王 虎 金为武

(武汉海王机电工程技术公司 湖北 武汉 430064)



·仪器设备与应用·

元素俘获谱测井元素相对灵敏度研究

王 虎 金为武

(武汉海王机电工程技术公司 湖北 武汉 430064)

地层元素俘获谱测井可直接、准确判断岩性，为识别复杂储层岩性、确定骨架密度、解释沉积环境、根据矿物组成计算孔隙度及渗透率等问题的解决提供了一种新的途径。而求取组成地层岩石的各元素相对灵敏度是地层元素俘获谱测井解释的关键所在。文章结合研制的地层元素俘获谱测井仪，用蒙特卡罗数值模拟的方法对其建立数值模型，并进行优化验证，得到理想的模型，进一步建立已知元素成分的刻度模拟井，计算得到硅、硫、钙、铁、钛、钆、氢和氯等元素的相对灵敏度，并与斯伦贝谢公司的地层元素测井仪的相对灵敏度比较分析，确定了可用于求解骨架元素含量计算的元素相对灵敏度，这一结果解决了元素俘获谱测井仪求解地层各元素含量分析过程中的技术难点。

核测井；元素俘获谱；俘获伽马能谱；相对灵敏度；标准模拟井

0 引 言

地层元素俘获谱测井仪采用同位素中子源Am-Be发射快中子诱发地层中组成各矿物的元素原子核产生非弹伽马射线和俘获伽马射线，记录得到相关的伽马能谱；再通过解谱和一系列的数据处理，得到地层中主要元素硅、硫、钙、铁、钛、钆等的百分含量。其中在用氧化物闭合模型求解各骨架元素含量的过程中，地层各主要元素的相对灵敏度的计算是十分重要的。

1 求取相对灵敏度

按俘获伽马能谱测井解释理论可以得到地层中某一种元素俘获γ射线的探测灵敏度[1]：

(1)

其中，NA为阿伏伽德罗常数，σj为第j种元素的热中子辐射俘获截面，Mij为第j种元素产生的伽马射线在第i道中被传输和记录的效率，Aj为第j种元素的原子量。从元素灵敏度的表达式可以看出，元素灵敏度只与元素自身的参数和仪器有关，而与地层没有关系，这样对相同的仪器其对应的元素相对灵敏度也是唯一确定的。但在实际情况中，探测灵敏度难以测量，一般采用相对灵敏度。定义硅元素的相对灵敏度为1，则其他元素的相对灵敏度为：

(2)

其中，yj和ySi为其他元素和硅元素的产额，Wtj和WtSi为其他元素和硅元素的骨架含量。元素相对灵敏度获得有两种方法，一种是在标准谱刻度模型中实验测井得到[2]，另外一种是使用蒙特卡罗方法计算模拟得到。

本文采用模型井实验和数值模拟方法计算元素的相对灵敏度。首先在井群和数值模拟对比分析实验确定仪器样机数值模型的基础上，建立标准井地层，然后模拟计算，经过处理后即可得到用于对元素产额转化成骨架含量所需的地层元素相对灵敏度。这种方法不仅成本低、操作简单，而且弥补了标准井实验难以建立不同地层条件下模型井的不足，这为求取骨架元素含量提供了基础。

2 建立地层计算模型

在确定了地层元素俘获谱测井仪器模型后，建立若干口含一定孔隙度、井内液体与孔隙流体为纯水、地层各元素质量百分比已知的模型井，每口模型井都添加一定量的Si元素作为参照，针对所求的硅、钙、铁、硫、钛、钆和氢、氯等元素，分别以SiO2，CaCO3，Fe2O3，SO2，TiO2，Gd2O3，H2O和NaCl的化合物形式按一定比例存在于地层中。并通过调节孔隙度使每口模型井的地层密度和快中子慢化长度与常见地层基本一致。其中岩石的慢化本领主要决定于含H量，含H量大的岩石中子减速长度Lf小。淡水的Lf=7.7 cm，石英、方解石的Lf分别为37 cm和35 cm[3]。由于地层中存在一定的孔隙，内含孔隙流体水，使地层的减速长度变短，故选择元素标准能谱地层的中子减速长度约为30 cm。

3 能谱处理

基于仪器实测能谱的复杂性，使得经过蒙特卡罗方法计算模拟获得的地层元素伽马能谱模拟数据并不能直接用元素标准谱对其进行解谱得到各元素产额，在实际解谱前要求对模拟得到的地层元素伽马能谱进行一系列处理。这些处理包括光滑处理、归一化处理等。这些处理在一定程度上可以减小由于原子核反应的随机性、MCNP程序数值模拟伽马能谱存在计数统计涨落现象及地层密度变化引起的误差，使得到的地层元素俘获伽马能谱可直接用于解谱。

3.1 光滑处理

对地层元素俘获谱测井仪探测器记录的实测伽马能谱进行解谱前，对能谱要进行滤波处理。同理，模拟得到的仪器俘获伽马能谱同样需要光滑滤波处理。实测伽马能谱一般采用7点柯西函数[4]进行光滑，图1所示为经过光滑滤波处理的模拟石灰岩地层的俘获伽马能谱曲线图。对比未处理的曲线，经过滤波处理后的能谱曲线图峰值光滑，计数统计涨落误差明显减少。

图1 石灰岩地层俘获伽马能谱曲线光滑滤波处理效果图

3.2 归一化处理

归一化能谱，即将地层俘获伽马能谱每一道上的计数率除以各道计数率总和得到的值组成的能谱。由于仪器实测伽马能谱是光子在BGO晶体中产生的脉冲信号的累加，而MC数值模拟伽马能谱累计的是单个中子产生的光子到达BGO并产生脉冲的概率，因此需要归一化后才可直接用于解谱。

3.3 解谱

对于地层元素俘获谱测井，由于需要求解的元素较多，且各元素的特征俘获伽马能峰也较多，用剥谱法、逆矩阵法均已不能满足解谱精度要求。加权最小二乘法由于其通过最小误差的平方和找到一组数据的最佳函数匹配，而被广泛地应用于地层元素测井的能谱解析过程中。本文采用完整的256道能窗对地层元素俘获伽马能谱进行解谱。表1为利用加权最小二乘法解谱得到的各元素产额。

4 相对灵敏度求解及比对

根据已知的地层模型地层骨架元素含量和上面解谱得到的各元素产额，通过公式(2)分别计算各元素相对灵敏度，求解结果如表2所示。从表2中可以看出，计算得到的各元素相对灵敏度与斯伦贝谢公司的对比，除了钆元素外大部分元素相对灵敏度很接近。根据公式(1)可以得到，造成这种差异的的原因，可能是由于与斯伦贝谢公司的仪器在关键参数及晶体性能存在差异，从而得到的元素相对元素灵敏度也就不一样，但整体相对误差很接近。再者根据公式(2)可以看到，相对灵敏度是间接得到的，其在计算过程中可能由于元素标准谱或者解谱精度等原因，在计算传递后造成差异。

表1 解谱得到的元素产额

表2 地层元素相对灵敏度

5 结 论

根据研制的地层元素俘获谱测井仪，用蒙特卡罗数值模拟的方法对其建立验证后的仪器及模拟井模型，通过模拟计算及一系列能谱处理后，计算得到硅、硫、钙、铁、钛、钆、氢和氯等元素的相对灵敏度，并与斯伦贝谢公司的地层元素测井仪的相对灵敏度比对分析，结果表明模拟计算得到的元素相对灵敏度与斯伦贝谢公司的各元素相对灵敏度具有一致性。这一结果解决了元素俘获谱测井仪能谱处理分析过程中求取地层元素相对灵敏度的技术难点，同时为元素相对灵敏度的求取提供了方法，为地层元素俘获谱测井仪求解元素含量奠定了基础。同时还需下一步工作，对得到的元素相对灵敏度进行不断的实井测量比对，不断优化校正，使之更精确。

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

[2] 庞巨丰. 地层原素中子俘获伽马能谱测井解释理论与方法[J]. 测井技术,1998,22(2)：116-119.

[3] 庞巨丰. 核测井物理基础[M]. 北京：石油工业出版社,2005：113-116.

[4] 庞巨丰，郑桂芳，朱晓夷．用离散函数褶积滑动变换法作谱数据光滑[J].原子能科学技术,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，硕士研究生，2011年毕业于武汉理工大学材料科学与工程学院,现在武汉海王机电工程技术公司石油测井事业部工作。E-mail：842508007@qq.com

P631.8+1

A

2096-0077(2015)01-0072-03

2014-05-30 编辑：姜婷)