[科普中国]-放射性测井仪

简介

放射性测井仪，又称作核测井仪，是利用放射性射线与地球岩层相互作用进行测井的仪器设备。在研究井的地质剖面，勘探石油、天然气、煤以及金属、非金属矿藏，研究石油地质、油井工程和油田开发等方面广泛利用。仪器主要可分为两类2：γ辐射测井仪和中子测井仪。

21世纪发展进程2000年，郑华3通过公式推导和Monte Carlo数值模拟,对сгдт的响应重新刻度。

2001年，Goldberg等4的多探头高分辨自然伽马能谱仪MGT使用了将4个薄闪烁晶体的测量结果经深度对齐后叠加合成的思路，在发挥薄晶体纵向分辨能力强、能量分辨本领较好的优点的同时，改善了测量结果的统计误差。

2002年，Tezuka等5开发了用于地热井评价的高温存储式流体密度测井仪，可在400℃的环境中工作6h。

2004年，Ellis等6用电缆式三探头密度测井仪过套管测量地层密度，多口井实测效果良好。此时,Pe不再反映岩性,但可反映套管厚度。

2004年，Nieto等给出了与Plat-form Express系统配套的三探头电缆密度测井仪在不良井壁、超高密度和Pe等条件下的现场应用实例。

2005年，Russo等用“双密度”法灵活应用了补偿密度测井，即把2支密度测井仪的窗口互成90°安装,籍此在破碎带获取有效的密度孔隙度资料并用于地层各向异性评估。

2007年，张松扬等7提取钍铀比值和铀相对比值来控制自然伽马能谱测井曲线的质量。

2008年， Hezhu Yin等8开发了一种快速三维自然伽马测井解析/数值混合模拟方法，在同样精确度下,其计算速度比Monte Carlo方法快几百到几千倍。利用它研究和解释了偏心旋转的随钻自然伽马探头在大斜度及水平井中给出的双峰GR曲线等奇怪面貌。

2008年，李传伟等9使用的五能窗逆矩阵自然伽马能谱解谱法不是按通常的思路针对灵敏度矩阵，而是针对能窗计数做钻井液氯化钾和重晶石含量校正。

γ辐射测井仪自然γ测井仪自然伽马放射性原理就是指伽马射线与物质相互作用的三种效应将产生次级电子，这些电子引起物质中的原子电离和激发1。绝大多数伽马射线探测器都利用这两种物理现象来探测伽马射线。在测井仪器中，主要使用闪烁计数管，其次是盖革－弥勒计数管。其中，盖革－弥勒计数管是一种放电计数管，利用放射性辐射使气体电离的特性探测伽马射线。

1、组成

整个测量装置由下井仪器和地面仪器两大部分组成。下井仪器主要包括：伽马射线探测器（将接收到的伽马射线转换为电脉冲的装置）、将探测到的电脉冲进行放大的放大器以及供给该探测器所需的高压电源等。

2、测量原理

自然伽马测井仪的测量原理是：通过探测器（溴化镧晶体）把地层中放射的伽马射线转变为电脉冲，经过放大输送到地面仪器记录下来。

3、测量过程

利用这套装置进行自然伽马测量的简单过程是：当井下仪器在井内由下向上提升时，来自岩层的自然伽马射线穿过井内泥浆和仪器外壳进入探测器。探测器将接收到的一连串伽马射线转换成一个个的电脉冲，然后经井下放大器加以放大，使之能有效地沿电缆送到地面上。地面仪器即地面系统，主要包括：将来自井下的电脉冲转换成连续电流的整套电路，以及记录仪和电源等。地面系统接受到井下传来的电脉冲之后，经计数率电路进行累计，再经过简单的变换和刻度，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。

自然γ 能谱测井仪地面的能谱仪按能量的不同直接记录K40、 U(Bi214)、Th208和总的γ射线。自然γ能谱测井仪在碳酸盐岩和砂泥岩地层的裸眼井和套管井中探测泥质含量，比用自然γ测井仪更精确，并有助于判断粘土矿物类型。

1、组成

目前，作 γ 能谱测量的探测器10主要采用碘化钠或者溴化镧晶体与光电倍增管组合。由于碘化钠晶体和溴化镧晶体比较起来，针对放射性矿物质地质勘探仪器的需要，溴化镧晶体在诸多方面如密度、能量分辨率、探测灵敏度、能量线性、温度稳定性、发光效率、发光衰减时间等都体现出了良好的技术适应性，因此我们选用溴化镧晶体作为 γ 能谱测量的探测器可以更好地适应现场需要。碘化钠或溴化镧晶体的光电效应、康普顿效应、电子对效应的吸收系数比较大，这对于探测伽马射线是很有利的。它是利用被伽马射线激发的物质的发光现象来探测伽马射线的。

2、测量原理

其原理是：当伽马射线进入碘化钠或溴化镧晶体时，伽马射线就从晶体的原子中打出电子，这些电子具有较高的能量，它们在晶体中运动又使被它们碰撞的原子激发，激发态的原子在它回到稳定的基态时，就放出闪烁光即光子。这些光子射到光阴极上，发生光电效应，而产生光电子，光电子在电场的作用下趋向阳极。在到达阳极的途中，要经过聚焦电极和若干个打拿极。由聚焦电极将电子聚焦在第一个打拿极上，从打拿极上打出较入射电子为多的电子来，由极性相同，电压递增的几个打拿极逐渐加快电子的速度，并从打拿极上打出数量逐级倍增的电子来，倍增后的大量电子进入阳极，形成脉冲电流，使阳极电压下降，产生电压负脉冲，输入测量线路中记录。

3、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。

（1）评价生油层

（2）确定地层岩性

（3）粘土矿物类型的识别

（4）计算泥质含量

（5）寻找高放射性储层

密度测井仪1、组成

（1）下井仪：极板型，贴井壁测量，其中：滑板由伽马源、伽马探测器、屏蔽器三部分组成11。

伽马源（Cs137—发射能量为0.661Mev的单能伽马射线）

（2）伽马探测器是由单伽马探测器和双伽马探测器（即补偿密度测井仪，又有长源距和短源距之分）组成。

（3）屏蔽体—使源距发射的光子不能直接到达探测器

2、测量原理

由源发射0.661Mev的射线(排除电子对形成的可能性)—照射地层发生康普顿效应(采用能量窗口，避免光电效应的影响)—散射射线到达探测器—计数率N。地层密度ρb不同，对伽马光子的散射吸收能力不同，仪器记录的计数率不同，测井仪采用的正源距L下,ρb增大，N减小。

3、应用

（1）确定岩层的孔隙度

确定岩层孔隙度是密度测井的主要用途。若有孔隙度为φ，骨架密度、孔隙流体密度和岩层体积密度分别为ρma、ρf、ρb的纯岩石，则其体积密度和孔隙度的关系是：

不同的岩性，其骨架密度不同，砂岩一般为2.65，石灰岩为2.71，白云岩为2.87。在已知岩性和孔隙流体的情况下，就可由密度测井确定岩层孔隙度。

（2）确定岩性

砂岩 2.65g/cm3 、石灰岩2.71g/cm3 、

白云岩2.87g/cm3 、硬石膏2.98g/cm3 、

盐岩2.03g/cm3

（3）密度曲线与中子曲线重叠可用于识别气层

天然气相对于地层水和石油而言，其密度很低，密度测井时，其密度值也较低，故由上式计算的孔隙度比实际孔隙度偏大，而在中子测井曲线上气层表现为低孔隙度，因此二者曲线重叠即可识别气层。

岩性密度测井仪是密度测井的改进和扩展。它除了记录岩石的密度之外，还测量地层的光电吸收截面指数Pe，而Pe和岩性有关。测井时，井下仪器分别记录散射γ射线较高能量部分和较低能量部分。高能量部分的散射γ射线强度取决于密度；低能量部分主要和岩性有关，同时也和密度有关，经过处理后可以得到pe1。

组成

仪器总体由地面仪器、井下仪器和连接它们的CCC短节组成。

（1）地面仪器

由计算机中心CSU和计算机辅助单元CAUF-A、电缆对接单元CIM-B组成。

（2）LDT-D井下仪器

LDT-D井下仪器包括PGD-G、NSC-E、和DRS-C等部分。

PGD-G为探测器滑板，它包括两个闪烁晶体光电倍增管探测器。 DRS-C探头包含各种联线，用来组合仪器和实现滑板到线路间的电连接。还包含必要的动力电路和液压一机械装置，以保证滑板和地层紧密接触。 NSC-E由LS、SS能窗、井径A/D转换、计数器、移位寄存器、总线连接的通用接口、用户指令译码单元、LS(SS) H.V.回路控制及电源系统等部分组成。

（3）CCC短节

CCC短节在CSU和NSC-E/PGD-G之间。它向上传输下井仪器获得的数据，向下传输来自地面的指令 CCS总线：井下仪器与CCC之间的通信是沿一条CCS总线进行的（3条信号线+1条地线）

2、测量原理

伽马源产生的单能γ射线照射地层，其高能谱段的γ，只受康普顿效应影响，低能谱段，主要受光电效应的影响，在高能区设立窗口，计数γ计数率，确定地层密度，为了补偿泥饼影响，采用长短两个探测器，得到地层密度和泥饼补偿值ρb和△ρ；低能区开设窗口，计数γ，以测量地层的光电吸收截面指数Pe。实际上是利用低能窗和高能窗计数率比值来进行光电吸收截面指数计算的。

3、应用

（1）识别岩性

体积光电吸收截面U和光电吸收截面指数Pe，都可用来识别岩性。

（2）计算储集层的泥质含量Vsh。

（3）识别地层中的重矿物

如重晶石Pe=266.8，锆石Pe=69.1，都比一般矿物要高出若干倍，地层中含有重矿物时，Pe显著增大，据此识别重矿物。

中子测井仪2435补偿中子测井仪1、组成

探测器：放出电离能力很强的带电离子， 探测器内形成脉冲电流或闪烁荧光，产生电压负脉冲1。类型为硼、锂、氦、锗。

中子源：同位素中子源或加速器中子源。

高压电源：输出+1150V直流高压供探测器。

低压电源：输出+24V直流低压供给个单元电路。

前置放大器：将探测器输出的微伏级脉冲信号放大到可处理的电平。

鉴别器：从背景噪声中取出信号脉冲。

分频器：使长短计数道分别将计数减少到原来的1/4和1/6，避免了高计数率情况下，因电缆充电和衰减影响会造成信号首尾重叠而产生漏记。

缆芯驱动器 ：将脉冲信号功率放大后送上测井电缆。

2、原理

热中子与超热中子能量差不多，其空间分布规律与超热中子的空间分布规律基本一致。即长源距情况下，饱含流体岩层的孔隙度越大，热中子计数越低；孔隙度越小，计数率越高。热中子能量与原子核能量处于平衡状态，易于被原子核俘获，同时生成伽玛射线（ 地层中Cl的俘获截面最大）。热中子测井同时受到H、Cl的影响，为了消除Cl的影响，采用双源距比值法的测井仪器。

3、应用

⑴确定地层孔隙度

中子测井（SNP、CNL）主要的用途是确定地层孔隙度。

⑵FDC与CNL石灰岩孔隙度曲线重叠定性判断气层

天然气使FDC测井计算孔隙度增大，而使CNL测井计算孔隙度偏小。

⑶CNL与FDC测井交会求孔隙度、确定岩性

由密度测井(FDC)的体积密度值和CNL的石灰岩孔隙度值的交会点，可确定地层的孔隙度φND的大小和岩性。若是双矿物岩石，可以确定双矿物的比例。

中子伽马测井仪1、组成

中子伽马测井的下井仪器包括中子源和γ射线探测器，在源和探测器之间放有屏蔽体铅，防止中子源伴生γ射线由仪器内部直接进入探测器11。中子伽马测井探测深度略大于热中子(CNL)和超热中子测井(SNP)。

2、基本原理

这种方法在于测量岩石中元素原子核俘获热中子之后所放出的俘获伽马射线的强度1。

这一强度与两个因素有关，即岩石对中子的减速能力和对热中子的俘获能力。在沉积岩的元素中，对这两种特性起决定作用的是氢和氯，因此，中子—伽马测井结果主要与岩石中的含氢量和含氯量有关。对相同含氢量的岩石而言，如果含氯量不同时，在含氯量高的岩石中，无论采用的源距如何，测得的中子—伽马射线强度均有所增高。这是因为氯元素俘获热中子之后放出的伽马射线能量较高，且数量较多(能放出三个伽马量子，而一般元素俘获热中子后仅放出一个伽马量子)的缘故。从这一点看出，氯元素对中子—伽马测井结果的影响，正好与氢对热中子测井的影响相反

2 中子-伽马测井曲线的应用

中子伽马测井曲线的主要应用有：

（1）划分气层

天然气中的含氢量比水和油中的含氢量低得多，因此气层上得中子伽马测井显示出很高的计数率值。

（2）确定油水界面

因为油水层的含氢量基本上是相同的，只有地层水的矿化度高时，水层的含氯量显著大于油层，油层和水层的中子伽马测井曲线的计数率值才有明显的差别(水层的中子伽马测井计数率值大于油层的中子伽马测井计数率值)，所以只有在地层水矿化度比较高的情况下，才能利用中子伽马测井曲线划分油水界面，区分油水层。