一种地层元素测井元素标准谱制作与应用方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于石油井下测井技术领域，特别设及一种地层元素测井元素标准谱制作 与应用方法。
【背景技术】
[0002] 近几年，随着复杂岩性（火成岩、变质岩、碳酸盐岩、碱岩等）油气藏、页岩气、致密 气等非常规油气藏勘探开发的深入，地层元素测井的作用得到越来越多重视，应用日益广 泛，例如，在页岩气和致密气勘探中，地层元素测井已经成为必测项目。运是因为弄清岩性 和骨架参数是测井解释的基础，对非常规油气藏而言，尤为重要。地层元素测井可W直接、 准确的确定岩性，运是其它测井方法无法比拟的。
[0003]W往制作元素标准谱都是采用仪器实测的方法，运种方法需要建造一批由单一元 素（或其简单化合物）构成的模型井，不仅投资巨大，而且难W保证模型井条件与实际地层 一致，测量和数据处理过程也非常繁琐耗时，运成为地层元素测井发展的一个障碍。
[0004] 另外，地层中所含元素种类多，例如，火成岩之类的复杂岩性地层，对测量次生伽 马能谱有贡献的元素超过10个，在一个能谱中准确分析如此多的元素，对能谱解析方法提 出的很高的要求，特别的，石油测井仪器所处的井眼高溫环境，探测器尺寸的限制，W及测 井实效的要求，导致地层元素测井仪器能够选用的探测器（如BG0探测器）能量分辨率较 差，能谱计数也不高，能谱解析难度更大。
【发明内容】
阳〇化]本发明所要解决的技术问题是提供一种用于测井的地层元素标准谱的使用方法， 解决了现有技术中测井地层元素不精确的技术问题。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于测井的地层元素标准谱的使用方 法，包括如下步骤：
[0007] 通过蒙特卡洛数值模拟方法制作元素标准谱；
[0008] 利用仪器实测能谱对所述元素标准谱进行实验验证，W使所述元素标准谱和所 述仪器实测能谱的差异满足预设范围；
[0009] 得到地层元素的俘获伽马能谱和/或非弹性散射伽马能谱；
[0010] 基于所述元素标准谱，通过最小二乘法对所述俘获伽马能谱和/或所述非弹性散 射伽马能谱进行解谱；所述解谱的方法包括如下步骤：计算得到谱仪卡段响应矩阵；计算 待解谱在各所述段区总计算值；根据所述各段区总计算值，计算得到对角权矩阵；根据所 述对角权矩阵，计算得到初始产额；根据所述初始产额，计算得到残差的均方数；将所述残 差的均方数与设定精度值进行判断；根据判断结果对所述初始产额进行调整，计算得到最 终产额；
[0011] 基于所述最终产额，计算得到所述地层元素。
[0012] 进一步地，所述利用仪器实测能谱对所述元素标准谱进行实验验证，包括如下步 骤：
[0013] 首先对所述元素标准谱进行归一化和能量刻度处理，然后将所述仪器实测能谱与 所述元素标准谱进行比对，使所述元素标准谱和所述仪器实测能谱的差异满足最小差异范 围。
[0014] 进一步地，在所述计算得到谱仪卡段响应矩阵之前，所述方法还包括：
[0015] 设定输入段区数和段区的左右边界；
[0016] 根据所述段区数和所述段区的左右边界，分别计算各元素标准谱在各段区的总计 数值。
[0017] 进一步地，所述谱仪卡段响应矩阵如下所示： 阳0化]
i =1，2,... n
[0019] 其中，Nk南所述元素标准谱归一化后第j种元素的的第k道计数，a1嘴响应矩阵 的（i，j)元，即A的第i行第j列的元素。
[0020] 进一步的，所述对角权矩阵如式下所示：
[0021]
阳02引其中，
[0023]
[0024] 式中，W为对角权阵，W。是W的（i，U元。
[00巧]进一步的，所述残差的均方数如下所示：
[0026]
[0027] 其中，A2为残差的均方数，y,为初始产额。
[0028] 进一步的，所述基于所述最终产额，计算得到所述地层元素，如下所示：
[0029]
[0030] 其中，Wt,表示地层中第j种元素的重量百分含量；y,表示第j种元素的产额，即第 j种元素中子俘获伽马谱对混合谱的贡献分额；S，表示第j种元素的相对灵敏度因子，F为 归一化因子。
[0031] 本发明提供的用于测井的地层元素标准谱的使用方法，通过蒙特卡洛数值模拟方 法制作元素标准谱，整个过程由计算机模拟完成，周期短，可W节省大量经费，而且，在虚拟 地层模型中，可W根据需要任意设置各种参数，能够保证测量条件达到要求。
【附图说明】
[0032]图1为本发明实施例提供的测井的地层元素标准谱的使用方法结构示意图；
[003引图2A-图2B为本发明实施例提供的12中元素的俘获伽马标准谱；
[0034] 图3A-图3F为本发明实施例提供的仪器实测谱与元素标准谱的对比效果；
[0035]图4为本发明实施例提供的测井的地层元素标准谱的使用方法步骤图；
[0036] 图5是本发明实施例提供的利用逐道最小二乘法、卡段最小二乘法来进行解谱的 实施过程图。
[0037] 附图标记： 阳03引 1、中子源，2、快中子屏蔽体，3、棚套，4、BG0探测器，5、放大和整形电路，6、保溫瓶， 7、地层，8、井眼。
【具体实施方式】
[0039] 在本发明实施例中，首先介绍本发明需要用到的地层元素测井仪器，地层元素测 井仪通过测量中子在地层中产生的俘获伽马能谱，或者同时测量俘获伽马能谱和非弹性散 射伽马能谱（总称为次生伽马能谱），获取地层岩石骨架中Si、Ca、化、S、Ti、Gd、Mg、K、Mn、 Al、H、Cl、C和0等元素含量，确定岩性和骨架参数。该仪器采用媚-被中子源或者可控脉 冲中子源，中子源发射快中子，快中子与周围（地层、井眼和仪器本身）的物质发生非弹性 散射和弹性散射，能量逐渐降低，成为只能处于热运动状态的中子一热中子，热中子最终被 周围核素俘获而消失。在非弹性散射和热中子俘获反应中，会放出伽马射线，地层元素测井 仪器测量运些次生伽马，并进行能谱分析，获取元素含量。
[0040] 参见图1，地层元素测井仪器主要由Am-Be中子源1、中子屏蔽体2、棚套3、BG0伽 马探测器4、信号采集于放大和整形电路5和保溫瓶6组成。仪器主体结构分为12. 7cm和 90cm两段。其中，中子源置于90cm段，位于整个仪器的下段。BG0探测器4位于12.7cm段 和放大和整形电路相接，运两部分均置于保溫瓶6中。中子屏蔽体则位于中子源于BG0探 测器4之间。在BG0探测器处4的仪器外壳上，通过内嵌式包裹了热中子屏蔽体2,它主要 吸收来自于仪器外的热中子，防止仪器自身元素对仪器实测谱的影响。
[0041] 在图1中，井眼8为8inch，半径为150畑1，高度为130cm的元素标准井模块组成， 地层中元素都有与之对应的标准井模块。地层元素测井仪可W准确测量的元素Si,Ca，S， Fe，Ti，Gd，Al，K，Mg，Mn，加上标准井模块的井眼和空隙流体中可能出现的H和Cl元素在 标准模块中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，对元素标准井模块添加一定的孔隙度（孔隙流体为纯水）使得元素标准井模块具有相 同的地层密度（2. 5g/cm3)和相同快中子慢化长度（30cm)。
[0042] 本发明实施例提供的一种地层元素测井元素标准谱制作与应用方法。
[0043] 具体来说，本发明的主要实施原理是：
[0044] 首先，通过蒙特卡洛数值模拟制作了元素标准谱。如附图2A-图2B所示，图中给 出了12中元素的俘获伽马标准谱。
[0045] 然后，对元素标准谱进行试验验证。
[0046] 具体来说，元素标准谱的实验验证，可W在已知地层元素种类和含量的模型井中 测量，也可W在地层元素种类和含量已知的实际地层中测量。例如，下面列举了一种验证方 式，是在砂岩、石灰岩、白云岩共6口模型井中进行实验验证。附图3A-3F描述了在运些模 型井中仪器实测谱与模拟能谱的对比效果，能够达到一致性的要求，对比结果表明采用本 发明制作的元素标准谱和所述仪器实测能谱的差异能够满足最小差异范围，因此，本发明 制作的元素标准谱可W应用到该地层元素测井仪器的解谱处理中。
[0047] 最后，基于所述元素标准谱，对地层元素测井仪器测量到的俘获伽马能谱和/或 所述非弹性散射伽马能谱进行了解谱分析和元素含量的计算。承接上述举例，在运些模型 井中，对仪器测量到的俘获伽马能谱和/或所述非弹性散射伽马能谱进行了解谱分析和元 素含量的计算，计算结果与模型井中已知的元素含量一致。
[0048] 具体来说，参见图4,本发明设及的方法包括如下步骤：
[0049] 步骤101 :通过蒙特卡洛数值模拟方法制作元素标准谱。
[0050] 具体来说，元素标准谱是地层元素测井能谱解析的基础。地层元素测井认为仪器 测量得到的次生伽马能谱（即：俘获伽马能谱和非弹性散射伽马能谱）是地层所含各核素 的贡献之和。元素标准谱是假定地层由某单一组成，仪器测量得到的次生伽马能谱，即单一 元素测量谱，在实际地层中测量到的能谱是运些单一元素谱（即标准谱）按照含量比例叠 加而成的。反之，通过解析测量能谱，能够分析出每个元素标准谱在其中所占的比例，进而 确定元素含量。
[0051] 本发明模拟元素标准谱的过程，包含'地层元素测井蒙特卡洛数值建模'和'模拟 运算'两部分。其中，蒙特卡洛数值建模最为关键，需要保证所建模型在物理上与地层元素 测井的粒子输运过程一致，在几何上与仪器、井眼和地层一致，从而保证数值模拟能谱与仪 器实际测量能谱一致，在此前提下，运用一些降低方差技巧W改善计算效率。完成建模及模 型验证后，改变地层中元素的种类和含量进行模拟，就可W得到Si、CaJe、S、Ti、Gd、Mg、K、 Mn、A1、H、Cl、C和0等元素的俘获标准谱或非弹性标准谱。
[0052]采用蒙特卡洛数值模拟方法制作元素标准谱，整个过程由计算机模拟完成，周期 短，可W节省大量经费，而且，在虚拟地层模型中，可W根据需要任意设置各种参数，能够保 证测量条件达到要求；当仪器结构或参数改变时，可W很快的模拟出新的标准谱。
[0053] 步骤102:利用仪器实测能谱对所述元素标准谱进行实验验证，W使所述元素标