第1页：放射性测井概述
放射性测井是根据岩石和介质的核物理性质，研究钻井地质剖面，寻找油气藏以及研究油井工程的地球物理方法。放射性测井方法按其应用射线的类型可分为两大类，即主要利用伽马射线的伽马测井法和利用中子的中子测井法。
第2页：放射性测井的特点
- 裸眼井、套管井内均可进行测井
- 在油基泥浆、高矿化度泥浆以及干井中均可测井
- 是碳酸盐岩剖面和水化学沉积剖面不可缺少的测井方法
但是它的测速慢，成本高。由于生产和解释方法的改进，放射性测井解决生产问题的范围不断扩大，特别是核磁共振测井仪的研制成功，更加扩大了放射性测井的应用范围。本部分内容主要分两章分别介绍伽马测井和中子测井。
第3页：第五章 伽马测井
伽马测井是一类利用伽马射线性质的核测井方法，分为两种类型：
- 测量岩石天然放射性的方法
- 自然伽马测井（最简单的放射性测井方法，测量地层总的伽马放射性，用于划分岩性和储集层、计算泥质含量等）；自然伽马能谱测井（除测量总伽马放射性外，主要测得地层中放射性核素铀、钍、钾等的含量）
- 提供人工伽马源的方法
- 放射性同位素测井（利用放射性同位素做为示踪剂，解决与示踪有关的各种生产和工程问题）；密度、岩性密度测井（利用伽马射线与地层的作用测量地层密度，解决与地层岩性和孔隙度等有关的问题）
第4页：第五章 伽马测井目录
- 5.1 伽马测井的核物理基础
- 5.2 自然伽马测井
- 5.3 自然伽马能谱测井
- 5.4 放射性同位素测井
- 5.5 密度与岩性密度测井
第5页：核素、同位素与核衰变
- 同位素
- 质子数相同、中子数不同（化学性质相同），如 ¹H¹、¹H²、¹H³ 分别是氢的三种同位素，是三种不同的核素
- 核素
- 质子数、中子数都分别相同（核性质相同）
- 核衰变
- 不稳定核素的原子核能够自发地释放出带电粒子（α 或 β），蜕变为另一种核素，同时放出伽马射线；这种自发地释放 α、β、γ 等射线的性质称为放射性，这些不稳定核素称为放射性核素
第6页：核衰变定律与射线性质
核衰变定律：N＝N0e⁻λt（λ 为衰变常数）。半衰期：放射性核素因衰变而减少到原来一半所需时间，用 T 或 T1/2 表示，T＝(ln2)/λ。
- 放射性活度和比度
- 活度：单位时间内放射出粒子的数，习惯上称强度，单位 Ci 或 Bq；比度：活度与发生衰变的物质的质量数的比值
- α 射线
- 氦核（₂He⁴），易引起物质电离，易被吸收、穿透力差
- β 射线
- 高速电子流，在物质中射程极短
- γ 射线
- 频率很高的电磁波或光子流，不带电，能量高，穿透力强，能穿透几十厘米的地层、套管及仪器外壳；只有伽马射线能被仪器探测到而用于放射性测井中
第7页：伽马射线与物质的相互作用
- 光电效应：低能 γ，与电子碰撞，被全部吸收，打出光电子
- 康普顿效应：中能 γ，与电子碰撞，能量损失后成为散射 γ，放出康普顿电子
- 电子对效应：高能 γ，与库仑场作用，转化为一正、负电子对
第8页：康普顿效应与光电效应的测井应用
康普顿效应引起伽马射线减弱，用康普顿减弱系数 σ 表示，一定条件下 σ 与介质密度 ρ 成正比，由此发展了密度测井。光电效应导致伽马光子被完全吸收，用宏观光电吸收截面 Σ 表示，测井时 K 为常数，故 Σ 可反映岩性；另外常用光电吸收截面指数 Pe＝Σ/Z＝KZ³·⁶ 和体积光电吸收截面指数 U 反映岩性。
密度测井利用了康普顿效应，测量地层密度；岩性密度测井利用了康普顿效应和光电效应，可同时测量岩性和密度。伽马射线探测器主要为计数管，测井中主要应用闪烁计数管和盖革-弥勒计数管，将探测到的 γ 光子转换为电脉冲进行计数。
第9页：第五章 伽马测井目录（二）
- 5.1 伽马测井的核物理基础
- 5.2 自然伽马测井
- 5.3 自然伽马能谱测井
- 5.4 放射性同位素测井
- 5.5 密度与岩性密度测井
第10页：岩石的自然放射性
岩石的自然伽马放射性是由岩石中放射性核素的种类及其含量决定的，其中起决定作用的是铀系、钍系和放射性核素 K40，习惯称铀（U238）、钍（Th232）、钾（K40）。
- 粘土岩中钾含量最高，约 2%；钍次之，约 12 ppm；铀含量一般最低，约 6 ppm，但在还原环境的生油粘土岩中铀含量明显升高
- 砂岩和碳酸盐岩的铀、钍、钾含量一般随其泥质含量增加而增加，但水流作用也可造成铀含量很高
第11页：自然放射性与岩石性质的关系
- 岩石大类
- 一般沉积岩放射性低于岩浆岩和变质岩，因沉积岩一般不含放射性矿物，其放射性主要由吸附放射性物质引起
- 高放岩石
- 泥岩、泥质砂岩、深海泥岩及钾盐层等
- 中放岩石
- 砂岩、石灰岩和白云岩
- 低放岩石
- 岩盐、煤层和硬石膏等
除钾盐层以外，沉积岩自然放射性的强弱与岩石中含泥质的多少有密切的关系，岩石泥质含量越大，自然放射性就越强。
第12页：自然伽马测井原理与曲线特征
- 测量原理
- 自然伽马测井仪通过伽马探测器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；测井曲线包括原始计数率曲线及 API 工程值 GR
- 探测范围
- 大约以探测器为中心、半径 30～45 cm 球体范围（99% 贡献，理论上最大 46 cm，实际认为沉积岩中约 30 cm，考虑泥浆影响后约 20 cm）
- 曲线特征
- 上下围岩相同时曲线对称，中部极值代表地层读数，高放射性地层（如泥岩）对应极大值；h＜3d0 时极值随厚度增大而增大，h≥3d0 时极值为常数与层厚无关，此时可用“半幅点”确定地层界面
第13页：层厚与测速对 GR 的影响
地层厚度对曲线幅度的影响：由于受围岩影响，层厚变小（h＜3d0）时，要考虑层厚对 GR 读值的影响，极大值随地层厚度增大而增大，极小值随地层厚度增大而减小。
Vτ 的影响：受测速 V、地面仪器积分电路时间常数 τ 的影响，可使得根据实测 GR 曲线定出的岩层界面深度与实际深度之间有一偏差（深度偏移）。
第14页：放射性涨落的影响
在放射性源强度和测量条件不变时，相等时间间隔内对射线强度多次重复测量，每次记录的数值一般是不相同的，但总在某一数值附近变化，此现象叫放射性涨落（曲线上显示小的“锯齿”形状）。原因是放射性元素各原子核的衰变彼此是独立的、衰变的次序是偶然的等。
第15页：井参数对 GR 的影响
- 井径变化的影响：井径扩大意味着水泥环增厚或泥浆层增厚，会使自然伽马测井曲线值降低，但泥浆有一些放射性，影响很小
- 套管的影响：钢铁对伽马射线的吸收能力很强，下了套管的井，自然伽马测井曲线值会因套管吸收伽马射线而有所下降
因此应用 GR 曲线时，应结合井径曲线和套管程序对井径和套管的影响加以考虑校正。
第16页：GR 测井刻度方法
- 刻度目的：建立仪器的读数与地层参数的对应关系，也就是对自然伽马仪器标准化
- 刻度基本方法：建立人工标准刻度井，在井中对仪器标定
- 美国石油学会规定的放射性计数率单位为 API，它将刻度井中高放与低放地层读数之差定为 200 API；对于不同仪器，一个 API 单位对应的计数率是不同的，从而可使不同仪器对同一测量对象测得相同 API 值
- 实际中有一、二、三级等多级刻度
第17页：放射性刻度井群
本页为胜利测井公司放射性刻度井群，参照 API 标准设计建造，选用天然岩石模块制作，具有不同井眼尺寸、不同岩性和不同地质物理参数，能够对中子、密度、自然伽马等放射性仪器和标准器进行标准和标定。
第18页：GR 划分岩性与地层对比
划分岩性和地层对比：SP 不能用时，GR 是代替 SP 测井的最好方法，其应用还优于 SP。
- GR 曲线与地层水（Cw）和泥浆矿化度（Cm）无关
- 一般与地层流体性质无关
- 容易找到标志层
第19页：GR 划分储集层
划分储集层：在砂泥岩剖面，低自然伽马异常一般就是砂岩储集层，用“半幅点”确定储集层界面；碳酸盐岩剖面则要结合其它资料判断。
第20页：计算泥质含量与粒度中值
- 计算泥质含量：当地层不含泥质以外的放射性物质时，GR 曲线是指示地层泥质含量的最好方法，常用相对值法计算 Vsh
- 计算粒度中值：GR 测井曲线的变化与粒度中值 Md 曲线的变化有较好的对应性，相关性很高，可用经验关系式计算 Md
第21页：第五章 伽马测井目录（三）
- 5.1 伽马测井的核物理基础
- 5.2 自然伽马测井
- 5.3 自然伽马能谱测井
- 5.4 放射性同位素测井
- 5.5 密度与岩性密度测井
第22页：自然伽马能谱的初始谱与仪器谱
初始谱：铀系、钍系和 K40 放出的射线未经地层的散射吸收而得到的一系列谱线称为初始谱。仪器谱：初始谱在实际地层中是测不到的，因为地层中含有多种放射性物质，不能单独测量，而且地层放射出的 γ 射线在到达探测器之前会与地层物质发生光电效应、康普顿效应和电子对效应等各种作用，使得仪器接收到的是一个混合谱，也称为仪器谱。
第23页：能谱特征峰
仪器谱中能量分别为 1.46 MeV、1.76 MeV 和 2.62 MeV 的三个峰最易识别，它们分别是 K40、铀系 Bi214 和钍系 Tl208 三个指示核素的特征峰。
第24页：能谱测井原理与曲线
- 脉冲幅度分析系统根据特征峰的分布，对仪器谱进行分道记录
- 自然伽马仪器谱的解析：对仪器谱进行解析，分别确定出指示核素的含量
- 测井曲线：除记录地层铀、钍、钾含量外，还用 API 单位或计数率单位记录普通自然伽马 SGR 和去铀自然伽马 CGR
第25页：能谱测井主要应用
- 寻找高放射性储集层
- 在油田开发中研究流体流动情况
- 计算泥质含量
- 研究沉积环境和粘土矿物类型
- 研究生油层
但能谱测井因 U、Th、K 数值低而精度有限，加上仪器复杂、测速低和成本高，一般不作为常规测井方法，而常用于复杂情况下的重点研究。
第26页：第五章 伽马测井目录（四）
- 5.1 伽马测井的核物理基础
- 5.2 自然伽马测井
- 5.3 自然伽马能谱测井
- 5.4 放射性同位素测井
- 5.5 密度与岩性密度测井
第27页：放射性同位素测井原理
放射性同位素测井是利用放射性同位素做为示踪剂，向井内注入被放射性同位素活化的溶液或固体悬浮液，并将其压入管外通道或滤积在射孔孔道附近的地层表面上，通过测量注入示踪剂前后同一井段的伽马射线强度，用于研究和观察油井技术状况和采油注水动态的测井方法，也称示踪测井。
第28页：寻找窜槽位置
本页为寻找窜槽位置的实例，用放射性同位素示踪测井对比注入前后伽马曲线，确定管外窜槽所在层位。
第29页：检查封堵效果
本页为检查封堵效果的实例：例 1 从 B 注入活化水泥；例 2 射开的四个层同时注入活化煤油水泥，后抽吸导出，结果显示 AB 为水层且已堵住。
第30页：检查压裂效果
本页为检查压裂效果的实例，通过两次压裂前后放射性示踪测井曲线的对比判断压裂波及范围与效果。
第31页：测定吸水剖面
本页为测定吸水剖面的实例，用放射性同位素示踪测井对比吸水前后伽马曲线，确定各小层的吸水量分布。
第32页：第五章 伽马测井目录（五）
- 5.1 伽马测井的核物理基础
- 5.2 自然伽马测井
- 5.3 自然伽马能谱测井
- 5.4 放射性同位素测井
- 5.5 密度与岩性密度测井
第33页：密度测井原理
- 伽马源
- 选用 Cs137，放出 γ 能量 0.661 MeV；短源距 15～25 cm、长源距 35～40 cm
- 原理
- 伽马源和源距选定后，探测器接收到的 γ 强度决定于散射和吸收两个过程，测井（正源距）记录的计数率越低，地层密度越大
第34页：密度测井测量方式
- 贴井壁测量
- 为克服泥饼厚度、密度等影响，常采用双源距补偿方式（L 由长源距计数率 NLS 得到，补偿量由长短源距计数率 NLS、NSS 共同得到）
第35页：密度仪原理图
本页为单探测器密度仪原理（不考虑泥饼影响）与补偿密度仪原理（双探测器）的对比示意图。
第36页：密度测井记录曲线
- 一般记录曲线为 DEN 或 ρb；补偿密度（FDC）记录 ρb 和 Δρ 两条曲线，单位是 g/cm³
- 有时还直接给出由 ρb 刻度得到的孔隙度曲线（常用石灰岩刻度）
- 探测深度：与岩性、孔隙度、源距等有关，一般在冲洗带或侵入带
第37页：岩性密度测井 LDT
岩性密度测井同时利用了康普顿效应和光电效应，前者主要反映地层密度，后者与密度及岩性均有关；需对接收到的伽马射线谱进行分析，分别测得密度和岩性。一般记录 Pe（光电吸收截面指数）或 U（体积光电吸收截面）、ρb 和 Δρ 等几条曲线。
- 低能区为光电效应区，对岩性敏感，也受密度影响，消除密度影响可测得岩性（Pe 或 U 等）
- 高能区为康普顿散射区，只反映密度信息
第38页：密度测井仪器刻度
密度测井和岩性密度测井仪器都是在几个已经精确知道了其体积密度的纯实验地层中刻度的，这些地层包括石灰岩、砂岩和白云岩等常见主要岩性。目前主要是在饱和淡水的纯石灰岩刻度井中刻度，将测井仪器的读数与地层密度联系起来，测得视密度 ρb 或视石灰岩刻度的密度孔隙度 φ。
- 石英：2.65（砂岩）
- 方解石：2.71（石灰岩）
- 白云石：2.87（白云岩）
根据密度测井响应方程，饱和淡水纯石灰岩孔隙度刻度由骨架密度与孔隙流体密度确定。
第39页：密度测井资料应用
- 确定孔隙度（主要用途）
- 判断岩性：利用密度-中子测井曲线重叠可以判断岩性；利用岩性密度的 U 和 Pe 都可识别岩性
- 识别气层：地层含天然气可使 ρb 值降低，而密度孔隙度 φD 增大（声波时差增大，中子孔隙度减小），气层的判断一般需与其它资料结合
第40页：伽马测井实例图页
本页源文件仅见页码标记，未提取到文字内容，页面主体为图片。内容位于「密度测井资料应用」与「本章末尾」之间，疑为密度或岩性密度测井的实测曲线与岩性识别实例，建议对照原课件图片补充本页要点说明。
