放射性γ测井及其应用

远方~ · 发表于 2020-6-19 15:24

本节内容节选至【郭崇光等编著. 水文地球物理测井方法与应用. 北京：煤炭工业出版社, 2006.06.】

γ测井是沿井身测量岩层的自然γ射线强度。岩石的自然放射性是由于岩层中含有铀、钍、锕及钾的放射性同位素而引起的。由于不同的岩层往往具有不同的自然放射性，因此可以根据γ测井曲线来判断岩性、划分渗透性地层及钻孔的地质剖面。

一、岩石的放射性

岩石的放射性与岩石内放射性元素铀、钍、锕及钾的同位素(19K40)的含量有关。固体物质放射性元素的含量，常以镭浓度单位mol/g来表示，即在1g岩石中含有1mol镭的放射性物质1mol/g。浓度单位也可以用百分数来表示。

一般岩石的放射性都较弱，沉积岩中所含的放射性元素是由含铀、钍及钾 (19K40)等放射性元素的原生矿物经破坏、搬运而沉积下来的。在沉积过程中，所含放射性元素的原生矿易溶解者，则变为放射性元素的水溶液而被带走；不易溶解者，则破碎颗粒形成机械搬运沉积。因此，不同沉积岩所含的放射性元素是不同的。下图所示为几种主要沉积岩的放射性。

几种主要沉积岩的放射性

一般情况下，沉积岩的放射性强弱主要取决于泥质（黏土）含量，泥质含量多，岩石的放射性就强，这是因为：①泥质（黏土）颗粒细，具有较大的比表面，因而它吸附放射性元素的能力强。②泥质颗粒细，沉积所需时间长，有充分的时间使铀从溶液中分离出来，并与泥质颗粒一起沉积下来。③泥质沉积物中，含钾的矿物（如水云母、正长石等）较多，因而放射性钾(19K40)也随之增多。

由于沉积岩的自然放射性强度主要取决于泥质含量，因此自然γ测井曲线可以用来划分泥质层和非泥质层，估计岩层的泥质含量，进行地层对比等。

煤中的有机质（由碳、氢、氧、氮等元素组成的有机化合物）和无机质（矿物杂质和水分）都不是放射性物质，因此在一般情况下，煤层的放射性均很弱。煤层放射性的强弱与煤的灰分含量有很密切的关系。灰分增高，煤层的放射性也随之增强，某些高灰分煤层的放射性甚至比围岩还要高。

火成岩的放射性以酸性火成岩为最大，因为它含有地壳中大部分的钾和铀一钍元素，基性和超基性火成岩的放射性则很小。

二、γ测井的基本原理

下图所示为γ测井的原理示意图。γ测井仪由井下仪和地面控制面板两部分组成。闪烁计数器（探测器）由NaI晶体和光电倍增管组成，安装在井下仪中，用它来接收岩层的自然γ射线，并转换成电脉冲。井下仪器中的高压电源是供给闪烁计数器工作的必须的直流高压。由闪烁计数器产生的电脉冲，经前置放大后，沿电缆输送到地面控制面板。控制面板内的电子线路主要把井下送来的脉冲信号变换成单位时间内与脉冲数成正比的电位差，用测井记录仪将此电位差连续地记录下来，便得到γ测井曲线。

地层的放射性越强，单位时间内进入闪烁计数器的γ量子就越多，则γ测井曲线上的计数率也就越高。

γ测井原理示意图

三、γ测井曲线的应用

在水文地质勘探中，γ测井曲线主要用来划分岩性和进行井孔问地层剖面对比。

1、判断岩性、划分渗透性岩层

γ测井是根据岩石中放射性物质多少来划分钻井剖面的。在一般情况下，岩层γ射线强度与岩石的泥质含量成正比。实际资料表明，当岩粒本身不含放射性物质时，沉积岩的放射性强度依砾岩一砂岩一粉砂岩一泥岩（黏土）的顺序，随着渗透性程度的减小而递增。因此，可以根据自然γ射线的强弱划分出渗透性地层。因为自然电位测井也是根据泥质含量多少来划分渗透性地层的，所以在多数地区γ测井的作用显得并不突出。但是在膏盐剖面地区，由于泥浆盐化，自然电位曲线得不到好的结果，γ测井的地位就比较重要了。例如，在我国某膏盐地区的井中，由于泥浆电阻率非常低，自然电位曲线几乎是一条直线，所以划分渗透性地层的任务主要由γ测井完成。在该地区岩盐层的自然γ射线强度最低，泥岩最高，其他岩层介于其间。根据大量资料分析证明，如把岩盐和泥岩的幅度差划为10等分，则曲线幅度在5以下的为泥质含量少，渗透性好的砂岩；5～7之间为泥质含量较大，渗透性差一些的砂岩；7以上，认为是不渗透的泥质岩石。

需要指出，根据γ测井划分渗透性地层时，砂岩层本身应不含放射性矿物（如海绿石等）。

2、地层对比

利用γ测井曲线进行地层对比有下列优点。

(1)γ测井曲线读数，在一般情况下和岩石孔隙中的流体性质（油或水，地层水矿化度）无关

(2)γ测井曲线一般与泥浆性质无关；

(3)在Y测井曲线上容易找到标准层。

因此，利用γ测井曲线与视电阻率曲线、γ-γ曲线相配合进行地层对比，是研究岩、煤层变化规律的可靠方法。

按地质时代划分岩层段，对于正确进行地层对比具有重要意义。我国许多煤田的实测资料证明，同一类型而不同时代的沉积岩，其放射性元素含量由老到新逐渐降低。这一规律与沉积环境和放射性物质的来源有关。特别是第四纪冲积层，由于时代晚，沉积时间短，松散而富含水，常使溶于水的放射性元素随地下水分散转移，因此放射性往往表现最弱（下图)。这样，由于新老地层的放射性物质含量不同，利用自然Y曲线就能按地质时代划分岩层段，从而为区域地层对比打下良好的基础。在进行地层对比时，首先应根据自然γ、γ-γ和电阻率等综合曲线划分层段，找出地层层序，建立区内有代表性的测井曲线标准柱状；然后在此基础上，根据区内的测井标志层，再对各钻孔进行层段划分，确定对比线，编制沿走向或沿倾向的剖面对比图。