放射性测井原理

∆h1/2/hmax*100%
式中hmax是分布曲线中最大计数处的振幅值，Δh1/2为最大计数率的
一半在曲线上相截的振幅宽度。
自然放射性的能量
不同的元素放出的伽马射线的能量是不 同的。如钾同位素19K40发射1.46MeV单一能 量的伽马射线。其它放射性系列发出多种能
量的伽马射线。
沉积岩的自然放射性既取决于其中所含
伽马射线的探测
γ射线与物质相互作用的过程中，主要通过 光电效应、康普顿散射效应和电子对效应而产生 次级电子，这些电子引起物质中原子电离和激发， 大多数仪器利用这两种物理现象来探测γ射线。
探测γ射线的探测器主要有：盖革管、闪烁 计数器。
闪烁计数器工作原理
伽马射线入射到闪烁体时，使闪烁体的原子 受激，退激产生荧光，通过光导，收集到光电倍增 管，之后产生为电压脉冲。 晶体一般为NaI(碘化钠）或CsI（碘化铯）。
人工源：对应于天然放射性核素，通过人工提炼合成的 放射性物质，典型的Cs137,其能量为0.662MeV,半衰期30年，2Cu， 241Am
伽马射线与物质之间 的相互作用
康普顿散射 光电吸收 产生电子对
康普顿散射
能量较高的伽马射线与物质中原子的核外 电子（K、L层）发生碰撞时，一部分能量转交给 电子，使之脱离原子的电子壳层而飞出（这种电 子叫做“康普顿电子”），同时伽马射线改变自 己的运动方向，继续与其它电子碰撞。每碰撞一 次，能量就损失一部分，并改变其运动方向，现 场所谓的“康普顿散射”。 伽马射线经过多次碰撞之后，能量不断降低， 直到最后以光电效应结束。 产生康普顿效应的伽马射线能量范围0.252.5MeV。
这是利用自然伽马测井曲线区分岩石性质、进行地 层对比，以及定量估计岩石中泥质含量的依据。
API伽马射线单位
主 要 沉 积 岩 的 自 然 放 射 性
0 硬石膏 煤 岩盐 白云石 石灰石 砂岩 泥质砂岩 砂质泥岩 泥岩 深海泥岩 钾盐
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
伽马测井的应用
补偿中子测井基本原理
这种测井方法将装有中子源和探测器的 井下仪器下入井中,中子源发射出的中子在穿 过井孔进入岩层的路径中,同物质的原子核发 生碰撞并经过减速、扩散和被俘获这么几个 过程。在这些过程中，探测器周围的中子分 布状况，以及中子被俘获后所放出的伽马射 线强度，与仪器周围的岩石性质，特别是岩 石的含氢量有关。而储集层的含氢量又取决 于它的孔隙度。 中子测井是目前使用最广泛的一种孔隙 度测井。
产生电子对
当能量高于1.02MeV的伽马射线与 物质作用时，在原子核力场的作用下， 可转变成正、负电子对，即一个正电子 和一个负电子。 伽马射线形成电子对后，本身被吸 收。
一般来说，当光子能量<0.1MeV时，光电效应 占主要地位；光子能量在0.1－2MeV范围内0时， 康普顿效应占比例最大；光子能量>2MeV时，电子 对效应处于主导地位。
放射性测井方法较多，每种方法都以研究岩石及其孔
隙流体的某种核物理为基础，大致分三类： • 伽马测井 研究伽马辐射为基础，包括自然伽马、自然伽 马能谱、地层密度（伽马－伽马）测井、岩性密 度测井等。 •中子测井 研究中子与岩石及其孔隙流体相互作用为基 础,包括超热中子、热中子、中子伽马、中子寿 命等。 •核磁测井 利用核磁现象研究地层自用流体含量。
Be9 + 2He4 6AC12 +0n1 + 。 4
中子与物质的作用
中子源发射出的快中子，它们与组成 物质的原子核发生作用。 可以分为以下两个作用阶段： (1)快中子的减速过程; (2)热中子的扩散及被俘获。
补偿中子测井与岩石含氢量
• 补偿中子测井响应主要反映岩石中的氢元 素含量。这是因为： • 沉积岩中不同元素对中子产生弹性散射 的几率（即散射截面）不同，氢元素的弹性散 射截面最大。 • 氢元素（其原子核仅1个质子）质量与中 子最接近，和中子碰撞后中子能量损失最大， 使中子减速成热中子的过程也最快。
热中子的扩散
快中子减速为热中子后，同
气体分子的扩散类似。它们从密
度大的地方向密度低的地方散。
热中子被俘获
热中子被俘获
热中子扩散时，由于速度较慢，在原 子周围停留时间就较长，因而很容易被原 子核俘获。 热中子被原子核俘获的几率取决于元 素的俘获能力，一般用“俘获截面”来描 述。
岩石中主要元素的俘获截面
放射性强度
定义：单位时间内发生衰变的原子核
的数目。
放射性强度与其中所含某种放射 性元素的含量有关。 单位：居里 （curie），即
每秒钟内有3.7107次核衰变。
国际单位：贝克 Bq.
半衰期
定义：放射性原子核的数目，由于衰变而减少到 原来一半时所需要的时间称为半衰期。用T1/2 表示。 测井中心现有各种源的强度和半衰期见附表
中子
中子是一种不带电的中性粒子，其质量与氢核 质量相近。中子与物质作用时，能穿过原子的电 子壳层而与原子核相碰撞，所以它具有较强的穿 透能力。
按能量大小，中子可分为： 快中子 (或称“高能中子”)：>100000eV； 中能中子：100eV～100000eV； 慢中子：<100eV。 其中，0.1eV～100eV的中子---超热中子, 0.025eV的中子---热中子.
原子核ZXA放出粒子（即电子）,形成新元 素Z＋1YA
放射性物质的三种射线
进一步研究表明，放射性物质能放射出三 种本质不同的射线：
射 线 射线 射线 射线
性 质
特
点
粒子流 电子束 光子流
带电荷 飞行速度近于光速 波长很短的电磁波
各种射线的电离和穿透特性
射线 α β γ 电离 最强 中 最弱 穿透岩石 最弱：0.001 厘米 0.9 最强: 30 厘米 厘米
晶体为透明的玻璃体，其重要特性为发出光脉 冲幅度和伽马射线能量成正比。相对其他探测器， 优点为探测效率高，死时间短。但易潮解，易碎。 晶体与光电倍增管之间的光导为需要保养耦合 的硅油，可使大部分荧光光子射到光电倍增管。 光电倍增管主要是将光脉冲转变为电脉冲的元 件，将光成比例地转变成较大的电压脉冲。
元素 氢 碳 氧 钠 镁 钾 氯 硼 铝 硅 钙 俘获截面(巴) 0.332 0.003 0.0002 0.515 0.063 1.97 32.6 755.0 0.23 0.13 0.43
补偿中子测井测量的信息
• 元素的原子核俘获热中子后，处于 激发状态。当它回到稳定的基态时，多 余的能量就以伽马射线（即“俘获伽马 射线”或“次生伽马射线”）的形式释 放出来。 • 补偿中子测井就是测量俘获伽马射 线。
放射性测井具有独特的优点，能够在井下快速 分析和确定岩石及其孔隙流体中各种化学元素含量的 有效方法，不受井内介质的限制，是套管井中唯一能 够进行地层评价的测井方法。
2.放射性测井 位素是稳定的，即
它们的结构和和能量不会发生改变。
自然界中还有一些同位素则不稳定，
康普顿过程示意图
散射光子能量
散射光子能量 原子 e 康普顿反冲电子
光电吸收
当伽马射线能量较低（低于0.25MeV）时， 它与组成物质的元素原子中的电子(内层束缚电 子）相碰撞之后，把自身的全部能量转交给电 子，使电子获得能量并脱离其电子壳层而飞出， 同时伽马射线被吸收而消失。这一过程称为 “光电效应”。被释放出来的电子称为“光电 子”。 产生光电效应的几率随着入射伽马射线能 量的增加而减小，随着元素原子序数的增大而 增大。
闪烁晶体分辨率
仪器的分辨率主要决定于晶体的分辨率。 伽马射线打到晶体上，产生荧光，然后 转移到光电倍增管上，光电子按总增益系 数倍增，形成电脉冲输出。输出脉冲的幅 度并非一样，而是围绕一个平均幅度涨落， 实测脉冲幅度分布如图。脉冲幅度越窄， 能够分辨两种伽马光子的能量差别越小， 故用分辨率去判定探测器的性能 分辨率η=
沉积岩中放射性物质的来源
通常认为，放射性元素最初存在 于火成岩中。当火成岩风化以及地表 水的作用，一部分易溶的放射性物质 便以溶液的形式搬运，而不易溶解的 则在水中与胶体和岩石及矿物的碎屑 一起搬运，最后随同沉积岩一起沉积 下来。
自然放射性与沉积岩中泥质的关系
除了钾盐外，沉积岩的自然放射性与岩石 中的泥质含量有密切的关系。岩石含泥质越多， 自然放射性就越强。这是因为： 1.构成泥质的粘土颗粒较细，有较大的比面 积，在沉积过程中能够吸附较多的溶液中放射性 元素的离子。 2.泥质颗粒沉积时间较长，有充分的时间同 放射性元素接触和进行离子交换。
它们能自发地改变结构，放射出射线， 并变成其它元素的同位素。这种不稳 定的同位素称为放射性同位素。
放射性同位素衰变的两种形式
放射性同位素通过放射出射线而从不稳定 到稳定的过渡，称为放射性同位素的核衰变。 第一种:衰变
原子核ZXA放出粒子（即氦核2He4）,形成 新元素Z－2YA－4 第二种:衰变
放射性测井原理
2004年10月10日
主要内容
一、 概况
二、 理论基础
三、 自然伽马测井
四、 自然伽马能谱测井
五、 地质应用
1. 概况
放射性测井是测量地层的自然放射性以 及人工核辐射与地层及井内介质的相互作用， 从而研究地层、井内介质的一些物理、化学 特性及油田开发过程中的动态变化。在石油 勘探和开发中，经常采用放射性测井方法来 研究和划分地质剖面，测定地层的吸水面以 及检查油井工程质量等。
自然伽马测井资料可用于划分地质剖面，确定 地层的泥质含量，进行地质对比，跟踪射孔， 寻找放射性矿物。
中子测井
中子测井属于放射性测井。它是利用岩石 的另一种特性，即岩石中的含氢量来研究岩石 性质和孔隙度的。 补偿中子测井（CN）也是一种不居中的测 井仪器。 它利用自身的化学中子源和长、短源距两 个探测器， 测量尚未被地层俘获的热中子密 度随源距的衰减率，并把衰减率转换成刻度过 的孔隙度值