散射伽马能谱测井课件.ppt

散射伽马能谱测井是以伽马射线与地层的相互作用为基础的测井方法。其发展过程：,补偿密度测井,岩性密度测井,散射伽马能谱岩性密度测井,第一代,第二代,第三代,一、地层密度、岩性与伽马射线散射和吸收特性参数1、矿物和岩石的康普顿散射线性吸收系数原子的康普顿散射截面为：若岩石由一种原子组成，则其康普顿散射线性衰减系数为：,单位体积岩石中的电子数称为电子密度，即 为了方便，在密度测井中引入电子密度指数的概念，即定义,有一种化合物组成的矿物，其电子密度为： 电子密度指数为：,例：计算纯石英、方解石、原油、淡水以及密度为0.2g/cm3甲烷的电子密度指数分别 为多少？,康普顿线性衰减系数可写为：,2、岩石的视密度对于纯岩石饱含淡水地层模型，有：设骨架的电子密度指数为 ，则岩石的电子密度指数为：体积密度和电子密度指数之间的关系为：,饱含淡水纯石灰岩地层有：饱含淡水纯石英砂岩地层有：电子密度指数和电子密度与康普顿线性衰减系数成正比，可以利用伽马射线能谱确定出电子密度指数；而体积密度是根据刻度条件下与电子密度指数的关系间接导出来的。,刻度条件：通常密度测井仪是在饱含淡水的石灰岩为标准进行刻度的，通过利用石灰岩电子密度指数和体积密度关系转换出来，输出的密度值与被测介质的实际密度略有差别，称之为视密度。对于饱含水砂岩地层：则其视密度值为：,其视密度和真密度的差值为：一般情况下， ，则有关系：同样可以得到白云岩地层，有：对于饱含天然气砂岩地层，其电子密度指数为：则视密度为：差值：,3、矿物和岩石的光电吸收系数和光电吸收指数 在石油测井中常见元素原子的光电吸收截面写为：而一个电子的光电吸收截面为：对于单一化合物分子组成的岩石，每个电子的平均截面为：,若矿物由单一元素组成，则光电线性吸收系数为：定义与岩石中一个电子的平均光电吸收截面成正比的量为岩石的光电吸收截面指数，即有：同样对于化合物，有公式：,体积光电吸收截面指数：例：计算纯石英、方解石和淡水的光电吸收截面指数 和体积光电吸收截面指数。,地层的光电吸收系数取决于组成它的矿物，含淡水纯地层的光电吸收系数为：地层的体积光电吸收指数和电子密度分别为：孔隙度变化时岩性参数，尤其是Pe指数变化很小，对识别岩性有利。,二、散射伽马能谱及伽马通量与源距的关系伽马源产生的伽马射线进入地层，会发生光电效应、康普顿效应，源能量光子已经很少，从地层中穿出的主要是能量低于源光子能量的散射伽马光子；且地层的密度不同，发生康普顿散射的能力不同，高能的散射伽马光子数目也不同；地层物质的等效原子序数越高，伽马光子的能量越低，发生光电效应的几率越大，伽马光子被吸收的越多，从地层中穿出的伽马光子数目越少。,1、能谱特点：1）能谱曲线是完全连续的，并且在E0.1MeV处出现极大值，整个谱段分为两部分；2)在E0.1MeV 谱段，即散射谱的高能谱段，0.4MeV以上部分光子计数很少，这主要是发生小角度散射的部分在地层中继续散射，能量继续降低；,随着能量的降低，光子相对计数率逐渐增大，反映出多次散射后能谱的软化现象，因此高能部分又称为软谱部分；3）在E0.1MeV 的谱段，随着能量降低，光子相对计数率逐渐减小，光电吸收逐渐成为主要作用，因此地层部分也称为硬谱部分。,2、伽马光子通量与源距的关系根据伽马射线穿过介质的吸收规律有：利用蒙特卡罗方法模拟裸眼井条件下伽马光子通量与源距的关系，其中井眼直径为20cm，充满水，测井仪贴井壁且源和探测器背部屏蔽，得到的光子通量随源距的关系如图。,3、伽马光子计数率与地层密度的关系探测器到源的距离叫源距。当源强和源距选定后，探测器接收到的散射伽马射线的强度决定于地层的两个作用过程：由源发射出的伽马光子经地层散射或多次散射使部分光子射向探测器；射向探测器的那些伽马光子，有一部分被再散射而改变方向或者被吸收。,当源距很小时上述第个过程是主要的，因而地层密度越大，计数率也越高。当源距很大时，上述第个过程压倒了第个过程的作用，因而地层的密度越大，探测器接收到的光子越少，计数率就越小。换句话说，在密度大的地层中，计数率随源距的增大下降得快；而在密度小的地层中，计数率随源距增大下降得慢。,零源距：在不同密度的地层中，计数率随源距衰减的曲线会有一个交点，相应的源距叫零源距。源距为零源距时，不同密度的地层具有相同的计数率，仪器对地层密度的灵敏度为零。小于零源距叫负源距，大于零源距叫正源距；密度测井均采用正源距。 为讨论方便，引入视源距的概念，定义：,实验证明，密度测井仪器测得的计数率与视源距的关系具有普通吸收方程相同的形式，即 由于 ，则可以得到：,三、地层密度测井的基本原理1、密度测井的基本公式即为密度测井的基本公式。,2、地层密度测井仪的结构,仪器的放射源和探测器装在压向井壁的滑板上。测井时伽马源向地层发射伽马光子，经地层散射吸收后，有部分经过散射的光子由离源不同距离的两个伽马射线探测器所接收。源和探测器之间由屏蔽隔开，使源发射的伽马光子不能直接射到探测器。仪器背向地层的一方也屏蔽起来，以减小井的影响。离源近的探测器叫短源距探测器，离源远的另一个叫长源距探测器。,3、泥饼对计数率的影响 渗透性地层的井壁通常积有泥垢，它对探测器计数率的相对贡献与仪器的探测深度有关，通过蒙特卡罗方法模拟源距分别为30cm和50cm的仪器对纯石灰岩骨架的探测深度时，计数的90%主要来自于径向厚度约为5cm的地层，泥饼的影响不可忽视，由于短源距的探测深度比长源距浅，受泥饼影响灵敏，常采用双探测器系统来补偿泥饼的影响。,1) 在没有泥饼的条件下，用不同源距的两个探测器进行测量。它们的计数率与地层密度的关系与前面公式一致。现分别用角码S及L表示短源距和长源距，则有,因为没有泥饼影响，故有 ，合并得即长短源距探测器计数率对数呈线性关系，所确定的直线称为“脊线”，与横坐标的夹角为“脊角”。,2) 在地层密度为 ，且存在泥饼，泥饼的视密度为 ，改变泥饼厚度可观察到：当泥饼厚度增加时短源距探测器计数率比长源距探测器增加快，交会点离开脊线向右上方偏移，此时 ；当泥饼厚度足够大时，交会点落在脊线上密度等于1.5g/cm3的点上，长短源距探测器都主要反映泥饼的性质。,3) 当泥饼的视密度为 ，地层密度分别为 时，当泥饼厚度足够大时，计数率交会点的轨迹都终止在脊线上密度等于1.5g/cm3的点上，长短源距探测器都主要反映泥饼的性质。,4) 当地层密度为 ，泥饼的视密度分别为 时，当泥饼厚度足够大时，计数率交会点轨迹分为左右两支：前两条线的轨迹在脊线的右边，并在泥饼厚度增大到一定值时才分叉；而泥饼的视密度为3.0g/cm3的线在脊线的左边。,脊肋图：对脊线上的每一点，即对真密度b不同的各个地层，都有反映泥饼影响的左右分开的两簇曲线，而且每一簇曲线都是当泥饼厚度大于某一数值后才彼此分开，若将这些曲线在它们彼此分开的点的位置上截断，这些泥饼影响曲线像肋骨一样排列在脊线的两侧，故称为“肋线”。这种图形就叫脊肋图。,4、泥饼影响的补偿原理对于补偿密度测井“脊肋图”中，脊线是无泥饼影响时长、短源距计数率关系曲线，而肋线显示泥饼对计数率的影响，“脊肋图”是实现泥饼补偿的实验基础。若泥饼厚度不太大时，肋线可看作是一组平行的直线，可写为：,NLP2,P1点是脊线上任意一点，对应的计数率应该是NLP1和NSP1，此时的 ；但由于受泥饼的影响，实测计数率为NLP2和NSP2，交会点在肋线上的P2点，使地层密度和长短源距得到的测量值不相等，且S偏离b较大；传统的补偿方法，以长源距探测器得到的L为基础，即,代入密度测井的基本公式可以得到：这就是补偿密度测井的基本公式。,补偿技术的改进：实际过程中脊线不是直线，肋线也需做非线性处理。脊线非线性校正：散射伽马能谱岩性密度测井仪中短源距探测器受到的影响大，当地层密度超过2.61g/cm3时，短源距计数率随密度增加而衰减的速率偏小，计数率偏大，交会点将偏离标准脊线，校正关系：,肋线非线性校正：根据脊线和肋线的方程，由实测计数率可以计算出经过泥饼校正后的地层体积密度。,四、地层岩性参数Pe的测量与计算1、散射伽马谱能窗设置采集到的散射伽马能谱分为8个谱段，如表所示。W3和W4两个能窗为康普顿窗，对于含重矿物的地层，谱段W3受光电效应影响，选择W4；计算Pe时主要采用W1窗。,2、Pe的计算散射伽马能谱测井中从全谱中获得四个窗计数率，求出两个比值：根据实验数据可以得到比值与Pe的关系：（1）RL和RS与Pe近似成反比；（2）相同条件下，同一地层比值RS 比RL小。,五、散射伽马能谱测井的应用1、利用体积密度 识别岩性在砂泥岩剖面中，泥岩密度通常比砂岩低。泥岩段井眼变化大，推靠不严实，曲线起伏大，而砂岩段井眼规则，岩性也比泥岩稳定，曲线比较光滑；在碳酸盐岩剖面中，在大段致密碳酸盐岩中，裂缝发育的层段密度低，白云岩和石灰岩也略有差别；,在膏岩剖面中，密度曲线上硬石膏为2.96g/cm3，呈明显的高值，而盐岩密度低，加上溶解扩径，呈明显的低值；煤层的密度低，可以从剖面中认出；重矿物含量高的地层密度高。只用体积密度识别岩性有局限性：受孔隙度和孔隙流体的影响。,常见岩石和流体的岩性参数,2、用Pe或U参数识别岩性优点：受孔隙度影响小，对孔隙流体类型不敏感；能将砂岩、石灰岩和白云岩主要储集层岩性区分开；可识别粘土矿物的类型；对重矿物敏感，可识别重矿物含量高的地层；可识别煤层，煤层的Pe和U参数都非常低。,3、计算孔隙度纯地层的孔隙度： ， 称为密度孔隙度。地层的石灰岩孔隙度：测井仪器是以饱含淡水的石灰岩为标准刻度的，因此利用上式给出的孔隙度叫“地层的石灰岩孔隙度”；对含水纯岩石 （泥质、油气层须作校正）；密度值一定，只是骨架变化。,地层孔隙度为，则利用地层密度测井得到的孔隙度D在砂岩、石灰岩和白云岩井段的相互关系：砂岩： D ，若 =0， D 0；石灰岩：D= ；白云岩： D ；,例：如果某石英砂岩地层密度测井的视石灰岩孔隙度为20%，则其真孔隙度为多少？如果石英砂岩地层的真孔隙度为20%，则其视石灰岩孔隙度为多少？,解：由公式：再由：,4、求泥质含量 设岩石骨架、泥质和孔隙流体的U值分别为Uma、Ush、和Uf，那么岩石的体积光电吸收截面则为：,习题1：计算孔隙度为5%和20%的纯石灰岩、砂岩和白云岩的密度孔隙度，观察岩性影响程度与孔隙度的关系。习题2：（1）假设视源距为da，康普顿质量线性减弱系数为m，零源距处的伽马计数率为N0，根据伽马射线的吸收衰减规律推导出地层密度关系式。（2）若没有泥饼的影响，推导出双源距补偿密度测井长短源距伽马计数率的关系式。,（3）当泥饼密度为1.5g/cm3，地层密度分别为2.0 g/cm3、2.5 g/cm3和3.0 g/cm3时，画出改变泥饼厚度的“脊肋图”，分析其变化特点。,六、三探测器密度测井和随钻方位密度测井1、三探测器密度测井三探测器密度测井仪的滑板外壳内装有三个探测器，其中长源距和短源距探测器的伽马光子计数率与地层密度具有相反的响应关系，而在靠近伽马源的地方加第三个探测器，称为反散射探测器，用来探测与地层只发生一次康普顿散射的背散射高能伽马射线。,短源距和长源距分别约为6in和12in，使用碘化钠闪烁晶体；反散射采用GSO晶体。 背散射测量的探测深度非常浅，而且比短源距探测器测量的伽马光子计数率高、统计性好，且伽马光子计数率随着地层密度的增加而增加。,三探测器密度测井的优势：具有较高的伽马光子计数率、改善了统计误差；源距很小、能进行高分辨率测量；增加在低孔隙度地层的测量精度；可以对泥饼进行定量补偿；对井眼条件可以进行更好的描述。,2、随钻方位密度测井（1）第一代：CDN补偿中子密度测井仪CDN补偿中子密度测井仪包括6.5和8英寸两种类型，其中密度短节部分可以进行伽马能谱测量以确定密度和岩性信息；中子部分包括补偿中子测量，与电缆测井物理机理相同。,利用的Cs-137伽马源（装在一个玻璃或者陶瓷材料中的氯化铯）活度为1.7Ci；是用氧化镅（Am-241）和铍粉末形成的混合物，且能够产生60keV的伽马射线，活度是7.5居。另外还有两个小源：活度为1微居的Cs-137和50微居的Am-241，在进行伽马射线能谱测量时进行能量标定。,双源仪器中两个源的距离在1.5m，要求很大的屏蔽，造成控制和运输不便。能够提供实时的视中子孔隙度、地层体积密度和光电因子数据，用以在钻井过程中描述地层孔隙度和岩性；为提高精度,这些测量都进行井眼补偿。,（2）第二代：AND方位密度中子测井斯伦贝谢公司的AND由中子源、中子探测器、密度源、密度探测器和超声探测器等构成，是首创的方位核测井工具。其中采用的伽马源为1.3-2Ci的137Cs，探测器采用碘化钠（NaI）晶体探测器。,