伽馬-伽馬密度測井的密度校正方法及應(yīng)用

焦倉文，喬寶強(qiáng)，馮延強(qiáng)，吳仙明，楊懷杰

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 中核集團(tuán)鈾資源勘查與評價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

密度測井是常規(guī)地球物理測井的必測參數(shù)之一，基于伽馬-伽馬散射原理的密度測井在測定地層密度、識(shí)別地層巖性方面具有不可替代性。利用地層密度結(jié)合聲波/補(bǔ)償中子測井，還可獲取地層孔隙度及孔隙介質(zhì)屬性等信息。在砂巖型鈾礦勘查中，密度測井曲線對泥巖和砂巖地層有比較明顯的差異，一般砂巖隨泥質(zhì)含量的增加，其密度值減小，滲透性減弱。因此確定地浸砂巖型鈾礦含礦含水層，含礦層的巖性及滲透性，為地浸采礦提供基本物性參數(shù)信息，都離不開密度測井。然而放射性地層的伽馬射線對密度測井是一種干擾，會(huì)造成密度曲線畸變，影響巖性的正確識(shí)別，甚至將滲透性巖性劃分為非滲透性巖層，嚴(yán)重影響后續(xù)地浸采礦工藝的選取。

前人為消除天然伽馬射線對密度測量的干擾，提出了多種方法，李繼安［1］（2015）利用密度三側(cè)向測井儀進(jìn)行兩次下井測量，即掛源一次測井、不掛源一次測井，在密度結(jié)算時(shí)，利用探測器計(jì)數(shù)率差值進(jìn)行扣除天然輻射計(jì)數(shù)對密度測量的影響，不失為一種有效的方法，但是工作效率相對較低。梁齊端［2］（2005）提出利用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)擬合的方法扣除天然伽馬對長源探測器計(jì)數(shù)率的影響，其普適性具有一定的局限性。

1 康普頓散射伽馬-伽馬密度測量原理

補(bǔ)償密度測井儀的基本結(jié)構(gòu)由推靠器、探頭、電路組成。儀器的放射源和探測器裝在探頭上（也稱滑板），在測井時(shí)，在推靠器的作用下，探頭緊靠井壁，放射源向地層發(fā)射γ 光子，經(jīng)地層散射吸收后，其中一部分由離放射源不同距離的兩個(gè)γ 射線探測器所接收，放射源和探測器之間由屏蔽材料隔開，使得探測器接收的光子是經(jīng)地層散射后的γ 光子。地層的密度不同，對γ 光子的散射和吸收能力不同，探測器記錄到讀數(shù)也不同，經(jīng)過適當(dāng)?shù)男?zhǔn)，根據(jù)探測器的讀數(shù)就可以確定地層的密度值。

對于選定的137Cs 放射源和測量能段的情況下，對于由中等原子序數(shù)的原子組成的一般地層來說，光子和地層的相互作用中康普頓占絕對優(yōu)勢，此時(shí)地層的衰減系數(shù)與地層的電子密度成正比，而電子密度又與體積密度成正比，對大多數(shù)礦物和大多數(shù)地層來說，質(zhì)量衰減系數(shù)μm基本上為常數(shù)，這就是密度測井的基礎(chǔ)［3-5］。

儀器對地層的探測靈敏度A［6］

式中：d—源距，cm；μm—地層的質(zhì)量吸收系數(shù)，cm2/g，此系數(shù)理論上為光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)等3 項(xiàng)吸收系數(shù)之和。由于采用的137Cs 源γ 射線能量為662 keV，與地層物質(zhì)作用幾乎完全為康普頓效應(yīng)，故μm近似地等于康普頓吸收系數(shù)。從式（1）可看出，源距d越大，靈敏度越高，探測深度也增大。但是源距過大，會(huì)使計(jì)數(shù)率降低，從而使統(tǒng)計(jì)誤差增大。MD604 測井儀選用的短源距為200 mm，長源距為350 mm。

在沒有泥餅的情況下，用不同源距的兩個(gè)探測器進(jìn)行測量他們的計(jì)數(shù)率與地層密度的關(guān)系：

即ρb=(1/A)lnN-B/A

式中：ρb—地層密度，g/cm3；N—探測器計(jì)數(shù)率，s-1；A—靈敏度系數(shù)，s-1/（g/cm3）；B—截距，常數(shù)。

對長源探測器：

對短源探測器：

假設(shè)ρGGFR=ρGGNR，則：

即lnNGGFR和lnNGGNR的關(guān)系為一直線，其斜率為AGGFRAGGNR，我們把這條線稱為脊線，該線與水平軸的夾角α=arctg(AGGFR/AGGNR)稱為脊角，由于AGGFRAGGNR只與源距有關(guān)，所以當(dāng)儀器幾何參數(shù)設(shè)定后，其脊角就不變了，脊線上的每一點(diǎn)對應(yīng)一個(gè)密度值［7-8］。

2 探測器計(jì)數(shù)率比值法

地層的天然放射性伽馬射線會(huì)被長源探測器接收，使得測量密度值偏離真實(shí)值，所幸的是，MD604［7］（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院生產(chǎn)）密度三側(cè)向測井儀有天然伽馬道探測器，測量地層的天然放射性，用于深度對齊與地層對比（圖1）。其位于測井儀頂部，而用于密度參數(shù)測量的長、短源探測器位于測井儀底部，可以認(rèn)為天然伽馬探測器NGR 基本不受主動(dòng)源（銫源）的影響。因此實(shí)際鉆孔測井時(shí)，可以利用天然伽馬探測器、長短源探測器計(jì)數(shù)率比值（RGGFR/NGR，RGGNR/NGR），對密度解算用長、短源探測器計(jì)數(shù)按比例進(jìn)行扣除，以期減少天然伽馬射線的影響。天然伽馬探測器NGR、長源探測器 GGFR、短源探測器GGNR，采用碘化鈉晶體，其直徑和長度分別 為30 mm 和80 mm、23 mm 和40 mm、13 mm和10 mm，其能量閾為130 keV。為減少低能伽馬射線引起光電效應(yīng)的影響，GGNR 內(nèi)置鉭銀片，濾掉低能散射γ 射線。這里假定認(rèn)為各探測器的計(jì)數(shù)率與地層的放射性強(qiáng)度成正比。其比例系數(shù)可以在標(biāo)準(zhǔn)模型井上獲取，也可以利用現(xiàn)場核查模型獲得［8-9］。其扣除方法步驟見圖2。

圖1 MD604 密度三側(cè)向測井儀探測器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Detector configuration diagram of MD604 logger

圖2 密度參數(shù)修正方法流程圖Fig.2 Density correction flowchart

2.1 利用飽和測井模型獲得計(jì)數(shù)率比例系數(shù)

為了較為準(zhǔn)確地獲取長、短源探測器與天然伽馬探測器計(jì)數(shù)率比，使用MD604 在國防科技工業(yè)放射性計(jì)量站（1313）的測井模型井（UF-0.03-I、UF-0.1-I、UF-0.2-I、UF-0.5-I）進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，死時(shí)間修正及能量刻度線性化處理（表1）。作為一個(gè)例子，圖3 是MD604-2005 測井儀的天然伽馬探測器、長源距探測器、短源距探測器分別在上述4 個(gè)模型井上獲得的計(jì)數(shù)率與模型標(biāo)稱含量的線性擬合曲線，根據(jù)他們的斜率之比獲得相應(yīng)的RGGFR/NGR及RGGNR/NGR比值。

表1 MD604 密度三側(cè)向測井儀天然γ 探測器、長源探測器、短源探測器死時(shí)間及計(jì)數(shù)率比值Table 1 Deadtime and count rate ratio of detector in GGFR/NGR and GGNR/NGR of MD604 logger

圖3 能量刻度曲線MD604-2005Fig.3 Energy calibration curve of MD604-2005

2.2 利用現(xiàn)場核查模型獲取探測器計(jì)數(shù)率比

只要保證模型數(shù)量足夠，也可以利用核工業(yè)航測遙感中心計(jì)量站研制的現(xiàn)場核查模型獲取RGGFR/NGR及RGGNR/NGR比值。圖4 是現(xiàn)場核查模型結(jié)構(gòu)示意圖，表2 是6 種核查模型的主元素及雜質(zhì)元素含量列表。

表2 核查模型元素含量表Table 2 List of element concentration of field benchmark model

圖4 現(xiàn)場核查模型示意圖Fig.4 Sketch of field benchmark model

2.3 密度刻度系數(shù)

利用鋁模塊和有機(jī)玻璃模塊，使用銫源（US14CS001184 和US14CS001224）對MD604測井儀進(jìn)行密度參數(shù)刻度，并獲取其靈敏度、脊角（表3）。

表3 MD604 密度刻度結(jié)果Table 3 The rib angle and sensitivity of density for MD604 probes

3 實(shí)例對比

補(bǔ)償密度測井中的短源探測器由于探測深度相對于長源探測器探測深度淺，主要用來校正泥餅的影響。在本文試驗(yàn)過程中，無論是利用核查模型還是裸孔測井，密度的解算及校正過程都是基于長源探測器計(jì)數(shù)開展。

3.1 核查模型試驗(yàn)對比

核查模型UH-0.03-II 的標(biāo)稱鈾含量為396×10-6。使用4 根MD604 測井儀分別利用：1）計(jì)數(shù)率直接扣除法（即用掛銫源時(shí)的長、短源計(jì)數(shù)率減去不使用銫源時(shí)的長、短源計(jì)數(shù)率，相當(dāng)于兩次下井測量，一次掛源測井，一次不掛源測井）；2）探測器計(jì)數(shù)率比值法（RGGFR/NGR），校正由于礦層伽馬射線引起長短源計(jì)數(shù)變化，造成密度解算結(jié)果偏低的影響，其結(jié)果見表4。

表4 核查模型（UH-0.03-II）密度校正結(jié)果Table 4 Corrected density by direct count rate decount and count rate ratio method on UH-0.03-II model

由表4 可見，校正前測量密度明顯偏低，均值為1.84 g/cm3，模擬兩次測井的計(jì)數(shù)率扣除法，獲得密度均值為2.01 g/cm3；利用計(jì)數(shù)率比值扣除法（相當(dāng)于一次測井）獲得密度均值為2.00 g/cm3。針對UH-0.03-II 模型，密度校正結(jié)果比較理想，尤其是計(jì)數(shù)率直接扣除法和計(jì)數(shù)率比值扣除法相當(dāng)。由于沒有核查模型的密度標(biāo)稱值，以測量均值作為參考值，其誤差在±0.03 g/cm3的范圍內(nèi)［10］。

針對UH-0.5-II 核查模型（其鈾含量標(biāo)稱值5 167×10-6），利用長源探測器計(jì)數(shù)率，分別用計(jì)數(shù)率扣除法和計(jì)數(shù)率比值法，計(jì)算核查模型的密度值，計(jì)數(shù)率比值扣除法更接近實(shí)際（校正前為1.12 g/cm3，計(jì)數(shù)率扣除法為2.54 g/cm3，而計(jì)數(shù)率比值法為2.05 g/cm3），說明計(jì)數(shù)率比值法具有在更寬的地層放射性強(qiáng)度范圍內(nèi)進(jìn)行密度校正的能力。

3.2 裸孔測井及成井測井試驗(yàn)對比

圖5 和圖6 中，除特殊說明外，GR 代表定量伽馬測井，以照射量率（nC/（kg·h））表示；NNGR、NGGFR、NGGNR分別表示MD604 測井儀中的天然伽馬探測器、長源探測器，以及短源探測器計(jì)數(shù)率，Den-校正前及Den-校正后參數(shù)分別表示利用本文方法進(jìn)行密度校正前后的密度值。

圖5 鉆孔1-2-16Z 成井密度修正Fig.5 Density correction of borehole 1-2-16Z with PVC casing

圖6 鉆孔SYG-1 裸孔測井密度曲線校正Fig.6 Density correction of open logging curves in borehole SYG-1

1-2-16Z 成井鉆孔：密度測井用來確定過濾器位置以及細(xì)礫與粗礫厚度，按照成井工藝要求，過濾器位置投粗礫；過濾器上下位置注細(xì)礫，相較于細(xì)礫，粗礫密度相對較低。從測井曲線看出，短源探測器計(jì)數(shù)率基本不受地層放射伽馬射線的影響（綠色測井曲線），密度解算及校正都是基于長源探測器計(jì)數(shù)率的。圖中藍(lán)色線是進(jìn)行密度校正后的密度測井曲線，與未作密度校正的黑色測井曲線相比，校正后密度曲線基本是礦層工藝結(jié)構(gòu)的反映，因?yàn)槊芏葴y井探測深度有限，校正后密度值基本反映的是粗粒料（深度間隔390.0～396.15 m，密度均值1.767 g/cm3）、細(xì)粒料密度（深度間隔386.60～389.75 m，及396.15～399.40 m，密度均值約為2.017 g/cm3）。定量γ 測井，在礦段位置照射量率可高達(dá)700 nC/（kg·h）。成井密度測井，利用長源探測器計(jì)數(shù)率進(jìn)行密度校正較為理想。

SYG-1 鉆孔，裸孔測井，在295.0～310.0 m深度段，長、短源探測器計(jì)數(shù)率變化，真實(shí)地反映了井筒周圍地層密度的變化。而在405.36～406.35 m 以 及423.80～426.34 m 深度段，正好處于礦層位置，對長源探測器計(jì)數(shù)率造成明顯的干擾（圖6 中褐色的曲線），相應(yīng)地密度校正前后對比（藍(lán)色和黑色的測井曲線）是明顯的，校正前密度測量值偏低，直接影響對地層巖性的推斷。密度校正后，405.36～406.35 m 深度段的密度均值2.289 g/cm3與其上部地層均值2.279 g/cm3接 近；而423.80～426.34 m 深度段校正后密度均值為2.363 g/cm3，與其上部地層密度均值2.331 g/cm3也接近，應(yīng)屬于同一巖性（粗砂巖）。

鉆孔實(shí)例驗(yàn)證結(jié)果表明，在1 500 nC/（kg·h）放射性地層的密度校正（圖6），使用長源距計(jì)數(shù)率利用計(jì)數(shù)率比值法對密度校正可以達(dá)到滿意的結(jié)果。對于硬巖放射性地層，不存在泥餅的影響，可以推斷本文提出的密度校正方法也同樣適用。

4 結(jié)論

1）計(jì)數(shù)率比值法，對于地層天然伽馬射線造成伽馬-伽馬密度測井方法獲取的地層體積密度偏低問題是一種有效的修正方法。

2）相較于兩次下井獲得各自探測器計(jì)數(shù)率的直接扣除法，在更大的地層天然伽馬輻射強(qiáng)度范圍內(nèi)其密度修正是有效的，且只需一次下井，減少了占鉆時(shí)間。

3）不局限于使用MD604 測井儀，只要密度測井儀器具有天然伽馬探測器，采用本文提出的探測器計(jì)數(shù)率比值扣除法，同樣可以扣除天然伽馬放射性對密度測量的影響。