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1、天然氡气法测岩石孔隙度方法研究X杨金海,秦天健,姚茂林,易敏(西南石油学院工业自动化系,四川南充637001)摘要:为了探索既不改变原有孔隙,又不污染岩石的孔隙度测定新方法,以岩石中天然放射性同位素镭22688Ra递次衰变释放出的氡气替代常规孔隙度测定中的注入或饱和流体,进行了岩心孔隙度测定方法的新尝试.实验测量结果和理论分析表明,天然氡气法能够有效地测定具有一定天然放射性水平岩心的孔隙度,并特别利于于驱替后岩心的残余流体饱和度的测定.但是,该方法受到岩心中天然放射性核素含量的影响.对此,提出了改进措施.关键词:岩石;孔隙度测定;放射性同位素;放射平衡;氡;伽玛能谱中图分类号:TE12
2、2.23文献标识码:A引言岩心孔隙度是油层贮存能力的度量,因此自然成为油气藏工作者最为关心的地层参之一.据岩石孔隙度定义,只要测出岩石的孔隙体积,颗粒体积和总体积三者中的任意两个,就可以算出岩石孔隙度.通常采用的方法有饱和液体称重法和基于Boyle定理的气体压缩膨胀[1,2].但是,这些方法都有一个共同点,就是必须人为地向岩石孔隙中注入气体或浸入液体,不同程度地改变了岩石样品的原有孔隙特征.尤其是如果被测岩样孔隙中残存有流体时,通的方法就难以不改变原始流体分布地测出其剩余孔隙空间,最终确定残余流体饱和度.为此,本文研究了基于天然放射性同位素伽玛能谱的岩石孔隙(度)实验测定方法,该方法以
3、天然存在于岩心中的氡22286Rn含量为特征参量,测定时不需要人为注入或浸入流体,因此是一种对岩心完全无伤害,无污染的岩石孔隙(度)测定方法.1测量原理1.1放射性平衡自然界各种岩石中都含有放射性核素,因此它们都具有天然放射性.不同的岩石其放射性核素种类和含量可能不同[3].放射性核衰变服从指数规律[4,5]N=N0e-λt(1)其中:N—现有核子数,个;N0—初始核子数,个;λ—衰变常数,1/s;t—衰变时间,s.衰变常数与半衰期T的关系为T=ln2/λ(2)地层岩石中放射性核素通过递次衰变实现母核与子核的衰变平衡,即子核的衰变率等于母核的衰变率.设母核的衰变常数为λ1,子核的衰变常
4、数为λ2,则由(1)式可得子核数随时间的变化率为dN2/dt=λ1N1-λ2N2(3)其中λ1N1是母核衰变的子核产生率,λ2N2是子核继续衰变的子核减少率.(3)式的解为N2=λ1λ2-λ1N10(e-λ1t-e-λ2t)(4)式中N1,N2—分别代表母核数和子核数;N10—初始时的母核数.如果母核的寿命比子核长得多,即λ1nλ2(或T1mT2),由(4)式有N2/N1=λ1/λ2(5)即子核与母核最终达到所谓的长期平衡.此时,第22卷第3期西南石油学院学报Vol.22No.32000年8月JournalofSouthwestPetroleumInstituteAug2000X收稿日
5、期:1999-11-24基金项目:石油天然气集团公司九五科技攻关项目(部24).作者简介:杨金海(1957-),男(汉族),陕西汉中人,副教授,博士,从事孔隙介质中油气藏流体的相研究.子核按母核的半衰期衰变,且子核与母核数之比为常数.对于多级递次衰变,如果母核的半衰期远大于其各级子核的半衰期,则同理可知,各级子核与母核最终将达到平衡,且有λ1N1=λ2N2=…=λnNn(6)(6)式就是多次连续衰变平衡规律.1.2测量原理地层岩石中或多或少地总含有天然放射性核素镭22688Ra,铀系),其寿命相对较长,半衰期为1602年,主要衰变历程如图1所示[6]:22688Raα1602年→222
6、86Rnα31824天→21884Poα3105分→21482Pbβ2618分→21483Bi…图1镭22688Ra主要衰变历程图由于22688Ra的半衰期远远大于其后各代子核的半衰期,故它们可以实现(6)式的长期平衡.在子核中,核素22286Rn以氡气(隋性气体)形式分布于岩石孔隙和周围空间中,当平衡后,可以通过测定下级21484Pb子核的衰变伽玛能谱的特征峰,来确定氡气的含量.把岩心密封于特制样品盒中,根据气体分子运动理论可以认为,平衡氡气均匀分布于岩心孔隙及其周围空间中.设样品盒容积V0,岩心外表体积为V,岩心的孔隙体积为Vp,则据氡气含量与相应空间体积成正比不难得到孔隙体积Vp
7、=V0-V[(nt-nb)/(np-nb)]-1(7)于是岩石孔隙度<=VpV=[(np-nb)/(nt-np)]V0-VV(8)其中nt,np和nb分别是总空间体积(孔隙+岩心与样品盒内壁间隙空间),孔隙空间和岩心本底伽玛谱特征峰的计数率.2实验测量与结果图2页岩(砖)的伽玛能谱图实验采用FH1906低本底伽玛谱仪和DD8000多道分析器测定岩心的伽玛能谱,图2是页岩(砖)的伽玛能谱,横轴代表伽玛射线能量(道数),纵轴代表伽玛射线脉冲计数.谱
