趙梧迪(六盤水職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 六盤水 553001)

0 引言

現(xiàn)代社會(huì)的不斷發(fā)展，使得人們對(duì)資源的掌控程度越來(lái)越高，這就要求更加先進(jìn)、精確的測(cè)井技術(shù)幫助人們了解地層的構(gòu)成狀況。這就使得基于核物理科學(xué)的地層元素測(cè)井技術(shù)得到了快速的發(fā)展。這種技術(shù)利用中子良好的物理特性，使得科研人員可以獲得更加精確的地質(zhì)數(shù)據(jù)，從而幫助人們更加合理的利用和開發(fā)地質(zhì)資源。目前這項(xiàng)測(cè)井技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于石油開采等行業(yè)，為相關(guān)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)提供了更為精確的地址數(shù)據(jù)。

1 工作原理

地層元素測(cè)井技術(shù)是一種基于核物理學(xué)的技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)利用了中子的物理特性，通過(guò)中子源發(fā)射裝置將中子發(fā)射出去，然后中子在地層中會(huì)與其中的元素發(fā)生反應(yīng)，使得元素的原子核產(chǎn)生伽馬射線，然后利用專門的儀器對(duì)伽馬射線進(jìn)行記錄和科學(xué)的分析，就可以準(zhǔn)確的得到相關(guān)的數(shù)據(jù)資料。在這項(xiàng)技術(shù)中，由中子源發(fā)射的快中子會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)，與地層中元素的原子核發(fā)生特定的散射現(xiàn)象，在這個(gè)過(guò)程中，元素的原子核會(huì)吸收快中子形成一個(gè)復(fù)核，同時(shí)還會(huì)放出一個(gè)低能的中子，吸收了快中子的原子核處于一種激發(fā)狀態(tài)，這時(shí)吸收了快中子的原子核如果釋放，激發(fā)，就會(huì)回到基態(tài)，同時(shí)還會(huì)釋放出非彈性散射伽馬射線，緊接著在極短時(shí)間內(nèi)還會(huì)釋放彈性散射的伽馬射線，不同的原子核與快中子發(fā)生反應(yīng)后，其反射截面以及放出的伽馬射線存在一定的差異。通過(guò)記錄和分析這兩種射線就可以準(zhǔn)確的得出地層的構(gòu)成信息。

在進(jìn)行地層元素測(cè)井的過(guò)程中需要運(yùn)用到專門的設(shè)備進(jìn)行探測(cè)，這種特殊的設(shè)備主要由BGO晶體探測(cè)儀和中子源構(gòu)成。通過(guò)這套設(shè)備可以對(duì)地層中的多種元素進(jìn)行探測(cè)。整套設(shè)備會(huì)采用特定的中子源如214Am-Be同位素中子源以及脈沖中子源，不同的中子源各有優(yōu)缺點(diǎn)，相關(guān)機(jī)構(gòu)應(yīng)該根據(jù)自身的實(shí)際情況進(jìn)行選擇。BGO晶體探測(cè)儀這種儀器主要是用來(lái)捕獲和記錄相關(guān)的非彈性散射數(shù)據(jù)以及伽馬射線的數(shù)據(jù)。這種探測(cè)儀相對(duì)來(lái)說(shuō)具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)，其探測(cè)速度非?？?，受到的干擾相對(duì)較少，精度也相對(duì)較高。地層元素探測(cè)儀可以和其他探測(cè)儀器組合使用，這樣可以減少出現(xiàn)錯(cuò)誤的機(jī)率，降低外界對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾。

2 數(shù)據(jù)處理方法

通過(guò)地層元素測(cè)井儀器可以準(zhǔn)確的捕捉到地層中所有元素原子核的非彈性散射以及伽馬射線能譜。但是通過(guò)對(duì)這些能譜進(jìn)行進(jìn)一步的分析才能獲得地層中各元素的信息。這就需要對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，否則這些數(shù)據(jù)依然無(wú)法被正確的運(yùn)用。

2.1 建立標(biāo)準(zhǔn)的伽馬能譜

利用地層元素測(cè)井技術(shù)對(duì)地層元素進(jìn)行探測(cè)，首先就要建立地層中常見元素的標(biāo)準(zhǔn)伽馬能譜，只有建立了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)伽馬能譜才能進(jìn)一步對(duì)儀器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳盡的分析。標(biāo)準(zhǔn)的伽馬能譜需要通過(guò)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，然后利用數(shù)值模擬方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后獲得。在進(jìn)行地層元素測(cè)井的過(guò)程中，需要利用地層中常見元素的標(biāo)準(zhǔn)伽馬能譜，需要以此為依據(jù)對(duì)測(cè)井儀器進(jìn)行校正，為測(cè)量數(shù)據(jù)的處理提供依據(jù)。通常情況下，在利用數(shù)值模擬方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得標(biāo)準(zhǔn)伽馬能譜時(shí)，科研人員要根據(jù)實(shí)際的情況進(jìn)行計(jì)算模型的制定，這樣可以更加準(zhǔn)確的獲得標(biāo)準(zhǔn)的伽馬能譜[1]。

2.2 地層元素產(chǎn)額

相對(duì)產(chǎn)額在底層元素測(cè)井過(guò)程有著非常重要的作用。這個(gè)數(shù)據(jù)主要表達(dá)了單個(gè)元素發(fā)出的伽馬光子在發(fā)射的總伽馬光子中的貢獻(xiàn)。如果可以獲得某個(gè)元素獨(dú)自存在時(shí)，伽馬光子的實(shí)際數(shù)據(jù)，然后再獲得混合存在時(shí)的伽馬光子能譜，這樣就可以分別獲得各個(gè)元素發(fā)射的伽馬光子在伽馬光子總數(shù)中的貢獻(xiàn)。各個(gè)元素獨(dú)自存在時(shí)的伽馬光子譜線被稱為單原子標(biāo)準(zhǔn)譜，而與之對(duì)應(yīng)的是各元素混合存在的伽馬光子譜，也就是混合譜。在進(jìn)行解譜的過(guò)程中，研究人員通常會(huì)將這兩者進(jìn)行歸一處理，這樣的化相對(duì)產(chǎn)額就會(huì)擁有百分比的含義。相對(duì)產(chǎn)額的求解，需要單元素標(biāo)準(zhǔn)譜，實(shí)際的混合譜以及解譜的算法。這三者缺一不可。首先單元素標(biāo)準(zhǔn)譜需要根據(jù)實(shí)際情況選擇地層中含量比較大且對(duì)相關(guān)工作影響較大的元素，這就需要通過(guò)科學(xué)的方式獲取氮元素標(biāo)準(zhǔn)譜，通常情況下需要進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)然后通過(guò)數(shù)學(xué)方法獲取。其次就是確定解譜算法，由于測(cè)得的數(shù)據(jù)是通過(guò)一定的方式表現(xiàn)在儀器上，從中找出對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

2.3 靈敏度因子

靈敏度因子同樣也是這項(xiàng)技術(shù)中非常重要的數(shù)據(jù)之一，它充分表現(xiàn)了每種元素對(duì)于熱中子的吸收程度。對(duì)于每種不同的元素來(lái)說(shuō)其靈敏度因子也存在著十分巨大的差異，這個(gè)參數(shù)只與探測(cè)儀器以及元素本身有關(guān)，地層對(duì)這個(gè)參數(shù)的大小沒(méi)有任何影響。正式這個(gè)特點(diǎn)，科研人員可以利用科學(xué)的方法獲取已知地層中每一種元素的靈敏度因子，而這個(gè)參數(shù)可以應(yīng)用于其他位置的地層之中。但是這個(gè)參數(shù)由于其特殊性很難用絕對(duì)的數(shù)值進(jìn)行衡量，因此可以用比值的方式對(duì)其進(jìn)行衡量。這種方法的關(guān)鍵是要在眾多元素中選取一個(gè)元素作為標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)元素的選取需要有很嚴(yán)格的要求，首先，這種元素在大自然中廣泛存在，而且含量比較高，數(shù)量也相對(duì)比較穩(wěn)定。其次這種元素必須具有比較大的熱中子俘獲截面。綜合上述幾種因素，通常情況下都會(huì)選擇硅元素作為標(biāo)準(zhǔn)元素。如果將硅元素的靈敏度因子設(shè)置為1，那么其他的元素的靈敏度因子都是與硅元素靈敏度因子的比值。

2.4 地層因子

在進(jìn)行地層元素測(cè)井時(shí)，地層因子有著十分重要的作用。由于在地層中含有數(shù)量眾多的元素，但是其種類卻相對(duì)比較少。但是這些元素卻構(gòu)成了種類繁多的礦物質(zhì)。而這些礦物質(zhì)在地層中的含量具有一定的比例，為了使其能夠表達(dá)成百分?jǐn)?shù)的形式，就需要設(shè)定其百分含量的總和為1，這樣就使得元素的含量有了十分明確的百分比意義。地層因子不同于靈敏度因子其變化十分的大，不同地區(qū)，不同深度都會(huì)出現(xiàn)地層因子的變化。地層因子是一個(gè)不斷變化的參數(shù)，隨著地層的不斷變化其地層因子也會(huì)隨著變化。測(cè)井儀器在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需要在井下選擇不同的深度進(jìn)行測(cè)量。而每一個(gè)深度都會(huì)測(cè)得一個(gè)混合譜，而每一個(gè)深度都對(duì)應(yīng)著一個(gè)不同的地層因子，每一個(gè)井的地層因子也不盡相同，因此這個(gè)參數(shù)無(wú)法給定，地層因子的確定需要對(duì)測(cè)井的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳盡分析和計(jì)算才能確定。

2.5 轉(zhuǎn)換為礦物含量

由上面分析可知，如果要想得到地層每種元素的質(zhì)量百分比就需要知道地層因子，靈敏度因子以及相對(duì)產(chǎn)額。在這其中靈敏度因子是已知的，其值也是相對(duì)固定不變的。相對(duì)產(chǎn)額和地層因子則需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得出。這樣通過(guò)計(jì)算可以得到元素含量。然后利用利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的因子分析法將其轉(zhuǎn)換為礦物含量[2]。

3 應(yīng)用

3.1 確定礦物含量

研究人員可以利用地層元素測(cè)井技術(shù)精確的測(cè)量地層中的礦物含量。這對(duì)于很多行業(yè)都有著非常重要的意義。尤其對(duì)于石油天然氣行業(yè)，相關(guān)企業(yè)可以對(duì)油井進(jìn)行地層元素測(cè)井，就可以詳細(xì)的得到相關(guān)的巖層數(shù)據(jù)，這樣可以為企業(yè)選擇合適的作業(yè)方式以及合適的作業(yè)機(jī)械提供有力的數(shù)據(jù)幫助，避免企業(yè)選擇錯(cuò)誤的方式和機(jī)械，從而導(dǎo)致不必要的損失。

3.2 確定粘土含量和類型

相關(guān)科研人員可以利用地層元素測(cè)井技術(shù)結(jié)合一些傳統(tǒng)的測(cè)井技術(shù)，可以獲得十分準(zhǔn)確的粘土類型以及粘土含量的數(shù)據(jù)。相關(guān)的企業(yè)也在研究粘土含量與類型與單個(gè)元素之間的關(guān)系，同時(shí)還在研究其與單種氧化物或者碳酸鹽之間的關(guān)聯(lián)以及其與氧化物或者碳酸鹽組合之間的關(guān)聯(lián)。粘土的含量包含了高嶺石、綠泥石等等的總量。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析和研究發(fā)現(xiàn)，在這其中鋁元素與粘土含量的關(guān)聯(lián)性非常高，同樣二氧化硅，碳酸鈣，碳酸鎂以及鐵元素組合與粘土的含量也保持著非常好的關(guān)聯(lián)，這就對(duì)確定地層中粘土含量奠定了非常堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)粘土含量和類型的分析，對(duì)很多行業(yè)都有著非常重要的意義，同樣也對(duì)我國(guó)資源的開發(fā)有著十分重要的意義[3]。

3.3 巖性分析

在巖性分析中，地層元素測(cè)井技術(shù)有著非常重要的應(yīng)用，通過(guò)利用這項(xiàng)技術(shù)可以對(duì)地層的巖性進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。目前很多研究人員，都在研究巖性與氧化物組合之間的關(guān)聯(lián)，通?？梢岳醚趸锏娜粫?huì)圖，通過(guò)地層元素測(cè)井技術(shù)可以確定地層中的礦物含量，然后可以利用氧化物的三元交會(huì)圖就可以對(duì)地層巖性進(jìn)行判斷。在進(jìn)行巖性分析的過(guò)程中，可以根據(jù)氧化鈣，氧化鎂以及二氧化硅的交會(huì)圖進(jìn)行巖性的判斷，也可以利用氧化鈣，硫元素以及三氧化二鐵組合進(jìn)行巖性的判斷。利用非彈性散射譜可以識(shí)別碳元素及其含量這樣可以判斷煤層的存在。在進(jìn)行一些比較復(fù)雜的巖性識(shí)別時(shí)，還可以利用FMI在結(jié)合地層元素測(cè)井技術(shù)對(duì)火山巖等復(fù)雜巖性進(jìn)行識(shí)別。地層元素測(cè)井技術(shù)在巖性分析中起到了非常關(guān)鍵的作用。

3.4 評(píng)價(jià)儲(chǔ)層

在油田開采中，地層元素測(cè)井技術(shù)也有著非常重要的應(yīng)用，通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)可以準(zhǔn)確的對(duì)油田的儲(chǔ)層進(jìn)行評(píng)價(jià)。這項(xiàng)技術(shù)可以為油田儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)提供更為精確的數(shù)據(jù)，例如沉積體積，空隙類型，膠結(jié)成分的分析等等，這些數(shù)據(jù)可以幫助開采企業(yè)精確的判斷儲(chǔ)層和非儲(chǔ)層，這對(duì)于開采企業(yè)有著十分重要的意義，可以大大降低開采企業(yè)的成本，提升企業(yè)的緊急效益。

3.5 分析沉積環(huán)境

對(duì)于沉積環(huán)境的分析來(lái)說(shuō)，地層元素測(cè)井技術(shù)可以為其提供非常重要的數(shù)據(jù)參考。通過(guò)地層元素測(cè)井技術(shù)可以對(duì)地層中的各種元素進(jìn)行測(cè)量。而在漫長(zhǎng)的地質(zhì)作用下，使得各種元素的分布具有非常明顯的區(qū)域特點(diǎn)[4]。沉積巖中的元素豐度以及sc組合特點(diǎn)對(duì)沉積環(huán)境有著非常重大的影響。通過(guò)對(duì)沉積巖中的元素進(jìn)行測(cè)量，就可以更好地為研究和分析沉積環(huán)境提供非常可靠的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

地層元素測(cè)井技術(shù)是將核物理學(xué)運(yùn)用到勘測(cè)工作中的典型技術(shù)，是核物理學(xué)在地質(zhì)學(xué)科的應(yīng)用。通過(guò)這種技術(shù)可以更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)地層中礦物含量的測(cè)量，從而幫助研究人員對(duì)地層進(jìn)行進(jìn)一步的研究，使得研究人員可以更好地確定巖性以及粘土含量和類型，幫助研究人員進(jìn)行沉積環(huán)境的研究。隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，必然會(huì)有更為廣闊的應(yīng)用。