测井方法与数据处理 教师：庞巨丰教授

前 言 核测井定义----将核技术应用于井中测量， 根据岩石及其孔隙流体的核物理性质，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的核地球物理方法 —称核测井〈又称放射性测井〉

核测井的分类：大体分四类 a)：γ测井。含自然γ和γ —γ测井（散射测井）。前者又分自然γ和自然γ能谱测井；后者又分 地层密度和岩性密度测井。 b):中子测井。主要含中子寿命测井、 一般中子测井和中子诱生γ测井。中子寿命测井也称热中子衰减时间测井；一般中子测井含热中子测井和超热中子测井；它们又含有单探测器中子和补偿中子测井；中子诱生γ能谱测井通常包括快中子非弹性散射γ能谱测井（即C/O比测井）、中子俘获γ能谱测井和中子活化γ能谱测井等。

c):放射性核素示踪测井。这种方法是利用放射核素作为示踪剂，将掺入流体中，并注入到井内，通过流体在井中的流动而使核素分布到各种孔隙空间。利用核γ测井对示踪剂进行追踪测量，确定流体的运动状态及其分布规律。 d):核成像测井。如核磁共振成像测井等。

第一章放射性基本知识 原子核——由质子和中子组成。 b):原子质量单位：原子质量的国际单位是以碳的同位素¹²C的原子质量为标准确定。 a)：原子与原子结构:原子—原子是处于中心的带正电的原子核和核外绕核运动的一 个或若干个电子组成。 原子核——由质子和中子组成。 b):原子质量单位：原子质量的国际单位是以碳的同位素¹²C的原子质量为标准确定。 一个原子质量单位u——定义为¹²C原子静止质量的1/12， 1u=mc×1/12=1.992678×10—26×1/12 =1.660566×10－27 Kg。

与碳单位相应的阿佛加德罗常数为： 这样: 1u=1g/NA C):原子核的表示方法， 原子的标记形式：

X是该原子的化学元素符号； A为质量数----即以u为单位原子核质量 四舍五入的整数. Z---质子数（即原子序数）； N为中子数 即；N=A-Z，在实际工作中往 往只写出元素符号和质量数，即写成 ：

12C的质量为：11.996709u，则质量数为：12 的质量为4.001506u，则质量数 A=4； d)原子核分类： 例如： 通常写成 12C的质量为：11.996709u，则质量数为：12 的质量为4.001506u，则质量数 A=4； d)原子核分类： 核素—用Z , A 表示的原子核。按Z 和A 的大小进行分类；

的一类原子核素 同位素—凡质子数相同，中子数不同的几 种核素；如： 三种核素都是氢的同位素 同中子素—中子数相同，质子数不同的几 核 素—凡具有相同质子数Z和中子数N 的一类原子核素 同位素—凡质子数相同，中子数不同的几 种核素；如： 三种核素都是氢的同位素 同中子素—中子数相同，质子数不同的几 中核素；如：

基态—原子核可处于不同的能量状态，能量最 低状态。 同量异能素—质子数和中子数都相同，而能量 状态不同的核素。如： 加写m的核 素能量状态较高，处于激发态。不加 m的核素表示最低能量状态，即处于 最低能量状态，即基态。 基态—原子核可处于不同的能量状态，能量最 低状态。

激发态—原子核处于比基态高的能量状态，即 原子核被激发了。 天然丰度（如同位素丰度）—对于天然存在的 元素，其中一种同位素在该天然元素 中的所占原子百分数，称为该同位素 的天然丰度。

第1.1节：放射性现象和衰变 1.1.1放射性现象 放射性核素—原子核有稳定的和不稳定的 两种，不稳定性核素称为放射性核素。

有的发射α射线，有的发射β射线，有 的在发射α射线或β射线的同时还在发 射γ射线，有的三种射线都有。原子核 放射性—放射性核素都能自发的放出各种射线。 有的发射α射线，有的发射β射线，有 的在发射α射线或β射线的同时还在发 射γ射线，有的三种射线都有。原子核 自发的放射出各种射线而自身发生变化 的现象称为放射性。 放射性核素有天然（自然）的： 等，和人工（生产）放射性核素：

射线的性质 1、 α射线—由氦原子核 组成的粒子流。 氦核又称α粒子，因而可以说是α粒子 1： 流。 α粒子— 质量数为4，带两 1、 α射线—由氦原子核 组成的粒子流。 氦核又称α粒子，因而可以说是α粒子 流。 α粒子— 质量数为4，带两 正电荷。对物质的电离作用很强，而 贯穿物质的本领很小。在空空气中的射 程2.6cm—11.5cm，在岩石中的射程只 有10¯³cm，即10μm 。 1：

2:β射线—高速运动的电子流。V=2C/3（C 为光速)，对物质的电离作用较强，而贯穿 物质的本领较小。在金属中的射程约0.09 cm. 3:γ射线—由γ光子组成的粒子流。 γ光子是 不带电的中性粒子，以光速运动。 γ射线 又是一中波长很短的电磁波 ，具有 两重 性，即波动性和粒子性。对物质的电离作

用很小，而贯穿本领很大。能穿过地层和 钢铁。 γ光子具有波动性，即γ光子在传输过程中 表现出有一定的频率ν和波长λ， λ与ν和光 速C之间的关系： γ光子具有粒子性是说γ光子是一个一个微 粒，每个γ光子具有一定相对性，质量 有运动速度C，因而具有一定能量

1.1.2原子核衰变 原子核衰变—不稳定的原子核自发的 放出各种射线而转变为另一种核素的 过程。 母核—衰变前的原子核 子核—衰变后剩余的余核 三种过程：

(1):a衰变—原子核自发的放出a粒子而发 生核转变的过程。 表达式： 特点：1）衰变前后总的原子数和总的 中子数不变； 2）母核可以是基态也可以是激 发态；

发生于A>200的重核。但不等于A>200 都能发生衰变 3）子核处于基态也可能处于激发态 4）子核处于激发态是不稳定的，会跃迁 到基态，跃迁时多余的能量以γ射线的 形式释放出来，故a的衰变往往伴随有 γ射线的发出。 5）a衰变主要发生于重核绝大多数a衰变 发生于A>200的重核。但不等于A>200 都能发生衰变

6）a离子能谱的分立，能量一般4-9Mev (2)β衰变 β衰变—原子核自发的放射出电子或正 电子或俘获一个轨道电子而发出的和转 变 β衰变的三种表示过程：

轨道电子俘获 e¯、e+分别为负电子和正电子 分别为中子和中微子。 特点：1）β衰变前后核的质量数不变，只 是核电核数改变 2）轨道电子俘获—原子核俘获一个 核外绕核运动的电子而发生核转变 的过程，有K—俘获，即俘获K层

电子，有L—俘获，M—…，K—俘获几率最大。 3）稳定原子核要求中子数和质子数保持一比例，即： 中子数过多发生β¯衰变，质子数过多发生β+衰变或K俘获。 4）K—俘获子核处于激发态，伴随发射γ射线， β¯和β+衰变的子核处于激发态。

也会伴随发射γ射线。 5）β衰变必然放出中微子和反中微子（因 要满足能量、和动量守恒）中微子的静 止质量为0，不带电，与物质作用极弱， 穿透能力极强，探测很困难。 6） β粒子的能量是连续能量。能谱连续分 布几乎所有的放射性核素都存在β衰变

（3）γ衰变（ γ跃迁） γ跃迁—原子核低激发态的同质异能跃迁。一般处于激发态的核寿命都很短， 认为是伴随α、γ粒子子核放射出来的。但也有一些核的激发态寿命比较长，最长可达100000年。通常把寿命可测

寿命>0.1秒称长寿命同质异能态。他们发生γ跃迁可以直接观察到γ射线活度随时间的衰减，我们把这种几率小的核同质异能转变过程称γ衰变。 γ衰变的母核和子核是同质异能素。 级联跃迁—有些原子核由激发态跃迁到基态时，要连续的发生几次跃迁称级联跃迁。

如左图所示： 令Edγ为γ的衰减能量 Ei为出态能量 Ej为末态能量 则Ed γ = Ei—Ej 又Ed γ = Ei+Ej   如左图所示： 令Edγ为γ的衰减能量 Ei为出态能量 Ej为末态能量 则Ed γ = Ei—Ej 又Ed γ = Ei+Ej 其中E γ 和ER分别为γ 射 线的能量，

E R为原子核反冲能量。一般ER很小 所以 因而通常说γ射线能量Eγ为两种能量之差 如要算 Er，根据动量守恒定律

若ER、MR、Mγ所用的单位分别为ev 、u 、Mev。则：

式中，θ为 γ1和γ2发射方向之间的夹角。当 γ1与γ2朝同一方向发射，即夹角θ=0时

当γ1与γ2朝相反的方向，即θ=180度时 原子核从激发态向较低能态或基态跃迁中， 发射出γ光子，并不是唯一的方式，还存在 发射电子的竞争过程。 内能转换效应—当原子核从激发态向较低 能态跃迁时，可以把激发能直接交给原子 的壳层电子依其发射出来的现象 。

这种射出来的电子称为内能转换电子 根据能量守恒，内能转换电子的能量为： Eei=Eγ-Wi i= K L M… Wi为i层的结合 能。 由于γ跃迁是γ发射和内能转换电子发射相 互竟争过程，因此，和的跃迁几率λ等于γ 发射的几率λ γ与内能转换电子发射的几率 λe之和，

i=K L M… 分别为i壳层发射电子强度和γ辐射强度（粒子数/秒）。在内能能转换过程中，原子内层电子空缺由外层的电子填充，从而原子发射特征x

射线或欧歇电子（Auger) 还必须指出：电子质量很小（不同原子核） 对电子的能量必须考虑爱恩斯坦的相对论效 应

1.1.3核转变的移位定则 各种核衰变电荷数的变化 衰变类型 母核电荷数 子核电荷数

1.1.4衰变纲图

第1.2节 放射性衰变规律 1.1.2 放射衰变的一般规律

那核数随时间减少服从什么规律呢？ 放射形的衰变是自发进的，对某一个具体 的原子核来说，衰变总是要发生的，但何 时发生不知到，无法人工控制，放射性原 子核衰变是一种统计过程，对许多同一种 核素的原子核，衰变不是同时发生，有先 后但总的趋势总是原子核随时间逐渐减少 ，原子核的性质也随之变化。 那核数随时间减少服从什么规律呢？

式中，λ为比例常数，称为原子核衰变常数。 负号，表示随时间增加而核数减少。

可见，放射形原子核的衰变服从指数规律 （1）核衰变的指数规律 放射性原子核数N随时间t的增加，按指数 规律逐渐减少，如下图所示：

那么，lnN随t的增加按直线减少（如上图） 这一规律与实验发现的规律十分符合， 放射性原子核，不管什么衰变方式，都服 从指数衰减规律。但不同的放射性核素衰 变的快慢不同。此规律不受外界条件的影 响。

（2）衰变常数 λ是衰变常数 ，其物理意义为：

必须注意：λ是原子核 总衰变常数（总的 几率/单位时间），应等于各种衰变方式的 分支衰变常数λi，（第i个分支衰变的衰变 常数）之和：

（3）半衰期 放射形核素的半衰期—放射形原子核数衰 减衰减到原来数目的一半是所需的时间，

问题：总半衰期与分支半衰期之间的关系？ 半衰期是标志放射性核素稳定性的简单而 适用的物理量。在自然γ能谱测井中，几种 天然放射性核素半衰期，

（3）平均寿命 平均寿命—指放射性原子核平均生存的时 间。No个原子核中，从t=0到t=无穷都可 能有核衰变，在t t+dt时间内，有dN个 原子核衰变，这dN各原子核的寿命是t。 因此，平均寿命可作No个原子核命的累加 起来再被No除：

可见平均寿命与衰变常数互为倒数，这样 只要知道其中一个量，其他两个量可求。 （5）放射的活度 令Α=λΝ，则A为t时刻放射性核素的衰变率， 即单位时间放射性原子衰变数，称为t时刻 放射活度

分支比—第I种分支衰变的放射性活度Ai与 变的分支比 放射性活度是衡量放射性物质放射性强度 一个重要的物理量

常用的放射性活度单位

关于放射性几个常用概念和物理量 1电离辐射—能通过处级过程或次级过程引 起电离的带电粒子或不带电粒 子，它们混合组成的辐射。如 β¯射线、α射线、γ射线和中子 流等都是电离辐射。 2放射源—用作电离辐射的任何量的放射性 物质。

3 比放射性的活度（比活度） －单位质量放射性物质的放射性活度。即放射源的放射性活度与其质量比。用a表示： a=A/m (Bg/g 次衰变/sg Ci/g) a的大小表示放射源纯度的高低若放射源是一种纯的放射性核素：

4辐射强度 定义：放射性物质单位时间内放射粒子的 数目。量纲为粒子数/秒。 如：α、β和γ辐射强度分别为α粒子 /秒、β粒子/秒和γ粒子/秒。 注意：辐射强度与放射性活度 有本质 的区别。

1.2.2连续放射性衰变 连续衰变—原子核衰变往往是一代接一 代地连续下去直到最后达到稳定为止， 这种过程称为连续衰变

1.2.3放射性平衡 放射性平衡—原子核在衰变过程中， 常常由于母核和子核的衰变常数λ（ 或半衰期T）不同而出现动态平衡现 象，这就是所谓动态平衡。 两次衰变为例进行讨论如下：

1.2.4放射系 放射系—连续衰变系列，目前发现三个天 然放射系和一个人工放射系共四个 。 第一：天然放射系 地壳中本来就存在的放射系称为天 然放射系，有三个，母核的半衰期 与地球的年龄相近或更长。

（1）钍系（4n系） 该衰变系中的核素的质量数都是4的 整数倍，即A=4n故又称4n系

（2）铀系（4n+2） 铀衰变系中的核素的质量数A= 4n+2 故称4n+2系

（3）锕铀系（简称锕系，又称4n+3) 锕铀衰变系中核素质量数A= 4n+3称4n+3系

第二：人工放射系（4n+1系）

第一章完！