第八章密度測井

第八章密度與巖性密度測井（FormationdensitylogLitho-densitylog）用伽馬射線源向地層發(fā)射伽馬射線用伽馬射線探測器測量伽馬光子與地層的康譜頓效應(yīng)產(chǎn)生的散射伽馬射線的計數(shù)率(強(qiáng)度)，得到地層的體積密度密度測井主要用于識別巖性、計算孔隙度、計算巖石的彈性及機(jī)械參數(shù)§1核物理基礎(chǔ)一、巖石的真密度、電子密度1.巖石的真密度(體積密度)ρb單位體積巖石的質(zhì)量，單位g/cm3飽和淡水的純巖石的密度：ρma—巖石骨架的密度ρf—孔隙流體的密度2.巖石的電子密度ne單位體積巖石中的電子數(shù)，單位是電子數(shù)/cm3由一種原子組成的巖石：電子密度：NA——阿佛加得羅常數(shù)，6.02×1023/molρb——體積密度（g/cm3)A——原子的質(zhì)量數(shù)（摩爾質(zhì)量）由單一化合物組成的巖石：式中：Zi——分子中第i種原子的原子序數(shù)

ni——分子中第i種原子的個數(shù)電子密度：一個分子中的電子數(shù)M——化合物分子的摩爾質(zhì)量二.巖石的電子密度指數(shù)和視密度電子密度指數(shù)ρe:單一元素組成的巖石:單一化合物組成的巖石:

1.電子密度指數(shù)測出電子密度就能確定體積密度2.巖石的視密度設(shè)巖石的骨架密度為ρma，孔隙度為φ，孔隙中充滿淡水，則巖石的體積密度ρb：若骨架的電子密度指數(shù)為ρme，巖石的電子密度指數(shù)ρe：對于淡水石灰?guī)r,ρma=2.710,ρme=2.7075,代入上兩式，合并消去φ得：巖石的視密度：密度測井儀器，在飽含淡水的純石灰?guī)r中刻度，在其它地層中得到的密度稱為視密度§2密度測井基本原理康譜頓效應(yīng)引起的伽馬射線減弱系數(shù)為：如果令μm=μ/ρb，則μm幾乎是常數(shù)，稱它為質(zhì)量康譜頓減弱系數(shù)，=μmρb一、密度測井基本原理σc,e—電子的康普頓散射截面，Er=0.25-2.5Mev時，近似為常數(shù)1、選用Cs137作為源,發(fā)射能量為0.662Mev的伽馬光子2、用伽馬射線探測器，記錄散射伽馬計數(shù)率，且探測起始能量定為0.1~0.2MeV,能在很大程度上避免光電效應(yīng)的影響3、伽馬源與伽馬射線探測器中點間的距離稱為源距;4、貼井壁測量5、源與探測器間有伽馬吸收物質(zhì)（鉛）6、探測器接收到的散射伽馬射線強(qiáng)度（計數(shù)率）決定于兩個過程：（1）源發(fā)射的光子經(jīng)地層一次或多次散射后能到達(dá)探測器的光子數(shù)（2）射向探測器的光子被再散射而改變方向或被吸收的光子數(shù)哪個過程起主導(dǎo)作用取決于源距7、散射伽馬計數(shù)率與源距的關(guān)系（1）當(dāng)源距較小時，密度越大，計數(shù)率越高（2）當(dāng)源距較大時，密度越大，計數(shù)率越低（3）零源距(d0)，儀器對密度失去靈敏度的源距，大于零源距的為正源距，密度測井都采用正源距。（4）視源距da：實際源距與零源距之差da=d-d0（5）設(shè)零源距計數(shù)率為N0，源距d時計數(shù)率為:兩端取對數(shù)：計數(shù)率對密度的靈敏度：令：將A、B代入上式，得：8、密度測井采用不同源距的兩個伽馬射線探測器，以補(bǔ)償泥餅對測量的影響，稱為補(bǔ)償密度測井。常用短源距為15~25cm，長源距為35~40cm（1）滲透性地層的井壁通常積有泥餅，它對計數(shù)率的貢獻(xiàn)與儀器的探測深度有關(guān)1、影響的定性描述（2）用蒙特卡羅方法，考察源距分別為30cm和50cm的儀器對純石灰?guī)r骨架的探測深度。計算結(jié)果表明，計數(shù)的90%來自經(jīng)向厚度大約5cm的地層，泥餅的影響不能忽略二、泥餅對計數(shù)率的影響2、影響密度測井值的因素地層密度b，地層平均原子序數(shù)Zb，泥餅厚度hmc，泥餅密度mc，及泥餅平均原子序數(shù)Zmc

Zmc：當(dāng)泥餅含60%的重晶石時，實際密度2.5g/cm3，對計數(shù)率的影響卻相當(dāng)于不含重晶石泥餅密度3.55g/cm3

,影響不能忽略mc*

：（泥餅視密度）用于綜合mc

和Zmc

的影響。不含重晶石的泥餅mc*=

mc

，而含重晶石的泥餅mc*>

mc

3、泥餅影響的實驗研究用下標(biāo)L表示長源距,S表示短源距無泥餅影響,所以有：ρL=ρS=ρb，兩式合并得：(1)無泥餅或?qū)懗桑杭撮L、短源距探測器計數(shù)率（對數(shù)坐標(biāo)）呈線性關(guān)系，所確定的直線稱為“脊線”，它與橫坐標(biāo)的夾角叫“脊角”（2）給定的ρb和ρmc*（ρb＝2.5g/cm3，ρmc*=1.5g/cm3),當(dāng)泥餅厚度由小到大，直至充分大時，lnNL和lnNS將呈偏離“脊線”的曲線段，它起于ρb（泥餅厚度為0），止于ρmc*（泥餅厚度充分大，地層無影響）（3）保持ρmc*=1.5g/cm3不變，對ρb＝3.0、2.5、2.0g/cm3三種地層分別改變泥餅厚度時，各曲線變化趨勢與第二種情況相同，并且都趨向ρb＝ρmc*=1.5g/cm3的脊線點（4）保持ρb＝2.5g/cm3不變,分別改變ρmc*(1.5、2.0、3.0g/cm3)和泥餅厚度，當(dāng)ρmc*<ρb時,lnNL和lnNS的關(guān)系曲線在脊線下方，起始部分相同,而后分別趨向于ρmc*（1.5、2.0）的脊點上；當(dāng)ρmc*>ρb時,關(guān)系曲線在脊線上方，起于ρb＝2.5，止于ρb＝ρmc*=3.0的脊點上如果對ρb＝1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9g/cm3，分別在有限范圍內(nèi)改變泥餅視密度和厚度，可繪成“脊肋圖”，泥餅影響線稱為肋線三、雙探測器計算ρb的方法1.計算ρb的方程將后式代入前式得：將L和S與計數(shù)率的關(guān)系式代入得：令：上式說明，ρb主要決定于長源距計數(shù)率求出的密度Δρ—代表泥餅的影響，稱為泥餅影響補(bǔ)償值，普通泥漿Δρ>0，重晶石泥漿Δρ<0密度測井通常記錄ρb和Δρ兩條曲線2.理想脊肋圖(1)當(dāng)Δρ=0時,即沒有泥餅影響,得脊線方程：脊線的斜率為:AL/AS脊角α為:

理想脊肋示意圖每給定一個ρb

值，就能作出一條肋線，而上式描述的是以ρb為參量的一簇平行線(2)當(dāng)Δρ≠0時，有泥餅影響,得肋線方程:肋線斜率：肋角β：

理想脊肋示意圖四、密度測井儀刻度方法(一)、出廠刻度（得到儀器的脊肋圖）1、脊線刻度：用兩個不同密度（已知）的刻度塊得到AL、AS、BL、BS→計算出α2、肋線刻度用一個刻度塊(ρb已知），加上模擬泥餅，測量得到NL,NS由NL,NS,ρb得到肋線和β

理想脊肋示意圖(二)、日?？潭華,B與AL,AS,α,β有關(guān),AL,AS,α,β只與儀器尺寸有關(guān),常數(shù)C與AL,AS,α,β有關(guān),還與BL,BS有關(guān),受窗口磨損、元件等影響(對鋁塊測量NL,NS)五、地層補(bǔ)償密度測井響應(yīng)的模型估算（縱向分辨率）設(shè)對密度測井計數(shù)有貢獻(xiàn)的介質(zhì)為一半球體，按體積加權(quán)的近似算法分別研究長、短源距探測器的響應(yīng)，其正演公式為：式中：ωi——第I區(qū)的體積加權(quán)系數(shù)；

ρi——第I區(qū)的視密度；

ρa(bǔ)——正對目的層中心的視密度計算時取：長源距34.5cm，短源距19cm，泥餅厚度1.0cm，泥餅視密度2.0g/cm3，地層密度2.65g/cm3，圍巖密度2.3g/cm3密度曲線的縱向分辨率約為源距(長源距)六、主要應(yīng)用1.求孔隙度含水純巖石：2、計算礦物含量和孔隙度含水泥質(zhì)巖石：含油氣泥質(zhì)巖石雙礦物純巖石：3.劃分含氣地層含氣地層，ρb

降低，使用密度計算的孔隙度增大而中子曲線因氣層的含氫量降低，使中子孔隙度變小所以利用密度測井和中子測井曲線重合可劃分氣層作業(yè)七1.密度測井時，在淡水石灰?guī)r中對儀器進(jìn)行刻度，推導(dǎo)視密度(儀器讀數(shù))ρa(bǔ)與電子密度指數(shù)ρe之間的關(guān)系式，并計算飽含淡水孔隙度為20%的砂巖的體積密度和視密度（已知方解石的密度為2.71g/cm3，電子密度指數(shù)為2.075；淡水的密度為1.000g/cm3，電子密度指數(shù)為1.11；石英的密度為2.654g/cm3，電子密度指數(shù)為2.650）2.方程把電子密度e和測井儀器讀數(shù)log聯(lián)系起來，log與體積密度b最相關(guān)。該方程已經(jīng)規(guī)定，儀器讀數(shù)相當(dāng)于水—石灰?guī)r混合物的b。問對淡水和砂（SiO2）的混合物的測井讀數(shù)使用什么變換才能得到體積密度？§3巖性密度測井一、巖石的光電吸收截面線性光電吸收系數(shù)(宏觀光電截面)：

每個電子的平均光電吸收截面為：定義巖性指示參數(shù)Pe，稱為光電吸收指數(shù)：為了使用體積模型，定義另一個巖性參數(shù)U(體積光電吸收指數(shù))：重晶石(Barite):Pe=266.82,ρb=4.5二、伽馬射線的能譜成分

單能的伽馬射線通過一定厚度的介質(zhì)以后:1.能譜成分變化:由單能射線變成能量在0~hυ0之間的復(fù)雜射線,原因是康譜頓效應(yīng)2.強(qiáng)度發(fā)生變化:降低,原因是光電效應(yīng)和電子對效應(yīng)Cr51放出323Kev的單能伽馬射線1、無吸收介質(zhì)時，在323Kev處出現(xiàn)光電峰2、經(jīng)過5cm的人造砂，出現(xiàn)光電效應(yīng)峰、一次散射峰、多次散射峰3、砂厚大于35cm,能譜曲線形狀基本相同，只有一個多次散射峰2、在Er>0.2Mev的譜段，相對計數(shù)率受Pe影響很小，且計數(shù)率隨能量增大而降低；3、在Er<0.1Mev的譜段，隨能量降低，光子相對計數(shù)率逐漸減小，光電吸收漸成主要的作用，對Pe反應(yīng)敏感1、在Er0.1Mev處出現(xiàn)極大值，且Pe越大，峰幅度降低并向右移動；ρb

相同而Pe不同的巖石中測得的散射伽馬能譜三、散射伽馬譜的采集和譜特點1、探頭的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集（1）用Cs137作為源，長短兩個源距的閃爍探測器（碘化鈉晶體），測量經(jīng)地層散射后射入晶體的伽馬光子。（2）探測器貼井壁處開的窗口用低Z值的鈹，以保證所有能量的伽馬光子都能被探測到。A、對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理、扣除本底計數(shù)

（3）井下采用快速A/D轉(zhuǎn)換，能量在40~800KeV范圍內(nèi)分256道進(jìn)行能譜積累，將全譜數(shù)據(jù)傳到地面，地面計算機(jī)將做如下處理：B、進(jìn)行實時能量刻度

C、根據(jù)刻度結(jié)果按設(shè)計好的能量段把全譜分成8個能窗，并計算出各能窗的計數(shù)率

D、用轉(zhuǎn)換模型將能窗計數(shù)率轉(zhuǎn)換為密度、巖性參數(shù)（Pe)2、散射伽馬譜的特征1）在100keV的附近有一個散射峰，將散射伽馬分成兩部分，分界點隨Pe值的增高而向右移動。2）在分界點的右邊，康普頓效應(yīng)占優(yōu)勢，窗計數(shù)率的變化反應(yīng)電子密度指數(shù)ρe的變化，可利用這一譜段求取地層密度。3）在分界點的左邊，光電效應(yīng)占優(yōu)勢，但也受康普頓效應(yīng)的影響，用這一能窗計數(shù)率與高能窗計數(shù)率比值確定Pe值4）模型計算和實測都證明，長短源距探測器記錄的散射伽馬譜的基本特征是相同的。四、Pe

測量與計算1、取長、短源距探測器在W3、W4兩個能窗的計數(shù)率NL、NS來計算ρb。2、計算Pe值時，用長、短源距探測器在W1窗的計數(shù)率NLLITH、N