地层元素分析测井仪研制

徐 琳 刘建辰 静中兴

(大庆钻探工程公司测井公司 黑龙江 大庆)

0 引 言

地层元素分析测井是通过测量中子激发的地层元素次生伽马射线，进而分析出地层中主要元素含量和矿物含量的测井方法。能够确定Al、Fe、Si、Ca、Ti、Gd、S 等十余种元素的含量，并能算出石英-长石-云母、粘土、碳酸盐、菱铁矿、黄铁矿、煤、盐等多种矿物含量［1］。该仪器能从岩石成分的角度来解决火山岩岩性识别这一难题。地层元素分析测井技术还能应用于页岩气的勘探和识别，是一种能够全面评价储层的新技术［2-4］。

20 世纪90 年代斯仑贝谢公司推出了元素俘获谱(ECS)测井仪器，随后哈里伯顿、贝克休斯等多家公司均推出了相应的地层元素分析测井仪器，英文简写分别是GEM 和FLEX。ECS 和GEM 使用的是化学源，FLEX 使用的是脉冲源。斯伦贝谢公司已经研制出了使用脉冲源的地层化学元素测井仪器［5］。ECS 在中国的测井数量和应用区块较多。

2012 年大庆钻探工程公司测井公司研制出了国内首套地层元素分析测井仪(FEAT)，经过多口井的现场试验和资料评价工作，证实了该仪器具有较好的测量效果。本文介绍了该仪器的一些关键设计和技术成果。

1 仪器测量原理

地层元素分析测井采用中子源发射高能中子，高能中子经过碰撞、散射，逐渐减速为热中子，最终被不同元素的原子核俘获，并放出伽马射线。所放出的伽马射线是和俘获中子的特定元素原子核特征相对应的。伽马射线进入晶体探测器产生荧光，荧光到达光电倍增管，产生和入射粒子能量成比例的电脉冲。井下仪器采集电路通过测量分析电脉冲的幅度，记录每个幅度的脉冲个数，从而得到热中子俘获伽马能谱，如图1 所示。能谱的形态与井中元素的含量和种类有着直接的对应关系。

图1 仪器测量谱线过程

地层元素分析测井数据处理是利用“剥谱法”对热中子俘获谱解谱，得到元素的产额。“剥谱法”解谱的回归模型认为，测量到的能谱信号是地层中各种元素标准谱的线性加权。在实验室条件下可测定各种元素的标准谱，通过最小二乘回归，可得到每种标准谱对总的测量信号的贡献，即元素的产额。

2 仪器电路设计

由于地层元素分析测井仪器对采集谱线质量要求较高，要求谱线有很好的一致性。BGO 晶体的输出脉冲信号受晶体自身温度的影响较大，所以需要实时地监测和修正BGO 晶体的输出信号。

数字化脉冲幅度分析电路能够实时监测井下仪器采集信号的质量，并能够通过地面系统下发控制命令调整信号形态。使测量数据准确地反应真实的地层特点。信号处理流程如图2 所示。

数字化脉冲幅度分析电路主要包括以下几个部分:

2.1 基线还原器

脉冲信号受到探测器漏电流、元器件温漂、供电电源纹波的影响。真实的测量信号会时刻叠加一个基线，并且基线的幅度是在不停地变化的，影响了对信号的测量分析。通过设置数字门槛的方法，预估一个基线，实时地计算信号幅度和基线的关系，并对信号进行调整。

图2 数字化脉冲幅度分析电路信号分析流程图

2.2 门槛检测器

数字化脉冲幅度分析器的死时间的长短是根据脉冲的宽度，也就是脉冲的强度的不同而不同，和以往的脉冲幅度分析电路采用固定的死时间不同。采用固定的死时间设置会采用比较长的死时间以便能够将所有能量范围的脉冲都记录下来，但是在死时间内的其他脉冲会被忽略，或发生脉冲误记。数字化脉冲幅度分析电路会将每一个脉冲幅度都完整地记录下来，减少脉冲忽略和脉冲误记，变相地提高了脉冲的处理速度。

2.3 有效信号判断逻辑器

有效信号判断逻辑器可以完成以下几种特定信号判定:脉冲过短、脉冲重叠、基线错误。

一般经过滤波整形电路后传出的有效脉冲信号的宽度为0.8 s ～2 s，假定高速模数转换器是以4 MHz 的频率转换数字信号。那么有效信号的采样个数应该在4 ～8 个，也就是说在门槛以上的采样个数应该是在2～6 个。利用在门槛以上的采样个数和个数之间的大小关系我们可以对数字信号进行相应的分析［7］。

3 仪器解谱方法

3.1 元素标准谱

产额确定一般步骤:首先要有一套标准的单种地层元素俘获伽马谱即标准谱，其次做谱漂移和谱形状的校正，然后求归一化谱，最后选择一种工程上适用、精度高的解谱方法求出待分析地层俘获伽马谱中各元素的产额。在纯水环境中加入不同元素的粉末，使用仪器分别测量这些谱线，然后进行校正分析，制作出元素标准谱，如图3 所示。

图3 部分元素标准谱

3.2 谱线校正

在实际地层元素分析测井中，由于井况变化、不同深度地层温度变化及仪器不稳定性，即使采取稳谱措施，测量系统的增益也会发生变化，致使实测俘获谱峰发生偏移。特别是能量分辨率也会随温度升高而变差，导致峰形变宽。用能量和分辨率刻度不同的标准谱去拟合测井获得的地层混合元素俘获伽马谱(简称混合俘获谱)，会带来很大的误差。因此在解谱之前，必须进行谱漂移校正和标准谱谱形状校正［8、9］，然后通过最小二乘法求出元素产额，如图4 所示。

图4 地层元素分析测井求解元素产额流程框图

3.3 氧化物闭合模型

元素产额代表地层中元素的相对含量，为了分析岩性，需要求出元素的百分比含量。这时需要利用氧化物闭合模型。

研究发现，除了少数的例外，沉积矿石都是由氧化物构成的，所以所有氧化物的干重百分比之和应为1。氧化物的重量百分比可以由化学式的阳离子的重量百分比计算出来。

元素的含量就可以用下式计算

式(1)中，Wi为元素的含量，F 为随测井时间变化的归一化因子，yi为元素产额，si为元素i 的灵敏度参数。

4 现场试验效果

FEAT 共在大庆地区现场试验了20 口井。试验地区遍布大庆各个采油厂和外围油田，其中有3 口探井，最深井深4 300 m。测量过火成岩、砂泥岩的岩层，取得了较好的测量效果。并和国外同类仪器做过同井对比，对比效果较为理想。

图5 显示的是仪器在#1#1 -13#井的测井数据。仪器分析出的矿物含量与常规测井曲线有很好的对应效果。岩性趋势明显，沙泥岩剖面明显。能够清楚直观地给出石英-长石-云母(QFM)、粘土(CLA)、碳酸盐(CAR)等矿物的含量。主要的常规曲线分别是自然伽马(GR)、自然电位(SP)、微球(MSFL)、声波(AC)。

图5 #1#1 -13#井FEAT 和ECS 测量效果对比图

FEAT 在#斜##井和斯伦贝谢的ECS 仪器进行了同井同层测量对比试验，测量效果对比如图6 所示。#斜##井是大庆战区外围的一口探井，岩性属于砂泥岩。

图6 #斜#井FEAT 和ECS 测量效果对比图

从FEAT 和斯伦贝谢公司的ECS 仪器在#斜##井的测量效果对比图中可以看出:

(1)FEAT 和ECS 测井曲线趋势一致，反应的地质信息大致相同;

(2)能够分析出钙、铁、硅、硫、钛、砂岩、粘土、碳酸盐等地质信息;

(3)元素含量和矿物含量趋势有明显对应关系。

5 结束语

(1)仪器使用数字化脉冲幅度分析电路，引用了基线自动还原器、门槛检测器、有效信号判断逻辑器，能够实时地修正BGO 晶体输出信号，减小BGO 晶体受温度影响引起的谱线漂移，使测量到的谱线真实反映地层的信息，较大地减小了误差，给正确解谱奠定了基础。

(2)通过对测量谱线和标准谱的偏移校正和分辨率调整，使谱线和标准谱的匹配度有了较大的提高，有效地减少了测量误差，是能够分析出元素含量的基础理论方法。

(3)经过一年的前期调研和两年的项目研发，大庆测井公司于2012 年研制出了一套FEAT 样机。该样机可以直接分析出元素含量和矿物含量，为油田勘探过程中的岩层精细解释提供参考。通过与ECS 仪器的对比，其测量效果达到了国际一流水平。

(4)在今后的工作中，会尝试脉冲中子地层元素测井技术的探索，探索方向主要为标准谱和解谱方法的改良。

［1］HERTZONG RJ ，SCHWEITZER GR. Geochemical Logging With Spect romet ry Tools［R］.SPE16792

［2］Grau JA，Schweitzer JS，ELLIS DV，et al. A Geological Model for Gamma -ray Spectroscopy Logging Measurements［J］. Nucl Geophys，1989，3(4)

［3］刘绪钢，孙建孟，李召成. 新一代元素俘获谱测井仪(ECS)及其应用［J］.国外测井技术，2004，19(1)

［4］袁祖贵，成晓宁，孙娟.地层元素测井(ECS)—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)

［5］R. J. Radtke，Maria Lorente，Bob Adolph，et al. A New Capture and Inelastic Spectroscopy Tool Takes Geochemical Logging To The Next Level［R］. SPWLA 53rd Annual Logging Symposium

［6］岳爱忠，王树声，何绪新.FEM 地层元素测井仪研制［J］.测井技术，2013，37(4)

［7］徐 琳，冯 宇，王 琦. 数字化脉冲幅度分析方法研究［J］.石油仪器，2012，26(6)

［8］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，2006，19(2)

［9］庞巨丰，李 敏.地层元素测井中中子伽马谱解析方法的实际应用［J］.同位素，2006，19(4)