一種地層元素測井元素標準譜制作與應用方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于石油井下測井技術領域，特別設及一種地層元素測井元素標準譜制作 與應用方法。
【背景技術】
[0002] 近幾年，隨著復雜巖性（火成巖、變質(zhì)巖、碳酸鹽巖、堿巖等）油氣藏、頁巖氣、致密 氣等非常規(guī)油氣藏勘探開發(fā)的深入，地層元素測井的作用得到越來越多重視，應用日益廣 泛，例如，在頁巖氣和致密氣勘探中，地層元素測井已經(jīng)成為必測項目。運是因為弄清巖性 和骨架參數(shù)是測井解釋的基礎，對非常規(guī)油氣藏而言，尤為重要。地層元素測井可W直接、 準確的確定巖性，運是其它測井方法無法比擬的。
[0003]W往制作元素標準譜都是采用儀器實測的方法，運種方法需要建造一批由單一元 素（或其簡單化合物）構(gòu)成的模型井，不僅投資巨大，而且難W保證模型井條件與實際地層 一致，測量和數(shù)據(jù)處理過程也非常繁瑣耗時，運成為地層元素測井發(fā)展的一個障礙。
[0004] 另外，地層中所含元素種類多，例如，火成巖之類的復雜巖性地層，對測量次生伽 馬能譜有貢獻的元素超過10個，在一個能譜中準確分析如此多的元素，對能譜解析方法提 出的很高的要求，特別的，石油測井儀器所處的井眼高溫環(huán)境，探測器尺寸的限制，W及測 井實效的要求，導致地層元素測井儀器能夠選用的探測器（如BG0探測器）能量分辨率較 差，能譜計數(shù)也不高，能譜解析難度更大。

【發(fā)明內(nèi)容】
陽〇化]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種用于測井的地層元素標準譜的使用方法， 解決了現(xiàn)有技術中測井地層元素不精確的技術問題。
[0006] 為解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種用于測井的地層元素標準譜的使用方 法，包括如下步驟：
[0007] 通過蒙特卡洛數(shù)值模擬方法制作元素標準譜；
[0008] 利用儀器實測能譜對所述元素標準譜進行實驗驗證，W使所述元素標準譜和所 述儀器實測能譜的差異滿足預設范圍；
[0009] 得到地層元素的俘獲伽馬能譜和/或非彈性散射伽馬能譜；
[0010] 基于所述元素標準譜，通過最小二乘法對所述俘獲伽馬能譜和/或所述非彈性散 射伽馬能譜進行解譜；所述解譜的方法包括如下步驟：計算得到譜儀卡段響應矩陣；計算 待解譜在各所述段區(qū)總計算值；根據(jù)所述各段區(qū)總計算值，計算得到對角權矩陣；根據(jù)所 述對角權矩陣，計算得到初始產(chǎn)額；根據(jù)所述初始產(chǎn)額，計算得到殘差的均方數(shù)；將所述殘 差的均方數(shù)與設定精度值進行判斷；根據(jù)判斷結(jié)果對所述初始產(chǎn)額進行調(diào)整，計算得到最 終產(chǎn)額；
[0011] 基于所述最終產(chǎn)額，計算得到所述地層元素。
[0012] 進一步地，所述利用儀器實測能譜對所述元素標準譜進行實驗驗證，包括如下步 驟：
[0013] 首先對所述元素標準譜進行歸一化和能量刻度處理，然后將所述儀器實測能譜與 所述元素標準譜進行比對，使所述元素標準譜和所述儀器實測能譜的差異滿足最小差異范 圍。
[0014] 進一步地，在所述計算得到譜儀卡段響應矩陣之前，所述方法還包括：
[0015] 設定輸入段區(qū)數(shù)和段區(qū)的左右邊界；
[0016] 根據(jù)所述段區(qū)數(shù)和所述段區(qū)的左右邊界，分別計算各元素標準譜在各段區(qū)的總計 數(shù)值。
[0017] 進一步地，所述譜儀卡段響應矩陣如下所示： 陽0化]
i =1，2,... n
[0019] 其中，Nk南所述元素標準譜歸一化后第j種元素的的第k道計數(shù)，a1嘴響應矩陣 的（i，j)元，即A的第i行第j列的元素。
[0020] 進一步的，所述對角權矩陣如式下所示：
[0021]
陽02引其中，
[0023]
[0024] 式中，W為對角權陣，W。是W的（i，U元。
[00巧]進一步的，所述殘差的均方數(shù)如下所示：
[0026]
[0027] 其中，A2為殘差的均方數(shù)，y,為初始產(chǎn)額。
[0028] 進一步的，所述基于所述最終產(chǎn)額，計算得到所述地層元素，如下所示：
[0029]
[0030] 其中，Wt,表示地層中第j種元素的重量百分含量；y,表示第j種元素的產(chǎn)額，即第 j種元素中子俘獲伽馬譜對混合譜的貢獻分額；S，表示第j種元素的相對靈敏度因子，F(xiàn)為 歸一化因子。
[0031] 本發(fā)明提供的用于測井的地層元素標準譜的使用方法，通過蒙特卡洛數(shù)值模擬方 法制作元素標準譜，整個過程由計算機模擬完成，周期短，可W節(jié)省大量經(jīng)費，而且，在虛擬 地層模型中，可W根據(jù)需要任意設置各種參數(shù)，能夠保證測量條件達到要求。
【附圖說明】
[0032]圖1為本發(fā)明實施例提供的測井的地層元素標準譜的使用方法結(jié)構(gòu)示意圖；
[003引圖2A-圖2B為本發(fā)明實施例提供的12中元素的俘獲伽馬標準譜；
[0034] 圖3A-圖3F為本發(fā)明實施例提供的儀器實測譜與元素標準譜的對比效果；
[0035]圖4為本發(fā)明實施例提供的測井的地層元素標準譜的使用方法步驟圖；
[0036] 圖5是本發(fā)明實施例提供的利用逐道最小二乘法、卡段最小二乘法來進行解譜的 實施過程圖。
[0037] 附圖標記： 陽03引 1、中子源，2、快中子屏蔽體，3、棚套，4、BG0探測器，5、放大和整形電路，6、保溫瓶， 7、地層，8、井眼。
【具體實施方式】
[0039] 在本發(fā)明實施例中，首先介紹本發(fā)明需要用到的地層元素測井儀器，地層元素測 井儀通過測量中子在地層中產(chǎn)生的俘獲伽馬能譜，或者同時測量俘獲伽馬能譜和非彈性散 射伽馬能譜（總稱為次生伽馬能譜），獲取地層巖石骨架中Si、Ca、化、S、Ti、Gd、Mg、K、Mn、 Al、H、Cl、C和0等元素含量，確定巖性和骨架參數(shù)。該儀器采用媚-被中子源或者可控脈 沖中子源，中子源發(fā)射快中子，快中子與周圍（地層、井眼和儀器本身）的物質(zhì)發(fā)生非彈性 散射和彈性散射，能量逐漸降低，成為只能處于熱運動狀態(tài)的中子一熱中子，熱中子最終被 周圍核素俘獲而消失。在非彈性散射和熱中子俘獲反應中，會放出伽馬射線，地層元素測井 儀器測量運些次生伽馬，并進行能譜分析，獲取元素含量。
[0040] 參見圖1，地層元素測井儀器主要由Am-Be中子源1、中子屏蔽體2、棚套3、BG0伽 馬探測器4、信號采集于放大和整形電路5和保溫瓶6組成。儀器主體結(jié)構(gòu)分為12. 7cm和 90cm兩段。其中，中子源置于90cm段，位于整個儀器的下段。BG0探測器4位于12.7cm段 和放大和整形電路相接，運兩部分均置于保溫瓶6中。中子屏蔽體則位于中子源于BG0探 測器4之間。在BG0探測器處4的儀器外殼上，通過內(nèi)嵌式包裹了熱中子屏蔽體2,它主要 吸收來自于儀器外的熱中子，防止儀器自身元素對儀器實測譜的影響。
[0041] 在圖1中，井眼8為8inch，半徑為150畑1，高度為130cm的元素標準井模塊組成， 地層中元素都有與之對應的標準井模塊。地層元素測井儀可W準確測量的元素Si,Ca，S， Fe，Ti，Gd，Al，K，Mg，Mn，加上標準井模塊的井眼和空隙流體中可能出現(xiàn)的H和Cl元素在 標準模塊中WSi〇2,CaC〇3,S〇2,化2〇3,Ti〇2,Gd2〇3,AI2O3,KzO,MgO,Mn〇2, &0,化C1 的形式存 在，對元素標準井模塊添加一定的孔隙度（孔隙流體為純水）使得元素標準井模塊具有相 同的地層密度（2. 5g/cm3)和相同快中子慢化長度（30cm)。
[0042] 本發(fā)明實施例提供的一種地層元素測井元素標準譜制作與應用方法。
[0043] 具體來說，本發(fā)明的主要實施原理是：
[0044] 首先，通過蒙特卡洛數(shù)值模擬制作了元素標準譜。如附圖2A-圖2B所示，圖中給 出了12中元素的俘獲伽馬標準譜。
[0045] 然后，對元素標準譜進行試驗驗證。
[0046] 具體來說，元素標準譜的實驗驗證，可W在已知地層元素種類和含量的模型井中 測量，也可W在地層元素種類和含量已知的實際地層中測量。例如，下面列舉了一種驗證方 式，是在砂巖、石灰?guī)r、白云巖共6口模型井中進行實驗驗證。附圖3A-3F描述了在運些模 型井中儀器實測譜與模擬能譜的對比效果，能夠達到一致性的要求，對比結(jié)果表明采用本 發(fā)明制作的元素標準譜和所述儀器實測能譜的差異能夠滿足最小差異范圍，因此，本發(fā)明 制作的元素標準譜可W應用到該地層元素測井儀器的解譜處理中。
[0047] 最后，基于所述元素標準譜，對地層元素測井儀器測量到的俘獲伽馬能譜和/或 所述非彈性散射伽馬能譜進行了解譜分析和元素含量的計算。承接上述舉例，在運些模型 井中，對儀器測量到的俘獲伽馬能譜和/或所述非彈性散射伽馬能譜進行了解譜分析和元 素含量的計算，計算結(jié)果與模型井中已知的元素含量一致。
[0048] 具體來說，參見圖4,本發(fā)明設及的方法包括如下步驟：
[0049] 步驟101 :通過蒙特卡洛數(shù)值模擬方法制作元素標準譜。
[0050] 具體來說，元素標準譜是地層元素測井能譜解析的基礎。地層元素測井認為儀器 測量得到的次生伽馬能譜（即：俘獲伽馬能譜和非彈性散射伽馬能譜）是地層所含各核素 的貢獻之和。元素標準譜是假定地層由某單一組成，儀器測量得到的次生伽馬能譜，即單一 元素測量譜，在實際地層中測量到的能譜是運些單一元素譜（即標準譜）按照含量比例疊 加而成的。反之，通過解析測量能譜，能夠分析出每個元素標準譜在其中所占的比例，進而 確定元素含量。
[0051] 本發(fā)明模擬元素標準譜的過程，包含'地層元素測井蒙特卡洛數(shù)值建模'和'模擬 運算'兩部分。其中，蒙特卡洛數(shù)值建模最為關鍵，需要保證所建模型在物理上與地層元素 測井的粒子輸運過程一致，在幾何上與儀器、井眼和地層一致，從而保證數(shù)值模擬能譜與儀 器實際測量能譜一致，在此前提下，運用一些降低方差技巧W改善計算效率。完成建模及模 型驗證后，改變地層中元素的種類和含量進行模擬，就可W得到Si、CaJe、S、Ti、Gd、Mg、K、 Mn、A1、H、Cl、C和0等元素的俘獲標準譜或非彈性標準譜。
[0052]采用蒙特卡洛數(shù)值模擬方法制作元素標準譜，整個過程由計算機模擬完成，周期 短，可W節(jié)省大量經(jīng)費，而且，在虛擬地層模型中，可W根據(jù)需要任意設置各種參數(shù)，能夠保 證測量條件達到要求；當儀器結(jié)構(gòu)或參數(shù)改變時，可W很快的模擬出新的標準譜。
[0053] 步驟102:利用儀器實測能譜對所述元素標準譜進行實驗驗證，W使所述元素標