PNST-E脉冲中子地层元素测井技术研究

郑华, 孙亮, 梁庆宝, 董建华, 韩东庆, 杨建峰

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司, 黑龙江 大庆 163453)

0 引 言

地层元素测井测量中子在地层中诱发的非弹与俘获伽马射线的能谱,以标准谱为基础解谱求取元素产额,利用氧化物闭合模型把元素产额转换成地层干骨架中元素质量含量(简称元素干重),采用聚类因子分析等方法确定地层矿物组分和骨架参数,在直接和准确识别地层岩性方面具有其他测井方法不可比拟的优势[1]。在大庆油田复杂岩性储层测井评价尤其是深层火山岩气层测井评价中,地层元素测井资料起到了确定岩性与矿物组分[2-3]、求取骨架密度值和骨架中子值进而准确计算孔隙度[4]的作用。大庆油田以往主要依赖斯伦贝谢公司ECS元素俘获谱测井技术[5]获得地层元素测井资料,随其用量增多,有自主研制地层元素测井仪并开发配套资料处理软件的需求。

研究始于2011年,当时国外已有斯伦贝谢公司ECS、哈里伯顿公司GEM和贝克休斯公司FLeX等地层元素测井仪,它们都用BGO闪烁晶体探测器测量伽马射线能谱,其中ECS与GEM用241Am-Be同位素中子源,FleX用14 MeV脉冲中子源。用脉冲中子源的优势是通过分离非弹与俘获能谱解释更多种类地层元素干重,且利用非弹能谱能直接测量Mg、Al、C元素,测井仪工作时才发射中子,安全环保。2012年中国研制出同位素中子源地层元素测井仪FEM[6]与FEAT[7],斯伦贝谢公司新推出Litho Scanner岩性扫描测井仪[8]。Litho Scanner使用脉冲中子源和能量分辨率与高温性能都更好的LaBr3:Ce闪烁晶体探测器,解释元素干重准确度较ECS有明显提高,常规解释干重的元素种类增至15种,还可以确定总有机碳含量(TOC)。使用脉冲中子源和多探测器、多参数测量是地层元素测井的一种发展趋势[1]。

研究主要有3个方面内容:①在PNST脉冲中子全谱测井仪[9-10]基础上优化设计传感器结构、工作模式和高速能谱电路,研制PNST-E脉冲中子地层元素测井仪,实现地层元素测井功能,并使其兼有双源距碳氧比、中子寿命、能谱水流等测井功能;②采用数值模拟与实体实验结合的方法获得常见地层元素非弹标准谱、俘获标准谱及相对灵敏度因子;③研究解谱技术并开发配套测井资料处理软件,计算主要造岩元素干重和TOC含量,解释矿物组分和骨架参数。

1 PNST-E测井仪

1.1 测井原理与测井仪简介

脉冲中子源发射的快中子先与测井仪周围各种元素的原子核发生非弹散射并释放非弹伽马射线,经过非弹散射,中子损失了大部分动能,开始进入以弹性散射为主的作用阶段;弹性散射过程不释放伽马射线,经过多次弹性散射,中子动能逐渐降低,直到中子与周围物质达到热平衡,成为热中子;热中子在测井仪周围扩散,被不同元素的原子核俘获并释放俘获伽马射线。脉冲中子源发射中子期间和中子停歇期间测量到的伽马射线分别以非弹和俘获伽马射线为主,不同元素的非弹或俘获伽马射线有不同的特征能量,通过测量非弹与俘获伽马射线能谱可以分析地层元素含量。

PNST-E测井仪自下而上由中子发生器、钨钢屏蔽体与硼套屏蔽体、2个BGO闪烁晶体伽马射线探测器及能谱与时间谱采集电路、时序控制与遥测电路等部分构成。其承压外壳外径89 mm、硼套屏蔽体外径98 mm。测井仪内钨钢屏蔽体上下各有1个特制的高性能保温瓶,中子发生器、伽马射线探测器与所有电子线路均安装在保温瓶内,以保证测井仪的高温工作性能。PNST-E测井仪耐压100 MPa,耐温175 ℃/6 h,适用于套管井或裸眼井;可连接7 000 m长度的7芯电缆,配接PL-2000或Exceed地面数控测井系统工作。

1.2 传感器结构设计

PNST-E测井仪传感器结构见图1。在测井仪内部有以中子管为核心元件的中子发生器、钨钢屏蔽体、由BGO闪烁晶体和光电倍增管及前置电路组成的测量伽马射线的近探测器和远探测器;对应远探测器、近探测器和部分钨钢屏蔽体的位置,在测井仪外壳上安装了硼套屏蔽体。使用自成靶氘氚中子管,中子管靶端靠近钨钢屏蔽体,发射中子的靶面距钨钢屏蔽体底端面约5 cm。在传感器结构方面,PNST-E测井仪与不带3He热中子探测器的PNST测井仪很相似,二者主要差异是PNST-E测井仪使用了带有硼套屏蔽体的外壳,并把中子发生器安装在高性能保温瓶中。

图1 PNST-E测井仪传感器结构

通过蒙特卡罗模拟,优化了传感器结构参数。

(1) 硼套屏蔽体与外壳。硼套屏蔽体的主要作用是阻止测井仪之外的热中子进入测井仪,尽量减少测井仪自身材料在所测俘获能谱中的贡献。模拟结果显示,探测器附近测井仪内外热中子数之比与源中子能量基本无关,硼套中10B的表面密度达到0.065 g/cm2以上时,就能有效降低测井仪内部材料影响,且更换外壳材料对俘获能谱几乎无影响。这与针对FEM测井仪硼套屏蔽体与外壳的模拟结果[11]一致。

(2) 钨钢屏蔽体。钨钢屏蔽体的主要作用是避免快中子直接辐照伽马射线探测器,重核和轻核分别对高能和低能中子屏蔽效果好。PNST测井仪18 cm厚钨钢屏蔽体的中子屏蔽率(屏蔽体后/前端面中子流量比)大于0.9[12],外壳上增加10B表面密度0.065 g/cm2的硼套屏蔽体后,13 cm厚钨钢屏蔽体的中子屏蔽率就达0.9(见图2)。实际测井仪中还在钨钢屏蔽体与伽马射线探测器之间设置了2 cm厚的镉铅屏蔽层。

(3) 源距。设计源距时既要考虑纵向分辨率与探测深度、井眼与地层元素在能谱中产额比例,又要考虑能谱计数率的高低。减小源距有利于提高薄层分辨率,例如42 cm源距时元素干重曲线纵向分辨率约为0.5 m;增大源距则增加探测深度,元素干重曲线的地层探测深度约为源距的0.6～0.7倍(随孔隙度增大略有减小)。井眼中普遍存在的H、O等元素和套管中Fe元素会对测量地层信息造成干扰,适当增大源距有助于压制这种干扰:PNST-E测井仪在井内清水、140 mm外径套管、30 mm厚水泥环、35%孔隙度砂岩地层条件下,源距分别为20、30、40、50 cm时非弹能谱碳氧比动态范围分别是其渐进值的0.667、0.830、0.914和0.957倍[13],在20～40 cm范围内增大源距能显著减少非弹能谱中井眼成分,俘获能谱铁氢比随源距增大而减小(见图2),说明增大源距也能降低俘获能谱中井眼影响。随着源距增大,非弹和俘获能谱中各元素计数率都呈指数下降,源距过大会增大测井曲线统计涨落误差。综合考虑以上因素,PNST-E测井仪采用与PNST测井仪中伽马探测器相同的29 cm和52 cm源距,且还采用与PNST测井仪相同的探测器闪烁晶体及其尺寸,这样设计能使PNST-E测井仪较便捷地继承PNST测井仪的多项功能。

图2 MCNP数值模拟结果

1.3 测井模式设计

脉冲中子测井仪常采用100 μs中子脉冲重复周期;中子脉冲通常持续20、30 μs或40 μs,期间采集非弹总谱;间歇5 μs,俘获能谱采集时间常持续70、60 μs或50 μs;再间歇5 μs。非弹总谱中混有俘获伽马贡献,用非弹总谱减去一定比例俘获能谱的方法获得非弹净谱。数值模拟结果(见表1,脉冲中子源产额7.0×107n/s)显示,PNST-E测井仪在井内清水、140 mm外径套管、30 mm厚水泥环、30%孔隙度淡水饱和石英砂地层条件下,随着中子脉冲占空比从10%增大至50%,不考虑电路死时间影响的非弹总谱计数率线性增大、俘获能谱计数率线性减小,但是非弹与俘获总计数率、非弹净谱计数率几乎不变。若仅从计数率方面考虑,增大中子脉冲占空比并不利于测量。但是,能谱采集电路有一定死时间,中子脉冲占空比过小易造成非弹信号堆累,因此折中选择了30%占空比。

为PNST-E测井仪设计了与PNST测井仪的碳氧比模式[9]相似的元素测井工作模式,每50 ms内分别用45、2 ms和3 ms时间(占测井时间的90%、4%和6%)执行元素(含双源距碳氧比)、中子寿命和能谱水流测井任务:前45 ms元素测井时,每个中子脉冲短周期占100 μs,其中中子脉冲持续30 μs,中子爆发间歇时间70 μs,分别测量各256道的非弹总谱和俘获能谱,并测量1个100道的时间谱,每个50 ms长周期中含450个这种短周期;随后2 ms中子寿命测井时,中子脉冲持续200 μs,在1 000 μs的中子爆发与停歇期测量1个100道的时间谱,2 ms内发射2次中子脉冲;余下3 ms完成能谱水流测井任务,测量氧活化能谱。PNST-E测井仪的元素测井工作模式还采用了与PNST测井仪相同的能谱与时间谱数据存储与传输格式,从而方便了与地面测井系统的配接。现场测井软件模块显示2个BGO探测器的非弹总谱(256道)、俘获能谱(256道)、本底能谱(256道)、时间谱(短周期100道+中子寿命100道)以及测井仪状态和辅助信息,通过对能谱和时间谱数据分析计算并显示30多条曲线,根据需要实时打印和存盘数据。

表1 非弹与俘获能谱计数率受中子脉冲占空比影响

1.4 中子发生器改进和高速能谱电路研制

在PNST测井仪基础上对中子发生器进行了改进。选用外径45 mm的新型自成靶中子管,因其外形尺寸较PNST测井仪中子管有所缩减,改进了充SF6气体高压绝缘及隔热结构,提高了中子发生器绝缘性能和耐温指标。新中子管离子源引出比更高,靶功耗更低。选用耐温耐压指标更高、尺寸更小、漏电流更小的电容和硅堆制作靶高压电源的倍压梯,减少了倍压级数,在一定程度上减小了倍压梯内阻;采用调幅方式控制靶压,选用高磁导率的非晶态合金材料作为高压变换器磁芯材料,重新设计了磁芯结构和线圈匝数,提高了靶电源驱动效率,降低了功耗。

在探测器电路设计方面采用了数字脉冲幅度分析技术,电路框图见图3。探测器电路主要实现下列功能。①伽马脉冲信号高速模拟处理。信号窄脉冲成形、噪声抑制、程控放大、准高斯成形、滤波、一次基线恢复等。②高速、高分辨率的差分A/D数据采样。把模拟信号量化成数字信号,并进行二次基线恢复。③FPGA数字信号处理。综合时序发生器,用数字信号处理方法对连续采样信号进行梯形滤波、基线恢复、堆积判断、峰值幅度提取、谱累加,全谱多道存储,曼码通讯。④井下单片机控制。接收地面命令,完成数字门槛、高压增益、放大器程控增益、测井模式切换等控制;读取全谱数据发送地面,计算非弹能谱套门时间、能谱稳谱校正系数等。

与传统的模拟脉冲幅度分析电路相比,数字脉冲幅度分析电路的优点主要体现在能提高脉冲通过率、加快分析速度、缩短死时间(目前死时间约为0.4 μs)、没有温漂影响、可以根据信号特点设计最佳滤波器、更精准地恢复基线、判断伽马信号堆积并拒绝这种信号参与谱累加等。

图3 能谱与时间谱采集、时序控制与遥测电路结构

1.5 实测能谱示例

在大庆石油测井试井技术检测实验中心建设了7口地层元素模型井。每口模型井都呈桶状,直径1.8 m、高1.8 m,中央有外径236 mm、壁厚12 mm的铝镁合金套管,套管内有清水,套管外无水泥环,采用堆积法在套管与桶壁间填充了不同岩性的模拟地层,模拟地层孔隙度均为36%左右,以清水饱和地层孔隙。其中5口模型井的模拟地层骨架为比较纯净的矿物,分别是石英、方解石、白云石、黄铁矿和硬石膏;1口模型井的地层模拟硅基混合层,骨架含石英砂65.0%、方解石21.7%、黄铁矿10.0%、钛白粉3.3%;1口模型井的地层模拟钙基混合层,骨架含方解石63.8%、石英砂22.8%、黄铁矿10.0%、钛白粉3.4%。

把2支PNST-E测井仪分别置于上述7口模型井中实验,待中子发生器和测井仪电路稳定之后,按照元素测井模式记录300 s的测井数据。在所测能谱中地层元素特征峰清晰明显。图4中显示了2支测井仪分别在黄铁矿和硬石膏模型井中所测的远探测器俘获能谱(对0.6～10.0 MeV能量范围做了计数率归一化)。表2列出了2支测井仪所测远探测器俘获能谱的一致性,在7种地层条件下2支测井仪所测能谱的最大标准差是8.0×10-4,最小相关系数是0.990。实验结果表明,不同测井仪记录的能谱有非常好的一致性,这为采用同一套标准谱解谱求取各元素产额奠定了良好的基础。

图4 几种地层条件下远探测器俘获能谱的一致性

模拟地层2支测井仪实测对比标准差相关系数σ/(×10-4)R2实测与数值模拟对比标准差相关系数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黄铁矿4.80.99510.60.972硬石膏8.00.99011.10.969硅基混合3.50.99910.70.968钙基混合7.50.9919.70.975

2 元素标准谱与相对灵敏度因子

从实测非弹和俘获能谱中解元素产额时要利用待求元素的标准谱和相对灵敏度因子[14],受测井仪结构(尤其是闪烁晶体类型与尺寸)、解谱能量范围等因素影响,不同型号测井仪的元素标准谱和相对灵敏度因子略有不同。研究采用实体实验和数值模拟相结合,确定了PNST-E测井仪的中子-伽马反应截面较高的主要造岩元素标准谱及其相对灵敏度因子。

2.1 元素标准谱

有学者在采用数值模拟方法[6]或采用实体实验与数值模拟相结合方法[15]获得元素俘获谱测井标准谱方面取得突破,存在的主要技术问题是所获元素俘获标准谱中混杂有H元素的贡献。为制作比较纯净的元素标准谱,采用了如下技术路线:在7种已知条件的模型井中实验,获得PNST-E测井仪非弹与俘获实测能谱;用MCNP5软件包(ENDF/B-VI数据库)进行数值模拟,获得同样条件的非弹与俘获模拟能谱,通过比对能谱,调整数值模拟模型参数(主要是调整测井仪中探测器附近元素成分未知的构件的模型材料组分、密度和厚度),直到模拟能谱能准确再现实测能谱,确定该模型为合理的模型;固定经过上述基准校验的数值模拟模型中测井仪中子发生器与屏蔽体部分,把地层换成单一元素(模拟非弹能谱时)或单一元素的氧化物(模拟俘获能谱时),把井眼和测井仪中探测器周围构件换成原密度的中子-伽马反应截面可忽略的核素,数值模拟获得单一地层元素的标准谱。

建立的数值模拟模型呈桶状,直径1.8 m、高1.6 m。模拟7种模型井中的测井仪响应时,井眼内清水、铝镁合金套管、地层物质分别与实体的相应材料一致。按PNST-E测井仪的结构尺寸和材料构建了靠井壁模拟测井仪。按照实际测井仪工作时序反复发射中子并在5倍于地层热中子寿命时间之后记录非弹与俘获能谱。由于使用F8计数时无法应用几何分裂等减小方差技巧,为提高计算效率,采用接续算法:先用MCNP程序分别模拟探测器闪烁晶体表面中子诱发伽马流归一化能谱(256道)和各向同性伽马流辐照闪烁晶体的探测器响应函数矩阵(256道×256道),然后用两者卷积模拟探测器输出能谱[16];模拟探测器晶体表面伽马流能谱时,抽样约2×109次源中子,应用剖分栅元、权窗等减小方差技巧使更多有效粒子趋向探测器,中子碰撞次数大于5×109,伽马流能谱特征峰和总计数统计误差分别小于1%和0.3%;模拟探测器响应函数矩阵时,对每种入射能量抽样2.5×106次源光子,源光子能量为5 MeV时跟踪到约2×1010次碰撞,对能谱进行了8%能量分辨率的高斯展宽[17],F8计数能谱的全能峰和全谱总计数统计误差分别小于0.5%和0.2%;这样,卷积后能谱具有较小统计涨落误差;最后,通过与实测能谱比较,再次展宽模拟能谱,使非弹、俘获模拟能谱与实测能谱具有一样的能量分辨率。在图4中显示了在石英地层和方解石地层模型井中远探测器实测与模拟俘获能谱(对0.5～8.9 MeV能量范围做了计数率归一化),表2列出了实测与模拟俘获能谱的一致性。在7种地层条件下,2种能谱的最大标准差是1.7×10-3,最小相关系数是0.96,说明模拟能谱与实测能谱很相近。

模拟单一地层元素的标准谱时,使用1.0 g/cm3密度井液、无套管、200 mm直径井眼、2.2 g/cm3密度地层的条件。模拟某元素非弹标准谱时,用该元素填充地层,用无快中子-伽马非弹反应截面的H元素替代井液和测井仪探测器附近构件,并对能量小于0.1 MeV的中子截断径迹。由于C和O元素的热中子辐射俘获反应截面小到可被忽略,模拟某元素俘获标准谱时,用该元素和O元素的混合物填充地层并使热中子扩散长度约18 cm,用C元素替代井液和测井仪探测器附近构件。分别获得了Al、Ba、C、Ca、Fe、Mg、O、S、Si等9种元素的非弹标准谱和Al、Ba、Ca、Cl、Cr、Cu、Fe、Gd、H、K、Mg、Mn、Na、Ni、S、Si、Ti等17种元素的俘获标准谱。远探测器的元素俘获标准谱示例见图5。

图5 远探测器某些元素俘获标准谱示例

图6 套管井PNST-E测井资料解释成果示例

2.2 相对灵敏度因子

规定地层中Si元素的非弹和俘获相对灵敏度因子均为1,使用上述数值模拟模型获得其他地层元素相对于Si元素的非弹和俘获相对灵敏度因子。在地层中将目标元素与Si元素按照既定比例混合,模拟出能谱,解谱计算2种元素的产额比,即可得到目标元素相对于Si元素的相对灵敏度因子[14]。计算某元素非弹相对灵敏度因子时,地层中仅使用Si元素和该元素,计算某元素俘获相对灵敏度因子时,地层中还混入了O元素。表3列出了一些元素的PNST-E测井仪远探测器0.6～10.0 MeV能区的俘获相对灵敏度因子。

表3 一些元素的俘获相对灵敏度因子

3 测井资料处理与解释

PNST-E测井资料处理与解释软件继承了PNST测井资料处理与解释软件提取碳氧比、硅钙比、Σ、RCAP、OAI等曲线并解释岩性、泥质含量、孔隙度、含油饱和度等地层参数的功能[9-10],新增了解谱求非弹与俘获元素产额、确定元素干重及TOC含量、解释矿物组分与骨架参数的功能。测井资料解释成果如图6所示,其元素干重轨中FWSi、FWCa、FWFe、FWK、FWNa、FWAl分别是地层Si、Ca、Fe、K、Na、Al元素干重曲线,矿物干重轨中从左到右显示了黏土、硅质(石英+长石+云母)、碳酸盐岩、黄铁矿、孔隙度剖面;PNST曲线轨中SGFM、FOAI、NSICA、FSICA、NCOR、FCOR分别是地层Σ、远探测器OAI、近探测器硅钙比、远探测器硅钙比、近探测器碳氧比、远探测器碳氧比曲线;可动水分析轨中SWI、SWCO是原始含水饱和度、碳氧比含水饱和度;流体分析轨中从左到右是油、水、束缚水剖面;岩性分析轨中从左到右是泥岩、砂岩、孔隙度剖面;解释结论中G、Z表示高、中水淹。

3.1 能谱预处理

PNST-E测井能谱预处理流程主要包括实测谱与标准谱的归一化、实测谱的漂移校正和平滑滤波、标准谱的展宽校正等。

预处理实测能谱时,为精准校正能谱漂移和减小统计涨落误差,采用了比PNST测井能谱预处理流程[12]复杂的流程。在能谱漂移校正环节,先沿深度方向适度累加实测俘获能谱(3～15点合并成1点),再通过寻峰和互相关运算[18]获得H、Si、Fe等元素主峰位随深度变化曲线,对这些曲线剔除坏点、滤波,得到更精确的H、Si、Fe等元素主峰位随深度变化曲线,以H、Si、Fe元素俘获标准谱加权合成谱中这些元素主峰的道址为基准,沿深度方向逐点线性回归出能谱漂移校正系数并校正非弹与俘获能谱。在减小统计涨落误差环节,沿深度方向适度(3～7点合并成1点)累加漂移校正后的非弹或俘获能谱,把各能谱沿道址方向进行5点或7点高斯滤波。此外,按解谱道址区间把实测能谱归一化。

实测能谱的峰宽会受温度、计数率、漂移等影响而发生变化,故制作标准谱时预留了峰形展宽的余地。预处理标准谱时,先对选定深度区间的预处理过的实测谱进行累加,再逐一试用预先设定的一簇展宽系数对标准谱进行高斯展宽[17],使用展宽后标准谱解谱获得元素产额和合成谱,把合成谱与实测谱作皮尔森相关系数分析,从中选出相关系数最大的合理的高斯展宽系数,确定该深度区间高斯展宽后的标准谱。

3.2 非弹和俘获元素产额

在解谱道址区间内,认为实测谱是不同元素标准谱的线性组合。

X=AY+ε

(1)

式中,X是n×1阶实测谱列向量,X=(x1,…,xi,…,xn)T,xi是第i道实测谱计数,n是解谱区间道址数;n×m阶响应矩阵A由m列标准谱构成,矩阵元aij是第j种元素第i道标准谱计数,m是元素个数;Y是m×1阶待求元素产额列向量,Y=(y1,…,yj,…,ym)T,yj表示第j种元素产额;ε是n×1阶误差列向量。

因0≤yj≤1,且对部分元素产额的取值范围有约束需求,故采用约束变尺度法最优化求解Y,使得目标函数R达到最小。

(2)

式中,ωi是权因子,选用实测谱道计数的倒数,ωi=1/xi;kj是第j种元素产额上限。对式(2)用约束变尺度法CVM01程序[19]求解。该程序适用于连续变量的线性和非线性约束最优化问题。解出的yj即为元素产额。

3.3 元素干重及TOC含量

从元素产额出发,计算元素干重的公式为

(3)

式中,Wj、yj和Sj分别是地层骨架中第j种元素的干重、元素产额和相对灵敏度因子;F是归一化因子,与单种元素无关,随测井仪所处深度变化。对于确定深度的地层,各种矿物含量之和为1,使用氧化物闭合模型就能求出式(3)中所需的F。

(4)

式中,Oj是闭合模型中第j种元素氧化物指数或碳酸盐指数,即该种元素在其赋存化合物(氧化物或碳酸盐)中质量含量的倒数。式(4)分母中各项是各元素化合物的含量,因此预判元素的赋存状态是解释中不可或缺的步骤,例如,在火成岩和沉积岩中Fe元素分别更倾向于赋存在FeO和Fe2O3中。

式(3)右侧yj/Sj项被称作相对干重。分别从非弹和俘获能谱提取非弹和俘获元素产额后,在硅质碎屑岩地层中,令Si元素非弹相对干重等于其俘获相对干重,以此为桥梁,把其他元素的非弹相对干重换算成俘获相对干重[20],Al、Mg、C等元素的换算俘获相对干重也参与用闭合模型计算F的过程。

当非弹和俘获Al元素产额的误差都较大时,可以弃用Al元素产额,假定Al元素都赋存于黏土和长石中,在闭合模型中用式(5)估计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元素氧化物指数;OCa和OMg分别是Ca和Mg元素碳酸盐指数;wAl是常数。

C元素能赋存于有机质或碳酸盐中,TOC含量等于总碳含量减去无机碳(IC)含量[21]。

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

(6)

式中,W是质量含量。式(6)表达了无机碳赋存于碳酸钙和碳酸镁中的情形,它还可赋存于碳酸亚铁中。由于式(4)中Ca和Mg元素项Oj均使用碳酸盐指数,已经考虑了无机碳的贡献,因此当式(6)非负时,闭合模型中需加入C元素的有机碳项。

对于每个深度点,用氧化物闭合模型求出F后,代入式(3)和式(6)计算出元素干重和TOC含量。

3.4 矿物组分和骨架参数

当矿物化学成分比较稳定时,矿物中各种元素的含量基本不变,地层元素干重与矿物组分关系为

W=CM

(7)

式中,W是地层元素干重列向量;M是矿物组分列向量;C为系数矩阵,其矩阵元cij是单位质量第j种矿物中第i种元素的含量。选择在数量上少于解释元素数的矿物种类,对式(7)求逆矩阵即可获得矿物组分[22]。该方法简单易行,但有难以调参的缺点。聚类因子法在矿物组分解释上更实用。沉积岩中常见的矿物约20种,但对每一种岩石而言最常见的造岩矿物不过3～5类,分为黏土矿物(伊利石、蒙脱石等)、硅质(石英+长石+云母)、碳酸盐岩(方解石、白云石等)、铁矿石(黄铁矿、菱铁矿)、蒸发岩(硬石膏、岩盐)等。求解这几类矿物的含量时,式(7)中系数矩阵C的矩阵元多数为0[23],可用单一特征元素的干重Wi作为解释某类矿物含量Mj的依据,这时矩阵元cij就是转换因子,并用另外1～2种元素的干重值辅助判断被解释矿物含量的界限。

Mj=aj(Wi-bi)/cij

(8)

式中,bi和aj是可微调的基值和乘子。

对于硅质碎屑岩,可直接用元素干重计算骨架密度值ρma(单位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)

也可先解释出矿物组分,然后使用矿物质量含量Mi和相应矿物密度ρi计算骨架密度ρma。

(11)

多数情况下式(9)和式(11)计算结果差异很小。式(11)分母中各项乘以ρma就是该矿物体积含量。

针对大庆徐家围子火山岩气藏,岩石骨架密度ρma可由式(12)计算[3]。

ρma=3.148-1.100WSi-0.983WCa-

2.439WNa-2.408WK+1.425WFe-11.31WTi

(12)

碳酸盐岩、页岩等复杂地层的解释模型尚待建立。

4 测井试验

4.1 模型井实验

表4显示了PNST-E测井仪分别在7口地层元素模型井中测量元素干重结果。模型井地层元素干重标准值是样品X射线衍射法检测结果,误差约0.20%。实验中某PNST-E测井仪每4.5 s测量1组元素干重,对50组测量值取平均列于表4中。测量值不确定度较大的是Ca和K元素干重(±1.02%和±1.00%),在7口井中均未测得Gd和Al元素干重(测量值小于0.01×10-6和0.01%),表4中其他元素干重测量值不确定度小于±1.00%。Si、Ca、S、Fe、Ti元素干重测量值的最大误差是2.4%,K、Na、Mg元素干重测量值的最大误差是3.2%。

此外,在140 mm外径套管饱和度刻度井群中刻度PNST-E测井仪,孔隙度和饱和度最大测量误差分别是1.5%和5.0%。

4.2 测井重复性与一致性

定义2遍测井曲线差值除以2遍测井曲线平均值为相对差。南×-5-41井2006年7月完钻,2013年3月用PNST-E测井仪在其套管井中测井,测速60～70 m/h,在530～570 m井段试验,1支测井仪2次测量Si、Ca、S、Fe、K、Na、Al元素干重的最大相对差分别为1.9%、2.3%、4.3%、2.6%、4.9%、3.6%、3.1%。2013年9月在喇×-检PS2600裸眼井中用PNST-E测井仪测井,测速60～70 m/h,2支测井仪对比测量了950～1 000 m井段,Si、Ca、S、Fe、K、Na、Al元素干重的最大相对差为2.6%、3.2%、3.1%、1.3%、2.9%、4.1%、4.9%。现场试验结果说明PNST-E测井仪测量元素干重具有较好的重复性和一致性。

4.3 测井与取心数据对比

喇×-检PS2600井950～1 030 m段为硅质碎屑岩,有10块岩心进行过X荧光常量元素分析,岩心均为棕色含油细砂岩,岩石骨架主要成分是石英与长石,含少量泥质。2013年9月PNST-E测井仪在该井裸眼中测井,测速60～70 m/h。测井解释元素干重数据转换成氧化物含量,与取心数据符合很好(见表5),SiO2含量最大相差3.1%。该井元素干重和矿物组分测井解释成果见图7,元素干重轨中WSi、WCa、WK、WFe、WNa、WAl分别是PNST-E测井解释Si、Ca、K、Fe、Na、Al元素干重曲线,红色圆点是取心数据;矿物干重轨中从左向右显示了测井解释黏土、硅质、碳酸盐岩剖面,红色圆点是激光法粒度分析得出的取心黏土数据。尽管测井解释中黏土是指黏土矿物(该井段主要是伊利石)成分,而取心数据中黏土是指粒级小于0.01 mm的成分,但二者仍有很好的相关性。

表5 喇×检PS2600井测井结果与取心数据对比表

4.4 与国外同类技术测井对比

徐探×井位于徐家围子断陷东部斜坡带上,钻深4 165 m,2014年5月在该裸眼中用斯伦贝谢公司Litho Scanner岩性扫描测井仪以240 m/h测速进行了全井测井。随后用PNST-E测井仪对3 200～3 600 m段以60 m/h速度测井,3 600 m处井温139 ℃,测井仪连续测井8 h又重复测井3 h始终正常工作。PNST-E与Litho Scanner测井解释Si、Ca、Fe、K、Na、Al等元素干重和TOC含量一致性较好,解释矿物组分剖面也比较相符,部分测井解释结果对比见图8。图8元素干重轨中,红色曲线(地层元素)是PNST-E测井解释曲线,蓝色曲线(岩性扫描)是Litho Scanner测井解释曲线。该段地层为硅质碎屑岩,富含硅质(以石英、钠长石、钾长石为主)和黏土矿物(主要是伊利石),测井资料对3 333 m附近煤层、3 351 m附近和3 379 m附近含方解石条带都有较清晰的指示。

图7 喇×-检PS2600井测井解释与取心数据对比(部分)

图8 徐探×井PNST-E与Litho Scanner测井成果对比(部分)

5 结 论

(1) 采用安全环保的可控中子源,通过优化设计传感器结构与工作时序、开发0.4 μs高速数字能谱电路,在中国首次研制成功PNST-E脉冲中子地层元素测井仪,获得了纯净的地层元素俘获能谱,有效降低了多种元素特征峰重叠对解谱的影响,并从非弹能谱中能直接提取C、Mg等以往难测元素产额,适用于套管井或裸眼井,推荐测速60～120 m/h。

(2) 通过实体实验和数值模拟,获得了9种元素非弹标准谱、17种元素俘获标准谱及相应元素的相对灵敏度因子。应用约束最小二乘能谱解析方法,实现了解谱计算元素干重过程的自动化。解释软件提供地层中Si、Ca、S、Fe、Ti、Gd、K、Na、Mg、Al等元素干重和TOC含量、矿物组分、骨架密度、骨架中子值,以及孔隙度、剩余油饱和度等数据。在模型井中,Si、Ca、S、Fe、Ti等元素干重误差2.4%,K、Na、Mg等元素干重误差3.2%。

(3) 现场试验结果说明PNST-E测井仪测量元素干重具有较好的重复性和一致性。在硅质碎屑岩剖面,PNST-E测井解释元素含量与取心结果相符,测井解释元素干重和矿物组分与斯伦贝谢公司Litho Scanner测井解释结果符合。

(4) PNST-E脉冲中子地层元素测井技术提供主要造岩元素干重、矿物组分,地层骨架密度、骨架中子值,为评价复杂岩性、准确计算孔隙度提供了基础数据。

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