应用低本底伽马能谱测量技术划分钻井碎屑的岩石属性

应用低本底伽马能谱测量技术划分钻井碎屑的岩石属性

杨京科 ,范晨 ,和述洲

中核国电漳州能源有限公司

摘要 低本底伽马能谱仪能快速、准确地测量岩屑样品中的K、Th、U计数率，并划分岩屑岩性。实验结果表明： K、Th、U特征峰的计数率与样品质量成线性关系，用K、Th、U计数率之间的关系可划分泥岩岩性。该方法对钻井碎屑的岩性判别的准确度达到80％。

关键词：低本底；伽马能谱；计数率；岩性

1. 引言

伽马能谱测量是一种快速、非破坏性地测量钻井碎屑中放射性核素活度的方法。在放射性核素衰变时，钻井样品会放出伽马射线，通过测定放射性核素能量及照射量率，对放射性核素进行定量和定性分析。

本文主要利用低本底伽马能谱仪对钻井碎屑样品进行测量，找出伽马能谱特征参数与岩石属性(岩性)的关系，依据伽马能谱测量来判断钻井碎屑的岩石属性。

2.实验部分

2.1基本原理

放射源40K、238U、232Th所产生的伽马射线照射在NaI（Tl）探测器的晶体上，伽马射线中的伽马光子与晶体发生相互作用，电脉冲的峰值与入射伽马射线的能量成正比，而且电脉冲的计数率与入射伽马射线的照射率成正比。电脉冲信号经过前置放大器和线性脉冲放大器成形后，再输入多道脉冲幅度分析器进行脉冲幅度和脉冲个数的采集和处理，进而计算出相应的各种能量伽马射线的计数率和对应核素的含量，经过标准源校正后可以直接输出K、U、Th的含量和计数率，以及总计数率和含量。

2.2测量仪器

测量仪器为IED-3000B型低本底数字伽马能谱仪，其主机部分如图1所示。

图1.主机电路结构框图

2.3伽马软件系统

本仪器数据处理终端采用智能化Android手机作为硬件开发平台，在硬件控制环节嵌入汇编语言以提高执行效率。在测量完成后能自动计算U、Th、K的含量、各种能量γ射线的计数率、独立γ射线总道计数率，可标定当量铀含量Qeu/ur和照射量率X/(nC/kg•h），同时，又能对1024/512/256道谱线的全谱、扩展谱进行灵活查看和分析。

2.4低本底铅室

低本底铅室是为了屏蔽宇宙射线和外面其余各种放射性物质的伽马射线，采用的是壁厚为10cm的中空圆柱体，外直径为42×45cm,内直径为20×22cm。低本底铅室如图2所示。

图2低本底铅室

2.5样品制备和测量

从某油气勘查区的李井中不同井深高度选取30个岩石样品，每个样品称取200g，用研磨机研磨，将研磨好的样品放进100-110℃烘干炉中烘烤2h，以确保水分完全去除，干燥后的样品用圆柱形聚乙烯塑料盒包装密封，并编号，达到放射性平衡后开始测量。测量时间为3000s。

3.结果与讨论

3.1能量分辨率测量方法

通常NaI（Tl）晶体探测器的能量分辨率是以137Cs的0.662MeV单能伽马射线为标准，伽马能谱仪的分辨率主要决定于一定能量所产生的脉冲幅度的展宽程度，其能量分辨率如式（1）所示：

         （1）

式中，表示为全能峰的半高宽；V表示为全能峰的峰位；越小，伽马能谱仪的能量分辨率越高。

3.2测量能区选择

本文采用的样品主要是钻井碎屑，属于沉积岩中的泥岩和灰岩，实验主要测量样品中的K、Th、U的计数率。40K放出伽马射线的能窗是（1.37-1.56）MeV，以1.46MeV作为40K的特征峰。238U衰变成214Bi放出伽马射线的能窗是（1.66-1.88）MeV，以1.76MeV作为238U特征峰。232Th衰变成208Tl放出伽马射线的能窗为（2.41-2.81）MeV，以2.62MeV作为232Th的特征峰，用这些特征峰来测量K、Th、U的计数率。NaI(Tl)探测器测量一个岩石样品所得到伽马能谱如图3所示。

图3实测岩屑样品的伽马能谱图

3.3样品质量测量

用低本底伽马能谱仪对褐灰色泥质泥岩、灰黑色灰质泥岩、深灰色灰质泥岩三种岩石样品分别测量6次，每次加入50g，共300g。记录K、Th、U各道的计数率和总道计数率。

图4 K道计数率与样品质量的关系 图5 U道计数率与样品质量的关系

图6 Th道计数率与样品质量的关系                     图7总道计数率与样品质量的关系

随着样品质量增加，K、Th、U各道的计数率以及总道计数率也呈线性增加。在K道（图4）中，褐灰色泥质泥岩与深灰色灰质泥岩两者的线性系数最大并且相同，灰黑色灰质泥岩最小。在U道（图5）中，三者岩性的线性系数相同。在Th道(图6)中，褐灰色泥质泥岩线性系数最大，灰黑色灰质泥岩和深灰色灰质泥岩线性系数相同。在总道（图7）中，褐灰色泥质泥岩和灰黑色灰质泥岩线性系数最大并且相同，深灰色灰质泥岩最小。

3.4岩性识别方法

表1 计算结果

利用已知20种岩性的样品建立岩性识别方式，根据表1得出的结果，利用总计数率来划分泥岩和灰岩。总计数率较高或低的是灰岩，总计数率处于中间位置的是泥岩。用（K+U）/Th值可以从四种泥岩识别出灰黑色灰质泥岩，（K+U）/Th值最高的是灰黑色灰质泥岩。再用U+Th值从剩余的三种泥岩识别出褐灰色泥质泥岩。最后，通过（K+Th）/U值来识别剩余的两种泥岩，计算出两种泥岩（K+Th）/U值的相对误差大于10％，所以可以通过（K+Th）/U值识别出深灰色灰质泥岩和灰色灰质泥岩。

3.5准确度

用其它10个岩石样品来检测判别方法的准确性，岩性判别结果如表2所示。

从图中可以得出，通过两倍均方差检验，10个岩性样品可以正确识别出8个，错误2个。所以该方法识别岩性的准确度达到了80％。

4.结论

利用低本底伽马能谱仪测量钻井碎屑样品，通过实验分析可得出如下结论：

（1）通过NaI(Tl)探测器测量137Cs源0.662MeV的全能峰，它的能量分辨率为6.09％，说明仪器的能量分辨率比较高，可以较为准确识别出放射性核素。

（2）在无法识别钻井碎屑的岩性时，利用总计数率可以分出泥岩和灰岩，再采用K、Th、U计数率之间的关系分出泥岩的岩性。该方法可以分出岩屑样品中的岩性，准确度80％。

参考文献：

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