放射性测井原理

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1、放射性测井原理2004年10月10日主要内容一、概况二、理论基础三、自然伽马测井四、自然伽马能谱测井五、地质应用1.概况放射性测井是测量地层的自然放射性以及人工核辐射与地层及井内介质的相互作用，从而研究地层、井内介质的一些物理、化学特性及油田开发过程中的动态变化。在石油勘探和开发中，经常采用放射性测井方法来研究和划分地质剖面，测定地层的吸水面以及检查油井工程质量等。放射性测井方法较多，每种方法都以研究岩石及其孔隙流体的某种核物理为基础，大致分三类：伽马测井研究伽马辐射为基础，包括自然伽马、自然伽马能谱、地层密度（伽马－伽

2、马）测井、岩性密度测井等。中子测井研究中子与岩石及其孔隙流体相互作用为基础,包括超热中子、热中子、中子伽马、中子寿命等。核磁测井利用核磁现象研究地层自用流体含量。放射性测井具有独特的优点，能够在井下快速分析和确定岩石及其孔隙流体中各种化学元素含量的有效方法，不受井内介质的限制，是套管井中唯一能够进行地层评价的测井方法。2.放射性测井的理论基础自然界有些同位素是稳定的，即它们的结构和和能量不会发生改变。自然界中还有一些同位素则不稳定，它们能自发地改变结构，放射出射线，并变成其它元素的同位素。这种不稳定的同位素称为放射性同位

3、素。放射性同位素放射性同位素通过放射出射线而从不稳定到稳定的过渡，称为放射性同位素的核衰变。第一种:衰变原子核ZXA放出粒子（即氦核2He4）,形成新元素Z－2YA－4第二种:衰变原子核ZXA放出粒子（即电子）,形成新元素Z＋1YA放射性同位素衰变的两种形式放射性物质的三种射线进一步研究表明，放射性物质能放射出三种本质不同的射线：各种射线的电离和穿透特性可见,来自井下地层中的放射性射线中,只有伽马射线才具有可探测性。岩石和矿物均不同程度地具有一定的放射性。岩石的放射性几乎全部是由放射性元素铀、钍、锕以及放射性同位

4、素19K40在其中存在并衰变的结果。铀、钍、锕这三个放射性系列，分别由半衰期较长的铀的一种同位素92U238、钍元素90Th232和铀的另一种同位素92U235开始衰变，产生一系列新的放射性同位素，并继续衰变直至变成稳定元素。所有这些放射性元素在衰变过程中，原子核中多余的能量以高能电磁波的形式辐射出去，即放射出伽马射线（或称为“光子”）。放射性的本质元素的衰变放射性强度定义：单位时间内发生衰变的原子核的数目。放射性强度与其中所含某种放射性元素的含量有关。单位：居里（curie），即每秒钟内有3.7107次核衰变。国

5、际单位：贝克Bq.半衰期定义：放射性原子核的数目，由于衰变而减少到原来一半时所需要的时间称为半衰期。用T1/2表示。测井中心现有各种源的强度和半衰期见附表人工源：对应于天然放射性核素，通过人工提炼合成的放射性物质，典型的Cs137,其能量为0.662MeV,半衰期30年，2Cu，241Am伽马射线与物质之间的相互作用康普顿散射光电吸收产生电子对康普顿散射能量较高的伽马射线与物质中原子的核外电子（K、L层）发生碰撞时，一部分能量转交给电子，使之脱离原子的电子壳层而飞出（这种电子叫做“康普顿电子”），同时伽马射线改变自

6、己的运动方向，继续与其它电子碰撞。每碰撞一次，能量就损失一部分，并改变其运动方向，现场所谓的“康普顿散射”。伽马射线经过多次碰撞之后，能量不断降低，直到最后以光电效应结束。产生康普顿效应的伽马射线能量范围0.25-2.5MeV。原子康普顿反冲电子e散射光子能量散射光子能量康普顿过程示意图光电吸收当伽马射线能量较低（低于0.25MeV）时，它与组成物质的元素原子中的电子(内层束缚电子）相碰撞之后，把自身的全部能量转交给电子，使电子获得能量并脱离其电子壳层而飞出，同时伽马射线被吸收而消失。这一过程称为“光电效应”。被释放出来

7、的电子称为“光电子”。产生光电效应的几率随着入射伽马射线能量的增加而减小，随着元素原子序数的增大而增大。产生电子对当能量高于1.02MeV的伽马射线与物质作用时，在原子核力场的作用下，可转变成正、负电子对，即一个正电子和一个负电子。伽马射线形成电子对后，本身被吸收。一般来说，当光子能量<0.1MeV时，光电效应占主要地位；光子能量在0.1－2MeV范围内0时，康普顿效应占比例最大；光子能量>2MeV时，电子对效应处于主导地位。伽马射线的探测γ射线与物质相互作用的过程中，主要通过光电效应、康普顿散射效应和电子对效应而产生次

8、级电子，这些电子引起物质中原子电离和激发，大多数仪器利用这两种物理现象来探测γ射线。探测γ射线的探测器主要有：盖革管、闪烁计数器。闪烁计数器工作原理伽马射线入射到闪烁体时，使闪烁体的原子受激，退激产生荧光，通过光导，收集到光电倍增管，之后产生为电压脉冲。晶体一般为NaI(碘化钠）或CsI（碘化铯）。晶体为透明的玻璃体