主讲：周 文 教授 邓虎成 讲师 学时： 34( 理论 )+6( 实习 )

1. 地球物理测井基本原理及应用 主讲：周 文 教授 邓虎成 讲师 学时：34(理论)+6(实习)

2. 第二章 放射性测井系列基本原理及解释 自然伽玛及能谱测井原理及应用 密度及岩性密度测井原理及应用 中子测井原理及应用

3. 每次衰变发生几率 自然伽玛（GR）及能谱（NGS）测井原理及应用 2.1.1 基本原理 地层中的放射性元素多，最普遍的是 、 、 及其同位素等。 自然伽玛（GR）测井：测量的是岩石中的存在的放射性元素自然放射的伽玛射线总量。

4. 自然伽玛（GR）及能谱（NGS）测井原理及应用 2.1.1 基本原理 自然伽玛能谱测井（NGS） ：除测量地层的放射性总量外，还给出各个能级的伽玛射线能量，用于区分上述三大类元素（浓度）量。 Th、K、U的含量是根据各能量窗的计数率，通过标准矩阵求出，标准矩阵是在刻度井的实验中进行刻度的。

5. 自然伽玛（GR）及能谱（NGS）测井原理及应用 2.1.1 基本原理 放射性的标定：是以北美箭石作为基 础。现代测井均有一个仪器标定器、都是人工物品。 单位：居里、API。 成果显示：GR仅一条曲线， NGS所测除一条GR曲线外，有Th、K、U曲线和无U（CGR）曲线。 GR=C1Th+C2K+C3U CGR= C1Th+C2K SHEH-002能谱测井

6. 自然伽玛（GR）及能谱（NGS）测井原理及应用 2.1.1 基本原理 岩石的放射性：不同的岩石，由于其物质组成来源不同、特征同，所含的放射性矿物不同、含量也不同。 1）沉积岩中的放射性物质主要来源于颗粒吸附的放射性同位素元素（有些地层可能是放射性矿物含量高的层—放射性矿藏）。因此，细分散体系的岩石，其吸附的放射性元素含量较高（如泥岩、泥灰岩等），而颗粒岩（如砂岩、颗粒灰岩、白云岩等）吸附的放射性物质少。 2）有些矿物晶体本身是有放射性物质的（表2-1）。

7. 自然伽玛（GR）及能谱（NGS）测井原理及应用 3）有机质本身也可能吸附有放射性U同位素，因此有机质含量高时，所测放射性值高。 4）火山岩本身的放射性物质含量就较高。 表2—1 沉积岩中常见的主要矿物

8. 自然伽玛（GR）及能谱（NGS）测井原理及应用 2.1.2 测井资料解释 放射性测井是研究地层岩性、确定地层粘土含量的最好的测井方法。 ①岩性解释 分层原则：半幅度点 图2—3 自然伽玛能谱测井

9. U/K (%) 泥岩？ C有机（%） C有机（%） 自然伽玛（GR）及能谱（NGS）测井原理及应用 2.1.2 测井资料解释 ②有机质解释 图2-13 铀/钾比值与有机碳含量关系 （据Supermaw等，1987） SHEH-002能谱测井

10. 自然伽玛（GR）及能谱（NGS）测井原理及应用 2.1.2 测井资料解释 ③裂缝段解释 高放射性的裂缝性储层

11. 自然伽玛（GR）及能谱（NGS）测井原理及应用 2.1.2 测井资料解释 ④泥质含量解释 生产指数：PI=（K+a）×（ Th+b） 优点：排除了U的影响。 计算方法：

12. 自然伽玛（GR）及能谱（NGS）测井原理及应用 2.1.2 测井资料解释 ⑤识别粘土矿物

13. 密度（FDC）和岩性密度测井（LDT）原理及应用 • 密度测井（FDC） 2.2.1 基本原理 • 通常的密度测井，测量的是岩石的体积密度值。 • 放射性源向地层发射中等能量的伽玛射线（即高速中子）与地层中的电子碰撞，产生康普顿效应（散射），发生次生伽玛射线。接收器记录，换算为地层密度。 • 测井仪器：补偿双源距地层密度测井仪 • 补偿测量原理：近探测器用于校正远探测器测量结果中的泥饼和井眼不规则影响。 高能大于800keV 中能800-150keV 低能小于150keV

14. 体积密度的确定： 康普顿效应（散射）的碰撞次数与地层中的物质的电子密度（电子数/平方厘米）有关，而电子密度与岩石的体积密度有关（岩石密度与岩石骨架成份、孔隙流体、孔隙度大小等有关），有： ——岩石密度； ——电子密度； Z ——原子序数；A ——原子量 密度（FDC）和岩性密度测井（LDT）原理及应用 • 密度测井（FDC） 2.2.1 基本原理 图2—10 补赏双源距地层密度测井仪（FDC）示意图

15. 密度（FDC）和岩性密度测井（LDT）原理及应用 • 密度测井（FDC） 2.2.1 基本原理 测得的曲线包括：体积密度 ，同时组合测井得到自然伽玛（ＧＲ）、井径曲线，可以测量中子（ＣＮＬ）测井曲线。

16. 高能大于800keV 中能800-150keV 低能小于150keV 密度（FDC）和岩性密度测井（LDT）原理及应用 • 岩性密度测井（LDT） 2.2.1 基本原理 岩性密度测井是密度测井的改进和扩展形式。它除了测量地层的密度值外，还能测量地层的光电吸收截面指数(Pe),该指数与地层中矿物类型有关（即可以反映地层岩性）。

17. 密度（FDC）和岩性密度测井（LDT）原理及应用 • 岩性密度测井（LDT） 2.2.1 基本原理 岩性密度测井仪和密度测井仪一样，有一个极板和一个支撑臂，极板上有一个伽玛源和两个探测器。不同的是，岩性密度测井的伽玛源发出的是622keV的伽马射线，与地层碰撞后能量逐渐降低，最后到通过产生光电效应被吸收。它测量从中高能区（大于150keV）经康普顿效应散射伽玛强度（测岩石密度），再测低能区经光电效应吸收后的伽玛射线强度（光电吸收截面指数），而密度测井只测量前者。 高能大于800keV 中能800-150keV 低能小于150keV

18. 密度（FDC）和岩性密度测井（LDT）原理及应用 • 岩性密度测井（LDT） 2.2.1 基本原理 • 近探测器只用于校正远探测器测量结果中的泥饼和井眼不规则的影响。 • 探测范围：6英寸左右。 • 光电吸收截面指数(Pe)是通过接收的伽玛射线强度与电子密度进行计算确定的。 • 光电吸收截面指数(Pe)：是指在一定的条件下一种或两种粒子射线与碰撞的靶（原子）之间发生核反应几率大小的度量值。单位：靶恩/原子。其值与原子序数Z之间的关系为：

19. 密度（FDC）和岩性密度测井（LDT）原理及应用 • 岩性密度测井（LDT） 2.2.1 基本原理 • 对于分子，光电吸收截面指数(Pe)可以按分子中各原子的量进行计算。

20. 密度（FDC）和岩性密度测井（LDT）原理及应用 2.2.1 基本原理 • 岩性密度测井（LDT） • 宏观光电吸收截面指数(U)：定义为单位岩石体积的光电吸收截面指数与电子密度指数的乘积： • U-宏观光电吸收截面指数，巴/立方厘米； • Pe-光电吸收截面指数，巴/立方厘米； • -电子密度指数（ =2ne/Na，ne电子密度， Na阿佛加得罗常数——SI，6.022137·

21. 密度（FDC）和岩性密度测井（LDT）原理及应用 • 岩性密度测井（LDT） 2.2.1 基本原理 常见矿物和岩石的岩性密度参数。 根据岩石的单元体积模型可以得出如下关系： 由于水、烃（油气）与岩石骨架的U值相差达10倍左右或更高；所以测量所得的U值所受孔隙度的影响很小，主要与岩石骨架有关。

22. 密度（FDC）和岩性密度测井（LDT）原理及应用 2.2.3 曲线解释 • 岩性密度测井（LDT） ①岩石密度 • 对于充满流体（水、油）的砂岩、石灰岩、白云岩等地层，密度测井读数可以看作地层的体积密度值。 • 对于少数地层：钾盐、岩盐、石膏、煤层、含气层，测井读数不等于岩石体积密度，要进行效正。

23. 密度（FDC）和岩性密度测井（LDT）原理及应用 • 岩性密度测井（LDT） ②确定孔隙度 • 密度测井是主要的岩石孔隙度测井方法； • 根据测井所得的体积密度值可以计算出岩石总孔隙度（对于孔隙中为液体时）。 2.2.2 曲线解释

24. 密度（FDC）和岩性密度测井（LDT）原理及应用

25. 密度（FDC）和岩性密度测井（LDT）原理及应用 • 岩性密度测井（LDT） 2.2.2 曲线解释 • 孔隙中的地层水（或泥浆滤液）密度与矿化度有关，等效NaCl的矿化度与密度关系为： • 如果孔隙中有残余油气时，特别是残余气，要进行校正。

26. 密度（FDC）和岩性密度测井（LDT）原理及应用 • 岩性密度测井（LDT） 2.2.2 曲线解释 ③识别岩性 • 根据测量所得的Pe及体积密度 结合中子测井孔隙度 可以对岩石中的矿物成分进行估计和识别岩性。 • （1）根据 —— 交会图（2-18）求出 和 • （2）根据 —— Pe 交会图（2-19）和 求出 • （3）根据 —— 交会图（2-20）识别岩性

27. 密度（FDC）和岩性密度测井（LDT）原理及应用 • 岩性密度测井（LDT） 2.2.2 曲线解释

28. 密度（FDC）和岩性密度测井（LDT）原理及应用 • 岩性密度测井（LDT） 2.2.2 曲线解释 图2-21 印度尼西亚某井岩性密度测井 图2-23 粘土-岩性快速直观图（据Schlumberger，1985年）

29. 密度（FDC）和岩性密度测井（LDT）原理及应用 • 岩性密度测井（LDT） 2.2.2 曲线解释 ④粘土矿物识别

30. 密度（FDC）和岩性密度测井（LDT）原理及应用 • 岩性密度测井（LDT） 2.2.2 曲线解释 ⑤裂缝层段识别 • 钻井泥浆中如果使用重晶石（超压地层），钻遇裂缝带时泥浆侵入裂缝，在Pe曲线上出现高值。重晶石（BaSO4)的Pe=266.8，U=1070，最大。

31. 中子测井（CNL）原理及应用 2.3.1 基本原理 • 原理：发射高速中子与地层氢原子核碰撞，通过连续碰撞（主要与氢元素），中子能量减到约0.025ev的热速度，之后无规则扩散，直到被吸收（俘获）。俘获中子的原子核处于强烈的激发状态，发射出高能伽玛射线，用记数器记录伽玛射线，反映地层中的氢元素量的测井方法。

32. 中子测井（CNL）原理及应用 2.3.1 基本原理 • 碰撞理论：由于中子与氢原子的质量几乎相同，中子与氢原子碰撞，能量损失最大，同重原子核发生碰撞时中子速度不会减慢。次生伽玛射线强度与中子俘获量有关，即与地层中的氢元素量有关。

33. 中子测井（CNL）原理及应用 2.3.1 基本原理 • 探测范围：当中子源附近氢浓度高时，中子很快在井壁附近被俘获，探测范围小，如氢原子浓度小时，俘获时间长，探测范围大(一般在几-15cm以内)。 • 测量环境：裸眼井、套管井。 • 成果输出：输出的是含氢孔隙度 值。

34. 中子测井（CNL）原理及应用 2.3.1 基本原理 • 刻度：在盐水井中刻度，进行孔隙度标定，含氢指数与孔隙度（盐水地层）呈几乎过原点的线性关系。也可以是在已知孔隙度的含水地层井中进行刻度。 • 孔隙度含义：相对于盐水的含氢孔隙度值。

35. 中子测井（CNL）原理及应用 2.3.2 响应特征 • 中子测井的响应取决于地层中的氢含量，由于单位体积的液态烃和水中的氢含量基本相当，因此在不含气的地层中，测量结果主要与地层孔隙度有关。当含天然气时，其相对流体来讲单位体积的含氢量低，测出的值偏小。

36. 中子测井（CNL）原理及应用 2.3.2 响应特征 • 对于泥质地层，不仅可以反映泥质地层孔隙中的束缚+可动水量，而且可以反映出晶体间的结晶水量，含水石膏的结晶水也能反映（CaSO4+H2O），测得的孔隙度增大。

37. 中子测井（CNL）原理及应用 2.3.2 响应特征 • 不同流体的含氢指数

38. 中子测井（CNL）原理及应用 2.3.2 响应特征

39. 中子测井（CNL）原理及应用 2.3.2 应用 ① 确定地层含氢孔隙度 • 地层中为流体时，如果不考虑井眼、侵入带的影 • 响，读数值是一个视地层孔隙度值，称为含氢孔 • 隙度。 • 无其他孔隙度资料时可用作地层近似孔隙度。 • 如果是气层段，则应读数值加上校正值为地层含 • 氢孔隙度。

40. 中子测井（CNL）原理及应用 2.3.2 应用 • 天然气层的含氢孔隙度效正：

41. 5% 中子测井（CNL）原理及应用 2.3.2 应用 ②判断流体性质 • 水层（或油层） 高； • 气层 低。 月2—1井测井综合解释图

42. 中子测井（CNL）原理及应用 10% 云安3井石炭系储产层特征测井综合图

43. 中子测井（CNL）原理及应用 2.3.2 应用 ③识别粘土矿物 (图版2-28)