元素俘獲譜測井元素相對(duì)靈敏度研究

王 虎 金為武

(武漢海王機(jī)電工程技術(shù)公司 湖北 武漢 430064)

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元素俘獲譜測井元素相對(duì)靈敏度研究

王 虎 金為武

(武漢海王機(jī)電工程技術(shù)公司 湖北 武漢 430064)

地層元素俘獲譜測井可直接、準(zhǔn)確判斷巖性，為識(shí)別復(fù)雜儲(chǔ)層巖性、確定骨架密度、解釋沉積環(huán)境、根據(jù)礦物組成計(jì)算孔隙度及滲透率等問題的解決提供了一種新的途徑。而求取組成地層巖石的各元素相對(duì)靈敏度是地層元素俘獲譜測井解釋的關(guān)鍵所在。文章結(jié)合研制的地層元素俘獲譜測井儀，用蒙特卡羅數(shù)值模擬的方法對(duì)其建立數(shù)值模型，并進(jìn)行優(yōu)化驗(yàn)證，得到理想的模型，進(jìn)一步建立已知元素成分的刻度模擬井，計(jì)算得到硅、硫、鈣、鐵、鈦、釓、氫和氯等元素的相對(duì)靈敏度，并與斯倫貝謝公司的地層元素測井儀的相對(duì)靈敏度比較分析，確定了可用于求解骨架元素含量計(jì)算的元素相對(duì)靈敏度，這一結(jié)果解決了元素俘獲譜測井儀求解地層各元素含量分析過程中的技術(shù)難點(diǎn)。

核測井；元素俘獲譜；俘獲伽馬能譜；相對(duì)靈敏度；標(biāo)準(zhǔn)模擬井

0 引 言

地層元素俘獲譜測井儀采用同位素中子源Am-Be發(fā)射快中子誘發(fā)地層中組成各礦物的元素原子核產(chǎn)生非彈伽馬射線和俘獲伽馬射線，記錄得到相關(guān)的伽馬能譜；再通過解譜和一系列的數(shù)據(jù)處理，得到地層中主要元素硅、硫、鈣、鐵、鈦、釓等的百分含量。其中在用氧化物閉合模型求解各骨架元素含量的過程中，地層各主要元素的相對(duì)靈敏度的計(jì)算是十分重要的。

1 求取相對(duì)靈敏度

按俘獲伽馬能譜測井解釋理論可以得到地層中某一種元素俘獲γ射線的探測靈敏度[1]：

(1)

其中，NA為阿伏伽德羅常數(shù)，σj為第j種元素的熱中子輻射俘獲截面，Mij為第j種元素產(chǎn)生的伽馬射線在第i道中被傳輸和記錄的效率，Aj為第j種元素的原子量。從元素靈敏度的表達(dá)式可以看出，元素靈敏度只與元素自身的參數(shù)和儀器有關(guān)，而與地層沒有關(guān)系，這樣對(duì)相同的儀器其對(duì)應(yīng)的元素相對(duì)靈敏度也是唯一確定的。但在實(shí)際情況中，探測靈敏度難以測量，一般采用相對(duì)靈敏度。定義硅元素的相對(duì)靈敏度為1，則其他元素的相對(duì)靈敏度為：

(2)

其中，yj和ySi為其他元素和硅元素的產(chǎn)額，Wtj和WtSi為其他元素和硅元素的骨架含量。元素相對(duì)靈敏度獲得有兩種方法，一種是在標(biāo)準(zhǔn)譜刻度模型中實(shí)驗(yàn)測井得到[2]，另外一種是使用蒙特卡羅方法計(jì)算模擬得到。

本文采用模型井實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法計(jì)算元素的相對(duì)靈敏度。首先在井群和數(shù)值模擬對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)確定儀器樣機(jī)數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，建立標(biāo)準(zhǔn)井地層，然后模擬計(jì)算，經(jīng)過處理后即可得到用于對(duì)元素產(chǎn)額轉(zhuǎn)化成骨架含量所需的地層元素相對(duì)靈敏度。這種方法不僅成本低、操作簡單，而且彌補(bǔ)了標(biāo)準(zhǔn)井實(shí)驗(yàn)難以建立不同地層條件下模型井的不足，這為求取骨架元素含量提供了基礎(chǔ)。

2 建立地層計(jì)算模型

在確定了地層元素俘獲譜測井儀器模型后，建立若干口含一定孔隙度、井內(nèi)液體與孔隙流體為純水、地層各元素質(zhì)量百分比已知的模型井，每口模型井都添加一定量的Si元素作為參照，針對(duì)所求的硅、鈣、鐵、硫、鈦、釓和氫、氯等元素，分別以SiO2，CaCO3，F(xiàn)e2O3，SO2，TiO2，Gd2O3，H2O和NaCl的化合物形式按一定比例存在于地層中。并通過調(diào)節(jié)孔隙度使每口模型井的地層密度和快中子慢化長度與常見地層基本一致。其中巖石的慢化本領(lǐng)主要決定于含H量，含H量大的巖石中子減速長度Lf小。淡水的Lf=7.7 cm，石英、方解石的Lf分別為37 cm和35 cm[3]。由于地層中存在一定的孔隙，內(nèi)含孔隙流體水，使地層的減速長度變短，故選擇元素標(biāo)準(zhǔn)能譜地層的中子減速長度約為30 cm。

3 能譜處理

基于儀器實(shí)測能譜的復(fù)雜性，使得經(jīng)過蒙特卡羅方法計(jì)算模擬獲得的地層元素伽馬能譜模擬數(shù)據(jù)并不能直接用元素標(biāo)準(zhǔn)譜對(duì)其進(jìn)行解譜得到各元素產(chǎn)額，在實(shí)際解譜前要求對(duì)模擬得到的地層元素伽馬能譜進(jìn)行一系列處理。這些處理包括光滑處理、歸一化處理等。這些處理在一定程度上可以減小由于原子核反應(yīng)的隨機(jī)性、MCNP程序數(shù)值模擬伽馬能譜存在計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)漲落現(xiàn)象及地層密度變化引起的誤差，使得到的地層元素俘獲伽馬能譜可直接用于解譜。

3.1 光滑處理

對(duì)地層元素俘獲譜測井儀探測器記錄的實(shí)測伽馬能譜進(jìn)行解譜前，對(duì)能譜要進(jìn)行濾波處理。同理，模擬得到的儀器俘獲伽馬能譜同樣需要光滑濾波處理。實(shí)測伽馬能譜一般采用7點(diǎn)柯西函數(shù)[4]進(jìn)行光滑，圖1所示為經(jīng)過光滑濾波處理的模擬石灰?guī)r地層的俘獲伽馬能譜曲線圖。對(duì)比未處理的曲線，經(jīng)過濾波處理后的能譜曲線圖峰值光滑，計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)漲落誤差明顯減少。

圖1 石灰?guī)r地層俘獲伽馬能譜曲線光滑濾波處理效果圖

3.2 歸一化處理

歸一化能譜，即將地層俘獲伽馬能譜每一道上的計(jì)數(shù)率除以各道計(jì)數(shù)率總和得到的值組成的能譜。由于儀器實(shí)測伽馬能譜是光子在BGO晶體中產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的累加，而MC數(shù)值模擬伽馬能譜累計(jì)的是單個(gè)中子產(chǎn)生的光子到達(dá)BGO并產(chǎn)生脈沖的概率，因此需要?dú)w一化后才可直接用于解譜。

3.3 解譜

對(duì)于地層元素俘獲譜測井，由于需要求解的元素較多，且各元素的特征俘獲伽馬能峰也較多，用剝譜法、逆矩陣法均已不能滿足解譜精度要求。加權(quán)最小二乘法由于其通過最小誤差的平方和找到一組數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配，而被廣泛地應(yīng)用于地層元素測井的能譜解析過程中。本文采用完整的256道能窗對(duì)地層元素俘獲伽馬能譜進(jìn)行解譜。表1為利用加權(quán)最小二乘法解譜得到的各元素產(chǎn)額。

4 相對(duì)靈敏度求解及比對(duì)

根據(jù)已知的地層模型地層骨架元素含量和上面解譜得到的各元素產(chǎn)額，通過公式(2)分別計(jì)算各元素相對(duì)靈敏度，求解結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，計(jì)算得到的各元素相對(duì)靈敏度與斯倫貝謝公司的對(duì)比，除了釓元素外大部分元素相對(duì)靈敏度很接近。根據(jù)公式(1)可以得到，造成這種差異的的原因，可能是由于與斯倫貝謝公司的儀器在關(guān)鍵參數(shù)及晶體性能存在差異，從而得到的元素相對(duì)元素靈敏度也就不一樣，但整體相對(duì)誤差很接近。再者根據(jù)公式(2)可以看到，相對(duì)靈敏度是間接得到的，其在計(jì)算過程中可能由于元素標(biāo)準(zhǔn)譜或者解譜精度等原因，在計(jì)算傳遞后造成差異。

表1 解譜得到的元素產(chǎn)額

表2 地層元素相對(duì)靈敏度

5 結(jié) 論

根據(jù)研制的地層元素俘獲譜測井儀，用蒙特卡羅數(shù)值模擬的方法對(duì)其建立驗(yàn)證后的儀器及模擬井模型，通過模擬計(jì)算及一系列能譜處理后，計(jì)算得到硅、硫、鈣、鐵、鈦、釓、氫和氯等元素的相對(duì)靈敏度，并與斯倫貝謝公司的地層元素測井儀的相對(duì)靈敏度比對(duì)分析，結(jié)果表明模擬計(jì)算得到的元素相對(duì)靈敏度與斯倫貝謝公司的各元素相對(duì)靈敏度具有一致性。這一結(jié)果解決了元素俘獲譜測井儀能譜處理分析過程中求取地層元素相對(duì)靈敏度的技術(shù)難點(diǎn)，同時(shí)為元素相對(duì)靈敏度的求取提供了方法，為地層元素俘獲譜測井儀求解元素含量奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)還需下一步工作，對(duì)得到的元素相對(duì)靈敏度進(jìn)行不斷的實(shí)井測量比對(duì)，不斷優(yōu)化校正，使之更精確。

[1] Grau J A et al..A Geological Model for Gamma-ray Spectroscopy Logging Measurments,Nucl.Geophys, 1989,3(3):351-359

[2] 龐巨豐. 地層原素中子俘獲伽馬能譜測井解釋理論與方法[J]. 測井技術(shù),1998,22(2)：116-119.

[3] 龐巨豐. 核測井物理基礎(chǔ)[M]. 北京：石油工業(yè)出版社,2005：113-116.

[4] 龐巨豐，鄭桂芳，朱曉夷．用離散函數(shù)褶積滑動(dòng)變換法作譜數(shù)據(jù)光滑[J].原子能科學(xué)技術(shù),1983,26(4)：180-188.

Relative Sensitivity Factor of Elemental Capture Spectroscopy Log

WANG Hu JIN Weiwu

(WuhanHaiwangElectricalandMechanicalTechnologies,inc.Wuhan,Hubei430064,China)

Elemental capture spectroscopy log can directly and accurately determine complex lithology, which provides a new approach to identifying complex lithology, determining the density of framework, interpreting the sedimentary environment, calculating porosity and permeability according to the mineral composition. Measuring the relative sensitivity factor of lithology is the key to elemental capture spectroscopy log interpretation. In this paper, we established the model of the formation element captured spectrum logging tool with Monte Carlo method and by optimization obtained the ideal model. We also established the element standard simulation well to calculate and obtain the relative sensitivity factor of sulfur, calcium, silicon, iron, titanium, gadolinium, hydrogen， chlorine, and other elements. Compared with the relative sensitivity factor of Schlumberger elemental capture spectroscopy log，we obtained the relative sensitivity factor which can be used to calibrate the elemental weight fractions in data processing. This method solved the key problem of conversion from yield of each element to the weight fractions in the data processing.

nuclear logging, element captured spectrum, captured gamma energy spectrum, the relative sensitivity factor, standard simulation well

王 虎，男，1986年生，碩士研究生，2011年畢業(yè)于武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,現(xiàn)在武漢海王機(jī)電工程技術(shù)公司石油測井事業(yè)部工作。E-mail：842508007@qq.com

P631.8+1

A

2096-0077(2015)01-0072-03

2014-05-30 編輯：姜婷)