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1、第七章,自然伽马测井 （ natural gamma_ray log ） 自然伽马能谱测井 (natural gamma_ray spectral log ),自然伽马和自然伽马能谱测井,岩石中含天然放射性核素，主要有铀系，钍系和钾，自然衰变时产生不同能量的伽马射线,自然伽马测井用伽马射线探测器测量地层中总的自然伽马射线强度,主要用途：划分岩性及渗透层，确定泥质含量,自然伽马能谱测井对伽马射线进行能谱分析,分别测量岩石的铀、钍、钾含量,1 岩石的自然伽马放射性,一、放射性核素和核衰变,1、原子和原子核,质子数:Z 中子数:N 质量数:A A=Z+N,2、核素和同位素,核素：原子核中具有一定数目
2、的质子和中子，并处在同一能态上的同类原子（或原子核）。同一核素的原子核中，质子数和中子数都分别相等。,同位素：原子核中质子数相同而中子数不同的原子，它们在元素周期表中占同一位置。,核素表示:,ZXA,3、稳定核素和放射性核素,原子核能自发的发生衰变， 由一种核素变为另一种核素,稳定核素：原子核不能自发的变为另一种核,放射性核素衰变时能发射， 和 射线,放射性核素：,核衰变：,放射性核素的原子核自发地由一种核素变成另一种核素的过程,（89%),4、核衰变定律,式中 ： N0 t=0 时的原子核数 N 时刻 t 的原子核数 衰变常数 （表示单位时间内每个原子核发生衰变的几率）,半衰期T1/2：放射
3、性核素因衰变而减少到原来 一半所需的时间,5、放射性活度（强弱的度量单位）,放射性活度：一定量的放射性核素在单位时 间内发生衰变的核数。,旧的单位为居里（Ci)，1Ci=3.71010次核衰变/s,新的活度单位为“贝可勒尔”，简称“贝可”，符号为Bq。1Bq=1次核衰变/s， 1Ci=3.71010 Bq,二、岩石中的放射性核素及能谱,已发现的天然核素约有330多种，其中273种为稳定核素，60余种为放射性核素,质量数小于209的大多数是稳定核素，只有少数是放射性核素，如K40、Co60、Cs137,而质量数大于209的全部是放射性核素,1、放射系：连续衰变时放射性核素所构成的系列,1) 钍系
4、：钍系是从232Th开始的，到206Pb结束，它的半衰期为1.411010年,)铀系：238U开始，到206Pb结束， 238U的半衰期.410年,2、放射系长期平衡：,子核与母核的核数比为常数,3、铀、钍、钾的伽马射线初始谱,初始谱：根据放射系中核素的原子核初始衰变产生的伽马光子的能量和强度画出的能谱图,自然伽马能谱测井中，选择208Tl发射的2.62Mev 的伽马射线来识别钍，,自然伽马能谱测井中选择214Bi发射的1.76Mev 的伽马射线来识别铀。,仪器谱：用伽马谱仪测的自然伽马射线脉冲幅度谱，是被光子与闪射晶体相互作用所复杂化了的连续谱，比初始谱复杂的多,三、岩石的自然伽马放射性与岩
5、石性质的关系,1、与三大类岩石的关系,岩浆岩及变质岩：放射性高于沉积岩，它含有较多的放射性矿物 （锆石，独居石，揭帘石，角闪石及辉石等）,沉积岩：一般放射性低于岩浆岩和变质岩。通常不含放射性矿物，其自然放射性主要是岩石吸附放射性物质引起的，吸附能力有限,2、沉积岩的放射性,粘土岩放射性最高，而石膏、硬石膏、盐岩等放射性最低，其它岩类在它们之间,蒙脱石：分子中不含放射性核素，但表面积最大（269m2/g)，对放射性物质吸附能力强,伊利石（水白云母）：它本身含有钾，对氧化铀有一定的吸附能力（不是很强）,高岭石和绿泥石：本身不含放射性核素，比面积又小，吸附能力差,铀、钍、钾含量用的单位： 铀、钍含量
6、用g/g（g/t,g/l)，记作ppm 钾含量用0.01g/g，记作%,沉积岩的自然放射性强度随泥质含量增加而增加（含放射性矿物的岩石除外）,伽马射线与物质相互作用的几率,用截面 表示，它的物理意义是：一个入射光子与单位面积上一个靶原子（或电子）发生作用的几率，它具有面积的量纲，所以称之为截面。一般用10-24cm2 作为截面的单位,称为靶恩(b),截面的大小与伽马射线及靶物质的性质有关,2 伽马射线与物质的作用与探测,一、光电效应,伽马光子与原子核外的束缚电子作用，光子把全部能量转移给某个束缚电子，使之发射出去（光电子），而光子本身被吸收。,线性光电吸收系数：伽马光子穿过1cm吸收物质时发生
7、光电效应的几率,光子的波长,n常数,二、康普顿散射,伽马光子与原子的核外电子发生非弹性碰撞，一部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子，而光子（散射光子）的能量和运动方向发生变化。,1、散射光子和反冲电子的能量,散射光子的能量为：,反冲电子的动能为：,（1）当=0o时，散射光子的能量达到最大，这时反冲电子的能量为0，光子能量没有损失。,反冲电子的能量达到其最大值：,（2）当=180o时，这时散射光子能量最小，为：,2、康普顿线性减弱系数,伽马光子通过1cm的物质时，发生康普顿效应的几率(单位体积的物质中所有电子的康普顿散射截面）,e每个电子的康普顿散射截面,三、电子对效应,当伽马光子从原子
8、核旁经过时，在原子核的库仑场的作用下，伽马光子转变为一个正电子和一个负电子，这种过程称为电子对效应。,电子对吸收系数：伽马光子通过1cm的物质时，发生电子对的几率,四、三种效应的优势区,I0 x=0 处的射线强度， 光子与物质发生三种作用的总线性衰减几率,五、伽马射线的吸收,在物质中，射线束通过x路程后其强度I为,I=I0e-x,六、伽马射线的探测,1、基本原理概述,伽马光子与探测器发生三种效应，产生次级电子,使气体电离，产生电离电荷,使NaI 晶体激发，产生荧光,产生的电子到达阳极，输出一个负电压脉冲,在光阴极上打出电子，使电子迅速增多形成电子束，在阳极上产生一个负电压脉冲,计数管,闪烁计数
9、器,记录一个伽马光子，输出一个电脉冲,2.盖革-弥勒计数管(G-M计数器),（1） G-M计数器结构,阴极：用金属圆筒或在玻璃内壳上涂一层金属膜,阳极：管中央的一根细导线,管内：充以惰性气体(加少量的乙醇或乙醚等）,（2）原理：,a.管内没有电离电流时,电路不通,阳极A电位U0,b.入射r次级电子管内气体电离电离电子向阳极移动并不断增加到达阳极附近爆发性增加(雪崩) A点电位瞬时降低有瞬时电流通过电阻R流向阳极阳极电位恢复在A点产生一个负电压脉冲,c.计数管记录一个伽马光子就输出一个电压脉冲,d.通常把单位时间(分钟）的脉冲数称为计数率，其大小与伽马射线强度成正比。,（3）特性参数,a.坪长：
10、计数率随电压变化很小的一段直线称为“坪”，它对应的电位差 VB-VA称为坪长,b.分辨时间：能区分顺序入射的两个粒子的最小时间,c.探测效率：记录脉冲数占入射粒子数的比值,3、闪烁探测器,（1）组成单元：闪烁体、光电倍增管、电子仪器,（2）工作过程：,b.次级电子使闪烁体激发，退激时产生荧光,a.射线进入晶体，通过三种效应产生次级电子,c.将荧光光子收集到光电倍增管的光阴极上，产生光电子,d. 光电子在光电倍增管中数量增加几个数量级，形成的电子流在阳极负载上产生电信号,e.电信号经电子仪器处理、记录,(3)闪烁探测器输出脉冲幅度和能谱响应,1）输出脉冲幅度：与入射伽马光子在闪烁体中损失的能量成
11、正比(次级电子能量)，而光子是通过三种效应损失能量的，且各不相同。,2）输出脉冲的个数： 与入射光子的强度(单位时间伽马光子数)成正比 （用计数率脉冲数/分钟）,a.模数变换器将输入 脉冲幅度按比例变 换成地址码,b.每个地址对应存储 器的一个记录道， 每进一个脉冲就增 加一个计数,c.累积每道计数,得到一个谱(计数率与道址),(4)多道脉冲幅度分析器,0.662Mev,峰A：称为全能峰，它主要是由光电效应形成的,平台B：是康普顿效应产生的,峰C：为反散射峰（光电效应）,峰D：X射线峰,(5)基本参数,（1）计数率：,（2）探测效率：,探测器每分钟输出的脉冲个数，计数率的大小与入射的射线的强度
12、成正比,输出的脉冲数占入射粒子数的百分比(20%左右),（3）能量的分辨率：,脉冲能谱分布的半高宽与入射光子的能量比(约10%),通常用对137Cs产生的0.662Mev的伽马光子的全能峰的分辨率来表征(标定),E:全能峰的半高宽，E:峰位对应的能量,仪器能量分辨：射线探测（9%662 keV） 探测能量范围： 300keV9MeV,嫦娥一号卫星有效载荷 ( 射线谱仪),r 射线谱仪 能量分辨率曲线,（1）统计误差的产生原因,标准误差：,相对标准误差：,4.放射性测量的统计(涨落)误差,核物理现象及对这些对象的探测具有随机性,可以证明计数的统计分布,当值较小时服从泊松分布,较大时服从高斯分布,
13、(2) 计数率的标准（涨落）误差,n的标准误差n:,相对误差n:,设在时间t内记录了N个计数,则计数率为 n=N/t,Vc = V1-e-(t/CR),(3).计数率仪测量结果的误差,标准误差：,相对误差：,3 自然伽马测井,用伽马射线探测器测量地层总的自然伽马放射性的强度,一.自然伽马仪器的刻度,1.测井仪标准化,（1）标准刻度井,由于仪器探测效率不同，电子线路和仪器外壳的吸收条件等差别，会造成对于同一测量对象得到不同的计数率的现象，需要统一记录单位。,低放射性地层两个，高放射性地层一个（在中间，模拟泥岩，总放射性是低放射性地层的2倍）,（2）API单位,美国石油学会（American Pe
14、troleum Institute）规定：,200API=高放射性地层计数率低放射性地层计数率,对不同的仪器，一个API单位对应的计数率是不同的，从而可使不同的仪器对相同的测量对象得出相同的API读数,一级刻度井：全国统一的刻度井 二级刻度井：各油田建立的刻度井 三级刻度井：用伽马源现场刻度,例：标准刻度井中，高放射性地层强度为400个光子/分钟， 低放射性地层强度为200个光子/分钟；甲探测器的探测效率为10%，乙探测器为20%；,甲一个API单位对应的计数率=,乙一个API单位对应的计数率=,在刻度井中刻度：,甲探测器得到的计数率为：30个脉冲/分钟，,乙探测器得到的计数率为：60个脉冲/
15、分钟，,对一个放射性强度为300个光子/分钟的地层测量：,而API单位为：30/0.1=300 API,而API单位为：60/0.2=300 API,1、通量密度：设有一球体，球的面积是S，N是时间t内进入球体的光子数，则通量密度定义为：,r=N/st,二.自然伽马仪器的探测范围,2、记数率（cps）：仪器每分钟输出的电脉冲个数(与通量密度成正比),设地层无限大,均匀、各向同性 只有一种发射单能伽马射线的放射性核素 地层密度 q每克岩石中含的放射性核素的重量 a每克放射性核素每秒平均发射的光子数 地层吸收系数,建立球坐标系，计算放射性球体在球心处的通量密度,在球坐标系中取一个体积元dv，它在半
16、径为r的球心处产生光子的通量密度为：,对半径为 r的球体积分得：,定义探测范围：半径为r 的球体对测量结果的贡献占全空间的贡献的99%时，球的半径,若地层的最小值为0.1/cm,则r=46.05cm,一般认为，自然伽马测井对地层的探测范围大约是一个直径小于1m 的球体。,径向：探测深度最大为46cm,纵向：分辨率约为1m,a. 计数率的标准（涨落）误差,标准误差:,相对误差:,三.自然伽马曲线特点,（1）曲线有统计性涨落变化（不光滑曲线）,b.计数率仪测量结果的误差,标准误差：,相对误差：,c.伽马曲线的涨落误差,a. 对称于地层中点,b. 厚层（大于1m)， 曲线半幅点对应地层界面,d. 异常极值是其代表值,（2）伽马平均曲线,四.伽马曲线应用,1、识别岩性、划分储层,2、计算泥质含量,一、自然伽马能谱的测量,1、自然伽马能谱仪,（2）多道脉冲
