鄭華, 孫亮, 梁慶寶, 董建華, 韓東慶, 楊建峰

(大慶油田有限責任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司, 黑龍江 大慶 163453)

0 引 言

地層元素測井測量中子在地層中誘發(fā)的非彈與俘獲伽馬射線的能譜,以標準譜為基礎(chǔ)解譜求取元素產(chǎn)額,利用氧化物閉合模型把元素產(chǎn)額轉(zhuǎn)換成地層干骨架中元素質(zhì)量含量(簡稱元素干重),采用聚類因子分析等方法確定地層礦物組分和骨架參數(shù),在直接和準確識別地層巖性方面具有其他測井方法不可比擬的優(yōu)勢[1]。在大慶油田復雜巖性儲層測井評價尤其是深層火山巖氣層測井評價中,地層元素測井資料起到了確定巖性與礦物組分[2-3]、求取骨架密度值和骨架中子值進而準確計算孔隙度[4]的作用。大慶油田以往主要依賴斯倫貝謝公司ECS元素俘獲譜測井技術(shù)[5]獲得地層元素測井資料,隨其用量增多,有自主研制地層元素測井儀并開發(fā)配套資料處理軟件的需求。

研究始于2011年,當時國外已有斯倫貝謝公司ECS、哈里伯頓公司GEM和貝克休斯公司FLeX等地層元素測井儀,它們都用BGO閃爍晶體探測器測量伽馬射線能譜,其中ECS與GEM用241Am-Be同位素中子源,FleX用14 MeV脈沖中子源。用脈沖中子源的優(yōu)勢是通過分離非彈與俘獲能譜解釋更多種類地層元素干重,且利用非彈能譜能直接測量Mg、Al、C元素,測井儀工作時才發(fā)射中子,安全環(huán)保。2012年中國研制出同位素中子源地層元素測井儀FEM[6]與FEAT[7],斯倫貝謝公司新推出Litho Scanner巖性掃描測井儀[8]。Litho Scanner使用脈沖中子源和能量分辨率與高溫性能都更好的LaBr3:Ce閃爍晶體探測器,解釋元素干重準確度較ECS有明顯提高,常規(guī)解釋干重的元素種類增至15種,還可以確定總有機碳含量(TOC)。使用脈沖中子源和多探測器、多參數(shù)測量是地層元素測井的一種發(fā)展趨勢[1]。

研究主要有3個方面內(nèi)容:①在PNST脈沖中子全譜測井儀[9-10]基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計傳感器結(jié)構(gòu)、工作模式和高速能譜電路,研制PNST-E脈沖中子地層元素測井儀,實現(xiàn)地層元素測井功能,并使其兼有雙源距碳氧比、中子壽命、能譜水流等測井功能;②采用數(shù)值模擬與實體實驗結(jié)合的方法獲得常見地層元素非彈標準譜、俘獲標準譜及相對靈敏度因子;③研究解譜技術(shù)并開發(fā)配套測井資料處理軟件,計算主要造巖元素干重和TOC含量,解釋礦物組分和骨架參數(shù)。

1 PNST-E測井儀

1.1 測井原理與測井儀簡介

脈沖中子源發(fā)射的快中子先與測井儀周圍各種元素的原子核發(fā)生非彈散射并釋放非彈伽馬射線,經(jīng)過非彈散射,中子損失了大部分動能,開始進入以彈性散射為主的作用階段;彈性散射過程不釋放伽馬射線,經(jīng)過多次彈性散射,中子動能逐漸降低,直到中子與周圍物質(zhì)達到熱平衡,成為熱中子;熱中子在測井儀周圍擴散,被不同元素的原子核俘獲并釋放俘獲伽馬射線。脈沖中子源發(fā)射中子期間和中子停歇期間測量到的伽馬射線分別以非彈和俘獲伽馬射線為主,不同元素的非彈或俘獲伽馬射線有不同的特征能量,通過測量非彈與俘獲伽馬射線能譜可以分析地層元素含量。

PNST-E測井儀自下而上由中子發(fā)生器、鎢鋼屏蔽體與硼套屏蔽體、2個BGO閃爍晶體伽馬射線探測器及能譜與時間譜采集電路、時序控制與遙測電路等部分構(gòu)成。其承壓外殼外徑89 mm、硼套屏蔽體外徑98 mm。測井儀內(nèi)鎢鋼屏蔽體上下各有1個特制的高性能保溫瓶,中子發(fā)生器、伽馬射線探測器與所有電子線路均安裝在保溫瓶內(nèi),以保證測井儀的高溫工作性能。PNST-E測井儀耐壓100 MPa,耐溫175 ℃/6 h,適用于套管井或裸眼井;可連接7 000 m長度的7芯電纜,配接PL-2000或Exceed地面數(shù)控測井系統(tǒng)工作。

1.2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

PNST-E測井儀傳感器結(jié)構(gòu)見圖1。在測井儀內(nèi)部有以中子管為核心元件的中子發(fā)生器、鎢鋼屏蔽體、由BGO閃爍晶體和光電倍增管及前置電路組成的測量伽馬射線的近探測器和遠探測器;對應(yīng)遠探測器、近探測器和部分鎢鋼屏蔽體的位置,在測井儀外殼上安裝了硼套屏蔽體。使用自成靶氘氚中子管,中子管靶端靠近鎢鋼屏蔽體,發(fā)射中子的靶面距鎢鋼屏蔽體底端面約5 cm。在傳感器結(jié)構(gòu)方面,PNST-E測井儀與不帶3He熱中子探測器的PNST測井儀很相似,二者主要差異是PNST-E測井儀使用了帶有硼套屏蔽體的外殼,并把中子發(fā)生器安裝在高性能保溫瓶中。

圖1 PNST-E測井儀傳感器結(jié)構(gòu)

通過蒙特卡羅模擬,優(yōu)化了傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(1) 硼套屏蔽體與外殼。硼套屏蔽體的主要作用是阻止測井儀之外的熱中子進入測井儀,盡量減少測井儀自身材料在所測俘獲能譜中的貢獻。模擬結(jié)果顯示,探測器附近測井儀內(nèi)外熱中子數(shù)之比與源中子能量基本無關(guān),硼套中10B的表面密度達到0.065 g/cm2以上時,就能有效降低測井儀內(nèi)部材料影響,且更換外殼材料對俘獲能譜幾乎無影響。這與針對FEM測井儀硼套屏蔽體與外殼的模擬結(jié)果[11]一致。

(2) 鎢鋼屏蔽體。鎢鋼屏蔽體的主要作用是避免快中子直接輻照伽馬射線探測器,重核和輕核分別對高能和低能中子屏蔽效果好。PNST測井儀18 cm厚鎢鋼屏蔽體的中子屏蔽率(屏蔽體后/前端面中子流量比)大于0.9[12],外殼上增加10B表面密度0.065 g/cm2的硼套屏蔽體后,13 cm厚鎢鋼屏蔽體的中子屏蔽率就達0.9(見圖2)。實際測井儀中還在鎢鋼屏蔽體與伽馬射線探測器之間設(shè)置了2 cm厚的鎘鉛屏蔽層。

(3) 源距。設(shè)計源距時既要考慮縱向分辨率與探測深度、井眼與地層元素在能譜中產(chǎn)額比例,又要考慮能譜計數(shù)率的高低。減小源距有利于提高薄層分辨率,例如42 cm源距時元素干重曲線縱向分辨率約為0.5 m;增大源距則增加探測深度,元素干重曲線的地層探測深度約為源距的0.6～0.7倍(隨孔隙度增大略有減小)。井眼中普遍存在的H、O等元素和套管中Fe元素會對測量地層信息造成干擾,適當增大源距有助于壓制這種干擾:PNST-E測井儀在井內(nèi)清水、140 mm外徑套管、30 mm厚水泥環(huán)、35%孔隙度砂巖地層條件下,源距分別為20、30、40、50 cm時非彈能譜碳氧比動態(tài)范圍分別是其漸進值的0.667、0.830、0.914和0.957倍[13],在20～40 cm范圍內(nèi)增大源距能顯著減少非彈能譜中井眼成分,俘獲能譜鐵氫比隨源距增大而減小(見圖2),說明增大源距也能降低俘獲能譜中井眼影響。隨著源距增大,非彈和俘獲能譜中各元素計數(shù)率都呈指數(shù)下降,源距過大會增大測井曲線統(tǒng)計漲落誤差。綜合考慮以上因素,PNST-E測井儀采用與PNST測井儀中伽馬探測器相同的29 cm和52 cm源距,且還采用與PNST測井儀相同的探測器閃爍晶體及其尺寸,這樣設(shè)計能使PNST-E測井儀較便捷地繼承PNST測井儀的多項功能。

圖2 MCNP數(shù)值模擬結(jié)果

1.3 測井模式設(shè)計

脈沖中子測井儀常采用100 μs中子脈沖重復周期;中子脈沖通常持續(xù)20、30 μs或40 μs,期間采集非彈總譜;間歇5 μs,俘獲能譜采集時間常持續(xù)70、60 μs或50 μs;再間歇5 μs。非彈總譜中混有俘獲伽馬貢獻,用非彈總譜減去一定比例俘獲能譜的方法獲得非彈凈譜。數(shù)值模擬結(jié)果(見表1,脈沖中子源產(chǎn)額7.0×107n/s)顯示,PNST-E測井儀在井內(nèi)清水、140 mm外徑套管、30 mm厚水泥環(huán)、30%孔隙度淡水飽和石英砂地層條件下,隨著中子脈沖占空比從10%增大至50%,不考慮電路死時間影響的非彈總譜計數(shù)率線性增大、俘獲能譜計數(shù)率線性減小,但是非彈與俘獲總計數(shù)率、非彈凈譜計數(shù)率幾乎不變。若僅從計數(shù)率方面考慮,增大中子脈沖占空比并不利于測量。但是,能譜采集電路有一定死時間,中子脈沖占空比過小易造成非彈信號堆累,因此折中選擇了30%占空比。

為PNST-E測井儀設(shè)計了與PNST測井儀的碳氧比模式[9]相似的元素測井工作模式,每50 ms內(nèi)分別用45、2 ms和3 ms時間(占測井時間的90%、4%和6%)執(zhí)行元素(含雙源距碳氧比)、中子壽命和能譜水流測井任務(wù):前45 ms元素測井時,每個中子脈沖短周期占100 μs,其中中子脈沖持續(xù)30 μs,中子爆發(fā)間歇時間70 μs,分別測量各256道的非彈總譜和俘獲能譜,并測量1個100道的時間譜,每個50 ms長周期中含450個這種短周期;隨后2 ms中子壽命測井時,中子脈沖持續(xù)200 μs,在1 000 μs的中子爆發(fā)與停歇期測量1個100道的時間譜,2 ms內(nèi)發(fā)射2次中子脈沖;余下3 ms完成能譜水流測井任務(wù),測量氧活化能譜。PNST-E測井儀的元素測井工作模式還采用了與PNST測井儀相同的能譜與時間譜數(shù)據(jù)存儲與傳輸格式,從而方便了與地面測井系統(tǒng)的配接?，F(xiàn)場測井軟件模塊顯示2個BGO探測器的非彈總譜(256道)、俘獲能譜(256道)、本底能譜(256道)、時間譜(短周期100道+中子壽命100道)以及測井儀狀態(tài)和輔助信息,通過對能譜和時間譜數(shù)據(jù)分析計算并顯示30多條曲線,根據(jù)需要實時打印和存盤數(shù)據(jù)。

表1 非彈與俘獲能譜計數(shù)率受中子脈沖占空比影響

1.4 中子發(fā)生器改進和高速能譜電路研制

在PNST測井儀基礎(chǔ)上對中子發(fā)生器進行了改進。選用外徑45 mm的新型自成靶中子管,因其外形尺寸較PNST測井儀中子管有所縮減,改進了充SF6氣體高壓絕緣及隔熱結(jié)構(gòu),提高了中子發(fā)生器絕緣性能和耐溫指標。新中子管離子源引出比更高,靶功耗更低。選用耐溫耐壓指標更高、尺寸更小、漏電流更小的電容和硅堆制作靶高壓電源的倍壓梯,減少了倍壓級數(shù),在一定程度上減小了倍壓梯內(nèi)阻;采用調(diào)幅方式控制靶壓,選用高磁導率的非晶態(tài)合金材料作為高壓變換器磁芯材料,重新設(shè)計了磁芯結(jié)構(gòu)和線圈匝數(shù),提高了靶電源驅(qū)動效率,降低了功耗。

在探測器電路設(shè)計方面采用了數(shù)字脈沖幅度分析技術(shù),電路框圖見圖3。探測器電路主要實現(xiàn)下列功能。①伽馬脈沖信號高速模擬處理。信號窄脈沖成形、噪聲抑制、程控放大、準高斯成形、濾波、一次基線恢復等。②高速、高分辨率的差分A/D數(shù)據(jù)采樣。把模擬信號量化成數(shù)字信號,并進行二次基線恢復。③FPGA數(shù)字信號處理。綜合時序發(fā)生器,用數(shù)字信號處理方法對連續(xù)采樣信號進行梯形濾波、基線恢復、堆積判斷、峰值幅度提取、譜累加,全譜多道存儲,曼碼通訊。④井下單片機控制。接收地面命令,完成數(shù)字門檻、高壓增益、放大器程控增益、測井模式切換等控制;讀取全譜數(shù)據(jù)發(fā)送地面,計算非彈能譜套門時間、能譜穩(wěn)譜校正系數(shù)等。

與傳統(tǒng)的模擬脈沖幅度分析電路相比,數(shù)字脈沖幅度分析電路的優(yōu)點主要體現(xiàn)在能提高脈沖通過率、加快分析速度、縮短死時間(目前死時間約為0.4 μs)、沒有溫漂影響、可以根據(jù)信號特點設(shè)計最佳濾波器、更精準地恢復基線、判斷伽馬信號堆積并拒絕這種信號參與譜累加等。

圖3 能譜與時間譜采集、時序控制與遙測電路結(jié)構(gòu)

1.5 實測能譜示例

在大慶石油測井試井技術(shù)檢測實驗中心建設(shè)了7口地層元素模型井。每口模型井都呈桶狀,直徑1.8 m、高1.8 m,中央有外徑236 mm、壁厚12 mm的鋁鎂合金套管,套管內(nèi)有清水,套管外無水泥環(huán),采用堆積法在套管與桶壁間填充了不同巖性的模擬地層,模擬地層孔隙度均為36%左右,以清水飽和地層孔隙。其中5口模型井的模擬地層骨架為比較純凈的礦物,分別是石英、方解石、白云石、黃鐵礦和硬石膏;1口模型井的地層模擬硅基混合層,骨架含石英砂65.0%、方解石21.7%、黃鐵礦10.0%、鈦白粉3.3%;1口模型井的地層模擬鈣基混合層,骨架含方解石63.8%、石英砂22.8%、黃鐵礦10.0%、鈦白粉3.4%。

把2支PNST-E測井儀分別置于上述7口模型井中實驗,待中子發(fā)生器和測井儀電路穩(wěn)定之后,按照元素測井模式記錄300 s的測井數(shù)據(jù)。在所測能譜中地層元素特征峰清晰明顯。圖4中顯示了2支測井儀分別在黃鐵礦和硬石膏模型井中所測的遠探測器俘獲能譜(對0.6～10.0 MeV能量范圍做了計數(shù)率歸一化)。表2列出了2支測井儀所測遠探測器俘獲能譜的一致性,在7種地層條件下2支測井儀所測能譜的最大標準差是8.0×10-4,最小相關(guān)系數(shù)是0.990。實驗結(jié)果表明,不同測井儀記錄的能譜有非常好的一致性,這為采用同一套標準譜解譜求取各元素產(chǎn)額奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖4 幾種地層條件下遠探測器俘獲能譜的一致性

模擬地層2支測井儀實測對比標準差相關(guān)系數(shù)σ/(×10-4)R2實測與數(shù)值模擬對比標準差相關(guān)系數(shù)σ/(×10-4)R2石英3.50.99812.00.962方解石6.70.99317.40.961白云石3.40.99814.40.973黃鐵礦4.80.99510.60.972硬石膏8.00.99011.10.969硅基混合3.50.99910.70.968鈣基混合7.50.9919.70.975

2 元素標準譜與相對靈敏度因子

從實測非彈和俘獲能譜中解元素產(chǎn)額時要利用待求元素的標準譜和相對靈敏度因子[14],受測井儀結(jié)構(gòu)(尤其是閃爍晶體類型與尺寸)、解譜能量范圍等因素影響,不同型號測井儀的元素標準譜和相對靈敏度因子略有不同。研究采用實體實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合,確定了PNST-E測井儀的中子-伽馬反應(yīng)截面較高的主要造巖元素標準譜及其相對靈敏度因子。

2.1 元素標準譜

有學者在采用數(shù)值模擬方法[6]或采用實體實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合方法[15]獲得元素俘獲譜測井標準譜方面取得突破,存在的主要技術(shù)問題是所獲元素俘獲標準譜中混雜有H元素的貢獻。為制作比較純凈的元素標準譜,采用了如下技術(shù)路線:在7種已知條件的模型井中實驗,獲得PNST-E測井儀非彈與俘獲實測能譜;用MCNP5軟件包(ENDF/B-VI數(shù)據(jù)庫)進行數(shù)值模擬,獲得同樣條件的非彈與俘獲模擬能譜,通過比對能譜,調(diào)整數(shù)值模擬模型參數(shù)(主要是調(diào)整測井儀中探測器附近元素成分未知的構(gòu)件的模型材料組分、密度和厚度),直到模擬能譜能準確再現(xiàn)實測能譜,確定該模型為合理的模型;固定經(jīng)過上述基準校驗的數(shù)值模擬模型中測井儀中子發(fā)生器與屏蔽體部分,把地層換成單一元素(模擬非彈能譜時)或單一元素的氧化物(模擬俘獲能譜時),把井眼和測井儀中探測器周圍構(gòu)件換成原密度的中子-伽馬反應(yīng)截面可忽略的核素,數(shù)值模擬獲得單一地層元素的標準譜。

建立的數(shù)值模擬模型呈桶狀,直徑1.8 m、高1.6 m。模擬7種模型井中的測井儀響應(yīng)時,井眼內(nèi)清水、鋁鎂合金套管、地層物質(zhì)分別與實體的相應(yīng)材料一致。按PNST-E測井儀的結(jié)構(gòu)尺寸和材料構(gòu)建了靠井壁模擬測井儀。按照實際測井儀工作時序反復發(fā)射中子并在5倍于地層熱中子壽命時間之后記錄非彈與俘獲能譜。由于使用F8計數(shù)時無法應(yīng)用幾何分裂等減小方差技巧,為提高計算效率,采用接續(xù)算法:先用MCNP程序分別模擬探測器閃爍晶體表面中子誘發(fā)伽馬流歸一化能譜(256道)和各向同性伽馬流輻照閃爍晶體的探測器響應(yīng)函數(shù)矩陣(256道×256道),然后用兩者卷積模擬探測器輸出能譜[16];模擬探測器晶體表面伽馬流能譜時,抽樣約2×109次源中子,應(yīng)用剖分柵元、權(quán)窗等減小方差技巧使更多有效粒子趨向探測器,中子碰撞次數(shù)大于5×109,伽馬流能譜特征峰和總計數(shù)統(tǒng)計誤差分別小于1%和0.3%;模擬探測器響應(yīng)函數(shù)矩陣時,對每種入射能量抽樣2.5×106次源光子,源光子能量為5 MeV時跟蹤到約2×1010次碰撞,對能譜進行了8%能量分辨率的高斯展寬[17],F8計數(shù)能譜的全能峰和全譜總計數(shù)統(tǒng)計誤差分別小于0.5%和0.2%;這樣,卷積后能譜具有較小統(tǒng)計漲落誤差;最后,通過與實測能譜比較,再次展寬模擬能譜,使非彈、俘獲模擬能譜與實測能譜具有一樣的能量分辨率。在圖4中顯示了在石英地層和方解石地層模型井中遠探測器實測與模擬俘獲能譜(對0.5～8.9 MeV能量范圍做了計數(shù)率歸一化),表2列出了實測與模擬俘獲能譜的一致性。在7種地層條件下,2種能譜的最大標準差是1.7×10-3,最小相關(guān)系數(shù)是0.96,說明模擬能譜與實測能譜很相近。

模擬單一地層元素的標準譜時,使用1.0 g/cm3密度井液、無套管、200 mm直徑井眼、2.2 g/cm3密度地層的條件。模擬某元素非彈標準譜時,用該元素填充地層,用無快中子-伽馬非彈反應(yīng)截面的H元素替代井液和測井儀探測器附近構(gòu)件,并對能量小于0.1 MeV的中子截斷徑跡。由于C和O元素的熱中子輻射俘獲反應(yīng)截面小到可被忽略,模擬某元素俘獲標準譜時,用該元素和O元素的混合物填充地層并使熱中子擴散長度約18 cm,用C元素替代井液和測井儀探測器附近構(gòu)件。分別獲得了Al、Ba、C、Ca、Fe、Mg、O、S、Si等9種元素的非彈標準譜和Al、Ba、Ca、Cl、Cr、Cu、Fe、Gd、H、K、Mg、Mn、Na、Ni、S、Si、Ti等17種元素的俘獲標準譜。遠探測器的元素俘獲標準譜示例見圖5。

圖5 遠探測器某些元素俘獲標準譜示例

圖6 套管井PNST-E測井資料解釋成果示例

2.2 相對靈敏度因子

規(guī)定地層中Si元素的非彈和俘獲相對靈敏度因子均為1,使用上述數(shù)值模擬模型獲得其他地層元素相對于Si元素的非彈和俘獲相對靈敏度因子。在地層中將目標元素與Si元素按照既定比例混合,模擬出能譜,解譜計算2種元素的產(chǎn)額比,即可得到目標元素相對于Si元素的相對靈敏度因子[14]。計算某元素非彈相對靈敏度因子時,地層中僅使用Si元素和該元素,計算某元素俘獲相對靈敏度因子時,地層中還混入了O元素。表3列出了一些元素的PNST-E測井儀遠探測器0.6～10.0 MeV能區(qū)的俘獲相對靈敏度因子。

表3 一些元素的俘獲相對靈敏度因子

3 測井資料處理與解釋

PNST-E測井資料處理與解釋軟件繼承了PNST測井資料處理與解釋軟件提取碳氧比、硅鈣比、Σ、RCAP、OAI等曲線并解釋巖性、泥質(zhì)含量、孔隙度、含油飽和度等地層參數(shù)的功能[9-10],新增了解譜求非彈與俘獲元素產(chǎn)額、確定元素干重及TOC含量、解釋礦物組分與骨架參數(shù)的功能。測井資料解釋成果如圖6所示,其元素干重軌中FWSi、FWCa、FWFe、FWK、FWNa、FWAl分別是地層Si、Ca、Fe、K、Na、Al元素干重曲線,礦物干重軌中從左到右顯示了黏土、硅質(zhì)(石英+長石+云母)、碳酸鹽巖、黃鐵礦、孔隙度剖面;PNST曲線軌中SGFM、FOAI、NSICA、FSICA、NCOR、FCOR分別是地層Σ、遠探測器OAI、近探測器硅鈣比、遠探測器硅鈣比、近探測器碳氧比、遠探測器碳氧比曲線;可動水分析軌中SWI、SWCO是原始含水飽和度、碳氧比含水飽和度;流體分析軌中從左到右是油、水、束縛水剖面;巖性分析軌中從左到右是泥巖、砂巖、孔隙度剖面;解釋結(jié)論中G、Z表示高、中水淹。

3.1 能譜預處理

PNST-E測井能譜預處理流程主要包括實測譜與標準譜的歸一化、實測譜的漂移校正和平滑濾波、標準譜的展寬校正等。

預處理實測能譜時,為精準校正能譜漂移和減小統(tǒng)計漲落誤差,采用了比PNST測井能譜預處理流程[12]復雜的流程。在能譜漂移校正環(huán)節(jié),先沿深度方向適度累加實測俘獲能譜(3～15點合并成1點),再通過尋峰和互相關(guān)運算[18]獲得H、Si、Fe等元素主峰位隨深度變化曲線,對這些曲線剔除壞點、濾波,得到更精確的H、Si、Fe等元素主峰位隨深度變化曲線,以H、Si、Fe元素俘獲標準譜加權(quán)合成譜中這些元素主峰的道址為基準,沿深度方向逐點線性回歸出能譜漂移校正系數(shù)并校正非彈與俘獲能譜。在減小統(tǒng)計漲落誤差環(huán)節(jié),沿深度方向適度(3～7點合并成1點)累加漂移校正后的非彈或俘獲能譜,把各能譜沿道址方向進行5點或7點高斯濾波。此外,按解譜道址區(qū)間把實測能譜歸一化。

實測能譜的峰寬會受溫度、計數(shù)率、漂移等影響而發(fā)生變化,故制作標準譜時預留了峰形展寬的余地。預處理標準譜時,先對選定深度區(qū)間的預處理過的實測譜進行累加,再逐一試用預先設(shè)定的一簇展寬系數(shù)對標準譜進行高斯展寬[17],使用展寬后標準譜解譜獲得元素產(chǎn)額和合成譜,把合成譜與實測譜作皮爾森相關(guān)系數(shù)分析,從中選出相關(guān)系數(shù)最大的合理的高斯展寬系數(shù),確定該深度區(qū)間高斯展寬后的標準譜。

3.2 非彈和俘獲元素產(chǎn)額

在解譜道址區(qū)間內(nèi),認為實測譜是不同元素標準譜的線性組合。

X=AY+ε

(1)

式中,X是n×1階實測譜列向量,X=(x1,…,xi,…,xn)T,xi是第i道實測譜計數(shù),n是解譜區(qū)間道址數(shù);n×m階響應(yīng)矩陣A由m列標準譜構(gòu)成,矩陣元aij是第j種元素第i道標準譜計數(shù),m是元素個數(shù);Y是m×1階待求元素產(chǎn)額列向量,Y=(y1,…,yj,…,ym)T,yj表示第j種元素產(chǎn)額;ε是n×1階誤差列向量。

因0≤yj≤1,且對部分元素產(chǎn)額的取值范圍有約束需求,故采用約束變尺度法最優(yōu)化求解Y,使得目標函數(shù)R達到最小。

(2)

式中,ωi是權(quán)因子,選用實測譜道計數(shù)的倒數(shù),ωi=1/xi;kj是第j種元素產(chǎn)額上限。對式(2)用約束變尺度法CVM01程序[19]求解。該程序適用于連續(xù)變量的線性和非線性約束最優(yōu)化問題。解出的yj即為元素產(chǎn)額。

3.3 元素干重及TOC含量

從元素產(chǎn)額出發(fā),計算元素干重的公式為

(3)

式中,Wj、yj和Sj分別是地層骨架中第j種元素的干重、元素產(chǎn)額和相對靈敏度因子;F是歸一化因子,與單種元素無關(guān),隨測井儀所處深度變化。對于確定深度的地層,各種礦物含量之和為1,使用氧化物閉合模型就能求出式(3)中所需的F。

(4)

式中,Oj是閉合模型中第j種元素氧化物指數(shù)或碳酸鹽指數(shù),即該種元素在其賦存化合物(氧化物或碳酸鹽)中質(zhì)量含量的倒數(shù)。式(4)分母中各項是各元素化合物的含量,因此預判元素的賦存狀態(tài)是解釋中不可或缺的步驟,例如,在火成巖和沉積巖中Fe元素分別更傾向于賦存在FeO和Fe2O3中。

式(3)右側(cè)yj/Sj項被稱作相對干重。分別從非彈和俘獲能譜提取非彈和俘獲元素產(chǎn)額后,在硅質(zhì)碎屑巖地層中,令Si元素非彈相對干重等于其俘獲相對干重,以此為橋梁,把其他元素的非彈相對干重換算成俘獲相對干重[20],Al、Mg、C等元素的換算俘獲相對干重也參與用閉合模型計算F的過程。

當非彈和俘獲Al元素產(chǎn)額的誤差都較大時,可以棄用Al元素產(chǎn)額,假定Al元素都賦存于黏土和長石中,在閉合模型中用式(5)估計Al元素干重[5]

WAl=wAl[1-OSiWSi-OCaWCa-

OMgWMg-1.99WFe]

(5)

式中,W是元素干重;OSi是Si元素氧化物指數(shù);OCa和OMg分別是Ca和Mg元素碳酸鹽指數(shù);wAl是常數(shù)。

C元素能賦存于有機質(zhì)或碳酸鹽中,TOC含量等于總碳含量減去無機碳(IC)含量[21]。

WTOC=WC-WIC=WC-0.3WCa-0.5WMg

(6)

式中,W是質(zhì)量含量。式(6)表達了無機碳賦存于碳酸鈣和碳酸鎂中的情形,它還可賦存于碳酸亞鐵中。由于式(4)中Ca和Mg元素項Oj均使用碳酸鹽指數(shù),已經(jīng)考慮了無機碳的貢獻,因此當式(6)非負時,閉合模型中需加入C元素的有機碳項。

對于每個深度點,用氧化物閉合模型求出F后,代入式(3)和式(6)計算出元素干重和TOC含量。

3.4 礦物組分和骨架參數(shù)

當?shù)V物化學成分比較穩(wěn)定時,礦物中各種元素的含量基本不變,地層元素干重與礦物組分關(guān)系為

W=CM

(7)

式中,W是地層元素干重列向量;M是礦物組分列向量;C為系數(shù)矩陣,其矩陣元cij是單位質(zhì)量第j種礦物中第i種元素的含量。選擇在數(shù)量上少于解釋元素數(shù)的礦物種類,對式(7)求逆矩陣即可獲得礦物組分[22]。該方法簡單易行,但有難以調(diào)參的缺點。聚類因子法在礦物組分解釋上更實用。沉積巖中常見的礦物約20種,但對每一種巖石而言最常見的造巖礦物不過3～5類,分為黏土礦物(伊利石、蒙脫石等)、硅質(zhì)(石英+長石+云母)、碳酸鹽巖(方解石、白云石等)、鐵礦石(黃鐵礦、菱鐵礦)、蒸發(fā)巖(硬石膏、巖鹽)等。求解這幾類礦物的含量時,式(7)中系數(shù)矩陣C的矩陣元多數(shù)為0[23],可用單一特征元素的干重Wi作為解釋某類礦物含量Mj的依據(jù),這時矩陣元cij就是轉(zhuǎn)換因子,并用另外1～2種元素的干重值輔助判斷被解釋礦物含量的界限。

Mj=aj(Wi-bi)/cij

(8)

式中,bi和aj是可微調(diào)的基值和乘子。

對于硅質(zhì)碎屑巖,可直接用元素干重計算骨架密度值ρma(單位g/cm3)[24]和骨架中子孔隙度值φNma[25]。

ρma=2.620+0.0490WSi+0.2274WCa+

1.993WFe+1.193WS

(9)

φNma=0.408-0.889WSi-1.014WCa-

0.257WFe+0.675WS

(10)

也可先解釋出礦物組分,然后使用礦物質(zhì)量含量Mi和相應(yīng)礦物密度ρi計算骨架密度ρma。

(11)

多數(shù)情況下式(9)和式(11)計算結(jié)果差異很小。式(11)分母中各項乘以ρma就是該礦物體積含量。

針對大慶徐家圍子火山巖氣藏,巖石骨架密度ρma可由式(12)計算[3]。

ρma=3.148-1.100WSi-0.983WCa-

2.439WNa-2.408WK+1.425WFe-11.31WTi

(12)

碳酸鹽巖、頁巖等復雜地層的解釋模型尚待建立。

4 測井試驗

4.1 模型井實驗

表4顯示了PNST-E測井儀分別在7口地層元素模型井中測量元素干重結(jié)果。模型井地層元素干重標準值是樣品X射線衍射法檢測結(jié)果,誤差約0.20%。實驗中某PNST-E測井儀每4.5 s測量1組元素干重,對50組測量值取平均列于表4中。測量值不確定度較大的是Ca和K元素干重(±1.02%和±1.00%),在7口井中均未測得Gd和Al元素干重(測量值小于0.01×10-6和0.01%),表4中其他元素干重測量值不確定度小于±1.00%。Si、Ca、S、Fe、Ti元素干重測量值的最大誤差是2.4%,K、Na、Mg元素干重測量值的最大誤差是3.2%。

此外,在140 mm外徑套管飽和度刻度井群中刻度PNST-E測井儀,孔隙度和飽和度最大測量誤差分別是1.5%和5.0%。

4.2 測井重復性與一致性

定義2遍測井曲線差值除以2遍測井曲線平均值為相對差。南×-5-41井2006年7月完鉆,2013年3月用PNST-E測井儀在其套管井中測井,測速60～70 m/h,在530～570 m井段試驗,1支測井儀2次測量Si、Ca、S、Fe、K、Na、Al元素干重的最大相對差分別為1.9%、2.3%、4.3%、2.6%、4.9%、3.6%、3.1%。2013年9月在喇×-檢PS2600裸眼井中用PNST-E測井儀測井,測速60～70 m/h,2支測井儀對比測量了950～1 000 m井段,Si、Ca、S、Fe、K、Na、Al元素干重的最大相對差為2.6%、3.2%、3.1%、1.3%、2.9%、4.1%、4.9%?，F(xiàn)場試驗結(jié)果說明PNST-E測井儀測量元素干重具有較好的重復性和一致性。

4.3 測井與取心數(shù)據(jù)對比

喇×-檢PS2600井950～1 030 m段為硅質(zhì)碎屑巖,有10塊巖心進行過X熒光常量元素分析,巖心均為棕色含油細砂巖,巖石骨架主要成分是石英與長石,含少量泥質(zhì)。2013年9月PNST-E測井儀在該井裸眼中測井,測速60～70 m/h。測井解釋元素干重數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成氧化物含量,與取心數(shù)據(jù)符合很好(見表5),SiO2含量最大相差3.1%。該井元素干重和礦物組分測井解釋成果見圖7,元素干重軌中WSi、WCa、WK、WFe、WNa、WAl分別是PNST-E測井解釋Si、Ca、K、Fe、Na、Al元素干重曲線,紅色圓點是取心數(shù)據(jù);礦物干重軌中從左向右顯示了測井解釋黏土、硅質(zhì)、碳酸鹽巖剖面,紅色圓點是激光法粒度分析得出的取心黏土數(shù)據(jù)。盡管測井解釋中黏土是指黏土礦物(該井段主要是伊利石)成分,而取心數(shù)據(jù)中黏土是指粒級小于0.01 mm的成分,但二者仍有很好的相關(guān)性。

表5 喇×檢PS2600井測井結(jié)果與取心數(shù)據(jù)對比表

4.4 與國外同類技術(shù)測井對比

徐探×井位于徐家圍子斷陷東部斜坡帶上,鉆深4 165 m,2014年5月在該裸眼中用斯倫貝謝公司Litho Scanner巖性掃描測井儀以240 m/h測速進行了全井測井。隨后用PNST-E測井儀對3 200～3 600 m段以60 m/h速度測井,3 600 m處井溫139 ℃,測井儀連續(xù)測井8 h又重復測井3 h始終正常工作。PNST-E與Litho Scanner測井解釋Si、Ca、Fe、K、Na、Al等元素干重和TOC含量一致性較好,解釋礦物組分剖面也比較相符,部分測井解釋結(jié)果對比見圖8。圖8元素干重軌中,紅色曲線(地層元素)是PNST-E測井解釋曲線,藍色曲線(巖性掃描)是Litho Scanner測井解釋曲線。該段地層為硅質(zhì)碎屑巖,富含硅質(zhì)(以石英、鈉長石、鉀長石為主)和黏土礦物(主要是伊利石),測井資料對3 333 m附近煤層、3 351 m附近和3 379 m附近含方解石條帶都有較清晰的指示。

圖7 喇×-檢PS2600井測井解釋與取心數(shù)據(jù)對比(部分)

圖8 徐探×井PNST-E與Litho Scanner測井成果對比(部分)

5 結(jié) 論

(1) 采用安全環(huán)保的可控中子源,通過優(yōu)化設(shè)計傳感器結(jié)構(gòu)與工作時序、開發(fā)0.4 μs高速數(shù)字能譜電路,在中國首次研制成功PNST-E脈沖中子地層元素測井儀,獲得了純凈的地層元素俘獲能譜,有效降低了多種元素特征峰重疊對解譜的影響,并從非彈能譜中能直接提取C、Mg等以往難測元素產(chǎn)額,適用于套管井或裸眼井,推薦測速60～120 m/h。

(2) 通過實體實驗和數(shù)值模擬,獲得了9種元素非彈標準譜、17種元素俘獲標準譜及相應(yīng)元素的相對靈敏度因子。應(yīng)用約束最小二乘能譜解析方法,實現(xiàn)了解譜計算元素干重過程的自動化。解釋軟件提供地層中Si、Ca、S、Fe、Ti、Gd、K、Na、Mg、Al等元素干重和TOC含量、礦物組分、骨架密度、骨架中子值,以及孔隙度、剩余油飽和度等數(shù)據(jù)。在模型井中,Si、Ca、S、Fe、Ti等元素干重誤差2.4%,K、Na、Mg等元素干重誤差3.2%。

(3) 現(xiàn)場試驗結(jié)果說明PNST-E測井儀測量元素干重具有較好的重復性和一致性。在硅質(zhì)碎屑巖剖面,PNST-E測井解釋元素含量與取心結(jié)果相符,測井解釋元素干重和礦物組分與斯倫貝謝公司Litho Scanner測井解釋結(jié)果符合。

(4) PNST-E脈沖中子地層元素測井技術(shù)提供主要造巖元素干重、礦物組分,地層骨架密度、骨架中子值,為評價復雜巖性、準確計算孔隙度提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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