張 麗 孫建孟 于華偉 姜 東 張 靜

1(中國石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 青島 266580)

2(山東科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院 青島 266590)

伽馬射線與地層發(fā)生三種效應(yīng)，光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)[1]。其中光電效應(yīng)與地層的巖性有關(guān)，康普頓效應(yīng)反映地層的密度。巖性密度測(cè)井最主要的應(yīng)用就是求取地層巖性和體積密度，在整個(gè)測(cè)量過程中，需要對(duì)探測(cè)器獲得的計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行能窗取值，即在某一能閾范圍內(nèi)求取其總計(jì)數(shù)用以計(jì)算地層密度和巖性[2]。

當(dāng)隨鉆密度測(cè)井儀在進(jìn)行井下隨鉆測(cè)量時(shí)，井眼在鉆井過程中充填了泥漿，泥漿的存在會(huì)對(duì)密度的測(cè)量與巖性的判定產(chǎn)生一定的影響[3]。而且密度測(cè)井的探測(cè)深度較淺，一般只有十幾厘米，儀器與地層間隙內(nèi)填充的泥漿與地層的密度存在一定的差值，實(shí)際測(cè)量的密度值是泥漿與地層共同作用的結(jié)果[4]。泥漿與地層密度間的差值越大，對(duì)于隨鉆密度測(cè)量的影響也就越大。同時(shí)，重晶石的存在會(huì)導(dǎo)致Pe值測(cè)量的不準(zhǔn)確，Pe的探測(cè)深度比密度的探深還要小，它反映的只有探測(cè)器窗口正對(duì)著的一小塊探測(cè)對(duì)象的特性[5]。當(dāng)泥漿中存在重晶石時(shí)，Pe值會(huì)明顯偏高，可能不能準(zhǔn)確地反映巖性。

因此，有必要針對(duì)淡水泥漿與重晶石泥漿兩種情況分析其各自適用的巖性、密度能窗范圍。筆者采用蒙特卡羅的方法對(duì)淡水泥漿和重晶石泥漿兩種情況下確定的探測(cè)器能窗范圍進(jìn)行模擬研究，來進(jìn)一步考察泥漿中加入重晶石后對(duì)能窗范圍的影響。

1 能窗劃分原理

散射伽馬能譜高能段H主要是由康普頓散射效應(yīng)的光子計(jì)數(shù)所產(chǎn)生，而低能段S反映了復(fù)合作用，即一方面計(jì)數(shù)是低能散射伽馬光子，另一方面散射光子又受地層介質(zhì)吸收效應(yīng)的影響[6]。即H段計(jì)數(shù)是地層介質(zhì)密度指數(shù)re的函數(shù)，而S段不僅是密度指數(shù)re，而且是介質(zhì)光電吸收指數(shù)Pe的函數(shù)：

因此，地層巖性和密度值可以通過隨鉆密度測(cè)量的各能區(qū)的計(jì)數(shù)得到。

低能巖性窗口的計(jì)數(shù)是由伽馬光子與地層發(fā)生光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)共同作用下的結(jié)果，即巖性窗計(jì)數(shù)NLITH是密度窗計(jì)數(shù)NLS之比是巖性指數(shù)Pe的簡單函數(shù)，即：

其中C是與儀器無關(guān)的常數(shù)；K、d通過室內(nèi)刻度井刻度得到[7]。

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得能窗測(cè)量值之比與地層巖性指數(shù)的關(guān)系式為：

則儀器分辨地層巖性指數(shù)Pe的靈敏度為：

Pe1和 Pe2是兩種地層的巖性指數(shù)，h為一個(gè)只隨儀器參數(shù)變化的當(dāng)量[8]。

2 計(jì)算模型構(gòu)建

模型包括一個(gè)伽馬源，兩個(gè)探測(cè)器，鎢鎳鐵材料的屏蔽體以及相應(yīng)的電路和機(jī)械部件[9]。伽馬源發(fā)射伽馬射線經(jīng)地層散射后，由距離放射源近、遠(yuǎn)不同的兩個(gè)探測(cè)器接收，通過分析散射伽馬射線能譜得到巖性密度測(cè)井儀的密度窗和巖性窗的范圍。

圖1 隨鉆密度測(cè)井儀器在垂直井中模型(a)和橫切面(b)Fig.1 Vertical well model (a) and its cross section interface (b).

使用MCNP程序進(jìn)行模擬時(shí)，首先構(gòu)建合理的儀器、井眼和地層的三維模型。測(cè)井儀中，放射源是能量為0.662MeV的137Cs伽馬源，源倉材料為鎢鎳鐵合金，源準(zhǔn)直孔形狀為楔形，角度為 45°，充填低密度的鈹。近、遠(yuǎn)探測(cè)器均采用NaI晶體，其源距分別為 15cm和35cm。屏蔽體材料為鎢鎳鐵合金。井眼直徑為22cm，內(nèi)填充淡水。采用F8卡分別記錄兩個(gè)探測(cè)器柵元中的伽馬射線的計(jì)數(shù)。通過合理的減方差技巧，使每次模擬結(jié)果的統(tǒng)計(jì)誤差小于2%。記錄能量大于0.01MeV的伽馬光子，抽樣2×109個(gè)源粒子數(shù)。隨鉆密度測(cè)井儀在垂直井中的縱切面和橫切面如圖1所示，儀器位于井筒一側(cè)，緊貼井壁，地層為飽含氣體(CH4)的石灰?guī)r地層。假設(shè)地層界面是水平的，在某一深度點(diǎn)水平方向上地層假設(shè)為各向同性的。

3 淡水泥漿下能窗劃分

為了研究不同泥漿類型對(duì)巖性和密度能窗范圍的影響，使用蒙特卡羅模擬手段，首先模擬淡水泥漿鉆井條件下獲得的散射伽馬能譜[11]。模擬時(shí)選取散射伽馬能量范圍是0.001–0.652MeV，由于該能譜的總計(jì)數(shù)相差好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，為方便比較，對(duì)它們進(jìn)行了歸一化處理，即將每一個(gè)計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)除以能量大于0.1 MeV的光子總計(jì)數(shù)，并且進(jìn)行變參數(shù)雙指數(shù)平滑處理操作，最后得到近、遠(yuǎn)探測(cè)器在相同密度、不同巖性的散射g能譜[12-13]。如圖2所示。

從圖2可以看出，經(jīng)歸一化、平滑處理操作之后的能譜曲線，在低能譜段，由不同巖性引起的能譜曲線是不相同的且存在明顯差異；在高能譜段，避開了對(duì)光電效應(yīng)靈敏的能閥區(qū)后，相同密度引起的能譜譜段重疊在一起。

在相同密度的砂巖、石灰?guī)r和白云巖地層中測(cè)得的近探測(cè)器的散射伽馬能譜中，能量區(qū)間[260,440]keV內(nèi)計(jì)數(shù)幾乎完全重合；遠(yuǎn)探測(cè)器在[190,390]keV能量區(qū)間內(nèi)計(jì)數(shù)也幾乎完全重合，因此可以認(rèn)為，此時(shí)淡水泥漿條件下確定的近、遠(yuǎn)探測(cè)器的密度窗的范圍分別是[260,440]keV和[190,390]keV。同樣，在巖性能閥的選擇區(qū)間內(nèi)，探測(cè)器在三種巖性的地層中的計(jì)數(shù)差異最大，這樣才能保證該儀器對(duì)地層巖性有足夠的靈敏度。在[60,150]keV能量區(qū)間內(nèi)，探測(cè)器在三種模擬地層中的計(jì)數(shù)差異最大，且隨著巖性指數(shù)Pe的增大，該差異有增大的趨勢(shì)。

圖2 近探測(cè)器(a) 遠(yuǎn)探測(cè)器(b)在相同密度，不同巖性指數(shù)的三種地層中測(cè)得的散射伽馬能譜Fig. 2 g-ray spectrometry of the near detector (a) and the far detector (b) in different formation with the same density and different lithology.

同樣，為了保證在選定的巖性能閥區(qū)間內(nèi)，儀器對(duì)地層巖性有足夠的靈敏度，采用蒙特卡羅方法，模擬七種地層條件（鐵、石灰?guī)r、白云巖、鋁、砂巖、礦化水、純淡水）下，五個(gè)巖性能窗范圍的計(jì)數(shù)比與Pe的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 不同巖性能窗NLITH/NLS~Pe關(guān)系Fig. 3 NLITH/NLS~Pe in different lithology window.

從圖3可以看出，在選擇的五種巖性能窗的范圍內(nèi)，均能得到較好的 NLITH/NLS~Pe關(guān)系曲線。曲線的斜率即為靈敏度h關(guān)系式內(nèi)的 K，且隨著巖性能窗范圍的增大，式中C值的選擇范圍逐漸減小，儀器分辨地層巖性的靈敏度h逐漸增強(qiáng)。因此，在實(shí)際計(jì)算過程中，可以適當(dāng)放寬巖性能窗范圍，有利于增加巖性判別的靈敏度。但在Pe較低的地層中使用過寬的巖性能窗范圍會(huì)使測(cè)量值有很大偏差。

而且，巖性窗選擇范圍較窄時(shí)，模擬得到的能窗計(jì)數(shù)比與Pe的線性關(guān)系并不十分好，當(dāng)選擇的巖性窗范圍在[60,150]keV時(shí)，兩者幾乎完全呈線性關(guān)系。由此，驗(yàn)證了前述劃分的巖性能窗范圍的正確性，認(rèn)為巖性能窗為[60,150]keV時(shí)能保證儀器有較高的巖性靈敏度，也能保證計(jì)數(shù)結(jié)果有較高的精確度。

4 重晶石泥漿下能窗劃分

為了研究重晶石泥漿對(duì)巖性、密度能窗劃分的影響，采用上述相同的儀器-井眼-地層模型，在淡水泥漿中加入一定量的重晶石，得到重晶石泥漿下的模擬條件。采用蒙特卡羅模擬方法，得到重晶石泥漿鉆井條件下的散射伽馬能譜。模擬時(shí)選取散射伽馬能量范圍是0.001–0.652MeV，由于該能譜的總計(jì)數(shù)相差好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，為方便比較，對(duì)它們進(jìn)行了歸一化處理，即將每一個(gè)計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)除以能量大于0.1MeV的光子總計(jì)數(shù)，并且進(jìn)行變參數(shù)雙指數(shù)平滑處理操作，最后得到近、遠(yuǎn)探測(cè)器在相同密度、不同巖性地層中的散射g能譜[12-13]。如圖4所示。

圖4 近探測(cè)器(a) 遠(yuǎn)探測(cè)器(b)在相同密度，不同巖性指數(shù)的三種地層中測(cè)得的散射伽馬能譜Fig. 4 g-ray spectrometry of near detector (a) and far detector(b) in different formation with the same density and different lithology.

從圖4可以看出，在重晶石泥漿條件下，經(jīng)歸一化、平滑處理操作之后的能譜曲線，近探測(cè)器的能量區(qū)間[265,430]keV內(nèi)幾乎完全重合，遠(yuǎn)探測(cè)器在[195,385]keV能量區(qū)間內(nèi)計(jì)數(shù)也幾乎完全重合，因此可以認(rèn)為，此時(shí)重晶石泥漿條件下確定的近、遠(yuǎn)探測(cè)器的密度窗的范圍分別是 [265,430]keV和[195,385]keV。同樣，為了保證儀器對(duì)地層巖性有足夠的靈敏度，要求探測(cè)器對(duì)不同巖性地層的模擬響應(yīng)差異最大。在[70,140]keV的能量范圍內(nèi)，近探測(cè)器模擬響應(yīng)的差異最明顯，且隨著巖性指數(shù)Pe的增大，該差異有增大的趨勢(shì)，因此可以將近探測(cè)器的巖性窗范圍定為[70,140]keV，即能保證儀器有較高的巖性靈敏度，又能保證計(jì)數(shù)結(jié)果有較高的精確度。

5 總結(jié)

在常規(guī)地層中，無論是在淡水泥漿還是重晶石泥漿條件下，劃分近、遠(yuǎn)探測(cè)器的能窗的依據(jù)不變。不管是巖性窗還是密度窗，在相同巖性或密度的模擬條件下，在選擇的范圍內(nèi)有大致相同的計(jì)數(shù)；在不同巖性或密度的模擬條件下，均能保證在選擇范圍內(nèi)存在較明顯的差異。

采用上述相同的儀器-井眼-地層模型，在相同密度，不同巖性的三種地層中，淡水泥漿條件下確定的近、遠(yuǎn)探測(cè)器的密度窗分別為[260,440]keV和[190,390]keV，近探測(cè)器的巖性窗為[60,150]keV；加入重晶石后，近、遠(yuǎn)探測(cè)器的密度窗的范圍分別為[265,430]keV和[195,385]keV，近探測(cè)器的巖性窗范圍為[70,140]keV。

對(duì)比分析淡水泥漿和重晶石泥漿兩種條件下確定的巖性窗和密度窗的范圍，結(jié)果表明：泥漿中加入重晶石，會(huì)使巖性窗和密度窗的范圍都變小，而且由于重晶石的巖性指數(shù)值較常規(guī)地層大很多，可以很明顯地辨別出含重晶石地層，但是如果泥漿中加入重晶石，對(duì)地層巖性指數(shù)值的計(jì)算將產(chǎn)生較大誤差。所以，重晶石泥漿情況下探測(cè)窗能閥的分析對(duì)于提高巖性密度測(cè)井儀的測(cè)量精度有重要的理論意義。

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