测井技术手册

马测井的计数率及密度测井测出的地层密度综合起来，计算出地层的泥质含量。

4）自然伽马测井曲线对页岩（泥岩）、砂岩的反应和裸眼井时的自然电位曲线相类似，所以可以用作下套管的井和裸眼井的深度对比，在射孔工作中进行跟踪定位射孔。

19．自然伽马能谱测井( gamma spectrometry log )

自然伽马能谱测井是近年来发展的一种新测井方法，主要是测量地层中的铀、钍和钾的含量，据此可较准确地划分出含泥质地层，鉴别粘土矿物的种类，也可研究沉积环境。

（1）自然伽马能谱测井原理

岩石形成过程中，不同的岩石含有不同的化学成分，如泥岩地层，其成分主要为粘土矿物，一般来说粘土矿物中放射性元素含量较多，其含量如表5-1所示。

表1-1 粘土矿物中铀（U）、钍（Th）和钾（K）的含量 矿物名称 K（%） U（ppm） Th（ppm） 膨润土 < 0.5 1—20 6—50 蒙脱石 0.16 2—5 14—24 高岭石 0.42 1.5—3 6—19 伊利石 4.50 1.5 铝土矿 3—30 10—130 海绿石 5.08—5.30 黑云母 6.70—8.30 < 0.01 白云母 7.90—9.80 < 0.01 绿泥石 < 0.05 纯砂岩和纯碳酸盐岩的放射性远素含量都比较低，如表5-2所示。但是在某些具有渗透性的纯砂岩和纯碳酸盐岩中，由于铀元素易溶解于水，并随地下水运移，在适宜的条件下，可沉淀下来，形成具有高放射性的渗透性地层。自然伽马测井曲线很难区分这种地层，用自然伽马能谱测井的U、Th和K三条曲线，很容易将这种地层划分出来。

表1-2 砂岩和碳酸盐岩中铀、钍和钾的含量 矿物名称 K（%） U（ppm） Th（ppm） 砂 岩 0.7—3.8 0.2—0.6 0.7—2.0 碳酸盐岩 0.0—2.0 0.1—9.0 0.1—7.0 如何来区分铀、钍、钾放射出的伽马射线呢？根据对铀、钍和钾发射的伽马射线能量的研究，钾（K40）发射的是单能伽马射线，其能量为1.46百万电子伏特（MeV）。

238

铀（U）及其衰变产物发射的为多能伽马射线，在高能区内，能量为1.76MeV的峰值最明显，也易于区别。钍（Th232）及其衰变产物发射多能伽马射线，而能量为2.62MeV伽马射线的峰值最容易认别。

利用自然伽马能谱测井仪可同时鉴别出铀、钍、钾放射出的伽马线能谱，并能记录出U、Th、K含量的三第曲线，K的曲线以重量的百分含量为横向比例；U和Th以ppm为单位作为横向比例，同时还可测出自然伽马总计数率，总计率应为U、Th、K计数率的总和（见图5—13）。另外还可记录出U/K、Th/U和Th/K三种比值曲线，其中以Th/K比值曲线最为有用。

（2）自然伽马能谱测井技术的应用

21

利用自然伽马能谱测井曲线，可以清楚地划分出岩性。如图5—13所示，在4122—4220英尺井段是纯石灰岩，自然伽马测井曲线显示低异常，自然伽马能谱测井的U、Th、K三条曲线也显示低异常。所以从自然伽马能谱测井曲线上能分辨出不同的泥岩层。

用Th/U比值曲线可研究沉积环境，据统计：Th/U>7时，主要为陆相泥岩和铝土矿，这种岩性是风化完全、有氧化作用和淋滤作用的陆相沉积。7>Th/U>2，相当于海相沉积环境，为灰色和绿色泥岩及杂砂岩。Th/U<2，海相沉积，为黑色海相泥岩，石灰岩及磷酸盐岩。

20．密度测井及岩性密度测井技术( density log and litho-density log ) （1） 技术原理原理

密度测井，将带有伽马源的放射性测井仪下到井中，伽马源放出的γ射线与井周围的地层发生相互作用。对于中毒能量的γ射线，当其与中等原子序数的元素组成的地层相作用时，主要发生康普顿-吴有训效应，康普顿吸收系数μ（此处用μ，不用σ）可用下式表示：

Z???No?e

A式中 Z——原子序数； A——原子量；

ρ——介质的密度；

N0——阿佛加德罗常数（N0=6.02×1023克分子-1）

σe——能量为E的γ射线在介质中的微观散射截面。

对于一般沉积岩来说，其中大多数元素的Z/A近于1/2（见表1-3），N0为一常数，对于一定能量的γ射线来说，σe也是常数，因此康普顿吸收系数与介质的密度有正比关系。

伽马射线穿透物质时由于射线与物质间的相互作用。它的强度将随着物质的厚度的增加而逐渐减弱，实验结果证明，射线强度与物质的厚度之间存在着指数关系。 表1-3 元 素 A Z 2Z/A H 1．008 1 0．9841 C 12．011 6 0．9991 O 16．000 8 1．0000 Na 22．990 11 0．9569 Si 28．09 14 0．9968 Cl 35．46 17 0.9588 Ca 40．08 20 0.9980 很明显，若I0和d都是常数，则I只是吸收系数μ的函数，又因为N0和σe都是常数，所以I只是介质密度ρ的函数。

在密度测井仪器中源强I0可以认为是一个常数，d就是仪器的几何系数（源距），也是一个常数，所以密度测井测得的读数是介质的密度ρ的函数，可以利用密度测井研究介质的密度。

岩性密度测井，除测量岩石的体积度之外，还测量岩石的有效光电吸收截面指数，通常用Pe表示，即测量一条Pe曲线。

岩性密度测井在测量Pe曲线的同时，还测量一条岩石的体积密度曲线ρb，与补偿地层密度测井的原理一样，测出的体积密度反映了组成岩石元素的电子密度ne（电子/厘米3），电子密度与电子密度系数ρe之间的关系可用下式表示：

22

?e?ZneNo

式中No——阿佛加德罗常数（6.02×1023）.

（2）影响密度测井曲线的因素

影响密度测井曲线计数率的因素很多，大致有如下几种： 1）岩层的岩石特性（矿物成分及孔隙度）； 2）泥浆及井径； 3）源的强度及源距；

4）下井仪器的结构及材料。 （3）密度测井的应用

1）确定地层的孔隙度，根据密度测井得到的地层密度，用下式可算出地层的孔隙度：

?b?υ*ρf +（1-υ）*ρma

式中υ——地层孔隙度；

ρf——孔隙中液体的密度；

ρma——构成地层的岩石骨架的密度。在砂岩中一般是2.65，石灰岩是2.71，白云岩是2.85。

根据测得的地层密度值与声速测井及中子测井得出的孔隙度作交会图，可确定岩性及地层的孔隙度。 2）划分地层

散射伽马射线强度和岩石密度有关，而不同的岩石有不同的密度，因此可以根据密度测井曲线划分地层。一些常用的测井方法不能划分岩盐和无水石膏，无水石膏和致密石灰岩，致密石灰岩和白云岩，石膏和孔隙性灰岩等地层，根据它们密度的差别，用密度测井可以把它们区分开来。 （3） 密度测井的应用

Pe曲线与岩性关系密切，对于单矿物骨架来说，根据Pe就可划分岩性，而对于双矿物骨架组分及三矿物骨架组分来说，要根据相应的响应议程及理论图版来确定岩性及孔隙度，现分别叙述如下：

1）单矿物分析，如果岩石中只有一种骨架矿物，则可根据Pe值来划分岩石，因为岩石的孔隙度及所含流体的成分对Pe的影响不大，可以忽略。石英、方解石及白云岩中充满水和充满天然气时的Pe值的数据也证实了上述论点。

2）双矿物分析，如果岩石骨架由二种矿物组成，此时要与密度值ρb及中子孔隙度υN进行组合，利用理论图版来确定岩性及孔隙度。

3）三矿物分析，如果岩石骨架是由三种矿物组成，此时应该使用三矿物分析图版，该图版相当于视骨架密度和视骨架有效光电吸收截面指数（ρmaa-Umaa）

21 中子测井（neutron log）

（1）测井技术原理

同位素中子源发射的中子能量只有几个MeV，中子和地层的相互作用方式主要是弹性散射和俘获辐射。地层的含氢量决定中子在地层中的慢化过程，而含氢量与饱含水或油的孔隙体积有关。测井能直接测量的是与中子通量成正比的中子或伽马技术率。

23

根据测量对象的不同，中子测井分为超热中子测井热中子测井和中子伽马测井。目前应用最多的是超热中子测井，因为采用了双探测器井眼补偿技术，所以称为补偿中子测井。

中子在地层运动，遇到原子核发生散射或吸收，散射时不仅损失能量，还会改变方向。在一定体积内，中子密度随时间变化率等于它的产生率减去泄漏率和吸收率。中子的平衡方程为：

dN/dt =产生率 - 泄漏率 - 吸收率。 扩散方程经过推导得到：

1d?=S + D?2? - ?a? vdt上式中，v — 中子速度；

? — 中子通量，式中左边是单位体积内中子数的改变时率；

S — 单位时间单位体积内产生的中子时率（中子源）；

?

a——宏观吸收截面；

??— 单位时间单位体积内吸收的中子数；

aD?2?—单位时间单位体积内泄漏的中子数。

在测井时，采用同位素点源，除源所在的很小区域外，S=0 。分布于源周围的中子能量范围很宽，不同能量段的中子与地层的相互作用的特点油很大的差别。测井用的镅-铍中子源，中子能量大约在3~10MeV之间，淡水的平均减速长度约为7厘米。地层岩石的中子减速长度主要是由含氢量决定的。若骨架矿物不含氢，孔隙中饱含水或油，则中子的减速长度反映孔隙度的大小，减速长度越小孔隙度越大。

从中子理论可以得到：如果只记录超热中子就可以避开热中子扩散和俘获辐射的影响，使中子在被记录前只经历了在地层的慢化过程。当源距选定后，超热中子通量只和地层中子减速性质有关，即主要和含氢量有关。

在中子测井中，将淡水的含氢量规定为一个单位，而1立方厘米的任何岩石或矿物中的氢核数与同样体积淡水的氢核数的比值就定义为它的含氢指数，用H表示，它与单位体积中介质的氢核数成正比。

测井时将饱含淡水的纯石灰岩作为标准刻度的条件。实际上，方解石的含氢指数定为零，饱含淡水的纯石灰岩含氢指数就等于它的孔隙度。对其它岩性的地层，只能测定其有效含氢指数，即与它的中子减速能力相当的纯石灰岩的含氢指数，不含氢的骨架矿物也有有效含氢指数。石英和白云石分子都不含氢，而石英的中子减速能力低于方解石，使得石英砂岩骨架的有效含氢指数小于零。白云石的中子减速能力大于方解石，故其骨架有效含氢指数大于零。所以用淡水石灰岩刻度的中子仪器，在砂岩中测出的孔隙度偏小，而在白云岩中测出的孔隙度偏大。

超热中子测井直接记录的量是与中子通量成正比的计数率，研究中子通量与源距的关系表明：

? 孔隙度较大，即含氢指数较大的地层，中子通量随源距的增大下降快；

? 孔隙度不同的地层，曲线斜率不同，其交叉点对应的源距称为零源距，零源距

区大约为5~10厘米，在此区间对含氢指数没有分辨能力；

? 源距增大，中子通量孔隙度的分辨能力增大，但计数率会明显降低，使统计精

度变差，一般以30厘米为宜。

24