u。o中子质量为：1.00887u。XAZ元素符号
2、原子序数质 量 数XAo能态：能态：o基态：基态：o激发态：激发态：2、能态、基态和激发态、能态、基态和激发态原子核处于不同的能量状态。能量最低的状态。处于比基态高的能量状态。定定义义：具有特定原子序数（即质子数或核电荷数）、质量数（即核子数）和核能态，而且其平均寿命长到足以被观察到（一般长于10-10s）的一类原子。核素可以是稳定的，也可以是不稳定的。目前已经知道的核素大约有2700种，其中约300种是稳定的，其余是不稳定的，即放射性的。3、核素、核素 oo定义：定义：定义：定义：o元素的丰度可以用列列表表法法或作作图图法法给出。在列表或作图时，通常都把硅(Si)的丰度值取为10，其他核素的
3、丰度值按比例确定。某某种种核核素素在在其其天天然然同同位位素素混混合合物物中中所所占占的的原原子子核数目的百分比称为该核素的丰度核数目的百分比称为该核素的丰度4、丰度、丰度5、放射性及放射性衰变、放射性及放射性衰变o1）定义：）定义：原子核自发的放出各种射线而转变为另一种核素的过程。o2 2）衰变表达式：衰变表达式：o特特点点：衰变主要发生于重核,绝大多数衰变发生于A200的重核。但不等于A200都能发生衰变。XA-4ZYAZ-2+He24o3 3）衰变表达式：衰变表达式：XAZYAZ+1+e-+v_XZAYZ-1A+e+v_-衰变：+衰变：o特点：特点：o中子数过多发生衰变，质子数过多发生+
4、衰变。o粒子的能量是连续能量，能谱连续分布。o几乎所有的放射性核素都存在衰变4 4）衰变衰变o定义：定义：原子核由激发态向基态或由高能态向低能态跃迁时，放出射线的衰变过程称为衰变.o原子核的退退激激，必然伴随有射线的放出，射线的能量就等于相应的核能级之间的能量差能量差。oX X射射线线产生于原子内层电子的跃跃迁迁，它与射线的差别在于能量和产生的方式不同而已。5 5）放射性衰变的特点）放射性衰变的特点o放射性衰变过程是由核内扰动影响而发生的，与外界条件无关；o有些原子核衰变释放一种或二种射线，有些却同时释放三种射线；o原子核衰变规律与放出射线的种类无关，与外界环境无关。o放射性核素发射的射线有三
5、种：o、和射线。6）放射性射线及性质）放射性射线及性质放射源铅盒照相底片o射线：射线：o由高速运动的氦原子核（称为粒子）组成的。它的穿透能力最低（在岩石中只有0.001cm），但电离作用最强。o在核辐射测井中，利用粒子与某些原子核的相互作用可制造中子源。o射线：射线：o是高速运动的电子流。它的穿透能力比射线强(在金属中为0.09cm)，但电离作用比粒子弱。o在核辐射测井中，利用某些发射射线的核素作为井间监测示踪剂。o射线：射线：o是波长很短的电磁波。它的穿透能力最强，电离作用最弱。o射线能穿透几十厘米的地层、水泥环、套管和下井仪器的外壳。这一特性使得它成为核辐射测井主要探测对象。o如果我们用N
6、t)表示时刻t存在的原子核数，那么在时刻t到t+dt之间单位时间内发生衰变的原子核数dN/dt就应当和N(t)成正比，即-dN/dtN(t)-dN=N(t)dt 7）简单放射性衰变的基本规律）简单放射性衰变的基本规律o对上式积分并令t=0时的原子数为N0，则有：o这就是原子核衰变的基本规律：这就是原子核衰变的基本规律：原子核衰变遵循指数衰减规律。o原子核衰变的指数规律是原原子子核核本本身身固固有有的的性性质质，只只和和它它的的内内部部状状态态有有关关。外界因素如高温、高压、强磁场、电场等都不能改变原子核这种指数衰变特性。o不同的放射性核素的不同，即衰变速度不同。N(t)=N0e-t o必须指
7、出：原子核衰变规律是一个统计性规律统计性规律，只有在原子核的数目足够大时才是正确的，否则没有意义。o这是因为核衰变是自发的，对于一个核来讲纯属偶然，只有大数目的原子核才遵循统计规律。o定定义义：衰变规律公式中的常数，反映了原子核衰变速度的快慢，称之为衰变常数。o表达式：表达式：o-dN/dtdN/dt的的意意义义：表示在时刻t的单位时间内发生衰变的原子核数，它与当时存在的原子核数N(t)成正比的。8）衰变常数）衰变常数=dNdt/N(t)_o衰变常数衰变常数的确切物理意义的确切物理意义 ：表示一个原子核在单位时间内发生衰变的几率。o衰变常数衰变常数量纲量纲 ：T-1，通常用秒-1或分-1。o不
8、同的放射性核素具有不同的衰变常数。指数衰减规律反映了原子核衰变的“共性”，衰变常数反映了各种原子核的“个性”。o定定义义：放射性原子核衰变到数量减少一半所经过得时间。o表示符号：表示符号：T1/2o意义：意义：表示原子核衰变的快慢。oT1/2和都表示原子核衰变的快慢。9）半衰期）半衰期o那么二者之间的关系：那么二者之间的关系：由半衰期的定义知：由衰减的规律公式有：当t=T1/2N=N02N=N02=N0e-T1/2T1/2=ln2=0.693o可可见见：原子核的半衰期与衰变常数成反比关系，即半衰期长，衰变常数就小；半衰期短，衰变常数就大。o原原因因：在单位时间内发生衰变的几率越大，原子核得衰变
9、就越快，原子核总数减少一半的时间自然也就越短。o定定义义：就是指一种放射性原子核平均能够生存的时间，通常用表示。6、平均寿命、平均寿命o定定义义：把单位时间内一个放射源发生衰变的原子核数称为放射性活度，也称放射性强度，通常用符号A表示。7、放射性活度、放射性活度A=N=A=N=N0e-t=A0e-t oA0称为初始放射性活度。o放射性活度的单位：放射性活度的单位：由于历史原因，习惯上采用居里（Ci）作为放射性活度单位。它的定义是：一个放射源如果在每秒内产生3.71010次衰变，这个放射源的放射性活度即为1居里，即 放射性活度的国际单位是贝可勒尔，简称贝可，记作Bq。它的定义是：放射源每秒产生一
10、次衰变为1贝可，1Bq=1s-1。二者关系：二者关系：1Ci=3.710101010BqBq第二章第二章 伽马射线与物质的作用及密度测井伽马射线与物质的作用及密度测井本章重点：本章重点：o伽马射线与物质的相互作用伽马射线与物质的相互作用o伽马射线的探测伽马射线的探测o岩性密度测井岩性密度测井第一节第一节 伽马射线与物质的相互作用伽马射线与物质的相互作用o天然天然产生产生o由由伽马源伽马源产生产生一、伽马射线的来源1、伽马射线的产生方式、伽马射线的产生方式o定义：能够产生伽马射线的装置。定义：能够产生伽马射线的装置。o进行-测井、活化法测井时使用的射线源，它由人工或天然放射性同位素制成，如钴(6
11、0Co)源，铯(137Cs)源，锌(65Zn)源、汞(203Hg)源和铈(141Ce)源。o测井中最常用的是测井中最常用的是：钴钴(60Co)源源和铯铯(137Cs)源源2、伽马源、伽马源o目前-测井即岩性密度测井中使用的伽马源基本上都是137Cs源源。o伽马源的性质：伽马源的性质：o伽马源的性质是由源源强强、能能量量分分布布、角角分分布布等决定的。o以密度测井的137Cs源为例，其源强是2、1.5或1Ci，单能伽马射线（0.662MeV），各向同性发射。思考：能否产生可控伽马源？思考：能否产生可控伽马源？o目前已经发现地层中的元素有100100多种，几乎所所有有的的化化学学元元素素都能在地层
12、中找到。但主要的地层元素只有少数几种。o在地壳内化学元素含量按重量百分比大小的分布依次为O O、SiSi、AlAl、FeFe、CaCa、NaNa、K K、MgMg、H H、TiTi、C C、ClCl等。二、地层元素分布及含量二、地层元素分布及含量o各元素在地层中的总量分布极不均匀，前三种元素O O、SiSi和AlAl总量占地壳总量的82.58%82.58%；o前9种即O O、SiSi、AlAl、FeFe、CaCa、NaNa、K K、MgMg和和H H总量占地壳总量的98.13%98.13%；o而其余元素仅占地壳元素总量的1.87%1.87%。o核辐射测井所关心的不不是是地层中所所有有的元素，而
13、是含量在前1010种元素。地层元素质量百分比/%OSiAlFeCaKMgH其他49.1326.007.454.203.252.402.351.001.87地地层层元元素素含含量量分分布布表表o需需回回答答：什什么么是是光光电电效效应应？光光电电效效应应的的特特点点是什么？在测井中作用是什么？是什么？在测井中作用是什么？o1）光光电电效效应应定定义义：当一个光子与物质原子中的束缚电子作用时，光子把全部能量转移给某个束缚电子，使之脱离原子而发射出去，而光子本身被全部吸收，这个过程称为光电效应。o由光电效应发射出来的电子称为光电子。由光电效应发射出来的电子称为光电子。2、核辐射测井中的光电效应、核辐
14、射测井中的光电效应三、光电效应三、光电效应o2）光电子的能量：）光电子的能量：由能量守恒定律知，光电子能量Ee为ohv为入射光子的能量；oEi为第i壳层电子的结合能。Ee=hv_Ei光光电电峰峰NEo光电效应只有在束缚电子束缚电子上发生，电子在原子中被束缚得越紧越紧，就越容易越容易发生光电效应。所以，所以，K K壳层上打出光电子的几率最大，壳层上打出光电子的几率最大，L L壳层次之，壳层次之，MM、N N壳层更次之。壳层更次之。o光子与原子发生光电效应的截面（即几率）与光子与原子发生光电效应的截面（即几率）与入射光子能量的关系：入射光子能量的关系：入射光子能量hv很高时，截面ph很小。因为电子
15、在原子中束缚程度的大小是与入射光子的能量相比较而言的。当入射光子的能量很高时，相对来说，电子的束缚程度就很低，所以截面就很小。3）光电效应的特点：）光电效应的特点：o发发生生光光电电效效应应的的截截面面原原子子序序数数的的关关系系：对于同一能量的入射光子来说，物质的原子序数越高，光电效应截面越大。因为原子序数高，电子在原子中束缚程度也就高，所以截面就大。光电效应截面与作用物质的原子序数有着强烈的依赖关系。这这就就是是岩岩性性密密度度测测井井利利用用光光电电效效应应判判断断地地层层岩岩性性的依据。的依据。探测器应选用尽可能高探测器应选用尽可能高Z的物质作为介质。的物质作为介质。o需需回回答答：什
16、什么么是是康康普普顿顿效效应应？康康普普顿顿效效应应的的特特点点是什么？在测井中作用是什么？是什么？在测井中作用是什么？o1 1）康康普普顿顿效效应应：当入射光子能量增高后，光电效应逐渐减弱，康普顿效应成为光子损失能量的主要方式。在康普顿效应中，入射光子与原子的核外电子发生弹弹性性碰碰撞撞，把一部分能量转移给了电子，使电子脱离原子成为反冲电子，损失能量后的光子则朝另一个方向散射出来。1 1、核辐射测井中的康普顿效应、核辐射测井中的康普顿效应四、康普顿四、康普顿-吴有训效应吴有训效应(compton effect)o康普顿效应不仅在束缚电子上可以发生，而且在自由电子上也可以发生。正因为如此，康普
17、顿效应大多是在原子的外层电子上发生。o思考：原子序数？o思考：入射能量？2）康普顿效应的特点）康普顿效应的特点3）康普顿散射截面）康普顿散射截面 能量比较低时能量比较低时:入射入射 能量比较高时能量比较高时:式中，式中，r r0 0 为电子的经典半径。散射截面与为电子的经典半径。散射截面与Z Z的一次方的一次方成正比，而随成正比，而随E E 增加而减少。增加而减少。4）反冲电子能量分布）反冲电子能量分布 即便是单能射线入射，反冲电子能量是连续分布的。由上面的公式：可得：=0时，E=E，Eemin=0,反冲电子能量为零。=180时，对不同的角度，反冲电子能量不同，为一连续分布,o5）康康普普顿顿
18、效效应应减减弱弱系系数数 e：由康普顿效应导致的射线在通过单位距离物质时的强度减弱。这也是康普顿效应求取地层密度的依据这也是康普顿效应求取地层密度的依据o需需回回答答：什什么么是是康康普普顿顿效效应应？康康普普顿顿效效应应的的特特点点是是什什么么？在测井中作用是什么？在测井中作用是什么？o1）电电子子对对效效应应：当入射光子的能量大于两个电子的静电质量能（即大于1.022MeV）时，在原子核的库伦场作用下，光子转化为一个负电子和一个正电子，形成正负电子对，这个过程称为电子对效应。o2）发发生生电电子子对对效效应应的的条条件件：一是除了光子和电子外，还必须由原子核参与；二是光子必须具有足够大的能
19、量（大于1.022MeV）。五、电子对效应五、电子对效应o4）产生的正负电子对在物质中损失能量后，达到热平衡热平衡，正电子在热平衡时与物质中的负电子产生淹没淹没 光子光子，发出两个0.511MeV的射线，方向相反。这两个射线产生的时间非常短，与物质再次相互作用产生光电效应与康普顿效应，产生次级快速电子。o对低能对低能 射线与高原子序数的作用物质，射线与高原子序数的作用物质，光电效应光电效应占优势；占优势；o对中能对中能 射线与低原子序数的作用物质，射线与低原子序数的作用物质，康普顿效康普顿效应占优势；应占优势；o对高能对高能 射线与高原子序数的作用物质，射线与高原子序数的作用物质，电子对效应电
20、子对效应占优势。占优势。思考：0.662MeV？1.022MeV?110o设有一束强度为I0，准直的单能射线沿水平方向垂直地通过单位面积吸收物质。设吸收物质单位体积内的原子数为N，密度为，吸收截面为r。七、物质对伽马射线的吸收规律七、物质对伽马射线的吸收规律I0o穿过物质后的强度减弱为：-dI=I0Nrdx令o这这表表明明：射射线线通通过过吸吸收收物物质质时时，其其强强度度的的减减弱弱服从指数衰减规律。服从指数衰减规律。积分I=I0e-xo是物质的总吸收系数，单位是物质的总吸收系数，单位cmcm-1-1：=phep+o为什么要了解伽马射线的探测？为什么要了解伽马射线的探测？o探头探测伽马射线的
21、基本原理是什么？探头探测伽马射线的基本原理是什么？o探测器的基本组成？探测器的基本组成？o探测器探测器伽马射线的具体过程是什么？探测器探测器伽马射线的具体过程是什么？第二节第二节 射线的探测射线的探测第二节第二节 射线的探测射线的探测o射线进入探测器后，与探测器组成物质相互作用过程中，发生光电效应、康普顿效应和电子对效应。这三种效应均产生次级电子。o这些电子能引起组成探测器灵敏元件中物质原子的电电离离和激激发发。绝大多数仪器都是利用这两种物理现象来探测射线的。一、一、一、一、射线探测的基本原理射线探测的基本原理o1、电离作用：、电离作用：o定义：定义：带电粒子电粒子（次级电子）与组成物质原子的
22、束缚电子束缚电子发生非弹性碰撞非弹性碰撞，运动的带电粒子与束缚电子之间产生静电作用静电作用，使束缚电子产生加速运动，因而获得足够的能量挣脱原子核的束缚，变成自由电子自由电子，这样就产生了由自由电子和正离子组成的离子对。o探测仪器：探测仪器：利用这种现象的探测器主要有电离室电离室、正比计数器正比计数器、盖革盖革-弥勒计数管弥勒计数管（早期测井探测射线几乎都采用），但由于计数效率低且不能记录能谱，现已不用。o2、激发：、激发：o定义：定义：如果束缚电子所获得的能量还不足以使它变成自由电子，而只是激发到更高的能级，则称之为激发。o受激的原子在退激时能释放出光子，发生闪光，称之为荧光荧光。o探测仪器：
23、探测仪器：收集荧光的探测器是闪烁探测器闪烁探测器/闪闪烁计数器烁计数器，是目前测井应用最广泛的探测器。o1、闪烁探测器的组成、闪烁探测器的组成o闪烁探测器主要由闪烁体闪烁体、光电倍增管光电倍增管和电子仪电子仪器器三部分组成。通常将闪烁体、光电倍增管和前置放大器都装在一个暗盒中，统称为探头探头。二、闪烁探测器二、闪烁探测器scintillation detector 2、闪烁探测器探测、闪烁探测器探测射线原理：射线原理：o射线进入探测器闪烁体中，通过光电效应、康普顿效应和电子对效应产生次级电子；o闪烁体吸收这些电子的能量，使原子、分子电离和激发；o被激发的原子、分子在退激时产生光子即发生闪烁；o
24、利用反射物质和光耦合剂使光子尽可能被收集到光电倍增管的光阴极上，并经光电效应产生光电子；o光电子在光电倍增管中倍增，电子数量增加几个数量级，并被阳极收集，在阳极负载上产生电信号；o这些电信号由电子仪器处理和记录。o什么是密度测井？o密度测井的基本原理是什么？o地层密度如何求取？o影响因素如何处理？第三节第三节 密度测井密度测井一、岩石的一、岩石的射线特征参数射线特征参数射线特征参数射线特征参数 特征参数特征参数岩石的真密度b电子密度ne电子密度指数e光电吸收截面光电吸收截面指数Pe岩石的视密度ao1 1）真真密密度度定定义义：岩石的真密度是指每立方厘米体积岩石的质量，用b表示，单位是g/cm3
25、也称为体积密度，通常所说的密度就是指真密度。o对于孔隙度为，饱含水的纯石灰岩，其真密度为 1、岩石的真密度、电子密度、电子密度指数和视密度、岩石的真密度、电子密度、电子密度指数和视密度 不同矿物具有不同的密度不同矿物具有不同的密度o不同岩石的骨架密度不同，这样在井剖面中可以根据密度把不同岩性的地层区分开。o孔隙性地层相当于致密地层中岩石骨架的一部分被密度小的水、原油或天然气所取代，故其密度小于致密地层。孔隙度越大，地层的密度越小，这样，密度测井资料可以求取地层的孔隙度。事实上，密度测井是孔隙度测井的主要方法之一。o2）电电子子密密度度定定义义：单位体积岩石中的电子数叫岩石的电子密度，用表示n
26、e，单位是电子数/cm3。o若岩石由单一元素组成，则 neo若岩石由单一化合物组成，则o3）电子密度指数）电子密度指数e：为了方便，在散射测井中引入电子密度指数的概念，其定义为 o由单一元素组成的物质，其电子密度指数为（4-1）o由单一化合物组成的物质，其电子密度指数为 （4-2）元素AZ2Z/AH112C1260.999O1681.000Na22110.957Mg24120.987Al26130.964Si28140.997S32160.998Cl35170.959K39190.972Ca40200.998o4）岩岩石石视视密密度度a a：用密度测井仪器测得的密度值，不是岩石的真实密度值，是
27、一种表面的密度值，称为视密度。o对对淡淡水水石石灰灰岩岩地地层层来来说说，视视密密度度等等于于真真密密度度；对对其他岩性地层，视密度值不等于它的真密度。其他岩性地层，视密度值不等于它的真密度。o1）光电吸收截面：）光电吸收截面：o一个原子的光电吸收截面与Z5成正比，其单位是b/原子，即 2、岩石的光电吸收参数、岩石的光电吸收参数(a)o而一个电子的光电吸收截面为(b)o2）岩石的光电吸收截面指数）岩石的光电吸收截面指数o 定义一个与岩石中一个电子的平均光电吸收截面成正比的量Pe为岩石的光电吸收截面指数，有(c)oP Pe e是岩性密度测井中所要测的重要参数，它对地是岩性密度测井中所要测的重要参
28、数，它对地层的岩性很敏感，所以通常也称之为光电吸收岩层的岩性很敏感，所以通常也称之为光电吸收岩性系数或岩性系数。性系数或岩性系数。几种矿物的几种矿物的PePe和和U U值值 v由于在测井时，辐射源发射的和探测器探测的都是射线，因此，岩性密度测井也称散散射射测测井井或-测测井井。它是以射线与地层相互作用为基础的测井方法。v只利用射线与物质作用的康康普普顿顿效效应应来测量地层体积密度的测井方法称为地层密度测井。v根据光光电电效效应应和和康康普普顿顿效效应应，用能谱分析方法来测量地层的体积密度和岩石的光电吸收截面指数的测井方法称为岩性密度测井，又称散散射射能能谱谱测井测井。二、地层密度测井基本原理二
29、地层密度测井基本原理v由于任何岩石的体积密度b与其电子密度指数e都有确定的关系。v而电子密度指数e完全决定于岩石的电子密度ne，后者又决定于康普顿减弱系数c。v因而，可以根据射线的康普顿效应来测量岩石或地层的体积密度b。z由由光子在物质中的吸收规律知，光子在物质中的吸收规律知，v地地地地层层层层的的的的密密密密度度度度不不不不同同同同，对对对对 光光光光子子子子的的的的散散散散射射射射和和和和吸吸吸吸收收收收能能能能力力力力不不不不同，探测器记录的同，探测器记录的同，探测器记录的同，探测器记录的 光子数（或强度）也不同。光子数（或强度）也不同。光子数（或强度）也不同。光子数（或强度）也不同。
30、v因因因因此此此此，通通通通过过过过探探探探测测测测器器器器记记记记录录录录的的的的 光光光光子子子子数数数数，可可可可以以以以确确确确定定定定地地地地层的密度。层的密度。层的密度。层的密度。那么我们怎么保证伽马与地层发生的反应以康普顿效应为主？那么我们怎么保证伽马与地层发生的反应以康普顿效应为主？三、地层密度的求取三、地层密度的求取1、为什么可用探测器计数率确定密度值？、为什么可用探测器计数率确定密度值？v只有保证发射的射线与地层发生相互作用时以康普顿效应占绝对优势，才能使地层对射线的线性吸收系数=c。v做做法法：地层密度测井选用137Cs为源，它发射能量为0.662MeV的光子，排除了生成
31、电子对的可能性。如果将记录射线的能量阈值设为0.1MeV以上，也就是只记录那些能量较高的一次散射或多次散射的射线，就可以避开光电效应的影响。2、几个概念、几个概念v源距：源距：辐射源到探测器的距离。v长长源源距距探探测测器器：源距较大的探测器称为长源距探测器。v短短源源距距探探测测器器：源距较小的探测器称为短源距探测器。v计计数数率率：单位时间内记录的光子数或中子数。v当源的强度和源距选定后，探测器接收的光子数（或强度）取决于两个过程：v一一是是由由源源发发出出的的光光子子经经过过地地层层一一次次或或有有限限次次散散射射，使部分光子射向探测器；使部分光子射向探测器；v二二是是射射向向探探测测器
32、器的的光光子子，有有一一部部分分被被再再次次散散射射而而改改变方向或被吸收。变方向或被吸收。3、如何用探测器计数率求取地层密度？、如何用探测器计数率求取地层密度？地层v当当源源距距很很小小时时，第一个过程是主要的，此时，地层的密度越大，探测器接收到的光子数越多，计数率越大。v随随着着源源距距增增大大到到一一定定程程度度，第二个过程的作用逐渐超过第一个过程，处于主导作用，此时，地层的密度越大，吸收的光子数越多，探测器的计数率越小。地层u当密度一定时，在半对数坐标上，计数率与源距呈线性关系。计数率计数率lnN源距源距LL0计数率计数率lnN源距源距LL01212基本概念基本概念v零源距：两条直线交
33、点对应的源距，用L0表示。v负源距：小于L0的源距。v正源距：大于L0的源距。v 现在的双源距密度测井仪器一般采用的是正源距。现在的双源距密度测井仪器一般采用的是正源距。计数率计数率lnN源距源距NL01212o为了讨论问题方便，我们引入视源距的概念。视源距La等于正源距L与零源距L0之差，即 实实验验证证明明，密密度度测测井井仪仪器器测测量量得得到到的的计计数数率率与与视视源源距距的关系具有普通的关系具有普通射线吸收方程的形式，即射线吸收方程的形式，即 另一种方法：把上式两边取对数，得把上式两边取对数，得式中，式中，A A为仪器对地层密度的灵敏度，有为仪器对地层密度的灵敏度，有可可见见，源源
34、距距大大时时仪仪器器灵灵敏敏度度高高。但但源源距距增增大大时时，探探测测器器的计数率会降低，统计误差相应增大。的计数率会降低，统计误差相应增大。o令B=lnN0：这就是密度测井的基本公式。这就是密度测井的基本公式。可见：如果仪器贴井壁，且井壁没有泥饼，只用一个探测器就能测量地层密度。但一般的储集层处都存在泥饼，所以密度测井通常采用具有两个不同源距探测器的双源距补偿密度测井仪器 1、密度测井的影响因素、密度测井的影响因素v实际测井时，仪器测得的地层视密度 a是下列5个变量的函数：v地层真密度b；v地层平均原子序数Zb；v泥饼厚度hmc；v泥饼密度mc；v泥饼的平均原子序数Zmc。康普顿效应可以使
35、之忽略康普顿效应可以使之忽略结合在一起研究结合在一起研究四、影响因素及处理方法四、影响因素及处理方法u当地层没有泥饼的情况下当地层没有泥饼的情况下这条线称为这条线称为“脊线脊线”NS2、泥饼如何影响？、泥饼如何影响？v当b=2.5g/cm3，*mc=1.5g/cm3，v当泥饼厚度tmc增加时，短源距计数率比长源距计数率增加得快，这样图中的点将向“脊线”右侧偏移。v tmc越 厚，两 计 数 率 交 点 离 点 b=2.5g/cm3越远；v当tmc时，两个探测器这能反映泥饼的性质，计数率的交点将返回到“脊线”上b=1.5g/cm3点位置。有泥饼，只有泥饼厚度变化时有泥饼，只有泥饼厚度变化时v当
36、b=2.0、2.5、3.0g/cm3，*mc=1.5g/cm3。v随着泥饼厚度tmc增加，两计数率的交点均向“脊线”右侧偏移；v当tmc时，所有这些曲线都将返回到“脊线”上b=1.5g/cm3点位置。有泥饼，只有地层密度变化变化时有泥饼，只有地层密度变化变化时v当b=2.5g/cm3，*mc=1.5、2.0、3.0g/cm3。v随着泥饼厚度tmc增加，泥饼视密度小于地层密度的两计数率交点轨迹都偏向“脊线”右侧，形成右侧的一簇曲线；当tmc时，它们将返回到“脊线”上相应点的位置。v随着泥饼厚度tmc增加，泥饼视密度大于地层密度的计数率交点轨迹偏向“脊线”左侧，当tmc时，它们将返回到“脊线”上b
37、3.0g/cm3点位置有泥饼，只有泥饼密度变化时有泥饼，只有泥饼密度变化时脊脊-肋肋图图3、泥饼影响的处理方式、泥饼影响的处理方式o井眼影响（大于10in）；o岩性的影响；o地层孔隙介质的影响；o泥质影响。9、密度测井曲线的影响因素、密度测井曲线的影响因素o什么是岩性测井？仪器有何特别设置？o为何能进行岩性测井？o如何求取地层光电吸收截面指数Pe?二、岩性测井二、岩性测井o岩性密度测井仪器的结构与地层密度测井相同。不同的是地层密度测井使用镉窗，镉的原子序数很高，吸收能量低于100keV的光子，避免光电效应的影响。而岩性密度测井使用铍窗，铍的原子序数很低，几乎所有能量的光子都能够穿过，因而能探
38、测到光电效应。1、光电吸收截面指数、光电吸收截面指数Pe的求取的求取o一般把岩性密度测井测量的能谱分成软谱段和硬谱段两部分。o硬谱段计数对应能量较高的部分，一般取150500keV中某一能段或总的计数率，用NH表示；o软谱段计数对应能量较低的一部分，一般取40100keV中某一能段或总计数率，用NS表示。o利用(NS/NH)Pe关系来求取Pe。三、岩性密度测井的应用三、岩性密度测井的应用o求取地层孔隙度o识别地层岩性o天然辐射无处不在，包括空气、水源、家居天然辐射无处不在，包括空气、水源、家居和办公环境、大地或土壤和办公环境、大地或土壤;o所谓岩石的天然放射性特征就是研究地层中所谓岩石的天然放
39、射性特征就是研究地层中自然放射性核素的化学特征和分布规律。自然放射性核素的化学特征和分布规律。第三章第三章 岩石的天然放射性特征及自然伽马测井岩石的天然放射性特征及自然伽马测井o什么是矿物的指示元素？o三大天然放射性系、特征及初始元素？o地层各种矿物尤其粘土矿物的放射性水平？o为什么生油岩具有高放射性？o自然伽马与自然伽马能谱测井的基本原理？第一节第一节 岩石的天然放射性特征岩石的天然放射性特征o矿矿物物的的指指示示元元素素：是指选取能够充分表征该矿物特征的极少数元素作为该矿物的代表。o例如选取SiSi作为石英的指示元素，CaCa作为石灰岩的指示元素，MgMg和CaCa为白云岩的指示元素。o对
40、于复杂的矿物，则可以选取2323种元素作为指示元素，如钾长石就是选取Si、Al和K作为指示元素。2、矿物的指示元素、矿物的指示元素矿物/流体 主要元素含量顺序石 英石灰岩白云岩钾长石伊利石云 母石 膏水油 气O、Si O、Ca、C O、Ca、Mg、C O、Si、Al、H、K、Mg、Fe O、Si、Al、K、Mg、Fe O、Si、Al、H、K、Mg、Ca O、Ca、S O、H、Cl、Na C、H 地地层层矿矿物物及及其其元元素素o因为每种矿物的化学成分相对稳定，矿物中元素含量的百分比也是不变的，这是核辐射测井通过测量地层中元素的含量来判断地层的矿物成分和流体类型及含量的前提条件。为为什什么么核核
41、辐辐射射测测井井可可以以通通过过测测量量地地层层的的元元素素含含量量来来判断矿物成分？判断矿物成分？o岩石的自然放射性是由岩岩石石中中放放射射性性核核素素及其含含量量决定的。o自然界中发现的现有元素中，已发现的天然核素有330330多种，其中273273种为稳定核素，6060余种位放射性核素。o在自然界中原子量A209A209A209的核素全部都是放射性放射性的。二、岩石中放射性核素二、岩石中放射性核素o自然界中有三个天然放射系，即铀铀系系、钍钍系系和锕锕系系。o它们的初始核素分别为238U、232Th和235U。238U的丰度为99.2739%，而235U的丰度只有0.7205%，所以锕系对
42、岩石放射性的贡献几乎可以忽略。o岩石的自然放射性主要是由238U和232Th开头的两个放射系和放射性核素40K决定的。1、岩石的天然放射性系列、岩石的天然放射性系列1 1、岩浆岩中的天然放射性核素分布、岩浆岩中的天然放射性核素分布 ：o石英石英基本上不含放射性杂质。o长长石石和和云云母母含有地层中大部分的钾，其中40K是放射性核素。o角闪石和辉石角闪石和辉石中放射性核素含量更高一些。二、天然放射性核素在岩石中的分布二、天然放射性核素在岩石中的分布 2、沉积岩中天然放射性核素分布：、沉积岩中天然放射性核素分布：o沉积岩分为碎碎屑屑岩岩、化化学学岩岩（包括生物化学岩）和粘土岩粘土岩三大类。1）粘土
43、岩）粘土岩 粘土岩是油气测井中遇到的含有放射性核素最多的矿物，它主要由粘土矿物组成。o高高岭岭石石：化学式Al4Si4O10OH8，常出现在陆相沉积中，本身不含放射性元素。由于其对放射性物质吸附能力差，对粘土岩的放射性贡献较小。o蒙蒙脱脱石石：化学式（Al2Mg3）Si4O10OH2。本身也不含放射性元素。但对放射性物质的吸收能力强，能吸附较多的氧化铀，因此，对粘土岩的放射性贡献最大。o伊利石：伊利石：化学式为K(1)Al2(Si,Al)4O10nH2O。由于本身含有K，具有放射性；还具有一定吸附能力，吸附氧化铀。o绿泥石：绿泥石：化学式为FeAlSi3AlO10OH8nH2O。本身不含放射性
44、元素，又由于吸附能力差，对粘土岩的放射性贡献很低。为什么说生油粘土岩具有相当的放射性？为什么说生油粘土岩具有相当的放射性？o生油的粘土岩的粘土矿物主要以蒙脱石和伊利石蒙脱石和伊利石为主，其本身放射性和吸附能力使其具有一定的放射性；又由于富含有机质，有利于放射性物质的沉积，因此具有相当的放射性。o碎碎屑屑岩岩由碎屑物和胶结物组成的，碎屑物是岩石的主要组成部分，分为砾岩、砂岩、细砂岩、粉砂岩等。放射性主要由正长石（KAlSi3O8）、白云母（KAl2AlSi3O10OH2）、重矿物及泥质含量决定的。2）碎屑岩）碎屑岩o化化学学岩岩是是通过化学和生物化学作用形成的，最常见、最密切的是碳碳酸酸盐盐岩岩
45、即石石灰灰岩岩和白白云云岩岩。其它常见的化学岩还有石膏、硬石膏、岩盐、钾盐等。其中，钾盐含有放射性核素40K，本身具有放射性；其它化学岩的放射性都是由泥质和某些微量元素贡献的。纯的碳酸盐岩放射性核素的含量很低，特别是Th/U很低。3 3）化学岩）化学岩o一是高高放放射射性性岩岩石石，包括粘土岩、火山灰、海绿石砂岩、含铀矾矿的灰岩及钾盐等；o二是中中等等放放射射性性岩岩石石，包括砂层、砂岩、含有少量泥质的碳酸盐岩等；o三是低低放放射射性性岩岩石石，包括石膏、硬石膏、岩盐、纯的石灰岩和白云岩及纯的石英砂岩等。4）沉积岩按放射性浓度分类：）沉积岩按放射性浓度分类：o自然放射性随着泥质含量的增加而增
46、加；自然放射性随着泥质含量的增加而增加；o随随着着有有机机物物含含量量的的增增加加而而增增加加，如如沥沥青青质质泥泥岩岩的的放射性很高；放射性很高；o随着钾盐和某些放射性矿物的增加而增加。随着钾盐和某些放射性矿物的增加而增加。5）沉积岩的自然放射性规律沉积岩的自然放射性规律(自然伽马测井原理自然伽马测井原理)：o地层岩石中的自然射线主要是由铀系铀系和钍系钍系中的放射性核素以及40K产生的。o其中铀系和钍系中每种核素发射的能量和强度均不同，有些核素还能发射多种能量的射线，射线的能量分布复杂。o40K只能放射一种单一能量的射线，其射线能量均为1.46MeV。三、地层中天然放射性伽马射线能谱三、地层
47、中天然放射性伽马射线能谱o1、铀系、铀系能谱图能谱图:o铀系中最重要的伽马辐射体是214Bi，其次是214Pb。o铀系中能量大于1MeV的射线都是由214Bi发射的。214Bi一次衰变发射的射线能量为1.574MeV，约占铀系总能量的85.6%，214Pb占12.4%。这两个核素发射的射线强度占整个铀系的85%。o自然自然能谱测井就是根据能谱测井就是根据214Bi的特征的特征射线强度测定射线强度测定地层中铀的含量。地层中铀的含量。o2、钍系、钍系能谱图能谱图 o钍系中最重要的伽马辐射体是208Tl（铊），其次是228Ac（锕）。o208Tl和 228Ac射线总能量约占钍系总能量的85%，214
48、Pb占12.4%。这两个核素发射的射线强度占整个钍系的71%。o自然自然能谱测井就是根据能谱测井就是根据208Tl的特征的特征射线强度测射线强度测定地层中钍的含量。定地层中钍的含量。o3、40K 能谱图能谱图 o自然自然能能谱测井就谱测井就是根据是根据4040K K的特征的特征射线强度射线强度测定地层测定地层中钾的含中钾的含量。量。o测井原理？o特点？o探测深度？o刻度原理（API单位）？o曲线特点？o应用？第二节第二节 自然伽马测井自然伽马测井v在测井时，地层中由铀铀系系、钍钍系系和和40K产生的自然射线穿过地层、井内介质、仪器外壳，进入探测器；v探测器利用原子的电离和激发现象，将入射的射线
49、转化为电脉冲信号进行记录。v这样，随着下井仪器在井内自下而上移动，就连续测量出井剖面地层的自然强度曲线，称为自然测井曲线，通常用GR表示。一、测量原理一、测量原理v是贴井壁测量地层自然自然射线总强度射线总强度；v是核辐射测井中最早、最基本、最简单的测井方法；v测量简单、安全、成本很低，而应用价值很高的测井方法；v是寻找放射性矿床、烃源岩最有效的方法之一。二、该方法的特点：二、该方法的特点：地层r三、仪器探测深度三、仪器探测深度v定义：定义：规定以探测器为中心，半径为r的球体对探测器自然强度的贡献占全部空间对探测器自然强度贡献的99%时，r的大小即为仪器的探测深度。v自然伽马测井仪器对实际地层的
50、探测深度不超过20cm，属储集层冲洗带范围冲洗带范围。四、仪器的刻度和测量单位四、仪器的刻度和测量单位v刻刻度度原原因因：单位时间内的计数（计数率），不仅与测量对象与测量环境有关，而且与仪器本身的性能，特别是与探测器的计数效率有关。v刻刻度度原原理理：用自然伽马仪器在规定的条件下，对强度稳定的标准伽马辐射体（地层或伽马源）进行测量，取得计数率的百分之几作为一个标准单位，用这样的单位对测井值进行标定。v刻度的理想方法：刻度的理想方法：建立标准刻度井。v自然伽马曲线的单位：自然伽马曲线的单位：APIvAPI单单位位：美国石油学会规定，在标准刻度井中，把高放射性和低放射性地层中测得的读数之差定为20
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