喻益明

(大庆油田测试技术服务分公司，黑龙江 大庆 163453)

地层元素测井解释方法研究

喻益明

(大庆油田测试技术服务分公司，黑龙江 大庆 163453)

配合脉冲中子地层元素测井仪的应用，开展地层元素测井解释方法研究，获取地层元素标准谱库，编制地层元素解释软件，解释得到元素产额、干重(不含结晶水的质量百分含量)、矿物组分含量。取芯井对比结果显示，解释结果与取芯化验结果一致性较好，研究结果可为复杂岩性评价、准确计算孔隙度提供数据。

地层元素；能谱测井；标准谱；矿物组分

地层元素能谱测井是利用热中子与地层各种元素的原子核发生辐射俘获核反应，根据瞬发的伽马射线能量不同，探测和记录俘获伽马能谱，从而定性、定量确定地层中的元素成分和含量。目前，通过俘获伽马能谱测量元素含量识别地层岩性的仪器主要有斯伦贝谢的地层元素能谱测井仪(ECS)、哈里伯顿的中子伽马能谱地球化学测井仪(GEM)和贝克休斯脉冲中子地层岩性能谱仪(FLeX)[1-2]。为了摆脱对国际石油公司的依赖，大庆油田2010年开始研发基于脉冲中子技术的地层元素测井仪(PNES)，并于2013年成功应用于现场。地层元素测井解释方法及软件实现与仪器研制同时进行，采用数值模拟与刻度井验证结合的方法获得常见地层元素非弹标准谱、俘获标准谱，保证了元素标准谱的应用效果；通过解谱技术得到地层主要骨架元素干重及矿物组分，为解决地质问题提供更加有效的手段。

1 地层元素测井原理

1.1 基本原理

中子源发射的快中子与测井仪周围各种元素的原子核发生非弹散射，释放非弹伽马射线，经过非弹散射，中子损失大部分动能，进入以弹性散射为主的作用阶段；弹性散射过程不释放伽马射线，经过多次弹性散射，中子动能逐渐降低，直到中子与周围物质达到热平衡，逐渐慢化成为热中子；热中子被周围介质俘获后，释放出特征俘获伽马射线，采集特征元素的俘获能谱，获得特征元素的相对产额，通过氧闭合模型求取地层元素的相对百分含量，建立相关解释模型，分析地层元素的相对百分含量，得到岩性、孔隙度、骨架密度等参数。

1.2 地层元素含量

测量的主要元素包括Si、Ca、S、Fe、Ti、Gd等。其中，Si与石英，Ca与方解石和白云石密切相关，利用Si和Ca可计算石膏含量；Fe与黄铁矿和菱铁矿，Al与粘土(高岭石、伊利石、蒙脱石、绿泥石、海绿石等)含量密切相关，而Al与Si、Ca、Fe有非常好的相关性，通过Si、Ca、Fe等元素可以计算粘土矿物含量；Ti与粘土矿物的含量有关；Gd的中子俘获截面远大于其他元素的俘获截面，Gd又与粘土矿物和一些重矿物的含量相关，测量Gd可准确计算其他元素的含量[3]。

1.3 地层元素干重含量[4]

地层元素含量通过式(1)计算：

(1)

式中，Wtj为地层中第j种元素的重量百分含量；yj为第j种元素的产额，即第j种元素中子俘获伽马谱对混合谱的贡献份额；Sj为第j种元素的相对灵敏度因子，与具体元素、探测器有关，与中子源强度、中子输运、地层密度无关；F为归一化因子，与单种元素无关，只与仪器和地层有关。

对于一个确定的地层，各种矿物的重量百分含量Mj之和为1，即：

(2)

式(2)为闭合归一化模型的理论依据。当地层中主要为氧化物和碳酸盐矿物时，式(1)为：

(3)

式中，Xj为闭合归一化模型的第j种氧化物或碳酸盐的氧化物指数，则，

(4)

实测地层谱的解谱可得元素产额yj，模型井的刻度可得元素的相对灵敏度Sj，氧化物的闭合模型得出归一化因子F，将yj、Sj、F代入式(1)中，得到该地层的元素百分含量。

1.4 元素含量与矿物的转换关系

在矿物组成元素稳定的情况下，利用多元回归分析建立地层中元素含量与矿物的转换关系，用矩阵形式表示为：

(5)

则，

(6)

其中，[M]为矿物百分比；[E]为地层元素质量百分比；[C]为系数矩阵，矩阵元Cij可由文献查出，或采用回归分析得出。

2 地层元素标准谱

大庆油田测试检测中心共有七口地层元素模型井。模型井直径1.8 m，高1.8 m，中央有外径236 mm、壁厚12 mm的套管，套管内为清水，套管外为模拟地层。其中，5口模型井地层矿物纯净，分别是石英(1#)、方解石(2#)、白云石(3#)、黄铁矿(4#)和硬石膏(5#)；6#模型井的地层模拟硅基混合层，含石英砂65%、方解石27.1%、黄铁矿10%、钛白粉3.3%；7#模型井的地层模拟钙基混合层，骨架含方解石63.8%、石英砂22.8%、黄铁矿10%、钛白粉3.4%(均为质量分数)。

2.1 基准校验

基于地层元素模拟井实际建井方案，构建数值模拟模型，对比模拟结果与仪器在模拟井实测结果，修改模拟模型，使最终模拟结果与实测结果一致，确定该模型为合理。

地层元素数值模拟基准校验对比结果示于图1，不同地层条件下模拟能谱与实测谱之间的相似度列于表1，从1图、表1结果可以看出，实测能谱与模拟能谱的一致性好。

表1 不同地层条件下实测能谱与模拟能谱相似度

图1 地层元素数值模拟基准校验对比结果Fig.1 Comparison results of the reference test for the numerical simulation of the formation elements

2.2 地层元素标准谱

基于数值模拟基准校验建立的元素标准能谱数值模拟模型示于图2。研究不同密度及不同温度条件对标准能谱的影响。

图2 地层元素标准能谱采集模型Fig.2 Standard energy spectrum acquisition model for the formation elements

固定经过基准校验的数值模拟模型的测井仪部分，将地层换成某单一元素或单一元素的化合物，井眼和测井仪中探测器周围构件换成原密度的中子-伽马反应截面可忽略的核素，通过数值模拟计算获得该元素标准谱。标准谱获取流程：1) 基于完善的数值模拟模型，求取探测器表面的伽马面流量计数；2) 计算探测器测井响应矩阵；3) 对探测器的面流量计数与测井响应矩阵进行卷积得到不同元素的标准能谱；4) 对标准能谱进行能量刻度校正和峰展宽校正。不同温度、不同密度条件下Si、Ca、S、Fe、Ti、Gd、H、Cl、K、Na、Mn、Mg、Al等元素标准俘获能谱示于图3。

图3 地层元素标准俘获能谱Fig.3 Standard capture energy spectrum of the formation elements

3 地层元素测井解释流程

3.1 实测地层谱的平滑滤波

平滑滤波将地层俘获谱上与地层性质无关的统计涨落干扰滤掉，只保留反映地层特性的有用成分。实测谱的滤波分纵向滤波和横向滤波，纵向滤波采用五点或七点均值滤波，横向滤波采用五点或七点光滑滤波。

3.2 实测谱与标准谱的归一化

无论是标准谱还是实测的地层俘获谱都要求取归一化谱。能谱共有256道，第1道为时间，第256道并不十分准确，在实际处理中取中间的254道(实际数据归一化根据解谱范围确定，一般为20～250道)。归一化后第j种元素俘获伽马谱的第k道计数为：

(7)

式中，Nkj为归一化后第j种元素俘获伽马谱的第k道计数；Lkj为归一化前第j种元素俘获伽马谱的第k道计数，j=13(Si、Ca、Fe、S、Ti、Gd、H、Cl、K、Na、Mn、Mg、Al)。M表示实测的地层俘获能谱，即归一化后实测地层俘获伽马谱的第k道计数为：

(8)

3.3 实测地层谱的漂移校正

在实际测井过程中，探测器受测量环境温度变化、高压漂移等影响易使谱仪的增益发生改变，引起地层俘获谱的漂移，需要对地层俘获谱进行漂移校正。一般以标准俘获谱为基准，将实测的地层能谱校正到标准俘获谱，根据测量井况的不同选取不同的基准元素，套管井一般采用H、Fe峰进行计算，裸眼井根据地层岩性不同可采用H和Si或Ca元素进行漂移校正。

3.4 标准谱的谱形校正

在实际地层元素俘获能谱测井过程中，由于BGO探测器的能量分辨率随温度升高而变差，导致峰形变宽。利用能量和分辨率刻度不同的标准谱拟合测井，获得的地层混合元素俘获谱(简称混合俘获谱)存在较大误差。在解谱之前，除了进行谱漂移校正，还需进行谱形状校正，一般方法以混合俘获谱为基准，对谱进行卷积处理，将标准俘获伽马谱的谱形刻度调整到混合元素俘获谱。

3.5 元素产额

地层元素能谱测井一般采用最小二乘法或者最小二乘法的改进方法进行解谱，包括逐道法、卡段法、复合卡段法。通过蒙特卡罗数值模拟发现三种方法对解谱影响较小。利用逐道法对未知地层进行解谱，能反映地层元素的种类和相对含量，但解析结果误差较大，所以在解释过程中采用卡段法与复合卡段法。

解谱的线性统计模型为：

(9)

式(9)表示地层测量能谱第i道的计数，为地层中所有元素在第i道内产生的γ射线(标准谱)的线性叠加，叠加的系数为该地层中元素产额的百分含量。式中，αij由元素标准谱得到n×m响应矩阵A的(i，j)元，m为元素总数，n为总道数或道区数；yj表示第j种元素的百分含量，即产额；εi表示误差。采用加权最小二乘法可得到精确的解。设：

(10)

ATWAy=ATWC

(11)

则

(12)

其中，C=(c1,c2,…cn)T，y=(y1,y2,…ym)。

测井解释过程中需要分别计算非弹谱和俘获谱的元素产额，处理方法相同。产额的确定需要经过数据预处理和解谱分析过程。判定拟合效果时，指定一个确定的精度ε，若残差<ε，则满足要求，否则需要返回重新进行谱校正和解谱。地层元素测井解释流程示于图4。

图4 地层元素测井解释流程图Fig.4 The flow chart of the formation elements logging interpretation process

4 现场应用

喇X-检PS2600井950～1 030 m段为硅质碎屑岩，有10块岩心进行过X荧光常量元素分析，岩心均为棕色含油细砂岩，岩石骨架主要成分为石英与长石，含少量泥质。2013年9月用地层元素俘获能谱测井仪在该井裸眼中测井，测速为60～70 m/h，测量对比井段为950～1 000 m。

测井解释成果示于图5，元素干重轨中WSi、WCa、WK、WFe、WNa、WAI分别是解释Si、Ca、K、Fe、Na、Al元素的干重曲线，红色数据点为取芯结果；矿物干重轨中从左向右显示了测井解释黏土、硅质、碳酸盐岩剖面，红色圆点为激光法粒度分析得出的取芯黏土数据，两者相关性较好。

测井解释的地层化合物干重与取芯结果对比列于表2。CaO、K2O、Si2O、Al2O3、N2O、Fe2O3计算最大绝对误差分别为3.13%、0.52%、3.07%、2.31%、0.65%、1.99%，结果表明，地层元素干重解释结果与取芯资料元素干重结果一致性较好。

图5 喇X-检PS2600井测井解释成果图Fig.5 Interpretation log of LaX-JianPS2600

深度/mCaOK2OSiO2Al2O3Na2OFe2O3取芯PNES取芯PNES取芯PNES取芯PNES取芯PNES取芯PNES100023122%435%270%313%6371%6431%1287%1056%376%434%307%269%100112079%160%293%265%6584%6712%1175%1001%38%445%103%141%100269259%223%283%277%6584%6601%1283%1266%366%337%166%098%100409072%135%283%265%6681%6745%1262%1228%392%377%097%141%100507067%104%273%277%6791%6837%1147%1368%389%377%07%141%100728071%142%29%253%6664%6687%1179%1303%391%391%098%169%100848103%381%305%253%6588%6892%1405%1549%387%35%163%112%101180072%172%301%337%6600%6907%1267%1345%385%366%113%312%101412106%130%256%265%6703%6825%1069%1125%373%350%139%112%101563077%196%268%265%6997%6937%1046%1143%334%270%072%041%最大绝对误差313%052%307%231%065%199%

5 小结

1) 采用数值模拟与模型井实测校验结合，得到较为准确的非弹与俘获分离的地层元素标准能谱，以及元素产额与元素干重的转换关系。

2) 地层元素俘获能谱测井解释可以得到Si、Ca、S、Fe等13种地层元素干重、地层矿物组分含量。

3) 地层元素干重解释结果与取芯资料元素干重结果一致性较好，为复杂岩性评价、准确计算孔隙度提供数据，具有较好的应用前景。

[1] 张锋，刘军涛，冀秀文,等. 地层元素测井技术最新进展及其应用[J]. 同位素,2011,24：21-28.

Zhang Feng, Liu Juntao, Ji Xiuwen, et al. Development of formation element logging technique and its application[J]. Journal of Isotopes, 2011, 24: 21-28(in Chinese).

[2] 尹成芳,柯式振. 斯伦贝谢高清晰度能谱测井仪-Litho Scanner的崛起[J]. 国外测井技术,2012,192：73 -74.

Yin Chengfang, Ke Shizhen. The rise of schlumberger high-resolution spectrum logging-litho scanner[J]. World Well Logging Technology, 2012, 192: 73 -74(in Chinese).

[3] 庞巨丰，李敏. 地层元素测井中中子-伽马能谱解析理论和方法[J]. 同位素,2006,12(S0)：70-74.

Pang Jufeng, Li Ming. Analytical methods with neutron-gamma ray spectrometry from formation elements[J]. Journal of Isotopes, 2006, 12(S0): 70-74(in Chinese).

[4] 郑华，孙亮，梁庆宝,等. PNST-E脉冲中子地层元素测井技术研究[J]. 测井技术,2015,8：395-404.

Zheng Hua, Sun Liang, Liang Qingbao, et al. On formation element logging with the PNST-E pulsed neutron spectroscopy tool[J]. Well Logging Technology, 2015, 8: 395-404(in Chinese).

The Study of Formation Elements Logging Interpretation Method

YU Yi-ming

(Logging&TestingServicesCompanyofDaqingOilfieldCo.Ltd.,Daqing163453,China)

In order to apply pulse neutron formation elements logging tool, the research on the interpretation method of the formation elements logging was performed. A standard spectrum library of the formation elements was obtained, and an interpretation software was compiled, through which，the element yield, dry weight (mass percent content without crystalline water) and mineralogical composition could be obtained. Comparing the interpretation results with the data from the cored well showed that the interpretation results had a good consistency with the core test results，which provided data bases for the evaluation of complex lithology and accurate calculation of porosity.

formation elements ; spectrum logging; standard spectrum ; mineralogical composition

2017-03-01;

2017-05-05

国家科技重大专项大型油气田及煤层气开发(2OllzXO5O14)

喻益明(1981—)，男，四川安岳人，工程师，主要从事测井仪器研发

TL99；TE19

A

1000-7512(2017)03-0187-07

10.7538/tws.2017.youxian.009