存儲式自然伽馬能譜測井儀的研制*

曾曉豐，尹國平，陽成軍，蔡志明，趙小川，張雄輝

(中國石油測井有限公司西南測井分公司 重慶 400021)

0 引 言

國內(nèi)現(xiàn)有的過鉆具存儲式測井系統(tǒng)，參數(shù)采集能力有限，特別是缺乏陣列聲波和自然伽馬能譜這種頁巖氣區(qū)塊施工作業(yè)急需的儀器。本文主要討論了存儲式自然伽馬能譜測井儀器的設(shè)計思路、關(guān)鍵技術(shù)以及對設(shè)計成果的驗證?，F(xiàn)場試驗表明，儀器穩(wěn)定性較好，初步證明一致性也較好。

1 設(shè)計思路

針對過鉆具存儲式測井施工工藝特點，儀器需要滿足以下要求：外徑小，只有60 mm；耐溫高；與地面系統(tǒng)無實時通訊；增益控制自主化。依據(jù)自然伽馬能譜測井儀器基本原理，在保障儀器的溫度性能指標(biāo)情況下，最大限度提高儀器的探測效率和分辨率，綜合考慮各方面因素提出以下設(shè)計。

儀器采用雙探測器結(jié)構(gòu)，提高探測效率和降低統(tǒng)計起伏誤差；采用特殊生產(chǎn)工藝的NaI晶體保障射線能量分辨率和耐溫性能；采用井下自動穩(wěn)譜技術(shù)實現(xiàn)增益控制自主化；采用最小二乘逆矩陣法處理譜數(shù)據(jù)。

儀器雙探測器各自輸出的脈沖信號，送到各自對應(yīng)的信號放大板分別處理成兩路脈沖信號，再分別送到數(shù)字電路，經(jīng)過四路脈沖幅度分析器進(jìn)行數(shù)字化，兩路用作穩(wěn)譜，兩路用作工程值計算。設(shè)計框圖如圖1所示。

儀器電路部分采用現(xiàn)有成熟運用的硬件電路和采集軟件。儀器硬件電路包括運算放大電路、峰值保持電路、A/D采樣電路等，性能穩(wěn)定可靠，高溫性能好。

圖1 存儲式自然伽馬能譜測井儀設(shè)計框圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 自動穩(wěn)譜技術(shù)

考慮到存儲式自然伽馬能譜測井的工作狀況，提出了一種自動穩(wěn)譜技術(shù)，在測量過程中通過軟件自動地跟蹤特征能量峰并將其穩(wěn)定在標(biāo)準(zhǔn)道址附近一個很小的區(qū)間內(nèi)。儀器選用镅源發(fā)出的能量為60 keV伽馬射線，作為穩(wěn)譜基準(zhǔn)。將用作穩(wěn)譜的數(shù)據(jù)傳送至自動穩(wěn)譜CPU電路，CPU電路通過增大或減小發(fā)送增益命令以改變高壓模塊電源輸出電壓的高低，使得镅峰穩(wěn)定在52±1道，實現(xiàn)自動穩(wěn)譜。

具體實現(xiàn)方法為，在碘化鈉晶體底部嵌入一個Am-241做穩(wěn)譜源。以Am-241特征峰的峰頂為界面，左右各開一個穩(wěn)譜窗，兩個窗的寬度相等。NU和ND分別表示上下兩個窗口的計數(shù)率。在幅度檢查電路中，镅峰下窗口對應(yīng)的電壓幅度為0.8 ～1 V，而上窗口為1 ～1.2 V。自動穩(wěn)譜CPU電路會根據(jù)镅峰多道A/D控制電路傳遞過來的镅窗信號，調(diào)整高壓控制量的大小改變當(dāng)前高壓值高低。當(dāng)NUND時，控制高壓升高，系統(tǒng)增益升高，譜線右移。當(dāng)NU=ND時，高壓控制量不變，高壓穩(wěn)定。本技術(shù)同樣可以補(bǔ)償溫度變化引起的增益變化。其工作流程如圖2所示。

圖2 自動穩(wěn)譜工作流程

自動穩(wěn)譜技術(shù)是存儲式自然伽馬能譜測井儀的一項關(guān)鍵技術(shù)。通常情況下, 采用穩(wěn)譜源自動穩(wěn)譜對高壓控制的實時性要遠(yuǎn)好于預(yù)期。譜穩(wěn)定性的好壞直接影響測量結(jié)果準(zhǔn)確性[1]。

2.2 雙探測器數(shù)據(jù)整合處理

存儲式測井系統(tǒng)測井施工時，地面系統(tǒng)記錄時間-深度文件，井下儀器記錄時間-數(shù)據(jù)文件，通過相同的時間點匹配成深度-數(shù)據(jù)文件，完成測井。對于雙探頭的儀器，要完成深度與數(shù)據(jù)的匹配，處理起來更為復(fù)雜。

假設(shè)上下兩個探頭的間距為1 m。首先，以上探頭為測量點，在時間點ta，上探頭測量深度點d的計數(shù)率為Na，在時間-深度文件中查詢上探頭上測1 m后到達(dá)的時間點為tb，再查詢時間-深度文件在時間點tb下探頭的計數(shù)率為Nb，則Nb是下探頭在深度點d的計數(shù)率，可以計算深度點d的總計數(shù)率。

2.3 譜處理技術(shù)

通常能譜譜處理方法有剝譜法、逆矩陣法和最小二乘逆矩陣法。阿特拉斯公司早期的能譜儀器就采用剝譜法進(jìn)行解譜處理，剝譜法的最大缺點是由于順次差引使得統(tǒng)計誤差也迭加下去。這些誤差的累積使具有低能伽馬特征峰的同位素成分不易分析精確[2]。而逆矩陣法解譜只使用特征道區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)，使得處理結(jié)果受譜峰漂移影響較大。

存儲式自然伽馬能譜儀器采用最小二乘逆矩陣法進(jìn)行譜分析，這種解析方法可以較好地解決以上問題，滿足地質(zhì)解釋對測量精度的要求。

2.3.1 存儲式自然伽馬能譜最小二乘逆矩陣法方法實現(xiàn)

鉀、鈾、釷放射性元素的特征峰對應(yīng)的能量分別為1.46 MeV、1.76 MeV、2.62 MeV[3]，將256道譜形劃分為5個能窗，5個能窗對應(yīng)的能量為0.19～0.5 MeV、0.5～1.1 MeV、1.1～1.6 MeV、1.6～2.0 MeV和2.0～3.0 MeV，如圖3所示。

圖3 能窗劃分示意圖

5個能窗對應(yīng)的道址為：W1，16～41；W2，42～90；W3，91～133；W4，134～166； W5，167～248。

測得的5個能窗計數(shù)率：

(1)

5個能窗的計數(shù)率Ni與U、Th、K的含量Yj的矛盾方程組見式(2)：

(2)

式(2)中，aij是j種核元素對第i個能窗計數(shù)的響應(yīng)系數(shù)。求方程的統(tǒng)計誤差εi的平方和最小，使Yj取得最優(yōu)解。響應(yīng)系數(shù)aij需要在標(biāo)準(zhǔn)刻度井群刻度求得。

被測對象U、Th、K含量Y為：

有：

Y=(ATWA)-1ATWN

(3)

其中，響應(yīng)系數(shù)aij用矩陣A表示，W為由5個能窗計數(shù)率的倒數(shù)組成的對角線矩陣，即：

利用譜數(shù)據(jù)計算出公式(1)中5個能窗計數(shù)Ni后，根據(jù)儀器響應(yīng)系數(shù)aij，按照式(3)計算出地層的K、U 、Th含量和無鈾伽馬。

2.3.2 儀器響應(yīng)系數(shù)的確定

響應(yīng)系數(shù)aij是反映儀器探測性能的參數(shù)，它反映各種核元素對譜數(shù)據(jù)的貢獻(xiàn)，必須在儀器出廠前確定。在中油測井刻度中心有能譜刻度井群，先統(tǒng)計出在不同刻度井中各能窗計數(shù)率，利用標(biāo)稱數(shù)據(jù)，通過量值傳遞的方法建立標(biāo)準(zhǔn)刻度井的K、U、Th含量與計數(shù)率之間的響應(yīng)關(guān)系，如式(4)所示，確定響應(yīng)系數(shù)aij：

i=1,2,3,4,5;j=1,2,3

(4)

以計算存儲式能譜上探測器的響應(yīng)系數(shù)為例，標(biāo)準(zhǔn)井群K、U、T h含量見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)井標(biāo)稱值及1#存儲式能譜測井儀上探測器五能窗計數(shù)率

通過關(guān)系式(4)計算1#存儲式能譜上探測器響應(yīng)系數(shù)矩陣如下：

其它探測器響應(yīng)系數(shù)矩陣以此類推運算。

刻度后的計算結(jié)果符合設(shè)計要求，見表2。

3 初步驗證

3.1 儀器刻度井標(biāo)定

儀器在標(biāo)定井進(jìn)行標(biāo)定，測井資料如圖4所示。

表2 含量計算結(jié)果

標(biāo)定井井深20.34 m、井徑216 mm、巖樣總數(shù)7層、巖樣總長14 m。單支存儲式能譜儀器儀器在標(biāo)定井中下兩次，進(jìn)行自身重復(fù)對比。在高伽馬和高鈾地層中，測量的值與地層真實值較為接近，從讀值看，總伽馬、無鈾伽馬、K、U、Th含量在誤差范圍內(nèi)，自身重復(fù)性能較好。

圖4 儀器自身重+復(fù)

3.2 現(xiàn)場測試

儀器在某井與5700能譜儀器進(jìn)行了第一次現(xiàn)場對比測試，對比資料如圖5所示。

儀器在6 700 m左右的直井段與5700能譜儀器進(jìn)行對比，井溫131°左右，能較好地檢驗儀器在高溫下的自動穩(wěn)譜、數(shù)據(jù)采集與存儲等功能，對比井段測速為6 m/min。從對比資料來看，總伽馬、K、U、Th含量和無鈾伽馬在誤差范圍內(nèi)，儀器對地層伽馬的響應(yīng)較好，但是直井段小儀器貼壁不理想，如果應(yīng)用在水平井段測量，測井資料的質(zhì)量會進(jìn)一步提高，效果會更好。

圖5 存儲式自然伽馬能譜與5700能譜對比圖

4 結(jié) 論

存儲式能譜測井儀器實現(xiàn)了井下自動穩(wěn)譜，從室內(nèi)加溫及現(xiàn)場應(yīng)用判斷，對高能段的伽馬射線穩(wěn)譜效果也較好，保障了譜峰間的道差與常溫下一致；在晶體探測器尺寸受限的情形下，采用雙探測器設(shè)計對提高探測效率和降低統(tǒng)計起伏誤差有較好的效果。