第四节伽马测井一、自然伽马测井1、岩石的自然伽马放射性岩石的自然放射性就是由岩石中的放射性同位素的种类与含量决定的。

岩石中的自然放射性核素主要就是铀(U238)、钍(Th232)、锕(Ac227)及其衰变物与钾的放射性同位素K40等,这些核素的原子核在衰变过程中能放出大量的α、β、γ射线,所以岩石具有自然放射性。

沉积岩按放射性浓度可粗略分为三类:1)放射性高的岩石:包括粘土岩、火山灰、海绿石砂岩、独居石砂岩、钾钒矿砂岩、含铀钒矿的灰岩及钾盐等。

深海相泥岩的放射性浓度常达90×10-12克镭当量/克;浅海相泥岩的放射性浓度为(20-30)×10-12克镭当量/克。

钾盐中的K４０可达60×10-12克镭当量/克2) 放射性中等的沉积岩:包括砂层、砂岩与含有少量泥质的碳酸盐岩等,其放射性浓度为(1-8)×10-12克镭当量/克。

3)放射性低的沉积岩:包括石膏、硬石膏、岩盐、纯的石灰岩、白云岩与石英砂岩等。

根据实验与统计,沉积岩的自然放射性一般有以下变化规律:(1)随泥质含量的增加而增加。

(2)随有机物含量增加而增加。

如沥青质泥岩的放射性很高。

在还原条件下,六价铀能被还原成四价铀,从溶液中分离出来而沉淀在地层中,且有机物容易吸附含铀与钍的放射性物质。

(3)随着钾盐与某些放射性矿物的增加而增加。

在油气田中常遇到的沉积岩的自然伽马放射性主要决定于泥质含量的多少。

但必须注意:从问题的实质来瞧,岩石自然放射性的强度就是由单位质量或单位体积岩石的放射性同位素的含量决定的,当利用自然伽马测井资料求地层泥质含量时应做全面考虑。

2、自然伽马射线强度分布研究自然伽马射线在地层中与沿井轴的强度分布,就是自然伽马测井基本理论的重要组成部分。

现按几种情况分别进行讨论。

1)无限均匀放射性地层中伽马射线的强度为了便于研究,先考虑无限均匀放射性地层的原始状态,即在尚未钻井之前地层中伽马射线的强度。

设地层的密度为ρ，每克岩石含q 克放射性物质(含有放射性核素的矿物或混与物),每克放射性物质平均每秒钟发射a个伽马光子,且地层对伽马射线的吸收系数为μ（平均值),那么所示的地层中,体积元div在M点造成的伽马射线强度为(9、4、2)采用球坐标系,dv=r2sinθdrdθdφ，则上式写成:对此式进行积分,(9、4、3)式(9、4、3)表示半径为r的放射性球体在球心造成的伽马射线强度。

对无限均匀地层来说,ｒ→∞，则(9、4、4)这就就是无限均匀地层中任意点M处的伽马射线强度。

利用(9、4、3)式可研究自然伽马测井的探测范围。

设M点处99%的伽马射线强度就是由半径为R的球体造成的,则有(1-ｅ-μｒ=0、99),由此可算得μＲ＝４.６０５。

若给定μ为不同数值,可算出相应的R值。

若地层的有效吸收系数μ＝０、1厘米-1,则在此理想情况下,伽马测井的探测深度为40厘米。

再考虑到井的影响,自然伽马对地层的探测深度实际上往往不超过20厘米。

2) 无限均匀放射性地层沿井轴的伽马射线强度分布若在无限均匀放射性地层中钻了一口井,井中有套管与泥浆,且两者均不含放射性物质,(9、4、5)(9、4、6)从(9、4、5)至(9、4、6)式就是计算井轴上任意点伽马射线强度的基本公式。

在图9、4、5中,给出当μ＝０、1厘米-1与ｒ０＝15厘米时,对不同厚度的五个地层算出伽马射线相对强度沿井轴的变化曲线。

由此图可以瞧出:(1) 当上下围岩的放射性相同时曲线对称于地层中心。

(2) 对着地层中心,曲线有一极大值,且它随h增大而增大;当h≥６时,达到一常数。

它不再随h的变化而变化。

(3) 当h≥６时,由曲线的半幅点确定的视厚度hａ等于地层的真厚度h,半幅点正对着地层界面;h＜６０时,hａ＞h,相当于地层界面的点即所谓分层点移向曲线的峰部。

以上讨论只涉及到地层本身的特性与井条件,而未考虑仪器的特性,当伽马射线探测器的灵敏元件(闪烁晶体、盖革计数管或计数管组)的长度与地层厚度相比可视为点状计数管,且测井速度v=0时,才与上述计算完全符合。

3、vτ对测井曲线的影响进行放射性测井时,仪器在井中由下向上提升。

当仪器在井中移动的速度,即测井速度v 很小时,在均匀放射性地层中测得的自然伽马曲线形状,与图9、4、5中的理论曲线相似,曲线仍然对称于地层中点;而当测井速度V增大时,实际测得的放射性地层的自然伽马曲线就不对称了。

与理论曲线相比,这些曲线沿仪器移动方向发生了偏移。

测井速度v与积分电路时间常数τ的乘积越大,这种影响就越显著。

vτ对记录的自然伽马测井曲线发生影响的原因,就是由于仪器中的积分电路有惰性,而这种惰性当下井仪器以一定速度连续移动时会表现出来。

图9、4、6绘制出有vτ影响时,用点状计数管测得的自然伽马测井理论曲线,曲线上的标码为vτ值(［米／小时］［秒］)。

图9、4、6有vτ影响时的自然伽马测井曲线从图中瞧出,vτ对曲线的影响表现在以下几个方面:０的曲线与vτ＝０的曲线不重合,不同vτ值测得的曲线只有起点就是相互一致的。

这就1) vτ≠是因为积分电路开始充电时刻相同,输出电压在同一点开始上升,而后因vτ值不同,充电的快慢不一致,彼此就分开了。

2) vτ越大,曲线的幅度下降得越大。

这可从两种情况说明。

a、若τ固定,积分电路充电的速度就是固定的,v越大则通过高放射性地层所用的时间越短,(h/v)小,积分电路就来不及充电,输出电压所能达到的数值就越低。

b、如果v固定而τ改变,则通过放射性地层的时间就是固定的,而积分电路充电的速度却不同,输出电压达到一定数值所需要的时间不同,τ越大所需要充电时间越长,就越来不及使输出达到最大值,因而幅度下降得较多。

而vτ的影响综合了这两种情况。

3) 在仪器移动方向上,vτ越大,曲线拖尾越长。

因探测器离开放射性层段后,积分电路的输出电压仍按一定的规律下降。

若ｖ固定,τ大则放电时间长,在放电过程中经过的路程长。

若τ固定,放电所需时间一定,v大则在相同时间里走过的路程也长,效果与前者相同。

4) vτ越大,曲线越不对称,其极大值与上下半幅点的位置分别对地层中点及上下边界点向仪器移动方向移动了一段距离,即Δｈ中Δｈ下与Δｈ上。

这三个位移,当ｖτ不太大时可近似地认为相等,并用Δｈ表示。

而当vτ很大时,Δｈ上要比其它两个位移大得多。

5) vτ越大,曲线的半幅宽越大,由半幅宽确定的视厚度hａ大于真厚度h。

6) 随着地层厚度h减小,vτ影响增大。

在做定量解释时,可应用关系曲线,分别对vτ影响进行地层厚度、地层界面位移与曲线幅度值的校正。

进行上述校正时首先要根据实际测井时采用的vτ值与由实际测井曲线按半幅点求出的视厚度hａ,根据vτ值与h值求出地层界面的位移Δｈ,并将曲线沿仪器移动相反的方向移动Δｈ,并由曲线上异常宽度等于真厚度h的两点确定地层上下界面的深度。

4、放射性测井曲线的涨落误差进行放射性测井时,即使仪器的稳定性很好,操作又很细心,井的条件稳定,地层的放射性分布很均匀,测得的曲线也绝不可能就是光滑的(与电测井曲线比较),而就是有很多小的起伏,曲线上的读数总就是围绕着某个数值涨落。

换一种情况,如果我们将仪器固定在井中某一点对地层进行探测,这种涨落现象仍然能够清楚地观察到。

即使在实验室里,误差严格地控制所有的测量条件,使用高精度的测量仪器,每次测量的时间t都相等,有时甚至会有很大的差别。

这种性质就是微观世界的自然规律,与测量条件无关。

所以即使在最理想的条件下,放射性涨落误差或称统计误差仍就是不可避免的。

它与由仪器引起的系统误差及由操作造成的过失误差有本质的不同。

确定涨落误差的正常范围,对判断与划分地层有很重要的意义,只有正确地将由涨落引起的读数变化与由地层性质引起的变化区别开,才能对放射性测井曲线进行正确的地质解释。

放射性测井曲线上的涨落误差就是由两部分组成的:1) 地层平均计数率中包含的涨落误差;2) 在每一点的读数中包含的涨落误差。

3) 多次重复测量每点读数的正常范围通常用Δ＝σｎ_＋σ来表示每点读数在重复测量时的正常涨落范围。

对上述的地层(Ⅰ)来说,Δ＝(21、5+80)脉冲/分=1０1、5脉冲/分。

我们也可以用这一数值做为分层的标准。

此时规定同一地层的各点的读数绝大部份应落在ｎ±ＫΔ的范围内。

K为常数,一般可选在1、5-3之间。

5、井参数对测量结果的影响泥浆、套管、水泥环所具有的放射性通常比地层低,同时又能吸收来自地层的伽马射线,所以这些井内介质一般来说就是使自然伽马测井读数降低。

1) 泥浆的影响如井内没有泥浆,则井(空井)对自然伽马射线的吸收弱;而当有泥浆时,井内介质对伽马射线的吸收较强。

可就是,由于泥浆中含有粘土,具有一些放射性,这就抵偿了伽马射线的减弱,因此,井筒内有没有泥浆对自然伽马曲线影响不大。

当仪器从泥浆中出来时,所记录的伽马射线强度仅稍微增加一些。

泥浆密度不同,对伽马射线的吸收程度不同,密度大,则吸收强。

因此,泥浆密度对自然伽马曲线有较大的影响。

如果泥浆中不含钾盐或其它的放射性元素,则泥浆矿化度对自然伽马曲线影响不大。

对已下套管的井来说,泥浆柱的直径就是一常数;但对未下套管的井而言,则井径扩大相当于泥浆层增厚。

若泥浆没有放射性,则井径加大,读数升高。

井径变化不大,对读数影响不大。

如果井径变化很大,则对读数影响很大2) 套管的影响钢、铁对伽马射线的吸收系数平均为,而泥浆与岩石对伽马射线的吸收系数平均为０、1 ～0、2。

因此,当仪器从没有套管的井段进入有套管的井段,或从有套管的井段进入多层套管的井段,伽马射线强度减弱,曲线异常幅度减小。

一般在有一层套管时所测到的读数就是没有套管时所测读数的75%。

当套管层数增加时,所得曲线幅度更低。

如果套管多于三层,曲线的异常就很不明显了。

3) 水泥环的影响如果水泥环中不含放射性元素,则水泥环的存在将使读数降低。

水泥环越厚,读数降低越多。

6、自然伽马测井仪器的刻度单位时间里仪器的计数(计数率)与测量对象与测量环境有关,而且与仪器本身的性能,特别就是与探测器的计数效率有关。

若某一地层就是均匀的,且单位质量的岩石由放射性核发射那么用的伽马光子数为A,在观察点(即探测器灵敏元件所在的位置)的伽马射线强度为Ｊγ，不同的仪器测量的计数率就是不同的,甚至同一仪器在相隔较长时间内两次测量的结果也不相同。

如闪烁计数器对伽马射线的探测效率为(20-30)%,而盖革计数管的探测效率只有1%左右,若两种探测器的灵敏元件体积相同,在同一点上得到的计数率能相差几十倍。

即使仪器中采用同一类型的探测器,由于灵敏元件探测效率的差异,线路特点与外壳吸收条件不同,计数率也会有相当大的差别,这就给资料对比与定量解释造成困难。

克服这一困难的办法就就是对仪器进行标准化或刻度。