脈沖中子測井輻射檢測方法

A. 地球物理測井包括哪些方法

油氣田的地球物理法包括地球物理勘探和地球物理測井。地球物理勘探已在前一節中做了介紹，本節將介紹地球物理測井方法，簡稱測井。

地球物理測井已廣泛應用於石油地質勘探和油氣田開發過程中。應用測井方法可以劃分井筒地層剖面、確定岩層厚度和埋藏深度、進行區域地層對比，還可以探測和研究地層的主要礦物成分、裂縫、孔隙度、滲透率、油氣飽和度、傾向、傾角、斷層、構造特徵、沉積環境與砂岩體的分布等參數，對於評價地層的儲集能力、檢測油氣藏的開采情況、精細分析和研究油氣層等具有重要的意義。

目前，常用的測井方法主要有電法測井、聲波測井和放射性測井等。

一、電法測井不同岩石的導電性不同，岩石孔隙中所含各種流體的導電性也不同。利用該特點認識岩石性質的測井方法稱為電法測井。電法測井包括自然電位測井、電阻率測井和感應測井等。

1.自然電位測井1)基本原理自然電位測井是根據油井中存在著擴散吸附電位進行的。在打井鑽穿岩層時，地層岩石孔隙中含有地層水。地層水中所含的一定濃度的鹽類要向井筒內含鹽量很低的鑽井液中擴散。地層水所含的鹽分以氯化鈉為主，鈉離子帶正電，氯離子帶負電。由於氯離子移動得快，大量進入井筒內鑽井液中。致使井內正對著滲透層的那段鑽井液帶負電位，形成擴散電位。而這種電位差的大小與岩層的滲透性密切相關。地層滲透性好，進入鑽井液里的氯離子就多，形成的負電位就高；地層滲透性差，氯離子進入鑽井液里就少，形成的負電位就低。因此，含油滲透層在自然電位曲線上表現為負值，而不滲透的泥岩層等則顯正值(圖3-2)。

圖3-8判斷油氣水層的測井資料綜合解釋

另一方面要對測井以外的資料(如該井的鑽井、地質和工程資料等)進行綜合分析和解釋，搞清楚油層、氣層和水層的岩性、儲油物性(孔隙度和滲透率)、含油性(含油飽和度、含氣飽和度或含水飽和度)等。

思考題

1. 什麼叫油氣田？什麼叫含油氣盆地？

2. 區域勘探和工業勘探分別可劃分為哪兩個階段？

3. 地球物理勘探法主要包括哪些方法？簡述各種方法的基本原理。

4. 地球化學勘探法的主要原理是什麼？具體包括哪些方法？

5. 地質錄井包括哪些方法？

6. 地球物理測井主要包括哪些方法？分別主要有哪些用途？

7. 簡述聲波測井的基本原理。

B. 請問有誰知道，PNN(脈沖中子-中子)測井儀，採用的什麼數據處理方法

PNN是脈沖中子一中子(Pulse Neutron Neutron)儀器的簡稱,使用中子發生器向地層發射14.1MeV的快中子,經過一系列的非彈性碰撞(10-10-s)和彈性碰撞(10-610-3s),當中子的能量與組成地層的原子處於熱平衡狀態時,中子處於熱中子能量級,此時它的能量是0.025eV左右,速度2.2×103cm/s,直到被地層俘獲。PNN儀器利用兩個探測器(即長、短源距探測器)記錄從快中子束發射30us後的1800us時間內的熱中子記數率,每個探測器均將其時譜記錄分成60道,每道30us,根據各道記錄的熱中子記數生成熱中子時間衰減譜,從而可以有效地求取地層的宏觀俘獲截面。同時利用兩個中子探測器上得到的中子記數的比值就可以計算儲層含氫指數。據此在低礦化度地層水條件下,分辨近井地帶的油水分布,計算含油飽和度、劃分水淹級別、求取儲層孔隙度、計算儲層內泥質含量及主要礦物含量等等。與傳統的中子壽命測井相比,中子壽命測井記錄的是熱中子與地層俘獲反應釋放出的伽馬射線,反推熱中子的時間壽命,而PNN直接記錄俘獲反應前後熱中子記數率。
中子在任何一個時間的數量可以表達成為這樣一個公式:N1 = N0*e (-v*Σabs*t1)

C. 脈沖中子測井原理

（一）碳氧比伽馬能譜測井的譜分析和數據處理

圖3-57是碳氧比能譜數據採集時序示意圖，對應每一脈沖中子重復周期設置三個數據採集時間門：非彈性門與中子發射持續時間對應，主要測量由快中子非彈性散射產生的伽馬射線；同時還記錄上一周期剩餘的俘獲輻射和活化產生的伽馬射線；為得到「凈譜」，需從總譜中扣除本底，本底門設置在非彈性門之後，測量本底的近似值；非彈性譜門測量俘獲伽馬能譜。

1.伽馬能譜的解析

測井得到的中子非彈性散射伽馬譜和俘獲伽馬譜都是由多種核素生成的混合譜，解析就是從混合譜中將每種核素的貢獻分離出來，方法和自然伽馬能譜處理類似。以中子非彈性散射伽馬譜為例，設第j種核素快中子非彈性散射截面為σ_j，單位體積岩石中該種元素（穩定核素的豐度為常數）的原子數為n_j，它對i道計數率y_i的貢獻y_ij應與乘積x_j=σ_jn_j成正比，即

地球物理測井

式中：α_ij為第j種核素對i值計數率的響應系數；y_i中包含所有核素的貢獻和統計及測量誤差ε_i，有

地球物理測井

若道數為m，有貢獻的核素為s種，m＞s，並考慮到各道計數率精度差別很大，用加權最小二乘法得到一矩陣方程：

地球物理測井

式中：A為響應系數組成的m×s階矩陣；A^T為A的轉置矩陣；W為權因子ω_i組成的對角矩陣，i=1，2，…，m；X為由s種核素的x_j組成的列矩陣；Y為m道計數率組成的列矩陣。

對X求解，得：

地球物理測井

令

地球物理測井

有

地球物理測井

式中，E為s×m階矩陣。

從演算法上看，E是一數字濾波器，通過它能從實測混合譜中將每種元素的貢獻提取出來。對¹²C、¹⁶O、²⁸Si、⁴⁰Ca分別得到x_C、x_O、x_Si、x_Ca，並定義碳氧化和硅鈣比分別為

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x_j與地層中j種元素的非彈伽馬發射率成正比，也叫產額系數。用同樣的方法對俘獲伽馬譜進行解析，可獲得x_H、x_Cl、x_Si、x_Ca、x_Fe、x_S、x_n等參數，它們都是相應元素的俘獲輻射產額系數。

用上述方法對全譜進行解析，充分利用已獲取的信息會遇到兩點困難：①道計數率低，統計精度不高；②元素的標准譜難以獲得，如在原油中測得碳譜，原油對伽馬射線的散射和吸收與地層不同，同樣鈣和硅元素的標准譜也不易測定。若從全譜中選定幾個特徵道區（能窗），其積分計數率將會有較好的統計精度，再用礦物的標准譜代替元素的標准譜對儀器進行刻度，會更接近地層的實際情況。

2.碳氧比能譜測井的探測深度和環境影響

（1）碳氧比能譜測井的探測深度

實驗數據如圖3-58。當源距為55.88 cm時，探測深度為21.336 cm；源距增大到68.58 cm時，探測深度增大到 28.448 cm。由此可見：①碳氧比能譜測井的探測深度較小，井的影響不能忽視；②探測深度與源距有關，用較小源距研究井眼的影響和尋求井眼環境的校正方法。

圖3-58 碳氧比能譜測井的探測深度

（2）碳氧比能譜測井的環境影響

碳氧比能譜測井儀器的源距不同，井眼和地層條件不同，探測深度也不盡相同。其探測深度一般不超過30 cm，國內外模型實驗都證明了這一點。若水侵入油層深度超過20 cm，用碳氧比很難區別油層和水層。在裸眼井中，侵入帶一般都超過這一范圍。在已射孔的套管井，除侵入影響外，還有套管和水泥環的影響，情況更為復雜。

對未射孔的套管井，為使侵入帶消失，需要等適當的時間。此時井眼中流體的類型直接影響測得的碳氧比值，而水泥環對碳氧比及硅鈣比都有影響。

3.響應方程

碳氧比能譜測井的主要用途，是在孔隙水的礦化度低、不穩定或未知的條件下，在套管井中測定地層的含油飽和度，特別是測定注水開發油層的剩餘油飽和度。在其他條件相同情況下，當含油飽和度高時，單位體積地層中碳原子數較多而氧原子數較少，或者說碳氧原子數比值較高。作為用碳氧比求含油飽和度的基礎，先計算單位體積地層中的碳和氧原子數。

（1）單位體積地層中的碳和氧原子數及其比值

設a為每立方厘米原油中碳原子的數目，b為每立方厘米岩石骨架中碳原子的數目，c為每立方厘米淡水中氧原子的數目，d為每立方厘米岩石骨架中氧原子的數目。若原油密度為0.87 g/cm³，分子式為C_nH_2n，可以算得：

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每立方厘米淡水中氧原子的數目為

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對純砂岩地層，岩石骨架中不含碳，b=0；而每立方厘米岩石骨架中氧原子的數目為

地球物理測井

對石灰岩地層，每立方厘米岩石骨架中碳原子的數目為

地球物理測井

氧原子的數目為

地球物理測井

純砂岩地層中，孔隙度為φ，含油飽和度為S_o，則每立方厘米岩石的碳原子數為

地球物理測井

每立方厘米岩石的氧原子數為

地球物理測井

碳氧原子數比的響應方程為

地球物理測井

由式（3-122）可見，給定孔隙度φ，碳氧原子數比與含油飽和度S_o有單值關系，由此式可繪制出關系曲線如圖3-59所示。

從式3-122和圖3-59可以看出：當孔隙度大時，曲線的斜率大，測定含油飽和度的靈敏度高；對孔隙度相同的地層，含油飽和度高時靈敏度高；孔隙度高和含油飽和度也高的地層對碳氧比測井有利，可達到較高的精度。低孔隙度和高含水地層對測井不利，得不到理想的效果。

純石灰岩地層中，碳氧原子數比為

地球物理測井

相應圖形見圖3-60。

與圖3-59相比，圖3-60的不同之處有：①當含油飽和度為零時，碳氧原子數比為0.333，比孔隙度為35%和含油飽和度高達90%的純砂岩地層還要高。②當含油飽和度達到20%時，孔隙度不同的各條曲線交於一點，將曲線簇分成兩部分。③當含油飽和度小於20%時，對應於同一含油飽和度，孔隙度大的地層碳氧原子數比值低。④當含油飽和度大於20%時，對應於同一含油飽和度，孔隙度大的地層碳氧原子數比值高。

由以上分析可知，識別岩性對碳氧比能譜測井定量解釋非常重要。

圖3-59 純砂岩碳氧原子數比（COR）與含油飽和度的關系

圖3-60 純石灰岩碳氧原子數比（COR）與含油飽和度的關系

（2）產額（系數）比和含油飽和度模型

地層的碳氧產額比為

地球物理測井

式中：A=σ_C/σ_O，即截面比。令

地球物理測井

式中：n_C1、n_C2為單位體積地層中岩石骨架和孔隙流體中的碳原子數；n_O1、n_O為單位體積地層中岩石骨架和孔隙流體中的氧原子數；B_C、B_O為井內流體對碳和氧測量結果的影響。

顯然，這幾個量分別與地層中骨架、油和水的相對體積以及井液中的持油率或持水率成正比，有

地球物理測井

式中：Y_w為井液持水率；K_C1、K_C2為碳的非彈性散射伽馬產額對岩石骨架和油的相對體積的靈敏度；K_O1、K_O2為氧的非彈性散射伽馬產額對岩石骨架和水的相對體積的靈敏度；K_C3、K_O3為碳或氧的非彈性散射伽馬產額對井眼中持油或持水率的靈敏度。

在岩性和孔隙度已知的情況下，對單探測器儀器求含油飽和度或含水飽和度，除需通過刻度井確定式（3-125）的六個系數外，還需測定持水率，或用實驗方法測定井液影響校正曲線。但是，對雙探測器儀器，可利用長、短源距探測器探測范圍的差別（圖3-61）來補償井液的影響。

雙探測器儀器的解釋模型是一組聯立方程。長、短源距探測器的產額比分別為

地球物理測井

解方程組可得S_w和Y_w。

（3）其他產額比和岩性、孔隙度、泥質和礦化度響應

地層碳氧比主要反映含油飽和度，也可稱碳氧化能譜測井的含油飽和度響應，簡稱飽和度響應或含油飽和度指數。類似的比值有四個。

圖3-61 長、短源距探測器探測范圍示意圖

岩性指數：

地球物理測井

純碳酸鹽岩岩性指數近於零，純砂岩岩性指數近於一。因受套管外水泥環的影響，即使是純砂岩，測出的岩性指數也小於一。岩性指數幾乎不受孔隙度、含油飽和度和地層水礦化度的影響。用硅鈣非彈性散射伽馬產額或俘獲伽馬產額比，都能指示岩性，並可用以校正碳酸鹽岩的碳氧化。

孔隙度指數：

地球物理測井

式中各個元素的產額由俘獲伽馬譜求出，孔隙度指數可定性指示孔隙度的大小。

泥質指數：

地球物理測井

式中各個元素的產額由俘獲伽馬譜求出。

在裸眼井中，泥質指數從零到大於1；而對套管井，該指數可達1.5～2.5。

礦化度指數：

地球物理測井

在有利條件下，這一俘獲伽馬產額比可定性指示地層水礦化度。

（4）各元素產額曲線的比較和監測剩餘油飽和度

圖3-62是石灰岩地層，從深度A～B為油層，B以下為水層，裸眼完井，井徑為16 cm；井中充滿原油，井眼內油水界面在深度D處。從x_C、x_O、x_Cl和x_H四條曲線上，都能將這兩個界面分出來；鈣的非彈性散射和俘獲伽馬產額x_Ca均與零線接近，而非彈性散射鈣產額高，正確地指示出岩性為石灰岩；地層和井筒中氯的影響，，使C～D和D以下井段x_Cl升高，x_H和鈣俘獲產額x_Ca降低；鐵的非彈性散射和俘獲產額都近於零。對元素產額曲線的變化特點有深刻理解之後，各種比值曲線和由比值導出的飽和度曲線的變化規律和解釋方法也就不難理解了。

圖3-62 元素產額曲線圖

若用S_Ol和S_O2分別表示在裸眼井用電測井確定的原始含油飽和度和用碳氧比測井測出的剩餘油飽和度，比較這兩條曲線就可觀察到原油采出的程度和油水界面的變化。

（二）脈沖中子孔隙度測井

脈沖中子孔隙度測井是用同位素中子源的中子孔隙度測井的替代方法，比較典型的儀器是APS測井儀。

1.APS陣列脈沖中子測井儀

圖3-63為APS陣列脈沖中子測井儀示意圖。脈沖中子發生器發射14 MeV的中子，由五個³H計數管記錄超熱中子和熱中子。儀器有貼井壁裝置，中子計數管的背後用碳化硼屏蔽起來，以消減井液的影響。最大的一對超熱中子探測器，由短源距和長源距超熱中子計數管組成，用與補償中子測井類似的計數率比值法求地層的中子孔隙度。在上述兩個計數器之間有三個計數器組成陣列，離源較近的一對是超熱中子探測器，離源較遠的一個是熱中子探測器。用成對超熱中子探測器測量：①與時間無關的超熱中子計數率，高解析度薄層超熱中子測井曲線；②與時間無關的超熱中子計數率，即中子脈沖間隔中的超熱中子計數率時間分布，其衰減常數是快中子慢化時間的量度，與地層含氫指數相關。矩陣中的熱中子探測器，測量熱中子計數率的時間分布，求地層的熱中子宏觀截面Σ或熱中子壽命τ。

2.中子慢化時間與孔隙度的關系

圖3-64為不同孔隙度石灰岩超熱中子計數率衰減曲線。可以看出，孔隙度大的地層計數率衰減快，孔隙度小的地層衰減慢。圖3-65 給出慢化時間的倒數與孔隙度的關系，石灰岩、白雲岩和砂岩三種不同岩性數據點偏離不明顯，即對岩性不敏感。實驗表明，用比值法求出的超熱中子孔隙度受岩性影響較大。這是因為，能量較高的快中子最初的一二次碰撞所佔時間非常短，對慢化時間貢獻很小，慢化時間主要是由能量已降低的中子與氫核的彈性碰撞決定的；用計數率比值法求孔隙度，通過測量中子慢化長度來求地層孔隙度，最初幾次碰撞對中子慢化長度影響很大，因而受岩性影響較大。

（三）熱中子壽命測井

熱中子壽命測井，也稱熱中子衰減時間測井。用脈沖中子源向地層發射能量為14 MeV的中子，測量熱中子或俘獲伽馬計數率隨時間的衰減，算出地層的熱中子宏觀俘獲截面或壽命。在地層水礦化度高時，可求出地層含水飽和度。

圖3-63 APS結構示意圖

1.岩石的熱中子壽命和宏觀俘獲截面

熱中子壽命τ是指熱中子從產生的瞬時起到被俘獲的時刻止經過的平均時間。由計算可知，它等於原有的熱中子已有63.2%被俘獲而剩下的還有36.8%所經歷的時間。在常遇地層中，熱中子壽命τ主要與含氯量有關。熱中子壽命τ與宏觀俘獲截面Σ的關系為

地球物理測井

式中：v為熱中子速度，cm/s。

圖3-64 石灰岩超熱中子計數率衰減曲線

圖3-65 慢化時間與孔隙度的關系

熱中子速度與環境溫度有關，即

地球物理測井

式中：T為絕對溫度。

若熱中子壽命τ以μs為單位，並將25℃時的熱中子速度2.2×10⁵ cm/s代入式（3-131），有

地球物理測井

測井時，通常選用10^-3cm^-1作為宏觀俘獲截面的單位，記作cu，於是有

地球物理測井

單一化合物的宏觀俘獲截面可用式（3-135）計算，即

地球物理測井

式中：ρ為密度，g/cm³；n_i為化合物分子中第i種原子的個數；σ_i為第i種原子核的微觀俘獲截面；m為相對分子質量。

純岩石的熱中子宏觀俘獲截面為

地球物理測井

式中：Σ_ma、Σ_w、Σ_h分別為岩石骨架、地層水和烴的熱中子宏觀俘獲截面。

當地層含泥質時，式（3-136）變成：

地球物理測井

式中：V_sh、Σ_sh分別為泥質的相對體積和熱中子宏觀俘獲截面。

表3-15給出幾種礦物的宏觀俘獲截面和壽命值。

從式（3-136）、式（3-137）和表3-14中數據可見：①高礦化度地層水熱中子宏觀俘獲截面比石英、白雲石和方解石等孔隙性岩石骨架礦物大一個數量級，是淡水或原油俘獲截面的2～3倍，因而一般儲層的宏觀俘獲截面主要決定於高礦化度地層水的相對體積。②高礦化度地層水的熱中子宏觀俘獲截面和壽命與原油有明顯區別，因而用中子壽命測井可測定含水飽和度。③地層中熱中子俘獲截面非常大的某些元素，如硼對中子壽命測井有嚴重的影響。④地層骨架礦物俘獲截面與孔隙流體有明顯區別，中子壽命測井對孔隙度敏感。⑤粘土礦物的俘獲截面大，泥質含量對中子壽命測井有較大影響。

表3-14 不同礦物的熱中子宏觀俘獲截面和熱中子壽命

2.熱中子壽命和宏觀俘獲截面的測定

本章第三節曾給出用擴散方程表示的中子數守衡定律，即

地球物理測井

式中：v為中子速度；Φ為中子通量。

測定熱中子壽命時，開始計數的時間比中子發射時間要滯後一些，熱中子產生項S已為零。通過選擇源距，擴散項的影響也可減小，必要時可做適當校正。這樣，式（3-138）簡化為

地球物理測井

積分此式，得：

地球物理測井

式中：τ為中子壽命；Φ₀為初值。

因中子或伽馬計數率N與中子通量成正比，用N代替Φ後（3-140）仍正確。測井時，測量的計數率N_t包括三部分射線源的貢獻：①井內介質對熱中子計數率或俘獲伽馬計數率的貢獻N₁；②地層對熱中子或俘獲伽馬計數率的貢獻N₂；③井內介質和地層生成的穩定的背景值N₃。這部分按式（3-140）隨時間衰減。用公式表示：

地球物理測井

或

地球物理測井

式中：N₀₁、N₀₂和N₃是常數。

圖3-66是按式3-142計算得到的關系曲線，用以說明中子壽命測井計數率衰減曲線的組成和各分量的特點。計算時取∑₁=52.5 cu和∑₂=12 cu。與實測曲線相比，圖中未顯示統計漲落，而其他特點是相同的。在設計數據採集時序時，應考慮圖中顯示的這些特點。中子壽命測井的主要用途是求地層的含水飽和度。由式（3-137）可得到含水飽和度：

圖3-66 中子壽命測井原理圖

圖3-67 石灰岩熱中子計數率衰減曲線

地球物理測井

式中：Σ為測井值；Σ_ma、Σ_h和Σ_sh分別為骨架、烴和泥質常數；Σ_w為地層水的宏觀俘獲截面，對原狀地層Σ_w是常數，而對注水開發油田它是變數；V_sh為泥質體積含量；φ為孔隙度。

孔隙度不同時，衰減曲線的斜率不同。圖3-67是不同孔隙度的石灰岩地層的熱中子計數率衰減曲線，這說明求准孔隙度對用中子壽命測井確定含水飽和度是很重要的。

定量解釋可信系數c應大於0.5，計算公式為

地球物理測井

中子壽命測井還可以監測油水界面、測定可動流體相對體積和剩餘油飽和度變化。

D. 放射性污染的監測方法

9.3.2.1 核事故污染的監測

核事故往往造成的污染范圍很大，而且給人民生命和國民經濟帶來巨大的損失，引起全世界的關注。針對核事故的地球物理監測工作大體上可分為兩大部分:一是在核事故發生後開始的大區域快速監測工作，及時了解逐日的污染擴散范圍和方向並採取相應的防範對策;二是對所有核設施的長年監測工作，以便一旦發生事故時，能夠了解原有的放射性背景以及追蹤事故後污染逐步消除的過程。

(1)切爾諾貝利核事故監測

早在核電站建成之前，蘇聯的烏克蘭科學院從20世紀60年代初期就通過在基輔的監測站對基輔周圍地區(包括切爾諾貝利地區)進行長期放射性環境監測。監測的參數包括γ輻射背景值(用輻射儀測量)、散落物的放射性活度測量(用面積40cm×40cm的平底盤採集，盤底鋪一張浸泡過甘油的濾紙，採集持續兩周，採集的樣品放在瓷坩堝內在電熱爐中加溫到500℃灰化，然後測定其β輻射強度)、土壤放射性污染檢測(在地表下5cm深處用正方形取樣器10cm×10cm取樣，樣品風干、磨碎、過篩後，測定其β輻射強度)。

事故發生前，γ輻射劑量率為10～12μR/h(背景值)，1986年4月26日發生事故後，4月30日升高到5mR/h，比背景值高約500倍。在隨後幾天內γ輻射值變化強烈，與放射性物質的繼續泄漏和天氣變化有關。5月9日在反應堆再次爆炸後，γ輻射也再次出現高峰。1986年底，γ輻射降低到50μR/h，1992年(監測經過公布前)再次降低為16～18μR/h，接近事故前的背景值。

土壤中的β放射性活度(按土壤質量計)在事故前為550～740Bq/kg，事故後升高到29600Bq/kg。事故前放射性⁹⁰Sr的質量活度為3.7～22.2Bq/kg，事故後升高了10倍。

為了了解污染的區域分布，瑞典地質調查所動用了兩架地球物理專用飛機，在150m的高度上進行了航空γ能譜測量，1986年5月1～6日的測量結果如圖9.12所示。在Gavle附近發現明顯的高值。後幾天的調查重點移向瑞典南部，以了解是否可以允許奶牛吃該地春天新生的牧草。5月5～8日在瑞典其他地區用100km線距的東西向測線覆蓋，發現污染區不斷向瑞典－挪威邊界的方向擴大。從5月9日～6月9日整個瑞典用50km線距的航空測量覆蓋，在一些異常區測線加密到2km。蘇聯在1986年4月28日以後，在國內面積為527400km的區域內進行過比例尺為1∶10萬、1∶20萬、1∶50萬的航空γ能譜測量，以監測放射性污染彌散的區域。

圖9.12瑞典航空γ射線照射量率等值線圖 (照射量率單位為μR/h)

(2)追蹤核動力衛星

由於衛星在進入大氣層後解體成多個碎片，因此監測工作要在降落軌道周圍廣闊地區內進行，主要依靠航空γ能譜測量，發現異常後再進行地面檢查。

蘇聯的用核反應堆作動力的宇宙－954衛星1977年底～1978年初在加拿大西北部隕落。1978年初加拿大國防部和美國能源部合作，追蹤衛星隕落的碎片在加拿大的散落位置。首先根據計算機預測的衛星隕落軌道，劃出一條長800km、寬50km隕落區域，由大奴湖東端至哈德遜灣附近的貝克爾湖，並將其分為14段。用4架C－130Heracles(大力神)飛機，以1.853km的線距、500m的離地高度作了航空γ能譜測量。加拿大地質調查所的能譜系統首先在大奴湖東端冰上的一號地段探測到放射源，到1月31日對全區作了普查，發現所有放射性碎片落在一個10km寬的帶內，在該帶內又以500m線距和250m離地高度作了詳查。鑒於大力神飛機的飛行高度不可能再進一步降低，還採用了一套直升機探測系統，在9號地段的冰上發現許多弱的放射源，它們都是在大力神的飛行高度上所不能發現的，後來對這些小片的分析表明它們是反應堆芯的一部分。此後，直升機系統又在沿大奴湖南岸一帶發現了更多的放射性碎片(圖9.13)，這些碎片隨北風飄向預訂軌道的南側。到3月底又在大奴湖的冰上作了一次系統的直升機γ能譜測量，數據分析進一步證明反應堆芯在進入大氣層後已全部解體。同年夏天，加拿大原子能監控管理局做了進一步的監測和清理工作，以保證清除所有的有害物質，共回收約3500枚碎片，最遠的在衛星軌道以南480km。

9.3.2.2礦山探采和選冶污染的監測

除了鈾礦床外，許多有色金屬、貴金屬、稀有金屬、稀土元素和磷礦床等也都伴生有大量放射性元素，對這些礦床的勘探、開采、選礦和冶煉都會導致放射性污染。為了清除這些污染，了解清除的效果，都需要進行監測。

(1)尾礦場地的污染與監測

在地質勘探階段，礦床雖未交給工業部門開采，但是在勘探過程中使用了水平巷道、豎井和淺井等工程，使礦區受到天然放射性元素的污染。在礦床開采過程中，礦石和廢石的堆放與運輸造成更大面積的污染，選冶過程中產生的尾礦和爐渣也是不可忽視的污染源。

圖9.13大奴湖地區由宇宙－954衛星放射性碎片引起的γ射線總計數的分布

1979～1980年美國能源部在鹽湖谷作了航空放射性測量，以便劃定尾礦場地范圍，並指導地面調查。測量系統安裝在直升機上，探測器由20個NaI晶體組成，每個體積645.7cm³，航高46m，線距76m。根據測量數據繪出了照射量率等值線圖，如圖9.14(a)所示和高於背景值的²²⁶Ra含量分布范圍圖，如圖9.14(b)所示。背景照射量率變化於430～645fA/kg(1μR/h=71.667fA/kg)之間。尾礦堆的照射量率最高超過1×10⁵fA/kg。在尾礦堆以北有兩個照射量率偏高的突出部分，西面的一個據認為是由尾礦受風吹動造成的，東面的一個沿鐵路分布，可能由測量時正在運輸的放射性物質或由沿鐵路運輸散落的礦石或尾礦引起。沿鐵路的其他輻射異常據推測也是由散落物引起的。

利用此次航空放射性測量數據，鹽湖城衛生局和猶他州衛生廳劃定出14個此前未知的放射性異常區，地面檢查發現9個地點屬於鈾選礦廠的尾礦、1個是鈾礦石、3個是放射性爐渣，還有1個是儲存的選礦設備。在20世紀80年代初查出的這些污染地段都得到了清理。

(2)採煤和燃煤的污染及監測

許多重要的採煤區在採煤過程中形成大面積的放射性污染。例如，德國的魯爾礦區發現，由煤礦抽向地面的水中²²⁶Ra含量所導致的活度濃度達13kBq/m³，流入地下坑道中的水達63kBq/m³。魯爾區所有煤礦每年抽出的水含²²⁶Ra導致的總活度共37GBq。在地面上放射性污染的分布在很大程度上與水的化學成分有關，共有兩類含鐳的水，A類含硫酸鹽甚少或不含硫酸鹽，但含Ba²⁺離子;B類水含大量硫酸鹽，但不含Ba²⁺離子。在B類水中鐳不沉澱，而A類水中的鐳，當其與硫酸鹽混合後，鐳與鋇同時沉澱，形成放射性沉積物。很多煤礦已採煤百年以上，在礦山廢水流經之處形成很厚的沉積層，質量活度達150kBq/kg，並導致土壤和植物的污染，土壤質量活度由0.2～31kBq/kg，在水道兩側的新鮮植物中含²²⁶Ra，其質量活度達1kBq/kg。

目前世界上許多發展中國家都以煤作為主要能源，因此粉煤灰成為一種量大面積的放射性污染源。據聯合國原子輻射效應科學委員會(UNSCEAR)的統計，一個每天燒煤10t的熱電廠，向大氣釋放的²³⁸U放射性活度達1850kBq，一個1000MW的熱電廠每年排放粉煤灰5×10⁵t，其中1.4×10⁵t排入大氣。調查表明，在熱電廠周圍由於粉煤灰放射性引起的癌症死亡率比在核電站周圍高30倍。

圖9.14鹽湖谷航空放射性測量

(3)石油開采及運輸中的放射性污染和監測

石油開發過程中的放射性污染主要來自放射性測井。在測井中使用的放射性物質主要有中子源、同位素等，如鎇鈹(²⁴¹Am－Be)中子源，¹³⁷Cs，²²⁶Ra，¹³¹Ba，¹³¹I，¹¹³Sn，¹¹³In伽馬源等。測井過程中的放射性污染主要是因操作不當造成的，如:由於操作不慎，配置的活化液濺入外環境;在開瓶分裝、稀釋及攪拌過程中，有¹³¹I氣溶膠逸出，造成空氣污染;在向注水井注入¹³¹I活化液時，由於操作不當，造成井場周圍的表面污染;測井過程中玷污井管和井下工具等。

在石油化工生產中，承壓設備(如鍋爐爐管、液化氣球罐、液化氣槽車、承壓容器、管線等)的探傷、液位控制、液位測量、密度測定、物料劑量、化學成分分析及醫療中的透視、拍片、疾病治療等，廣泛地採用了放射技術。在料位、液面、密度、物料劑量、化學成分分析方面的放射性同位素源的劑量、活度一般是幾個毫居里(mCi)，很少超過1000mCi。不過，在正常工作情況下，不論是從事工業探傷的人員還是同位素儀表操作人員，身體健康均不會受到放射性損傷。

油田上放射性污染面積大的地方，甚至可以在1∶50萬的航空γ能譜測量中反映出來，污染物以鐳及其衰變產物為主，鈾、釷含量不超過土壤的背景值。該企業用路線汽車能譜測量在斯塔夫羅波爾邊區測過的40個油氣田，其地表全被放射性廢料污染，發現300多個污染地段，γ射線照射量率為60～3000μR/h，其中大部分在100～1000μR/h范圍內。

(4)磷肥的放射性污染及監測

在天然環境中磷和鈾之間有著穩定的共生關系，磷肥的原料———磷礦石含有偏高的鈾，磷肥的副產品中則含有較多的鈾衰變產物，這些都會給磷肥廠周圍的環境造成放射性污染。

在西班牙西南部奧迭爾河和廷托河匯合入海處附近有一個大型磷酸廠，用於製造磷酸鹽肥料，其原料為磷灰岩，含有大量鈾系放射性核素。在西班牙生產磷酸的方法是用硫酸來處理原岩，在此過程中形成硫酸鈣沉澱(CaSO₄·2H₂O)，稱為磷石膏，這種副產物或者直接排入奧迭爾河，或者堆在廠房周圍。因此，需要估算該廠每年排入周圍環境的核素數量。此外，還測定了西班牙西南部幾種商品肥料的放射性元素含量，以估計其對農田的放射生態影響。

所有的調查工作均基於測定固體和液體樣的U同位素、²²⁶Ra和²¹⁰Po及⁴⁰K的含量。知道每年產出的磷石膏量及其中U，²²⁶Ra，²¹⁰Po的質量活度平均值，得出工廠附近每年排出的U同位素總活度約0.6TBq，²¹⁰Po總活度為1.8TBq，²²⁶Ra總活度為1.8TBq，各種放射性核素總量的80%存留在磷石膏堆中，其他直接排入奧迭爾河，存放的磷石膏也逐漸被水溶解流入河中。到達廷托河的水²³⁸U活度濃度為40Bq/L，²²⁶Ra為0.9Bq/L，²¹⁰Po為9Bq/L。為研究河流的污染，還取了水系沉積物樣，樣品濕重數千克，烘乾、磨碎、混合後在高純鍺探測器上測量，探測器覆蓋10cm厚的鉛屏，內有2mm的銅襯，以便測得較低的質量活度。

磷肥廠的環境放射性污染在我國亦有發現。核工業總公司在上海市郊進行航空γ能譜測量時，曾發現10×10^－6的鈾異常，是背景值的45倍，經查是由化肥廠的磷礦粉引起的。

9.3.2.3建築材料的放射性污染及監測

除了房屋地基的岩石、土壤會逸出氡外，建築材料中也可能含有某些放射性元素，因此也可能成為放射性污染源。當建築材料中鐳的質量活度高於37Bq/kg時，會成為室內空氣中氡的重要來源。有些地方用工業廢料作為製造建築材料的原料，可能將工業廢料中的放射性污染物帶入室內。例如利用粉煤灰或煤渣製造建築材料曾被認為是廢物利用的好辦法，但是當煤的放射性元素含量偏高時，會導致嚴重的後果。我國核工業總公司曾經對石煤渣所建房屋的室內吸收劑量率做過調查，發現石煤渣磚房屋的γ輻射吸收劑量率比對照組的房屋高出3～9倍。我國用白雲鄂博尾礦、礦渣做原料製造水泥的工廠，用其生產的水泥建造的房屋時室內氡的濃度比對照組高出4～6倍。而美國對常用建築材料放射性的調查結果表明，木材輻射出的氡最少，混凝土最多。

我國居民住宅多用磚作建築材料，其中放射性⁴⁰K質量活度最高為148Bq/kg，Ra為37～185Bq/kg，釷為37～185Bq/kg。對於天然建築材料，建材行業標准(JC518－93)將其分三類，見表9.4。

表9.4我國天然建築材料核輻射分級標准

俄羅斯勘探地球物理研究所提出用以下參數對建築材料的輻射室內居民輻射劑量進行監測。

9.3.2.4 核廢料處理場地的選址和勘察

各國根據自己的條件來選擇適於儲存核廢料的地質體，但迄今研究得最多的是兩種:鹽體和深成結晶岩體。鹽體被認為是儲存核廢料得最好地質介質，其優點是未經破壞的鹽層乾燥，鹽體中產生的裂隙易於癒合，鹽比其他岩石更易吸收核廢料釋放的熱，鹽屏蔽射線的能力強，鹽的抗壓強度大，而且一般位於地震活動少的地區。而另外一些國家，因為各自的地質條件，主要研究利用深成結晶岩儲存核廢料。如加拿大和瑞典等國家，大部分領土屬於前寒武紀地質，它們研究的對象包括片麻岩、花崗岩、輝長岩等。這些岩體能否儲存核廢料主要取決於其中地下水的活動情況。由於結晶岩中地下水的唯一通道是裂隙，所以圈定裂隙帶並研究其含水性是重要的任務。在具體選擇儲存場地時考慮以下幾個條件:地勢平坦、因而水力梯度小，主要裂隙帶不要穿過場地，小裂隙帶應盡可能少，要避開可能有礦的地點。

其他研究的地質體還有粘土、玄武岩、凝灰岩、頁岩、砂岩、石膏，碳酸鹽也是可以考慮的目標。一般來說，碳酸鹽岩是不適合的，但由不透水岩石包圍的碳酸鹽岩透鏡體是值得研究的。除了陸地上的地質體外，對海底岩石的研究也已經開始。

(1)鹽體選址勘察中的地球物理工作

A.鹽體普查

為了儲存核廢料，首先要了解鹽層的深度、厚度和構造，圈出適合儲存的鹽體，一般傾向於把核廢料儲存在鹽丘里。

重力測量。重力法對鹽丘能進行有效的勘察。鹽的密度穩定，為2.1×10³kg/m³，往往低於圍岩(2.2×10³～2.4×10³kg/m³)，在鹽丘上可測到n×10～n×100g.u.的重力低。當鹽丘上部有厚層石膏時，由於石膏密度大，結果形成弱重力低背景上的重力高。當鹽丘為緻密火成岩環繞(火成岩在鹽丘形成過程中侵入)時，則在重力低的邊緣出現環狀重力高。鹽丘表面起伏可用高精度重力和地震測量綜合研究。當鹽丘地區的重力場非常復雜時(重力場為鹽上、鹽下層位、鹽層和基底的綜合反映)，採用最小化法進行解釋:首先根據地質－地球物理資料提出模型，然後自動選擇與觀測重力異常最吻合的模型曲線，使兩者偏差的平方和等於最小值。

電法測量。鹽比圍岩電阻率高，是電性基準層，以往鹽層構造用直流電測深研究，近年來則愈來愈多地採用大地電流法和磁大地電流法。採用大地電流法確定鹽體埋藏深度時，利用大地電流平均場強與鹽層深度之間的統計關系，因此要掌握少量鑽探和地震資料。平均場強的高值區對應於鹽丘和鹽垣，這樣圈出的局部構造很多已被地震或鑽探所證實。

地震測量。在構造比較簡單的沉積岩區地震反射和折射法探測鹽層起伏是很有效的。例如丹麥為儲存核廢料選擇的莫爾斯鹽丘，其位置和形態就是根據反射面的分布確定的。在某些情況下地面地震法只能確定鹽丘頂部平緩部分的位置。而側壁的形態和位置難以確定，這可以採用井中地震。

總之，在選址時，為了研究鹽層構造，一般先利用重力和電法，兩者結合起來能更詳細地確定鹽層構造在平面上的大小和形態。根據重力和電法結果布置地震測網，通過地震法可准確確定鹽體深度，而利用井中地震則可准確確定鹽體側壁的位置和形態。

B.研究鹽體的內部結構

為了確定鹽體是否適應於儲存核廢料，必須研究鹽體內部結構，即其所含雜質(夾層)數量、含水性和裂隙發育程度。

確定雜質(夾層)的數量。鹽的相對純度是影響其能否儲存核廢料的一個重要因素，雜質的出現會使鹽層的抗壓強度減小，屏蔽射線的能力降低。鹽體所含雜質包括泥質組分、石膏等，泥質組分有的形成單獨的夾層，有的與鹽混在一起，形成泥鹽。美國得克薩斯州的帕洛杜羅盆地用天然γ測井和密度γ－γ測井評價了中上二疊系鹽層的純度。γ射線強度與泥質含量有關，因為泥質組分中的釷量較高。γ－γ測井求得的密度則與石膏的百分含量之間存在著線性相關關系。計算了每個鑽孔每個鹽層的γ強度平均值。不到30ft的夾層，其γ強度與鹽層一起平均，當夾層厚於30ft時，就把鹽層作為兩個單獨的層處理，據此編制了不同旋迴的γ射線強度的等值線圖，它實質上就是泥質含量分布圖，從中可以選擇泥質含量最低的地區作為儲存核廢料的地點。

在美國鹽谷地區還曾利用垂直地震剖面法，根據波速的不同劃分鹽中的夾層。而在丹麥的莫爾斯鹽丘則用井中重力研究了鹽內的夾層。

研究含水性。鹽體含水對建立核廢料是一個潛在的危險，它使部分鹽溶解成為鹵水，減小鹽的機械強度並腐蝕廢料容器。測量鹽體的含水量可以採用中子測井，以²⁵⁵Cf為中子源。試驗表明，在釋放的γ射線譜線上氫本身的峰很弱，不能用作評價含水量的尺度，但可利用快中子與Na和Cl原子核的相互作用，以下列參數衡量含水量:Na中子非彈性散射峰與Cl中子俘獲峰的比值。非彈性散射是指Na的原子核吸收一個中子並放出一個中子和γ射線，γ射線峰的位置在138keV;中子俘獲是指Cl的原子核俘獲一個中子並放出γ射線，其峰的位置在789keV。上述比值與水的含量呈正比。美國曾利用瞬變電磁法來確定鹵水的位置，在實際探測時發現，鹵水的位置與瞬變電磁法一維反演的低阻層位置相當吻合。

了解裂隙發育程度。為了保證核廢料庫的安全，必須了解鹽層的裂隙發育程度。主要方法為井中電法(特別是無線電波法)和聲波測井。鹽的電阻率高，電磁波傳播的損耗小，無線電波法的探測距離大，夾層或裂隙的電阻率或介電常數與鹽不同，這些都是應用無線電波法的有利條件。無線電波法包括透視和反射法，透視法測孔間信號的衰減，而反射法的發射和接收天線位於同一孔內，測電磁脈沖的走時和反射層的特徵。均勻的鹽不會產生明顯反射，裂隙增多則反射亦增多。無裂隙的鹽電阻率高、衰減小，多裂隙的鹽則電阻率低、衰減大。因此，衰減小、反射少的鹽體更適於儲存核廢料。

用聲波測井確定裂隙帶的位置時可以利用不同的參數，如反射波幅度、聲波速度和區間時間。

(2)深成結晶岩體選址和勘察中的地球物理工作

核廢料擬儲存於花崗岩深成結晶岩體500～1000m深度上類似於礦山的處理洞穴中。在深成結晶岩體的選址和勘察過程中，地球物理工作分為三個階段，即場地篩選、場地評價和洞穴開挖過程中的勘察。

A.場地篩選

首先開展區域普查來篩選幾個地區，作為候選的處理場地，每個地區的面積可達上千平方千米。在篩選過程中，了解深成岩體的形態和深度、周圍地質環境、主要不連續面的位置和走向，蓋層的特徵、岩石的完整性等都是很重要的。由於場地篩選是區域性調查，涉及面積很大，所以要選用快速普查性的地球物理方法，尤其是航空地球物理方法。航空磁測曾被用來確定深成岩體的邊界以及岩體中的岩石與構造界面，一般與航空磁測同時開展的航空γ能譜測量也可用於劃分花崗岩體的邊界，花崗岩體鈾的含量可達8×10^－6，而圍岩往往低於2×10^－6。航空電磁法用來填繪裂隙帶在近地表的投影以及覆蓋層的特徵。湖區的裂隙帶則可採用船載聲吶設備圈定。岩石的完整性可以通過測量岩石的整體電阻率來評價，採用的方法有大地電磁法(MT)、音頻大地電磁法(AMT)、瞬變電磁法(TEM)和直流電阻率法等。

地面重力法曾被用來確定深成岩體的形態和深度及其地質環境。圖9.15顯示一條南北向跨過岩基的39km長的重力剖面，圖上包括實測和模型重力曲線以及根據當地常見岩石單元作出的解釋剖面。與岩基有關的100g.u.的重力低非常明顯，疊加在重力低上的局部重力高很可能是由高密度的包裹體引起。

B.場地評價

場地評價是在經過篩選的較小區域內進行更詳細的調查，每個區域的面積可達100km²，總的目標是圈定主要裂隙帶，確定其幾何形態，進行岩性填圖並了解覆蓋層的特徵。

應用高解析度地震反射法了解裂隙帶的深部情況以及發現深埋的裂隙帶。可以探測到寬於地震波主波長1/8的目標，例如在P波速度約5500m/s的花崗岩中，若採用150Hz左右的工作頻率，就可以探測到5m寬的裂隙帶。但是要求探測離地表1000m以內的反射體意味著有用的反射包含在地震記錄的第1s內，然而對高解析度地震常用的炮檢距來說，在這一時間段內也有地滾波到達，為了減小地滾波的影響，需要採用頻率濾波、f－k濾波、減小炸葯量以保留信號的高頻成分，並且選擇適當的檢波器距使地滾波在疊加時盡量減小。

目前還提出了三種應用地球物理方法估算裂隙的水壓滲透性的途徑:一是利用裂隙空間的電導率;二是利用裂隙內聲波能量的損耗;三是利用地震波通過時鑽孔對裂隙壓縮的響應。

對於准備開挖的場地來說，層析方法的作用更大，因為在這樣的地點鑽孔的數目要控制在最低限度，以防在岩體中形成新的地下水通道。

C.開挖階段的勘察工作

開挖儲存核廢料洞穴的工作開始以後，需要了解洞穴周圍岩體的水文地質條件和地質力學條件。由於本階段研究的目標減小，所以要採用高解析度，因而是高頻的地球物理方法。雷達、超聲波和聲輻射方法都曾得到有效的應用。

圖9.15跨過岩基的一條南北向重力剖面圖和二維重力模型(右側為北)

利用超聲波可以確定開挖破壞帶的厚度。利用聲輻射測量可以監測開挖的安全性，聲輻射參數的變化可以用來預測可能產生的岩爆並確定其位置。此外，聲輻射測量還用於追蹤向裂隙帶內灌漿的進程，這時在裂隙帶附近的一系列鑽孔內放置加速度計，在灌漿過程中記錄的聲輻射強度是同灌漿的進展相關的。

總之，在深成結晶岩地區核廢料處理場地選址和勘察工作中，地球物理方法既能快速而經濟地做到對大片區域的地質構造進行全面的了解，又能對候選場地進行詳細評價和勘察。表9.5將各個階段的地球物理工作加以總結。但在各個階段的工作中，除地球物理方法外，還應綜合應用其他方法，尤其是水文地質、地球化學、地質和岩石力學方法等。由於地球物理方法在解釋上的多解性，還應通過鑽探來驗證。

表9.5深成結晶岩區核廢料地質處理中的地球物理工作

E. 　放射性測井

放射性測井是在鑽孔中測量地層核物理性質的一組測井方法。通常按照放射性源分為下列幾類方法：自然伽馬測井、伽馬—伽馬測井、中子測井、岩性密度測井等。

14.3.1基本原理

14.3.1.1自然伽馬測井

由於地層的成分、結構不同，因而含有不同數量、不同種類的天然放射性元素，這些元素的原子核衰變時，要放出不同強度、不同能量的伽馬射線。自然伽馬測井是通過測量鑽井穿過地層自發放出伽馬射線的強度而進行岩性劃分、泥質含量和地層孔隙度確定的一種方法。

14.3.1.2伽馬—伽馬測井

伽馬—伽馬測井是通過測量地層對伽馬源放出的伽馬射線的散射而進行岩性劃分、泥質含量和地層孔隙度確定的一種方法。

14.3.1.3中子測井

中子測井是通過對地層中子性質的測量，研究鑽井剖面中各區段性質及孔隙度等的一種方法。

14.3.2觀測方法

14.3.2.1自然伽馬測井（Gamma-Ray Logging）

自然伽馬測井的測量原理見圖14-5。井下儀器包括伽馬射線探測器、放大器及高壓電源三部分。伽馬射線探測器將接收到的伽馬射線轉變成電脈沖，經電纜傳送到地面儀器，在地面儀器中經過電脈沖的放大、鑒別、整形後，經計數率測量電路將電脈沖轉換為與脈沖計數率成正比的直流電壓，記錄直流電壓差得到伽馬測井曲線。根據伽馬測井曲線可定性用於劃分地層界面和判別岩性，進行地層對比；在定量解釋方面可確定泥質含量及滲透性等。

14.3.2.2伽馬—伽馬測井

伽馬—伽馬測井又稱為密度測井，其測量原理見圖14-6。

圖14-5自然伽馬測井測量原理

圖14-6伽馬—伽馬測井的測量原理

伽馬—伽馬測井儀分為地面和井下兩部分。井下儀主要由伽馬源、伽馬射線探測器及電子線路組成；地面儀器類似於自然伽馬測井儀的地面儀器。在測量過程中，伽馬源與探測器保持一定距離一起放入井中，伽馬源連續地向地層發射出伽馬射線，而探測器接收經過與地層物質相互作用後達到探測器的散射伽馬射線，將接收後的伽馬射線經過類似自然伽馬射線的方法進行轉換處理，形成伽馬—伽馬測井曲線。該方法除用於劃分鑽孔地層界面、判斷岩性以外，主要用於確定地層孔隙度。

組成造岩礦物的元素大多數是原子序數較小的輕元素，他們與中等能量的伽馬射線相互作用，發生康普頓散射。散射率取決於物質中的電子密度，而電子密度又與岩石密度成正比。在用長源距（c＞10cm）伽馬源照射井壁時，被照射岩石的密度愈大，康普頓散射的幾率也愈大，表明原子殼層吸收伽馬射線多，因而散射的伽馬射線弱；反之，岩石密度愈小，散射的伽馬射線愈強。因此，在分析伽馬—伽馬測井曲線時，對應於低值部分的是密度大的岩層，而對應於高值部分的是密度小的岩層。

14.3.2.3中子測井

中子測井是以中子與物質作用為物理基礎的一種測井方法，根據探測器所記錄的物理量不同，可分為中子—伽馬測井和中子—中子測井兩種方法。

（1）伽馬—中子測井（Gamina-ray neutran logging）

伽馬—中子測井是一種應用較普遍的中子測井法。其特點是：測量伽馬—中子射線強度，以計數率脈沖/分鍾為計量單位；當地層不含強吸收元素時，伽馬—中子射線與含氫量有關，在使用長源距測量時，隨含氫量增加，伽馬—中子射線強度減少；當地層含吸收元素時，伽馬—中子射線強度有顯著增加。該方法使用的儀器與自然伽馬測井儀基本相同，但伽馬—中子測井儀的井下儀有人工中子源。

（2）中子—中子測井（Neutron-Brons logging）

中子—中子測井測量地層中熱中子密度，這種方法使用的測井儀與自然伽馬測井的電路基本一樣，除了有中子源外，還要使用熱中子探測器。當地層不含強吸收元素時，測量結果中子—中子射線強度反映了含氫量。

進行中子測井時，把裝有中子源和探測器的下井儀器由電纜放入井中。將中子源發出的高能中子射入井內和岩層中，高能中子與物質的原子核可能發生非彈性散射、彈性散射，能量逐漸損失、減速的熱中子極易被原子俘獲引起核反應。因此，探測器的記錄與地層的減速性質和吸收性質有關。因為氫是最特殊的減速物質，所以中子測井結果將反映地層的含氫量。在含水的地層中，孔隙被水充滿，故中子測井可能反映岩層孔隙度的大小。

14.3.2.4岩性密度測井

岩性密度測井是與密度測井配套使用的一種測井方法。該系統測量克服了密度測井中僅測量低能伽馬射線（即光電效應）或中能伽馬—伽馬射線（康普頓效應）中的一種而帶來劃分岩性不準的弊病，而是將二者結合起來進行測量的一種方法，可較准確地進行地層岩性的劃分。

根據伽馬射線的吸收與伽馬射線能量的關系，在中能的條件下，康普頓散射的吸收系數要大得多，而光電效應的吸收系數卻很小。但在低能的條件下，光電吸收系數變得比康普頓散射系數大，這就是說，在低能階段，伽馬射線受光電效應的影響比康普頓效應的影響要大。因此，該系統在充分考慮上述特點後，開展了具有進行密度測量的高能窗以及進行低能測量的低能窗。將二者一起應用有助於區分岩石類別。

14.3.3技術要求

14.3.3.1放射性測井的一般技術要求

（1）對所採用的儀器進行檢查、校驗和標定工作，確保儀器性能良好。

（2）深度比例選擇為1∶50，便於對厚度較小的目的層進行定性和定量解釋。

（3）橫向比例採用整數比例尺，且全區一致，盡量使全部或部分地層反映清楚，超格曲線應補測。

（4）測井速度應根據儀器延時參數及測量精度要求而定，一般提升速度限值為1000m/h。

（5）電纜的標記：①電纜上必須標記准確、明顯、牢固的深度記號，記號的標准間距規定為10m，特別是零記號上方處應有特殊警告記號；②在鑽孔中提升標記電纜時要掛上相當於井下儀器重量的掛錘。

14.3.3.2自然伽馬測井

（1）第四紀地層自然放射性強度弱，故應選用靈敏度高且性能穩定的放射性測井儀。測量時要選擇合適的橫向比例、時間常數和測速。

（2）在作定量解釋時，應在井場應用標准源或刻度器進行橫向比例標定。

（3）統計漲落相對或然率誤差不超過5%，每次測量前應在頁岩（泥岩）層上記錄統計起伏，記錄的時間應大於記錄曲線所選用的時間常數的10倍。

（4）反映岩性的最大相對幅度最好為滿測程的4/5左右。

14.3.3.3伽馬—伽馬測井

（1）測量時應根據計數率的多少選擇儀器的測程，所記錄的伽馬強度應在儀器的線性范圍內。

（2）有密度刻度器的應在井場標定曲線的橫向比例，以g/cm³/cm標注，無刻度器的則以脈沖/min/cm標注。

（3）使用的源強應能壓制天然伽馬的干擾，主要目的層的伽馬強度應大於孔內天然伽馬曲線平均幅值20倍以上。

（4）源距一般採用0.3～0.5m。

14.3.3.4中子測井

（1）測量時應根據計數率的多少，選擇儀器的測程，所記錄的中子射線強度應在儀器的線性范圍內。

（2）進行中子測井前後，都要利用刻度塊進行刻度，橫向比例為刻度單位/cm。

（3）伽馬—中子測井源距一般大於0.5m；中子—中子測井源距一般採用0.45～0.60m。

14.3.3.5岩性密度測井

其技術要求基本上與伽馬—伽馬測井一致。

14.3.4成果的表達形式

放射性測井的成果表達形式為地層的放射性強度隨深度變化的坐標曲線。橫坐標代表放射性強度的大小，應根據不同的測井方法採用相應的單位進行標注；縱坐標代表深度，一般以m為單位進行標注。在測井曲線的頂部應表明有關的參數，內容除曲線、岩性柱狀圖外，應繪出泥質含量、密度隨深度變化的曲線。曲線下面標出圖例及責任欄。

14.3.5資料解釋原則

14.3.5.1自然伽馬測井

（1）當地層厚度大於三倍井徑時，地層中點的自然伽馬強度值達到極大值，即等於無限厚地層的自然伽馬強度，此時地層的界面位於曲線的半幅值點。

（2）當地層厚度小於三倍井徑時，地層中點的自然伽馬強度值隨地層厚度的增加而增加，用半幅值點確定的地層厚度大於地層的真正厚度，稱為視厚度，要得到地層的真厚度必須進行校正。

（3）自然伽馬的探測半徑一般取作十幾到幾十厘米。

14.3.5.2伽馬—伽馬測井

（1）當上下圍岩的密度相等時，伽馬—伽馬曲線與目的層中點為對稱。

（2）不能以曲線的半幅值點分層，當目的層密度比圍岩低時，可用1/3幅值點分層。

14.3.5.3中子測井

（1）中子測井在劃分鑽孔地層界面、判斷岩性時，與自然伽馬測井相結合效果較好，因為各類岩石結構不同，含氫量也有不同的變化。

（2）中子測井曲線與自然伽馬曲線相似，它的探測深度近似等於源距，才能用半幅值點分層。

（3）中子測井主要用於確定地層孔隙度。

14.3.6儀器設備

放射性測井儀器設備見表14-1。

F. 輻射一般通過哪些方式可以檢測出輻射量有多大

輻射檢測儀器有場強儀、電離輻射檢測儀、電磁輻射檢測儀。
一、場強檢測儀：
1、高頻近區電磁場測定儀、高頻電場測定儀、工頻電場測定儀，主要用於測量高壓輸變電系統，配電室，感應爐，地鐵，電動機車，醫療設備，烘乾設備，計算機等具有電磁輻射作業場所的電場強度。
二、電離輻射檢測儀
1、個人劑量報警儀：主要用來監測X射線和γ射線，在測量范圍內，可任意設定報警閾值，當達到報警閾值時，發出警報及時提醒工作人員注意安全。廣泛應用於輻照加工企業、衛生防疫、放射治療、核實驗室、核電站、進出口商檢、建材、石油化工、地質普查、廢鋼鐵、工業無損探傷等存在電離輻射環境下。
2、中子劑量儀：廣泛應用於加速器、核燃料生產廠、中子輻照裝置等場所
3、α β γ表面污染測量儀：主要用於放射性表面污染測量，可同時對α、β、γ射線進行測量。該儀器可廣泛應用於環保部門、醫院放射性科室、高等院校核物理實驗室、科研單位放射性實驗室、核電站、放射性計量站以及其它放射性場所的人員手部、衣物以及使用的試驗台、試驗設備的α、β、γ表面污染測量，以便及時去污，從而保護工作人員的安全。
4、αβ表面污染測量儀：同測αβ，也可單測α或β，主要應用於核醫學、環境放射性監測、核設施退役、核廢物處理，以及核電站和部隊核輻射探測方面。
5、χ、γ劑量儀：測高能、低能γ射線外，也可以對低能X射線進行准確的測量，廣泛用於環保、冶金、石油化工、化工、衛生防疫、進出口商檢、放射性試驗室、廢鋼鐵、商檢、各種放射性工作場所等需進行輻射環境與輻射防護檢測的場合。
6、低本底α β測量儀：廣泛用於輻射防護，醫葯衛生，農業科學，核電站等場所。
三、電磁輻射檢測儀
1、低頻電磁輻射檢測儀：磁性材料的檢測，地磁場的檢測，地鐵電磁環境輻射監測，交流、直流高壓輸變電系統監測，配電室、計算機房、敏感儀器室等作業場所監測。
2、高頻電磁輻射檢測儀:工業爐、焊接系統、射頻加熱、回火和乾燥設備、透熱設備和醫療設備(NMR)，射頻發射裝置、敏感區域（醫院、學校）、無線電通訊系統、移動通信基站、廣播電台、電視發射塔環境的場強測量。

G. 基於岩石核物理性質的測井方法原理

利用岩石的核物理性質，發展了多種測井方法。早在20世紀40年代初，人們就利用岩石的天然放射性，開創了自然伽馬測井，隨後又發展了自然伽馬能譜測井；利用中子與物質相互作用的各種效應，發展了中子-伽馬測井、中子-中子測井、中子壽命測井、中子活化測井和非彈性散射伽馬能譜測井；利用伽馬射線與物質相互作用的康普頓效應和光電效應，又發展了密度測井（伽馬-伽馬測井）和岩性密度測井等等。這些以岩石核物理性質為基礎的測井方法統稱為核測井法，它們已成為測井技術的一個重要分支，在生產中廣泛應用。

13.4.1 自然伽馬與自然伽馬能譜測井

探測井下岩石自然伽馬射線總強度以研究岩石天然放射性相對強弱的方法叫自然伽馬測井，而測定一定能量范圍內自然伽馬射線強度以區分岩石中放射性元素的類型及其含量的方法叫自然伽馬能譜測井。

13.4.1.1 自然伽馬測井（GR）

（1）岩石的自然放射性

自然界的岩石和礦石均不同程度地具有一定的放射性，並幾乎全部是由於其中不同程度地含有放射性元素鈾（²³⁸U）、釷（²³²Th）、錒（²²⁷Ac）及其衰變物，以及鉀的放射性同位素（⁴⁰K）產生的。除含鈾礦石外，岩石中放射性元素的類型、含量與岩石的性質及其形成過程中的物理、化學條件有關。通常火成岩的放射性最強，其次是變質岩，最弱是沉積岩。沉積岩的放射性又可進一步分為高、中、低三種類型。

高自然放射性岩石：包括泥岩（特別是深海泥岩）、砂質泥岩和鉀鹽層等；

中等自然放射性岩石：包括泥質砂岩、泥質石灰岩（白雲岩）和鈣質泥岩等。

低自然放射性岩石：包括砂岩、石灰岩、白雲岩和煤層等，更低的是石膏和岩鹽層。

從以上分類可以看出，除鉀鹽層外，沉積岩的自然放射性主要與岩石中含泥質的多少有關。岩石含泥質越多，自然放射性越強。這是因為構成泥質的粘土顆粒較細，比表面積大，沉積時間長，且有較強的吸附離子的能力和離子交換能力，因而在沉積過程中能夠吸附較多的溶液中放射性元素的離子，並有較充分時間進行離子交換，從而表現為較強的自然放射性。這一特性為我們利用自然伽馬測井曲線區分岩石性質、評價地層特性和定量估計岩石中泥質含量提供了重要依據。

（2）自然伽馬測井評價地層特性

自然伽馬測井利用閃爍計數器測量探測器周圍伽馬射線的總強度，即單位時間內計數器輸出的脈沖數，單位是cpm。目前常用API標准單位，它是將儀器放在不同已知放射性地層中刻度得出的。

圖13-19 自然伽馬曲線劃分岩性剖面的實例

由於伽馬射線的穿透能力和儀器靈敏度的限制，自然伽馬測井的探測深度約20～30cm。測井曲線與前述電測井和聲測井曲線不同之處是由於放射性統計漲落使曲線表現出微細的鋸齒狀；另外，由於儀器在井內連續移動和記錄儀率表電路時間常數的影響，使測井曲線向著探測器移動方向產生位移並造成讀數幅度降低。在岩層較薄時，這種變化更加顯著。因此，實際測井時需要選擇適當的測井速度和時間常數以減小這種影響。

自然伽馬測曲線的分層原則仍是急劇變化點分層，其主要應用如下。

a.劃分岩性。基於沉積岩石的自然放射性與其中所含泥質的多少關系密切，因而可以用自然伽馬曲線劃分不同含泥質的地層。如圖13-19是砂泥岩剖面幾種不同岩性地層上測得的伽馬曲線的實例。可以看出，純泥岩層自然伽馬讀數最高，純砂岩層最低，而泥質砂岩和粉砂岩介於兩者之間，並與自然電位曲線有很好的對應關系。用自然伽馬曲線劃分岩性剖面還有其獨特優越，因為它不受地層水和泥漿濾液礦化度的影響，且能在已下套管的井中進行測量。另外，在碳酸鹽岩剖面上，高電阻特性會導致自然電位曲線變得平直，自然伽馬曲線都仍能清晰地分辨出泥岩層、泥質與非泥質地層。

b.計算泥質含量。若儲集岩石的自然放射性是由於泥質產生，則不含泥質的純岩石的自然伽馬讀數將具有最低值，純泥岩層具有最高值，而介於這兩者之間的讀數則反映著一定的泥質含量。如果讀數高低與泥質含量之間具有線性關系，則可按下式計算泥質含量

勘查技術工程學

式中：G_GR為目的層的自然伽馬讀數。

和分別是解釋層段內純泥岩層和純砂岩層的自然伽馬讀數。

大量統計分析表明，所述線性關系並不完全正確。由式（13.4-1）計算的V′_SH與實際泥質含量V_SH之間具有非線性關系，且與地層的地質時代有關，它們之間關系如圖13-20所示。其關系式為

勘查技術工程學

式中：C為地區經驗系數。通常老地層C=2，新地層C=3.7。

c.地層對比。利用自然伽馬曲線進行井間地層對比要比用自然電位和電阻率曲線好，因為它不受井間泥漿性能差異和地層流體性質變化的影響，但測井曲線的標准化十分必要。

13.4.1.2 自然伽馬能譜測井

自然伽馬能譜測井是基於岩石中鈾、釷、鉀三種放射性核素在衰變時放出的伽馬射線的能譜不相同而提出的一種測定這幾種元素含量的測井方法。

圖13-20 V′_SH與泥質含量V_SH的統計關系

根據對鈾、釷、鉀放出的伽馬射線的能譜進行分析，⁴⁰K只有單一能量為1.46MeV的伽馬射線，而鈾系和釷系的伽馬射線能譜分別在1.76MeV和2.62MeV處有一明顯峰值，如圖13-21所示。因此，通過將記錄的伽馬射線能量轉換為脈沖幅度輸出，並用多道脈沖幅度分析器就可分別測出各自的伽馬射線強度，進而分析鈾、釷、鉀的含量。

從圖13-21可以看出，各能量譜之間存在著交叉或干擾，為了從整個譜系中解析出三種元素的特徵譜對總計數率的貢獻（稱為解譜），需要開設多個能量窗口進行測量，列出方程組求解。這可通過多道能譜分析儀來實現，它共設五個能量窗，兩個低能窗：0.15～0.5MeV和0.5～1.1MeV，三個高能窗：1.32～1.575MeV（稱為鉀窗）、1.650～2.390MeV（稱為鈾窗）和2.475～2.765MeV（稱為釷窗）。五個能量窗輸出的信號分別送入五個計數器進行計數，然後通過解譜，便可獲得所述三種放射性元素的含量。

圖13-21 鈾、釷、鉀伽馬射線能譜圖

自然伽馬能譜測井最終可輸出五條曲線，它們是總自然伽馬曲線（SGR）、釷含量曲線（THOR），單位為10^-6；鈾含量曲線（URAN），單位為10^-6；以及鉀含量曲線（POTA），單位是%；另一條是「無鈾」的G_GR曲線，它是釷、鉀含量的疊加。

13.4.2 中子測井（NL）

中子測井在於利用中子源（連續中子源或脈沖中子源）發出高能中子射入地層，其與物質原子核相作用時會發生一系列的核反應。利用這些核反應，形成了多種測井方法。

13.4.2.1 中子與物質的相互作用

中子是不帶電荷的粒子，它能穿過原子的核外電子殼層與原子核相碰撞，並隨著中子能量的不同將主要產生兩種過程，一種是彈性散射，一種是非彈性散射。

（1）中子的彈性散射

能量低於10MeV的中子與物質作用主要產生彈性散射。在這過程中，中子與原子核每碰撞一次，損失一部分能量，速度降低，並朝著一定方向進行散射。經多次碰撞，能量減至0.025eV時，彈性散射過程結束，此時的中子稱為熱中子，隨即像分子熱運動一樣在物質中進行擴散，當其再與原子核碰撞時，失去和得到的能量幾乎相等。熱中子在擴散過程中，由於速度較慢，在原子核周圍停留時間較長，因而容易被原子核俘獲。元素原子核俘獲熱中子之後，處於激發狀態，當它回到穩定的基態時，多餘的能量將以伽馬射線的形式釋放出來，稱為俘獲伽馬射線或二次伽馬射線。

在測井常見的核素中，氫元素具有最強的減速能力，由快中子變為熱中子的過程最短；氯元素的俘獲能力最強，因而，熱中子的擴散過程最短，且氯核俘獲熱中子之後釋放出的伽馬射線的能量比一般元素的都高。根據這一特性，在含氫量較多的岩石中，離中子源較遠的地方，那裡的熱中子密度及二次伽馬射線強度均較低，反之會較高；而在含氫量相同但含氯量不同的兩種岩石中（如油層和水層），含氯高的岩石，將會記錄到更低的熱中子密度和較高的二次伽馬射線強度。

（2）中子的非彈性散射及中子活化

中子的能量高於10MeV時，與物質作用主要產生非彈性散射。在這一過程中，高能快中子與元素原子核相碰撞，其能量不僅使原子核獲得動能，還能使核躍升一個能級而變得不穩定。當回到基態時，放出伽馬射線，稱為非彈性散射伽馬射線。在測井常見的核素中¹²C和¹⁶O具有較大的非彈性散射截面，且產生的非彈性散射伽馬射線的能量較高。

用高能快中子照射穩定的原子核還能使其活化成為新的放射性核素，並有一定的半衰期，其衰變產生的伽馬射線叫活化伽馬射線。活化伽馬射線的能量因元素而異，但其強度還與中子源的源強、照射時間以及停止照射後開始測量的時間有關。

13.4.2.2 中子-中子測井

中子-中子測井通常使用半衰期長且產額較穩定的鎇-鈹中子源。它是利用放射性元素鎇（⁹⁵An）衰變時放出的α射線與鈹（⁴Be）發生核反應產生中子。這種中子源發出的中子流是連續的，其平均能量約4.5MeV。因此，在岩石中主要產生彈性散射。

中子-中子測井又可分為兩種類型：一種是測量探測器周圍熱中子密度的中子-熱中子測井；另一種是測量探測器周圍超熱中子密度的中子-超熱中子測井。

（1）中子-熱中子測井

採用一種在外壁上塗有鋰或硼的閃爍計數器，利用鋰或硼對熱中子強吸收後放出α粒子，使計數器熒光體發光的特性，將單位體積內的熱中子數（熱中子密度）轉換為電脈沖數進行記錄。由於在離中子源一定距離處的熱中子密度取決於兩種因素，即介質的減速特性和俘獲特性，因此，熱中子的空間分布同時受著這兩種特性的影響。在源距為45～60cm的情況下，若介質中不含有俘獲能力很大的元素（如氯元素），含氫量高的介質測得的熱中子讀數為低值，並隨著含氫量增高讀數降低，如圖13-22所示。這表明，熱中子測井讀數能直接反映岩層孔隙度的大小。若還有氯元素存在，由於熱中子被強烈吸收，使熱中子讀數明顯降低，此時測井讀數將不再是含氫量的單一反映，對計算的孔隙度將帶來較大的誤差。

圖13-22 在不同含氫岩石中熱中子的分布

為了消除井孔和岩石中氯元素對熱中子讀數求取孔隙度的影響，目前中子-熱中子測井廣泛採用補償的形式，即用長、短兩種源距進行測量，稱為補償中子測井（CNL）。此時，在不含結晶水的岩石中，有

長源距

勘查技術工程學

短源距

勘查技術工程學

式中N_L和N_S分別為長、短源距的熱中子計數率；a為與井徑有關的系數；b為儀器常數；c為氯元素的影響系數。

上二式相減得

勘查技術工程學

式（13.4-5）表明，測量長、短源距計數率比值的對數，能消除井孔和岩層中氯元素的影響而直接與孔隙度有關，使補償中子測井成為目前主要孔隙度測井方法之一。

實際的補償中子測井是以孔隙度為單位進行記錄的。它是將儀器放在已知孔隙度的純石灰岩地層上進行刻度，將長、短源距的計數率比值轉換為孔隙度單位，稱為「石灰岩孔隙度」。按照這種刻度方式，在純石灰岩地層上測得的孔隙度將等於地層的真孔隙度，而在非純石灰岩的其他地層上，測得的孔隙度讀數將不等於地層的真孔隙度，稱之為「視石灰岩孔隙度」。

（2）中子-超熱中子測井

能量介於0.1～100eV的中子稱為超熱中子，它的空間分布只取決於介質的減速特性而與俘獲特性無關。因此，對變為熱中子之前的超熱中子密度進行記錄能直接反映岩層的含氫量，進而更好的求取孔隙度。

採用一種專門的超熱中子探測器可以記錄超熱中子。這種探測器由熱中子計數管及其外壁的鎘層和石蠟層構成。鎘的作用是吸收周圍的熱中子，而只讓超熱中子通過進入石蠟層，然後再經石蠟減速成熱中子被記錄。

為了減少井孔影響，超熱中子測井採用貼井壁方式進行測量，稱為「井壁超熱中子測井」或「井壁中子測井」。源距採用28～46cm，同樣以石灰岩孔隙度單位進行記錄。

13.4.3 密度與岩性密度測井

在井下儀器中安置伽馬源，放射出的伽馬射線將與周圍岩石中元素原子的核外電子發生碰撞而損失能量並產生散射和吸收，測量不同能量窗口內的散射伽馬射線強度，發展了兩種測井方法——密度測井和岩性密度測井。

13.4.3.1 密度測井（DEN）

密度測井又稱伽馬-伽馬測井，它利用¹³⁷Cs作為伽馬源，可放射出能量為0.66MeV的伽馬射線。這些中等能量的伽馬射線在岩石中與原子的核外電子發生碰撞首先發生康普頓散射，散射結果，入射伽馬射線的能量降低並經過一定距離之後，部分被吸收而使強度減小。這一特性可用康普頓散射吸收系數μ_K來描述，它等於單位體積中所有電子散射截面σ_K的總和，即

勘查技術工程學

式中：n_e為單位體積中的電子數（稱為電子密度），可表示為

勘查技術工程學

式中：N_A為阿伏伽德羅常數；ρ_b為岩石的體積密度（g/cm³）；Z為原子序數；A為相對原子質量。

對於沉積岩中的大多數元素而言，Z／A比值接近於1／2，並在入射伽馬射線一定能量范圍內σ_K是個常數，因而可近似認為

勘查技術工程學

密度測井測量的是一次散射到達探測器且能量高於200keV的散射伽馬射線的強度，在該能量界限內散射伽馬射線的強度只與康普頓散射有關，即只反映岩石的體積密度。在適當源距情況下，它隨岩石密度的增大而減小。考慮到伽馬射線散射後的能量降低和強度減小，實際的密度測井儀採用較短（十餘厘米）的源距並貼向井壁進行測量，還通過補償的方式進一步消除泥餅對測量結果的影響。於是，密度測井又有補償密度或補償地層密度測井之稱。

在採用長短源距進行補償測量的情況下，可以分別測量長源距和短源距兩種計數率N_L和N_S，通過儀器刻度並聯立求解，可以獲得被探測地層的體積密度值ρ_b。在無泥餅存在時，它等於地層的真密度；而在有泥餅的地層上，它等於長源距計數率求得的視密度與泥餅校正值Δρ之和，故實際的密度測井同時輸出ρ_b和Δρ兩條曲線。

密度測井與聲波、中子測井一起常被稱為三種孔隙度測井，廣泛用於求取儲層孔隙度。密度測井計算孔隙度的基本依據是，測井測得的岩石體積密度ρ_b等於岩石骨架密度ρ_ma與孔隙流體密度ρ_f的加權和，即

勘查技術工程學

解出φ得

勘查技術工程學

式中ρ_ma對於不同的岩石有不同的數值，如砂岩為2.65g/cm³，石灰岩為2.71g/cm³，白雲岩為2.87g/cm³，孔隙中水（泥漿濾液）的密度ρ_f=1g/cm³。若岩石骨架由多種礦物構成，以及岩石含泥質時，孔隙度需利用泥質多礦物岩石模型進行計算。

另外，密度測井與聲波和中子測井曲線相配合用於劃分氣層也很有用，在含氣層的地方，常常顯示為聲波時差增大，中子孔隙度減小，密度曲線顯示為低的密度讀數。

13.4.3.2 岩性密度測井（LDT）

岩性密度測井綜合利用了康普頓散射和光電吸收兩種效應。對於構成沉積岩的絕大多數元素而言，原子序數一般在1～20之間。伽馬射線與這些輕元素作用，能量在0.25～2.5MeV之間時，以康普頓散射為主；能量小於0.25MeV時，以光電效應為主；並導致伽馬射線能量耗盡而最終被吸收。因此，能量為0.661MeV的伽馬源放出的伽馬射線進入地層後，經過康普頓散射能量降低並向著主要發生光電效應的低能區過渡時，散射伽馬射線的強度將主要決定於介質的光電吸電特性，即光電吸收截面。如果在低能區一定譜段內開設窗口專門測量光電吸收能級范圍內的散射伽馬射線，顯然，光電吸收截面越大的介質中測得的散射伽馬射線強度會越低。

在入射伽馬射線的能量一定的情況下，光電吸收截面是岩石中元素原子序數Z的單一函數，即原子序數越大，光電吸收截面越大。原子序數Z的數值又取決於它的化學成分，因此岩性密度測井能直接反映地層的岩性。根據研究，伽馬光子與元素原子發生作用的光電吸收截面σ與元素原子序數Z的4.6次方成正比。若定義一個與σ／Z成正比例的參數，稱為光電吸收截面指數，用P_e表示，則有

勘查技術工程學

式中K為比例常數。

由於σ的單位為靶／原子，Z的單位為電子／原子，故P_e的單位為靶／電子。岩性-密度測井就在於通過儀器刻度將測得的低能區范圍內的散射伽馬射線強度轉換為P_e值進行記錄。同時，它還記錄一條密度曲線ρ_b和一條稱為體積光電吸收截面指數的曲線U。U的定義是

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單位為10^-28m²／cm³。

表13-1列出了常見岩、礦石的P_e和U值以及相應的體積密度和中子測井孔隙度。利用表中數據，再結合P_e測井結果就能較准確地判斷岩性、研究礦物成分和確定某些高原子序數的重礦物等。用岩性密度測井確定岩性的優點還在於P_e測量結果與地層孔隙中的油氣關系不大（因其P_e值很小），岩石孔隙度的改變對測量結果的影響也很小。

表13-1 常見岩礦石及流體的P_e、U及ρ_b和Φ_N值

H. 中子氧活化流量測井原理

用脈沖中子活化中子活化氧原子，使活化的氧原子產生特徵伽馬射線。流動的活化水流經四個探測器，保個探測器是連續記錄，計數率隨時間變化的時間譜，並根據時間譜計算出譜峰的渡過時間，由各個探測器的源距和計算出的時間譜的渡越時間得到活化水的流速，並根據實際測量的空間截面積和一天24小時的時間長度計算得到該測量點的一天流量。

氧活化測井的用途：
1)在籠統正注井、籠統反注井、油套合注井、分層配注井中測量注入剖面。
2)尋找套管外竄流。
3)檢查封隔器漏失及套管漏失。
4)可過油管測環套流量。
5）現場快速直觀解釋，可迅速得到測點流量。

I. 怎樣探測輻射

說實話這個問題還是比較復雜的，簡單說，就是輻射能量使探測器的某些原子電離，電離放出的電子或者光子，通過探測器，如光電倍增管等接受，傳給外面的電路形成脈沖，然後根據這些脈沖進行某些計算。下面是某教材裡面的一些總結性的東西，不知道能不能幫到你：
探測器把核輻射轉變為電信號的物理過程在很大程度上決定了探測器的主要技術性能和用途。就這三類探測器而言，核輻射轉變為電信號的過程不管多麼復雜和不同，概括地講總是分為兩個階段。第一階段：入射的粒子如果不是帶電的，如γ光子和中子，則通過與探測器物質的相互作用，轉變或產生出帶電粒子，這些帶電粒子在探測器內的一個特定區域使原子或分子電離和激發；第二階段：被電離和激發的原子，在探測器的外加電場中作定向移動，因而在探測器外部負載電路中給出一個電流信號，稱為探測器的本徵電流信號。這個本徵電流信號的特點完全取決於核輻射在探測器內轉變為電信號的物理過程，而與探測器的外部負載電路無關。
為了使探測器內部產生一定電場，需供給探測器以一定數值的直流電壓。在探測器與提供直流電壓的電源之間還有若干個電子元件。為了把本徵電流信號改造成為適合測量任務需要的電信號，在探測器與電信號處理儀器之間也需要一些電子線路和元件。所有這些元件組成了探測器的外部負載電路。對大多數測量任務來說，這三類探測器可以把本徵電流信號改造成為慢變化的電流信號，也可以改造成脈沖信號，然後再被送到電信號處理儀器中。輸出慢變化的電流信號的狀況通常稱為探測器的電流型工作狀況，而輸出脈沖信號的狀況稱為探測器的脈沖型工作狀況。大多數探測器可以工作在這兩種狀況中的任何一種。

以伽瑪射線的測量為例，目前比較常用的是高純鍺伽瑪譜儀，是通過半導體探測的，實際使用的半導體有兩種，一種叫做N型，另一種叫做P型。它們都是在純半導體材料中摻入不同雜質而構成的。摻有第三族元素如硼（稱受主）的硅或鍺叫做P型，其中有許多空穴。摻有第五族元素如磷（稱施主）的硅或鍺叫做N型，其中有許多自由電子。通常的半導體計數器材料並不是純的半導體，而是利用所謂這種P-N結型半導體。P-N結型半導體探測器就是指P型半導體與N型半導體直接接觸（接觸距離小於10-7cm）組成的一種元件。在接觸的交界處由於剩餘電子和剩餘空穴互相補充，故在交界處電子和空穴的密度特別小，即相當於電阻特別大。在工作時加上反向電壓（即P型加負壓，N型處加正壓），電子和空穴背向運動，造成了無自由載流子的耗盡層，又稱半導體探測器的靈敏體積。當帶電粒子進入此靈敏體積後，由於電離產生了電子-空穴對，電子和空穴受電場的作用，分別向二個電極運動，並被電極收集，從而產生脈沖信號。此脈沖信號被低雜訊的電荷靈敏放大器和主放大器放大後，由多道分析器或計數器記錄。