地層元素測井技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用

趙梧迪(六盤水職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 六盤水 553001)

0 引言

現(xiàn)代社會的不斷發(fā)展，使得人們對資源的掌控程度越來越高，這就要求更加先進(jìn)、精確的測井技術(shù)幫助人們了解地層的構(gòu)成狀況。這就使得基于核物理科學(xué)的地層元素測井技術(shù)得到了快速的發(fā)展。這種技術(shù)利用中子良好的物理特性，使得科研人員可以獲得更加精確的地質(zhì)數(shù)據(jù)，從而幫助人們更加合理的利用和開發(fā)地質(zhì)資源。目前這項測井技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于石油開采等行業(yè)，為相關(guān)企業(yè)和科研機構(gòu)提供了更為精確的地址數(shù)據(jù)。

1 工作原理

地層元素測井技術(shù)是一種基于核物理學(xué)的技術(shù)。這項技術(shù)利用了中子的物理特性，通過中子源發(fā)射裝置將中子發(fā)射出去，然后中子在地層中會與其中的元素發(fā)生反應(yīng)，使得元素的原子核產(chǎn)生伽馬射線，然后利用專門的儀器對伽馬射線進(jìn)行記錄和科學(xué)的分析，就可以準(zhǔn)確的得到相關(guān)的數(shù)據(jù)資料。在這項技術(shù)中，由中子源發(fā)射的快中子會在極短的時間內(nèi)，與地層中元素的原子核發(fā)生特定的散射現(xiàn)象，在這個過程中，元素的原子核會吸收快中子形成一個復(fù)核，同時還會放出一個低能的中子，吸收了快中子的原子核處于一種激發(fā)狀態(tài)，這時吸收了快中子的原子核如果釋放，激發(fā)，就會回到基態(tài)，同時還會釋放出非彈性散射伽馬射線，緊接著在極短時間內(nèi)還會釋放彈性散射的伽馬射線，不同的原子核與快中子發(fā)生反應(yīng)后，其反射截面以及放出的伽馬射線存在一定的差異。通過記錄和分析這兩種射線就可以準(zhǔn)確的得出地層的構(gòu)成信息。

在進(jìn)行地層元素測井的過程中需要運用到專門的設(shè)備進(jìn)行探測，這種特殊的設(shè)備主要由BGO晶體探測儀和中子源構(gòu)成。通過這套設(shè)備可以對地層中的多種元素進(jìn)行探測。整套設(shè)備會采用特定的中子源如214Am-Be同位素中子源以及脈沖中子源，不同的中子源各有優(yōu)缺點，相關(guān)機構(gòu)應(yīng)該根據(jù)自身的實際情況進(jìn)行選擇。BGO晶體探測儀這種儀器主要是用來捕獲和記錄相關(guān)的非彈性散射數(shù)據(jù)以及伽馬射線的數(shù)據(jù)。這種探測儀相對來說具有十分明顯的優(yōu)勢，其探測速度非常快，受到的干擾相對較少，精度也相對較高。地層元素探測儀可以和其他探測儀器組合使用，這樣可以減少出現(xiàn)錯誤的機率，降低外界對測量結(jié)果的干擾。

2 數(shù)據(jù)處理方法

通過地層元素測井儀器可以準(zhǔn)確的捕捉到地層中所有元素原子核的非彈性散射以及伽馬射線能譜。但是通過對這些能譜進(jìn)行進(jìn)一步的分析才能獲得地層中各元素的信息。這就需要對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，否則這些數(shù)據(jù)依然無法被正確的運用。

2.1 建立標(biāo)準(zhǔn)的伽馬能譜

利用地層元素測井技術(shù)對地層元素進(jìn)行探測，首先就要建立地層中常見元素的標(biāo)準(zhǔn)伽馬能譜，只有建立了這個標(biāo)準(zhǔn)伽馬能譜才能進(jìn)一步對儀器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳盡的分析。標(biāo)準(zhǔn)的伽馬能譜需要通過相關(guān)的實驗，然后利用數(shù)值模擬方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后獲得。在進(jìn)行地層元素測井的過程中，需要利用地層中常見元素的標(biāo)準(zhǔn)伽馬能譜，需要以此為依據(jù)對測井儀器進(jìn)行校正，為測量數(shù)據(jù)的處理提供依據(jù)。通常情況下，在利用數(shù)值模擬方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得標(biāo)準(zhǔn)伽馬能譜時，科研人員要根據(jù)實際的情況進(jìn)行計算模型的制定，這樣可以更加準(zhǔn)確的獲得標(biāo)準(zhǔn)的伽馬能譜[1]。

2.2 地層元素產(chǎn)額

相對產(chǎn)額在底層元素測井過程有著非常重要的作用。這個數(shù)據(jù)主要表達(dá)了單個元素發(fā)出的伽馬光子在發(fā)射的總伽馬光子中的貢獻(xiàn)。如果可以獲得某個元素獨自存在時，伽馬光子的實際數(shù)據(jù)，然后再獲得混合存在時的伽馬光子能譜，這樣就可以分別獲得各個元素發(fā)射的伽馬光子在伽馬光子總數(shù)中的貢獻(xiàn)。各個元素獨自存在時的伽馬光子譜線被稱為單原子標(biāo)準(zhǔn)譜，而與之對應(yīng)的是各元素混合存在的伽馬光子譜，也就是混合譜。在進(jìn)行解譜的過程中，研究人員通常會將這兩者進(jìn)行歸一處理，這樣的化相對產(chǎn)額就會擁有百分比的含義。相對產(chǎn)額的求解，需要單元素標(biāo)準(zhǔn)譜，實際的混合譜以及解譜的算法。這三者缺一不可。首先單元素標(biāo)準(zhǔn)譜需要根據(jù)實際情況選擇地層中含量比較大且對相關(guān)工作影響較大的元素，這就需要通過科學(xué)的方式獲取氮元素標(biāo)準(zhǔn)譜，通常情況下需要進(jìn)行相關(guān)的實驗然后通過數(shù)學(xué)方法獲取。其次就是確定解譜算法，由于測得的數(shù)據(jù)是通過一定的方式表現(xiàn)在儀器上，從中找出對應(yīng)的關(guān)系。

2.3 靈敏度因子

靈敏度因子同樣也是這項技術(shù)中非常重要的數(shù)據(jù)之一，它充分表現(xiàn)了每種元素對于熱中子的吸收程度。對于每種不同的元素來說其靈敏度因子也存在著十分巨大的差異，這個參數(shù)只與探測儀器以及元素本身有關(guān)，地層對這個參數(shù)的大小沒有任何影響。正式這個特點，科研人員可以利用科學(xué)的方法獲取已知地層中每一種元素的靈敏度因子，而這個參數(shù)可以應(yīng)用于其他位置的地層之中。但是這個參數(shù)由于其特殊性很難用絕對的數(shù)值進(jìn)行衡量，因此可以用比值的方式對其進(jìn)行衡量。這種方法的關(guān)鍵是要在眾多元素中選取一個元素作為標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)元素的選取需要有很嚴(yán)格的要求，首先，這種元素在大自然中廣泛存在，而且含量比較高，數(shù)量也相對比較穩(wěn)定。其次這種元素必須具有比較大的熱中子俘獲截面。綜合上述幾種因素，通常情況下都會選擇硅元素作為標(biāo)準(zhǔn)元素。如果將硅元素的靈敏度因子設(shè)置為1，那么其他的元素的靈敏度因子都是與硅元素靈敏度因子的比值。

2.4 地層因子

在進(jìn)行地層元素測井時，地層因子有著十分重要的作用。由于在地層中含有數(shù)量眾多的元素，但是其種類卻相對比較少。但是這些元素卻構(gòu)成了種類繁多的礦物質(zhì)。而這些礦物質(zhì)在地層中的含量具有一定的比例，為了使其能夠表達(dá)成百分?jǐn)?shù)的形式，就需要設(shè)定其百分含量的總和為1，這樣就使得元素的含量有了十分明確的百分比意義。地層因子不同于靈敏度因子其變化十分的大，不同地區(qū)，不同深度都會出現(xiàn)地層因子的變化。地層因子是一個不斷變化的參數(shù)，隨著地層的不斷變化其地層因子也會隨著變化。測井儀器在進(jìn)行測量時，需要在井下選擇不同的深度進(jìn)行測量。而每一個深度都會測得一個混合譜，而每一個深度都對應(yīng)著一個不同的地層因子，每一個井的地層因子也不盡相同，因此這個參數(shù)無法給定，地層因子的確定需要對測井的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳盡分析和計算才能確定。

2.5 轉(zhuǎn)換為礦物含量

由上面分析可知，如果要想得到地層每種元素的質(zhì)量百分比就需要知道地層因子，靈敏度因子以及相對產(chǎn)額。在這其中靈敏度因子是已知的，其值也是相對固定不變的。相對產(chǎn)額和地層因子則需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得出。這樣通過計算可以得到元素含量。然后利用利用數(shù)理統(tǒng)計中的因子分析法將其轉(zhuǎn)換為礦物含量[2]。

3 應(yīng)用

3.1 確定礦物含量

研究人員可以利用地層元素測井技術(shù)精確的測量地層中的礦物含量。這對于很多行業(yè)都有著非常重要的意義。尤其對于石油天然氣行業(yè)，相關(guān)企業(yè)可以對油井進(jìn)行地層元素測井，就可以詳細(xì)的得到相關(guān)的巖層數(shù)據(jù)，這樣可以為企業(yè)選擇合適的作業(yè)方式以及合適的作業(yè)機械提供有力的數(shù)據(jù)幫助，避免企業(yè)選擇錯誤的方式和機械，從而導(dǎo)致不必要的損失。

3.2 確定粘土含量和類型

相關(guān)科研人員可以利用地層元素測井技術(shù)結(jié)合一些傳統(tǒng)的測井技術(shù)，可以獲得十分準(zhǔn)確的粘土類型以及粘土含量的數(shù)據(jù)。相關(guān)的企業(yè)也在研究粘土含量與類型與單個元素之間的關(guān)系，同時還在研究其與單種氧化物或者碳酸鹽之間的關(guān)聯(lián)以及其與氧化物或者碳酸鹽組合之間的關(guān)聯(lián)。粘土的含量包含了高嶺石、綠泥石等等的總量。通過對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析和研究發(fā)現(xiàn)，在這其中鋁元素與粘土含量的關(guān)聯(lián)性非常高，同樣二氧化硅，碳酸鈣，碳酸鎂以及鐵元素組合與粘土的含量也保持著非常好的關(guān)聯(lián)，這就對確定地層中粘土含量奠定了非常堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，通過對粘土含量和類型的分析，對很多行業(yè)都有著非常重要的意義，同樣也對我國資源的開發(fā)有著十分重要的意義[3]。

3.3 巖性分析

在巖性分析中，地層元素測井技術(shù)有著非常重要的應(yīng)用，通過利用這項技術(shù)可以對地層的巖性進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。目前很多研究人員，都在研究巖性與氧化物組合之間的關(guān)聯(lián)，通?？梢岳醚趸锏娜粫D，通過地層元素測井技術(shù)可以確定地層中的礦物含量，然后可以利用氧化物的三元交會圖就可以對地層巖性進(jìn)行判斷。在進(jìn)行巖性分析的過程中，可以根據(jù)氧化鈣，氧化鎂以及二氧化硅的交會圖進(jìn)行巖性的判斷，也可以利用氧化鈣，硫元素以及三氧化二鐵組合進(jìn)行巖性的判斷。利用非彈性散射譜可以識別碳元素及其含量這樣可以判斷煤層的存在。在進(jìn)行一些比較復(fù)雜的巖性識別時，還可以利用FMI在結(jié)合地層元素測井技術(shù)對火山巖等復(fù)雜巖性進(jìn)行識別。地層元素測井技術(shù)在巖性分析中起到了非常關(guān)鍵的作用。

3.4 評價儲層

在油田開采中，地層元素測井技術(shù)也有著非常重要的應(yīng)用，通過這項技術(shù)可以準(zhǔn)確的對油田的儲層進(jìn)行評價。這項技術(shù)可以為油田儲層的評價提供更為精確的數(shù)據(jù)，例如沉積體積，空隙類型，膠結(jié)成分的分析等等，這些數(shù)據(jù)可以幫助開采企業(yè)精確的判斷儲層和非儲層，這對于開采企業(yè)有著十分重要的意義，可以大大降低開采企業(yè)的成本，提升企業(yè)的緊急效益。

3.5 分析沉積環(huán)境

對于沉積環(huán)境的分析來說，地層元素測井技術(shù)可以為其提供非常重要的數(shù)據(jù)參考。通過地層元素測井技術(shù)可以對地層中的各種元素進(jìn)行測量。而在漫長的地質(zhì)作用下，使得各種元素的分布具有非常明顯的區(qū)域特點[4]。沉積巖中的元素豐度以及sc組合特點對沉積環(huán)境有著非常重大的影響。通過對沉積巖中的元素進(jìn)行測量，就可以更好地為研究和分析沉積環(huán)境提供非?？煽康臄?shù)據(jù)。

4 結(jié)語

地層元素測井技術(shù)是將核物理學(xué)運用到勘測工作中的典型技術(shù)，是核物理學(xué)在地質(zhì)學(xué)科的應(yīng)用。通過這種技術(shù)可以更好地實現(xiàn)對地層中礦物含量的測量，從而幫助研究人員對地層進(jìn)行進(jìn)一步的研究，使得研究人員可以更好地確定巖性以及粘土含量和類型，幫助研究人員進(jìn)行沉積環(huán)境的研究。隨著這項技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，必然會有更為廣闊的應(yīng)用。