自然伽马能谱测井原理及其应用

班级 资工11101班

学号 201107964

姓名 陈 强

目录

自然伽马能谱测井原理………………………………3

自然伽马能谱测井分析与应用………………………5

关于自然伽玛能谱的几点认识与总结………………9

自然伽马能谱测井原理及其应用

The Principle and Application of Natural Gamma Ray

Spectrometry Logging

1 自然伽马能谱测井原理

1.1 自然伽马能谱测井的理论基础

地层中存在的放射性核素，主要是天然放射性核素，这些核素又分放射系和非放射系的天然放射性核素。放射系为钍系、铀系和锕铀系，但锕铀系的头一个核素235U在自然界中的丰度很低，其放射性贡献甚微，不予考虑。非放射系的天然放射性核素如表1所列。从表中可见，主要是87Rb和40K，但是87Rb无伽马辐射。所以，在研究地层中的自然伽马能谱主要是238U、232Th放射系和40K放射的伽马射线能谱。

因为地层岩石的自然伽马射线主要是由铀系和钍系中的放射性核素及40K产生的。而铀系和钍系所发射的伽马射线是由许多种核素共同发射的伽马射线的总和，但每种核素所发射的伽马射线的能量和强度不同，因而伽马射线的能量分布是复杂的。而40K只能发射一种伽马射线，其能量1．46Mev的单能。如果我们把横座标表示为伽马射线的能量，纵座标表示为相应的该能量的伽马射线的强度。把这些粒子发射的伽马射线的能量画在座标系中，那么就得到了伽马射线的能量和强度的关系图，这个图称为自然伽马的能谱图。铀系和钍系在放射性平衡状态下系内核素的原子核数的比例关系是确定的，因此不同能量伽马的相对强度也是确定的，因此我们可以分别在这两个系中选出某种核素的特征核素伽马射线的能量来分别识别铀和钍。这种被选定的某种核素称为特征核素，它发射的伽射线的能量称为特征能量，在自然伽马能谱测井中，通常选用铀系中的214Bi发射的1．76MeV的伽马射线来识别铀，选用钍系中的208Tl发射的2. 62MeV的伽马射线来识别钍，用1．46MeV的伽马射线来识别钾。当我们把伽马射线按我们所选定的特征能量分别计数，那么这就叫测谱。测谱测出的结果打印成数据表或绘成能谱图。因而将测得的自然伽马能谱转换成地层的铀、钍、钾的含量，并计录在磁带上或以连续测井曲线的形式输出，这就是自然伽马能谱测井。要用自然伽马能谱测井，必须满足两个条件：(1)地层岩石中必须存在具有7辐射的放射性核素，或者说，岩石中的放射性核素必须具有7辐射；(2)放射性核素在地层岩石中的分布必须具有特异性。 1.2自然伽马能谱测井仪器

自然伽马测井仪的测量装置由井下仪器和地面仪器组成。井下仪由伽马射线探测器(由闪烁晶体和光电倍增管组成)、脉冲幅度鉴别器、分频器、整形器及电缆驱动器等电路组成。这几大部分组成一套完整的测井仪器。自然伽马测井仪是一种沿着井眼剖面测量岩层自然放射性活度分布的测量仪器。测井时，闪烁晶体把地层伽马射线转变成光脉冲信号，由光电倍增管的光阴极转换为光电子，经光电倍增管放大后输出负电压脉冲，经幅度鉴别、分频、整形、功放，然后经电缆输送到地面。并下仪器沿井身自下而上移动测量，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。

2 自然伽马能谱测井分析与应用

自然伽马能谱测井资料包括：地层总自然伽马（GR)，地层无铀伽马(KTh)，及地层中铀(URAN)、钍(ThOR)、钾(POTA)的含量。利用其测量值可以研究地层特性，计算泥质含量、地层粘土矿物归类、识别高自然伽马放射性储层、评价生油岩等。具体过程是采用交会图技术，做出地层Th—K交会图，按照给定的Th—K交会图版，归类粘土矿物，定性识别粘土矿物。同样，采用Th—U交会，可分析沉积环境的变化情况。在还原环境和有机质富集的条件下，可以使泥质沉积吸附大量的铀离子，自然伽马能谱测井中铀曲线代表地层中铀的含量，因而可用来评价生油岩。

2.1评价生油层

自然伽马能谱资料中的铀曲线反映地层中放射性矿物铀的含量。研究表明，放射性元素铀与有机质的丰度有很密切的关系，有机质越富集的地方，能谱曲线中所显示的铀含量越高，指示与油气关系越密切。

根据这一结果，分析老27井的自然伽马能谱资料如图1所示，在泥岩出油层段铀含量大于3×10-6。对没有自然伽马能谱资料的樊41井、罗42井、大93井等进行分析结果发现：在地质录井或井壁取心资料中，反映的岩性为泥岩与油页岩或油泥岩互层，或者距油页岩或油泥岩距离较近，是较好的生油层。

2.2确定地层岩性 由于地层中天然放射性核素的分布具有一定的规律性，因此，利用自然伽马能谱测井可以确定地层的岩性，特别是对于一些复杂地层的岩性识别，自然伽马能谱测井将优于其它测井方法。

(1)利用Th—U交会图划分岩性

一般情况下，地层中的钍(Th)含量随岩石的粒度变细而增加，利用钍值可以把地层中的砂岩、粉砂岩和泥岩等划分得很清楚，因此Th是一个识别岩性的较好参数。此外，在地层原始沉积的过程中，铀(U)的含量与地下水的溶解和迁移程度有关，而油气藏的形成与地下水的活动也有关系，并且油气藏的形成还要求有良好的封闭条件，因此油气藏的形成与U有一定的关系，为此，利用Th—U交会图可以更准确地区分岩石的岩性。

(2)利用Th—K交会图划分岩性

在地层中，钾(K)的含量也与岩性有关。一般情况下，钾的含量随岩石的粒度变细而增加。此外，在碳酸盐中钾含量较多，这是由于碳酸盐在形成过程中的淋滤作用而造成的。为此，利用Th—K交会图也可以区分岩石的岩性。

2.3自然伽马能谱测井研究沉积环境

由于源岩层含有固体有机质，这些有机质富含有机碳，而有机质具有密度低和吸附性强等特征。因此，源岩层在许多测井曲线上具有异常反应。

在正常情况下，含碳越高的源岩层，其测井曲线上的异常反应就越大。自然伽马曲线常表现为高异常。铀和有机质之间有良好的经验关系，海相富含有机质的页岩和石灰岩，浮游生物吸附铀离子，呈高放射性，可用此法划分海相烃源岩。富含碳的源岩层，在体积密度曲线上表现为低密度异常，在声波时差曲线上表现为高时差异常；电阻率的高低随源岩层成熟与否发生变化。

在还原环境和有机质富集的条件下，可以使泥质沉积吸附大量的铀离子，自然伽马能谱测井中铀曲线代表地层中铀的含量，可以用来评价生油岩。有关研究资料表明，在还原环境下，铀含量的高低与有机碳的含量有密切的关系，有机碳含量越高，铀的含量也越高，有机碳含量与铀含量是一种递增关系，因此铀值越高，评价生油岩就越有利。

用Th/U比值研究沉积环境的评判标准： 陆相沉积、氧化环境、风化层，Th／U＞7；

海相沉积、灰色或绿色页岩，Th／U＜7； 海相黑色页岩、磷酸盐岩，Th／U＜2。

用Th/U、U/K和Th／K比值还可研究许多其它地质问题，如从化学沉积物到碎屑沉积物Th／U比增加，随着沉积物的成熟度增加，Th/K比增大。用Th/U、U/K和Th／K比值还可以识别粘土矿物。

2.4计算泥质含量

可以用总伽马计数率计算泥质含量：

2.5寻找高放射性储层。岩石放射性强度，火成岩放射性最强，变质岩放射性中等，沉积岩放射性最低。纯砂岩和碳酸盐岩放射性元素含量很低，但有些地层中，由于岩石骨架中含有放射性矿物而明显呈现高放射性，有些渗透性地层由于地层水活动使其放射性矿物增多，引起放射性升高。传统观念认为储集层是低放射性的、泥质含量较少的、比较纯的岩石，而忽视了高放射性储层的生产价值。运用自然伽马能谱测井中的无铀伽马计算泥质含量，可以弥补常规方法的不足。准确识别高放射性储层，确定岩性剖面。

3认识与总结

1自然伽马能谱测井测量的地层中铀(U)、钍(Th)、钾(K)的含量，为地质研究提供了非常重要的资料，利用能谱资料可以计算泥质含量，识别粘土矿物类型，评价生油岩等。在高放射性储层中，用无铀伽马能精确计算泥质含量，确定岩性剖面，判断高放射性(裂缝)储层，避免了高放射性储层的漏失，弥补了用自然伽马计算泥质含量的不足，为储层评价提供了精确的解释依据。

2在油田沉积相带及储层评价中，也可以结合自然伽马、自然电位测井曲线，利用自然伽马、自然电位曲线同步减小幅度评价渗砂层，指示划分水下分流河道主体微相带；利用自然伽马、自然电位减小幅度差评价低渗砂、致密砂层，指示划分水下分流河道堤泛(侧翼)微相带；并以自然电位比自然伽马减小幅度的相对细小差异识别油水层；形成一种更有效地识别划分沉积相带和储层的方法。

参考文献

[1]庞巨丰，迟云鹏等．现代核测井技术与仪器[M]．北京，石油工业出版社，1998，6．

[2]白运台．自然伽马能谱测井在高自然伽马裂缝地层中的应用[J]．国外测井技术，2001，16(5)．

[3]李风琴，秦菲莉等．自然伽马能谱资料在油田勘探中的应用[J]．石油天然气学报，2005，27(6)．

[4]郭余峰，单秀兰等．利用自然伽马能谱确定地层岩性的方法[J]．物探与化探，1996，20(3)．

[5]王祝文．确定粘土矿物含量的自然伽马能谱测井方法[J]．岩性油气藏，2007，19(2)．