第二节 伽 马 测 井 伽马测井概念：是依据天然或人工伽马源在地层和井眼中生成的辐射场，测量和分析伽马射线强度和能谱，研究地层的岩性、矿物成分、密度、孔隙度、流体运移及相关地质及工程问题的测井方法。 伽马测井分类：按伽马源的种类划分为三类 ①自然伽马测井：研究分散在地层中的天然放射性核素生成的伽 马辐射场； ②散射伽马测井：测量点状伽马源生成的散射伽马辐射场； ③示踪伽马测井：测量由载体携带的放射性示踪剂发射的伽马辐 射场。

自然伽马能谱测井 自然伽马测井：只测量和利用自然伽马射线的总强度，而不能利用辐射场的能谱和其他特性，按其原理应称为自然伽马强度测井； 自然伽马能谱测井：不仅能测 量总强度，而且还能分析伽马 能谱，同时也包含空间和时间 信息，获取的信息量增加了到 原来的2-3个数量级。 都以天然伽马辐射场为基础。

一、地层的放射性核素和伽马辐射体 岩石的自然放射性是由岩石中放射性核素及其含量决定的。自然界的元素有92种。天然核素约有330多种。在自然界中原子量A小于209的核素多数是稳定的，只有少数是放射性的，例如K40；而A>209的核素全部都是放射性的。 自然界中有三个天然放射系，即铀系、钍系和锕系，其初始的核素分别为U238、Th232和U235。U238的丰度为99.2739％，而U235的丰度只有0.7205%，所以锕系对岩石放射性的贡献可以忽略。岩石的自然放射性主要是由U238 和Th232开头的两个放射系和放射性核素K40决定的。对自然伽马测井来说，只考虑这些核素就足够了。

1.铀、钍和钾的地球化学特征 （1）铀(U)：它有三种天然放射性同位素，即238U 、235U和234U 。其相对丰度分别为99.275%，0.720%和0.005%。 ① 铀的地球化学特征： a)化学性质活泼，典型的亲氧元素，在化合物中呈正四价和正六价； b)自然界中U6+和U4+相互转化，这是铀的地球化学过程的主要特点； c)岩浆岩中，铀的含量从酸性、中性、基性到超基性岩逐渐减 少 ；在氧化环境中，U4+ (不溶于水) U6+(可溶于水)；U6+以络阳离子（UO2）2+的形式存在，以溶液形式运移，进入还原环境，又转化为U4+而沉积；

② 络阳离子（UO2）2+在地表水和地层水中的运移与沉积： 以溶解的(U02）S04的形式运移，在下述条件下沉积：pH>7;和P04、As04、V04、Si04形成相应的盐类矿物；被有机或无机物吸附；遇还原剂，被还原成不溶性四价铀矿物； 呈Na4[U02(C03)3]形式迁移，在下述条件下沉积：pH>10.8;遇到有机物、Fe2＋或其他还原剂；与钙或镁的碳酸盐作用形成不溶性盐类； 以各类腐殖酸盐络合物形式运移，在下述条件下沉积：腐殖酸氧化，络合物被破坏；吸附作用；与某些盐类作用形成不溶性盐； 呈铀的胶溶体U02(OH)2的形式运移，在下述条件下沉积：被带负电荷的硅酸胶体及Fe（OH)3吸附；与还原剂相遇。 不论经过何种方式，铀的沉积均与吸附、还原及有机物作用有关。因此，在沉积岩中处于还原环境的富含有机质的粘土岩铀含量最高。

③ 铀系中的几个典型核素： 镭(Ra)：镭有四个同位素，其中226Ra是238U的一个子体。由于在采油井水驱前沿的镭在井眼周围的富集，使自然伽马总强度增强能指示储层水淹级别的高低； 氡(Rn)：氡有三个同位素，其中222Rn是铀系的一个子体，氡是易溶于水和有机溶液的气体，易被吸附在各种物质的表面上。在构造破碎带常有氡富集； 铋(Bi)：214Bi是铀系中的主要伽马辐射体，特征伽马射线的能量是1.76MeV。在自然伽马能谱测井中，主要根据214Bi的这一特征峰确定铀在地层中的含量； 钋(Po)：钋有七个同位素，其中218Po, 214Po和210Po是铀系的子体。218Po和9Be混合可制造中子源，在铀矿普查时可利用210Po寻找铀矿； 2点认识： 1）铀的伽马辐射强度会随时间而变化，所以将碳酸盐岩或火成岩裸眼井段作为标准井，对自然伽马强度和能谱测井都是不合适的。 2）由于铀及其子体的化学性质活跃，风化、运移、富集过程影响因素多，通常不是泥质含量的可靠指示元素。

（2）钍(Th)：钍有228Th、 229Th 、230Th、 231Th、 232Th 、234Th等六个同位素，其中232Th的丰度几乎为100％。 §钍的化合价以四价为主，和四价铀物理化学性质相近，通常与铀共生，钍铀比被认为是太阳系的基本比值之一。 §钍的化合物性质稳定，运移以机械风化迁移为主。粘土矿物对钍的选择性吸附以及钍在稳定矿物中的存在，是控制沉积岩中钍的分布的主要因素。 §钍常作为粘土矿物指示剂，钍铀比可指示沉积环境和岩性。 钍系的主要伽马辐射体是208TI,特征伽马射线的能量是2.62MeV。在自然伽马能谱测井中，主要根据这一特征峰确定钍在地层中的含量。

（3）钾(K)：钾有三个天然同位素，39K、 40K和41K ，其中40K是放射性同位素，它发射1.46MeV的伽马光子。 §钾在岩浆岩中的含量随Si02的增加而增高。 §含钾的硅酸岩矿物易于被风化分解，并为流水所带走。由于钾的溶解度大，因而在不同类型的水中都有一定量的钾。 §岩石风化后，一部分钾被带入河流、湖泊、海洋和地下水中。钾的离子半径较大，极化率高，易于被粘土矿物所吸收，所以钾能大量停留在大陆上，而仅有0.038％的钾带入海洋。 钾和钍都是粘土矿物主要指示元素。

2.铀、钍和钾在岩石中的分布 在核测井中，铀和钍含量通常用μg/g为单位；记作ppm，而钾含量用0.01g/g为单位，记作％。 岩石的天然放射性是由它的放射性矿物种类和含量确定的。 在核测井中，铀和钍含量通常用μg/g为单位；记作ppm，而钾含量用0.01g/g为单位，记作％。

铀、钍含量: 酸性岩＞中性岩＞基性岩＞超基性岩 钾含量: 酸性岩和中性岩＞基性岩、超基性岩 (1)岩浆岩 铀、钍含量: 酸性岩＞中性岩＞基性岩＞超基性岩 钾含量: 酸性岩和中性岩＞基性岩、超基性岩 总体而言，岩浆岩中铀的含量随Na、K、Si的含量增高而增高；花岗岩富含铀，碱性岩则相对富含钍。 岩浆岩中铀、钍、钾含量和钍铀比 岩石 铀，g/t 钍，g/t 钾，% 钍铀比 酸性岩（花岗岩、花岗 闪长岩、流纹岩） 3.5 18.0 3.34 5.1 中性岩（闪长岩、安山岩、正长岩） 1.8 7.0 2.31 4.0 基性岩（玄武岩、辉长岩、辉绿岩） 0.5 3.0 0.83 6.0 超基性岩（橄榄岩、辉石岩、纯橄榄岩） 0.003 0.005 0.03 1.7

（2）沉积岩 沉积岩分三大类，即粘土岩、碎屑岩和化学岩。粘土岩是主要的生油岩，而碎屑岩及化学岩中的石灰岩及白云岩是主要储集岩。 各种粘土矿物的钍、铀、钾含量 沉积岩分三大类，即粘土岩、碎屑岩和化学岩。粘土岩是主要的生油岩，而碎屑岩及化学岩中的石灰岩及白云岩是主要储集岩。 ① 粘土岩：是指粘土矿物含量大于50％的岩石，包括泥岩和页岩。 在油、气测井常遇地层中，粘土岩铀、钍、钾含量最高。各种粘土矿物铀、钍、钾含量不同，对粘土岩自然放射性的贡献也不同。 矿物 钾，% 铀，g/t 钍，g/t API 铝土矿 3~30 10~130 海绿石 5.08~5.3 3~10 155~210 膨润土 <0.5 1~20 6~50 蒙脱石 0.16 2~5 6~44 高岭石 0.42 1.0~5 7~47 45~356 伊利石 4.5 1.5 10~25 80~130 黑云母 6.7~8.3 <0.01 白云母 7.9~9.8 绿泥石 <0.05 3~5 <5.0 绿帘石

生油粘土岩中的粘土矿物以蒙脱石和高岭石为主，且富含有机质，所以放射性物质含量高，尤其铀含量明显高于其他粘土岩 蒙脱石：也称胶岭石或微晶高岭石，它的分子中不含放射性元素，但其比表面积很大（269m2/g），阳离子交换能力强，对放射性物质吸附能力强，故铀和钍含量都高，对粘土岩的放射性贡献最大； 高岭石：本身不含放射性元素，比表面积小（19m2/g），阳离子交换能力和吸附能力均不如蒙脱石，铀和钍含量都较低，对粘土岩的放射性贡献较小； 水白云母(伊利石）：对铀、钍吸附能力差，但它本身含钾，具有放射性，对粘土岩的放射性有贡献； 绿泥石：它本身不含放射性元素，阳离子交换能力和对放射性物质吸附能力都低，对粘土岩的放射性贡献甚微 生油粘土岩中的粘土矿物以蒙脱石和高岭石为主，且富含有机质，所以放射性物质含量高，尤其铀含量明显高于其他粘土岩

②碎屑岩：是由碎屑物和胶结物两部分组成的，其中碎屑物是岩石的主要成分。 碎屑岩的放射性由正长石（含钾）、白云母（含钾）、重矿物和泥质含量所决定，一般随泥质含量上升而增高。纯石英砂岩的石英含量达80%以上，含放射性元素的矿物很少，自然放射性很低。 ③化学岩和生物化学岩：是通过化学和生物化学作用形成的。 常见的化学岩有碳酸盐岩、石膏、硬石膏、岩盐和钾盐等。除钾盐本身具有放射性外，其他各类纯的化学岩自然放射性都特别低，但随泥质含量上升自然放射性略有增高。自然放射性的高低还和成岩作用及地层水的活动有关。

沉积岩铀、钍、钾含量 岩石 铀，g/t 钍，g/t 钾，% 砂岩 0.2~0.6 0.7~6.7 0.7~3.8 石英砂岩 0.45 3~10 杂砂岩 2.1 1~20 6~50 长石砂岩 1.5 2~5 6~44 页岩 3.7 10~13 7~47 黑色页岩 8 10~25 铝土矿 11.4 48.9 <0.01 斑脱岩 5.0 24

岩石 铀，g/t 钍，g/t 钾，% 表3—19 沉积岩铀、钍钾含量（续表） 碳酸盐岩 0.1~9.0 0.1~7.0 0.0~2.0 石灰岩 2.2 0.05~2.4 白云岩 0.03~2 磷酸盐 1~5 海相磷块岩 30~50 蒸发岩 <1 现代海洋沉积物 砂 3.0 1.2 泥 2.3~3.7 1~2.7 黑泥 36~48 远海粘土 1.5~4.0 3.1~11 抱球虫软泥 0.74~1 5.1~5.5 锰结核 24~124 有机质 煤 20~80 石油 0.017~0.1 石油灰分 5~77

（3）变质岩 变质岩的主要矿物成分见表3—20，放射性矿物含量较高的岩石具有较高的自然伽马放射性。测井很少遇到变质岩，但在变质矿物勘探、地球科学及工程研究中，变质岩具有重要地位。 表3-20 变质岩主要矿物 岩石 基本矿物，≧10% 次生矿物，2%~10% 副矿物，≦2% 片麻岩 长石、石英 云母、角闪石 石榴子石、石墨、矽线石、电气石 云母片岩 石英、云母 铁铅榴石 十字石、绿帘石、矽线石、角闪石 石英岩 石英 长石、云母 绿帘石、蓝晶石、石墨、磁铁矿、褐铁矿 板岩 石英、绢云母、绿泥石 钾长石 黄铁矿 绿泥石片岩 绿泥石 娟云母、绿帘石 角闪岩 角闪石 斜长石、石英 柘榴石、绿帘石、云母 大理岩 方解石 氧化镁、氧化铝、硅灰石、钙铝榴石

3.岩石中的放射性核素和伽马能谱 （1）铀系的伽马辐射体 由天然放射系的长期平衡原理可知，当放射系达到长期平衡时，有： λmNm= λ1N1 (3—164) 即母核素与任一子核素的衰变率都相等。 将原子数变换为质量，当母核素的质量为1g时，第m个子核素的质量是： (3—165) 式中 Am，A1—子核素和母核素的质量数。 由式(3一165)可算出与1g铀平衡时第m个子核素的质量；反之，若能测出衰变系中任一子体的质量，也可求得系中第一个母核素238U的质量。

铀系中能发射伽马射线的重要核素及其射线的能量和强度。

用以显示射线强度的能量分布的图，称之为能谱。将上述表中数据做成能谱图如下，只表示各核素发射的伽马射线的初始能量，故称初始谱。未考虑样品的自散射和光子与环境介质及探测元件之间的作用。

铀系中最重要的伽马辐射体是214Bi,其次是214Pb。在铀系的伽马射线谱线中，大于1MeV的伽马射线都是由214Bi发射的。214Bi一次衰变的伽马射线总能量为1.574MeV，约占铀系总能量的85.6％，214Pb占12.4％。这两个核素的伽马辐射强度占铀系总强度的85％。 自然伽马能谱测井是根据214Bi的特征伽马射线的强度测定地层中铀的含量的，其前提是铀系的平衡状态未被破坏。若铀—镭平衡被破坏，用214Bi的特征伽马射线强度只能测定镭的含量，而推测的铀含量将有较大误差，有时会超过容许范围。

（2）钍系的伽马辐射体

钍系中主要特征伽马射线谱线的能量分别为0. 239MeV、0. 583MeV、0. 908MeV、0. 960MeV和2 钍系中主要特征伽马射线谱线的能量分别为0.239MeV、0.583MeV、0.908MeV、0.960MeV和2.62MeV 。钍系中最重要的的伽马辐射体是208Tl，其次是238Ac。这两个核素发射的伽马射线的总能量约占钍系发射的伽马射线总能量85％，而其辐射强度约占钍系总强度的71％。208Tl发射的能量为2.62MeV的伽马射线，是钍系能量最高强度最大的伽马谱线。 自然伽马能谱测井就是根据208Tl发射的特征伽马射线强度测定钍在地层中的含量的。

（3）不成系的伽马辐射体 自然界不成系的放射性核素有180多种，但对放射性测井有意义的只有40K一种。40K的伽马光子能量为1.46MeV，是单能射线源，只有一条谱线。 铀、钍、钾的能谱特性差别很大，在表3—25中列出这三种元素的伽马光子能量分布，每次衰变产生的光子数少于0.05或能量小于100keV的未计入。

4.自然伽马源密度和伽马能谱 岩石的自然伽马放射性是由铀、钍、钾的含量和伽马射线的能谱决定的，其次受岩石自散射和自吸收的影响。 （1）源强密度 含有铀、钍、钾的岩石样品就是一种分布在有限空间中的伽马源。核物理中用活度来表征辐射源的强弱，它的单位是贝克勒尔（简称贝克），记作Bq,1Bq=1s-1。单位质量放射源的活度叫比活度，法定单位是贝克勒尔每千克，记作Bq/kg。旧用单位为居里每千克，即Ci/kg，1Ci/kg＝3.7 X1010Bq/kg。

源强：伽马源在单位时间里发射的光子总数（平均数）。 源强密度：单位体积的源强。 设岩石中只有一种发射单能光子的放射性元素（如钾），地层的密度为ρ，每克岩石中含q克该种放射性元素，每克该种放射性元素每秒钟平均发射a个光子，则其源强密度为： 单位体积岩石含放射性元素的质量 每克铀、钍、钾和镭每秒钟平均发射的光子数 元素 衰变次数 伽马光子数 平均光子能量，MeV U 1.28×104 2.24 2.8×104 0.80 Th 4.02×103 2.51 1.0×104 0.93 K 31.3 0.11 3.4 1.46 Ra 3.63×1010 2.20 8.0×1010 0.81

式中，aij和Eij的关系图就是岩石自然伽马源的能谱图。 （2）伽马源的能谱 当一种放射性元素（如平衡铀或钍，并包括放射系中的所有核素）能发射多种能量的伽马光子时，则源强密度为： （3—167） 式中 ai—单位质量该种元素单位时间里发射的第i种能量(Ei)的光子数， i＝1，…，m。 ai与Ei的关系图就表示该种元素的伽马能谱。当岩石中含有铀、钍、钾三种放射性元素时，总源强密度为： （3—168） 式中，aij和Eij的关系图就是岩石自然伽马源的能谱图。

下图为岩石中同时含有铀、钍、钾三种放射性元素时的伽马能谱图，图中实线表示铀系的伽马谱线，点线表示钍系的伽马谱线，而1460keV处是钾的单能谱线。

1.自然伽马通量密度 二、地层中的自然伽马辐射场 描述自然伽马辐射场的主要参数是通量密度，其定义为：设有一球体通过球心的截面积是S，而N是时间t内进入球体的光子数，则通量密度 为： （3—169） 对于平行射线束，单位时间内通过与射线方向垂直的单位截面的光子数称为伽马射线的强度； 对于非平行射线束，也将上式定义的通量密度称为强度。 通量密度或射线强度与仪器在单位时间里的计数，即计数率成正比。

2.无限均匀放射性地层中的自然伽马通量密度和能谱 （1）通量密度 设无限、均匀、各向同性，且只有一种发射单能光子的放射性元素； ρ—地层密度；q—每克岩石中含该种放射性元素的质量；a—每克该种放射性元素每秒钟平均发射的光子数；μ—地层对光子的吸收系数。 在球坐标系中取一体积元dV，它在距离为r的球中心点M处产生的通量密度为： M dV    

2.无限均匀放射性地层中的自然伽马通量密度和能谱 （1）通量密度 对半径为r的球体求积分得：   若对上述无限介质积分，即r→∞，得： 式中 φ0—上述无限介质中任意点的仍保持初始能量光子的通量密度； μm—质量衰减系数，它随光子的能量增加而减小； Am=aq —单位质量的岩石在每秒钟内发射的光子数；

沉积岩中的主要矿物μm变化较小，可以近似看成是一常量。因此可认为φ0∝q，这样就可通过测量指定能量范围内的光子通量以决定某种核素的含量。 定义探测范围：半径为r的球对测量结果的贡献占全空间的贡献的99%时球的半径。利用下式可以估计自然伽马测井的探测范围：     若地层μ最小值为0.10cm-1 时 ，则相应的球半径为46.05cm。一般认为，自然伽马测井的探测范围大约是一个直径小于1米的球体。

在球体内来自半径不同的光子，对球心总的通量和能谱的贡献不同，离球心越远对高能伽马的相对贡献越小。 （2）能谱 在球心可能观测到的伽马光子包括： ①未经受散射直接到达球心的光子，保持着初始能量； ②经受一次或多次散射，能量降低，但最后到达球心的光子，能谱是连续的。 在球体内来自半径不同的光子，对球心总的通量和能谱的贡献不同，离球心越远对高能伽马的相对贡献越小。 在每个观测点的通量密度，或者说伽马射线的强度，是整个能量范围内的光子数的积分。

3.无限平面伽马源在井轴上的伽马通量密度和能谱 （1）通量密度 设无限均匀各向同性单色伽马平面源为单位脉冲信号，与井轴 垂直，井眼半径为r0，线性吸收系数为μ0，地层吸收系数μ。 则在M点处产生的通量密度为： θ 式中    

（1）通量密度 整个平面源在M点的光子通量密度为： 3.无限平面伽马源在井轴上的伽马通量密度和能谱 （1）通量密度 整个平面源在M点的光子通量密度为： θ 将R和R0与θ角的关系代入并做变量置换，得： 对坐标原点有：

3.无限平面伽马源在井轴上的伽马通量密度和能谱 令t＝μr，代入上式得： 根据r0、μ0和μ，就能计算出井轴上任意点M处的伽马通量密度，从而得到无限平面源的响应。从图中取出对应于能量为1.46MeV、1.76MeV和2.62MeV的三条曲线，就可得到钾、铀、钍特征伽马射线的单位脉冲响应。从图中可以看出，能量高的伽马射线源具有较宽的响应宽度。 单位脉冲响应

（2）能谱 3.无限平面伽马源在井轴上的伽马通量密度和能谱 无限平面源伽马光子从发射点到达井轴各点的过程中，要经受地层和井眼介质的散射和吸收。在井轴上可能观测到的伽马光子包括： ①未经受散射直接到达井轴各点的光子，保持着初始能量； ②经受一次或多次散射、能量降低、但最后到达井轴的光 子， 能谱是连续的。 在地层和井液中发生光电效应的光子，在井轴上观察不到； 平面源与井轴交点为圆心半径不同的每个圆环的光子，对 井轴各点总的通量和能谱的贡献不同，离圆心越远，对高能伽 马的相对贡献越小。

4.有限厚放射性地层在井轴上的光子通量密度和能谱 （1）通量密度 设有限厚放射性地层厚度为h，井半径为r0，井轴与地层面垂直，M点位于井轴上且与地层下底面相距z1。则在M点处产生的通量密度为： 在0～2π域内对φ积分，得：

移动M点，即改变z1值，利用指数积分函数表对上式做数值积分，可求出该放射性地层造成的沿井轴的光子通量密度。对变量z’来说，被积函数在z’=0处有最大值，且对称于此点，因而当观察点M位于地层中点时积分有最大值： 设μ=0.1/cm，r0=15cm，地层厚度h=15cm、30cm、60cm、90cm、150cm， 可算得一组曲线，如右图所示。其中φ为井轴上每一深度点的光子通量；φmax为地层中点通量φm的最大值。

由此图看出，有限厚地层沿井轴的光子通量密度分布具有以下特点： 能谱：从每个点源发射的伽马光子， 在到达井轴的过程中，只有很少一 部分光子能进入探测器灵敏元件。 在井轴能观测到的伽马光子： ①有少量未经受散射和吸收，保持 着初始能量； ②大部分经受一次或多次散射，能 量降低，最后才到达井轴，其能谱 是连续的。 来自体积源内每一发射点的光 子，对井轴各点总的通量和能谱的 贡献不同，伽马射线的强度是整个 能量范围内的光子通量的积分。 ①曲线对称于地层中心，并在该点有最大值φm ； ②φm随地层厚度h增加而加大，但当μh≥0.9，即h≥ 90cm(6r0)时φm为常数，不再随h增减而变化，这时有φm∝q。（q代表岩石中的放射性物质的含量） ③μh≥0.9的地层为厚层，否则为薄层。厚层曲线两个半幅点正对着上、下界面，由半幅宽确定的视厚度ha与真厚度h相等；薄层曲线的两个半幅点将落在该层之外，视厚度ha大于真厚度h。

三、自然伽马能谱测井仪器和测井响应 1.测井仪器 （1）伽马射线强度和能量测量的一般考虑 在伽马样品或地层分析中，既需要测量伽马射线的强度，又需要测量伽马射线的能量。根据能量分析确定射线是由那一种核素发射的，而根据强度可确定该种核素及其相应元素的含量。测井主要使用单晶闪烁谱仪，用闪烁谱仪做伽马射线强度和能量测量时，一般要考虑以下几个方面：

①能量分辨率：能量分辨率一般达到8%左右就可以了，通常使用NaI(TI)、CsI (TI)、BGO等晶体闪烁仪均能满足要求。 ②探测效率和效率刻度：要确定伽马射线的强度，必须知道探测器的探测效率。确定伽马射线的强度有两种方法，即全谱法和全能峰法。 全谱法：全谱下的总计数率为n ，它与源的某种能量的伽马光子发射率N之间的关系为： 式中 —源探测效率。 全能峰法：取全能峰计数率np，它与源的发射率N之间关系为： 式中 —源峰探测效率。 由于岩石和地层的放射性水平很低，为了提高下井仪器的探测效率，要尽可能选用密度大且Z值高的材料做成的闪烁体，闪烁体的体积也要尽可能大一些。

为进行能量刻度，国际原子能机构(IAEA)和中国原子能研究院各自推荐的一组标准伽马源。 ③能量线性和能量刻度：对于理想的闪烁仪，脉冲幅度和能量的关系应该是线性的，但实际为非线性。 定义能量刻度：就是在谱仪所确定的使用条件下，利用已知能量的伽马放射源测出对应能量的峰位，然后做出能量与峰位（道数）的关系曲线。 为进行能量刻度，国际原子能机构(IAEA)和中国原子能研究院各自推荐的一组标准伽马源。 表3-27 谱仪能量刻度标准源（国际原子能机构（IAEA）推荐） 核素 半衰期 伽马射线能量，keV 国产源代码 活度，kBq 241Am 433a 59.54 AMSG-203 37~74 57Co 271.8d 122.06,136.47 COSG-204 74~111 203Hg 46.76d 279.20 22Na 2.6a 1274.55 NASG-209 137Cs 30.17a 661.66 CSSG-206 54Mn 312.5d 834.85 MNSG-207 88Y 108d 898.02,1836.13 60Co 5.27a 1173.24,1332.51 COSG-208

为了准确地进行能量刻度和确定未知能量，需注意： 典型的能量刻度曲线可用下式表示： 式中 xp—峰位； E(xp)—对应于该峰位的能量； G —直线的斜率，即每道所对应的能量间隔，称为增益，keV/道； E0—直线的截距，即0道所代表的能量。 为了准确地进行能量刻度和确定未知能量，需注意： ①根据测量的能量范围适当选择放射源； ②选择适当的方法定准峰位； ③考虑非线性，必要时用非线性解析式表达峰位和能量的关系； ④确保谱仪稳定性好。

(2)自然伽马能谱测井仪器的组成 ②脉冲幅度分析器：输出电脉冲串，并送到数字累加器做进一步处理； ①伽马射线探测器：测量伽马射线，同时也接收稳谱源发射的伽马射线，并输出电脉冲串； ②脉冲幅度分析器：输出电脉冲串，并送到数字累加器做进一步处理； ③稳谱源和稳谱探测器：稳谱源由241Am发射α射线和伽马射线。稳谱探测器测量由241Am发射的α粒子，产生复合脉冲，以区分由稳谱源产生的伽马射线脉冲和由自然伽马射线产生的脉冲。 ④下井仪器控制系统：由计算机控制伽马谱仪形成编码谱，并传输到地面仪接口； ⑤数据处理和记录系统：编码谱经解调恢复成数据谱，谱数据经计算机解谱，求出铀、钍、钾含量和总放射性强度，并记录、储存和显示。

脉冲幅度分析装置可将全谱分成11个谱段（两个稳谱窗，五个自然伽马能谱测量窗和四个稳谱检查窗），分别记录每个谱段的计数率。各个谱段的能量范围见下表。 自然伽马能谱测井仪能窗划分举例 能窗分配 稳谱窗 自然伽马能谱窗及稳谱窗检查窗 NLAm NHAm N1 N2 N3 NLK NHK N4 N5 NLTh NHTh 能量范围，keV 40 60 200 500 1100 1365 1460 1590 2000 2515 2610 80 3000 2740

增益稳谱法的原理 稳谱参考峰为一高斯分布，峰顶位于第20道，在它的左右两侧各开一能窗，其计数分别为NL和NH。 设计一个比较电路，使其当NL=NH时输出为零；NL＜NH时输出一个与∣NL-NH∣成正比的负信号；NL＞NH时输出一个与∣NL-NH∣成正比的正信号。用此信号控制和调节探测器的电源电压，以保持峰位的稳定。

（3）反符合低能谱：不包含241Am产生的伽马射线的自然伽马谱，能量范围是150~3000keV，用于测定地层中铀、钍和钾的含量。 CSNG下井仪器输出三种能谱，均为256道： （1）符合谱：伽马射线探测器和a射线探测器符合输出的伽马谱，即241Am产生的伽马谱，能量范围是20~350keV，用于稳谱。 （2）反符合低能谱：伽马射线探测器和a射线探测器符合输出的伽马谱，即不包含241Am产生的伽马射线的自然伽马谱，能量范围是20~350keV，用于测定套管或岩性。 （3）反符合低能谱：不包含241Am产生的伽马射线的自然伽马谱，能量范围是150~3000keV，用于测定地层中铀、钍和钾的含量。

2.有限厚放射性地层的测井响应 因受到仪器参数的影响，测井仪器测得的曲线与理论曲线有所不同（图3-20），或者说有不同的响应，导致差异的因素主要有以下四点： （1）探测器的计数效率和标准刻度系统 自然伽马测井在每个深度点上测到的总计数率与地层在该点造成的通量密度成正比，计数率曲线可直接反映通量密度沿井剖面的分布，但由于测井仪器的探测效率的不同，即使地层和环境条件不变，不同的仪器在同一个测量点上测到的计数率也会很不相同。 所以，必需对仪器进行标准化刻度。

测井仪器标准化实质就是进行效率刻度。国际上一般采用API单位作为自然伽马辐射强度的标准单位。API单位是这样规定的：在美国休斯敦大学的刻度井中，有高、低两种标准放射性模块，将仪器在井眼中测得的高放射性和低放射性两种模块的读数差定为200个API单位。在标准井中刻度过的同类仪器，对同一厚地层应该有同样的响应，即应具有相同的幅度（含统计误差）。这样，不同的仪器测得的自然伽马剖面才能对比。 三级刻度系统： 一级刻度井：全国统一的刻度井（自然伽马基准井) 二级刻度井：各油田建立的刻度井（自然伽马工作标准井） 三级刻度井：用伽马源在现场刻度（自然伽马刻度器）

我国基准井标准岩块由花岗岩和大理石组成，分别模拟强放射性和弱放射性地层，其铀、钍、钾含量和不确定度见下表。 我国基准井铀、钍、钾含量表 元素 花岗岩模块 大理岩模块 铀，g/t 8.17±0.04 ＜0.2 钍，g/t 16.29±0.59 ＜0.28 钾，% 3.19±0.15 ＜0.5 将仪器记录的计数率转换为刻度后的标准化输出的公式为：     式中 nh,n1—分别为强放射性和弱放射性地层中点测得的计数率，CPS； GRstd—基准井的API标称值，API； S—仪器的灵敏度；

例：标准刻度井中，高放射性地层强度为400脉冲/分钟，低放射 性地层强度为200脉冲/分钟；A探测器的探测效率为10%，B探测器 的探测效率为20%。在刻度井中刻度： 对一个放射性强度为300脉冲/分钟的地层测量： A探测器得到的计数率为：30脉冲/分钟， 而API单位为：30/0.1=300 API B探测器得到的计数率为：60脉冲/分钟， 而API单位为：60/0.2=300 API

（2）探测器的能谱响应 谱形的变化特征： ①能量高的射线实测峰偏低，能量低的射线实测峰偏高，这是由于探测器对能量较低的伽马光子具有较高的探测效率； ②实测谱中记录了大量由康普顿散射生成的康普顿坪。 212Pb 228Ac 208Tl

（3）探测器灵敏元件的长度 若探测器灵敏元件的尺寸与地层厚度和井径相比足够小（可视为点状探测器）且探测效率为100％，则其响应与理论一致。若探测器灵敏元件为有限长，相当于对理论曲线施行平滑滤波，这就会改变曲线的形状， 使测井薄层响应幅度降低而半幅宽增大。 对 薄 层 的 影 响 显 著

从下表可以看出：①地层厚度小于100cm时，地层真厚度小于曲线半幅宽度；②地层厚度大于100cm后，地层真厚度等于曲线半幅宽度；③伽马射线能量小时，受地层厚度影响较小，有较好的分层能力

（3）测井速度、厚度和统计偏差 若计数率是在一个采样间隔时间t中取得的，则计数率中的统计偏差为： 由此可知，计数率曲线每点读数和地层的平均计数率都有统计起伏。计数率低，测井速度大，地层厚度小，则相对误差大，统计起伏明显。 而相对偏差为： 地层中部计数率平均值的标准偏差为： 而其相对偏差为： 式中 v—测井速度；h—地层厚度。 右图显示放射性元素含量相同但地层厚度不同的自然伽马测井响应，下半部经过滤波。

(4)环境影响 环境影响是指实际测井时遇到的井况与仪器刻度标准条件不一致而引起的测井响应的变化。 井中介质包括钻井液、套管和水泥环。若钻井液为低放射性钻井液，则井的影响主要是对来自地层的伽马射线的散射和吸收；若钻井液中含有KCl，则钻井液柱相当于一个附加的放射源，钾的特征道区计数率会增高；而当钻井液中含有重晶石时，钻井液的光电吸收效应增强，将使自然伽马谱严重变形。

（1）低放射性钻井液环境影响 J. A. Crubek在研究环境影响时，引入了一个称为“钻井液吸收函数”的综合校正系数Ap，它以钻井液衰减系数μp和井半径r0的乘积为参变量而以仪器半径rs与井半径r0的比为变量，如左图所示。求出Ap后，用下式进行校正： 式中 J—实测值; Jc—校正值

④ 解谱结果钾含量异常地高，铀含量偏低，钍含量偏高，各种比值不正常。 （2）氯化钾和重晶石钻井液的影响 钻井液中加入3%～5%的氯化钾，钾的放射性可使自然伽马能谱测井受到干扰，表现为： ① 总计数率增高； ② 钾特征峰道区计数率明显增高； ③ 能量低于1.46MeV的道区计数率增高； ④ 解谱结果钾含量异常地高，铀含量偏低，钍含量偏高，各种比值不正常。 重晶石钻井液能使低能道区计数率明显降低。

(5)vτ的影响(v-测井速度，τ-充放电时间常数） 当仪器在井中的测速很小，在均 匀放射性地层中测得的自然伽马曲线 形状与理论曲线形状相似。 当测井速度增大时，实际测得的 自然伽马曲线不对称，曲线向仪器移 动方向发生偏移。其原因是记录仪器 中积分电路的充电、放电都需要一定 的延迟时间τ。

(5)vτ的影响(v-测井速度，τ-充放电时间常数） vτ影响使GR曲线发生畸变，使Grmax幅度值下降，且Grmax的位置不在地层中心，向测井仪器移动的方向偏移。半幅点划分地层厚度变大。地层厚度越小， vτ乘积值越大，曲线畸变越严重。 对畸变曲线半幅点的校正公式为：   即把畸变曲线的半幅点下移一滞后距离即地层界面位置。 测井速度应小于600m/h才能防止曲线过度畸变。

四、地层自然伽马能谱解析 铀系、钍系和钾的伽马线谱是自然伽马辐射场形成的基础。但我们用闪烁谱仪能观察到的并不是线谱，而是通过光子与地层及闪烁晶体相互作用所复杂化了的连续谱，称之为工作谱或仪器谱。自然伽马仪器谱包含着铀、钍和钾的贡献，是由多种核素的伽马谱组成的混合谱。对混合谱必须通过解析才能得到初始能量不同的伽马射线的净计数率，进而确定地层中铀、钍和钾的含量，对混合谱的解析叫解谱。

四、地层自然伽马能谱解析 多道脉冲幅度分析器将能谱分为五个能窗 ，它们的测量范围分别是： W1:0.15~0.5MeV a.模数转换器将输入脉冲幅度按比例变换成地址码 b.每个地址对应存储器的一个记录道，每进一个脉冲就增加一个计数 W5 多道脉冲幅度分析器将能谱分为五个能窗 ，它们的测量范围分别是： W1:0.15~0.5MeV W2：0.5~1.1MeV W3:1.32~1.575MeV(含特征谱1.46钾窗） W4:1.65~2.39MeV（含铀特征谱1.76铀窗） W5:2.475~2.765MeV（含钍特征谱2.62钍窗） . c.累计每道计数，得到一个谱（计数率与道址）

四、地层自然伽马能谱解析 五个能窗输出的信号分别送入五个计数器进行计数。由于钾窗的计数率中含有少量的铀、钍伽马射线的成分，铀窗中亦含有少量钍的成分，钍窗中又含有少量铀的成分。所以各窗的计数率并不仅反映对应元素的含量，因而需要解谱。

②谱仪的响应性能不随计数率显著改变。如当地层中铀的含量增高时，其能谱的各道计数均按比例线性增加，整个谱形仍和标准谱一样。 解谱有不同的方法，但都需要利用各组成核素的标准谱，并假定混合核素的能谱就是各个组成核素的标准谱按各自的强度关系的线性叠加。为此，解谱要满足以下条件： ①标准谱和混合谱（工作谱）是在相同的测量条件下获得的，能谱仪的分辨率、探测效率和能量刻度在标准谱和工作谱的前后测量中没有显著变化。 ②谱仪的响应性能不随计数率显著改变。如当地层中铀的含量增高时，其能谱的各道计数均按比例线性增加，整个谱形仍和标准谱一样。 ③地层中的核素种类已知，即除铀、钍和钾以外其他未知的放射性核素的贡献可忽略下计。

1.自然伽马标准谱 标准谱是在刻度井中测得的仪器谱，它所确定的铀、钍、钾含量与谱数据的关系是对测井时得到的工作谱进行解析的依据。为此，需要建立刻度井群。 中海油刻度井模拟地层铀、钍、钾含量表 层位 钾，% 铀，g/t 钍，g/t 高钾层 5.61 0.97 1.45 高混层 5.17 12.3 35.8 高铀层 0.25 22.1 1.21 低混层 1.05 2.40 5.41 高钍层 0.22 0.79 63.5 围岩层 0.23 0.40 1.12 用测井仪在刻度井中测量只含一种放射性元素的模拟地层，可得到每种放射性元素的标准仪器谱。用标准谱可确定标准条件下单位含量的铀、钍、钾在各道或谱段中造成的计数率，以作为解谱的依据。

3.自然伽马仪器谱的解析 （1）剥谱法 （2）逆矩阵法 （3）最小二乘逆矩阵法 （4）加权最小二乘逆矩阵法 （自学） 自然伽马仪器谱经过滤波、峰位校正和分辨率校正（若需要）之后，即可进行解析。解谱是在测井过程中实时进行的，但也可在基地做进一步的解析。解谱方法有以下四种： （1）剥谱法 （2）逆矩阵法 （3）最小二乘逆矩阵法 （4）加权最小二乘逆矩阵法 （自学）

3.自然伽马仪器谱的解析 剥谱法的基本思想：从混合谱中先找出一种容易识别的核素，把它的谱形求出，并从混合谱中扣除，然后从剩余谱中再找出第二种核素并做同样处理，直到求出所有的核素为止。 通常从能量最高的特征峰开始对混合谱进行层层剥析，所以称为剥谱。 适用条件： （1）只有特征能量高的核素对能量低的核素的特征峰计数有贡献，而特征能量低的核素对能量高的核素计数无影响； （2）样品的混合谱是各种核素标准伽马谱强度的线性叠加。

3.自然伽马仪器谱的解析 选择钍、铀、钾各自特征峰位一定宽度合适的道区作为基准区，并按钾、铀、钍的顺序分别标为i=1,2,3；而待求元素K、U、Th的标号为j=1,2,3。则第j种元素在第i个道区的计数率记作Nij，在第i个道区的总计数率则为： 或写成： （3-203） 式中：N11—钾在第1道区的净计数率；N12，N13—铀和钍在第1道区的计数率；N22—铀在第2道区的净计数率；N23—钍在第2道区的计数率；N33—钍在第3道区的净计数率；ck,cu,cth—钾、铀、钍的含量。

设在刻度井中测得的第j种元素在第i道区的计数率为N0ij，根据假设： 利用式（3-203）和（3-204），可求得钾、铀和钍的净计数率： 3.自然伽马仪器谱的解析 设在刻度井中测得的第j种元素在第i道区的计数率为N0ij，根据假设： 利用式（3-203）和（3-204），可求得钾、铀和钍的净计数率： （3-204）  

3.自然伽马仪器谱的解析 若令 =N012/N022； =N013/N033； =N023/N033，上述三式可改写为： 进而获得钾、铀、钍的含量：  

岩性识别和地层对比； 识别高放射性油气层； 研究粘土岩； 监测水淹层； 寻找放射性矿物； 计算岩石生热率； 监测环境污染； 五、自然伽马能谱测井的应用 岩性识别和地层对比； 识别高放射性油气层； 研究粘土岩； 监测水淹层； 寻找放射性矿物； 计算岩石生热率； 监测环境污染；

五、自然伽马能谱测井的应用

五、自然伽马能谱测井的应用

五、自然伽马能谱测井的应用 自然伽马能谱测井曲线图

1.岩性识别和地层对比 （1）沉积岩 泥岩线：平行于井轴，伽马曲线幅度高的泥、页岩。 泥岩线以上：酸性岩浆岩、富含放射性矿物的砂岩或碳酸盐岩及富含有机质的粘土岩。 砂岩线 纯砂岩线：石膏、硬石膏、岩盐、纯砂岩或碳酸盐岩、基性和超基性岩浆岩，形成曲线的基线。 两线之间：含泥质的砂岩或碳酸盐岩，白云岩放射性通常比石灰岩略高。

自然伽马能谱测井可根据铀、钍、钾含量的差别对高放射性地层做进一步细分。 ①膨润土和凝灰岩自然伽马总强度高，铀、钍含量高，而钾含量低； ②含有机质的粘土岩，自然伽马总强度高，铀，钍和钾含量均高； ③高含铀的砂岩，放射性总强度高，铀含量高，而钍和钾含量都低。 所以能将这种砂岩储集层与前三种地层区分开。

自然伽马能谱测井扩大了应用交会图识别岩性的应用范围，右图是识别岩性的Th—U交会图。 A区：为低铀低钍区，是一般油砂岩； B区：钍含量低而铀含量高，油砂岩附近 有钙层或含钙； C区：钍含量中等而铀含量低，为粉砂 岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、少 数钙质粉砂岩、钙质介形虫； D区：钍含量高而铀含量低，为泥岩； E区：钍含量高铀含量也高，为钙质粉砂 岩、钙质介形虫、少数其他粉砂岩 和泥岩。

④自然伽马能谱可与其他测井资料结合进一步提高判别岩性的可靠性。 （2）岩浆岩 利用自然伽马能谱测井划分岩浆岩岩性的主要依据是： ①不同岩石的铀、钍、钾含量范围不同，如深成岩中的花岗岩，铀、钍、钾含量都很高，而纯橄榄岩这些元素的含量比花岗岩低2-3个数量级； ②岩石的主要化学成分与铀、钍、钾含量相关。如Si02含量是岩浆岩的主要分类指标，同时这一指标与钾含量有很强的相关性。钍和铀的含量从酸性岩石到超基性岩石逐渐减少； ③不同岩石的铀、钍、钾比值不同； ④自然伽马能谱可与其他测井资料结合进一步提高判别岩性的可靠性。

从超基性岩到酸性岩，铀和钍含量的变化，同时，风化作用使钍铀比增大，这是由于四价铀盐转变成能溶于水的六价铀盐而被水流淋滤带出，致使铀含量减少。 Th—U交会图识别岩浆岩 从超基性岩到酸性岩，铀和钍含量的变化，同时，风化作用使钍铀比增大，这是由于四价铀盐转变成能溶于水的六价铀盐而被水流淋滤带出，致使铀含量减少。 增大方向

二、部分研究成果简介 墨绿色英安岩 灰黑色玄武岩 玄武岩色率一般大于90 岩性特征较明显，易于区别上下砂泥岩地层

（3）变质岩 利用自然伽马、自然伽马能谱、密度和中子等测井资料可有效识别榴辉岩、角闪岩、正片麻岩、副片麻岩、蛇纹岩和榴辉岩与角闪岩互层等大类岩性，其测井曲线特征如下： 变质岩的核测井响应值统计表（平均值） 曲线名 榴辉石 副片麻岩 正片麻岩 角闪岩 蛇纹岩 CNL,% 5.611 2.086 0.661 10.245 32.56 DEN,g/cm3 3.150 2.746 2.605 2.888 2.922 e，b/c 5.118 3.643 2.777 4.51 4.317 GR,API 29.486 77.478 148.116 49.206 18.478 K,% 1.795 2.59 4.473 2.231 0.736 Th,g/t 2.311 7.774 16.118 2.863 2.34 U,g/t 0.575 0.896 2.228 0.726 0.446

榴辉岩 是基性岩浆岩下沉到地壳深处、甚至下沉到地慢处深度变质的产物。 榴辉岩 是基性岩浆岩下沉到地壳深处、甚至下沉到地慢处深度变质的产物。 榴辉岩最显著的特征有以下四点： ① 密度（DEN）大；2.95—3.51g/cm3 ② 放射性强度低；基性变质岩，29API ③ 光电吸收截面指数（Pe）大；5.18 ④ 中子孔隙度测井值（CNL）小；含氢量少。

片麻岩 一种具片麻状构造及中粗粒花岗变晶结构的岩石，可分为沉积岩变质而成的副片麻岩和岩浆岩变质而成的正片麻岩两大类。 片麻岩 一种具片麻状构造及中粗粒花岗变晶结构的岩石，可分为沉积岩变质而成的副片麻岩和岩浆岩变质而成的正片麻岩两大类。 这两类片麻岩的测井曲线主要特点： ①密度小；一般不大于2.8g/cm3, ②放射性强度高；正片麻岩大于副片麻岩； ③光电吸收截面指数小； ④中子孔隙度小； 石榴片麻岩 又称为多硅白云母石英榴辉岩。测井显示特征更近于片麻岩。放射性较高，为50～70API,密度值2.8～2.95 g/cm3。

角闪岩 角闪岩测井曲线特征与退变质榴辉岩有相似之处，其主要特征 ： 超基性蛇纹岩 蛇纹岩的显著测井曲线特征： ① 中子孔隙度特高；含氢指数特别高，理论值39.1%。 ② 放射性强度低；超级性岩。 ③ 磁化率（SUS）高；含磁铁矿和钛铁矿。 ④ 电阻率低；含磁铁矿和钛铁矿。 角闪岩 角闪岩测井曲线特征与退变质榴辉岩有相似之处，其主要特征 ： ① 自然放射性强度：介于榴辉岩和片麻岩之间； ② 密度：介于榴辉岩和片麻岩之间；2.888g/cm3 ③ 光电吸收截面指数：介于榴辉岩和片麻岩之间；4.5b/e ④ 中子孔隙度：理论响应值为3.2%～9.1%，在中子孔隙度曲线上常有5%～10%的显示。

特殊岩性层 除上述变质岩层外，还有几种特殊岩性层： ①高铀异常；②高钍异常；③高钾异常；④断层破碎带； 特殊岩性层 除上述变质岩层外，还有几种特殊岩性层： ①高铀异常；②高钍异常；③高钾异常；④断层破碎带； 副片麻岩（富钙）和正片麻岩（贫钙）属酸性岩石；金红石榴辉岩、多硅白云母榴辉着、退变质榴辉岩、石英榴辉岩、角闪岩、绿泥石化角闪岩属基性岩石；蛇纹岩属超基性岩石。这些岩石的Th、U、K和Th/U的平均值见下表

③容易找到标准层，总放射性或铀、钍、钾含量特别高或特别低的分布稳定的地层均可选用。 （4）地层对比 用自然伽马测井和自然伽马能谱测井做地层对比具有以下优点： ①由于孔隙流体（原油、天然气、地层水）中几乎没有放射性物质，所以曲线的幅度和形态不受流体类型的影响； ②与钻井液矿化度无关； ③容易找到标准层，总放射性或铀、钍、钾含量特别高或特别低的分布稳定的地层均可选用。

地层对比剖面图

2.识别高放射性油气层 高放射性砂岩油气层： 右图自然伽马能谱曲线显示，在深度分别为420～490ft和775～900ft两个井段有三层高放射性地层。上边的一层钾含量低，铀含量高，钍含量特别高，是膨润土和凝灰岩薄层；而下边的两层只有铀含量高，钾和钍的含量都很低，是高放射性砂岩，是可能的油气层。

高放射性碳酸盐岩油气层： 在我国华北地区的碳酸盐岩储集层，高放射性地层占很大比例。右图所示，该井有些高放射性地层是高含铀的碳酸盐岩储集层，在自然伽马能谱曲线中显示为铀含量高而钍和钾含量都低，而泥质含量高的地层是铀、钍、钾含量都高。图中多数高放射性地层的自然伽马能谱曲线显示为高含铀储集层，而最初只凭自然伽马高而被判为泥质含量高的非储集层。

花岗岩冲积层油层： 花岗岩冲积层是由酸性岩浆岩演变而来的一种长石占25％的砂岩。 A段压裂前后产量均很低，无生产价值；泥质含量高。 B段泥质含量低，孔隙度高，含水饱和度为40%，压裂后日产油100bbl。

高放射性粘土岩油气层： 右图为粘土岩裂缝油层。有机质含量高的高放射性黑色泥岩，若有天然裂缝则可能有很大油气产能。钙质和粉砂质夹层性脆易生成裂缝，形成可溶于水的六价铀及其子体镭和氡的通道。这种油气层的自然伽马能谱特征为总强度高、铀含量高，而钍和钾含量较低。

式中GR，GRmax，GRmin—自然伽马测井曲线当前地层的幅度值、井剖 面上的最大值和最小值。 3.研究粘土岩 （1）求泥质含量 若储集层中只有粘土矿物含放射性元素，且含量稳定，并忽略吸收系数对测井响应的影响，则可用下式由自然伽马测井求出泥质含量，即粘土体积含量的近似值： GRmax GRmin 式中GR，GRmax，GRmin—自然伽马测井曲线当前地层的幅度值、井剖 面上的最大值和最小值。

严格地讲，地层粘土体积含量与测井值的关系并不是线性的，通常用下列经验公式做非线性校正： 式中 Vsh — 校正后的粘土体积含量； H — Hilchie指数，古近—新近系地层取3.7，老地层取2，具体地区或层系可通过实验选用更合适的值。 当用自然伽马能谱测井求地层粘土体积含量时，用总计数率及铀、钍、钾含量或“去铀曲线（CGR)”的相应读数代替上式中的GR，GRmax和GRmin即可。

通常所说的泥质是粘土与粉砂的混合物。泥质含量Vsh与总计数率(GR)通常有很好的相关性，在去除某些含铀明显偏高的数据点后，根据岩样分析(粒度分析资料）数据可得到下列计算公式中的a和b两个常数： Vsh＝aGR－b 大庆对175块岩样数据做回归分析，得到： 相关系数为0.826。

根据铀、钍、钾含量可区分粘土矿物，从而确定粘土岩的类型。主要粘土矿物的铀、钍、钾含量范围见下表。 （2）识别粘土矿物 根据铀、钍、钾含量可区分粘土矿物，从而确定粘土岩的类型。主要粘土矿物的铀、钍、钾含量范围见下表。 铀、钍、钾含量数据表 矿物名称 铀含量，g/t 钍含量，g/t 钾含量，% 蒙脱石 2~7.7 14~24 0~1.5 高岭石 1.5~7 6~19 0~0.5 伊利石 1.5 20 ≥4.5 绿泥石 17.4~38.2 0~8 0~0.3 海绿石 2~4 3.2~5.8 黑云母 1~40 5~50 6.2~10 白云母 2~8 20~25 7.8~9.8 铝土矿 3~30 10~130 膨润土 1~20 6~50 ＜0.5

钍钾交会图确定粘土或泥质类型

岩石的比表面与钍含量的相关性也比较好，如右图所示。 （3）估算阳离子交换容量和比表面 岩心分析证明，钍含量与粘土矿物含量的关系比较稳定，因而与阳离子交换容量CEC相关。左图是大庆油田由128个岩样分析数据得到的CEC—Th含量散点图和回归线，回归方程为： 岩石的比表面与钍含量的相关性也比较好，如右图所示。

上图表面：生油岩中的有机碳含量与铀钾比或铀含量呈简单的线性关系。 （4）研究生油层 普通粘土岩的铀、钍、钾含量都比较高。生油粘土岩有机物含量高，所以铀含量特别高，而钍和钾含量与普通粘土岩相同。 上图表面：生油岩中的有机碳含量与铀钾比或铀含量呈简单的线性关系。 该图表面：上部是富含有机物的生油岩；下部的一层显示为普通泥岩。

（5）研究沉积环境 自然伽马测井对识别沉积环境和确定岩相均有明显的优势，根据国内外的研究，一般认为： 陆相沉积氧化环境，风化层，Th/U>7；海相沉积，氧化还原过度带，灰色或绿色页岩，2 ＜Th/U＜7 ；海相还原环境，黑色页岩、磷酸盐岩，Th/U＜2。 Th/U通过盆地的剖面图，往往和盆地的地形剖面一致，边缘高而内部低，可反映沉积物源和推进方向。U，Th/U和粘土岩电阻率Rsh结合，可更有效地划分沉积环境，

表中的Rsh,c表示河流环境粘土岩电阻率；Rsh,L表示淡水湖泊环境粘土岩电阻率； Rsh,s表示正常海相环境粘土岩电阻率。 判别主要沉积相的一般规则表 沉积环境 Ush,mg/L (Th/U)sh Rsh 陆相 河流相 ＜4 ＞7 ≥Rsh,c 滨湖—分流河道 ＞2 Rsh,L- Rsh,c 淡水湖泊 ≈Rsh,L 半咸水湖泊 Rsh,s- Rsh,L 咸水湖泊 ≤Rsh,s 海相 滨海 10~20 0.4~2 ≥Rsh,s 浅海 20~40 0.3~0.5 正常海 20~28 ＜0.3~0.35 ≈Rsh,s 表中的Rsh,c表示河流环境粘土岩电阻率；Rsh,L表示淡水湖泊环境粘土岩电阻率； Rsh,s表示正常海相环境粘土岩电阻率。

沉积环境判别图

4.监测水淹层 水驱油过程中，水驱前沿往往会聚集高放射性物质，并可在水泥环和套管上富集而形成放射性积垢，使铀曲线幅度明显增高，铀曲线幅度增高的程度可定性划分水淹的等级。 两条GR曲线相隔11年，之后测的自然伽马能谱总计数率明显升高，表明井眼附近放射性积垢，说明此井段已被水淹。 高放射性井段是由管外窜槽水流造成的放射性积垢引起的。

5.寻找放射性矿物 找铀矿实例 找 钾 盐

6.计算岩石生热率 岩石生热率（或称热产率）是指单位岩石体积内放射性元素衰变所释出的热量，是地学研究的一个重要参数。通常，放射性热产量由K、U、Th的含量和岩石密度来确定，许多学者通过研究提出了岩石中U,Th,K的含量与生热率A的关系： 式中 DEN — 岩石密度，kg/m3； CU， CTh，CK — 铀、钍、钾的含量； A — 生热率，LW/m3 。

7.监测环境污染 自然伽马和自然伽马能谱测井可用于监测放射性物质造成的环境污染，包括： ①放射性矿物采矿、运输、尾矿堆放造成的环境污染； ②铀矿石加工提炼、转化、浓缩、元件制造等过程造成的环境污染； ③核电站废气、废水和固体废弃物及其存储地的监测； ④地下核试验环境监测； ⑤贫铀弹环境污染监测； ⑥注水开发油田水推进前沿镭的富集和出水层位放射性积垢的监测； ⑦核事故环境监测； ⑧示踪测井和井间监测施工后的环境监测。

散射伽马能谱测井 散射伽马能谱测井：以伽马射线与地层的相互作用为基础的测井方法。 补偿密度测井：只利用康普顿效应测定地层的密度； 岩性密度测井：同时利用光电效应和康普顿效应，测定地层的岩性和密度； 散射伽马能谱测井中伽马射线源光子能量比较低，电子对 效应可忽略不计，只需考虑光电效应和康普顿效应。

一、矿物、岩石的康普顿散射线性衰减系数 1.岩石的体积密度、电子密度指数和视密度 （1）原子的康普顿散射截面和荷质比 原子的康普顿散射截面： 式中 Z—原子序数； σc,e—电子的散射截面。 由一种原子组成的矿物散射线性衰减系数（宏观散射截面）为： 式中 N — 每立方厘米该种矿物的原子数，即原子数密度。

为使用方便定义一个与它成正比的参数，即电子密度指数： 式中 NA—阿伏加德罗常数； ρ—体积密度； Z/A—荷质比。 若用ne表示电子密度，即每立方厘米中的电子数，则有： 为使用方便定义一个与它成正比的参数，即电子密度指数：

下表列出几种元素的原子量A、原子序数Z和两倍荷质比的数值。由表可知，除氢以外，其他元素的2(Z/A)近似为1，所以ρe≈ρ。 电子密度指数中的荷质比可近似看作常数，则测出了电子密度指数就能确定体积密度。 下表列出几种元素的原子量A、原子序数Z和两倍荷质比的数值。由表可知，除氢以外，其他元素的2(Z/A)近似为1，所以ρe≈ρ。 2(Z/A)数值表 元素 H C O Na Mg Al Si S Cl K Ca A 1.0079 12.011 15.999 22.9898 24.305 26.9815 28.085 32.06 35.453 39.039 40.05 Z 1 6 8 11 12 13 14 16 17 19 20 2(Z/A) 1.9843 0.9991 1.0000 0.9569 0.9875 0.9636 0.9970 0.9981 0.9590 0.9734 0.9988

（2）矿物的电子密度和电子密度指数 一个分子的电子数为： 式中Zi—分子中第i种原子的原子序数； ni—第i种原子的原子数。 由一种化合物组成的矿物，其电子密度为： 式中M—该化合物的摩尔质量。   化合物的电子密度指数为： 若比值(∑ni Zi)/M近似为常数，则测出电子密度指数就能确定其体积密度。

下表给出一些矿物的有关数值。由表可见，2(∑niZi)/M的值近似为1，因此，电子密度指数ρe在数值上与体积密度ρ近似相等。 密度数据表

（3）岩石的视密度 设岩石的骨架密度为ρm，孔隙度为φ，孔隙中充淡水，则岩石的体积密度应为： 若其骨架的电子密度指数为ρme，则岩石的电子密度指数为： 上述两式联立，则可得到体积密度和电子密度指数之间的关系式，即：

对纯淡水石灰岩来说，已知方解石和淡水的体积密度及电子密度指数，代入上式就得到岩石的体积密度为： 由于康普顿线性衰减系数与电子密度成正比，电子密度又与电子密度指数成正比，因而电子密度指数是可以测量的；所以体积密度的测量值，就是在规定条件下通过它与电子密度指数的近似关系间接导出的。 测井时，不管测量环境与标准条件有何不同，输出的密度值都是用上式转换得到的，它与被测介质的实际密度略有差别，故称之为视密度，并用ρa表示。视密度与真密度差别是很小的。

当岩石骨架或孔隙流体与石灰岩或淡水对伽马射线的散射特性相差太大时，视密度和真密度之差会超过允许值，必须进行校正。 对于孔隙流体为淡水的不同岩性的岩石，考察真密度与视密度之差随孔隙度的变化规律，可绘出如下关系曲线。 由图可得如下认识： ①含淡水石灰岩，视密度等于 真密度，差值为零； ②含淡水砂岩视密度略小于真 密度，差值为正值； ③含淡水白云岩视密度略大于 真密度，差值为负值。 注意: 密度测井只能测出视密度（或称石灰岩密度），而只有当测量条件与建立式(3—250）的条件完全一致时，视密度才等于真密度。 当岩石骨架或孔隙流体与石灰岩或淡水对伽马射线的散射特性相差太大时，视密度和真密度之差会超过允许值，必须进行校正。 纯水石灰岩地层！！

一个原子的光电吸收截面σph可近似为： 式中 k—常数，其数值由光子能量和截面的单位选择而定。 每个电子的平均光电吸收截面为： 2.矿物和岩石的光电吸收系数及光电吸收指数 （1）矿物的光电吸收系数和光电吸收指数 一个原子的光电吸收截面σph可近似为： 式中 k—常数，其数值由光子能量和截面的单位选择而定。 每个电子的平均光电吸收截面为： 考虑到岩性密度测井鉴别岩性时选用的道区很窄，能量也可以看做常数，则有：

它与σe成正比，具有相同的量纲，由于线性光电吸收系数是可以测量的，所以Pe也是可以测量的。 若矿物由单一元素组成，且其电子密度为ne则其线性光电吸收系数： 定义一个岩性指示参数Pe，称为光电吸收指数，且： 它与σe成正比，具有相同的量纲，由于线性光电吸收系数是可以测量的，所以Pe也是可以测量的。

当矿物由一种化合物组成时，一个分子的光电吸收截面为： 而电子数为∑niZi，所以每个电子的平均截面为： 此时有：     式中 —等效原子序数。

为使用体积模型，定义另一个岩性参数U，称为体积光电吸收指数或U参数： 式中 NA—阿伏加德罗常数；ρe—电子密度指数；ne—电子密度。 密度和岩性参数 矿物 密度，g/cm3 Pe参数 U,(2/NA)cm-1 石英 2.65 1.81 4.80 方解石 2.71 5.05 13.68 白云石 2.87 3.14 8.99 硬石膏 2.96 5.08 15.02 盐岩 2.165 4.65 9.64 淡水 1.00 0.35 0.39 烃类 ＜1 ＜0.12 盐水 1.146 1.2 1.48

孔隙度变化时岩性参数,尤其Pe变化很小，这对识别岩性有利。 （2）地层的光电吸收系数和光电吸收指数 地层的光电吸收系数决定于组成它的矿物，含淡水纯地层的光电吸收系数为: 式中 μma、μf—纯岩石骨架矿物和流体的光电吸收系数； φ—孔隙度。 地层的体积光电吸收指数为：     孔隙度 e，g/cm3 Pe U，(2/NA)cm-1 2.65 1.81 4.80 30 2.188 1.59 3.479   孔隙度变化时岩性参数,尤其Pe变化很小，这对识别岩性有利。

二、点状放射性伽马源的透射和散射伽马能谱 1.透射伽玛射线能谱 伽马射线能量：323keV。伽马源与探测器距离：5cm、35cm、45cm、60cm 70cm、80cm。 （1）厚度为0时：可看到强度很高的323keV光电峰； （2）厚度为5cm时：在205keV处的一次散射峰有所显示，而50keV处的多次散射峰幅度升 高； （3）厚度为35～80cm时：50 keV处的多次散射峰幅度很高 以多次散射峰为界可将透射 伽马谱分为两个谱段。

2.地层点源散射伽马强度和能谱 （1）点源在厚地层中的辐射场 设地层为无限均匀各向同性介质，对未经散射的光子线性吸收系数μ＝0.1，点状单能伽马源置于其中，且其位置与球坐标原点重合，研究离开源r（源距）处的光子通量密度（强度）和能谱。若伽马源的强度为I0，则离源r处仍保持源能量的射线相对强度为： 而在整个球面上的光子通量与源强的比值为：

F1曲线：在半径为5cm的球面上，单位时间通过单位面积的源能量光子已经很少。 将上述两式汇成曲线如下图所示。 F1曲线：在半径为5cm的球面上，单位时间通过单位面积的源能量光子已经很少。 F2曲线：点源发射的光子大约只有l0％在到达半径为23cm的球面之前还未经过散射或吸收。此时在单位面积上穿过的光子还不到发射率的0.002％，能观测到的只有散射谱。 5 单能伽马源在介质球面上的光子通量 这与砂层厚度为35cm的透射谱曲线是一致的。

（2）散射伽马能谱 采用蒙特卡罗方法对岩性密度测井做模拟计算，散射伽马能量范围是0.010～0.665MeV，每道0.001MeV，为方便比较，对它们以能量E≥0.100MeV光子计数率为基准作了归一化处理。 ①能谱曲线都在Er≈0.1MeV处出现极大值，由此将整个谱线分成左右两半。随着Pe值增高，多次散射峰降低并向右移动。如砂岩、蒙脱石和泥岩的能谱中这个峰很高，且靠左；而石灰岩峰最低且向能量大的方向偏移。 1—石灰岩 2—盐岩 3—石膏 4—白云岩 5—钾长石 6—蒙脱石 7—砂岩 大 小 Pe

②在Er>0. 1MeV的谱段，0. 48MeV以上部分相对计数率都很低，且与岩性无关，Er>0 ②在Er>0.1MeV的谱段，0.48MeV以上部分相对计数率都很低，且与岩性无关，Er>0.20MeV能段的相对计数率受Pe影响很小。随着能量降低，光子相对计数率逐渐增大，反应出多次散射后能谱的软化现象。 1—石灰岩 2—盐岩 3—石膏 4—白云岩 5—钾长石 6—蒙脱石 7—砂岩 大 小 Pe ③在Er<0.1MeV的谱段， 随着能量降低，光子相对 计数率逐渐减小，光电吸 收逐渐成为主要的作用， 对Pe反应敏感。0.04MeV以 下部分相对计数率也很低。

（3）光子通量与源距、地层密度及Pe值的关系 采用蒙特卡罗方法对下述模型进行了模拟计算： 模 型 纯石灰岩，饱含淡水，孔隙度分别为0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35和0.40，对应的地层密度分别为2.63g/cm3、2.54g/cm3、2.45g/cm3、2.37g/cm3、2.28g/cm3、2.20g/cm3、2.11g/cm3和2.03g/cm3。 结果表明：8cm附近为密度测井的零源距，记为d0；不同密度的地层散射光子通量φ与源距d的关系曲线在半对数坐标上呈很好的线性关系。定义视源距da＝d－d0，则有： 式中 — d＝d0 时的光子通量； μ—曲线的斜率。 若考虑反散射光子，则令μ＝μmρb ，μm为等效质量吸收系数，ρb为地层 密度，上式可改写为： 源距大，灵敏度高， 但计数率精度变差！ 散射光子通量对地层密度的灵敏度为：

右图为137Cs散射伽马能谱的岩性和密度谱段，S窗位于对岩性敏感的谱段可称为岩性窗或Pe窗，而H窗位于对密度敏感的谱段故称为密度窗。 考虑到μm和0均可视为常数，源距选定后da也是常数，通量的对数与地层密度近似为线性负相关系。而通量和计数率N成正比，故可将上式改为地层密度的测量式： 式中 A，B—常数。 该式是密度测井的基本公式。 右图为137Cs散射伽马能谱的岩性和密度谱段，S窗位于对岩性敏感的谱段可称为岩性窗或Pe窗，而H窗位于对密度敏感的谱段故称为密度窗。

三、散射伽马能谱测井仪和数据采集与处理 1.探头的结构和数据采集概述 散射伽马能谱测井仪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，部分经过散射的光子由不同源距的两个伽马探测器所接收。距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。地层的密度不同，对伽马光子的散射和吸收能力不同，探测器记录到的读数也不同。 地层 长源距探测器 短源距探测器 伽马源 地层散射伽马能谱测井仪示意图

通常对下井仪器采集的数据处理步骤如下： ① 对原始数据进行滤波； ② 扣除本底； ③ 进行实时能量刻度； ④ 根据刻度结果，按设计好的能量段把全谱分成8个能窗(不同型号的仪器能窗数不同)，并算出各能窗的计数率； ⑤ 用转换模型将能窗计数率转换为地质参数，如密度、岩性参数和孔隙度。

2.散射伽马谱能窗设置 贴井壁双探测器散射伽马测井第一代仪器，只能采集和利用散射伽马的高能谱段，根据康普顿效应测量地层密度，称为补偿密度测井； 第二代测井仪器利用低Z金属铍做长源距探测器的计数窗，能采集和利用散射伽马整个谱段，依据康普顿效应和光电效应同时测量地层密度和Pe指数，称为岩性密度测井； 第三代测井仪器长、短源距探测器计数窗都用铍，都能采集和利用整个散射谱，设定多个能窗，便于处理和充分利用采集到的数据，可称为散射伽马能谱岩性密度测井仪；

全谱分成8个谱段，即8个能窗。 能窗号 W1 W2 W3 W4 W5 W6 W7 W8 能量，keV 40~80 80~120 120~240 240~500 500~620 620~661 661~710 710~800 ①在100keV附近有一散射峰，将散射伽马谱分成两部分，分界点随Pe值的增高而向右移，即高Z元素使光电效应占优势的区域向能量较高的方向移动。 ②在分界点的右边，康普顿效应占优势，窗计数率的变化反映电子密度指数ρe的变化，可用以求取地层密度。 ③在分界点的左边，光电效应占优势，但也受康普顿散射的影响，用这一谱段的窗计数率与高能段的窗计数率的比值可确定Pe值，从而区分地层的岩性。

在计算密度时，长、短源距计数率均取自图中能量较高的散射伽马谱段，即W3和W4两个能窗，统称为康普顿窗，其计数率记为NL和Ns。对含重矿物的地层，由于谱段分界点右移，W3窗受到光电效应的影响，计算密度时可只利用W4。计算Pe值时，主要利用W1的计数 率，长、短源距计数率分别用 NLLITH和NSLITH表示，该窗称为岩 性窗，为消除康普顿效应的影 响，采用岩性窗对康普顿窗 计数率的比值，通过实验建 立比值与Pe值的关系 。

3.泥饼对厚地层散射伽马射线的影响及其补偿原理 （1）泥饼对双探测器密度测井仪器响应的定性描述 （1）渗透性地层的井壁通常积有泥饼，它对探测器计数率的相对贡献与仪器的探测深度有关。 （2）用蒙特卡罗方法考察了源距分别为30cm和50cm的仪器对纯石灰岩骨架的探测深度，计算结果表明，计数的90％来自大约径向厚度5cm的地层，可见泥饼的影响不可忽视。 （3）要测量由泥饼和地层构成的两层介质，至少必须采用两个探测器，即双探测器系统。补偿密度测井就是用双探测器系统来补偿泥饼影响，短源距探测器比长源距探测器的探测深度浅，所以对泥饼影响比后者灵敏。

下图是四组研究泥饼影响的实验曲线，在双对数坐标系中，纵坐标为长源距探测器计数率，横坐标为短源距探测器计数率。 （2）泥饼影响的试验研究 下图是四组研究泥饼影响的实验曲线，在双对数坐标系中，纵坐标为长源距探测器计数率，横坐标为短源距探测器计数率。 图3—65 泥饼影响实验曲线

因无泥饼影响，故有ρL＝ρs＝ρb，两式合并得： （2）泥饼影响的试验研究 无泥饼情况：此时用下标L和S分别代表长源距探测器或短源距探测器，则有： 因无泥饼影响，故有ρL＝ρs＝ρb，两式合并得： 或写成： 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”，而它与横坐标的夹角叫“脊角”

设地层密度为ρb＝2.5g/cm3，但有泥饼，泥饼的视密度为 ，改变泥饼厚度tmc，观察到如下特点： ①当泥饼厚度增加时，短源距探测器 计数率比长源距探测器计数率增加得 快，交会点离开脊线右上方偏移， 此时有ρb＞ρL＞ρs； ②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。

设泥饼的视密度 ，而地层的密度分别为2. 0g/cm3、2. 5g/cm3和3 设泥饼的视密度 ，而地层的密度分别为2.0g/cm3、2.5g/cm3和3.0g/cm3，当泥饼厚度足够大时，计数率的三条轨迹都终止在脊线上ρb＝1.5g/cm3的点上。 设地层密度为2.5g/cm3，而泥饼的视密度分别为1.5g/cm3、2.0g/cm3和3.0g/cm3。当泥饼厚 度增大时，可看到交会点轨迹分 成左右两支：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。

当泥饼不太厚时，泥饼影响可看做一个综合变量的作用，并可在开始分叉的地方截断，形成一条通过脊线的单一的线。对不同的地层密度就可得到一组通过脊线的线，并称之为“肋线”。 综合上述实验结果，可绘出补偿密度测井“脊肋图”，脊线是无泥饼影响时长、短源距计数率关系线，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，肋线可看成是一组平行的直线，因此脊肋图可简化为理想脊肋图。图中脊线为： （3）泥饼影响补偿原理 若泥饼厚度不太大，肋线可看成是一组平行的直线，因此脊肋图可简化为理想脊肋图。图中脊线为： 而肋线由一组以密度ρ为参变量的平行直线，即： 式中 β—肋角；c—比例系数。 上式也可写成：

P1点是脊线上的一个任意点，对应的计数率应该是NLP1和NSP1，此时的ρL和ρs都等于ρb。但由于有泥饼影响，实测计数率为NLP2和NSP2，交会点为肋线上的P2点，使地层密度ρb和由测量出的ρL和ρs都不相等，ρs偏离ρb较大。传统的泥饼补偿方法，是以长源距探测器测到的ρL为基础的，按下式进行校正： 比例系数a可由实验拟合给出。 经代换上式可表示为如下形式： 这是补偿密度测井的基本公式。

式中 ρb —校正后的密度值； ρlog —测井密度值； K —试验得到的脊线非线性校正系数，大约为0.04。 （4）补偿技术的改进 脊线非线性校正：在散射伽马能谱岩性密度测井仪中，短源距探测器的源距很短，探测深度小，测量条件与建立通用指数吸收方程的条件不一致，受到的影响比长源距探测器大。对骨架密度大的岩石需要校正，其公式如下： 式中 ρb —校正后的密度值； ρlog —测井密度值； K —试验得到的脊线非线性校正系数，大约为0.04。 肋线非线性校正：将肋线用二次曲线公式描述为： 据此，可提高补偿效果。根据脊线和肋线方程，就能由实测计数率计算出经过泥饼影响校正的地层体积密度ρb。

4.Pe的测量与计算 补偿密度测井只能用NLLITH和NL之比，求一个Pe值，而散射伽马能谱测井从全谱中可获得四个窗计数率，即NLLITH、 NL、NSLITH和Ns，并可算出下列两个比值： 由实验数据可得到比值和Pe的关系，在测井时可给出PeL和PeS两条曲线。

从图中可以看出： ① 比值RL、Rs与Pe值近似呈反比； ② 在相同条件下，对同一地层比值Rs比RL小； ③ RL受井眼影响比Rs明显。 Pe的探测深度比密度还要小，大约为2.5～5cm，它只反映闪烁晶体对着的一小块探测介质的性质。泥饼中含重晶石时，Pe值明显偏高，不能正确反映岩性。

5.仪器的刻度系统和刻度方法 （1）测井量值溯源系统 密度测井和岩性密度测井基准井，是由一组标准刻度模块组成的，是专用计量基准。工作标准井和刻度器都是专用计量标准器具。基准井、工作标准井和刻度器组成三级标准刻度系统，仪器直接记录的是两个探测器测得的能窗计数率，通过刻度把计数率转换为密度和Pe值。

表 补偿密度/岩性密度专用计量基准井群（刻度模块） 表 补偿密度/岩性密度专用计量基准井群（刻度模块） 序号 模块材料 密度标称值g/cm3 密度不确定度，g/cm3 Pe标称值，b/e Pe不确定度，b/e 1 有机玻璃 1.178 0.005 0.24 0.1 2 混泥土1 1.684 3 混泥土2 1.904 4 2.170 5 2.295 6 2.432 7 砂岩 2.640 2.13 8 石灰岩 2.70 5.07 9 白云岩 2.864 3.25 10 花岗闪长岩 2.916 5.93 11 含重晶石混泥土 2.473 8.93

（2）刻度方法 将式(3—295) 改写为： 将式（3-294）改写为： 在刻度系统中对测井仪器进行刻度，就是确定A、B、 C、D、E这5个系数。若仍把脊线和肋线看作直线，两个密度刻度块和在一个刻度块上加泥饼就构成了三个数据控制点，则可实现对仪器的刻度或验证。

（1）薄地层补偿密度测井响应的模型估算 6.薄地层测井响应 设对密度测井计数有贡献的介质为一半球体，按体积加权的近似算法分别研究长、短源距探测器和补偿密度的薄层响应，其正演公式为： 式中 ωi—第i区的体积加权系数； ρi—该区的视密度，有贡献的介质划分为1～m块，ρa是正对目的层中心的视密度，而对长、短源距探测器分别用下标L和S表示。

设长源距34.5cm，短源距19cm，泥饼厚度1cm，泥饼视密度 2.0g/cm3，地层密度2.65g/cm3，围岩密度2.3g/cm3。 ρs 无泥饼：曲线1、2为一组，均由围岩密度2.3g/cm3开始，随着地层厚度增加而上升，先后达到地层密度2.65g/cm3。在层厚不够大时，ρL＜ ρs，△ρ＜0，所以有： 补偿的结果使薄层视密度离地层真密度更远。 ρL 图3—71 薄地层测井响应

有泥饼：曲线3、4为一组，随地层厚度增加出现两个交点，将它们的相互关系 分为三个区，分别为左区、中区、右区。 左区：地层厚度很小，长、短源距探测器均受围岩和泥饼双重影响，但长源距探 测器受泥饼影响较小，所以ρL＞ρs，此区地层厚度太小无实际意义。 中区：地层厚度逐渐增大，长源距探测器受围岩和泥饼双重影响，而短源距探测 器只受泥饼影响，ρL＜ρs，△ρ＜0且 补偿密度基本公式在此不再适用。 右区：地层厚度超过长源距探测器的探测 范围，长、短源距探测器均只受泥饼影响， 但长源距探测器受泥饼影响较小，所以 ρL＞ρs，△ρ＞0 ，补偿视密度 此时，补偿视密度最接近地层密度。 ρS ρL 图3—71 薄地层测井响应

（2）提高补偿视密度测井垂向分辨率的数据处理方法（略） ①分辨率匹配法：其主要特点是利用短源距探测器具有较好的分辨率，通过适当组合以改善补偿视密度测井的垂向分辨率。 ②组合法：长、短源距探测器测得的密度曲线经适当处理和组合，可获得高分辨率曲线。

散射伽马测井提供的物理参数是地层的体积密度ρb和岩性指数Pe或U，主要用途是鉴别岩性和求孔隙度。 四、散射伽马测井的应用 散射伽马测井提供的物理参数是地层的体积密度ρb和岩性指数Pe或U，主要用途是鉴别岩性和求孔隙度。 1.鉴别岩性 （1）鉴别岩性的基础数据 不同矿物或岩石的体积密度ρb、岩性指数Pe及U参数均有很大差别，这是用散射伽马测井鉴别岩性的基础。

表3—45 岩性参数表

实测密度曲线

①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。 （2）用体积密度ρb识别岩性 散射伽马测井系列能提供的最基本的参数是体积密度ρb ，密度曲线是最基本的测井资料。密度曲线具有以下特点： ①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。 ②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，白云岩密度一般大于石灰岩密度； ③在膏盐剖面中，密度曲线上硬石膏为2.96g/cm3，呈明显的高值；而盐岩密度本来就低，再加上溶解扩径，呈明显的低值； 密度识别岩性有一定的局限性，不同孔隙度、不同岩性的岩石可能具有相同的密度。孔隙流体的密度差别很大，地层密度受其影响，使岩性识别复杂化！ ④煤层密度低，可从剖面中认出； ⑤重矿物含量高的地层密度高。

①受孔隙度影响小，对孔隙流体的类型不敏感； （3）用Pe或U参数识别岩性 用Pe或U参数识别岩性的优点： ①受孔隙度影响小，对孔隙流体的类型不敏感； ②能将主要储集层的岩性区别开，砂岩、石灰岩和白云岩差别明显； ③可识别粘土岩的类型，若与自然伽马能谱结合效果更好； ④对重矿物敏感，可识别重矿物含量高的地层，但要注意重晶石钻井液的影响。 ⑤可识别煤层，煤层的Pe或U参数都非常低。

菱铁矿层的密度高，同时Pe值特别高； 菱 铁 矿 Pe 显 示 表 孔隙流体对岩性参数的影响 矿物 孔隙度 孔隙流体 ρb ρe Pe U 表 孔隙流体对岩性参数的影响 矿物 孔隙度 孔隙流体 ρb ρe Pe U 石英 Φ=0 2.65 1.81 4.79 Φ=35% 淡水 2.073 1.54 3.254 气 1.92 1.66 3.12 方解石 2.71 5.08 13.77 2.112 4.24 9.10 1.762 4.10 8.96 白云石 2.87 2.86 3.14 9.00 2.216 2.70 5.99 1.866 2.95 5.86 菱 铁 矿 Pe 显 示 菱铁矿层的密度高，同时Pe值特别高；

（4）Pe或U参数与ρb结合识别岩性 右图为Pe与ρb交会图。对岩性复杂的井剖面，通常要根据自然伽马测井、散射伽马测井和中子测井资料，用综合分析的方法排除地球物理方法的多解性，以便更准确地划分岩性。 图3—75 Pe和ρb的交会图

2.求储集层孔隙度 （1）纯地层的孔隙度 已知纯地层的密度ρb是由下式确定的： 式中ρma—岩石骨架密度；ρf—孔隙流体密度；φ—孔隙度。 由此得孔隙度为： 对于通常地层，密度ρb可直接用测井密度ρlog代替。计算得到的孔隙度称为“密度孔隙度”，并用φD表示。

孔隙度为零的纯石英砂岩，密度为2.65g/cm3，按上式计算得： （2）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，即骨架密度ρma＝2.71g/cm3。当岩性或流体性质与刻度条件不同时，测井给出的孔隙度曲线值就与地层孔隙度不同。用饱含淡水的纯石灰岩刻度并由下式给出的孔隙度叫地层的“石灰岩孔隙度”。   孔隙度为零的纯石英砂岩，密度为2.65g/cm3，按上式计算得： 其石灰岩孔隙度为0.035，可见： 砂岩的“石灰岩密度孔隙度”总是大于它的真孔隙度。

总之，散射伽马测井把一切密度小于2.71g/cm3的地层都看成是孔隙性地层，因而在求孔隙度时必须首先确定岩性。 真孔隙度为零的纯白云岩，其“石灰岩孔隙度”为： 白云岩的最小石灰岩孔隙度小于零，可见： 白云岩的“石灰岩密度孔隙度”总是小于它的真孔隙度。 粘土岩的密度比上述几种岩石骨架密度小，泥岩、页岩的密度孔隙度通常比储集层大。储集层中的泥质含量能使密度孔隙度增大。 总之，散射伽马测井把一切密度小于2.71g/cm3的地层都看成是孔隙性地层，因而在求孔隙度时必须首先确定岩性。

（3）孔隙流体的附加孔隙度 由于标准刻度条件规定流体密度ρf＝1g/cm3，在仪器探测范围内（小于15cm），孔隙流体密度若偏离这一标准值就会产生附加孔隙度。钻井液滤液的密度一般在稍大于1.Og/cm3和稍小于1.1g/cm3之间，但有些特殊钻井液可超出这一范围。对气层，若用普通钻井液钻井，因有滤液侵入，故在靠近井壁的地层孔隙空间中混合液的密度仍接近于1g/cm3；但若用低失水钻井液钻井，特别是使用了暂堵剂时，在近井壁区就会有大量的残留天然气，混合流体的视密度仅有0.3～O.7g/cm3，密度孔隙度将明显偏大。

视石灰岩密度孔隙度与地层岩性的关系（水层）

实测的pe曲线图

3.其他用途 （1）求泥质含量和识别粘土矿物 设岩石骨架、泥质和孔隙流体的U参数分别为Uma、Ush和Uf，则地层的U参数为： 式中 φ—孔隙度； Vsh—泥质体积含量。 由此得到：

考虑到Ufφ很小，故可得： 煤： Pe=0.18 利用U=ρePe的关系，也可用Pe估算泥质含量。 当岩石骨架中有放射性矿物时，用自然伽马求泥质含量会遇到困难，借用U或Pe可作为一种替代方法。 蒙脱石： Pe=2.04-2.3 高岭石： Pe=1.83-1.84

（2）求地层的波阻抗 （3）研究压力异常 按定义，波阻抗为密度和波传播速度的乘积，由波阻抗可求得反射系数，是合成地震记录的基本参数。 随上覆岩层的增加，泥岩受到的压力增加，密度随深度增加而增大，在正常压力梯度的背景上，密度异常带即为压力异常带，据此可预测超压地层，以便在钻井时采取措施防止井喷。

作 业 1.什么是伽马测井？伽马测井的分类有哪些？ 2.分述铀、钍、钾三种放射性元素的地球化学特性？ 3.简述铀、钍、钾在岩石中的分布规律？ 作 业 1.什么是伽马测井？伽马测井的分类有哪些？ 2.分述铀、钍、钾三种放射性元素的地球化学特性？ 3.简述铀、钍、钾在岩石中的分布规律？ 4.什么是能谱？铀系、钍系及钾的特征伽马射线的能量各是多少？ 5.什么是源强密度？什么是比活度？自然伽马通量密度的定义是什么？ 6.无限均匀放射性地层中的自然伽马的能谱特点有哪些？ 7.有限厚地层沿井轴的光子通量密度分布特点是什么？ 8.自然伽马能谱井下仪器的组成有哪些？ 9.自然伽马能谱井下仪的稳谱工作原理是什么？ 10.什么是测井仪器标准化，它的实质是什么？如何对自然伽马测井进行标准化？ 11.自然伽马仪器标准化刻度井由那几部分构成？ 12.一泥岩段的自然伽马曲线平均测值度数为1500脉冲/分，地层厚度15米，测速V=500米/h，t=5s，求统计起伏误差。 13.低放射性钻井液与KCl和重晶石钻井液对自然伽马测井有何影响？

作 业 14.什么是自然伽马初始谱？它有什么特点？什么是伽马射线的仪器谱？它有什么特点？（举例说明） 15. 什么叫解谱？为什么要进行解谱? 作 业 14.什么是自然伽马初始谱？它有什么特点？什么是伽马射线的仪器谱？它有什么特点？（举例说明） 15. 什么叫解谱？为什么要进行解谱? 16.剥谱法的基本思想是什么，其适应条件有哪些？ 17.简述自然伽马能谱测井的应用？ 18.补偿密度测井与岩性密度测井有什么不同？ 19什么是电子密度？什么是电子密度指数？什么是视密度？为什么说电子密度指数就近似等于体积密度？试计算甲烷的电子密度指数。 20.砂岩、石灰岩和白云岩的真密度与视密度之间有什么差别？ 21.什么是光电吸收指数？什么体积光电吸收指数？ 22.试计算孔隙度为20%的淡水石灰岩地层的体积光电吸收指数是多少？ 23.不同Pe值的岩石散射伽马能谱曲线有什么特点？ 24.散射伽马谱的能窗的设置特点有哪些？ 25.简述泥饼对密度测井的影响？

作 业 26.试述薄层对密度测井的影响？ 27.简述散射伽马测井的应用？ 作 业 26.试述薄层对密度测井的影响？ 27.简述散射伽马测井的应用？ 28.什么是石灰岩密度孔隙度？砂岩、石灰岩与白云岩“石灰岩孔隙度”与真孔隙度的关系是什么？

已知钾盐（KCl）的密度为1. 89g/cm3，钾元素中40K的丰度为0 已知钾盐（KCl）的密度为1.89g/cm3，钾元素中40K的丰度为0.0119%，试计算1cm3钾盐中有多少个40K放射性核，每秒钟平均发射多少光子？ 解：1cm3钾盐中的KCl分子个数：   M=74.5g/mol NA=6.02×1023/mol   1cm3钾盐中40K核的个数：   每秒钟平均发射的光子数：  

本节讲授完毕，谢谢！