七放射性测井

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1、*,*,核测井(放射性测井),Nuclear(Radioactive) Logging,绪,放射性测井的种类,核测井物理基础,自然伽马及自然伽马能谱测井,密度及岩性密度测井,中子测井,其它核测井,核磁共振测井,1,伽马测井核物理基础,核衰变及其放射性,放射性强度与活度,伽马射线(,γ,)与物质的相互作用,2,核衰变及其放射性,放射性核素的发现过程,,△,放射性核素,核素是指原子核中具有一定数量的质子和中子并在同一能态上的同类原子,同一核素的原子核中质子数和中子数都相等.,判断,1,H,1,、,1,H,2,、,1,H,3,是否为同一核素？？,元素？？,同位素？？放射性同位素？？,3,放射性核素及

2、其核射线,1896年，法国物理学家贝可勒尔发现铀的化合物能 使包在黑纸里的胶片感光，由此发现了天然放射性核素。,放射性核素及射线??,4,三种射线,α:,2,H,e,4,组成的粒子流,β:,电子流,γ:,波长很短的电磁波,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,镭源,,,γ射线,α射线,β射线,磁场,5,,E,γ,,E,γ,+,6,+,+,+,,E,γ,,放射性核素指原子核,能自发地发生衰变的核素,7,放射性活度、强度及比度,放射性活度,一定量的放射性核素，在单位时间里发生衰变的核数（核的数量）。,放射性强度

3、,一定量的放射性核素，在单位时间里放出某种射线的数量。,放射性比度,指放射性核素的活度与其质量之比（亦称比放射性、比活度或放射性浓度）。,8,伽马射线与物质的相互作用,光电效应,康普顿-吴有训效应,电子对效应(形成电子对),,,,,,电子,原子核,光电子,,,,,,,,,,,,+e,-e,9,,光电效应吸收系数,τ,康-吴效应吸收系数,σ,形成电子偶吸收系数,κ,,,,,,康-吴效应,光电效应,形成电子偶,总效应,吸收系数,能 量,10,伽马射线的探测,放电计数管(G-M),闪烁计数管,11,,,,阴极,阳极,输出,,,,,,,,,,,0,u,,,,12,自然伽马(GR)和自然伽马能谱(N

4、GS)测井(,Gamma Ray and Natural GR Spectrolog,),岩石的自然伽马放射性,测量原理,曲线特征,资料用途,13,岩石的自然伽马放射性,自然界中的核素,自然界中的放射性核素,岩石的自然伽马放射性,岩石自然伽马放射性特点,14,自然界中放射性核素的分布规律,90余种元素,273种为稳定核素,,,据统计:A<209的核素,多数为稳定的,只有少数是放射性,如,A>209的核素,全部为放射性核素,300余种核素,60余种为放射性核素,15,自然界中的放射性核素主要由,3,种原子核（母元素）衰变而来,铀系,,锕系,钍系,除此之外,还有不成系的 ,因此

5、,岩石的GR强度,取决于,铀系、钍系核素和钾40,的含量。,16,岩石的GR强度分布规律,不同岩类的GR,强度分布规律,火成岩,,GR,强度,沉积岩的GR强度分析,碎屑岩,,沉积岩,变质岩,化学岩,粘土岩,17,,在不含放射性矿物富集带的情况下，岩石的自然伽马放射性强度主要取决于其泥质含量,18,19,20,GR测井资料的用途,曲线特点,,,资料用途,划分岩性,求地层泥质含量,地层对比,,21,,高GR,低GR,高GR,,,,,GR曲线特点:,1.当目的层上下围岩岩性相同时,曲线对称于,地层中部；,2.在高放射性地层中部,GR曲线出现极大值;,3.在低放射性地层中部, ‥‥‥;,4.当h<3c

6、al时,高放射性地层 GR值随h减小而,,减小;低放射性地层GR 值随h减小而增大;,4.分层‥‥‥,,22,砂泥岩剖面： 泥岩、页岩,砂质泥岩,泥质砂岩,砂岩,碳酸盐岩剖面：泥岩,含泥质地层,纯石灰岩、白云岩,膏盐剖面： 泥岩,砂岩,石膏、盐岩,GR强度,GR强度,GR强度,23,24,求地层泥质含量,当泥质含量低时：,当泥质含量高时：,gcur=2(老地层）,gcur=3.7(新地层）,25,26,用GR曲线进行地层对比,27,自然伽马能谱（NGS）测井,绪,测量原理,资料用途,,自然伽马能谱（NGS）测井是一种测量地层铀、钍、钾含量的方法。其输出的4条曲线分别是总计数率（GR）、铀、

7、钍和钾含量曲线。,28,NGS测量原理,普通的GR测井测量的是地层所有自然伽马放射性造成的总的计数率.总计数率只反映仪器探测范围内介质全部放射性核素的总效应,而不能区分这些核素的种类.,NGS不但测量自然放射性造成的总计数率,而且伽马射线的能量进行分类,根据射线能量的信息,可以确定地层中(铀)Th(钍)K(钾)的含量.,29,30,31,NGS资料的用途,确定地层泥质含量,研究生油层,寻找高放射性储集层,寻找页岩储集层,用Th/U研究沉积环境,确定粘土矿物类型,,32,U/K计数率比,有机碳含量%,,,,,,,,,研究生油层:,有机物 铀的富集,,NGS,,,33,

8、研究生油层,,,,生油层在能谱曲线上的特征是K和U的含量很高,尤其是U的含量特别高;,,中部为较纯的致密灰岩,特点???,,下部为典型的页岩,K和Th含量很高,U含量也为高值,但比上部页岩的U含量要低得多,34,寻找页岩储集层,,富含有机物的高放射性黑色页岩,在局部地段有裂缝、燧石、粉砂或碳酸盐岩夹层时，可能成为产油层，其特点是K 、Th 、U,,35,寻找高放射储集层,,该类储集层的特点：总计数率高、U含量高、而K和Th含量较低。,36,33,.,碳酸盐岩储集层实例,37,美国科罗拉多州高放射性储集层实例。该图全井段都是泥岩，U、Th、K含量都相当高，而其中部U含量和总放射性异常高，已

9、证明是泥岩裂缝性储集层,。,38,研究沉积环境,利用Th/U比值研究沉积环境：,根据统计资料：Th/U>7时，陆相沉积、氧化,环境、风化层；,2

10、,N,A,-阿伏伽德罗常数,N,e,-电子密度,42,矿物名,P,e,(b/电子),ρ,b,(g/cm,3,),U(b/cm,3,),石 英,方解石,白云石,硬石膏,盐 岩,淡 水,油 气,盐水(20万ppm),1.81,5.05,3.14,5.08,4.65,0.35,≦0.12,1.2,,2.65,2.71,2.87,2.96,2.165,1.00,<1,1.146,4.80,13.68,8.99,15.02,9.64,0.39,<0.12,1.48,常见矿物和流体的P,e,、,ρ,b,和U值,43,密度测井原理,密度测井资料的用途,划分地层及岩性,求地层孔隙度,,密度测井

11、(DEN),44,密度测井原理,L,,,N,0,N,计数率(反映伽马射线强度),45,密度测井资料的用途,划分地层及岩性,识别气层,砂岩?,石灰岩?,白云岩?,确定岩层的孔隙度,,46,47,48,49,岩性密度测井,绪,基本原理,测量参数,50,岩性密度测井资料的用途,识别岩性,,因为U,ma,>>U,f,,所以,,计算储集层的泥质含量,,,识别气层及重矿物,51,52,随钻方位密度测井,原理,与常规密度测井原理相同,特点,可同时测得同一深度处4个方位的密度值,而非某一深度处的密度平均值.,53,放射性同位素示踪测井(RTS) (,Radioactive Tracer Survey,),基

12、本原理,资料用途,54,RTS资料用途,向井内注入活化液,确定窜槽位置,55,检查封堵效果,向井内注入活化水泥,56,检查压裂效果,向井内注入活化砂,57,确定吸水剖面,计算相对吸水量,向井内注入,活化固相载体,58,中子测井(NL) （,Neutron Logs,）,中子测井的核物理基础,中子和中子源,中子与物质的相互作用,中子探测器,热中子测井,超热中子测井,中子伽马测井,59,中子与物质的相互作用,快中子的非弹性散射,快中子对原子核的活化,快中子的弹性散射,热中子的扩散和俘获,60,中子的分类,快中子 E,n,,,慢中子 E,n,<1Kev,En,E,n,=0.025ev

13、 热中子,E,n,,,中能中子,超热中子,冷中子,,,61,快中子的非弹性散射,,,,,中子,,原子核,靶核,复核,,,中子(E,n,),原子核,,(激发态),原子核,(基态),,,62,快中子对原子核的活化,硅活化,,,铝活化,钙活化,氯活化等,63,快中子的弹性散射,,,中子,靶核,,,中子(E,n,),靶核获得动能,但仍处于基态,,,中子每散射一次,都要损失一部分能量,速度减慢,即中子被减速.,哪种物质对中子的减速作用最强呢???,64,,减速长度,L,S,,,,快中子,,核素名称 散射截面 最大能量损失 平均热化次数,C,a,9.5 8

14、 371,Cl 10 10 316,S,i,1.7 12 261,O 4.2 21 150,C 4.8 28 115,H 45

15、 100 18,热中子,65,,,靶核,中子,,,中子,靶核,66,H(,Φ,) 减速能力 减速长度,Ls,,67,,热中子扩散和俘获,热中子的扩散,扩散长度,L,d,,物质对热中子的俘获(辐射俘获核反应),俘获截面:,微观俘获截面,和,宏观俘获截面,热中子寿命 从热中子生成开始到其被吸收时刻止,所经过的平均时间叫热中子寿命,也叫扩散时间.,,热中子,被俘获,,元素,总截面,10,-24,cm,2,吸收截面,10,-24,cm,2,散射截面,10,-24,cm,2,,元素,总截面,10,-24,cm,2,吸收截

16、面,10,-24,cm,2,散射截面,10,-24,cm,2,H,He,Be,B,C,N,O,Na,Al,Si,20～80,1.56,6.9,722,4.8,12.7,4.2,4.5,1.6,1.86,0.32,0.008,0.009,718,0.0045,1.5,< 0.0009,0.46,0.22,0.16,20～80,1.55,6.9,3.8,4.8,11.2,4.2,4.0,1.35,1.7,P,S,Cl,Ca,Fe,Ni,Zr,Cd,In,Pb,10.9,1.6,43,4.4,13.5,22,8.4,3500,193,8.5,0.3,0.47,33,0.42,2.5,4.5,0.4,

17、3500,191,0.2,10.6,1.1,10,4.0,11.0,17.5,8.0,6.5,2.2,8.3,68,,,,H:25%,H:20%,H:10%,计数率N,源距L,零源距,长源距,短源距,在离源较近时,,,在离源较远时,,,测井时,使用长源距,故计数率,越低,,反映岩层含氢量,越高,69,中子及中子伽马测井,补偿中子(热中子)测井(CNL),井壁中子(超热中子)测井(SNP),中子伽马测井(n-,γ,),CNL Compensated Dual-Spacing Neutron Log,SNP Sidewell Neutron Porosity Log,Proximity Log ?

18、?,Permeability ??,Saturation ??,70,基本原理,计数率,含氢指数H,,,,石灰岩孔隙度,仪器以石灰岩为标准刻度的孔隙度单位,,71,中子及中子伽马测井资料的用途,求岩层孔隙度,划分岩性及地层,识别气层,,72,73,中子测井孔隙度关系式,,石灰岩的H,ma,=0,,,74,曲线重叠法判断岩性,,75,曲线重叠法识别岩性,中子孔隙度Φ,N,和密度孔隙度Φ,D,重叠,曲线关系,近似差值%,可能的岩性,,Φ,D,＞＞,Φ,N,40,盐岩,Φ,D,＞,Φ,N,5~6,砂岩,Φ,D,＝,Φ,N,,石灰岩,Φ,D,＜,Φ,N,8.13,白云岩,Φ,D,＜,Φ,N,1

19、6,硬石膏,Φ,D,＜ ＜,Φ,N,10~20,泥岩,Φ,D,＜ ＜,Φ,N,28,石膏,注意:此处Φ,N,和Φ,D,均为石灰岩孔隙度,76,曲线重叠法判断气层,77,78,79,中子寿命测井(NLL)(热中子衰减时间测井(TDT))(,Neutron Lifetime Log,,Thermal Decay Time,),中子寿命,中子寿命测井原理,中子寿命测井资料的用途,80,NLL测量原理,,N,0,:开始衰减时的热中子密度,N:经过时间,T,的热中子密度,,τ:,岩石的热中子寿命(即从热中子产生到63.7%被俘获所经历的平均时间),,81,,τ,测量方法,,,,,中子寿命测井的应用,

20、82,NLL资料的用途,划分油水层,,含Cl较高的水层对热中子的俘获截面大,显示的曲线幅度较小,,83,84,观察油水或气水界面的变化,85,判断气层(计数率曲线重叠法),双源距中子寿命测井的长、短源距计数率曲线在水层基本重合,而在孔隙较高的纯天然气层,两条曲线则明显分离,86,87,检查酸化效果,酸化前后分别进行,中子寿命测井，若,酸化效果好，则两,次的俘获曲线会出,现明显的幅度差。,若两条曲线基本重,合，则说明酸化无,效,88,计算储层含水饱和度,,89,碳氧比能谱测井,绪,C/O能谱测井原理,C/O能谱测井资料的用途,90,C/O资料的用途,,,,91,92,核磁共振测井(NMRL)(

21、,Nuclear Magnetic Resonance Log,),绪,基本原理,资料用途,核磁共振是指处在某一静磁场中的原子核系统，受到相应频率电磁波作用时，在它们的磁能级之间发生的共振跃迁现象。,93,,核磁共振测井资料的用途,,可提供岩石孔隙度、渗透率、和岩石孔径分布等参数，其所测孔隙度不受岩性影响，同时能捕获毛细管束缚水和粘土束缚水的孔隙体积，比传统的依赖骨架参数评价孔隙度更为准确。在识别低孔渗透层、低阻油层、稠油层的评价及复杂岩性的评价方面非常有效。,94,,原子核的磁性,,原子核除了具有质量和电荷两个基本特性之外，实验表明，许多原子核如同陀螺一样围绕着某个轴作自身旋转运动。,95,

22、,进行自旋运动的原子核都具有一定的,自旋角动量,，它是一个矢量，用,p,,表示，它的方向与自旋轴重合，根据量子力学，,自旋角动量,的绝对值由下式决定,式中:,h,为普朗克常数，,I,为自旋量子数,A,Z,I,奇,奇或偶,半整数：1/2、3/2、5/2、…,偶,偶,0,偶,奇,整数：1、2、3、…,96,,原子核的磁性,,具有自旋角动量的带电原子核如同一个磁化的小“陀螺”，具有磁矩,μ,。由原子核磁矩和角动量的绝对值之比，定义为原子核的磁旋比,γ,。它是表征原子核核磁性质的重要参数。,当原子核处于磁场强度为,B,0,的稳定磁场中时，磁矩,μ,将受到一个转矩使之按,B,0,定向，但由于自旋角动量,

23、P,与磁矩,μ,是共轴的，将受到自旋角动量的反抗，于是产生绕,B,0,的进动，进动的角速度为：,进动频率为：,称,f,为拉莫频率,,,,,,,,,,,,,,,,B0,97,原子核系统的磁化强度,原子核磁化强度矢量,M,0,,一般情况下，系统中个原子核磁矩的方向是杂乱无章的，因此矢量和等于零。,,,,,,,,,,,,,,B,0,,,,,,,,,,,,,,,如果把原子核系统放入磁场当中，原子核磁矩就要围绕磁场方向产生进动。这时磁矩的方向不再杂乱无章，而是有一定规律的。因此,M,0,不再等于零，也就是原子核系统被磁化。在加静磁场,B,0,的情况下，矢量,M,0,与,B,0,方向一致。,98,核磁共振

24、现象：,,对于被磁化的自旋系统，若再施加一个与静磁场垂直的交变磁场B,1,，此时就会发生核磁共振现象（从量子力学的角度说，此时交变磁场的能量等于质子能两个能级的能量差），即处于低能态的核磁矩吸收交变磁场提供的能量，跃迁到高能态，磁化强度相对于外磁场发生偏转，这种现象被成为核磁共振。,,交变磁场可以连续施加，也可以以脉冲的形式施加，现代核磁测井大多数采用脉冲方法。,脉冲有90,0,和180,0,之分,99,,X,Y,Z,B,0,M,,θ,,X,Y,Z,B,0,M,,90,0,90,0,脉冲,,X,Y,Z,B,0,M,,180,0,脉冲,180,0,100,磁化强度的弛豫过程,在静磁场中，,M,Z

25、,=M,0,,M,⊥,=0,,M,0,B,0,当原子核系统再受到另一个电磁场的作用，磁场强度就会偏离平衡位置，则,M,Z,≠,M,0,,M,⊥,≠,0,,M,Z,M,⊥,M,B,0,Z,T,2,T,1,,当外加电磁场去掉之后，原子核系统的不平衡状态并不能维持下去，要向平衡状态恢复。但恢复过程并不能马上完成，需要一定的时间。把原子核系统从不平衡状态向平衡状态恢复的过程成为,弛豫过程,。,101,实验表明，对于大多数不太粘的流体，,M,Z,分量与,M,⊥,分量向平衡位置的恢复速度与它们离开平衡位置的程度成正比，即,,,,102,驰豫：,,在射频脉冲施加以前，自旋系统处于平衡状态，磁化矢量与静磁场方

26、向相同；射频脉冲作用期间，磁化矢量偏离静磁场方向；射频脉冲作用完后，磁化矢量又将通过自由进动，朝B,o,方向恢复，使该自旋从非平衡态分布恢复到平衡状态分布。,恢复到平衡态的过程叫驰豫。,横向驰豫时间T2,纵向驰豫时间T1,103,横向驰豫时间T,2,：,非平衡态磁化矢量的水平分量,M,⊥,衰减至零的过程称为横向驰豫过程，驰豫速率用1/T,2,表示,T,2,被称为横向驰豫时间。,纵向驰豫时间T1：,磁化矢量的纵向分量,M,Z,恢复到初始磁化强度,M,的过程，称为纵向驰豫过程，驰豫速率用1/T,1,表示，T,1,叫做纵向驰豫时间。,104,同位素,磁旋比,进动信号振幅,同位素天然丰度,核磁共振频率

27、,H,1,42.57,1.0,99.98,2.178,Li,7,16.55,1.294,×,10,-2,92.57,0.827,Be,9,5.987,1.39,×,10,-2,100,0.299,C,13,10.71,1.59,×,10,-2,1.11,0.503,O,17,5.772,2.91,×,10,-2,3.7,×,10,-2,0.288,Na,23,11.267,9.27,×,10,-2,100,0.563,Mg,25,2.606,2.68,×,10,-2,10.5,0.130,Al,27,11.10,0.207,100,0.554,V,51,11.21,5.53,×,10,-2,1

28、00,0.599,Mn,55,10.56,0.178,100,0.527,Co,59,10.11,0.281,100,0.506,Cu,63,11.31,0.116,69.09,0.564,Rb87,13.97,0.177,27.2,0.696,Ag,197,1.31,6.69,×,10,-2,61.35,0.086,核磁测井测量原理,105,核磁测井测量原理,一.自由进动法；,二.自旋回波法。,106,,,,,107,孔隙流体核磁共振弛豫机理,1.,RW,机理；,,2.,RDG,机理；,,3.,RBV,机理；4.,AHD,机理；5.,RP,机理。,,指由颗粒表面(Wall)引起的核磁共振弛豫

29、(Relaxation).,即扩散弛豫，指在梯度(Gradient)场中分子扩散(Diffusion)将缩短弛豫时间。,指顺磁(Paramagnetic)物质(铁、锰等)能缩短弛豫(Relaxation)时间.,体积(Bulk)流体的弛豫(Relaxation)时间Tb反比于流体的粘度(Viscosity).,T,2,∝,T/,η,,指信号的初始幅度(Ampitude)正比于氢(Hydrogen)核的密度(Density).,A=KNV,108,核磁测井资料的解释于应用,1.岩层孔隙的分析及解释；,2.判别流体类型、确定流体饱和度；,3.渗透率计算；,4.估算原油粘度；,5.其他应用。,,,骨

30、,,架,,粘,,土,粘,土,束,缚,水,毛细,管中,的束,缚流,体,,可,动,水,可,动,油,气,,,由于粘土矿物吸附水的T2衰减很快，仪器测不到这部分信号。因此利用T2计算的孔隙度是不含粘土束缚水的有效孔隙度MPHI。T2分布谱的总面积即代表地层的总孔隙体积，由于T2中衰减较快的分量对应于地层中毛细管束缚水，而衰减较慢的分量是地层中可动流体的贡献。因此，在T2分布谱上选择一合适的截止值T2c，大于和小于T2c的T2分布面积就分别对应于可动流体体积和束缚流体体积。,截止时间T2c的选择,外国公司提供的经验值：,砂岩层:33ms,碳酸盐岩地层:90ms,,华北油田选择了4块岩样送美国做实验,实验结果表明每块岩样的T,2C,均不相同,从9.69ms到23.42ms不等,说明陆相地层的复杂性,如何正确选择T,2C,值是用好核磁测井资料的关键之一.,从T,2,的分布谱可以定性认识储层的好坏.大的峰面积右移表示岩石的分选性好,连通孔隙发育,可动流体多,储层好.,109,,孔隙尺寸分布与T,2,衰减,：,,T,2,与V/S成正比，而V/S又与孔隙大小成正比。因此，可利用T,2,分布计算孔隙大小分布,110,孔隙愈大,包含流体愈多,T,2,衰减愈慢,T,2,愈长;反之亦然,.,111,112,