隨鉆方位伽馬能譜測井影響因素分析及校正研究

鄭 健， 高 輝， 黃祿剛， 段軍亞， 董 奪

（1. 中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029；2. 西安匯能電子設備有限責任公司，陜西西安 710065；3. 油氣資源與探測國家重點實驗室（中國石油大學（北京）），北京 102249）

隨鉆方位伽馬能譜測井是在隨鉆方位伽馬測井的基礎(chǔ)上增加了測能譜，不僅能獲得方位伽馬成像圖、計算地層相對傾角、識別地層界面及特殊地質(zhì)構(gòu)造（裂縫等），還能確定K，U 和Th 等元素的含量，從而確定泥質(zhì)類型，估算總有機碳含量，為地質(zhì)導向提供更準確、全面的信息。

關(guān)于隨鉆方位伽馬測井儀器參數(shù)優(yōu)化、探測特性分析、方位伽馬成像的正反演等，國內(nèi)學者已做了大量研究工作[1-6]，但并未涉及隨鉆方位伽馬能譜測井，國外也是2000 年以后才有相關(guān)研究文獻。2002 年M. Mickael 等人[7]提出了采用3 個NaI（Tl）晶體探測器的隨鉆方位伽馬能譜測井儀SAGR，并于2007 年介紹了該儀器的結(jié)構(gòu)[8]，指出雖然理論上可以對K，U 和Th 的含量進行方位成像，但考慮能譜統(tǒng)計的精確性，最好是將不同探測器、不同扇區(qū)的能譜響應結(jié)合之后再計算K、U 和Th 的含量。隨后，R. Nye，A.F. Marsala，C. Maranuk 和M. Diab 等人[9-12]研究了SAGR 在頁巖氣、煤層氣等非常規(guī)油氣藏中的應用。2015 年，Xu Libai等人[13]提出了與M. Mickael 所提出儀器結(jié)構(gòu)不同的隨鉆方位伽馬能譜測井儀，采用2 個居中的NaI晶體探測器。上述研究可為隨鉆方位伽馬能譜測井儀器的結(jié)構(gòu)設計提供參考，但并未分析井眼環(huán)境、地層特性對隨鉆方位伽馬能譜測井的影響。

針對國內(nèi)外在隨鉆方位伽馬能譜測井的影響因素分析及校正研究方面的空白，筆者以文獻[13]中的儀器結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，建立了相應的MCNP 計算模型，模擬研究了井眼環(huán)境（鉆井液密度、鉆井液中KCl 含量）和地層條件（地層骨架及傾斜放射性地層的傾角、方位角和厚度）對隨鉆方位伽馬能譜測井計數(shù)率及能譜的影響，并給出了井眼環(huán)境影響因素的校正方法。

1 MCNP 計算模型的建立

1.1 探測器數(shù)量的選擇

采用1 個探測器時，隨鉆方位伽馬能譜測井儀旋轉(zhuǎn)1 周，每個扇區(qū)采集1 次；采用3 個探測器時，測井儀旋轉(zhuǎn)1 周，每個扇區(qū)采集3 次。探測器越多，計數(shù)率和能譜的統(tǒng)計精度越高。當探測器數(shù)量較多時（4 個或更多），測井儀不用旋轉(zhuǎn)，直接滑動便能獲得方位伽馬成像圖，可減少工作量，縮短測井時間；并且，探頭數(shù)量越多，方位數(shù)據(jù)采集密度越大，成像越準確。但是，探測器數(shù)量增多，不僅增加成本，還會影響測井儀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，所以選擇探測器數(shù)量時應在保證計數(shù)統(tǒng)計精確性、滑動測量模式下數(shù)據(jù)采集密度、測井儀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下盡量降低成本。綜合考慮后，筆者以2 個探測器互成180°的測井儀為研究對象。

1.2 MCNP 計算模型

筆者研究的隨鉆方位伽馬能譜測井儀對應MCNP 計算模型的正視與俯視圖如圖1 所示。圖1中，1 代表鉆鋌5 和地層6 之間的井眼間隙，2 是鉆井液通道，3 和30 是2 個互成180°的NaI 晶體探測器。以下模擬研究只對NaI 晶體探測器3 計數(shù)。

圖 1 建立的MCNP 計算模型Fig.1 Established MCNP calculation model

MCNP 計算模型的參數(shù)設定為：模型半徑60.44 cm，模型高200.00 cm，井眼間隙ΔR=5.00 cm；地層6 為泥質(zhì)砂巖，其質(zhì)量組成為40%泥質(zhì)，10% H2O 和50%SiO2，密度為2.06 kg/L，40% 泥質(zhì)由16% 高嶺石、16%蒙脫石、1%U、1%Th 和6%K 組成。上述參數(shù)可根據(jù)研究的具體情況進行調(diào)整。

2 井眼環(huán)境影響因素分析

采用圖1 所示的MCNP 計算模型，分析鉆井液密度、井眼間隙和鉆井液中KCl 含量對隨鉆方位伽馬能譜計數(shù)率及能譜響應的影響情況。

2.1 鉆井液（不含KCl）密度對響應特征的影響

鉆井液由蒙脫石和水按不同質(zhì)量分數(shù)混合得到。保持地層參數(shù)不變，模擬了不同鉆井液密度和井眼間隙下的計數(shù)率和能譜響應特征。

2.1.1 計數(shù)率響應

不同鉆井液密度、不同井眼間隙下的計數(shù)率響應情況如圖2 所示。

從圖2 可以看出：在相同井眼間隙下，鉆井液密度越大，計數(shù)率越?。辉阢@井液密度相同的情況下，井眼間隙越大，計數(shù)率越小。分析認為，井眼間隙、鉆井液密度變大，伽馬射線在鉆井液中的衰減增強，導致接收到的伽馬射線減少，計數(shù)率變小。

2.1.2 能譜響應

對比相同鉆井液密度（ρm=1.32 kg/L）、不同井眼間隙下的能譜，結(jié)果如圖3 所示。

圖 2 不同鉆井液密度、井眼間隙下的計數(shù)率Fig.2 Total count rate at different mud densities and wellbore gaps

圖 3 不同井眼間隙下的能譜Fig.3 Energy spectrum at different wellbore gaps

從圖3 可以看出，井眼間隙越大，特征能道計數(shù)率越??；而不同井眼間隙下的能譜基本重疊在一起，即能譜形狀一致（各能道計數(shù)率的相對大小一致）。

對比不同鉆井液密度、相同井眼間隙（ΔR=5 cm）下 的能譜，結(jié)果如圖4 所示。

圖 4 不同鉆井液密度下的能譜Fig.4 Energy spectrum at different mud densities

從圖4 可以看出，鉆井液密度越大，特征能道計數(shù)率越小，而不同鉆井液密度下的能譜形狀一致。

綜合上述分析可知，鉆井液密度越大、井眼間隙越大，地層伽馬射線的衰減越強，導致能譜的各能道計數(shù)率均變小，但并未改變能譜形狀。

2.2 含KCl 鉆井液對響應特征的影響

用蒙脫石、KCl 和水按不同質(zhì)量分數(shù)配制不同密度的鉆井液。為防止鉆井液中KCl 的響應被掩蓋，將地層中K，U 和Th 的含量設為低值（0.001%U，0.001%Th 和1%K），并適當減小地層半徑。保持鉆井液密度、地層不變，模擬了不同KCl 含量、不同井眼間隙下的計數(shù)率和能譜響應。

2.2.1 計數(shù)率響應

鉆井液密度、地層參數(shù)不變，不同KCl 含量和井眼間隙下的計數(shù)率響應如圖5 所示。

圖 5 不同KCl 含量、井眼間隙下的計數(shù)率Fig.5 Counting rate at different KCl contents and wellbore gaps

圖 6 不同KCl 含量下的能譜Fig. 6 Energy spectrum at different KCl contents

從圖5（a）可以看出，在相同井眼間隙下，鉆井液中KCl 含量越高，絕對計數(shù)率越大，這是因為KCl本身具有放射性，其含量增加，相當于增加了放射源的放射強度。從圖5（b）可以看出，KCl 含量分別為0，5%和10%時，計數(shù)率與井眼間隙負相關(guān)，井眼間隙越大，計數(shù)率越小，此時鉆井液對伽馬射線主要起衰減作用；KCl 含量為15%，20%和25%時，計數(shù)率與井眼間隙正相關(guān)，井眼間隙越大，計數(shù)率越大，此時KCl 的影響以增大放射源強度為主。

2.2.2 能譜響應

相同井眼間隙（ΔR=5 cm）、不同KCl 含量下的能譜響應如圖6 所示。

從圖6（a）可以看出，鉆井液中KCl 含量增大，K 特征能道處的計數(shù)率增大，其他能道的計數(shù)率變化較小；從圖6（b）可以看出，KCl 含量增大，能譜形狀改變，K 峰更尖，同時對其他特征能道也產(chǎn)生了較大影響。

3 地層特性的影響分析

為了考察地層條件對隨鉆方位伽馬能譜測井計數(shù)率及能譜的影響，分析了不同地層密度和傾斜泥巖層不同傾角、厚度和方位角下的響應特征。

3.1 地層骨架對響應特征的影響

采用圖1 所示的計算模型，將地層6 設置為50%骨架+10% 水+50% 泥質(zhì)（泥質(zhì)中含有1% U、1%Th 和6%K），井眼中介質(zhì)為鉆井液（40%蒙脫石+60%水）。保持鉆井液和井眼間隙（ΔR=5 cm）不變，改變地層骨架成分（分別取石英、方解石和白云石，對應地層密度為2.06，2.08 和2.12 kg/L），模擬分析計數(shù)率和能譜響應特征。

3.1.1 計數(shù)率響應

鉆井液和井眼間隙固定不變，改變地層骨架成分，得到的計數(shù)率響應如圖7 所示。

從圖7 可以看出，地層密度越大，計數(shù)率越小。

3.1.2 能譜響應

鉆井液和井眼間隙固定不變，不同骨架下的能譜響應結(jié)果如圖8 所示。

從圖8（a）可以看出，地層密度增大，能譜某些特征道的計數(shù)率增大，但增幅很小；從圖8（b）可以看出，骨架成分改變，能譜形狀并沒有改變。

綜合上述分析可知，地層骨架成分（即改變地層密度）改變，會改變伽馬射線的衰減能力，進而影響計數(shù)率，但并不改變能譜形狀。

3.2 界面傾角對響應特征的影響

圖 7 不同地層骨架下的計數(shù)率Fig. 7 Counting rate at different formation matrices

圖 8 不同地層骨架下的能譜Fig. 8 Energy spectrum at different formation matrices

采用如圖9 所示計算模型分析NaI 晶體探測器3 穿過傾斜界面時的響應特征。原點在模型中心處，傾斜界面穿過原點，界面上部地層為純砂巖（成分為10% H2O+90% SiO2，密度為2.27 kg/L），界面下部地層為泥質(zhì)砂巖（其成分與圖1 中泥質(zhì)砂巖相同，含1% U+1% Th+6% K，密度為2.06 kg/L），井眼間隙設為0 cm。圖9 中：a 為傾斜界面傾角，（°）；hz為記錄點到原點的距離，cm；p 為儀器旋轉(zhuǎn)角度（與傾斜界面方位角相反，度數(shù)相同），（°）。

圖 9 傾斜界面的MCNP 計算模型Fig.9 MCNP calculation model of inclined interface

模擬時，保持旋轉(zhuǎn)角度p=0°，改變傾斜界面傾角a（-40°、-20°、0°、20°、40°、60°、80°，逆時針為正），分析不同傾角下NaI 晶體探測器3 從下向上穿過界面時的計數(shù)率和能譜響應特征。

3.2.1 計數(shù)率響應

保持p=0°，改變a，模擬不同傾角下探測器從下向上穿過界面時的計數(shù)率，結(jié)果如圖10 所示。

從圖10 可以看出，固定傾角a，NaI 晶體探測器3 從下向上移動時，計數(shù)率先保持不變，之后逐漸減小形成過渡區(qū)，最后保持不變，且傾角越大，過渡區(qū)越寬；過渡區(qū)內(nèi)，固定hz，傾角越大，計數(shù)率越大。

保持 p =0°，取hz=0，對比不同傾角下的計數(shù)率，結(jié)果如圖11所示。

從圖11 可以看出，傾角越大，計數(shù)率越大，這是因為傾角變大，導致探測器3 右側(cè)有更多的放射性地層進入其探測范圍，而探測器3 左側(cè)離開探測范圍的放射性地層比較少，整體表現(xiàn)為探測范圍內(nèi)放射性地層增加，故隨著傾角變大，計數(shù)率增大，但傾角超過50°后增大趨勢變緩。

3.2.2 能譜響應

取p=0°、hz=0，模擬了不同傾角下的能譜響應特征，結(jié)果如圖12 所示。

從圖12（a）可以看出，隨著傾角變大，能譜各能道的計數(shù)率普遍增大；從圖12（b）可以看出，傾角變化，不會改變能譜形狀，不影響K，U 和Th 含量的計算結(jié)果。

3.3 方位角對響應特征的影響

圖 10 探測器穿過不同傾角界面時的計數(shù)率Fig. 10 Counting rate when the detector passes through interfaces with different dip angles

圖 11 原點處不同界面傾角下的計數(shù)率Fig. 11 Counting rate at different interface dips at the origin

采用圖9 所示的計算模型，通過旋轉(zhuǎn)隨鉆方位伽馬能譜測井儀得到不同的傾斜界面方位角。界面傾角設為a=40°，改變旋轉(zhuǎn)角度p（0°、45°、90°、135°和180°，順時針為正），模擬不同旋轉(zhuǎn)角度下、NaI 晶體探測器3 從下向上穿過界面時的計數(shù)率及能譜響應特征。

圖 12 不同界面傾角下的能譜Fig. 12 Energy spectrum at different interface inclinations

3.3.1 計數(shù)率響應

不同旋轉(zhuǎn)角度下，探測器從下向上穿過界面時的計數(shù)率響應如圖13 所示。

從圖13 可以看出，旋轉(zhuǎn)角一定，儀器從下向上移動時，計數(shù)率先保持不變，之后逐漸減小形成過渡區(qū)，最后保持不變，且不同旋轉(zhuǎn)角度下過渡區(qū)的寬度相同。由此可知，影響過渡區(qū)寬度的并不是方位角，而是傾斜角；過渡區(qū)內(nèi)，記錄點到層界面的距離一定時，方位角越大，計數(shù)率越小。

取hz=0，對比儀器在不同旋轉(zhuǎn)角度下的計數(shù)率，結(jié)果如圖14 所示。

從圖14 可以看出，旋轉(zhuǎn)角度（界面方位角）越大，計數(shù)率越小，這是因為旋轉(zhuǎn)角度變大，NaI 晶體探測器3 探測范圍內(nèi)的放射性地層減少。

3.3.2 能譜響應

取a=40°、hz=0，對比不同旋轉(zhuǎn)角度下的能譜響應特征，結(jié)果如圖15 所示。

從圖15（a）可以看出，界面傾角變大，各能道的計數(shù)率普遍增大；從圖15（b）可以看出，界面傾角變化，不改變能譜形狀，不影響K，U 和Th 含量的計算結(jié)果。

3.4 傾斜地層厚度對響應特征的影響

圖 13 不同旋轉(zhuǎn)角度下的計數(shù)率Fig. 13 Counting rate at different azimuths

圖 15 不同旋轉(zhuǎn)角度下的能譜Fig. 15 Energy spectrum at different rotating angles

圖 14 原點處不同旋轉(zhuǎn)角度下的計數(shù)率Fig. 14 Counting rate at different rotating angles at the origin

采用如圖16 所示模型（H 為傾斜地層厚度，cm），保持a=30°、p=0°不變，改變H（分別取20，40，60和80 cm），模擬分析了NaI 晶體探測器3 穿過不同厚度傾斜放射性地層時的計數(shù)率和能譜響應特征。

圖 16 傾斜地層厚度的MCNP 計算模型Fig.16 MCNP calculation model of inclined formation with a certain thickness

3.4.1 計數(shù)率響應

探測器從下向上穿過不同厚度傾斜地層時的計數(shù)率響應如圖17 所示。

從圖17 可以看出，地層厚度H 固定，儀器從下向上移動時，厚層（H=60 和80 cm）有平臺，而薄層（H=20 和40 cm）沒有平臺，地層厚度越大，半幅度法確定的地層厚度越可靠；固定hz，地層厚度H 越大，計數(shù)率越大。

取hz=0，對比不同地層厚度下的計數(shù)率差異，結(jié)果如圖18 所示。

圖 17 傾斜地層不同厚度下的計數(shù)率Fig. 17 Counting rate at different inclined formation thicknesses

圖 18 原點處傾斜地層不同厚度下的計數(shù)率Fig. 18 Counting rate at different inclined formation thicknesses at the origin

從圖18 可以看出，地層厚度越大，計數(shù)率越大，當?shù)貙雍穸冗_到一定程度時，計數(shù)率不再增大，這是因為超過了NaI 晶體探測器的縱向探測范圍。

3.4.2 能譜響應

取a=30°、p=0°、hz=0 并保持不變，對比不同地層厚度H（分別取20，40，60 和80 cm）下的能譜響應特征，結(jié)果如圖19 所示。

圖 19 傾斜地層不同厚度下的能譜響應Fig. 19 Energy spectrum response at different inclined formation thicknesses

從圖19（a）可以看出，地層層厚越大，各能道的計數(shù)率越大；從圖19（b）可以看出，不同地層層厚下，各能道的相對計數(shù)率基本相同，即地層厚度變化不會改變能譜形狀。

4 井眼環(huán)境影響的校正

井眼環(huán)境的影響屬于不利影響，應該消除；而地層特性的影響反映了地層的某種特性，包含有用的地層信息，不能直接消除，故筆者只研究消除井眼環(huán)境影響的校正過程。鉆井液中含有KCl 時，相當于在井眼中放置了額外的放射源，因此，應先消除KCl 對計數(shù)率的額外影響；然后，再對鉆井液密度、井眼間隙進行聯(lián)合校正。由圖5 可得KCl 校正圖版，如圖20（a）所示；由圖2 可得鉆井液密度校正圖版，如圖20（b）所示。

KCl 校正圖版中，校正率的計算公式為：

圖 20 KCl 和鉆井液密度校正圖版Fig. 20 Correction chart of KCl and drilling fluid density

圖 21 校正前后泥質(zhì)含量計算值對比Fig. 21 Comparison of the calculated values of muddy content before and after correction

式中：Δ1為KCl 校正圖版的校正率；N 為有井眼間隙和鉆井液中含KCl 時的計數(shù)率；N0為井眼間隙為0（或為標準井眼間隙）且鉆井液中不含KCl 時的計數(shù)率。

KCl 校正方法為：1）確定井眼間隙ΔR 和鉆井液中KCl 的質(zhì)量分數(shù)；2）根據(jù)ΔR、KCl 質(zhì)量分數(shù)和KCl 校正圖版確定Δ1；3）根據(jù)N 和Δ1，確定KCl 校正后的計數(shù)率NCK，NCK=N(1+Δ1)。

鉆井液密度校正圖版中，校正率Δ2的計算方法同上。鉆井液密度校正過程為：1）確定井眼間隙ΔR 和鉆井液密度ρm；2）根據(jù)ΔR 和ρm在鉆井液密度校正圖版上選取或用插值法確定校正曲線，算出校正率Δ2；3）根據(jù)KCl 校正后的計數(shù)率NCK和Δ2，確定KCl、鉆井液密度及井眼間隙校正后的計數(shù)率NC，NC=NCK(1+Δ2)。

利用校正前后的伽馬計數(shù)率計算泥質(zhì)含量，并與真實的泥質(zhì)含量進行對比，結(jié)果如圖21 所示（圖21中，紅色虛線代表計算值與真實值相等）。從圖21可以看出，利用校正后計數(shù)率計算的泥質(zhì)含量更接近真實值。

圖 22 校正前后K 含量計算值對比Fig. 22 Comparison of calculated potassium content before and after calibration

井眼鉆井液中含有KCl 時，利用校正前后的能譜計算K 的含量，結(jié)果如圖22 表示。從圖22 可以看出，利用校正前能譜計算的K 含量偏大，而利用校正后能譜計算的K 含量與真實值很接近，證明該校正方法有效、可靠。

5 結(jié)論與建議

1）在隨鉆方位伽馬能譜測井中，鉆井液密度、鉆井液中KCl 含量、地層骨架以及傾斜放射性地層的傾角、方位角、厚度對計數(shù)率和能譜中各能道的計數(shù)率都有影響。計數(shù)率與鉆井液中KC1 含量、地層傾角及厚度正相關(guān)，與鉆井液密度、地層骨架密度和地層傾斜界面方位角負相關(guān)。

2）鉆井液中含有KC1，相當于在井眼中放置了額外的放射性源，增加了放射源的放射強度，同時改變了放射性元素中K，U 和Th 的比例，因此可改變能譜形狀；其他因素并未改變放射性元素比例，不改變能譜形狀，不影響K，U 和Th 含量的計算結(jié)果。

3）如何充分利用斜地層的傾角、方位角、厚度對隨鉆方位伽馬能譜響應的影響規(guī)律，以及如何從中提取有用的地層信息，是值得繼續(xù)研究的問題。