第三章 核测井
核测井是测量记录反映岩石及其孔隙流体和井内介质的核物理性质的参数,研究井剖面岩层性质、寻找石油矿藏等的一类测井方法。
核测井包括以核物理学和核物理技术为基础的一系列测井方法,分为γ测井、中子测井和核磁测井三大类,具有下列优点:
1、核测井揭示的是岩石的核物理性质,能深刻反映岩石的本质,是一种唯一确定岩石及其孔隙流体化学元素含量的测井方法;
2、对测量条件有着广泛的适应性,能在含有各种井内流体的裸眼井、套管井中对各种不同类型的储层进行有效测量;
3、能提供大量具有不同物理实质的参数,且大部分参数用其它方法不易获得。
§3-1自然伽马测井和自然伽马能谱测井
一、伽马测井的核物理基础 1、放射性和放射性衰变 (1)核素和同位素
核素:一种核素是指原子核的质子数和中子数都相等并处于同一能态的同一类原子,用
下列符号表示:X A Z ,其中X 为元素的符号;Z 和A 分别表示质子数和质量数,例如H 31是
一种核素。
同位素:是指几种质子数相同而中子数不同的核素统称为该种元素的同位素,例如H 11、H
21
、H 31这三种核素都是氢的同位素。
(2)放射性和放射性核素
放射性:原子核自发地放出各种射线的性质统称为放射性。
放射性核素:能自发地发生衰变,由一种核变为另一种核的核素称为放射性核素,如H
31就是放射性核素;
稳定核素:不能自发发生变化的核素就是稳定核素,例如H 11
、H 2
1就是稳定核素。 (3)核射线
放射性物质能放出α、β、γ三种射线,性质各不相同,用途也不同。
α射线是高速运动的氦原子核He 4
2(α粒子),它的穿透能力最低,但电离能力最强。在核测井中,利用α粒子和某些原子核的相互作用可制造中子源;
β射线是高速运动的电子流,它的穿透能力比α射线强,但电离能力较α射线弱;
γ射线是波长很短的电磁波,它的贯穿能力最强,但电离能力最弱。γ射线能穿透几十厘米的地层、水泥环、套管和下井仪器的外壁而被探测仪器接收到,是核测井的主要探测对象。
(4)放射性衰变
放射性核素的原子核自发地释放出一种粒子(α、β、γ射线)变成另外一种原子核的放射性现象称为放射性衰变。 衰变方式:
①α衰变:原子核自发地发射α粒子(He 42
-氦核)转变成另一种原子核的放射性现象称为α衰变,其过程可表示为:He Y X A Z A Z 4242+→--
例如放射性核素钋(Po 21084)经过α衰变变成铅Pb 20682,同时放出γ射线。
②β衰变:原子核自发地放出负电子、正电子或俘获一个轨道电子而发生的转变,统称为β衰变。
③γ跃迁:由α、β衰变产生的子核往往处于激发态,而后可以通过发射γ射线释放多余的能量而退激到基态的过程称为γ跃迁,或称γ衰变。 (5)核衰变基本规律
放射性核数随时间减小而遵循一定的规律,即核衰变定律:
t
e
N N ?-=λ0
0N —为0=t 时的原子核数目;
λ—衰变常数,表示单位时间一个原子核发生衰变的几率,λ越大,衰变速度越快;
t -时间。
半衰期: 放射性核素因衰变而减少到原来一半所需的时间,用λ
2
ln =
T 。
(6)放射性活度
一个放射源在单位时间内衰变的原子核数,称为放射性活度,单位贝可勒尔,用符号Bq 表示,常用单位有:居里(Ci )、毫居(mCi )和微居(Ci μ),其间关系式为:
Bq Ci 10107.31?= 2、伽马射线和物质的相互作用
当伽马射线的能量低于30MeV 时,它与物质的相互作用主要有光电效应、康普顿效应和电子对效应。核测井测量的伽马射线与地层的相互作用主要通过这三种效应进行的。 (1)γ射线与物质相互作用的几率
利用截面σ来描述作用几率的大小,定义式为:t
IN I ??=
σ
式中:I ?——发生相互作用的光子数;I ——入射的光子数;t N ?——与光子束入射方向垂直的面积为12cm ,厚度为t
?cm
的靶物质的原子核数。
σ表示一个入射光子与单位面积上一个靶原子核发生的几率,具有面积的量纲,一般用靶恩(b )来表示,有:224101cm b -= (2)光电效应
当伽马光子与物质原子中的束缚电子作用时,光子把全部能量转移给某个束缚电子,使之发射出去,而光子本身消失掉,这种过程称为光电效应,发射出去的电子称为光电子。 原子的光电效应总截面近似写成:ν
σ
h Z
ph
1455
=
由上式可以看出:原子的光电效应总截面近似地与原子序数的5次方成正比,而与伽马射线的能量成反比,随原子序数的增大,光电截面迅速增大。石油测井中常见元素原子的光电吸收截面近似为:6
.45
.3Z
kE
ph
-=σ。
(3)康普顿效应
伽马光子与物质原子核外轨道上的电子发生非弹性碰撞,将部分能量传给电子,使电子脱离原子成为反冲电子,而损失了部分能量的伽马光子向另一方向散射出去,这种现象称为康普顿效应。
康普顿减弱系数:A
ZN
A
e
c ρ
σ?=∑,,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。
图3-1伽马射线与物质的三种作用
(a )光电效应;(b )康普顿效应; (c )电子对效应
e c ,σ—每个电子的康普顿散射截面,为常数;
Z/A —在一定的介质条件下,可看成常数,因此利用Σ与ρ的关系,可确定介质的密度,是密度测井的核物理基础。
(4)电子对效应
当入射γ光子在能量大于1.022MeV 时,它在物质的原子核附近与核的库仑场相互作用,可以转化为一个负电子和一个正电子,而光子本身被全部吸收,这种过程称为电子对效应。
电子对效应截面:在光子的能量νh 稍大于202c m 时有,γ
σE Z p
2
∝
当202c m h >>ν时,有:γ
σ
E Z
p
ln 2
∝
显然可以看出,在能量较低时,p σ随伽马光子的能量线性增加;能量较高时,p σ随光子能量的增加要缓慢一些。
对于不同的吸收物质和能量区域,每种效应的相对重要性不同: ①对于低能伽马射线和原子序数高的吸收物质,光电效应占优势;
②对于中能伽马射线和原子序数较低的吸收物质,康普顿效应占优势; ③对于高能伽马射线和原子序数高的吸收物质,电子对效应占优势。 (5)γ射线的衰减规律
γ
射线通过吸收物质时,由于发生上述三种效应,其强度要减弱,穿过吸收物质后的强
度与吸收物质的厚度的关系为:x e I I μ-=0
式中μ——线性衰减系数,就是单位体积该种物质与光子作用的总截面,即宏观截面,或者说μ是单位路程上光子与物质发生三种相互作用的总几率,可写为:p c ph μμμμ++=
3、γ射线的探测
γ
射线与物质相互作用过程中,主要是通过光电效应、康普顿效应和电子对效应产生次
级电子,这些电子能引起组成探测器灵敏元件的原子的电离和激发,利用这两种物理现象就可以探测γ射线。
(1)闪烁探测器
闪烁探测器主要有闪烁体、光电倍增管和电子仪器三部分组成。 常用的闪烁体主要有碘化钠(铊)、碘化铯(铊Tl -)和BGO 等。
①探测效率:一个光子进入闪烁体而引起闪光的几率,)(Tl NaI 晶体对伽马射线的探测效率高;)(Tl CsI 由于密度和平均原子序数大,故比)(Tl NaI 有更高的探测效率;BGO 比前两者探测效率更高。
②能量分辨率,在测量γ射线的闪烁体中,)(Tl NaI 晶体的能量分辨率最好,对Cs 137的
0.662MeV 的伽马射线,能量分辨率可达6.5%,而)(Tl CsI 和BGO 的相应值为7.3%和9.3%。
(2)半导体探测器
半导体探测器的探测介质是半导体材料,在测井中比较有前途的是高纯锗探测器,与闪烁探测器比较,主要优点是能量分辨率高,线性范围宽,但输出幅度小,须在低温条件加工作。
二、自然伽马测井
自然伽马测井是用伽马射线探测器测量地层总的自然伽马放射性的强度,以研究地层性质和寻找放射性矿床的测井方法。 1、岩石的自然伽马放射性
岩石的自然伽马放射性决定于岩石中所含的放射性核素的种类和数量,即主要是岩石中铀、钍、钾的含量决定。 (1)铀、钍、钾的特征
自然界中存在的铀、钍、锕系,除最后一个衰变产物是稳定核素外,其余均为放射性核素,会放出强度和能量各不相同的伽马射线;此外还有最重要的钾的同位素K 40。 ①铀系中从母核U 238开始经过多次衰变,最终变成稳定的Pb 206,中间的一些放射性核素会放出不同能量和强度的射线,主要有Pb 214发射的0.352MeV 和Bi 214发射的0.609MeV 、1.12MeV 、1.76MeV 和2.204MeV 等能量的谱线。其中作为铀系中主要的伽马辐射体,Bi 214的特征伽马射线是1.76MeV 。在自然伽马能谱测井中主要根据这一特征峰确定铀在地层中的含量。
②钍系从母核Th 232开始,经过多次衰变直到稳定的Pb 208为止。其中Tl 208是最重要的伽马辐射体,其发射能量为2.62MeV 的伽马射线是钍系中能量最高、强度最大的伽马射线。自然伽马能谱测井就是根据Tl 208发射的特征伽马射线来决定地层中钍的含量。
图3-2 闪烁探测器组成示意图
40是一种单能射线源,发出的伽马射线能量为1.46MeV。
③K
(2)铀、钍、钾在岩石中的分布
一般情况下,火成岩放射性最强,其次是变质岩,最弱是沉积岩。对于沉积岩,有:
①伽马放射性高的岩石:深海相的泥质沉淀物,如海绿石砂岩、高放射性独居石、钾钡矿砂岩、含铀钒矿的石灰岩以及钾盐等;
②伽马放射性中等的岩石:包括浅海相和陆相沉积的泥质岩石,如泥质砂岩、泥灰岩和泥质石灰岩;
③伽马放射性低的岩石:砂层、砂岩和石灰岩、煤和沥青等。
2、自然伽马测井原理
(1)测井装置:井下仪器(探测器、放大器和高压电源等)和地面仪器。
(2)原理
给下井仪供电,探测器工作→提升下井仪经不同地层,当伽马射线照射探测器→探测器将伽马射线转化为相应数目的电脉冲→脉冲信号经放大器放大,由电缆传至地面→地面仪器把单位时间的脉冲数被转化成相应电位差值→记录仪记录,得到是一条随深度变化的计数率曲线(脉冲/分),现常用API单位。
API单位:是美国石油学会规定的放射性计数率单位,它是这样规定的:在美国休斯顿大学建造了一套三层混凝土标准模块组成的刻度井,每个模块都是直径1.219m,高2.438m 的带井眼的圆柱体,中间的一层是含有13ppm(13g/t)的铀、24ppm的钍和40%的钾的高放射层,而上下两层是未加放射性物质的低放射层,将仪器在井眼中测到的高放射性和低放射性两种模块的读数差定为200个API单位。
(3)探测范围
岩石的放射性核素放射出来的γ射线能到达探测器的一个以探测器中点为球心、半径为30~45cm的范围(与地层的吸收系数有关),这就是自然伽马测井的探测范围。
3、自然伽马测井曲线
(1)自然伽马测井的标准化
不同的探测器、甚至相同的探测器探测其效率和仪器的差别,会造成同一测量对象得到不同的测量结果,为了便于横向比较和定量解释,用在标准井中刻度过的同类仪器,对同一地层有同样的响应,所以需要对自然伽马测井仪进行标准化。
标准化的基本方法----建立标准刻度井,在刻度井中对每支仪器进行标定。
(2)自然伽马测井曲线特点
①上下围岩放射性相同时,曲线对称于地层中点,并在地层中点取得极值;
②高放射性地层,地层中点的极大值随地层厚度h 的增加而增大,但当03d h ≥时,极大值为常数,与地层厚度无关,只和岩石的自然放射性成正比;
③对于03d h ≥的地层为厚层,否则为薄层。厚层曲线两个半幅点正对着地层的上、下两个界面,由半幅宽确定的视厚度a h 与地层真厚度h 相等;而薄层曲线的两个半幅点将落在该层之外,视厚度a h 大于地层真厚度h 。
(3)影响因素
①τv 的影响(υ—测井速度,仪器提升速度;τ—记录仪中电路的积分时间常数),υτ越大,曲线幅度越小,对称性越差,极值向提升方向偏移越远,因此测井速度受到限制。
②放射性涨落误差(统计误差)
涨落现象:多次测量,各次读数与全部读数的平均值之差大部分分布在一定范围内。由于涨落现象,使GR 曲线呈现“锯齿状”,由于放射性涨落引起的误差,称为涨落误差,记为σ。
物理意义:同一地层各点的读数落在σ±n 的几率为68.3%,因此,只有当曲线幅度变化超过上述范围,且超过(2.5~3)σ时,曲线才做分层或地层解释。
③厚度的影响
薄层,曲线受上下围岩而发生变化。 ④环境的影响
井中介质包括泥浆、套管和水泥环。若泥浆为低放射性泥浆,则井的影响主要是对来自地层的伽马射线的吸收和散射;若泥浆中含有KCl ,则泥浆住相当于一个附加的放射源,
钾
图3-3有限厚度放射性地层沿井轴的光子通量
的特征道计数率会增高;而当泥浆中含有重晶石,泥浆的光电吸收效应增强,将使自然伽马谱严重变形。
4、自然伽马测井曲线的应用 (1)划分岩性和地层对比
主要依据:岩层中Vsh 不同,GR 读数不同。
砂泥岩剖面:砂岩显示最低值,粘土(泥岩和页岩)最高值,粉砂岩泥质砂岩介于中间,随泥质含量增加曲线幅度变大;
碳酸盐岩剖面:泥岩、页岩的GR 幅度最高,纯的石灰岩、白云岩GR 幅度最低,而泥质灰岩、泥质白云岩GR 界于中间;
膏盐剖面:盐岩、石膏层的GR 较低,泥岩层GR 幅度最高。 (2)划分储集层
砂泥岩剖面:低自然伽马异常就是砂岩储集层,异常半幅点确定储集层界面; 碳酸盐岩剖面:低GR 说明含泥质少的纯岩石,结合高孔隙度和低电阻率可划出储集层。
(3)计算泥质含量
①地质基础(计算条件):地层除粘土矿物外,不含其它放射性矿物,自然伽马曲线是指示地层泥质含量Vsh 的最好方法。
②方法:相对值法:利用自然伽马测井求粘土体积含量的近似值:
m
i n
m
a
x m i n GR GR GR GR I sh --=
式中GR ——自然伽马测井曲线目的层的读数;min GR ——纯砂岩层的读数;max GR ——纯泥岩层的读数。
严格地讲,地层粘土体积含量与测井值的关系不是线性的,用下列经验公式:
1
2
1
2
--=
?GCUR
I GCUR sh sh
V
式中GCUR ——希尔奇(Hilchie )指数,第三系地层取3.7,老地层取2。 斯伦贝谢采用的公式:0
0B GR B GR V sh sh b sh
-?-?=
ρρ
式中0B ——纯地层的背景值,有sd sd GR B ?=ρ0(或IS IS GR ?ρ);
IS sd sh b ρρρρ,,,——分别为目的层、泥岩层、纯砂岩、纯石灰岩的体积密度; IS sd sh GR GR GR GR ,,,——分别为目的层、泥岩层、纯砂岩、纯石灰岩的自然伽马测井值。
三、自然伽马能谱测井(NGS )
自然伽马能谱测井根据地层中铀、钍、钾放射性核素放射出来的伽马射线能谱的不同,测定铀、钍、钾含量的测井方法。
1、地层的自然伽马能谱
核测井中将Bi 214能量为 1.764MeV 的光电峰作为铀系的特征峰;将Tl 208的能量为2.62MeV 作为钍系的特征峰;另外还有K 40的1.46MeV 的光电峰。
2、自然伽马能谱测井原理 (1)自然伽马能谱测井仪器
①γ射线探测器:包括大体积的NaI(Tl)闪烁晶体(cm cm 5.3008.5?φ)、光电倍增管、信号放大器和高压电源,主要测量来自地层的自然伽马射线;
②脉冲幅度分析器(多道分析器):从伽马射线探测器输出的电脉冲串,经双ADC 电路转换成两个256道的数字谱,能量段分别为MeV 3~0和keV 350~0;
③稳谱源和稳谱探测器:Am 241源和探测α粒子的探测器; ④下井仪器控制系统 ⑤数据处理和记录系统
(2)仪器谱、标准谱和谱处理方法
①仪器谱:用伽马谱仪测到的自然伽马射线脉冲幅度比铀系和钍系核素的原子核初始衰变发射的伽马光子能量和强度得到的初始谱(分离的线谱)复杂得多,不但有各种特征伽马射线引起的光电峰或全能峰,还有经过康普顿散射等形成的其它能谱分布,这样的能谱成为仪器谱(连续谱)。
②标准谱:是在刻度井中测得的仪器谱,它所确定的铀、钍、钾的含量与谱数据的关系是对测井时得到的工作谱进行解析的依据。
混合谱:多种核素组成的仪器谱或标准谱。
③解谱:就是对各能窗综合考虑各种贡献列出方程组求解的过程,主要有:剥谱法、逆矩阵法、最小二乘逆矩阵法、加权最小二乘矩阵法
能窗的选择:W 1:0.15~0.5 MeV W 2:0.5~1.1MeV
W 3:1.32~1.575 MeV (钾窗) W 4:1.65~2.39 MeV (铀窗) W 5:2.475~2.765 MeV (钍窗)
④自然伽马能谱曲线:自然伽马总计数率(SGR )、钍含量(THOR )、铀含量(URAN )、
钾含量(POTA )
3、自然伽马能谱测井资料的应用 (1)岩性识别和地层对比
自然伽马能谱测井可以根据铀、钍、钾含量的差别对高放射性地层进一步细分,优点:①由于孔隙流体(原油、天然气、地层水)中几乎没有放射性物质,所以曲线形状和幅度不受流体类型影响;②与泥浆矿化度无关;③容易找到标准层,总放射性或铀、钍、钾含量特别高或特别低的分布稳定地层均可选用。
(2)识别粘土矿物
根据铀、钍、钾的含量可以区分粘土矿物,从而确定粘土岩的类型。
表3-1 铀、钍、钾含量数据表
(3)求泥质含量 ①总计数率求泥质含量 m i n
m a x m i n C T S C T S C T S C T S S V C T --=
1
2
1
2--=
?S V C T
G C U R
S V C T S V C E
式中:SVCT —用总的计数率求出的泥质含量指数;
CTS —总的计数率; CTS min —纯地层计数率; CTS max —泥岩总计数率;
SVCE —用总的计数率求出的泥质体积含量; GCUR —希里奇指数; ②由钍含量求泥质含量
m i n
m a x m i n Th Th Th Th SVTH
--=
1
2
1
2--=
?S V T H
G C U R
S V T H SVTE
③由钾含量求泥质含量
m i n
m a x
m i n 40
40
404040K K K K SVK --=
1
2
1
2
40
40--=
?SVK GCUR
SVK SVKE
(4)研究生油层
岩石中的有机物对铀的富集起着重要作用,利用自然伽马能谱测井,可以追踪生油层和评价生油层的生油能力。
由图3-4
可以看出,含碳量与铀含量或铀钾比存在线性关系,铀或铀钾比越高,说明有
图3-4 有机碳含量与铀钾比及铀含量的关系
机碳越多,则泥岩为生油岩,且生油能力越强。
(5)寻找储集层
①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,其自然伽马能谱曲线特点是钾和钍含量低而铀的含量高,可能成为生油层,也就是说在NGS 曲线上有高铀、低钾、低钍的特征,如图3-5所示。
②高放射性碎屑岩和碳酸盐岩储集层
纯的储集层铀、钍、钾的含量很低,如果岩石中含有高放射性矿物,纯砂岩的铀、钍、钾含量也会很高;同样碳酸盐岩储集层,若含有钾盐、长石等矿物是钾含量会明显上升,还原条件下地层的铀含量也增高。
(6)研究沉积环境
陆相沉积、氧化环境、风化层:7/>U Th ; 海相沉积、灰色或绿色页岩:7/
图3-5页岩储集层在能谱曲线上的特点
§3-2 放射性同位素示踪测井
放射性同位素测井(radioisotope log )又称放射性同位素示踪测井,是利用放射性同位素作示踪剂来研究注水动态和油井技术情况的一种测井方法。 一、放射性同位素测井方法 1、测井过程
采用自然伽马测井仪,向井内注入被放射性同位素活化的溶液或固体悬浮物质,并将它压入套管外的通道或进入地层或滤积在射孔孔道附近的地层面上,通过测量注入示踪剂前后同一井段的伽马射线强度,通过对比来评价地层或油井技术状况及施工效果。 2、放射性同位素的选择和配制
一般选用能放出较高能量的伽马射线、有合适半衰期、容易配成盐溶液且具备适宜吸附能力的同位素,常用的有I Zr Zn Co Fe 131********,,,,。 二、放射性同位素测井的应用
1、放射性同位素测井找窜槽位置—注活化液
油井投入生产后,由于固井质量差或固井后由于射孔及其它工程施工,使水泥环破裂,造成层间串通,即形成窜槽,放射性同位素测井是一种寻找窜槽的有效方法。
主要施工步骤:施工前,先测一条自然伽马曲线作为参考曲线,而后将活化液压入找窜槽层,与参考曲线比较,则可查出示踪液的通道,找出窜槽位置。
实例图3-6,放射性同位素“找窜”方法。 射开的B 层和未射开的C 层及射开 的A 层间是否存在串窜,用封隔器分别 封隔B 、A 层和B 、C 层,以一定压力向 B 层注入放射性活化液(油层找窜注入活 化油,水层找窜注入活化水),然后进行放 射性同位素测井。
图3-7时上述井段的放射性同位素测 井曲线和参考的自然伽马测井曲线。
图3-6注入放射性活化液找窜槽管柱图
图3-7 放射性同位素找窜测井曲线
1、参考曲线
2、放射性同位素测井曲线
注入了活化液的B层,曲线异常幅度较大,被封隔器封隔的A层处,虽未注入活化液也有明显增大,则A、B有窜槽;C层处,两曲线基本重合,则B、C无窜槽。
2、放射性同位素测井检查封堵效果—注活化水泥
为了提高或稳定油井产量,需要对窜槽层位、出水层位或厚油层的水淹部分,用注水泥的方法进行封堵。
先测一条自然伽马曲线作为参考曲线,然后将加入少量放射性同位素的水泥挤入上述井段,再测一条放射性同位素伽马曲线,若封堵良好,则封堵处由于注入活化水泥而曲线幅度增大。
3、检查压裂效果的放射性同位素测井---注活化砂
为提高采收率和产能,常对低孔、低渗地层进行压裂。
压裂时将吸附放射性同位素的活化砂(作为示踪剂)压入地层裂缝中,在压裂前测一条参考曲线,压裂后经洗井,然后再测一条放射性同位素曲线,两曲线重叠对比可知压裂效果。
4、放射性同位素载体法测定吸水剖面,计算相对吸水量
测定各小层吸水量,以防止单层突进。
生产中选用半衰期短的放射性同位素作为示踪元素,吸附粒径大于50um的固相载体做成活化固相载体。放入水中配置成均匀悬浮液。在正常注水条件下,在悬浮液向地层侵入时,固相活化载体和水分离,而虑积在地层表面形成一活化层。地层的吸水量与活化载体在地层表面滤积量成正比,与活化层造成的曲线异常面积的增量成正比。
各小层段相对吸水量: %1001
?=
∑=n
j j
i
i S
S q
式中:i q —第i 小层的相对吸水量;i S —第i 小层的放射线强度异常面积。
§3-3 –散射γ能谱测井(γ-γ测井) ------密度测井和岩性密度测井
一、散射γ能谱测井的核物理基础
散射伽马能谱测井主要利用伽马射线与地层的相互作用为基础的测井方法,主要有补偿密度测井和岩性密度测井。伽马射线与物质的相互作用主要有光电效应、康普顿效应和电子对效应,由于散射伽马能谱测井中采用的伽马射线源光子能量较低,只考虑光电效应和康普顿效应。
1、岩石的体积密度b ρ(即真密度):---揭示b ρ与?的关系 孔隙中饱含流体的纯岩石的体积密度:
?
ρ
?ρρ
ρρφ
?+-=?+?=
+=
f
ma f
ma ma f
ma b V
V V V
G
G )1(
单位:(g/cm 3
)
其中:V V V ma =+φ,ma ρ为骨架密度,f ρ为流体密度。
(1)组成岩石的骨架矿物不同,ma ρ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?的增加b ρ减小,由此可求?
且(盐水泥浆)(淡水泥浆)1
.10
.1=
f
ρ
2、矿物和岩石的康普顿散射线性衰减系数-度量康谱顿散射现象 对于单质矿物,康普顿减弱系数:A
N z b
A e
ρσ??=∑b A
e b
A
e A
Z N Z A
N ρσρσ==
A N —阿佛加得罗常数(1摩尔所含的原子或分子数=23
10
02.6?个);
Z —原子序数(等于电子数);A -相对原子质量;
e σ—电子的散射截面(一个入射电子与单位面积上的一个靶原子作用的几率);
A
Z -荷质比;A b /ρ-单位体积(立方厘米)岩石的摩尔数,A
N b
A
ρ-单位体积原子数(分子)。
(注: 1摩尔水=18克,水的克分子量是18克,1摩尔碳=12克,
1摩尔气体=22.4升,C o
0,标准大气压)
对于主要的常见矿物岩石:M
Z n
A Z
i i
∑=/)(
/
其平均值近似为常数≈0.5,且入射伽马射线在一定能量范围内e σ内是个常数,故康普顿散射吸收系数的大小只与岩石的体积密度有关。
表3-2 密度数据表
用e n 表示电子密度(单位体积电子数),则有:
A Z N n b A e /ρ=
故:
e
e n ?=∑σ
为了方便引入,定义电子密度指数:
A
Z N
n b A
e e ρρ22=
=
b ρ≈
3、岩石和地层的光电吸收系数和光电吸收指数 (1)岩石的光电吸收系数和光电吸收指数
石油测井中常见元素的光电吸收截面近似为:
6
.45
.3Z
kE
ph
-=σ
Z -原子序数(相当于电子数)
;E -入射光子的能量 由于常选用Cs 137伽马源,伽马射线能量是固定的,故单一元素组成的矿物的线性光电吸收系数为:
6
.4KZ
ph
=μ
我们定义岩石中一个电子的平均光电吸收截面为岩石的光电吸收截面指数,用e P 表示,即
6
.3KZ
Z
P ph
e ==
μ
为了其数值在有限(限定)条件下与电子的平均截面相近,通常选用下式:
6
.3)
10(
Z P e =
如果是由化合物组成的矿物岩石,光电吸收截面指数可以表示为:
6
.36.46
.3)
10
(
10
Z Z
n Z n P i
i
i i e ==∑∑-
常见岩石的岩性参数如表3-3所示。
表3-3 常见岩石和流体的岩性参数
(2)体积光电吸收指数U
为使用体积模型,又定义了另一个岩性参数U ,称为体积光电吸收指数或称U 参数,即 e e ph A P N U ρμ==)/2(e b P ρ≈
(3)地层的光电吸收系数和光电吸收指数 地层的光电吸收系数:φ
μφμμf ma ph +-=)1( 地层的光电吸收指数:φφf ma U U U +-=)1( 4、伽马射线的能谱成分
由图可以看出:1)光电效应只能影响低能段伽马强度,并且随着Z 的增加曲线峰值的能量升高,但峰值强度随Z 的增加而下降;
2)高能段是康普顿散射区,随地层密度b ρ的增加计数率下降。
二、密度测井
1、下井仪:极板型,贴井壁测量,其中:滑板由伽马源、伽马探测器、屏蔽体三部分
图3-8在b ρ相同而Z 不同的地层中的能谱 图3-9 Z 相同而b ρ不同的地层中的能谱
组成。
伽马源(137S C )—发射能量为0.661Mev 的单能伽马射线。
伽马探测器是由单伽马探测器和双伽马探测器(即:补偿密度测井仪,又有长源距和短源距之分)组成。
屏蔽体—使源发射的γ光子不能直接到达探测器。 2、测井原理
由源发射0.661Mev 的γ射线经地层一次或多次散射后到达探测器,另外还有射向探测器的光子被再散射而改变方向或被吸收的光子。
地层密度b ρ不同,对伽马光子的散射吸收能力不同,仪器记录的计数率不同,测井仪采用的正源距L 下,ρ增大,N 减小。
b e A N ρσμ??=∑≈5.0
L
e
N N ∑-=0
由上两式可得:
b b e A A B L N N L N N ρρσ?+=-=∑-=5.0ln ln ln 00
即:)(ln 1B N A
b
-=
ρ
可见如果仪器贴井壁,而且地层没有泥饼,利用单探测器就可以测量b ρ。
实际测井中,泥饼影响不可忽视,为此,采用双源距探测器的补偿密度测井仪,其中长源距的计数率受泥饼影响小,短源距受影响大,用长源距得到一个视地层密度'b
ρ,再由
长短源距计数率得到泥饼校正值ρ?,则地层密度ρρρ?+='
b b 。最终得随深度变化的一条
ρ曲线和ρ?曲线。
密度用W3、W4,两个能窗; 岩性密度-W1能窗 3、应用
(1)利用体积密度b ρ识别岩性
密度曲线是综合测井中最常见的岩性曲线之一,包含大量的岩性信息,其特点: ①在砂泥岩剖面中,泥岩密度通常比砂岩低。泥岩段井眼变化大,推靠不严实,曲线起伏大,而砂岩段井眼规则,岩性也比泥岩稳定,曲线比较光滑;
石油工程测井基本名词解释
一、名词概念 1.Well logging 测井:油气田地球物理测井,简称测井welllogging,是应用物理方法研究油气田钻井地质剖面和井的技术状况,寻找油气层并监测油气层开发的一门应用技术。 2.Electrical logs 电法测井:是指以研究岩石及其孔隙流体的导电性、电化学性质及介电性为基础的一大类测井方法,包括以测量岩层电化学特性、导电特性和介电特性为基础的三小类测井方法。 3.Acoustic logs 声波测井:是通过研究声波在井下岩层和介质中的传播特性,来了解岩层的地质特性和井的技术状况的一类测井方法。 4.Nuclear logs 核测井:是根据岩石及其孔隙流体的核物理性质,研究钻井地质剖面,勘探石油、天然气、煤以及铀等有用矿藏的地球物理方法,是地球物理测井的重要组成部分。 5.Production logs 生产测井PL:泛指油气田投产后,在生产井或注入井中进行的一系列井下地球物理观测。它是监测油气田开发动态的主要技术手段,是油气田储集层评价、开发方案编制和调整、井下技术状况检测、作业措施实施和效果评价的重要手段。根据测量对象和应用范围,生产测井大致可分为生产动态、产层评价和工程技术三类。 6.Apparent resisitivity 视电阻率:把电极系放在井中某一位置,能测得该点的一个电阻率值,该值受井眼、围岩、泥浆侵入等环境影响,不等于地层的真实电阻率,称为视电
阻率。当电极系沿井身连续移动时,则可测得视电阻率随井身变化的曲线。这种横坐标为视电阻率R a,纵坐标为深度H的曲线叫视电阻率曲线。 7.Reservoir 储集层:在石油工业中,储集层是指具有一定孔隙性和渗透性的岩层。例如油气水层。 8.increased resistance invasion 高侵:当地层孔隙中原来含有的流体电阻率较低时,电阻率较高的钻井液滤液侵入后,侵入带岩石电阻率升高,这种钻井液滤液侵入称为钻井液高侵,R XO