随钻方位伽马能谱测井影响因素分析及校正研究

郑 健， 高 辉， 黄禄刚， 段军亚， 董 夺

（1. 中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029；2. 西安汇能电子设备有限责任公司，陕西西安 710065；3. 油气资源与探测国家重点实验室（中国石油大学（北京）），北京 102249）

随钻方位伽马能谱测井是在随钻方位伽马测井的基础上增加了测能谱，不仅能获得方位伽马成像图、计算地层相对倾角、识别地层界面及特殊地质构造（裂缝等），还能确定K，U 和Th 等元素的含量，从而确定泥质类型，估算总有机碳含量，为地质导向提供更准确、全面的信息。

关于随钻方位伽马测井仪器参数优化、探测特性分析、方位伽马成像的正反演等，国内学者已做了大量研究工作[1-6]，但并未涉及随钻方位伽马能谱测井，国外也是2000 年以后才有相关研究文献。2002 年M. Mickael 等人[7]提出了采用3 个NaI（Tl）晶体探测器的随钻方位伽马能谱测井仪SAGR，并于2007 年介绍了该仪器的结构[8]，指出虽然理论上可以对K，U 和Th 的含量进行方位成像，但考虑能谱统计的精确性，最好是将不同探测器、不同扇区的能谱响应结合之后再计算K、U 和Th 的含量。随后，R. Nye，A.F. Marsala，C. Maranuk 和M. Diab 等人[9-12]研究了SAGR 在页岩气、煤层气等非常规油气藏中的应用。2015 年，Xu Libai等人[13]提出了与M. Mickael 所提出仪器结构不同的随钻方位伽马能谱测井仪，采用2 个居中的NaI晶体探测器。上述研究可为随钻方位伽马能谱测井仪器的结构设计提供参考，但并未分析井眼环境、地层特性对随钻方位伽马能谱测井的影响。

针对国内外在随钻方位伽马能谱测井的影响因素分析及校正研究方面的空白，笔者以文献[13]中的仪器结构为基础，建立了相应的MCNP 计算模型，模拟研究了井眼环境（钻井液密度、钻井液中KCl 含量）和地层条件（地层骨架及倾斜放射性地层的倾角、方位角和厚度）对随钻方位伽马能谱测井计数率及能谱的影响，并给出了井眼环境影响因素的校正方法。

1 MCNP 计算模型的建立

1.1 探测器数量的选择

采用1 个探测器时，随钻方位伽马能谱测井仪旋转1 周，每个扇区采集1 次；采用3 个探测器时，测井仪旋转1 周，每个扇区采集3 次。探测器越多，计数率和能谱的统计精度越高。当探测器数量较多时（4 个或更多），测井仪不用旋转，直接滑动便能获得方位伽马成像图，可减少工作量，缩短测井时间；并且，探头数量越多，方位数据采集密度越大，成像越准确。但是，探测器数量增多，不仅增加成本，还会影响测井仪结构的稳定性，所以选择探测器数量时应在保证计数统计精确性、滑动测量模式下数据采集密度、测井仪结构稳定的前提下尽量降低成本。综合考虑后，笔者以2 个探测器互成180°的测井仪为研究对象。

1.2 MCNP 计算模型

笔者研究的随钻方位伽马能谱测井仪对应MCNP 计算模型的正视与俯视图如图1 所示。图1中，1 代表钻铤5 和地层6 之间的井眼间隙，2 是钻井液通道，3 和30 是2 个互成180°的NaI 晶体探测器。以下模拟研究只对NaI 晶体探测器3 计数。

图 1 建立的MCNP 计算模型Fig.1 Established MCNP calculation model

MCNP 计算模型的参数设定为：模型半径60.44 cm，模型高200.00 cm，井眼间隙ΔR=5.00 cm；地层6 为泥质砂岩，其质量组成为40%泥质，10% H2O 和50%SiO2，密度为2.06 kg/L，40% 泥质由16% 高岭石、16%蒙脱石、1%U、1%Th 和6%K 组成。上述参数可根据研究的具体情况进行调整。

2 井眼环境影响因素分析

采用图1 所示的MCNP 计算模型，分析钻井液密度、井眼间隙和钻井液中KCl 含量对随钻方位伽马能谱计数率及能谱响应的影响情况。

2.1 钻井液（不含KCl）密度对响应特征的影响

钻井液由蒙脱石和水按不同质量分数混合得到。保持地层参数不变，模拟了不同钻井液密度和井眼间隙下的计数率和能谱响应特征。

2.1.1 计数率响应

不同钻井液密度、不同井眼间隙下的计数率响应情况如图2 所示。

从图2 可以看出：在相同井眼间隙下，钻井液密度越大，计数率越小；在钻井液密度相同的情况下，井眼间隙越大，计数率越小。分析认为，井眼间隙、钻井液密度变大，伽马射线在钻井液中的衰减增强，导致接收到的伽马射线减少，计数率变小。

2.1.2 能谱响应

对比相同钻井液密度（ρm=1.32 kg/L）、不同井眼间隙下的能谱，结果如图3 所示。

图 2 不同钻井液密度、井眼间隙下的计数率Fig.2 Total count rate at different mud densities and wellbore gaps

图 3 不同井眼间隙下的能谱Fig.3 Energy spectrum at different wellbore gaps

从图3 可以看出，井眼间隙越大，特征能道计数率越小；而不同井眼间隙下的能谱基本重叠在一起，即能谱形状一致（各能道计数率的相对大小一致）。

对比不同钻井液密度、相同井眼间隙（ΔR=5 cm）下 的能谱，结果如图4 所示。

图 4 不同钻井液密度下的能谱Fig.4 Energy spectrum at different mud densities

从图4 可以看出，钻井液密度越大，特征能道计数率越小，而不同钻井液密度下的能谱形状一致。

综合上述分析可知，钻井液密度越大、井眼间隙越大，地层伽马射线的衰减越强，导致能谱的各能道计数率均变小，但并未改变能谱形状。

2.2 含KCl 钻井液对响应特征的影响

用蒙脱石、KCl 和水按不同质量分数配制不同密度的钻井液。为防止钻井液中KCl 的响应被掩盖，将地层中K，U 和Th 的含量设为低值（0.001%U，0.001%Th 和1%K），并适当减小地层半径。保持钻井液密度、地层不变，模拟了不同KCl 含量、不同井眼间隙下的计数率和能谱响应。

2.2.1 计数率响应

钻井液密度、地层参数不变，不同KCl 含量和井眼间隙下的计数率响应如图5 所示。

图 5 不同KCl 含量、井眼间隙下的计数率Fig.5 Counting rate at different KCl contents and wellbore gaps

图 6 不同KCl 含量下的能谱Fig. 6 Energy spectrum at different KCl contents

从图5（a）可以看出，在相同井眼间隙下，钻井液中KCl 含量越高，绝对计数率越大，这是因为KCl本身具有放射性，其含量增加，相当于增加了放射源的放射强度。从图5（b）可以看出，KCl 含量分别为0，5%和10%时，计数率与井眼间隙负相关，井眼间隙越大，计数率越小，此时钻井液对伽马射线主要起衰减作用；KCl 含量为15%，20%和25%时，计数率与井眼间隙正相关，井眼间隙越大，计数率越大，此时KCl 的影响以增大放射源强度为主。

2.2.2 能谱响应

相同井眼间隙（ΔR=5 cm）、不同KCl 含量下的能谱响应如图6 所示。

从图6（a）可以看出，钻井液中KCl 含量增大，K 特征能道处的计数率增大，其他能道的计数率变化较小；从图6（b）可以看出，KCl 含量增大，能谱形状改变，K 峰更尖，同时对其他特征能道也产生了较大影响。

3 地层特性的影响分析

为了考察地层条件对随钻方位伽马能谱测井计数率及能谱的影响，分析了不同地层密度和倾斜泥岩层不同倾角、厚度和方位角下的响应特征。

3.1 地层骨架对响应特征的影响

采用图1 所示的计算模型，将地层6 设置为50%骨架+10% 水+50% 泥质（泥质中含有1% U、1%Th 和6%K），井眼中介质为钻井液（40%蒙脱石+60%水）。保持钻井液和井眼间隙（ΔR=5 cm）不变，改变地层骨架成分（分别取石英、方解石和白云石，对应地层密度为2.06，2.08 和2.12 kg/L），模拟分析计数率和能谱响应特征。

3.1.1 计数率响应

钻井液和井眼间隙固定不变，改变地层骨架成分，得到的计数率响应如图7 所示。

从图7 可以看出，地层密度越大，计数率越小。

3.1.2 能谱响应

钻井液和井眼间隙固定不变，不同骨架下的能谱响应结果如图8 所示。

从图8（a）可以看出，地层密度增大，能谱某些特征道的计数率增大，但增幅很小；从图8（b）可以看出，骨架成分改变，能谱形状并没有改变。

综合上述分析可知，地层骨架成分（即改变地层密度）改变，会改变伽马射线的衰减能力，进而影响计数率，但并不改变能谱形状。

3.2 界面倾角对响应特征的影响

图 7 不同地层骨架下的计数率Fig. 7 Counting rate at different formation matrices

图 8 不同地层骨架下的能谱Fig. 8 Energy spectrum at different formation matrices

采用如图9 所示计算模型分析NaI 晶体探测器3 穿过倾斜界面时的响应特征。原点在模型中心处，倾斜界面穿过原点，界面上部地层为纯砂岩（成分为10% H2O+90% SiO2，密度为2.27 kg/L），界面下部地层为泥质砂岩（其成分与图1 中泥质砂岩相同，含1% U+1% Th+6% K，密度为2.06 kg/L），井眼间隙设为0 cm。图9 中：a 为倾斜界面倾角，（°）；hz为记录点到原点的距离，cm；p 为仪器旋转角度（与倾斜界面方位角相反，度数相同），（°）。

图 9 倾斜界面的MCNP 计算模型Fig.9 MCNP calculation model of inclined interface

模拟时，保持旋转角度p=0°，改变倾斜界面倾角a（-40°、-20°、0°、20°、40°、60°、80°，逆时针为正），分析不同倾角下NaI 晶体探测器3 从下向上穿过界面时的计数率和能谱响应特征。

3.2.1 计数率响应

保持p=0°，改变a，模拟不同倾角下探测器从下向上穿过界面时的计数率，结果如图10 所示。

从图10 可以看出，固定倾角a，NaI 晶体探测器3 从下向上移动时，计数率先保持不变，之后逐渐减小形成过渡区，最后保持不变，且倾角越大，过渡区越宽；过渡区内，固定hz，倾角越大，计数率越大。

保持 p =0°，取hz=0，对比不同倾角下的计数率，结果如图11所示。

从图11 可以看出，倾角越大，计数率越大，这是因为倾角变大，导致探测器3 右侧有更多的放射性地层进入其探测范围，而探测器3 左侧离开探测范围的放射性地层比较少，整体表现为探测范围内放射性地层增加，故随着倾角变大，计数率增大，但倾角超过50°后增大趋势变缓。

3.2.2 能谱响应

取p=0°、hz=0，模拟了不同倾角下的能谱响应特征，结果如图12 所示。

从图12（a）可以看出，随着倾角变大，能谱各能道的计数率普遍增大；从图12（b）可以看出，倾角变化，不会改变能谱形状，不影响K，U 和Th 含量的计算结果。

3.3 方位角对响应特征的影响

图 10 探测器穿过不同倾角界面时的计数率Fig. 10 Counting rate when the detector passes through interfaces with different dip angles

图 11 原点处不同界面倾角下的计数率Fig. 11 Counting rate at different interface dips at the origin

采用图9 所示的计算模型，通过旋转随钻方位伽马能谱测井仪得到不同的倾斜界面方位角。界面倾角设为a=40°，改变旋转角度p（0°、45°、90°、135°和180°，顺时针为正），模拟不同旋转角度下、NaI 晶体探测器3 从下向上穿过界面时的计数率及能谱响应特征。

图 12 不同界面倾角下的能谱Fig. 12 Energy spectrum at different interface inclinations

3.3.1 计数率响应

不同旋转角度下，探测器从下向上穿过界面时的计数率响应如图13 所示。

从图13 可以看出，旋转角一定，仪器从下向上移动时，计数率先保持不变，之后逐渐减小形成过渡区，最后保持不变，且不同旋转角度下过渡区的宽度相同。由此可知，影响过渡区宽度的并不是方位角，而是倾斜角；过渡区内，记录点到层界面的距离一定时，方位角越大，计数率越小。

取hz=0，对比仪器在不同旋转角度下的计数率，结果如图14 所示。

从图14 可以看出，旋转角度（界面方位角）越大，计数率越小，这是因为旋转角度变大，NaI 晶体探测器3 探测范围内的放射性地层减少。

3.3.2 能谱响应

取a=40°、hz=0，对比不同旋转角度下的能谱响应特征，结果如图15 所示。

从图15（a）可以看出，界面倾角变大，各能道的计数率普遍增大；从图15（b）可以看出，界面倾角变化，不改变能谱形状，不影响K，U 和Th 含量的计算结果。

3.4 倾斜地层厚度对响应特征的影响

图 13 不同旋转角度下的计数率Fig. 13 Counting rate at different azimuths

图 15 不同旋转角度下的能谱Fig. 15 Energy spectrum at different rotating angles

图 14 原点处不同旋转角度下的计数率Fig. 14 Counting rate at different rotating angles at the origin

采用如图16 所示模型（H 为倾斜地层厚度，cm），保持a=30°、p=0°不变，改变H（分别取20，40，60和80 cm），模拟分析了NaI 晶体探测器3 穿过不同厚度倾斜放射性地层时的计数率和能谱响应特征。

图 16 倾斜地层厚度的MCNP 计算模型Fig.16 MCNP calculation model of inclined formation with a certain thickness

3.4.1 计数率响应

探测器从下向上穿过不同厚度倾斜地层时的计数率响应如图17 所示。

从图17 可以看出，地层厚度H 固定，仪器从下向上移动时，厚层（H=60 和80 cm）有平台，而薄层（H=20 和40 cm）没有平台，地层厚度越大，半幅度法确定的地层厚度越可靠；固定hz，地层厚度H 越大，计数率越大。

取hz=0，对比不同地层厚度下的计数率差异，结果如图18 所示。

图 17 倾斜地层不同厚度下的计数率Fig. 17 Counting rate at different inclined formation thicknesses

图 18 原点处倾斜地层不同厚度下的计数率Fig. 18 Counting rate at different inclined formation thicknesses at the origin

从图18 可以看出，地层厚度越大，计数率越大，当地层厚度达到一定程度时，计数率不再增大，这是因为超过了NaI 晶体探测器的纵向探测范围。

3.4.2 能谱响应

取a=30°、p=0°、hz=0 并保持不变，对比不同地层厚度H（分别取20，40，60 和80 cm）下的能谱响应特征，结果如图19 所示。

图 19 倾斜地层不同厚度下的能谱响应Fig. 19 Energy spectrum response at different inclined formation thicknesses

从图19（a）可以看出，地层层厚越大，各能道的计数率越大；从图19（b）可以看出，不同地层层厚下，各能道的相对计数率基本相同，即地层厚度变化不会改变能谱形状。

4 井眼环境影响的校正

井眼环境的影响属于不利影响，应该消除；而地层特性的影响反映了地层的某种特性，包含有用的地层信息，不能直接消除，故笔者只研究消除井眼环境影响的校正过程。钻井液中含有KCl 时，相当于在井眼中放置了额外的放射源，因此，应先消除KCl 对计数率的额外影响；然后，再对钻井液密度、井眼间隙进行联合校正。由图5 可得KCl 校正图版，如图20（a）所示；由图2 可得钻井液密度校正图版，如图20（b）所示。

KCl 校正图版中，校正率的计算公式为：

图 20 KCl 和钻井液密度校正图版Fig. 20 Correction chart of KCl and drilling fluid density

图 21 校正前后泥质含量计算值对比Fig. 21 Comparison of the calculated values of muddy content before and after correction

式中：Δ1为KCl 校正图版的校正率；N 为有井眼间隙和钻井液中含KCl 时的计数率；N0为井眼间隙为0（或为标准井眼间隙）且钻井液中不含KCl 时的计数率。

KCl 校正方法为：1）确定井眼间隙ΔR 和钻井液中KCl 的质量分数；2）根据ΔR、KCl 质量分数和KCl 校正图版确定Δ1；3）根据N 和Δ1，确定KCl 校正后的计数率NCK，NCK=N(1+Δ1)。

钻井液密度校正图版中，校正率Δ2的计算方法同上。钻井液密度校正过程为：1）确定井眼间隙ΔR 和钻井液密度ρm；2）根据ΔR 和ρm在钻井液密度校正图版上选取或用插值法确定校正曲线，算出校正率Δ2；3）根据KCl 校正后的计数率NCK和Δ2，确定KCl、钻井液密度及井眼间隙校正后的计数率NC，NC=NCK(1+Δ2)。

利用校正前后的伽马计数率计算泥质含量，并与真实的泥质含量进行对比，结果如图21 所示（图21中，红色虚线代表计算值与真实值相等）。从图21可以看出，利用校正后计数率计算的泥质含量更接近真实值。

图 22 校正前后K 含量计算值对比Fig. 22 Comparison of calculated potassium content before and after calibration

井眼钻井液中含有KCl 时，利用校正前后的能谱计算K 的含量，结果如图22 表示。从图22 可以看出，利用校正前能谱计算的K 含量偏大，而利用校正后能谱计算的K 含量与真实值很接近，证明该校正方法有效、可靠。

5 结论与建议

1）在随钻方位伽马能谱测井中，钻井液密度、钻井液中KCl 含量、地层骨架以及倾斜放射性地层的倾角、方位角、厚度对计数率和能谱中各能道的计数率都有影响。计数率与钻井液中KC1 含量、地层倾角及厚度正相关，与钻井液密度、地层骨架密度和地层倾斜界面方位角负相关。

2）钻井液中含有KC1，相当于在井眼中放置了额外的放射性源，增加了放射源的放射强度，同时改变了放射性元素中K，U 和Th 的比例，因此可改变能谱形状；其他因素并未改变放射性元素比例，不改变能谱形状，不影响K，U 和Th 含量的计算结果。

3）如何充分利用斜地层的倾角、方位角、厚度对随钻方位伽马能谱响应的影响规律，以及如何从中提取有用的地层信息，是值得继续研究的问题。