自然伽马测井基础知识

一、自然伽马测井的基本知识

1、原子核的衰变及其放射性

1）原子的结构

2）核素和同位素

       核素：具有相同质子数和中子数，并在同一能态上的同类原子。

       同位素：质子数相同，中子数不同的核素。

3）核衰变

       放射性核素的原子核自发地放出带电离子，转变成另外一种原子核同时放射出伽马射线的现象叫核衰变。如：

              

       任何放射性元素衰变时，其原子核数量随时间按照指数规律减少：

                       

       N₀：放射性元素的初始量；N ：经过时间t后的放射性元素量；：衰变常数，表征衰变速度的常数。

       半衰期T：从t=0时的N₀个原子核到N₀ / 2个所经历的时间，T和有如下关系：

2、伽马射线与物质的作用

       由于伽马射线能量不同，与物质原子作用不同。主要产生：光电效应，康普顿效应，电子对效应。

       1）光电效应：伽马射线能量较小时，与原子中的电子相碰撞，将其所有能量交给电子，使电子脱离原子形成光电子，伽马射线整个被吸收，称为光电效应。光电效应与伽马射线的能量以及吸收物质的原子序数有密切关系，随原子序数增加而迅速增大，随伽马射线能量增大而迅速减小。

       2）康普顿效应：中等能量的伽马射线与原子的外层电子碰撞时，将一部分能量转交给电子，使电子从一方向射出，称为康普顿电子，损失部分能量的伽马射线从另一方向散射。伽马射线发生康普顿效应衰减，其衰减程度用康普顿吸收系数表示，它与物质原子序数有关，这就是岩性密度测井的原理。

       3）电子对效应：伽马射线能量大于1.022MeV时与物质原子核作用，伽马射线转化为一个对正负电子，射线本身被吸收。

伽马射线与物质作用时三种情况都可能发生，但是，伽马射线能量低时以光电效应为主，能量较高时以康普顿效应为主，能量很高时以电子对效应为主。

       4）伽马射线的吸收：伽马射线通过物质时，会发生以上三种作用，伽马射线被吸收，伽马射线强度逐渐减弱，其程度随吸收物质的吸收系数增大而加剧。与吸收物质的厚度成指数关系：

       其中：、表示射线强度；物质厚度；总吸收系数。

3、放射性强度的探测器

       1）放电计数管：利用放射性辐射使气体电离的特性探测伽马射线。

       利用放射性辐射使气体电离的特性探测伽马射线。在密闭的玻璃管内充满惰性气体，装有两个电极，中间一条细钨丝是阳极，玻璃管内壁涂上一层金属物质做阴极。在阴阳极之间加较高电压（几百伏到1500伏）。

       当伽马射线进入计数管时它从金属阴极上打出电子来，这些具有一定动能的电子在管内运动，引起管内气体电离，产生电子和正离子，在高压电场的作用下，电子被吸向阳极，并受到电场的加速作用获得很大的动能，在它运动的过程中又使其它气体分子电离，产生电子和正离子，并且也被电场加速。于是，就有大量的电子产生并到达阳极，引起阳极放电。通过计数管就有一个脉冲电流产生，使阳极电压降低，形成一个电压负脉冲，被测量线路记录下来。再有伽马射线进入计数管，就又有新的电压负脉冲产生并被记录。此种计数管的计数效率仅有1～2%。

       2）闪烁计数器：它由光电倍增管和碘化钠晶体组成，它是利用被伽马射线激发的物质的发光现象来探测伽马射线。

       当伽马射线进入NaI晶体时，伽马射线就从NaI晶体的原子中打出电子，这些电子具有较高的能量，它们在晶体中运动又使被它们碰撞的原子激发，激发态的原子在它回到稳定的基态时，就放出闪烁光即光子。这些光子射到光阴极上，发生光电效应，而产生光电子，光电子在电场的作用下趋向阳极。在到达阳极的途中，要经过聚焦电极和若干个打拿极。由聚焦电极将电子聚焦在第一个打拿极上，从打拿极上打出较入射电子为多的电子来，由极性相同，电压递增的几个打拿极逐渐加快电子的速度，并从打拿极上打出数量逐级倍增的电子来，倍增后的大量电子进入阳极，形成脉冲电流，使阳极电压下降，产生电压负脉冲，输入测量线路中记录。 这种计数管的计数效率约20～30％，是目前主要采用的伽马射线探测器。

4、岩石的自然放射性

       对岩石自然伽马放射性起决定作用的是铀系、钍系和放射性核素K⁴⁰。

       放射性取决于岩石放射性核素的种类和数量。

       一般火成岩放射性最强，变质岩次之，沉积岩最弱。沉积岩里深海泥质沉积岩最强，浅海和陆相泥质沉积岩中等，砂岩石灰岩最弱。

二、自然伽马测井原理

       自然伽马测井是在井内测量岩石中的放射性核素衰变过程放射的伽马射线强度来研究地质问题的测井方法。

1、自然伽马测井原理

       1）自然伽马测井仪器

       地面仪器

       井下仪器：伽马探测器、放大电路、高压电源

       2）测量过程

       当井下仪器在井内由下向上提升时，来自岩层的自然伽马射线穿过井内泥浆和仪器外壳进入探测器。探测器将接收到的一连串伽马射线转换成一个个的电脉冲，然后经井下放大器加以放大，使之能有效地沿电缆送到地面上。地面仪器接受到井下传来的电脉冲之后，经计数率电路进行累计，再经过简单的变换和刻度，就连续记录出井剖面上岩层的自然伽马强度曲线，称为自然伽马测井曲线。自然伽马测井曲线（GR）单位是：计数率（1/Min）或API。

2、自然伽马测井曲线

       1）如果把探测半径定义为在测井所记录的信号中占50％的介质范围的半径，则自然伽马测井的探测半径为25～35厘米。

       2）曲线特点

       自然伽马测井两种记录曲线：原始计数率曲线CGR和自然伽马API工程值GR。

       （1）当上下岩石相同时曲线对称。

       （2）在高放射性地层，曲线极大值出现在地层中心，且随着地层厚度增加而增加，当厚度大于3倍井眼直径时极大值为一常数。

       （3）当厚度大于3被井眼直径时曲线半幅点对应于地层上下界面。

3、测井曲线影响因素

       （1）地层厚度的影响

       地层变薄，使高放射性地层曲线值下降，低放射性地层的曲线值上升。h＜3d₀的地层要考虑地层厚度的影响。

       （2）井眼的影响

       井眼直径变大，探测曲线值变小。套管井曲线值变小。

       （3）放射性涨落的影响

       由于放射性元素衰变随机独立，导致每次测量结果都不同，曲线成“小锯齿”形。

       （4）测速和积分电路的影响

       记录仪器的积分电路具有惰性，充放电需要时间，输出电压对于输入要滞后一段时间，仪器移动过程中曲线发生畸变。主要特征为：

       1.极大值减小且不在地层中心而是上下移动；

       2.测井的厚度增大半幅点上移；

       3.厚度越小积分电路影响越大，曲线越畸变；

       4.为减少积分电路影响要适当控制测井速度。

4、测井曲线应用

       （1）划分岩性

       结合其它测井曲线判断地层剖面岩性组成。

       （2）地层对比

       与电阻率曲线相比GR特点：与地层水和泥浆无关；与孔隙所含流体无关；容易找到标准层。

       （3）划分储集层

       在砂泥岩剖面，低自然伽马异常一般就是砂岩储集层，异常半幅点确定储集层界面。

       （4）计算地层泥质含量

       地层的自然伽马异常随泥质含量增加而减小。经过适当的刻度，便可用自然伽马异常计算地层泥质含量。