地层元素测井技术的发展及其应用

赵梧迪(六盘水职业技术学院，贵州 六盘水 553001)

0 引言

现代社会的不断发展，使得人们对资源的掌控程度越来越高，这就要求更加先进、精确的测井技术帮助人们了解地层的构成状况。这就使得基于核物理科学的地层元素测井技术得到了快速的发展。这种技术利用中子良好的物理特性，使得科研人员可以获得更加精确的地质数据，从而帮助人们更加合理的利用和开发地质资源。目前这项测井技术已经广泛的应用于石油开采等行业，为相关企业和科研机构提供了更为精确的地址数据。

1 工作原理

地层元素测井技术是一种基于核物理学的技术。这项技术利用了中子的物理特性，通过中子源发射装置将中子发射出去，然后中子在地层中会与其中的元素发生反应，使得元素的原子核产生伽马射线，然后利用专门的仪器对伽马射线进行记录和科学的分析，就可以准确的得到相关的数据资料。在这项技术中，由中子源发射的快中子会在极短的时间内，与地层中元素的原子核发生特定的散射现象，在这个过程中，元素的原子核会吸收快中子形成一个复核，同时还会放出一个低能的中子，吸收了快中子的原子核处于一种激发状态，这时吸收了快中子的原子核如果释放，激发，就会回到基态，同时还会释放出非弹性散射伽马射线，紧接着在极短时间内还会释放弹性散射的伽马射线，不同的原子核与快中子发生反应后，其反射截面以及放出的伽马射线存在一定的差异。通过记录和分析这两种射线就可以准确的得出地层的构成信息。

在进行地层元素测井的过程中需要运用到专门的设备进行探测，这种特殊的设备主要由BGO晶体探测仪和中子源构成。通过这套设备可以对地层中的多种元素进行探测。整套设备会采用特定的中子源如214Am-Be同位素中子源以及脉冲中子源，不同的中子源各有优缺点，相关机构应该根据自身的实际情况进行选择。BGO晶体探测仪这种仪器主要是用来捕获和记录相关的非弹性散射数据以及伽马射线的数据。这种探测仪相对来说具有十分明显的优势，其探测速度非常快，受到的干扰相对较少，精度也相对较高。地层元素探测仪可以和其他探测仪器组合使用，这样可以减少出现错误的机率，降低外界对测量结果的干扰。

2 数据处理方法

通过地层元素测井仪器可以准确的捕捉到地层中所有元素原子核的非弹性散射以及伽马射线能谱。但是通过对这些能谱进行进一步的分析才能获得地层中各元素的信息。这就需要对获得的数据进行一定的处理，否则这些数据依然无法被正确的运用。

2.1 建立标准的伽马能谱

利用地层元素测井技术对地层元素进行探测，首先就要建立地层中常见元素的标准伽马能谱，只有建立了这个标准伽马能谱才能进一步对仪器采集的数据进行详尽的分析。标准的伽马能谱需要通过相关的实验，然后利用数值模拟方法进行数据处理后获得。在进行地层元素测井的过程中，需要利用地层中常见元素的标准伽马能谱，需要以此为依据对测井仪器进行校正，为测量数据的处理提供依据。通常情况下，在利用数值模拟方法对数据进行处理，获得标准伽马能谱时，科研人员要根据实际的情况进行计算模型的制定，这样可以更加准确的获得标准的伽马能谱[1]。

2.2 地层元素产额

相对产额在底层元素测井过程有着非常重要的作用。这个数据主要表达了单个元素发出的伽马光子在发射的总伽马光子中的贡献。如果可以获得某个元素独自存在时，伽马光子的实际数据，然后再获得混合存在时的伽马光子能谱，这样就可以分别获得各个元素发射的伽马光子在伽马光子总数中的贡献。各个元素独自存在时的伽马光子谱线被称为单原子标准谱，而与之对应的是各元素混合存在的伽马光子谱，也就是混合谱。在进行解谱的过程中，研究人员通常会将这两者进行归一处理，这样的化相对产额就会拥有百分比的含义。相对产额的求解，需要单元素标准谱，实际的混合谱以及解谱的算法。这三者缺一不可。首先单元素标准谱需要根据实际情况选择地层中含量比较大且对相关工作影响较大的元素，这就需要通过科学的方式获取氮元素标准谱，通常情况下需要进行相关的实验然后通过数学方法获取。其次就是确定解谱算法，由于测得的数据是通过一定的方式表现在仪器上，从中找出对应的关系。

2.3 灵敏度因子

灵敏度因子同样也是这项技术中非常重要的数据之一，它充分表现了每种元素对于热中子的吸收程度。对于每种不同的元素来说其灵敏度因子也存在着十分巨大的差异，这个参数只与探测仪器以及元素本身有关，地层对这个参数的大小没有任何影响。正式这个特点，科研人员可以利用科学的方法获取已知地层中每一种元素的灵敏度因子，而这个参数可以应用于其他位置的地层之中。但是这个参数由于其特殊性很难用绝对的数值进行衡量，因此可以用比值的方式对其进行衡量。这种方法的关键是要在众多元素中选取一个元素作为标准。标准元素的选取需要有很严格的要求，首先，这种元素在大自然中广泛存在，而且含量比较高，数量也相对比较稳定。其次这种元素必须具有比较大的热中子俘获截面。综合上述几种因素，通常情况下都会选择硅元素作为标准元素。如果将硅元素的灵敏度因子设置为1，那么其他的元素的灵敏度因子都是与硅元素灵敏度因子的比值。

2.4 地层因子

在进行地层元素测井时，地层因子有着十分重要的作用。由于在地层中含有数量众多的元素，但是其种类却相对比较少。但是这些元素却构成了种类繁多的矿物质。而这些矿物质在地层中的含量具有一定的比例，为了使其能够表达成百分数的形式，就需要设定其百分含量的总和为1，这样就使得元素的含量有了十分明确的百分比意义。地层因子不同于灵敏度因子其变化十分的大，不同地区，不同深度都会出现地层因子的变化。地层因子是一个不断变化的参数，随着地层的不断变化其地层因子也会随着变化。测井仪器在进行测量时，需要在井下选择不同的深度进行测量。而每一个深度都会测得一个混合谱，而每一个深度都对应着一个不同的地层因子，每一个井的地层因子也不尽相同，因此这个参数无法给定，地层因子的确定需要对测井的相关数据进行详尽分析和计算才能确定。

2.5 转换为矿物含量

由上面分析可知，如果要想得到地层每种元素的质量百分比就需要知道地层因子，灵敏度因子以及相对产额。在这其中灵敏度因子是已知的，其值也是相对固定不变的。相对产额和地层因子则需要对数据进行处理后得出。这样通过计算可以得到元素含量。然后利用利用数理统计中的因子分析法将其转换为矿物含量[2]。

3 应用

3.1 确定矿物含量

研究人员可以利用地层元素测井技术精确的测量地层中的矿物含量。这对于很多行业都有着非常重要的意义。尤其对于石油天然气行业，相关企业可以对油井进行地层元素测井，就可以详细的得到相关的岩层数据，这样可以为企业选择合适的作业方式以及合适的作业机械提供有力的数据帮助，避免企业选择错误的方式和机械，从而导致不必要的损失。

3.2 确定粘土含量和类型

相关科研人员可以利用地层元素测井技术结合一些传统的测井技术，可以获得十分准确的粘土类型以及粘土含量的数据。相关的企业也在研究粘土含量与类型与单个元素之间的关系，同时还在研究其与单种氧化物或者碳酸盐之间的关联以及其与氧化物或者碳酸盐组合之间的关联。粘土的含量包含了高岭石、绿泥石等等的总量。通过对这些数据进行进一步的分析和研究发现，在这其中铝元素与粘土含量的关联性非常高，同样二氧化硅，碳酸钙，碳酸镁以及铁元素组合与粘土的含量也保持着非常好的关联，这就对确定地层中粘土含量奠定了非常坚实的数据基础，通过对粘土含量和类型的分析，对很多行业都有着非常重要的意义，同样也对我国资源的开发有着十分重要的意义[3]。

3.3 岩性分析

在岩性分析中，地层元素测井技术有着非常重要的应用，通过利用这项技术可以对地层的岩性进行准确的判断。目前很多研究人员，都在研究岩性与氧化物组合之间的关联，通常可以利用氧化物的三元交会图，通过地层元素测井技术可以确定地层中的矿物含量，然后可以利用氧化物的三元交会图就可以对地层岩性进行判断。在进行岩性分析的过程中，可以根据氧化钙，氧化镁以及二氧化硅的交会图进行岩性的判断，也可以利用氧化钙，硫元素以及三氧化二铁组合进行岩性的判断。利用非弹性散射谱可以识别碳元素及其含量这样可以判断煤层的存在。在进行一些比较复杂的岩性识别时，还可以利用FMI在结合地层元素测井技术对火山岩等复杂岩性进行识别。地层元素测井技术在岩性分析中起到了非常关键的作用。

3.4 评价储层

在油田开采中，地层元素测井技术也有着非常重要的应用，通过这项技术可以准确的对油田的储层进行评价。这项技术可以为油田储层的评价提供更为精确的数据，例如沉积体积，空隙类型，胶结成分的分析等等，这些数据可以帮助开采企业精确的判断储层和非储层，这对于开采企业有着十分重要的意义，可以大大降低开采企业的成本，提升企业的紧急效益。

3.5 分析沉积环境

对于沉积环境的分析来说，地层元素测井技术可以为其提供非常重要的数据参考。通过地层元素测井技术可以对地层中的各种元素进行测量。而在漫长的地质作用下，使得各种元素的分布具有非常明显的区域特点[4]。沉积岩中的元素丰度以及sc组合特点对沉积环境有着非常重大的影响。通过对沉积岩中的元素进行测量，就可以更好地为研究和分析沉积环境提供非常可靠的数据。

4 结语

地层元素测井技术是将核物理学运用到勘测工作中的典型技术，是核物理学在地质学科的应用。通过这种技术可以更好地实现对地层中矿物含量的测量，从而帮助研究人员对地层进行进一步的研究，使得研究人员可以更好地确定岩性以及粘土含量和类型，帮助研究人员进行沉积环境的研究。随着这项技术的不断完善和发展，必然会有更为广阔的应用。