第七章自然伽马测井
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第七章自然伽马测井
• γ射线：频率很高的电磁波或光子流，不带电，能量高， 穿透力强。能够穿透地层、套管以及仪器外壳，可以 在井中被探测到。
09:13:03
第七章 自然伽马测井和放射性同位素测井
9
第一节 伽马测井的核物理基础
二、伽马射线和物质的作用形式
– 1.光电效应 •γ射线能量较低时，穿过物质与原子中的电子相碰撞， 将其能量交给电子，使电子脱离原子运动，而γ整个被 吸收，释放出光电子。光电效应发生几率τ随原子序数 的增大而增大，随γ能量增大而减小。
0.0089
Z 4.1
A
n
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第七章 自然伽马测井和放射性同位素测井
10
第一节 伽马测井的核物理基础
二、伽马射线和物质的作用形式
–1.光电效应
•τ——线性光电吸收系数， γ光子穿过1cm吸收物质时 产生光电子的几率；
•λ——γ光子的波长；
•n——指数常数，对不同的元素取不同的值，对C、O 来说取3.05，对Na到Fe的元素来说取2.85；
09:13:03 第七章 自然伽马测井和放射性同位素测井 26
第二节 自然伽马测井
一、岩石的自然放射性
– 煤中的有机质（由碳、氢、氧、氮等元素组成的有机 化合物）和无机质（矿物杂质和水分）都不是放射性 物质，因此在一般情况下，煤层的放射性均很弱。 – 煤层放射性的强弱与煤的灰分合量有很密切的关系。 灰分增高，煤层的放射性也随之增强，某些高灰分煤 层的放射性甚至比围岩还要高。
m
09:13:03 第七章 自然伽马测井和放射性同位素测井 16
第一节 伽马测井的核物理基础
三、伽马射线的探测
– 1.放电计数管
• 放电计数管是利用放射性射线使气体电离的性质来探测伽 马射线。
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第七章 自然伽马测井和放射性同位素测井
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第一节 伽马测井的核物理基础
二、伽马射线和物质的作用形式
– 1.光电效应 •γ射线能量较低时，穿过物质与原子中的电子相碰撞， 将其能量交给电子，使电子脱离原子运动，而γ整个被 吸收，释放出光电子。光电效应发生几率τ随原子序数 的增大而增大，随γ能量增大而减小。
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Z 4.1
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第七章 自然伽马测井和放射性同位素测井
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第一节 伽马测井的核物理基础
二、伽马射线和物质的作用形式
–1.光电效应
•τ——线性光电吸收系数， γ光子穿过1cm吸收物质时 产生光电子的几率；
•λ——γ光子的波长；
•n——指数常数，对不同的元素取不同的值，对C、O 来说取3.05，对Na到Fe的元素来说取2.85；
09:13:03 第七章 自然伽马测井和放射性同位素测井 26
第二节 自然伽马测井
一、岩石的自然放射性
– 煤中的有机质（由碳、氢、氧、氮等元素组成的有机 化合物）和无机质（矿物杂质和水分）都不是放射性 物质，因此在一般情况下，煤层的放射性均很弱。 – 煤层放射性的强弱与煤的灰分合量有很密切的关系。 灰分增高，煤层的放射性也随之增强，某些高灰分煤 层的放射性甚至比围岩还要高。
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09:13:03 第七章 自然伽马测井和放射性同位素测井 16
第一节 伽马测井的核物理基础
三、伽马射线的探测
– 1.放电计数管
• 放电计数管是利用放射性射线使气体电离的性质来探测伽 马射线。
自然伽马测井和放射性同位素测井性质和方法
–
0第4.七06章.202自0 然伽马测井和放射性同位素测井
13
第一节 伽马测井的核物理基础
•二、伽马射线和物质的作用形式
–2.康普顿效应
• 伽马射线与物质作用发生康普顿效应引起伽马射线强 度减弱，其减弱程度用康普顿系数Σ表示。
e
NAZb
A
• σe——每个电子的康普顿散射截面，当伽马光子的能
量在0.25～2.5MeV的范围内时，它可看成是常数；
0第4.七06章.202自0 然伽马测井和放射性同位素测井
9
第一节 伽马测井的核物理基础
•一、原子核的衰变及其放射性
–5.放射性射线
• α射线：是氦原子核2He4流，带有两个单位正电荷， 容易引起物质的电离或激发，极易被吸收，电离能力 强，在物质中穿透距离很小，在井中探测不到。
• β射线：高速运动的电子流，在物质中穿透距离较短。 • γ射线：频率很高的电磁波或光子流，不带电，能量
0第4.七06章.202自0 然伽马测井和放射性同位素测井
4
第一节 伽马测井的核物理基础
•一、原子核的衰变及其放射性
– 1、原子的结构
• 矿物、岩石、石油和地层水都是由分子组成的，分 子又是由原子组成的。原子的中心是原子核，离核 较远处核外电子按一定的轨道绕核运动。
0第4.七06章.202自0 然伽马测井和放射性同位素测井
• 放射性：不稳定的核素所具有的自发地改变自身结构， 衰变成其它核素并释放射线（α、β、γ） 的性质。
• 放射性同位素：具有放射性的同位素。
0第4.七06章.202自0 然伽马测井和放射性同位素测井
6
第一节 伽马测井的核物理基础
•一、原子核的衰变及其放射性
–3. 核衰变
0第4.七06章.202自0 然伽马测井和放射性同位素测井
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第一节 伽马测井的核物理基础
•二、伽马射线和物质的作用形式
–2.康普顿效应
• 伽马射线与物质作用发生康普顿效应引起伽马射线强 度减弱，其减弱程度用康普顿系数Σ表示。
e
NAZb
A
• σe——每个电子的康普顿散射截面，当伽马光子的能
量在0.25～2.5MeV的范围内时，它可看成是常数；
0第4.七06章.202自0 然伽马测井和放射性同位素测井
9
第一节 伽马测井的核物理基础
•一、原子核的衰变及其放射性
–5.放射性射线
• α射线：是氦原子核2He4流，带有两个单位正电荷， 容易引起物质的电离或激发，极易被吸收，电离能力 强，在物质中穿透距离很小，在井中探测不到。
• β射线：高速运动的电子流，在物质中穿透距离较短。 • γ射线：频率很高的电磁波或光子流，不带电，能量
0第4.七06章.202自0 然伽马测井和放射性同位素测井
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第一节 伽马测井的核物理基础
•一、原子核的衰变及其放射性
– 1、原子的结构
• 矿物、岩石、石油和地层水都是由分子组成的，分 子又是由原子组成的。原子的中心是原子核，离核 较远处核外电子按一定的轨道绕核运动。
0第4.七06章.202自0 然伽马测井和放射性同位素测井
• 放射性：不稳定的核素所具有的自发地改变自身结构， 衰变成其它核素并释放射线（α、β、γ） 的性质。
• 放射性同位素：具有放射性的同位素。
0第4.七06章.202自0 然伽马测井和放射性同位素测井
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第一节 伽马测井的核物理基础
•一、原子核的衰变及其放射性
–3. 核衰变
自然伽马能谱测井
器进行计数解谱得到相应的铀、钍、钾 的含量。
二、自然伽马能谱测井的 应用
• 一）研究储集层 • 1、储集层的分类 • 1）陆源碎屑岩储集层 • 包括砾岩、砂或砂岩、粉砂或粉砂岩 • 2）火山碎屑岩储集层 • 主要由火山碎屑构成，按颗粒大小可
• 分为集块岩和火山砂、凝灰或火山灰 • 3）碳酸盐岩碎屑储集层 • 主要是由贝壳碎片或碳酸盐岩碎屑堆
一、自然伽马能谱测井原 理
• 自然伽马能谱测井仪器的井下仪器与自 然伽马测井基本相同，将入射的伽马射 线能量的大小以脉冲的幅度大小输出， 不同的是地面仪器，自然伽马能谱测井 仪器地面部分有多道脉冲幅度分析器， 该分析器将能量分为五个能量窗。
• W1: 0.15~0.5MEV • : 0.5~1.1MEV • W3: 1.32~1.575MEV • W4: 1.65~2.39MEV • W5: 2.475~2.765MEV • 五个能量窗输出的信号分别进入5个计数
2、环境监测
• 用伽马能谱测井可对放射性矿物的开采、 加工、各类核工业和科研部门的环境进 行定期监测，主要防范铀对水体的污染。 其方法是定期在观察井中做自然伽马能 谱分析，配合取样分析，观察铀系和锕 系子体的扩散。
• 式中Th为目的层钍曲线值（ppm）； Thmin为邻近不含泥质地层的钍读数 （ppm）；Thmax为邻近泥岩层的钍读 数（ppm）。
• （2）用经验公式求出泥质含量的估值， 如用公式
二）研究生油层
• 这里主要讨论用自然 伽马能谱测井从粘土 岩中定性识别生油岩 和定量估算生油指标
1、定性识别生油岩
• 1）普遍泥岩的钾、铀、钍响应 • 普通粘土岩的钾、铀、钍含量都比较高，
其中钾和钍和粘土矿产的体积含量比铀 相关性好。
二、自然伽马能谱测井的 应用
• 一）研究储集层 • 1、储集层的分类 • 1）陆源碎屑岩储集层 • 包括砾岩、砂或砂岩、粉砂或粉砂岩 • 2）火山碎屑岩储集层 • 主要由火山碎屑构成，按颗粒大小可
• 分为集块岩和火山砂、凝灰或火山灰 • 3）碳酸盐岩碎屑储集层 • 主要是由贝壳碎片或碳酸盐岩碎屑堆
一、自然伽马能谱测井原 理
• 自然伽马能谱测井仪器的井下仪器与自 然伽马测井基本相同，将入射的伽马射 线能量的大小以脉冲的幅度大小输出， 不同的是地面仪器，自然伽马能谱测井 仪器地面部分有多道脉冲幅度分析器， 该分析器将能量分为五个能量窗。
• W1: 0.15~0.5MEV • : 0.5~1.1MEV • W3: 1.32~1.575MEV • W4: 1.65~2.39MEV • W5: 2.475~2.765MEV • 五个能量窗输出的信号分别进入5个计数
2、环境监测
• 用伽马能谱测井可对放射性矿物的开采、 加工、各类核工业和科研部门的环境进 行定期监测，主要防范铀对水体的污染。 其方法是定期在观察井中做自然伽马能 谱分析，配合取样分析，观察铀系和锕 系子体的扩散。
• 式中Th为目的层钍曲线值（ppm）； Thmin为邻近不含泥质地层的钍读数 （ppm）；Thmax为邻近泥岩层的钍读 数（ppm）。
• （2）用经验公式求出泥质含量的估值， 如用公式
二）研究生油层
• 这里主要讨论用自然 伽马能谱测井从粘土 岩中定性识别生油岩 和定量估算生油指标
1、定性识别生油岩
• 1）普遍泥岩的钾、铀、钍响应 • 普通粘土岩的钾、铀、钍含量都比较高，
其中钾和钍和粘土矿产的体积含量比铀 相关性好。
自然伽马测井
钻井液和仪器外壳进入探测器，经过闪烁计数器，将伽马射线转化为电脉冲信
号，放大器把电脉冲放大后由电缆送到地面仪器，地面仪器把每分钟电脉冲数
转变成与其成正比例的电位差进行记录，井下仪器沿井身移动，就连续记录出
井剖面上自然伽马强度曲线，称为GR曲线，单位是脉冲/分，在仪器标准化后，
曲线单位是μR/h。现在使用API单位。
曲线上任何一点的计数率和真值间的偏差为：
绝对误差： 1 n1
2 2
（2）某段地层内测量的平均记数率的涨落误差σ2
即以某一深度上一次测量的测井读数代替应由多 次重复测量计算的平均值时所带来的误差
相对误差2
1 N
v hn
绝对误差 2 n 2
vn h
N－厚度为h的地层脉冲总数
5)、当岩层变薄时
当 h ＜ 3d0 时 ， 受 低 放 射 性 围 岩 的 影 响 ， 自然伽马幅度值对厚度h减小而减小， 岩层界面的位置移向曲线的顶端。
d0－井径
理论曲线与实际情况的差异分析
自然伽马理论曲线
理想情况：探测器在井内是进行的点测，而且每一个点上的读数是较长时间内 （＞3τ）所测脉冲数的平均值。
度变化超过上述范围，且超过(2.5～3)σ时，则 分层不正确，应重新分层。
高斯分布
3)、地层厚度的影响
◆当地层足够厚时，对应曲线的幅度平均值代 表地层的真实情况。当地层很薄时，曲线的平 均值达不到代表地层的真实性质。
测值围绕平均值的变化情况及其统 计分布规律示意图
◆在砂泥岩剖面，由于地层变薄会使得泥岩的 自然伽马测井曲线值下降，砂岩层的自然伽马 曲线值上升，并且地层越薄，这种上升和下降 的幅度越大。对于地层层厚小于3d0时，应考虑 层厚的影响。
第7章 自然伽马测井
2 沉积岩的自然放射性
自然界的岩石和矿石均不同程度的具有一定的放射性，它们几乎全 部是由放射性元素铀、钍、锕以及放射性同位素钾19K40在其中存在并 进行衰变的结果。铀、钍、锕这三个放射性系列，分别由半衰期较长 的铀的一种同位素92U238、钍元素90Th232和铀的另一种同位素92U235 开始进行衰变，产生一系列新的放射性同位素，并继续衰变向着稳定 元素过渡。
3 伽马射线的探测
目前使用较为普遍的伽马射线探测器主要是闪烁计数器， 图1是闪烁计数器的简单结构。它主要由NaI萤光晶体和光电 倍增管组成。
其工作原理是，伽马射线射到萤光体(如碘化钠晶体)上， 从其原子中打出电子，并在该电子的激发下发出闪光。光电 倍增管将闪光转变为电脉冲，电脉冲的数量与进入萤光体的 伽马射线成正比，这就是闪烁计数器的基本工作原理。
1.2 自 然 伽 马 测 井
自然伽马测井可以解决以下问题： ➢根据天然放射性强弱，判别岩性和划分井地层剖面。 ➢在一个含油气区或单独构造上，各井剖面进行对比。 ➢估计岩石中泥质含量，从而判断岩层的储集性能，特别是在泥浆矿化度 较高地区，碳酸盐岩剖面中，自然电位无法清楚划分渗透性岩层，自然伽 马可以解决。 自然伽马测井的优缺点： 优点：（1）裸眼井和套管井中均可以进行
沉积岩的自然放射性，大体可分为高、中、低三种类型。
➢①高自然放射性的岩石：包括泥质砂岩、砂质泥岩、泥岩、 深海沉积的泥岩，以及钾盐层等，其自然伽马测井读数约 100API以上。特别是深海泥岩和钾盐层，自然伽马测井读数 在所述沉积岩中是最高的。
➢②中等自然放射性的岩石，包括砂岩、石灰岩和白云岩。其 自然伽马测井读数介于50—100API之间。
J N0et
显然
J J0et
自然伽马测井原理
自然伽马测井原理
自然伽马测井（Natural Gamma Ray Logging）是一种用于地质勘探和地层解释的测井方法。
其原理是通过测量地层中存在的天然伽马射线强度来获取地层的放射性元素含量，进而推断地层的成分和性质。
伽马射线是一种能够穿透物质的高能电磁辐射，常常与放射性同位素的衰变过程相关。
地层中的放射性元素如钾、铀和钍会以不同的比例存在，它们的核衰变会释放出伽马射线。
这些伽马射线的能量和强度与地层中的放射性元素含量有关。
在自然伽马测井中，测井仪器将伽马射线传感器降入井中，通过探测上下井段的伽马射线强度差异来识别地层。
伽马射线强度通常以计数率 (counts per second，cps) 的形式进行测量。
通
过观察伽马射线计数率的变化，可以确定地层中放射性元素的含量及其分布。
自然伽马测井可以提供许多地层信息。
例如，钾元素主要存在于黏土矿物中，可用于判断地层的砂岩和页岩含量。
铀和钍元素主要存在于砂岩中，可以用于识别砂岩体。
此外，自然伽马测井还可用于确定地层的厚度和边界、识别化石层、建立地质模型等。
需要注意的是，自然伽马测井的应用需要考虑伽马射线的穿透能力和侵入深度等因素。
不同元素对伽马射线的敏感度也不同，因此对于复杂地层，可能需要结合其他测井方法进行综合解释。
总之，自然伽马测井是一种重要的地质勘探工具，通过测量地层中的伽马射线强度，可以获取地层的放射性元素含量和地质信息，为勘探工作提供有价值的数据支持。
第7章自然伽马测井
身放射性附加(附泥浆含强被射性,一般 不含) 井径、泥浆、套管 （3）放射性统计起伏：统计规律—各次测 的平均值
（4）测速v和仪器积分常数τ对曲线影响
四、地质应用
1．划分岩性，确定渗透层
主要是根据地层中泥质含量的变化引起 自然伽马曲线幅度变化来区分不同的岩性， 右图是自然伽马测井曲线对不同地层响应：
需要注意的是：对某一地区来说，应该根据岩心 分析结果与自然伽马曲线进行对比分析，找出地区性 的规律，再应用于自然伽马曲线的解释。
2．进行地层对比，优点： （1）与岩石流体性质无关（油、水、地层矿化度等） （2）与泥浆性质无关（盐、水泥浆） （3）易找到标准层。
在油气水边界地带进行地层对比，因为岩石中含流体性质 变化大，使R、SP曲线形状变化不益于进行对比。另外 膏盐地区尤为重要。
β射线：高速中子流，射程小，电离程度中等。
γ射线：频率高的电磁波或光子流，不带电，能量高，穿透力强。
5．伽马射线与物质作用
自然伽马射线→穿过物质与原子相互作用，将发生不同形式的作用， 其中主要形式为：光电效应、 康普顿一吴有训效应、 形成电子 对
（1）光电效应：当伽马射线能量较低（低于0.25Mev）时，它与组 成物质元素原子中的电子相碰撞之后，把能量全部转交电子，使 电子获得能量后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，被释放出来的电子叫光电子。产 生光电效应的几率，与入射伽马射线能量和组成物质原子序数有 关
（3）电子对的形成 能量高于1.02Mev伽马射线与物质作用时，在原子核力场作用下，
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 在形成电子对后，本身被吸收。 （4）伽马射线的吸收 伽马射线能量衰减，强度减小过程称为伽马射线被吸收。 （5）电子密度与体积密度 产生康普顿一吴有训效应几率与单位体积中电子数（电子密度）有 关，电子密度ρe
（4）测速v和仪器积分常数τ对曲线影响
四、地质应用
1．划分岩性，确定渗透层
主要是根据地层中泥质含量的变化引起 自然伽马曲线幅度变化来区分不同的岩性， 右图是自然伽马测井曲线对不同地层响应：
需要注意的是：对某一地区来说，应该根据岩心 分析结果与自然伽马曲线进行对比分析，找出地区性 的规律，再应用于自然伽马曲线的解释。
2．进行地层对比，优点： （1）与岩石流体性质无关（油、水、地层矿化度等） （2）与泥浆性质无关（盐、水泥浆） （3）易找到标准层。
在油气水边界地带进行地层对比，因为岩石中含流体性质 变化大，使R、SP曲线形状变化不益于进行对比。另外 膏盐地区尤为重要。
β射线：高速中子流，射程小，电离程度中等。
γ射线：频率高的电磁波或光子流，不带电，能量高，穿透力强。
5．伽马射线与物质作用
自然伽马射线→穿过物质与原子相互作用，将发生不同形式的作用， 其中主要形式为：光电效应、 康普顿一吴有训效应、 形成电子 对
（1）光电效应：当伽马射线能量较低（低于0.25Mev）时，它与组 成物质元素原子中的电子相碰撞之后，把能量全部转交电子，使 电子获得能量后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，被释放出来的电子叫光电子。产 生光电效应的几率，与入射伽马射线能量和组成物质原子序数有 关
（3）电子对的形成 能量高于1.02Mev伽马射线与物质作用时，在原子核力场作用下，
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 在形成电子对后，本身被吸收。 （4）伽马射线的吸收 伽马射线能量衰减，强度减小过程称为伽马射线被吸收。 （5）电子密度与体积密度 产生康普顿一吴有训效应几率与单位体积中电子数（电子密度）有 关，电子密度ρe
自然伽马能谱测井
主要应用
自然伽马能谱测井除了具有GR测井所拥有的功能以外，还具有：1、寻找高放射性储集层
2、计算泥质含量
3、研究沉积环境和粘土矿物类型
将测量的U、Th、K，忽略各自的单位计算比值Th/U、Th/K和U/K，则这些比值在地质上有相当大的意义。
例如：
Th/U：大于7为陆相沉积，氧化环境或风化壳，小于7为海相沉积，灰色或绿色泥岩，小于2为海相黑色泥岩，磷酸盐岩；估计泥质地层的生油能力，Th/U愈低，有机碳含量愈高；指示较大的不整合面或至古滨线的距离，Th/U愈大则愈近。
Th/K：指示沉积环境，离古滨线的距离；识别不同沉积相的岩石类型；粘土矿物分类，参看图2-3-17，图中每条直线标的数据是Th/K。
U/K：估计泥质沉积的生油能力，愈高愈好；指示天然裂缝系统，比值很高表示裂缝发育；地层对比，含铀矿物的标准层。
4、研究生油层
还原环境和有机物的富集，可以使泥质沉积物吸附大量铀离子，因而使生油层的铀含量明显升高，并使U或U/K与有机碳含量有密切关系.。
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第七章
自然伽马测井 （ natural gamma_ray log ）
自然伽马能谱测井
(natural gamma_ray spectral log )
自然伽马和自然伽马能谱测井
✓岩石中含天然放射性核素，主要有铀系，钍
系和钾，自然衰变时产生不同能量的伽马射线
✓自然伽马测井用伽马射线探测器测量地层中
电子对吸收系数：伽马光子通过1cm的物质 时，发生电子对的几率
k
NA
A
Z 2 (Er
1.022)
四、三种效应的优势区
五、伽马射线的吸收 在物质中，射线束通过x路程后其强度I为
I=I0e-μx
I0 —x=0 处的射线强度， μ—光子与物质发生三种作用的总线性衰减几率
六、伽马射线的探测 1、基本原理概述
Φr=N/st
2、记数率（cps）：仪器每分钟输出的电脉 冲个数(与通量密度成正比)
➢设地层无限大,均匀、各向同性 ➢只有一种发射单能伽马射线的放射性核素 ➢ρ——地层密度 ➢q——每克岩石中含的放射性核素的重量 ➢a——每克放射性核素每秒平均发射的光子数 ➢μ——地层吸收系数
➢铀系中最重要的γ 辐射体是214Bi， 40K产生的伽马射线是单能的，为1.46Mev ➢自然伽马能谱测井中选择214Bi发射的1.76Mev 的 伽马射线来识别铀。
仪器谱：用伽马谱仪测的自然伽马射线脉冲幅 度谱，是被光子与闪射晶体相互作用所复杂化 了的连续谱，比初始谱复杂的多
三、岩石的自然伽马放射性与岩石性质的关系
线性光电吸收系数：伽马光子穿过1cm吸收物 质时发生光电效应的几率
0.089 Z 4.6 • n
A
——光子的波长 n——常数
二、康普顿散射
伽马光子与原子的 核外电子发生非弹 性碰撞，一部分能 量转移给电子，使 它脱离原子成为反 冲电子，而光子 （散射光子）的能 量和运动方向发生 变化。
1、散射光子和反冲电子的能量 散射光子的能量为：
伽马光子与探测器发生三种效应，
产生次级电子
使气体电离， 计数管 产生电离电荷
产生的电子到达阳极， 输出一个负电压脉冲
闪烁计数器
使NaI 晶体激
发，产生荧光
在光阴极上打出电子， 使电子迅速增多形成电 子束，在阳极上产生一 个负电压脉冲
❖记录一个伽马光子，输出一个电脉冲
2.盖革-弥勒计数管(G-M计数器) （1） G-M计数器结构 阴极：用金属圆筒或在玻璃内壳上涂一层金属膜 阳极：管中央的一根细导线 管内：充以惰性气体(加少量的乙醇或乙醚等）
c.计数管记录一个伽马光子就输出一个电压脉冲
d.通常把单位时间(分钟）的脉冲数称为计数 率，其大小与伽马射线强度成正比。
（3）特性参数
a.坪长：计数率随电压变化很小的一段直线称 为“坪”，它对应的电位差 VB-VA称为坪长
b.分辨时间：能区分顺序入射的两个粒子的最 小时间
c.探测效率：记录脉冲数占入射粒子数的比值
（2）API单位
美国石油学会（American Petroleum Institute）规 定： 200API=高放射性地层计数率低放射性地层计数率
对不同的仪器，一个API单位对应的计数 率是不同的，从而可使不同的仪器对相同的测 量对象得出相同的API读数
一级刻度井：全国统一的刻度井 二级刻度井：各油田建立的刻度井 三级刻度井：用伽马源现场刻度
蒙脱石：分子中不含放射性核素，但表面积最 大（269m2/g)，对放射性物质吸附能力强
伊利石（水白云母）：它本身含有钾，对氧化 铀有一定的吸附能力（不是很强）
高岭石和绿泥石：本身不含放射性核素，比面 积又小，吸附能力差
✓沉积岩的自然放射性强度随泥质含量增加而
增加（含放射性矿物的岩石除外）
铀、钍、钾含量用的单位：
Bq
二、岩石中的放射性核素及能谱 ➢已发现的天然核素约有330多种，其中273种 为稳定核素，60余种为放射性核素
➢质量数小于209的大多数是稳定核素，只有 少数是放射性核素，如K40、Co60、Cs137
➢而质量数大于209的全部是放射性核素
1、放射系：连续衰变时放射性核素所构成的 系列
1) 钍系：钍系是从232Th开始的，到206Pb结束， 它的半衰期为1.41×1010年
例：标准刻度井中，高放射性地层强度为400个光子/ 分钟， 低放射性地层强度为200个光子/分钟；甲探 测器的探测效率为10%，乙探测器为20%；
在刻度井中刻度：
40010%200 10%
甲一个API单位对应的计数率=
=0.1
200
乙一个API单位对应的计数率= 40020%200 20% =0.2
脉冲能谱分布的半高宽与入射γ光子的能量比 (约10%)
ΔE
E
通常用对137Cs产生的0.662Mev的伽马光子的全 能峰的分辨率η来表征(标定)
E 100%
E
ΔE:全能峰的半高宽，E:峰位对应的能量
4.放射性测量的统计(涨落)误差 （1）统计误差的产生原因
核物理现象及对这些对象的探测具有随机 性 可以证明计数的统计分布,当值较小时服从泊 松分布,较大时服从高斯分布
(3)闪烁探测器输出脉冲幅度和能谱响应
1）输出脉冲幅度：与入射伽马光子在闪烁体 中损失的能量成正比(次级电子能量)，而光子 是通过三种效应损失能量的，且各不相同。
2）输出脉冲的个数： 与入射光子的强度(单位时间伽马光子数)成正比
（用计数率——脉冲数/分钟）
(4)多道脉冲幅度分析器
a.模数变换器将输入 脉冲幅度按比例变 换成地址码
标准误差： N n N
相对标准误差： N 1
NN
(2) 计数率的标准（涨落）误差 设在时间t内记录了N个计数,则计数率为 n=N/t
n的标准误差σn: n
n t
相对误差νn:
n
1 nt
(3).计数率仪测量结果的误差
Vc = V[1-e-(t/CR)]
相对误差： 1 2n
标准误差：
1、与三大类岩石的关系 岩浆岩及变质岩：放射性高于沉积岩，它含有 较多的放射性矿物
（锆石，独居石，揭帘石，角闪石及辉石等）
沉积岩：一般放射性低于岩浆岩和变质岩。通 常不含放射性矿物，其自然放射性主要是岩石 吸附放射性物质引起的，吸附能力有限
2、沉积岩的放射性
✓粘土岩放射性最高，而石膏、硬石膏、
盐岩等放射性最低，其它岩类在它们之间
➢核衰变： 放射性核素的原子核自发地由一 种核素变成另一种核素的过程
K 40
19
ek 401m8 Ar
40m 18
Ar
1480Ar
1490k 2400Ca e
1.46Mev （89%)
4、核衰变定律
N N0et
式中 ： N0 ——t=0 时的原子核数 N ——时刻 t 的原子核数 ——衰变常数
用截面 σ 表示，它的物理意义是： 一个入射光子与单位面积上一个靶原子 （或电子）发生作用的几率，它具有面积 的量纲，所以称之为截面。一般用1024cm2 作为截面的单位,称为靶恩(b),截面 的大小与伽马射线及靶物质的性质有关
一、光电效应
伽马光子与原子 核外的束缚电子作 用，光子把全部能 量转移给某个束缚 电子，使之发射出 去（光电子），而 光子本身被吸收。
Er
1
Er
Er m0 c 2
(1
cos )
反冲电子的动能为：
Ee
Er 2 (1 cos ) m0c2 Er (1 cos )
Er
1
Er
Er m0 c 2
(1
cos )
（1）当θ=0o时，散射光子的能量达到最大，这
时反冲电子的能量为0，光子能量没有损失。
（2）当θ=180o时，这时散射光子能量最小，为：
b.每个地址对应存储 器的一个记录道， 每进一个脉冲就增 加一个计数
c.累积每道计数,得到 一个谱(计数率与道址)
137Cs137mBa e ,137mBa137Ba
0.662Mev
平台B：是康普顿效
应产生的
峰C：为反散射峰
（光电效应）
峰D：X射线峰 峰A：称为全能峰，它主要是由光电效应形成的
高压电源
R 计数管探头
G-M计数管
前置放大器 C
定标器
（2）原理：
a.管内没有电离电流时, 电路不通,阳极A电位U0
b.入射r→次级电子→管内气体电离→电离电子 向阳极移动并不断增加→到达阳极附近爆发性 增加(雪崩) → A点电位瞬时降低→有瞬时电流 通过电阻R流向阳极→阳极电位恢复→在A点产 生一个负电压脉冲
3、闪烁探测器 （1）组成单元：闪烁体、光电倍增管、电子仪器
（2）工作过程：
a.γ射线进入晶体，通过三种效应产生次级电子
b.次级电子使闪烁体激发，退激时产生荧光
c.将荧光光子收集到光电倍增管的光阴极上， 产生光电子 d. 光电子在光电倍增管中数量增加几个数量级， 形成的电子流在阳极负载上产生电信号 e.电信号经电子仪器处理、记录
200
对一个放射性强度为300个光子/分钟的地层测量： 甲探测器得到的计数率为：30个脉冲/分钟，
而API单位为：30/0.1=300 API 乙探测器得到的计数率为：60个脉冲/分钟，
而API单位为：60/0.2=300 API
二.自然伽马仪器的探测范围 1、通量密度：设有一球体，球的面积是S，N 是时间t内进入球体的光子数，则通量密度定 义为：
E
m
ax e
2E2r m0c2 2Er
0.4779Mev
E m in r
Er
1
2Er m0c 2
0.184 Mev
(5)基本参数 （1）计数率：探测器每分钟输出的脉冲个数，
自然伽马测井 （ natural gamma_ray log ）
自然伽马能谱测井
(natural gamma_ray spectral log )
自然伽马和自然伽马能谱测井
✓岩石中含天然放射性核素，主要有铀系，钍
系和钾，自然衰变时产生不同能量的伽马射线
✓自然伽马测井用伽马射线探测器测量地层中
电子对吸收系数：伽马光子通过1cm的物质 时，发生电子对的几率
k
NA
A
Z 2 (Er
1.022)
四、三种效应的优势区
五、伽马射线的吸收 在物质中，射线束通过x路程后其强度I为
I=I0e-μx
I0 —x=0 处的射线强度， μ—光子与物质发生三种作用的总线性衰减几率
六、伽马射线的探测 1、基本原理概述
Φr=N/st
2、记数率（cps）：仪器每分钟输出的电脉 冲个数(与通量密度成正比)
➢设地层无限大,均匀、各向同性 ➢只有一种发射单能伽马射线的放射性核素 ➢ρ——地层密度 ➢q——每克岩石中含的放射性核素的重量 ➢a——每克放射性核素每秒平均发射的光子数 ➢μ——地层吸收系数
➢铀系中最重要的γ 辐射体是214Bi， 40K产生的伽马射线是单能的，为1.46Mev ➢自然伽马能谱测井中选择214Bi发射的1.76Mev 的 伽马射线来识别铀。
仪器谱：用伽马谱仪测的自然伽马射线脉冲幅 度谱，是被光子与闪射晶体相互作用所复杂化 了的连续谱，比初始谱复杂的多
三、岩石的自然伽马放射性与岩石性质的关系
线性光电吸收系数：伽马光子穿过1cm吸收物 质时发生光电效应的几率
0.089 Z 4.6 • n
A
——光子的波长 n——常数
二、康普顿散射
伽马光子与原子的 核外电子发生非弹 性碰撞，一部分能 量转移给电子，使 它脱离原子成为反 冲电子，而光子 （散射光子）的能 量和运动方向发生 变化。
1、散射光子和反冲电子的能量 散射光子的能量为：
伽马光子与探测器发生三种效应，
产生次级电子
使气体电离， 计数管 产生电离电荷
产生的电子到达阳极， 输出一个负电压脉冲
闪烁计数器
使NaI 晶体激
发，产生荧光
在光阴极上打出电子， 使电子迅速增多形成电 子束，在阳极上产生一 个负电压脉冲
❖记录一个伽马光子，输出一个电脉冲
2.盖革-弥勒计数管(G-M计数器) （1） G-M计数器结构 阴极：用金属圆筒或在玻璃内壳上涂一层金属膜 阳极：管中央的一根细导线 管内：充以惰性气体(加少量的乙醇或乙醚等）
c.计数管记录一个伽马光子就输出一个电压脉冲
d.通常把单位时间(分钟）的脉冲数称为计数 率，其大小与伽马射线强度成正比。
（3）特性参数
a.坪长：计数率随电压变化很小的一段直线称 为“坪”，它对应的电位差 VB-VA称为坪长
b.分辨时间：能区分顺序入射的两个粒子的最 小时间
c.探测效率：记录脉冲数占入射粒子数的比值
（2）API单位
美国石油学会（American Petroleum Institute）规 定： 200API=高放射性地层计数率低放射性地层计数率
对不同的仪器，一个API单位对应的计数 率是不同的，从而可使不同的仪器对相同的测 量对象得出相同的API读数
一级刻度井：全国统一的刻度井 二级刻度井：各油田建立的刻度井 三级刻度井：用伽马源现场刻度
蒙脱石：分子中不含放射性核素，但表面积最 大（269m2/g)，对放射性物质吸附能力强
伊利石（水白云母）：它本身含有钾，对氧化 铀有一定的吸附能力（不是很强）
高岭石和绿泥石：本身不含放射性核素，比面 积又小，吸附能力差
✓沉积岩的自然放射性强度随泥质含量增加而
增加（含放射性矿物的岩石除外）
铀、钍、钾含量用的单位：
Bq
二、岩石中的放射性核素及能谱 ➢已发现的天然核素约有330多种，其中273种 为稳定核素，60余种为放射性核素
➢质量数小于209的大多数是稳定核素，只有 少数是放射性核素，如K40、Co60、Cs137
➢而质量数大于209的全部是放射性核素
1、放射系：连续衰变时放射性核素所构成的 系列
1) 钍系：钍系是从232Th开始的，到206Pb结束， 它的半衰期为1.41×1010年
例：标准刻度井中，高放射性地层强度为400个光子/ 分钟， 低放射性地层强度为200个光子/分钟；甲探 测器的探测效率为10%，乙探测器为20%；
在刻度井中刻度：
40010%200 10%
甲一个API单位对应的计数率=
=0.1
200
乙一个API单位对应的计数率= 40020%200 20% =0.2
脉冲能谱分布的半高宽与入射γ光子的能量比 (约10%)
ΔE
E
通常用对137Cs产生的0.662Mev的伽马光子的全 能峰的分辨率η来表征(标定)
E 100%
E
ΔE:全能峰的半高宽，E:峰位对应的能量
4.放射性测量的统计(涨落)误差 （1）统计误差的产生原因
核物理现象及对这些对象的探测具有随机 性 可以证明计数的统计分布,当值较小时服从泊 松分布,较大时服从高斯分布
(3)闪烁探测器输出脉冲幅度和能谱响应
1）输出脉冲幅度：与入射伽马光子在闪烁体 中损失的能量成正比(次级电子能量)，而光子 是通过三种效应损失能量的，且各不相同。
2）输出脉冲的个数： 与入射光子的强度(单位时间伽马光子数)成正比
（用计数率——脉冲数/分钟）
(4)多道脉冲幅度分析器
a.模数变换器将输入 脉冲幅度按比例变 换成地址码
标准误差： N n N
相对标准误差： N 1
NN
(2) 计数率的标准（涨落）误差 设在时间t内记录了N个计数,则计数率为 n=N/t
n的标准误差σn: n
n t
相对误差νn:
n
1 nt
(3).计数率仪测量结果的误差
Vc = V[1-e-(t/CR)]
相对误差： 1 2n
标准误差：
1、与三大类岩石的关系 岩浆岩及变质岩：放射性高于沉积岩，它含有 较多的放射性矿物
（锆石，独居石，揭帘石，角闪石及辉石等）
沉积岩：一般放射性低于岩浆岩和变质岩。通 常不含放射性矿物，其自然放射性主要是岩石 吸附放射性物质引起的，吸附能力有限
2、沉积岩的放射性
✓粘土岩放射性最高，而石膏、硬石膏、
盐岩等放射性最低，其它岩类在它们之间
➢核衰变： 放射性核素的原子核自发地由一 种核素变成另一种核素的过程
K 40
19
ek 401m8 Ar
40m 18
Ar
1480Ar
1490k 2400Ca e
1.46Mev （89%)
4、核衰变定律
N N0et
式中 ： N0 ——t=0 时的原子核数 N ——时刻 t 的原子核数 ——衰变常数
用截面 σ 表示，它的物理意义是： 一个入射光子与单位面积上一个靶原子 （或电子）发生作用的几率，它具有面积 的量纲，所以称之为截面。一般用1024cm2 作为截面的单位,称为靶恩(b),截面 的大小与伽马射线及靶物质的性质有关
一、光电效应
伽马光子与原子 核外的束缚电子作 用，光子把全部能 量转移给某个束缚 电子，使之发射出 去（光电子），而 光子本身被吸收。
Er
1
Er
Er m0 c 2
(1
cos )
反冲电子的动能为：
Ee
Er 2 (1 cos ) m0c2 Er (1 cos )
Er
1
Er
Er m0 c 2
(1
cos )
（1）当θ=0o时，散射光子的能量达到最大，这
时反冲电子的能量为0，光子能量没有损失。
（2）当θ=180o时，这时散射光子能量最小，为：
b.每个地址对应存储 器的一个记录道， 每进一个脉冲就增 加一个计数
c.累积每道计数,得到 一个谱(计数率与道址)
137Cs137mBa e ,137mBa137Ba
0.662Mev
平台B：是康普顿效
应产生的
峰C：为反散射峰
（光电效应）
峰D：X射线峰 峰A：称为全能峰，它主要是由光电效应形成的
高压电源
R 计数管探头
G-M计数管
前置放大器 C
定标器
（2）原理：
a.管内没有电离电流时, 电路不通,阳极A电位U0
b.入射r→次级电子→管内气体电离→电离电子 向阳极移动并不断增加→到达阳极附近爆发性 增加(雪崩) → A点电位瞬时降低→有瞬时电流 通过电阻R流向阳极→阳极电位恢复→在A点产 生一个负电压脉冲
3、闪烁探测器 （1）组成单元：闪烁体、光电倍增管、电子仪器
（2）工作过程：
a.γ射线进入晶体，通过三种效应产生次级电子
b.次级电子使闪烁体激发，退激时产生荧光
c.将荧光光子收集到光电倍增管的光阴极上， 产生光电子 d. 光电子在光电倍增管中数量增加几个数量级， 形成的电子流在阳极负载上产生电信号 e.电信号经电子仪器处理、记录
200
对一个放射性强度为300个光子/分钟的地层测量： 甲探测器得到的计数率为：30个脉冲/分钟，
而API单位为：30/0.1=300 API 乙探测器得到的计数率为：60个脉冲/分钟，
而API单位为：60/0.2=300 API
二.自然伽马仪器的探测范围 1、通量密度：设有一球体，球的面积是S，N 是时间t内进入球体的光子数，则通量密度定 义为：
E
m
ax e
2E2r m0c2 2Er
0.4779Mev
E m in r
Er
1
2Er m0c 2
0.184 Mev
(5)基本参数 （1）计数率：探测器每分钟输出的脉冲个数，