放射性測井儀

放射性測井儀是在地質勘探中通過測量放射性來測量地球物理參數的設備，主要包括放射源與探測器。測量原理是：將放射源與探測器放入鑽孔中，放射源發出的射線與物質的相互作用，引起物質中原子的電離和激等，然後使用探測器獲取相互作用的信息，從而實現尋礦、確定礦層厚度和含量等。21世紀，放射性測井儀在礦物勘探領域廣泛使用，儀器主要可分為兩類 ：γ輻射測井儀和中子測井儀。其中，γ輻射測井儀主要包括自然γ測井儀、自然γ能譜測井儀、密度測井儀和岩性密度測井儀；中子測井儀主要包括補償中子測井儀和中子伽馬測井儀。

基本介紹

• 中文名：放射性測井儀
• 外文名：radioactivity logging device
• 別名：核測井儀
• 套用領域：地球勘探
• 涉及學科：核化學、礦物學、控制學科

簡介

放射性測井儀，又稱作核測井儀，是利用放射性射線與地球岩層相互作用進行測井的儀器設備。在研究井的地質剖面，勘探石油、天然氣、煤以及金屬、非金屬礦藏，研究石油地質、油井工程和油田開發等方面廣泛利用。儀器主要可分為兩類：γ輻射測井儀和中子測井儀。

21世紀發展進程

2000年，鄭華通過公式推導和Monte Carlo數值模擬,對сгдт的回響重新刻度。

2001年，Goldberg等的多探頭高分辨自然伽馬能譜儀MGT使用了將4個薄閃爍晶體的測量結果經深度對齊後疊加合成的思路，在發揮薄晶體縱向分辨能力強、能量分辨本領較好的優點的同時，改善了測量結果的統計誤差。

2002年，Tezuka等開發了用於地熱井評價的高溫存儲式流體密度測井儀，可在400℃的環境中工作6h。

2004年，Ellis等用電纜式三探頭密度測井儀過套管測量地層密度，多口井實測效果良好。此時,Pe不再反映岩性,但可反映套管厚度。

2004年，Nieto等給出了與Plat-form Express系統配套的三探頭電纜密度測井儀在不良井壁、超高密度和Pe等條件下的現場套用實例。

2005年，Russo等用“雙密度”法靈活套用了補償密度測井，即把2支密度測井儀的視窗互成90°安裝,籍此在破碎帶獲取有效的密度孔隙度資料並用於地層各向異性評估。

2007年，張松揚等提取釷鈾比值和鈾相對比值來控制自然伽馬能譜測井曲線的質量。

2008年， Hezhu Yin等開發了一種快速三維自然伽馬測井解析/數值混合模擬方法，在同樣精確度下,其計算速度比Monte Carlo方法快幾百到幾千倍。利用它研究和解釋了偏心旋轉的隨鑽自然伽馬探頭在大斜度及水平井中給出的雙峰GR曲線等奇怪面貌。

2008年，李傳偉等使用的五能窗逆矩陣自然伽馬能譜解譜法不是按通常的思路針對靈敏度矩陣，而是針對能窗計數做鑽井液氯化鉀和重晶石含量校正。

γ輻射測井儀

自然γ測井儀

自然伽馬放射性原理就是指伽馬射線與物質相互作用的三種效應將產生次級電子，這些電子引起物質中的原子電離和激發。絕大多數伽馬射線探測器都利用這兩種物理現象來探測伽馬射線。在測井儀器中，主要使用閃爍計數管，其次是蓋革－彌勒計數管。其中，蓋革－彌勒計數管是一种放電計數管，利用放射性輻射使氣體電離的特性探測伽馬射線。

1、組成

整個測量裝置由下井儀器和地面儀器兩大部分組成。下井儀器主要包括：伽馬射線探測器（將接收到的伽馬射線轉換為電脈衝的裝置）、將探測到的電脈衝進行放大的放大器以及供給該探測器所需的高壓電源等。

2、測量原理

自然伽馬測井儀的測量原理是：通過探測器（溴化鑭晶體）把地層中放射的伽馬射線轉變為電脈衝，經過放大輸送到地面儀器記錄下來。

3、測量過程

利用這套裝置進行自然伽馬測量的簡單過程是：當井下儀器在井內由下向上提升時，來自岩層的自然伽馬射線穿過井內泥漿和儀器外殼進入探測器。探測器將接收到的一連串伽馬射線轉換成一個個的電脈衝，然後經井下放大器加以放大，使之能有效地沿電纜送到地面上。地面儀器即地面系統，主要包括：將來自井下的電脈衝轉換成連續電流的整套電路，以及記錄儀和電源等。地面系統接受到井下傳來的電脈衝之後，經計數率電路進行累計，再經過簡單的變換和刻度，就連續記錄出井剖面上岩層的自然伽馬強度曲線，稱為自然伽馬測井曲線。

自然γ 能譜測井儀

地面的能譜儀按能量的不同直接記錄K40、 U(Bi214)、Th208和總的γ射線。自然γ能譜測井儀在碳酸鹽岩和砂泥岩地層的裸眼井和套管井中探測泥質含量，比用自然γ測井儀更精確，並有助於判斷粘土礦物類型。

1、組成

目前，作 γ 能譜測量的探測器主要採用碘化鈉或者溴化鑭晶體與光電倍增管組合。由於碘化鈉晶體和溴化鑭晶體比較起來，針對放射性礦物質地質勘探儀器的需要，溴化鑭晶體在諸多方面如密度、能量解析度、探測靈敏度、能量線性、溫度穩定性、發光效率、發光衰減時間等都體現出了良好的技術適應性，因此我們選用溴化鑭晶體作為 γ 能譜測量的探測器可以更好地適應現場需要。碘化鈉或溴化鑭晶體的光電效應、康普頓效應、電子對效應的吸收係數比較大，這對於探測伽馬射線是很有利的。它是利用被伽馬射線激發的物質的發光現象來探測伽馬射線的。

2、測量原理

其原理是：當伽馬射線進入碘化鈉或溴化鑭晶體時，伽馬射線就從晶體的原子中打出電子，這些電子具有較高的能量，它們在晶體中運動又使被它們碰撞的原子激發，激發態的原子在它回到穩定的基態時，就放出閃爍光即光子。這些光子射到光陰極上，發生光電效應，而產生光電子，光電子在電場的作用下趨向陽極。在到達陽極的途中，要經過聚焦電極和若干個打拿極。由聚焦電極將電子聚焦在第一個打拿極上，從打拿極上打出較入射電子為多的電子來，由極性相同，電壓遞增的幾個打拿極逐漸加快電子的速度，並從打拿極上打出數量逐級倍增的電子來，倍增後的大量電子進入陽極，形成脈衝電流，使陽極電壓下降，產生電壓負脈衝，輸入測量線路中記錄。

3、自然伽馬能譜測井分析與套用

自然伽馬能譜測井資料包括：地層總自然伽馬（GR)，地層無鈾伽馬(KTh)，及地層中鈾(URAN)、釷(ThOR)、鉀(POTA)的含量。利用其測量值可以研究地層特性，計算泥質含量、地層粘土礦物歸類、識別高自然伽馬放射性儲層、評價生油岩等。具體過程是採用交會圖技術，做出地層Th—K交會圖，按照給定的Th—K交會圖版，歸類粘土礦物，定性識別粘土礦物。同樣，採用Th—U交會，可分析沉積環境的變化情況。

在還原環境和有機質富集的條件下，可以使泥質沉積吸附大量的鈾離子，自然伽馬能譜測井中鈾曲線代表地層中鈾的含量，因而可用來評價生油岩。

（1）評價生油層

（2）確定地層岩性

（3）粘土礦物類型的識別

（4）計算泥質含量

（5）尋找高放射性儲層

密度測井儀

1、組成

（1）下井儀：極板型，貼井壁測量，其中：滑板由伽馬源、伽馬探測器、禁止器三部分組成。

伽馬源（Cs137—發射能量為0.661Mev的單能伽馬射線）

（2）伽馬探測器是由單伽馬探測器和雙伽馬探測器（即補償密度測井儀，又有長源距和短源距之分）組成。

（3）禁止體—使源距發射的光子不能直接到達探測器

2、測量原理

由源發射0.661Mev的射線(排除電子對形成的可能性)—照射地層發生康普頓效應(採用能量視窗，避免光電效應的影響)—散射射線到達探測器—計數率N。地層密度ρb不同，對伽馬光子的散射吸收能力不同，儀器記錄的計數率不同，測井儀採用的正源距L下,ρb增大，N減小。

3、套用

（1）確定岩層的孔隙度

確定岩層孔隙度是密度測井的主要用途。若有孔隙度為φ，骨架密度、孔隙流體密度和岩層體積密度分別為ρma、ρf、ρb的純岩石，則其體積密度和孔隙度的關係是：

不同的岩性，其骨架密度不同，砂岩一般為2.65，石灰岩為2.71，白雲岩為2.87。在已知岩性和孔隙流體的情況下，就可由密度測井確定岩層孔隙度。

（2）確定岩性

砂岩 2.65g/cm3 、石灰岩2.71g/cm3 、

白雲岩2.87g/cm3 、硬石膏2.98g/cm3 、

鹽岩2.03g/cm3

（3）密度曲線與中子曲線重疊可用於識彆氣層

天然氣相對於地層水和石油而言，其密度很低，密度測井時，其密度值也較低，故由上式計算的孔隙度比實際孔隙度偏大，而在中子測井曲線上氣層表現為低孔隙度，因此二者曲線重疊即可識彆氣層。

岩性密度測井儀

是密度測井的改進和擴展。它除了記錄岩石的密度之外，還測量地層的光電吸收截面指數Pe，而Pe和岩性有關。測井時，井下儀器分別記錄散射γ射線較高能量部分和較低能量部分。高能量部分的散射γ射線強度取決於密度；低能量部分主要和岩性有關，同時也和密度有關，經過處理後可以得到pe。

1. 組成
   

儀器總體由地面儀器、井下儀器和連線它們的CCC短節組成。

（1）地面儀器

由計算機中心CSU和計算機輔助單元CAUF-A、電纜對接單元CIM-B組成。

（2）LDT-D井下儀器

LDT-D井下儀器包括PGD-G、NSC-E、和DRS-C等部分。

PGD-G為探測器滑板，它包括兩個閃爍晶體光電倍增管探測器。 DRS-C探頭包含各種聯線，用來組合儀器和實現滑板到線路間的電連線。還包含必要的動力電路和液壓一機械裝置，以保證滑板和地層緊密接觸。 NSC-E由LS、SS能窗、井徑A/D轉換、計數器、移位暫存器、匯流排連線的通用接口、用戶指令解碼單元、LS(SS) H.V.迴路控制及電源系統等部分組成。

（3）CCC短節

CCC短節在CSU和NSC-E/PGD-G之間。它向上傳輸下井儀器獲得的數據，向下傳輸來自地面的指令 CCS匯流排：井下儀器與CCC之間的通信是沿一條CCS匯流排進行的（3條信號線+1條地線）

2、測量原理

伽馬源產生的單能γ射線照射地層，其高能譜段的γ，只受康普頓效應影響，低能譜段，主要受光電效應的影響，在高能區設立視窗，計數γ計數率，確定地層密度，為了補償泥餅影響，採用長短兩個探測器，得到地層密度和泥餅補償值ρb和△ρ；低能區開設視窗，計數γ，以測量地層的光電吸收截面指數Pe。實際上是利用低能窗和高能窗計數率比值來進行光電吸收截面指數計算的。

3、套用

（1）識別岩性

體積光電吸收截面U和光電吸收截面指數Pe，都可用來識別岩性。

（2）計算儲集層的泥質含量Vsh。

（3）識別地層中的重礦物

如重晶石Pe=266.8，鋯石Pe=69.1，都比一般礦物要高出若干倍，地層中含有重礦物時，Pe顯著增大，據此識別重礦物。

中子測井儀

2435補償中子測井儀

1、組成

探測器：放出電離能力很強的帶電離子， 探測器內形成脈衝電流或閃爍螢光，產生電壓負脈衝。類型為硼、鋰、氦、鍺。

補償中子測井儀電路結構

中子源：同位素中子源或加速器中子源。

高壓電源：輸出+1150V直流高壓供探測器。

低壓電源：輸出+24V直流低壓供給個單元電路。

前置放大器：將探測器輸出的微伏級脈衝信號放大到可處理的電平。

鑑別器：從背景噪聲中取出信號脈衝。

分頻器：使長短計數道分別將計數減少到原來的1/4和1/6，避免了高計數率情況下，因電纜充電和衰減影響會造成信號首尾重疊而產生漏記。

纜芯驅動器 ：將脈衝信號功率放大後送上測井電纜。

2、原理

熱中子與超熱中子能量差不多，其空間分布規律與超熱中子的空間分布規律基本一致。即長源距情況下，飽含流體岩層的孔隙度越大，熱中子計數越低；孔隙度越小，計數率越高。熱中子能量與原子核能量處於平衡狀態，易於被原子核俘獲，同時生成伽瑪射線（ 地層中Cl的俘獲截面最大）。熱中子測井同時受到H、Cl的影響，為了消除Cl的影響，採用雙源距比值法的測井儀器。

補償中子測井示意圖

3、套用

⑴確定地層孔隙度

中子測井（SNP、CNL）主要的用途是確定地層孔隙度。

⑵FDC與CNL石灰岩孔隙度曲線重疊定性判斷氣層

天然氣使FDC測井計算孔隙度增大，而使CNL測井計算孔隙度偏小。

⑶CNL與FDC測井交會求孔隙度、確定岩性

由密度測井(FDC)的體積密度值和CNL的石灰岩孔隙度值的交會點，可確定地層的孔隙度φND的大小和岩性。若是雙礦物岩石，可以確定雙礦物的比例。

中子伽馬測井儀

1、組成

中子伽馬測井的下井儀器包括中子源和γ射線探測器，在源和探測器之間放有禁止體鉛，防止中子源伴生γ射線由儀器內部直接進入探測器。中子伽馬測井探測深度略大於熱中子(CNL)和超熱中子測井(SNP)。

2、基本原理

這種方法在於測量岩石中元素原子核俘獲熱中子之後所放出的俘獲伽馬射線的強度。

這一強度與兩個因素有關，即岩石對中子的減速能力和對熱中子的俘獲能力。在沉積岩的元素中，對這兩種特性起決定作用的是氫和氯，因此，中子—伽馬測井結果主要與岩石中的含氫量和含氯量有關。對相同含氫量的岩石而言，如果含氯量不同時，在含氯量高的岩石中，無論採用的源距如何，測得的中子—伽馬射線強度均有所增高。這是因為氯元素俘獲熱中子之後放出的伽馬射線能量較高，且數量較多(能放出三個伽馬量子，而一般元素俘獲熱中子後僅放出一個伽馬量子)的緣故。從這一點看出，氯元素對中子—伽馬測井結果的影響，正好與氫對熱中子測井的影響相反

2 中子-伽馬測井曲線的套用

中子伽馬測井曲線的主要套用有：

（1）劃分氣層

天然氣中的含氫量比水和油中的含氫量低得多，因此氣層上得中子伽馬測井顯示出很高的計數率值。

（2）確定油水界面

因為油水層的含氫量基本上是相同的，只有地層水的礦化度高時，水層的含氯量顯著大於油層，油層和水層的中子伽馬測井曲線的計數率值才有明顯的差別(水層的中子伽馬測井計數率值大於油層的中子伽馬測井計數率值)，所以只有在地層水礦化度比較高的情況下，才能利用中子伽馬測井曲線劃分油水界面，區分油水層。