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第三章-核测井

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第三章 核测井西安科技大学资源勘查 2008级核测井 (放射性测井 ):以物质的原子核物理性质为基础的测井方法 。 它是根据岩石及其孔隙流体和井内介质 (套管 、 泥浆等 )的核物理性质来研究钻井地质剖面 , 寻找煤 、 石油等有用矿藏 , 研究油气田开发及油气井工程的测井方法 。引言 放射性测井 优点 :它是唯一能够确定岩石及其孔隙流体化学元素含量的测井方法 。 既可以在裸眼井又可以在套管井中测量 , 而且不受井眼介质的影响 。 放射性测井 缺点 :成本高;测速低;需要一定的放射性防护措施 。 核测井适用条件: 不仅适用于一般的泥浆井 , 而且也适用于油基泥浆井 、 高矿化度泥浆井 、 空气钻井 (裸眼井 、 套管井 )等 , 是一种适用范围较大的测井方法 。引言第一节 自然伽马和伽马能谱测井自然伽马测井 ( 自然伽马能谱测井 (是以研究岩石的自然放射性为基础的放射性测井方法 。一、伽马测井的核物理基础(一 )由原子核及其核外电子层组成的一种很微小的粒子 , 直径大约为 10原子核 的直径大约为 1010由中子和质子组成 。 质子就是氢原子核 , 带 1个单位正电荷 , 中子是不带电的粒子 , 其质量几乎与质子相同 , 约为 1个原子质量单位(U), (质量数为 12的碳元素的一个原子质量的 1/12为一个原子质量单位 )。第一节 自然伽马和伽马能谱测井核外 电 外中子质 子原子核原子第一节 自然伽马和伽马能谱测井原子呈中性: 原子核中的质子数 =核外电子数元素的 原子序数 (Z):原子核中的质子数目;元素的 质量数 (A):中质子数+中子数;原子核: 右上角质量数 A, 左下角原子序数 Z。例: 62的碳原子核 。第一节 自然伽马和伽马能谱测井元素: 同类原子的统称;决定元素化学性质的是元素的原子序数 , 即原子核所含的质子数 , 与其质量数无关 。 也就是说:原子序数相同而质量数不同的各元素其化学性质是相同的 , 它们在周期表中占有同一位置 。同位素: 原子序数 (原子核中质子数 )相同而中子数不同的核素 。例:氢的同位素: 11 12 13放射性元素的原子核自发地释放出一种带电粒子 (粒子 或 粒子 ), 蜕变成为另外某种原子核 ,同时放射出伽马 ()射线的过程 。放射性: 原子核能自发地释放出 、 、 射线的性质 。第一节 自然伽马和伽马能谱测井放射性核衰变的规律: 放射性核数随着时间按指数递减的规律变化 , 且这种变化与任何作用 (如温度 、 压力 、 电磁场等 )无关 , 衰变速度唯一地取决于放射性元素本身 。若以 分别表示任意放射性元素在时间 t=0和 则放射性元素衰变规律可用下列关系式表示 , 其中 为衰变系数 。0第一节 自然伽马和伽马能谱测井半衰期: 指放射性元素从 t=0时的 有 个原子核发生衰变所经历的时间,用  002第一节 自然伽马和伽马能谱测井一样 , 不受任何外界的影响 , 而且是与时间无关的常量 。 放射性元素不同 , 其半衰期也不同 , 放射性元素的半衰期相差很大 , 有的短到若干分之一秒 , 而有的则长达几十亿年 。第一节 自然伽马和伽马能谱测井常见放射性核素半衰期放射性核素 符号 半衰期 9109 53 1.8 00 第一节 在单位时间内发生衰变的核素叫 放射性活度 或 放射性强度 。活度的单位为 居里 ( 11010/10001000000贝克勒尔 1/S 11010然伽马和伽马能谱测井放射性比度 (比放射性 、 比活度 、 放射性浓度 )是指放射性核素的放射性活度与其质量之比 ,其单位为 Bq/i/g。 纯镭的放射性比度为1Ci/g。第一节 即: 、 、 , 它们具有不同的性质 。射线: 氦原子核流 , 2带两个单位正电荷 。质量大 , 易引起物质电离或激发而被物质吸收 。 射线电离本领最强 , 在物质中的穿透距离很小 , 在空气中约为 在地层岩石中仅为 10因此 , 在井内根本探测不到 射线 。第一节 自然伽马和伽马能谱测井射线: 射线是高速运动的电子流 , 它在物质中的射程也比较短 , 能量为 1射线在铅中的射程仅为 射线: 射线是频率非常高的电磁波 (波长为3× 1010光子流 , 不带电荷 , 能量十分高 ,一般在几十万电子伏特以上 , 而且具有很强的穿透能力 , 能够穿透几十厘米的地层 、 套管及仪器外壳 。第一节 自然伽马和伽马能谱测井通常情况下 , 、 和 射线是同时发生的 , 由于和 射线的穿透能力弱 , 不能被测井仪器探测到 ,而 射线的穿透能力强 , 在井下能够被探测和记录 。中性粒子射线不是由核衰变产生的,而是由特殊的中子源产生的,其特点是能量高、穿透力强。放射性测井探测器探测到的射线:中子射线和 射线。第一节 自然伽马和伽马能谱测井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)=010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 量率二、常用 件单位三、核衰变的统计涨落测井时记录的是单位时间的脉冲数, 不同的仪器 记录数不同,为了 统一单位 和比较,必须使仪器在 统一 标准下刻度,采取相同的单位 微伦琴 /小时 然伽马和伽马能谱测井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。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:9209然伽马测井 ( 者的 比例 , 其含量与岩性、形成 过程中的 物理化学 条件有关,因此, 岩性不同, 火成岩 >变质岩 > 沉积岩沉积岩 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、钙质岩、泥质砂岩等强度高的: 钾岩、深水泥岩、页岩强度最高的: 放射性软泥、彭土灰除了钾岩及骨架含放射性元素的岩石外,岩石的 常情况下:地层的 一 )岩石的自然放射性(二 )井的基本原理射线 泥浆 仪器外壳 进入探测器成比例的连续电位差并记录成 经传输 至地面仪处理与单位时间脉冲数仪器泥浆地面仪射线电缆处理成 冲 /分钟微伦琴 /小时 )线特征 (均匀理想模型地层点测 )当 上下围岩相同 时,曲线基本与地层中部 对称 ,低 放射性地层对应 放射性地层对应d 曲线幅度 不受岩层厚度的影响相沉积、氧化环境、风化层 +(>的射线 线光电效应: (E)光电子射线一、伽马射线与物质的相互作用二、伽马射线的吸收吸收:射线粒子的消失吸收系数:单位长度的物质对 射线的吸收概率 。电子对 t 康普顿  光电效应 0研究表明, 射线强度衰减遵循指数衰减规律三 、 密度测井的原理 (e)单位体积中岩石的电子数Z:原子序数A:质量数伏加德罗常数 =e* e(> ≌ 探测器 贴井壁测量 规则井眼 贴井壁不好地层密度值的影响大提出了:三 、 密度测井的原理 ( 、 补偿密度测井的原理 ( 用长短源距的测量结果来计算有泥饼影响条件下被测岩石的真实密度值 。1个放射性源两个探测器贴井壁测量计算公式:)1()1()1(1)1(1)()( 源距 、 泥饼参数 、 岩石参数有关’径、极板曲率>10英寸 不能很好贴井壁,受泥饼影响大、下井仪输出的测井曲线:密度值曲线与密度差值曲线四 、 补偿密度测井的原理 ( 、 适用条件:纯岩层砂岩 =岩 =云岩 =石膏 =水泥浆 =1盐水泥浆 = /立方厘米含泥质岩层V   )1(岩石有多种矿物构成:m a im a   子交会图法确定岩性 孔隙度 岩石的骨架成分第三节 中子测井测井中子源: 它由轰击粒子和靶组成 (氚为靶、氘为轰击离子),中子源可分为同位素和脉冲中子源。同位素中子源 (核衰变产生轰击离子 , 然后 , 轰击其它元素产生中子 )人不可控制;脉冲中子源 (用氘轰击氚产生中子 )人可控制 。一、中子和中子源放出伽马射线(次生伽马射线)基态原子核快 得内能)变成n’碰撞后的中子二、n n’能量降低激发态原子核( 获得动能 )基 态 原子核该过程的能量是守恒的每次弹性碰撞的平均能量损失:E=2A·1+A)2  元素周期表中 , 最小 , 物质含 弹性散射时间短 , 减速能力强 。n 激发态原子核(获得内能)原子核放出伽马射线(次生伽马射线)回至三、速能力最强)。从快中子变至热中子的这段时间为弹性散射时间。物质的减速能力决定了减速长度,物质减速能力的大小用减速长度来表示。岩层的减速长度取决于各元素的减速长度 , 所有元素中氢的减速能力最强 , 含 地层含 H, 减速长度取决于含 物质减速长度( 砂 +22%水 述热中子扩散阶段长短。热中子扩散阶段的长短与物质所含原子核的俘获能力有关。宏观俘获截面:单位体积的地层对热中子的俘获概率。(描述地层对热中子的俘获能力)沉积岩中氯元素的 最大,地层含氯,地层的 取决于含氯量。地层不含氯和其它较高的 元素, 相对较高,地层的 在一定程度上反映 观俘获截面四、超热中子测井 (一 ) 超热中子测井的基本原理 (贴井壁测量 ) 与地层中的原子核发生弹性碰撞 , 能量损失 , 速度降低 , 成为超热中子 , 减速长度取决于元素的种类和含量 。同 100%含水 同、岩性不同 数率高数率低(二):n m m 石灰岩的 砂岩的 算出的孔隙度是视石灰岩孔隙度。而用岩石本身的骨架孔隙度算出的 隙度、含水、油的 F 相对偏低(天然气的含 而 用条件:高孔隙、侵入浅的含气纯地层(下图)(二)超热中子曲线的应用五、 探测热中子密度 )1)下井仪2)原理优点:减小地层俘获性能的影响,补偿井参数含氯量的影响。利用两个不同源距探测器所测得的计数率之比来减小地层俘获性能的影响含氢指数 =1立方厘米物质的氢核数 / 1立方厘米淡水的 补偿中子的探测器测得的计数率送至地面仪,经过适当的模拟装置自动把计数率的比值转换为相应的含 即最终输出的曲线,常见的视石灰岩孔隙度。探测热中子密度 )与 结: 掌握中子测井的原理、及相关的概念、曲线的应用。比较各类中子测井的优点缺点。源距与计数率间、含 :第四节 脉冲中子测井(自学)
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