地球物理测井密度测井及岩性密度测井
浅析地球物理测井在煤田地质勘探中的应用
浅析地球物理测井在煤田地质勘探中的应用摘要：我国的煤炭资源在世界位居前列，并且煤炭是我国主要的消耗能源，因此煤田地质勘探对我国能源开采的极其重要。
地球物理测井简称测井，是通过在钻孔中提拉探管来测量地下岩层的导电特性、声学特性、放射性等物理参数，从而达到识别地下岩层的目的。
本文主要简单地介绍几种地球物理测井方法及其在煤田地质勘探中的应用。
关键词：地球物理测井；测井方法；煤田勘探1 引言地球物理测井技术经过长达几十年的发展，形成了以核、声、电三种测井系列为主的诸多测井方法，在煤田地质勘探中通过利用这些技术方法，我们可以确定煤层的埋深、厚度及结构；划分地层岩性剖面，推算解释地层时代；确定地下断层性质、层位及断距；测算地层地温梯度；计算地层孔隙度，地层含水饱和度及含水层位置；测量钻孔的顶角和方位角等。
2 测井技术方法介绍2.1自然伽马测井自然伽马测井是煤田地质勘探测井中最常用的测井方法，它主要通过探管测量岩层的天然伽马射线强度。
在沉积岩地层中，因为放射性元素主要存在于黏土矿物中，因此地层泥质含量越多，其放射性越强。
通过这种规律，我们就可利用自然伽马测井来划分钻孔的岩性剖面、确定砂泥岩沉积地层中的泥质含量以及确定地层的渗透性。
通过自然伽马测井，我们也可以根据地层放射性来勘探地层中的其他具有放射性的矿产（如钾盐、钍、铀等）。
2.2密度测井自然伽马测井是测量岩石中的放射性元素发射的伽马射线强度，是被动的测量方式。
而密度测井是采用主动测量的方式：通过探管携带的人工放射源在地下产生射线，测量射线在与地下岩石经过相互作用后的射线强度，进而计算出地下岩层的体积密度，达到识别地下岩性的目的。
由于煤的密度与其他岩石的密度有着十分明显的差异，所以密度测井能让我们简单快速的识别到煤层，确定其埋藏深度及其厚度。
2.3电阻率测井电阻率测井是以地下岩层的导电性（电阻率或电导率）为基础，在钻孔中通过电极系来测量地层电阻率的一种方法。
密度测井及岩性密度测井
2、密度测井（DEN/FDC)
原理
③ Cs主137 要产生中档能量旳伽马 光子，所以伽马光子与地层 之间主要发生康普顿效应.
④
e
zN A A
2、密度测井（DEN/FDC)
原理
Ⅰ对于单探测器
由 b 取f得(N旳)密度为
体积密度（体积密度测井 DEN）。 主要反应泥饼和冲洗带旳 密度。
Ⅱ光子旳能量为中档（ Er 0.1 ~）5m时ev，γ射线与物质旳 作用以康普顿效应为主。
Ⅲ光子旳能量较高（ Er 5m）ev时，伽马射线与物质旳 作用以电子对效应为主。
Ⅳγ射线穿过物质时，同步发生三种作用而减弱，
其吸收系数为
1、伽马射线与物质旳作用
试验证明：
I I 0e L
其中：I0-γ射线源产生旳γ射线旳强度； I-γ射线经过L厚度旳介质后旳强度
2、密度测井（DEN/FDC)
原理
Ⅱ 对于双探测器
NS 主要取决于泥饼旳密度 NL 主要取决于冲洗带及泥饼旳密度
由NS、NL共同拟定密度
b f (NL, NS ) 为补偿密度（补偿密度测井 FDC）主要反应冲洗带旳密度
2、密度测井（DEN/FDC)
原理
2、密度测井（DEN/FDC)补偿密度测井曲线
2、密度测井（DEN/FDC)
原理
仪器旳构造： γ源 探测器 源距
2、密度测井（DEN/FDC)
原理
γ源
C 137
55 s
137 56
Ba
0 1
e
(0.661mev)
即伽马源产生旳是中
档能量旳光子流，自然
它在穿过物质时，主要
《地球物理测井》Ch11.密度和岩性密度测井
由上三式可见，只有康普顿效应与介 质密度关系比较简单。（10-2）式表明康 普顿散射引起的伽马射线减弱程度与介质 密度 或电子密度 成正比。 （10-2）式是对单一元素物质表示 的，对于多种化合物也同样遵循这一关 系，例如对于多中原子构成的矿物，其关 系为： （10-4）
一般而言，伽马光子会随着源距的增强而减小。 则有：
因一般储集层都有泥饼，密度测井都采用不同源距的两个伽 马射线探测器，以补偿泥饼对测量的影响，称为双源距补偿密 度测井。常用短源距为15－25cm，长源距35－40cm。
长源距 探测器
短源距 探测器
伽马源
图10-2 双源距补偿密度测井仪器结构
第二节 泥饼影响及密度测井仪刻度方法
不同岩性地层,其测井响应值(幅度)不同
岩性
砂岩 石灰岩 白云岩 硬石膏
声波时差 微秒/米 164~184 156 143 164 微秒/英尺 50~56 47.5 43.5 50 密 度
1、泥饼对计数率的影响（实验） （1）地层没有泥饼时，用长、短源距计数率 都可得到地层密度，而且两者结果一致。 （2）当存在泥饼时，长、短源距计数率将偏 离正常位置。
即长、短源距探测器计 数率（对数坐标）呈线 性关系，所确定的直线 称为“脊线”，其斜率为 AL/AS，该线与横轴的夹
图10-3 无泥饼时的实验曲线
考虑到以上特点，常将密度孔隙度与补偿中子 孔隙度重叠显示以此来区分岩性。
图10-5 某层系的LDT-CNL-GR曲线
3、划分裂缝带或气层
第八章 测井DEN曲线
图8-2为Z相同而密度不同是的伽马能谱的分布曲 线。低能区，随密度增加，计数率减小，计数率最大 值对应的能量与密度无关，在高能区，计数率随密度 增加而减小。
如果只存在康普顿效应，则μ为康普顿散射吸收系数。
同时，由于沉积岩的Z/A≈0.5，故：
NN e
E
zN A
A
B
L
0
两边取对数得：： ln N ln N0 Kb L
其中：K e N A 2
短源距探测器
计数率与密度、
源距的关系如
图8-4、8-5所
计
示。
数
率
长源距探测器
图8-4 长、短源距计 数率与地层密度的关 系曲线（无泥饼）
地层密度
图8-5、
长、
短源
距计
计
数率
数
与泥
率
饼厚
度、
地层
密度
的关
系
泥饼厚度增加
短源距
长源距
泥饼厚度增加
地层密度
图8-4表明：随地层密度增加，长、短源距计数率均降 低；密度相同，源距大，计数率低。
图8-5表明：（1）当地层密度与泥饼密度相同时， 源距相同、泥饼厚度不同的直线相交于一点，泥饼厚 度不影响计数率；（2）当地层密度大于泥饼密度时 （交点右侧），随泥饼厚度的增加，计数率增大，测 量的地层视密度减小（小于地层密度）；（3）当地层 密度小于泥饼密度相同时（交点左侧），随泥饼厚度 增加，计数率减小，测量的地层视密度增大（大于地 层密度）。
第八章 密度测井
-0.24*(2.65-2.55)/(2.65-1.0)=0.22 地层视石灰岩孔隙度=(2.71-2.25)/(2.71-1.0)=0.27
不变的过渡带
计
密度增加
数
率
能量(kev) 图8-2 Z相同而密度不同地层的散射吸收伽马能谱响应
第二节 密度测井
一、密度测井的基本原理 1、井下仪
图8-3为补偿密度测井仪的示意图，它包 括一个伽马源，两个伽马光子探测器。它们 安装在滑板上，测井时将滑板推靠到井壁上 。在下井仪器的上方装有辅助电子线路。
图8-12 计数率比与Pe的关系曲线
由此，通过测量高能段、低能段的伽马光子数，即 可确定地层密度 、光电吸收截面指数和地层体积光 电吸收截面U。
岩性密度测井的输出为：地层密度、地层密度的 泥饼校正值、光电吸收截面指数Pe和地层体积光电 吸收截面U。如图8-13所示。
图8-13 实测的Pe曲线图
2）、密度曲线与中子测井曲线重叠识别气层。 气层：密度视石灰岩孔隙度大，密度低，中
子孔隙度低。
3）、密度-中子测井交会图确定地层岩性及孔隙 度。
第三节 岩性密度测井
岩性密度测井利用伽马射线与地层的光电效 应及康普顿效应，测定地层密度、孔隙度及岩 性。 一、岩性密度测井的基本原理
1、井下仪 岩性密度测井采用的井下仪与密度测井的相 似。测井时，井下仪的滑板被推倒井壁上，滑 板上装有铯伽马源和长、短源距的伽马光子探 测器。
Pe Z 3.6
其中：α为常数。
第8章-密度测井和岩性密度测井
第八章 密度测井和岩性密度测井此两种测井方法是由伽马源向地层发射伽马射线，经与地层介质相互作用后，再由伽马探测器接收（即为伽马-伽马测井），地层不同，探测器记录的读数不同，从而被用来研究地层性质。
§1 密度测井、岩性密度测井的地质物理基础一、岩石的体积密度b ρ（即真密度）： VG b =ρ （单位体积岩石的质量）对含水纯岩石： φρφρρρρφ⋅+-=⋅+⋅=+=f ma f ma ma fma b V V V VG G )1( 单位：（g/cm 3）其中：V V V ma =+φ（1）组成岩石的骨架矿物不同，ρma 不同，如石英为2.65，方解石为2.71，白云石为2.87，对于相同孔隙度得到的体积密度也就不同，由此可判断岩性；另一方面，利用体积密度计算孔隙度时，必须得先确定岩性。
（2）孔隙性地层的密度小于致密地层，且随着φ的增加ρb 减小，由此可求φ。
且（盐水泥浆）（淡水泥浆）1.10.1=f ρ二、康普顿散射吸收系数∑中等能量γ射线与介质发生康普顿散射康普顿散射而使其强度减小的参数(康普顿减弱系数---由康普顿效应引起的伽马射线通过单位距离物质减弱程度)： A N z b A eρσ⋅⋅=∑ 沉积岩中大多数核素A z 均接近于0.5(见表8-1, P138)，常见的砂岩、石灰岩、白云岩的A z 的平均值也近似为0.5(见表8-2)，所以对于一定能量范围的伽马射线（e σ为常数），∑只与b ρ有关。
密度测井利用此关系，通过记录康普顿散射的γ射线的强度来测量岩石的密度。
三、岩石的光电吸收截面1、线性光电吸收系数：当γ的能量大于原子核外电子的结合能时，发生光电效应的概率。
n A Z λρτ1.40089.0=2、岩石的光电吸收截面指数Pe 它是描述发生光电效应时物质对伽马光子吸收能力的一个参数，即伽马光子与岩石中一个电子发生光电效应的平均光电吸收截面，单位b/电子。
而它与原子序数关系为：Pe=aZ 3.6a 为常数，地层岩性不同，Pe 有不同的值，也就是说Pe 对岩性敏感，可以以来确定岩性，Pe 是岩性密度测井测量的一个参数。
地球物理测井.密度测井及岩性密度测井
2.648
2.712
2.876
2.977
1.355～1.796
1
0.85
地球物理测井.放射性测井 影响岩石密度的因素：
2
孔隙度
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、原油或天然气所代替，故其密度小于致密地层。孔
隙度越大，地层的密度越小。所以用密度测井资料可以求地 层的孔隙度。密度测井是三种主要孔隙度测井方法之一。
e
式中
e
ZN Ab A
—每个电子的康普顿散射截面。
地球物理测井.放射性测井
1.密度测井的核物理基础
3、光电效应： (E＜ 0.2 Mev )
电子
光电效应的吸收系数：
能量较低的伽马射线穿过物质与原 子中的电子相碰撞，并将其能量交 给电子，使电子脱离原子而运动， 伽马光子本身则整个被吸收，被释 放出来的电子叫自由电子，这种效 应叫光电效应。此时产生的自由电 子被称为光电子。
石英 2.654 2.65 2.648
方解石 2.71 2.708 2.712
白云石 2.87 2.863 2.876
硬石膏 2.96 2.957 2.977
无烟煤 1.4～1.8 1.442～1.852 1.355～1.796
烟煤 1.2～1.5 1.272～1.59 1.173～1.514
淡水 1 1.11 1
电子对吸收系数：t
电子
当伽马射线能量较高时，射 线粒子与物质的原子核发生碰撞， 从原子核中打出一正一负两个电 子，而本身被全部吸收，称为电 子对。射线能量降低，射线与物 质的这种作用过程称为电子对效 应。
原子核
+e -e
伽马射线
地球物理测井.放射性测井
测井原理与综合解释
测井原理与综合解释测井原理是指利用地球物理仪器和技术，对地下岩石层进行实时监测和测量的过程。
通过测井原理，可以获得有关地下岩石层中所含矿物、岩性、含水性、温度、压力等参数的信息，从而帮助地质学家和工程师进行油气勘探和开发。
测井原理主要依赖于以下几种物理现象和原理：1. 电性测井原理：利用地层中的电性差异，通过测量电阻率、电导率等指标来判断地层的性质。
例如，导电层岩石通常具有良好的含油性能。
2. 密度测井原理：根据地下岩石的密度差异，通过测量岩石的密度来判断地层的性质。
例如，含有矿物质量高的岩石通常具有较高的密度。
3. 声波测井原理：利用地层中声波的传播速度来判断地层的性质。
不同类型的岩石对声波的传播速度有不同的影响。
4. 核磁共振测井原理：利用地层中核磁共振现象，通过测量核磁共振信号来判断地层的性质。
不同类型的岩石对核磁共振信号有不同的响应。
综合解释是指通过将不同类型的测井数据进行综合分析和解释，得出地下岩石层的具体性质和分布。
综合解释的过程包括以下几个步骤：1. 数据校正和质量评估：初步检查测井数据的准确性和有效性，排除可能的误差和异常点。
2. 数据融合：将来自不同类型测井仪器的数据进行融合，形成一个统一的数据集。
3. 数据解释：根据测井原理和地质知识，对数据进行解释，得出地层的特征和性质。
可以使用图表、剖面图等方式展示解释结果。
4. 建模和预测：根据解释结果，建立地下岩石层的模型，并利用模型进行预测和评估。
这可以帮助决策者进行油气资源勘探和开发的决策。
综合解释需要综合考虑不同类型的测井数据，以及地质知识和经验。
准确地解释地下岩石层的性质和分布，对于油气勘探和开发具有重要意义。
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式中: Ｉ0—进入物质前的射线强度； Ｉ—穿过物质后的射线强度； L—物质的厚度。
地球物理测井.放射性测井
2.地层密度测井
一、密度测井的原理（FDL）
1、岩石的真密度（b） 岩石的真密度ρb （体积密度）：单位体积岩石的质量，单位： g/cm3。
假设某纯岩石的骨架密度为ρma，孔隙流体的密度为ρf ， 依据岩石体积物理模型，该岩石饱含淡水的密度ρb与孔隙度 фD的关系为：
.Z
.(
NA A
. )
σ＝σe.ne
因此可得到物质的康普顿吸收系数与其体 密度之间的关系：
地球物理测井.放射性测井
若将伽马射线的能量限制在0.2～1.02MeV范围内，则可 使物质对伽玛射线的吸收系数以康普顿散射吸收系数为主。 这种情况下，一定强度的伽玛射线穿过厚度为L的物质后， 由于物质对散射的吸收而造成的射线强度衰减具有以下规律:
photoelectric effect
地球物理测井.放射性测井
原子的标记形式：
A Z
X
N
X是该原子的化学元素符号； A为质量数 Z---质子数（即原子序数）； N为中子数 即；N=A-Z
地球物理测井.放射性测井
1.密度测井的核物理基础
1、电子对效应electronpair effect (E>1.02Mev)
地球物理测井.放射性测井
4、岩石的视密度（ ρ a）
岩石的视密度ρ a：用密度测井仪测得的密 度值是岩石的视密度。
一般情况下，视密度值不等于它的真 密度，而是略有差别。
地球物理测井.放射性测井
密度测井的基本装置（仪器）
伽马射线源
放出伽马射线
探测器 （闪烁计数器）
探测伽马射线
铅屏
屏蔽由伽马源直接辐射进入探测器的 伽马射线
伽马射线通过单位厚度的吸收介质时，因形成电子对 效应而导致伽马射线的强度减弱，可以用吸收系数（减弱 系数）t表示：
t
Kt
N A b
A
Z 2 (Er
1.022)
当E>1.022MeV时，减弱系数t随E的增大而直线上升
，吸收介质的原子序粒Z对t有明显的影响
地球物理测井.放射性测井
1.密度测井的核物理基础
（Formation Density Log, FDL）
密度测井：根据伽马射线与地层的康普顿效应 （Compton Effect）测定地层密度（Density）的测井 方法。
（Litho Density Log, LDL）
岩性密度测井：利用伽马射线与地层的光电效应 （Photoelectric Effect）和康普顿效应（Compton Effect）同时测定地层的岩性（Lithology）和密度 （Density）的测井方法，是密度测井的改进和扩展。
电子 原子核
伽马射线
地球物理测井.放射性测井
二、伽马射线的吸收
射线通过物质时，与物质发生电子对效应、康普 顿效应和光电效应的概率除与射线能量有关外，还与物 质原子的原子序数有关。图示出了不同能量伽马射线与 物质发生三种作用的优势区域。
地球物理测井.放射性测井
二、伽马射线的吸收
在发生电子对效应、康普顿效应和光电效应过程中， 伽马射线能量将不断降低而最终自身会被吸收。
主要用途：可利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、基本原理
1个放射性源 两个探测器
贴井壁测量
地球物理测井.放射性测井
仪器的放射源和探测器装 在压向井壁的滑板上。测 井时伽马源向地层发射伽 马光子，经地层散射吸收 后，有部分经过散射的光 子由离源不同距离的两个 伽马射线探测器所接收。 源和探测器之间由屏蔽隔 开，使源发射的伽马光子不能直接射到探测器。仪器背向地层的一方 也屏蔽起来，以减小井的影响。离源近的探测器叫短源距探测器，离 源远的另一个叫长源距探测器。地层的密度不同，对伽马光子的散射 和吸收能力不同，探测器记录到的读数也不同。
地球物理测井.放射性测井
1.密度测井的核物理基础
一、伽马射线与物质的相互作用(P136)
伽马光子与物质发生相互作用的过程中，能 量逐渐降低。随着伽马光子能量的逐渐减弱，伽 马光子与接触物质间将可能逐级产生：
电子对效应
electronpair effect
康普顿效应
compton effect
光电效应
2.876
硬石膏 2.96 2.957
2.977
无烟煤 1.4～1.8 1.442～1.852
1.355～1.796
烟煤
1.2～1.5 1.272～1.59
1.173～ 1.514
淡水 1
1.11
1
原油 0.85 0.97
0.85
地球物理测井.放射性测井
影响岩石密度的因素：
2 孔隙度
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、原油或天然气所代替，故其密度小于致密地层。孔 隙度越大，地层的密度越小。所以用密度测井资料可以求地 层的孔隙度。密度测井是三种主要孔隙度测井方法之一。
地球物理测井.放射性测井
（2）讨论泥饼对记数率的影响：
L
S
1 AL 1 AS
(ln (ln
NL NS
BL ) BS )
(ln
NL
BL )
AL AS
(ln
NS
BS )
b (a )L
显然，地层的真密度等于长源距测得的视密 度加上一个校正值。
这样极大的减少了井眼的影响，但当井壁不规则、仪器与井壁
接触不好，特别是目的层（渗透层）上泥饼的影响仍不能消除。为 此提出了补偿密度测井以解决该问题。
5、FDL测井的原理
地球物理测井.放射性测井
2.地层密度测井
每个电子的康普顿吸收系数：e 物质的康普顿吸收系数：=e* ne
电子密度：
ne
b
A
N AZ
(0.2Mev＜E＜1.02Mev ） ≌
I I e Lቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ Z / A) N A eb γ射线强度的衰减仅与
0
物质的密度有关
地球物理测井.放射性测井
2.地层密度测井
6、FDL存在的问题 泥饼的影响 不规则井眼 贴井壁不好
地球物理测井.放射性测井
2.地层密度测井
二、补偿密度测井的原理（FDC）
地球物理测井.放射性测井
三、密度测井仪的刻度
刻度标准有一级刻度井、二级刻度块和三级刻度器。
地球物理测井.放射性测井
四、补偿密度测井仪的输出曲线
从前面的推导可以看出， 要测得地层岩石的真密度，首 先需要计算Δ ρ 。因此在实际 测井时，通常记录有两条曲线， 即ρb（DEN）、 Δρ，另外还带 测一条自然伽马（GR）和井径 曲线（CAL）。
方解石 2.71 2.708 2.712
白云石 2.87 2.863 2.876
硬石膏 2.96 2.957 2.977
无烟煤
烟煤
1.4～1.8
1.2～1.5
1.442～1.852 1.272～1.59
1.355～1.796 1.173～1.514
淡水 1
1.11 1
原油 0.85 0.97 0.85
吸收系数：单位长度物质对伽马射线的吸收概率
分别以t、σ、τ表示电子对效应、康普顿效应、光电 效应的吸收系数，则物质对伽马射线的的总吸收系数为 三种吸收系数之和，即：
＝t+σ+τ
地球物理测井.放射性测井
二、伽马射线的吸收
具有一定能量，一定强度的伽马射线穿过厚度为L的物 质后，由于物质对射线的吸收而造成射线强度衰减。其衰 减遵循伽马射线强度衰减规律：
I I0eL
I I e
(
Z A
)
N
A
e
b
L
0
因此，当L一定时，伽玛射线强度的衰减 就仅与物质的密度有关。
地球物理测井.放射性测井
3、电子密度指数的定义（ ρ e）
e 2ne / N A
ne
N A.Z A
.b
由单一元素组成的物质， 其电子密度指数为：
e
( 2Z A
)b
地球物理测井.放射性测井
由于伽马源的能量限制，密度测井的探测范围很浅，通常只 有10＋cm。因此井的影响相当严重。研究表明，当仪器处于井内泥
浆中测量时，由于泥浆散射而进入探测器的伽马射线强度大大超过
的层岩石。也就是说泥浆做的贡献远大于地层，所以用这种方
式进行测井是很不利的。
现在的密度测井仪将伽马源和探测器装在压向井壁的滑板上，同 时伽马源放在一个带定向窗口的铅屏，使之只向一个方向发射，探 测器也定向放置，以增强地层散射伽马射线的记录。
e
ZN A b
A
式中 e —每个电子的康普顿散射截面。
地球物理测井.放射性测井
1.密度测井的核物理基础
3、光电效应： (E＜ 0.2 Mev )
光电效应的吸收系数：
能量较低的伽马射线穿过物质与原 子中的电子相碰撞，并将其能量交 给电子，使电子脱离原子而运动， 伽马光子本身则整个被吸收，被释 放出来的电子叫自由电子，这种效 应叫光电效应。此时产生的自由电 子被称为光电子。
3.2 密度测井及岩性密度测井
资源与环境学院 程超
地球物理测井.放射性测井
密度测井是放射性测井中伽马测井中的一类， 这类测井的轰击粒子和探测对象都是伽马光子，因 此也叫做伽马～伽马测井，有的参考书也称作为散 射测井。主要分为地层密度测井（FDL）和岩性密 度测井(LDL)。
地球物理测井.放射性测井