基于CIFLog 的鈾裂變瞬發(fā)中子測井解釋模塊設(shè)計(jì)與研發(fā)

劉志鋒，張寰宇，丁成龍，李偉忠，魏振華

（1.東華理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330032；2.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

近年來，湯彬等經(jīng)過多年的研究，根據(jù)鈾礦自然γ 測井和鈾裂變瞬發(fā)中子測井的基本原理，結(jié)合我國多年來在鈾礦勘探和地浸采鈾領(lǐng)域中自然γ 測井和鈾裂變瞬發(fā)中子測井的優(yōu)勢，研制出鈾礦中子-伽馬融合測井原理樣機(jī)［1-2］，滿足了我國鈾礦勘探的應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場快速測鈾。

在鈾礦勘探γ 測井研究和應(yīng)用中，有學(xué)者使用Visual Modflow 軟件系統(tǒng)推動(dòng)了核地質(zhì)信息化進(jìn)程［3］，也有學(xué)者開發(fā)了γ 測井資料處理和顯示系統(tǒng)［4］，核工業(yè)二一六大隊(duì)基于Microsoft Visual C++集成開發(fā)環(huán)境研發(fā)了γ 測井分層解釋軟件系統(tǒng)，但是鈾裂變瞬發(fā)中子測井?dāng)?shù)據(jù)解釋和成果展示還沒有成熟的系統(tǒng)。CIFLog 測井軟件系統(tǒng)是我國自主開發(fā)的具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的石油測井處理解釋軟件［5］，目前該系統(tǒng)已在我國多家石油測井公司和石油相關(guān)專業(yè)的高校進(jìn)行了推廣和應(yīng)用，驗(yàn)證了該系統(tǒng)能可靠地應(yīng)用于石油測井?dāng)?shù)據(jù)處理和展示。鈾礦測井和石油測井具有相似性，例如在數(shù)據(jù)處理、展示方面基本一致，但鈾礦含量分層解釋是鈾礦測井專屬功能。本文在CIFLog平臺(tái)基礎(chǔ)上，進(jìn)行了鈾礦定量的分層解釋模塊定制研發(fā)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了CIFLog 平臺(tái)的可拓展性，同時(shí)對鈾裂變瞬發(fā)中子測井推廣應(yīng)用具有深刻意義。

1 鈾礦測井及分層解釋原理

1.1 鈾礦自然γ 測井

自然γ 測井是鈾礦勘探測井的基本方法，包括γ 總量測井和γ 能譜測井兩種方法，該測井方法主要是通過衰變系的γ 核素推算地層鈾含量，是一種“間接測鈾”的鈾定量方法，基于其特有的放射性原理和快捷準(zhǔn)確且成本較低的特點(diǎn)，一直用于鈾資源量的估算［6］。

1.2 鈾裂變瞬發(fā)中子測井

鈾裂變瞬發(fā)中子測井是一種“直接測鈾”的核測井技術(shù)，可以現(xiàn)場定量地層巖石中的鈾含量。鈾裂變瞬發(fā)中子測井利用核裂變法直接測量礦層中的235U，不需要像γ 測井一樣使用繁瑣的取芯分析進(jìn)行鈾鐳平衡修正，由于自然界中235U 占鈾核素總量的比例固定，所以只要測定235U 在礦層中的含量，就能推斷鈾含量［7］。

1.3 五點(diǎn)式反褶積分層解釋方法

反褶積解釋就是尋找反地質(zhì)脈沖函數(shù)，對照射量率曲線進(jìn)行濾波從而得到含量曲線。計(jì)算單元層含量的五點(diǎn)式反褶積公式如下：

式中：q(Zi)為第i個(gè)單元層的含量，%；α為特征參數(shù)，與探頭結(jié)構(gòu)、鉆孔條件和地層環(huán)境等參數(shù)有關(guān)，表示單位吸收厚度對照射量率衰減的百分?jǐn)?shù)，m-1；K0為換算系數(shù)，包括鈾鐳平衡系數(shù)、射氣系數(shù)、濕度和換算系數(shù)等，為常數(shù)值；為測點(diǎn)i的照射量率，nC/（kg·h）；?Z 為單元層厚度，此處為0.1 m。

2 測井解釋模塊設(shè)計(jì)和研發(fā)

2.1 NetBeansIDE8.1 簡介

NetBeans 是一個(gè)開源Java 語言集成開發(fā)編譯軟件環(huán)境，由Sun Microsystems Inc.公司在2002 年推出，是一款可在主流的操作系統(tǒng)下構(gòu)建的世界級JavaIDE。

NetBeans 由一系列軟件模塊組成，優(yōu)勢是可以通過添加新模塊進(jìn)一步擴(kuò)展用戶使用該模塊構(gòu)建的應(yīng)用程序。由于各模塊之間相互獨(dú)立，因此第三方軟件可以輕松高效地?cái)U(kuò)展和掛接在NetBeans 軟件開發(fā)的應(yīng)用程序上。本文選用NetBeans 進(jìn)行開發(fā)，NetBeans 為開發(fā)人員提供了現(xiàn)成且完備的代碼分析器和代碼編輯器，使開發(fā)人員可以快速、平穩(wěn)地升級初始功能以及其他應(yīng)用程序，并且NetBeans 提供的一系列方便、快捷、強(qiáng)大的工具使得開發(fā)人員能夠更加迅速、高效地管理和構(gòu)建項(xiàng)目。

2.2 CIFLog 測井軟件系統(tǒng)

2.2.1 CIFLog 測井軟件系統(tǒng)的特點(diǎn)

隨著測井相關(guān)專業(yè)的快速發(fā)展，測井平臺(tái)的發(fā)展也必須具備集成化、一體化、綜合性等特征，CIFLog 測井軟件系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了勘探測井和開發(fā)測井解釋、單井和多井解釋、本地和網(wǎng)絡(luò)測井解釋一體化且支持多種操作系統(tǒng)等功能。

CIFLog 測井軟件系統(tǒng)平臺(tái)使用了可擴(kuò)充的層級式體系結(jié)構(gòu)，從上至下分為3 層：應(yīng)用層、支持層和數(shù)據(jù)層。應(yīng)用層直接面對最終的使用人員，為用戶創(chuàng)建交互式的用戶界面；支持層是應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層之間重要的溝通通道，向上可以為應(yīng)用層提供可拓展的服務(wù)功能，向下則可以通過數(shù)據(jù)訪問接口層屏蔽數(shù)據(jù)的來源以及數(shù)據(jù)層中繁瑣的內(nèi)部操作；數(shù)據(jù)層則主要負(fù)責(zé)實(shí)際的數(shù)據(jù)讀取與寫入（圖1）。

圖1 CIFLog 測井軟件平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Framework structure diagram of CIFLog logging software platform

2.2.2 CIFLog 測井軟件系統(tǒng)組成

CIFLog 測井解釋軟件主要由數(shù)據(jù)分析、測井資料預(yù)處理、常規(guī)測井處理、成像處理、曲線成果輸出、多井評價(jià)和應(yīng)用程序掛接7 部分組成（圖2）。

圖2 CIFLog 測井解釋軟件組成Fig.2 Software components of CIFLog logging interpretation

2.3 鈾礦測井解釋模塊研發(fā)

2.3.1 模塊組成

基于鈾礦測井的需求，本文設(shè)計(jì)的鈾礦分層解釋模塊主要由5 個(gè)部分組成：數(shù)據(jù)加載、數(shù)據(jù)預(yù)處理、圖形繪制、分層解釋以及成果輸出。數(shù)據(jù)加載部分需實(shí)現(xiàn)鈾礦測井?dāng)?shù)據(jù)格式的解編及轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)預(yù)處理部分包括曲線編輯、曲線校深、曲線濾波等功能模塊；圖形繪制可以實(shí)現(xiàn)鈾礦數(shù)據(jù)的繪圖需求；分層解釋包括γ 測井、熱中子測井、超熱中子3 個(gè)數(shù)據(jù)的顯示及分層解釋；排版打印模塊實(shí)現(xiàn)成果圖的多樣輸出（圖3）。

圖3 分層解釋模塊組成Fig.3 Composition of explain module in layers

2.3.2 數(shù)據(jù)解編模塊

數(shù)據(jù)解編是測井?dāng)?shù)據(jù)處理中的重要部分，但由于測井?dāng)?shù)據(jù)格式眾多、來源廣泛，各類測井平臺(tái)難以讀取這些數(shù)據(jù)。因此，開發(fā)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式與訪問接口是解決這個(gè)問題的有效方案。CIFLog 數(shù)據(jù)解編模塊提供與數(shù)據(jù)格式數(shù)據(jù)格式與訪問接口是解決這個(gè)問題的有效方案。CIFLog 數(shù)據(jù)解編模塊提供與數(shù)據(jù)格式無關(guān)的數(shù)據(jù)訪問接口，可為測井處理解釋系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)，也可進(jìn)行二次開發(fā)。目前，CIFlog 測井軟件系統(tǒng)已集成多種數(shù)據(jù)格式文件的數(shù)據(jù)解編，各國所用的測井?dāng)?shù)據(jù)格式種類繁多，全球多家測井公司都推出了不同的測井?dāng)?shù)字資料記錄格式，并且每種數(shù)據(jù)格式存在巨大差異。測井?dāng)?shù)據(jù)包括以下幾種格式：LIS 數(shù)據(jù)格式、DLIS 數(shù)據(jù) 格式、WIS 數(shù) 據(jù)格式、CIF 數(shù)據(jù)格式、XTF 數(shù)據(jù)格式、CifPlus 數(shù)據(jù)格式，本文針對鈾礦測井研發(fā)了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，轉(zhuǎn)換為CifPlus 數(shù)據(jù)格式。

2.3.3 解釋模塊設(shè)計(jì)

對每個(gè)模塊的詳細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出詳細(xì)的軟件模塊圖（圖4）。

圖4 模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)圖Fig.4 Detailed design of module drawing

利用平臺(tái)提供的二次開發(fā)接口，定制了繪圖對象以滿足成圖處理解釋需求。根據(jù)平臺(tái)底層機(jī)制，要實(shí)現(xiàn)繪圖對象模塊的定制，需要完成以下工作：曲線模塊代碼的開發(fā)、相應(yīng)窗口的屬性面板的設(shè)計(jì)與布局、通過平臺(tái)將曲線加載到繪圖中以供用戶使用（圖5）。

圖5 創(chuàng)建繪圖卡片流程圖Fig.5 Flowchart of drawing card creation

測井繪圖是各類測井解釋平臺(tái)展示測井信息的綜合化繪制曲線圖的工具，也是測井曲線輸出的核心模塊，為了使鈾礦分層解釋模塊能夠滿足使用需求，本文首先在NetBeans 上進(jìn)行了相關(guān)算法構(gòu)建，使鈾礦測井的數(shù)據(jù)能夠在CIFLog 測井軟件系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行解釋。

通過在CIFLog 測井軟件系統(tǒng)平臺(tái)繪制卡片，設(shè)計(jì)出符合鈾礦測井分層解釋的卡片，滿足鈾礦測井?dāng)?shù)據(jù)的分層解釋。其中包括了5 個(gè)曲線道（γ 測井曲線道、熱中子測井曲線道、超熱中子測井曲線道、修正測井曲線道以及分層解釋道）、一個(gè)深度道以及解釋結(jié)論，曲線屬性面板設(shè)置如圖6 所示。

圖6 曲線屬性面板設(shè)置Fig.6 Panel settings for curve properties

2.4 解釋軟件驗(yàn)證評價(jià)

2.4.1 驗(yàn)證環(huán)境

選擇核工業(yè)航測遙感中心的鈾裂變中子測井標(biāo)準(zhǔn)模型井為實(shí)驗(yàn)環(huán)境［8］，其標(biāo)準(zhǔn)模型井參數(shù)指標(biāo)如表1 所示，對鈾裂變瞬發(fā)中子時(shí)間譜與γ 能譜測井的鈾礦定量方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

表1 鈾裂變中子模型井主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indexes of neutron model for uranium fission

2.4.2 飽和模型井解釋結(jié)果驗(yàn)證

對Nu-1、Nu-2 和Nu-3 3 個(gè)鈾 的標(biāo)準(zhǔn) 模型井和Nb-4 本底模型井進(jìn)行測井實(shí)驗(yàn)，每個(gè)模型井測量時(shí)長均為180 s。任選兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)鈾模型井（編號為Nu-1、Nu-2），這些標(biāo)準(zhǔn)井的釷、鉀等放射性元素的含量可低至忽略不計(jì)，求取“鈾-鐳-氡”平衡系數(shù)KP（表2）。利用測井計(jì)數(shù)率和 表3 中的刻 度參數(shù)A1、A2和B1、B2，求得飽和鈾礦（標(biāo)準(zhǔn)鈾模型井）的鐳元素含量，再通過鐳元素含量和“鈾-鐳-氡”平衡系數(shù)KP可求得修正后的鈾元素含量。

表2 標(biāo)準(zhǔn)砂巖模型井的測井?dāng)?shù)據(jù)與鈾/鐳定量解釋結(jié)果Table 2 Logging data and uranium/radium quantitative interpretation of standard sandstone borehole model

表3 標(biāo)準(zhǔn)砂巖模型井的測井?dāng)?shù)據(jù)與刻度參數(shù)求取結(jié)果Table 3 Logging data and calibration parameters of standard sandstone borehole model

由表2 和表3 可見，對于釷、鉀含量可忽略不計(jì)的砂巖型鈾礦標(biāo)準(zhǔn)模型井，通過融合瞬發(fā)中子時(shí)間譜和自然γ 的鈾定量測井解釋方法，能夠求得同類鈾礦的鈾、鐳含量，其含量絕對誤差≤±0.002% eU，相對誤差≤±2.5%，符合我國《鈾礦地質(zhì)勘查規(guī)范》［9］的要求。

2.4.3 分層解釋結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證分層解釋結(jié)果的可用性，利用測井儀對Nu-3 標(biāo)準(zhǔn)模型井進(jìn)行模擬野外測井實(shí)驗(yàn)（測井速度為1 m/min），測井?dāng)?shù)據(jù)通過歸一化處理后，導(dǎo)入到研發(fā)的測井解釋模塊進(jìn)行分層解釋驗(yàn)證。紅色虛線為標(biāo)準(zhǔn)模型井標(biāo)稱含量曲線，黑色曲線為分層解釋含量曲線，綠色曲線為逐點(diǎn)解釋含量曲線（圖7）。利用五點(diǎn)反褶積分層解釋后確定的礦層范圍為1.02～2.82 m，礦層厚度為1.8 m，礦層內(nèi)計(jì)算出的鈾平均含量為9.62×10-4eU，與Nu-3 的標(biāo)稱含量9.83×10-4eU 的相對誤差為－2.07%。由此可見，利用本文研發(fā)的分層解釋模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以準(zhǔn)確定位鈾礦層位置，且含量解釋誤差滿足鈾礦測井含量解釋誤差要求。

圖7 分層解釋含量與標(biāo)稱含量對比圖Fig.7 Comparison of interpreted content with nominal content by layer

3 結(jié)論

本文基于CIFLog 測井軟件系統(tǒng)解釋平臺(tái)進(jìn)行鈾礦測井分層解釋模塊的設(shè)計(jì)與研發(fā)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，總結(jié)如下：

1）對CIFlog 測井軟件系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行分析，總結(jié)了CIFLog 測井解釋軟件的發(fā)展、特點(diǎn)和系統(tǒng)組成，分析了CIFLog 測井軟件系統(tǒng)應(yīng)用于鈾礦測井及進(jìn)行分層解釋的可行性，并進(jìn)行了鈾礦測井?dāng)?shù)據(jù)解編和分層解釋模塊設(shè)計(jì)與研發(fā)。

2）通過標(biāo)準(zhǔn)模型井測井實(shí)驗(yàn)獲取鈾礦測井?dāng)?shù)據(jù)，將自然γ 測井、中子測井?dāng)?shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)解編模塊導(dǎo)入到CIFlog 測井軟件系統(tǒng)，利用分層解釋模塊對導(dǎo)入的鈾礦測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分層解釋，得到的解釋結(jié)果誤差小于3%，驗(yàn)證了軟件模塊的正確性。

3）本文基于CIFLog 的鈾裂變瞬發(fā)中子測井解釋模塊設(shè)計(jì)與研發(fā)已經(jīng)取得一定的成果，后續(xù)需要開展的重點(diǎn)工作內(nèi)容是對野外實(shí)際測井?dāng)?shù)據(jù)導(dǎo)入模塊進(jìn)行解釋，驗(yàn)證正確性。