FEM地层元素测井仪研制

岳爱忠，王树声，何绪新，石丽云，贺晓真，雷震宇

（中国石油集团测井有限公司，陕西 西安710077）

0 引 言

地层元素测井是一种在井下实时测量地层中主要元素含量的测井方法，对于复杂岩性储层的精细评价具有重要意义。它的主要地质应用是岩性识别，能够确定Si、Ca、Fe、S、Ti、Gd、Mg、K、Mn、Al等10余种元素的含量，进而通过矿物转换模型确定出地层矿物含量，结合自然伽马能谱测井方法可以确定地层黏土类型及含量；结合常规测井曲线可以更好地确定岩性，改善孔隙度、饱和度、渗透率的评价，更精确地估算油气储量［1］。此外，还可利用地层元素测井资料研究沉积环境和烃源岩［2］，在页岩气和致密气勘探中，地层元素测井已经成为必测项目。

斯伦贝谢公司于1996年推出元素俘获谱测井仪器 ECS［3－4］，首次将该类仪器投入现场应用。2009年哈里伯顿与贝克休斯分别推出了类似仪器GEM［5］、FLeX［6］，其中ECS与GEM 均采用同位素中子源，FLeX使用脉冲中子源。最近，斯伦贝谢公司又推出了新型地层元素测井仪器［7］，采用了具有更高能量分辨率和更好温度性能的新型溴化镧闪烁探测器（LaBr3：Ce），并使用脉冲中子发生器，同时测量非弹性和俘获伽马能谱。新仪器在测量准确性和精度等方面都有了较大的提高，还可以确定总有机碳含量TOC，这对页岩气与油页岩等非常规油气资源的评价至关重要。

近20年来，中国一直跟踪地层元素测井技术的发展［8－12］，并利用斯伦贝谢ECS对国内的一些测井资料进行了应用评价研究［13－15］。2012年中国石油集团测井有限公司推出了中国首套地层元素测井仪——FEM地层元素测井仪，本文介绍了FEM仪器部分研究成果。

1 地层元素测井的核物理基础

图1 快中子的非弹性散射

FEM地层元素测井仪采用同位素Am－Be中子源，在测井时，由中子源发出约4.5MeV的快中子，快中子与井眼周围环境中不同元素的原子核发生非弹性散射并释放出伽马射线（见图1）。快中子经过非弹性散射损失了大部分能量，其能量逐渐低于发生非弹性散射的阈能，于是中子进入了以弹性散射为主的作用阶段，弹性散射的过程并不释放伽马光子，其实只是中子减速过程。经过多次的弹性碰撞，中子能量逐渐减弱，直到中子与周围物质达到热平衡，此时中子的能量约为0.025eV，称为热中子。此后，热中子在扩散过程中被周围的靶核俘获形成处于激发态的复合核，然后复合核释放1个或几个具有特定能量的伽马光子回到基态，这种反应叫做辐射俘获核反应［16］（见图2）。由于发生非弹性散射和辐射俘获核反应所产生的伽马射线的能量取决于靶核的能级特性，伽马射线能量的高低反映了发生反应的靶核性质，故这种伽马射线被称为特征伽马射线。FEM地层元素测井仪主要通过测量中子与井眼周围地层反应后发射的俘获伽马能谱对地层组成元素的含量进行分析。

图2 热中子的辐射俘获核反应

2 仪器设计

FEM地层元素测井仪可以在最高温度175℃，最大压力140MPa的条件下使用。配接遥传和伽马短节进行测量。FEM垂直分辨率可以达到450mm，探测深度约为230mm，能够测量Si、Ca、Fe、S、Ti、Gd、Mg、K、Mn、Al等10种地层主要元素的含量。FEM测井仪留有贯通线，采用CAN总线通讯，可以直接配接EILog测井系统，具有组合测井功能。使用弹簧偏心器推靠，可进行贴井壁偏心测量。仪器总体结构示意图见图3。

在对FEM地层元素测井仪进行仪器设计时，采用Monte Carlo数值模拟方法确定并优化了仪器的设计参数，通过数值模拟得到了硼套、源距和仪器外壳材料对能谱的影响规律，屏蔽效果最佳的屏蔽体材料及厚度，为仪器的优化设计提供了理论支持［17］，并在此基础上进行了机械结构设计和采集电路设计。

2.1 机械结构设计

图3 仪器总体结构示意图

图4 FEM地层元素测井仪结构示意图

FEM地层元素测井仪主要由电子线路部分、BGO晶体探测器、Am－Be中子源3部分组成（见图4）。BGO晶体探测器是地层元素测井仪器的核心部件，主要包括BGO闪烁晶体、光电倍增管、前置放大器、多道脉冲幅度分析器、高压电源等。它们被放置在一个特制的高性能保温瓶之内。与传统仪器所用NaI（Tl）晶体探测器相比较，BGO晶体密度较高，平均原子序数较大，可以大大增强对伽马射线的探测效率。但BGO的温度稳定性较差，为适应测井高温环境的要求，地层元素测井仪器需要采用特制保温瓶。同时，为了消除仪器材料产生的俘获伽马本底，需要在BGO晶体探测器外表面部分加涂一定厚度的10B屏蔽层（即硼套）。

2.2 采集控制电路设计

地层元素测井仪采集控制电路从功能上划分为采集、控制和通讯3部分，采集电路由主放成形电路、高速ADC芯片、FPGA芯片及外围电路组成，完成对井下信号的放大成形、峰值检测、峰值采集、数据存储等功能；控制电路由 MCU、FPGA、DAC芯片及外围电路组成，负责执行地面控制命令、上传数据、调节探头高压。通讯电路由CAN总线接口完成，负责井下控制电路和地面系统的通讯。仪器的采集控制电路框图见图5。

图5 采集控制电路框图

3 数据处理方法

FEM地层元素测井仪首先对测量得到的能谱数据进行预处理，包括：自适应滤波（减小或消除统计涨落）、能谱的归一化、地层谱的漂移校正（消除测井过程中由于温度及仪器稳定性等因素引起的地层实测谱漂移）、标准谱的谱形校正等。

地层元素的数据处理过程主要以元素标准谱为基础，采用加权最小二乘法进行能谱分析求取各元素的产额；利用模型井进行刻度确定各元素的灵敏度因子；利用氧化物闭合模型确定标准化因子，进而确定各元素的含量。

3.1 元素标准谱的制作

FEM地层元素测井仪实测谱的能谱分析是地层元素数据处理方法的重要环节。从数学角度，仪器实测谱可以看成是不同元素标准谱的线性组合，所以元素标准谱是进行能谱分析的基础。采用Monte Carlo数值模拟和实体模型试验相结合的技术制作标准谱。图6为FEM地层元素测井仪的元素标准谱。

3.2 解谱计算产额

在测井过程中，仪器所测的地层谱可以看作是不同元素标准谱的线性组合，通过加权最小二乘法可以得到各种元素的产额。

地层谱各道的计数率可以用式（1）的线性统计模型表示

图6 元素标准谱

式中，ci为仪器所测的地层谱的第i道计数；aij为由元素的标准谱得到的n×m阶响应矩阵A的（i，j）元；yj为第j种元素的产额；εi为误差；m为元素总数；n为总道数或道区数。

采用加权最小二乘法求解可以得到比较精确的元素产额的解。

式中，C＝（c1，c2，…，cn）T；y＝（y1，y2，…，ym）T。

3.3 氧化物闭合模型

元素的相对产额反映了元素对测量能谱的贡献，不能直接用来进行岩石物理评价，在实际测井中要使用氧化物闭合模型将元素的产额转化为元素的含量。氧化物闭合模型的基本思想是所有元素的重量百分含量之和为1。地层所有矿物都可以认为是由氧化物或碳酸盐组成，组成矿物的氧化物、碳酸盐含量百分数之和为1。该方法的核心就是用独立的方式对通过热中子辐射俘获核反应测得的每种元素的相对产额重新归一化，从而求得每种元素的百分含量。该模型的优点在于克服了难以定量描述骨架中 C、O这2种元素的问题［15－17］，能够直接计算岩石骨架主要元素含量。

氧化物闭合模型可以用式（5）表示

式中，F为随深度变化的标准化因子，也称为归一化因子；Xj是元素j对应的氧化物或碳酸盐重量与元素j的重量比，定义为元素j的氧化物指数；yj为测量到的元素j的相对产额；Sj为元素j的灵敏度因子。

元素j的含量可以由下式计算

4 测井试验

4.1 模型井试验

FEM地层元素测井仪在模型井进行了能谱测量试验，在砂岩、石灰岩、白云岩模型井中测量能谱与数值模拟能谱对比一致（见图7），数值模拟能谱与仪器测量能谱相互验证，保证了模拟得到的元素标准谱的应用效果。图7（a）为20号灰岩模型井，孔隙度为0.1p.u.；图7（b）为10号白云岩模型井，孔隙度为37.2p.u.。

4.2 现场试验

FEM地层元素测井仪在某地区1口天然气探井进行了现场测井试验，该井测量井段中有一个标志性的灰岩地层，灰岩层以上是砂泥岩地层，灰岩层以下是白云岩地层，FEM测井曲线很好地反映了地层岩性的变化。

图8为FEM地层元素测井仪在砂泥岩地层测井响应曲线。4 070～4 110m井段为典型的砂泥岩层段，FEM主要特征：Si含量较高，在20%～35%之间；Ca含量较低，低于5%；Al和K的含量在10%以内变化。对泥质含量的变化，曲线也有较好的反映，在4 071～4 076.5m 井段和4 086.5～4 095m井段这2个层位，伽马值显示泥质含量较高，FEM曲线中Al有明显指示，含量在4%～8%，这与泥岩成分一致，相应的Si含量处于20%～25%低位水平。与之相对应，在4 078～4 086.5m井段和4 096～4 106m井段这2个层位，伽马值显示泥质含量较低，为较纯的砂岩，FEM曲线中Al含量低于2%，而Si含量处于30%以上的低位水平。

图7 模型井仪器实测谱和模拟谱的对比图

图9为FEM地层元素测井仪在石灰岩地层测井响应曲线。4 024～4 141m井段为石灰岩层段，特别是4 024～4 029m井段，伽马值为低值，密度为2.7g／cm3，为典型的纯度较高的石灰岩，FEM曲线特征：Ca含量高，在25%～30%；Si含量低于5%；Al、K、Mg含量都低于3%。Fe、S曲线显示，该灰岩层含有少量的黄铁矿。4 029～4 141m井段为含有沙泥岩夹层的石灰岩地层，Si、Ca、Al、K曲线很好地反映了夹层变化。

图10为FEM地层元素测井仪在白云岩地层测井响应曲线。4 175m以下，密度值为2.8g／cm3左右，为典型的白云岩地层，FEM曲线特征：Ca含量为20%左右的高值，但略低于灰岩层；Mg含量为15%左右，明显高于灰岩层。在4 207m以上的白云岩层中含有一些泥质，伽马值有指示，FEM曲线中，Si、Al、K都有一定含量也显示泥质的存在。在4 207m以下，伽马值指示为较纯的白云岩，FEM曲线中，Si、Al、K含量都很低。另外，Fe和S曲线显示，整个白云岩地层都含有少量黄铁矿。

图10 白云岩地层FEM测井响应

5 结 论

（1）在Monte Carlo数值模拟优化仪器设计参数的基础上，进行了FEM地层元素测井仪的机械结构设计和采集控制电路设计。利用Monte Carlo方法制作了元素的标准谱，并进行了能谱分析算法的设计及优化。

（2）FEM地层元素测井仪的数据处理过程：通过能谱预处理有效地降低曲线的统计涨落和谱线漂移的影响，通过能谱分析、氧化物闭合模型可以得到较为准确的元素含量。

（3）FEM地层元素测井仪在模型井能谱测量试验中，测量能谱与Monte Carlo数值模拟能谱对比一致；在现场实验中，对于不同岩性地层，FEM测井曲线都很好地反映了岩性特征。即使没有其他任何曲线，仅用FEM测井曲线就可以直接分析岩性，这正是地层元素测井优势所在。

［1］ 袁祖贵，成晓宁，孙娟.地层元素测井：一种全面评价储层的测井新技术 ［J］.原子能科学技术，2004，38（增刊）：208－213.

［2］ 袁祖贵.用地层元素测井（ECS）资料研究沉积环境［J］.核电子学与探测技术，2005，25（4）：347－357.

［3］ Barson D，Christensen R，Decoster E，et al.Spectroscopy：The Key to Rapid，Reliable Petrophysical Answers［J］.Oilfield Review，2005：14－33.

［4］ Schlumberger.ECS Software User’s Guide［Z］.2003

［5］ James Galford，Jerome Truax，Andy Hrametz，et al.A New Neutron－induced Gamma－Ray Spectroscopy Tool for Geochemical Logging［C］∥SPWLA 50th An－nual Logging Symposium，June 21－24，2009.

［6］ Xiaogang Han，Richard Pemper，Teresa Tutt，et al.Environmental Corrections and System Calibration for a New Pulsed－Neutron Mineralogy Instrument［C］∥SPWLA 50th Annual Logging Symposium，June 21－24，2009.

［7］ Radtke R J，Maria Lorente，Bob Adolph，et al.A New Capture and Inelastic Spectroscopy Tool Takes Geochemical Logging to the Next Level［C］∥SPWLA 53rd Annual Logging Symposium，June 16－20，2012.

［8］ 庞巨丰.地层元素中子俘获伽马能谱测井解释理论和方法 ［J］.测井技术，1998，22（2）：116－119.

［9］ 刘宪伟，谭廷栋.碳氧比能谱测井数据预处理技术［J］.测井技术，1998，22（1）：1－4.

［10］ 庞巨丰.伽玛能谱数据分析 ［M］.西安：陕西科学技术出版社，1990.

［11］ 庞巨丰，李敏.地层元素测井中子－伽马能谱解析理论和方法 ［J］.同位素，2006，19（2）：70－74.

［12］ 庞巨丰，李敏.地层元素测井中子伽马谱解析方法的实际应用 ［J］.同位素，2006，19（4）：214－217.

［13］ 魏国，赵佐安.元素俘获谱（ECS）测井在碳酸盐岩中的应用探讨 ［J］.测井技术，2008，32（3）：285－288.

［14］ 刘绪纲，孙建孟，郭云峰.元素俘获谱测井在储层综合评价中的应用 ［J］.测井技术，2005，29（3）：236－239.

［15］ 谭锋奇，李洪奇，姚振华，等.元素俘获谱测井在火山岩储层孔隙度计算中的应用 ［J］.国外测井技术，2008，168（6）：27－30.

［16］ 楚泽涵，黄隆基，高杰，等.地球物理测井方法与原理 ［M］.北京：石油工业出版社，2008：154－168.

［17］ 严慧娟，岳爱忠，赵均，等.地层元素测井仪器结构参数的蒙特卡罗数值模拟 ［J］.测井技术，2012，36（4）：282－285.