岳愛忠，王樹聲，何緒新，石麗云，賀曉真，雷震宇

（中國石油集團測井有限公司，陜西 西安710077）

0 引 言

地層元素測井是一種在井下實時測量地層中主要元素含量的測井方法，對于復(fù)雜巖性儲層的精細評價具有重要意義。它的主要地質(zhì)應(yīng)用是巖性識別，能夠確定Si、Ca、Fe、S、Ti、Gd、Mg、K、Mn、Al等10余種元素的含量，進而通過礦物轉(zhuǎn)換模型確定出地層礦物含量，結(jié)合自然伽馬能譜測井方法可以確定地層黏土類型及含量；結(jié)合常規(guī)測井曲線可以更好地確定巖性，改善孔隙度、飽和度、滲透率的評價，更精確地估算油氣儲量［1］。此外，還可利用地層元素測井資料研究沉積環(huán)境和烴源巖［2］，在頁巖氣和致密氣勘探中，地層元素測井已經(jīng)成為必測項目。

斯倫貝謝公司于1996年推出元素俘獲譜測井儀器 ECS［3－4］，首次將該類儀器投入現(xiàn)場應(yīng)用。2009年哈里伯頓與貝克休斯分別推出了類似儀器GEM［5］、FLeX［6］，其中ECS與GEM 均采用同位素中子源，F(xiàn)LeX使用脈沖中子源。最近，斯倫貝謝公司又推出了新型地層元素測井儀器［7］，采用了具有更高能量分辨率和更好溫度性能的新型溴化鑭閃爍探測器（LaBr3：Ce），并使用脈沖中子發(fā)生器，同時測量非彈性和俘獲伽馬能譜。新儀器在測量準(zhǔn)確性和精度等方面都有了較大的提高，還可以確定總有機碳含量TOC，這對頁巖氣與油頁巖等非常規(guī)油氣資源的評價至關(guān)重要。

近20年來，中國一直跟蹤地層元素測井技術(shù)的發(fā)展［8－12］，并利用斯倫貝謝ECS對國內(nèi)的一些測井資料進行了應(yīng)用評價研究［13－15］。2012年中國石油集團測井有限公司推出了中國首套地層元素測井儀——FEM地層元素測井儀，本文介紹了FEM儀器部分研究成果。

1 地層元素測井的核物理基礎(chǔ)

圖1 快中子的非彈性散射

FEM地層元素測井儀采用同位素Am－Be中子源，在測井時，由中子源發(fā)出約4.5MeV的快中子，快中子與井眼周圍環(huán)境中不同元素的原子核發(fā)生非彈性散射并釋放出伽馬射線（見圖1）?？熘凶咏?jīng)過非彈性散射損失了大部分能量，其能量逐漸低于發(fā)生非彈性散射的閾能，于是中子進入了以彈性散射為主的作用階段，彈性散射的過程并不釋放伽馬光子，其實只是中子減速過程。經(jīng)過多次的彈性碰撞，中子能量逐漸減弱，直到中子與周圍物質(zhì)達到熱平衡，此時中子的能量約為0.025eV，稱為熱中子。此后，熱中子在擴散過程中被周圍的靶核俘獲形成處于激發(fā)態(tài)的復(fù)合核，然后復(fù)合核釋放1個或幾個具有特定能量的伽馬光子回到基態(tài)，這種反應(yīng)叫做輻射俘獲核反應(yīng)［16］（見圖2）。由于發(fā)生非彈性散射和輻射俘獲核反應(yīng)所產(chǎn)生的伽馬射線的能量取決于靶核的能級特性，伽馬射線能量的高低反映了發(fā)生反應(yīng)的靶核性質(zhì)，故這種伽馬射線被稱為特征伽馬射線。FEM地層元素測井儀主要通過測量中子與井眼周圍地層反應(yīng)后發(fā)射的俘獲伽馬能譜對地層組成元素的含量進行分析。

圖2 熱中子的輻射俘獲核反應(yīng)

2 儀器設(shè)計

FEM地層元素測井儀可以在最高溫度175℃，最大壓力140MPa的條件下使用。配接遙傳和伽馬短節(jié)進行測量。FEM垂直分辨率可以達到450mm，探測深度約為230mm，能夠測量Si、Ca、Fe、S、Ti、Gd、Mg、K、Mn、Al等10種地層主要元素的含量。FEM測井儀留有貫通線，采用CAN總線通訊，可以直接配接EILog測井系統(tǒng)，具有組合測井功能。使用彈簧偏心器推靠，可進行貼井壁偏心測量。儀器總體結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

在對FEM地層元素測井儀進行儀器設(shè)計時，采用Monte Carlo數(shù)值模擬方法確定并優(yōu)化了儀器的設(shè)計參數(shù)，通過數(shù)值模擬得到了硼套、源距和儀器外殼材料對能譜的影響規(guī)律，屏蔽效果最佳的屏蔽體材料及厚度，為儀器的優(yōu)化設(shè)計提供了理論支持［17］，并在此基礎(chǔ)上進行了機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和采集電路設(shè)計。

2.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖3 儀器總體結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 FEM地層元素測井儀結(jié)構(gòu)示意圖

FEM地層元素測井儀主要由電子線路部分、BGO晶體探測器、Am－Be中子源3部分組成（見圖4）。BGO晶體探測器是地層元素測井儀器的核心部件，主要包括BGO閃爍晶體、光電倍增管、前置放大器、多道脈沖幅度分析器、高壓電源等。它們被放置在一個特制的高性能保溫瓶之內(nèi)。與傳統(tǒng)儀器所用NaI（Tl）晶體探測器相比較，BGO晶體密度較高，平均原子序數(shù)較大，可以大大增強對伽馬射線的探測效率。但BGO的溫度穩(wěn)定性較差，為適應(yīng)測井高溫環(huán)境的要求，地層元素測井儀器需要采用特制保溫瓶。同時，為了消除儀器材料產(chǎn)生的俘獲伽馬本底，需要在BGO晶體探測器外表面部分加涂一定厚度的10B屏蔽層（即硼套）。

2.2 采集控制電路設(shè)計

地層元素測井儀采集控制電路從功能上劃分為采集、控制和通訊3部分，采集電路由主放成形電路、高速ADC芯片、FPGA芯片及外圍電路組成，完成對井下信號的放大成形、峰值檢測、峰值采集、數(shù)據(jù)存儲等功能；控制電路由 MCU、FPGA、DAC芯片及外圍電路組成，負責(zé)執(zhí)行地面控制命令、上傳數(shù)據(jù)、調(diào)節(jié)探頭高壓。通訊電路由CAN總線接口完成，負責(zé)井下控制電路和地面系統(tǒng)的通訊。儀器的采集控制電路框圖見圖5。

圖5 采集控制電路框圖

3 數(shù)據(jù)處理方法

FEM地層元素測井儀首先對測量得到的能譜數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包括：自適應(yīng)濾波（減小或消除統(tǒng)計漲落）、能譜的歸一化、地層譜的漂移校正（消除測井過程中由于溫度及儀器穩(wěn)定性等因素引起的地層實測譜漂移）、標(biāo)準(zhǔn)譜的譜形校正等。

地層元素的數(shù)據(jù)處理過程主要以元素標(biāo)準(zhǔn)譜為基礎(chǔ)，采用加權(quán)最小二乘法進行能譜分析求取各元素的產(chǎn)額；利用模型井進行刻度確定各元素的靈敏度因子；利用氧化物閉合模型確定標(biāo)準(zhǔn)化因子，進而確定各元素的含量。

3.1 元素標(biāo)準(zhǔn)譜的制作

FEM地層元素測井儀實測譜的能譜分析是地層元素數(shù)據(jù)處理方法的重要環(huán)節(jié)。從數(shù)學(xué)角度，儀器實測譜可以看成是不同元素標(biāo)準(zhǔn)譜的線性組合，所以元素標(biāo)準(zhǔn)譜是進行能譜分析的基礎(chǔ)。采用Monte Carlo數(shù)值模擬和實體模型試驗相結(jié)合的技術(shù)制作標(biāo)準(zhǔn)譜。圖6為FEM地層元素測井儀的元素標(biāo)準(zhǔn)譜。

3.2 解譜計算產(chǎn)額

在測井過程中，儀器所測的地層譜可以看作是不同元素標(biāo)準(zhǔn)譜的線性組合，通過加權(quán)最小二乘法可以得到各種元素的產(chǎn)額。

地層譜各道的計數(shù)率可以用式（1）的線性統(tǒng)計模型表示

圖6 元素標(biāo)準(zhǔn)譜

式中，ci為儀器所測的地層譜的第i道計數(shù)；aij為由元素的標(biāo)準(zhǔn)譜得到的n×m階響應(yīng)矩陣A的（i，j）元；yj為第j種元素的產(chǎn)額；εi為誤差；m為元素總數(shù)；n為總道數(shù)或道區(qū)數(shù)。

采用加權(quán)最小二乘法求解可以得到比較精確的元素產(chǎn)額的解。

式中，C＝（c1，c2，…，cn）T；y＝（y1，y2，…，ym）T。

3.3 氧化物閉合模型

元素的相對產(chǎn)額反映了元素對測量能譜的貢獻，不能直接用來進行巖石物理評價，在實際測井中要使用氧化物閉合模型將元素的產(chǎn)額轉(zhuǎn)化為元素的含量。氧化物閉合模型的基本思想是所有元素的重量百分含量之和為1。地層所有礦物都可以認為是由氧化物或碳酸鹽組成，組成礦物的氧化物、碳酸鹽含量百分?jǐn)?shù)之和為1。該方法的核心就是用獨立的方式對通過熱中子輻射俘獲核反應(yīng)測得的每種元素的相對產(chǎn)額重新歸一化，從而求得每種元素的百分含量。該模型的優(yōu)點在于克服了難以定量描述骨架中 C、O這2種元素的問題［15－17］，能夠直接計算巖石骨架主要元素含量。

氧化物閉合模型可以用式（5）表示

式中，F(xiàn)為隨深度變化的標(biāo)準(zhǔn)化因子，也稱為歸一化因子；Xj是元素j對應(yīng)的氧化物或碳酸鹽重量與元素j的重量比，定義為元素j的氧化物指數(shù)；yj為測量到的元素j的相對產(chǎn)額；Sj為元素j的靈敏度因子。

元素j的含量可以由下式計算

4 測井試驗

4.1 模型井試驗

FEM地層元素測井儀在模型井進行了能譜測量試驗，在砂巖、石灰?guī)r、白云巖模型井中測量能譜與數(shù)值模擬能譜對比一致（見圖7），數(shù)值模擬能譜與儀器測量能譜相互驗證，保證了模擬得到的元素標(biāo)準(zhǔn)譜的應(yīng)用效果。圖7（a）為20號灰?guī)r模型井，孔隙度為0.1p.u.；圖7（b）為10號白云巖模型井，孔隙度為37.2p.u.。

4.2 現(xiàn)場試驗

FEM地層元素測井儀在某地區(qū)1口天然氣探井進行了現(xiàn)場測井試驗，該井測量井段中有一個標(biāo)志性的灰?guī)r地層，灰?guī)r層以上是砂泥巖地層，灰?guī)r層以下是白云巖地層，F(xiàn)EM測井曲線很好地反映了地層巖性的變化。

圖8為FEM地層元素測井儀在砂泥巖地層測井響應(yīng)曲線。4 070～4 110m井段為典型的砂泥巖層段，F(xiàn)EM主要特征：Si含量較高，在20%～35%之間；Ca含量較低，低于5%；Al和K的含量在10%以內(nèi)變化。對泥質(zhì)含量的變化，曲線也有較好的反映，在4 071～4 076.5m 井段和4 086.5～4 095m井段這2個層位，伽馬值顯示泥質(zhì)含量較高，F(xiàn)EM曲線中Al有明顯指示，含量在4%～8%，這與泥巖成分一致，相應(yīng)的Si含量處于20%～25%低位水平。與之相對應(yīng)，在4 078～4 086.5m井段和4 096～4 106m井段這2個層位，伽馬值顯示泥質(zhì)含量較低，為較純的砂巖，F(xiàn)EM曲線中Al含量低于2%，而Si含量處于30%以上的低位水平。

圖7 模型井儀器實測譜和模擬譜的對比圖

圖9為FEM地層元素測井儀在石灰?guī)r地層測井響應(yīng)曲線。4 024～4 141m井段為石灰?guī)r層段，特別是4 024～4 029m井段，伽馬值為低值，密度為2.7g／cm3，為典型的純度較高的石灰?guī)r，F(xiàn)EM曲線特征：Ca含量高，在25%～30%；Si含量低于5%；Al、K、Mg含量都低于3%。Fe、S曲線顯示，該灰?guī)r層含有少量的黃鐵礦。4 029～4 141m井段為含有沙泥巖夾層的石灰?guī)r地層，Si、Ca、Al、K曲線很好地反映了夾層變化。

圖10為FEM地層元素測井儀在白云巖地層測井響應(yīng)曲線。4 175m以下，密度值為2.8g／cm3左右，為典型的白云巖地層，F(xiàn)EM曲線特征：Ca含量為20%左右的高值，但略低于灰?guī)r層；Mg含量為15%左右，明顯高于灰?guī)r層。在4 207m以上的白云巖層中含有一些泥質(zhì)，伽馬值有指示，F(xiàn)EM曲線中，Si、Al、K都有一定含量也顯示泥質(zhì)的存在。在4 207m以下，伽馬值指示為較純的白云巖，F(xiàn)EM曲線中，Si、Al、K含量都很低。另外，F(xiàn)e和S曲線顯示，整個白云巖地層都含有少量黃鐵礦。

圖10 白云巖地層FEM測井響應(yīng)

5 結(jié) 論

（1）在Monte Carlo數(shù)值模擬優(yōu)化儀器設(shè)計參數(shù)的基礎(chǔ)上，進行了FEM地層元素測井儀的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和采集控制電路設(shè)計。利用Monte Carlo方法制作了元素的標(biāo)準(zhǔn)譜，并進行了能譜分析算法的設(shè)計及優(yōu)化。

（2）FEM地層元素測井儀的數(shù)據(jù)處理過程：通過能譜預(yù)處理有效地降低曲線的統(tǒng)計漲落和譜線漂移的影響，通過能譜分析、氧化物閉合模型可以得到較為準(zhǔn)確的元素含量。

（3）FEM地層元素測井儀在模型井能譜測量試驗中，測量能譜與Monte Carlo數(shù)值模擬能譜對比一致；在現(xiàn)場實驗中，對于不同巖性地層，F(xiàn)EM測井曲線都很好地反映了巖性特征。即使沒有其他任何曲線，僅用FEM測井曲線就可以直接分析巖性，這正是地層元素測井優(yōu)勢所在。

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