自然伽玛能谱测井曲线的质量控制

3012测井解释

一、沉积岩中铀钍钾的前生与后世

铀、钍、钾(U、Th、K)三元素是岩石中的主要放射性核素。

火成岩及变质岩含有较多的放射性物质,如长石和云母含有地层中大部分钾,其中K40有放射性,长石占火成岩矿物58%,云母占4%;角闪石及辉石也有较高的放射性,占火成岩的17%;放射性最高的锆石、独居石、揭帘石等,虽然含量极小(小于1%),但也常在火成岩中出现。

沉积岩一般不含放射性矿物,其自然伽马放射性主要是岩石吸附放射性物质引起的,所以沉积岩中的U、Th、K主要来源于火成岩。

钾主要来自钾长石和云母,它们风化时,析出伊利石、蒙脱石、高岭土等粘土矿物。钾少部分进入粘土矿物,大部分溶入水。在沉积过程中,由于被粘土矿物所吸附而局部富集。

钍主要来自化合物Th(OH)4,在风化过程中,容易水解,故具有一定限度的流动性,由于钍元素有较大的粒子半径,易被粘土矿物吸附,因此,除有些蒙脱石钍含量较低外,绝大部分粘土矿物都有比较恒定的钍含量。这一特点决定了Th曲线成为指示粘土含量的最好工具。

铀主要来自化合物UO2,极易溶解,因此具有很大的流动性,同时铀经常以各种复合形式与碳酸盐岩、有机物结合。

粘土矿物中,蒙脱石表面积最大,对放射性物质吸附能力强,含有较多氧化铀,对泥岩放射性贡献最大;伊利石内含有钾,对氧化铀离子也有一定的吸附能力,具有一定的放射性;而高岭石和绿泥石本身不含放射性核素,对放射性物质吸附力差,放射性低。生油粘土岩的粘土矿物常以蒙脱石和伊利石为主,而且富含有机质,容易吸附含铀和钍的放射性物质,因而比普通泥岩有较高的放射性。

总之,由于构造运动、地质环境变迁和U、Th、K性质的不同,使三元素重新富集或分散,决定了不同的沉积环境下三元素含量的不同不同的岩性剖面有不同的三元素含量。反之,通过确定三元素含量可以区分出不同的沉积环境和岩性。

如上所述,可知:

1、一般沉积岩的自然伽马放射性要低于岩浆岩和变质岩。

2、一般沉积岩的自然伽马放射性随岩石泥质含量增加而增加,含放射性矿物的岩石(如还绿石砂岩、独居石砂岩、钾岩除外)例外。

3、一般沉积岩中泥岩放射性最高,而石膏、硬石膏、岩盐等化学岩放射性最低。

4、一般砂岩和碳酸盐岩的U、Th、K含量随其泥质含量增加而增加,但水流作用也造成铀含量很高。

5、地层中铀与粘土含量没有规律性的联系(流动性),钍和钾的含量则与地层中的粘土含量有很好的相关性。因此,能谱曲线中的Th和K以及去铀GR曲线能够精确计算地层泥质含量,同时可以确定粘土类型。而粘土类型是指示沉积环境的直接依据,例如以含蒙脱土和伊利石粘土矿物为主的地层,往往是还原环境沉积的反映,以含高岭土粘土矿物为主的地层,则表明是氧化环境。

6、一般情况下:

(1)砂泥岩剖面: 泥岩中的Th和K的含量较高,且粘土的类型不同(高岭石、伊利石、绿泥石……)Th、K的含量不同。砂岩中U、Th、K的含量都很低。

(2)碳酸盐岩剖面: 纯碳酸盐岩(化学成因):Th、K很低。泥质含量增加,则Th、K的含量增加。

(3)蒸发盐岩: 钾的蒸发盐,K的含量比粘土中K的含量还高,而Th很低,而且不同的蒸发盐,K的含量不同。

(4)火成岩: Th/U≈4,且U含量与火成岩的类型关系好。

(5)有机质: U含量很高。

7、通常,将测量的U、Th、K,忽略各自的单位计算比值Th/U、Th/K和U/K,这些比值在地质上有相当大的意义。

例如: Th/U:大于7为陆相沉积,氧化环境或风化壳;小于7为海相沉积,灰色或绿色泥岩;小于2为海相黑色泥岩、磷酸盐岩。估计泥质地层的生油能力,Th/U愈低,有机碳含量愈高;指示较大的不整合面或至古滨线的距离,Th/U愈大则愈近。 Th/K:指示沉积环境,离古滨线的距离;识别不同沉积相的岩石类型;粘土矿物分类。 U/K:估计泥质沉积的生油能力,愈高愈好;指示天然裂缝系统,比值很高表示裂缝发育;地层对比,含铀矿物的标准层。

 二、能谱仪器的测量和刻度原理

U、Th、K三种放射性同位素,在衰变时发射的伽马射线,具有不同的能量特征。较易识别的是:铀系中的1.76MeV伽马射线,钍系中2.62MeV伽马射线,钾放射的1.46MeV伽马射线。根据这一原理,在三个特征能量附近的射线均是相应U、Th、K的贡献。 无论测井仪器使用几个能窗和采取什么样的方法,获取的都是U、Th、K的含量,只不过精度会有差别。

能谱仪器的现场刻度与其它仪器有所不同,分两部分完成。

第一步: 伽玛能谱测井仪在晶体顶端放置一个镅源,其发出的伽马射线能量为60keV,在能量道的105道上。按理来说,105道左右的计数应该是一样的,但由于仪器电路、产生光子的晶体和接收光子的光电倍增管及环境(温度)的变化,往往镅源的能量峰值不在105道,而且左右计数不相等。一般采取调整光电倍增管高压的方法实现镅源能量峰值在105道和左右计数相等,通常称这一过程为稳谱。调整高压有手动和自动两种方法。

第二步: 已知刻度模块的U、Th、K含量(工程值)、仪器的响应参数,求仪器的能谱刻度因子,即K值。  

三、能谱测井质量控制内容

1、稳谱的好坏决定了仪器是否稳定、测值是否准确,所以要时刻关注稳谱窗口的变化。

2、正确输入合适的刻度模块工程值和仪器的响应参数,求得正确的K值。

不正确的仪器、刻度模块位置、干扰(无关放射性物质)都会影响K值的结果。

3、由于能谱测井中计算量较大,所以速度必须得到控制。

4、存放和运输的时候要远离强放射源,以免晶体被活化。

能谱仪器不能和强磁的仪器(比如CCL)放在一起,以免磁化光电倍增管。

5、理解和用好验收标准

1)自然伽玛能谱仪器所测总自然伽马曲线与自然伽玛曲线基本一致(指形态上一致)。

一般自然伽玛通过“门槛”设置不记录较低能量的射线,所以伽马仪器所测伽玛值小于能谱仪器所测总伽马值,如高于总伽玛曲线说明其中仪器有问题。

2)铀(U)、钍(Th)、钾(K)数值符合地区规律。

在鄂尔多斯盆地,下古为海相沉积,本溪、太原组为海陆交混沉积,山西组以上基本为陆相沉积,所以能谱U、Th、K的曲线关系首先要符合海陆相的沉积关系。

【以下分析中U和Th的横向比例应一致,要求U、Th为0-20、K为0-4%】

上古陆相沉积地层,Th远远大于U,K的测量值除地层本身的贡献外,还受地层水和泥浆(KCL)的影响,造成K飘忽不定,但K的测量值仍高于U。 较纯的砂岩上U、Th、K的含量都很低,去铀伽玛低,但接近总伽玛。 泥岩上U、Th、K的含量较高,尤其是Th、K,所以总伽玛要比去铀伽玛高。当总伽玛值较高,去铀伽玛较低时,U值应该高。

下古海相沉积层,U和Th、K的含量差距明显缩小。在较纯的灰岩和白云岩上,U、Th、K含量不但接近,去铀伽马和总伽马也比较接近。 海陆交混带由于有机物的大量存在,所以U值较高,其它相带基本稳定在一定程度,但测值绝不会为零,如铀值回零说明仪器刻度有问题。

6、一些钻井液,如含重晶石和KCL的泥浆会影响能谱的测量。 溶于地层水中的铀离子能被重晶石[Ba(Ra)SO4]微晶吸附,泥浆替换后,有可能造成U值的降低。 含KCL的泥浆会普遍造成K值的增大。