自然伽马能谱测井谱解析方法研究

文章编号:1674 － 5086(2010)05 － 0075 － 04 自然伽马能谱测井谱解析方法研究 * 刘尊年1，任爱阁2，贾瑞皋3 (1．青岛理工大学理学院，山东 青岛 266033;2．青岛滨海学院基础部，山东 青岛 266555; 3．中国石油大学物理科学与技术学院，山东 东营 257062) 摘 要:自然伽马能谱测井是重要的核测井方法之一，其地面信息处理系统的关键是实测谱解析技术。低分辨率是 自然伽马能谱测井仪的固有弱点，且测井过程中信噪比较低，造成测井置信度不高。从自然伽马能谱测井原理出发， 通过中海油实验数据处理后获得的放射性核素的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 计数率谱，对自然伽马能谱测井 4 种传统数据处理方法的优劣 进行了对比，初步探讨了将灵敏度高、空间分辨率好的直接解调方法移植到自然伽马能谱测井谱解析中，为自然伽马 能谱测井谱解析方法的选择提供了依据。 关键词:自然伽马能谱测井;谱解析;直接解调方法;响应函数;物理约束 中图分类号:TE19 文献标识码:A DOI:10． 3863 / j． issn． 1674 － 5086． 2010． 05． 012 自然伽马能谱测井是核探测技术在地球物理勘 探中的应用，其地面信息处理系统的关键是实测谱 解析技术，剥谱法、逆矩阵法、最小二乘逆矩阵法、加 权最小二乘逆矩阵法［1 － 3］是 4 种常用的传统谱解析 方法。因为自然伽马能谱测井仪探测器的固有分辨 率较低，测井过程中统计涨落比较严重，信噪比较 低，而直接解调方法是一种先进的数据处理技术，实 践证明，该方法用于处理统计性较差的测量数据 时［4 － 5］，其灵敏度高于传统谱解析方法。 1 自然伽马能谱测井原理 自然伽马能谱测井能直接测量地层中 U、Th、K 等元素的含量，以此来判断地层性质，定量计算可用 于确定泥质含量、鉴别高渗透率、碳酸盐岩裂缝层的 划分和粘土成分的确定;定性分析可用于对泥质地 层生油岩特性的识别和沉积环境的研究［1，6 － 10］。 1． 1 自然伽马能谱 自然伽马射线主要是由地层岩石中的238U 放射 系、232Th放射系和40 K 产生的［11］。原始伽马射线能 谱均呈现离散的线谱形态，而伽马射线触发伽马谱 仪探测器后却得到连续的谱线，通常把这种连续谱 称为伽马实测谱或仪器谱［12 － 13］。 在自然伽马能谱测井中， 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 征238 U 通常选用 U 系中214Bi发射的 1． 76Mev 伽马射线;表征232 Th 选用 Th系中208Tl发射的 2． 62 Mev 伽马射线;表征 K 只 能用40K唯一的 1． 46Mev 伽马射线［14］。 1． 2 自然伽马能谱测井原理 自然伽马能谱测井可以同时做到强度测量和能 谱分析，根据能量分析确定射线由哪一种核素发射， 依据强度确定该种核素及其相应元素的含量。对自 然伽马能谱信息利用最为充分的是多功能补偿自然 伽马能谱测井仪，其测井过程如图 1 所示。 图 1 能谱仪探测过程 Fig． 1 Sound process of Natural Gamma Ray Spectra log 2 传统谱解析方法 剥谱法、逆矩阵法、最小二乘逆矩阵法和加权最 小二乘逆矩阵法是自然伽马能谱测井谱解析的 4 种 第 32 卷 第 5 期 西南石油大学学报(自然科学版) Vol． 32 No． 5 2010 年 10 月 Journal of Southwest Petroleum University(Science ＆ Technology Edition) Oct． 2010 * 收稿日期:2009 － 03 － 06 作者简介:刘尊年(1974 －) ，男(汉族) ，山东郓城人， 讲师 讲师简历讲师简历讲师简历讲师简历讲师简历 ，硕士，从事电磁理论及应用技术、信号与信息处理方面的教学科研工作。 主要方法。 2． 1 自然伽马标准谱 标准谱是在刻度井中测得的仪器谱，对实测谱 进行解析的依据是 U、Th 和 K 含量与谱数据的关 系。表 1 给出了各层位放射性元素 U、Ra、Th、K 的 含量(如不特殊说明，K均以 10 －2为单位，而 U和 Th 均以 10 －6为单位)。 表 1 燕郊刻度井各层位放射性元素 U、Ra、Th、K含量表 Table 1 The contents sheet of U、Ra、Th、K from China Offshore Oil Logging 层 U / 10 －6 Ra / 10 －12 (Ra /U)× 100% Th / 10 －6 K / 10 －2 围岩 钍层 钾层 铀层 低混层 高混层 高混薄层 0． 40 0． 79 0． 97 22． 10 2． 40 12． 30 12． 20 1． 7 2． 3 2． 6 75． 1 8． 3 39． 4 40． 9 － － － 101． 4 103． 2 95． 6 100． 1 1． 12 63． 50 1． 45 1． 21 5． 41 34． 80 36． 00 0． 23 0． 22 5． 60 0． 25 1． 05 5． 17 5． 11 在刻度井中，用自然伽马能谱测井仪测量只含 U、Th或 K一种放射性元素的模拟地层，可得到该种 元素的标准仪器谱。解谱的依据是由标准谱确定的 标准条件下单位含量的 U、Th 和 K在各道或谱段中 的计数率。实际测井中，井口尺寸与 8． 5 in．刻度井 相近，因此用 8． 5 in．井所得的数据描述自然伽马标 准谱是合适的。U、Th和 K三种核素及高混合层、低 混合层的 5 种模块的标准谱如图 2 所示。 图 2 五种模块的标准谱 Fig． 2 Standard Spectra of the five Modules 2． 2 传统谱解析方法的理论及验证 2． 2． 1 剥谱法 剥谱法又称差解法，其基本思想是:从混合谱中 先找出一种容易识别的核素，将其谱形求出，并从混 合谱中扣除，然后从剩余谱中再找出第二种核素并 进行同样处理，直到求出所有核素为止。在利用中 海油实验数据进行剥谱计算时，先将谱峰划分成 3 个能窗，即:98 ～ 115 道为能窗 1;120 ～ 140 道为能窗 2;177 ～ 198 道为能窗 3。各能窗将 K，U 和 Th 的特 征能量峰 1． 46Mev，1． 76Mev及 2． 62 Mev 恰当地包 括在中间［15］。 2． 2． 2 逆矩阵法 逆矩阵法在划分道区时允许各特征峰计数有重 叠，不受道区数和道区宽度的限制，能够更充分地利 用谱中的计数。利用逆矩阵法解谱时，在 K、U和 Th 特征能量峰所在谱段连续取 3 个道区，即:95 ～ 115 道为能窗 1;116 ～ 144 道为能窗 2;145 ～ 198 道为能 窗 3。 2． 2． 3 最小二乘逆矩阵法 剥谱法和逆矩阵法都是根据核素个数选择特征 峰道区，而最小二乘逆矩阵法选用的道区数可多于 待求核素数，且道区不一定是特征峰道区，这样就可 充分利用谱中所有比较重要的计数峰确定 K，U 和 Th的含量。显然，这种解谱方法的统计精度更高。 2． 2． 4 加权最小二乘逆矩阵法 在上述 3 种方法中，假定了各道区皆为等精度 观测。实际上，低能道区的计数率比高能道区高得 多，鉴于此，常采用加权最小二乘法来提高非等精度 观测值的处理精度，在测量最优值的求取过程中要 使每个道区计数率权重误差平方和趋于最小。这种 方法的缺点是:(1)道计数率低，统计精度不高;(2) 元素的标准谱难以测定。 2． 3 四种传统谱解析方法对比 表 3 和表 4 显示:误差最大的是剥谱法;误差相 近、效果较好的是逆矩阵法和加权最小二乘逆矩阵 法;最小二乘逆矩阵法优于前者、劣于后者。 3 直接解调方法 20 世纪 90 年代初，李惕碚和吴枚提出了直接 解调方法［4 － 5］，目的是为了从统计信息少和信噪比 低的信号数据中得到复杂天体的高分辨率空间图 像。相对于传统的反演方法，这种方法对观测信息 的利用更为充分，其精度是传统方法不可能达到的。 直接解调方法在空间高能天体物理观测和数据 分析中已取得一批重要成果［16 － 17］，在医学应用中也 67 西南石油大学学报(自然科学版) 2010 年 表 3 对高混合层，17#仪器的测量值 Table 3 The measure values of the 17# SGR from high mixer 核素 17# K 测量值 /10 － 2 相对误差 /% U 测量值 /10 － 6 相对误差 /% Th 测量值 /10 － 6 相对误差 /% 剥谱法 逆矩阵法 最小二乘逆矩阵法 加权最小二乘逆矩阵法 4． 625 7 5． 054 6 4． 951 6 5． 046 3 10． 53 2． 23 4． 22 2． 39 11． 105 0 11． 972 9 12． 983 8 12． 566 6 9． 72 2． 66 5． 56 2． 17 34． 210 8 33． 238 1 32． 184 9 32． 741 1 1． 69 4． 49 7． 51 5． 92 表 4 对低混合层，17#仪器的测量值 Table 4 The measure values of the 17# SGR from low mixer 核素 17# K 测量值 /10 － 2 相对误差 /% U 测量值 /10 － 6 相对误差 /% Th 测量值 /10 － 6 相对误差 /% 剥谱法 逆矩阵法 最小二乘逆矩阵法 加权最小二乘逆矩阵法 1． 079 5 1． 180 2 1． 099 6 1． 141 6 2． 81 12． 40 4． 72 8． 72 2． 587 3 2． 860 7 3． 225 6 2． 984 1 7． 80 19． 20 34． 40 24． 34 5． 913 3 5． 471 7 4． 970 6 5． 373 5 9． 30 1． 14 8． 12 0． 67 获得了理想的效果［18］。例如，用直接解调方法重新 分析欧洲 X射线天文卫星 EXOSAT 的扫描数据，得 到以前无法找到的一些银河系 X射线源［19］，这些源 已被列入 SIMBAD 天体表;直接解调方法应用于光 学相干层析 OCT中，可使图像的纵向分辨率提高一 个数量级［20］。 3． 1 直接解调方法的原理 直接解调方法的本质是把合理的非线性约束引 入到病态观测方程的求解过程，其核心是:首先建立 观测方程，选择适当的物理上下限约束，用迭代方法 求解此方程。观测过程属于辐射探测过程，可用如 下方程描述 ∑ N i = 1 P(k，i)f(i)= d(k) ，(k = 1，2，…，M) (1) 式中 d(k)—观测数据; P(k，i)—仪器的响应函数(调制函数) ; f(i)—观测天区辐射强度。 3． 2 自然伽马能谱测井中的直接解调方法 直接解调方法的数学本质与自然伽马能谱测井 谱解析一样，都是解病态方程，并且二者具有相同的 物理、能谱探测基础等。辐射探测过程可以看成是源 和探测系统作卷积，得到像函数 P* f = d (2) 通常，该方程是病态方程，经常会解出负源，在物 理上无意义。仪器的响应在仪器参数和环境不变的 情况下，可以认为不变。在研究刻度井实验过程中， 由于测量环境一定，胜利油田测井公司 17# SL6329 能谱仪器的响应函数可视为定值，根据得到的标准计 数率谱，可以求出仪器的响应函数，如图 3所示。 图 3 Tool 05017 对 K、U和 Th元素的响应 Fig． 3 Response function of K、U and Th from Tool 05017 如果引入一定约束条件并采用逐次迭代法直接 解谱，既可以抑制解的振荡，又会使系统的分辨率大 大提高。 4 结 语 (1)得到了刻度井中放射性核素的标准计数率 谱，自然伽马能谱测井 4 种传统数据处理方法中效 果较好的是逆矩阵法和加权最小二乘逆矩阵法。 (2)根据标准计数率谱求出了仪器的响应函 77第 5 期 刘尊年，等: 自然伽马能谱测井谱解析方法研究 数，初步探讨了将直接解调方法移植到自然伽马能 谱测井谱解析中的可行性，为谱解析在方法选择上 提供了可靠的依据。 参考文献: ［1］ 黄隆基． 放射性测井原理［M］． 北京:石油工业出版 社，1985． ［2］ 黄隆基，首祥云，王瑞平．自然伽马能谱测井原理及应 用［M］．北京:石油工业出版社，1995:176 － 195． ［3］ 黄隆基． 核测井原理［M］． 山东 东营:石油工业出版 社，2000． ［4］ 李惕碚，吴枚． 高能天文学中成像和解谱的直接方法 ［J］．天体物理学报，1993，17(3) :263 － 270． ［5］ 李惕碚． 能不能用低分辨率仪器实现高分辨率观测 ［J］．大自然探索，1999，18(67)． ［6］ 彭曙光，潘和平，王霁霞，等． 自然伽马能谱井在储层 评价中的应用［J］． 工程地球物理学报，2009，6(4) : 480 － 484． ［7］ 赵发展，王尚明，尉中良，等． 自然伽马能谱测井确定 粘土矿物类型及分布的应用研究［J］．国外测井技术， 2004，19(2) :47 － 50． ［8］ 孙建孟，李召成． 应用自然伽马能谱测井确定粘土矿 物类型和含量［J］．石油大学学报:自然科学版，1999， 23(4) :29 － 32． ［9］ 王祝文，刘菁华，黄茜．确定粘土矿物含量的自然伽马 能谱测井方法［J］． 岩性油气藏，2007，19(2) :108 － 111． ［10］ 王谦．自然伽马能谱测井在塔河奥陶系地层划分中 的应用［J］．石油物探，2004(9) :504 － 507． ［11］ 黄凯，徐群洲，杨晓海，等．地震波能量的衰减及其影 响因素［J］．新疆石油地质，1997，9(3) :212 － 216． ［12］ 庞巨丰，迟云鹏，钟振伟． 现代核测井技术与仪器 ［M］．北京:石油工业出版社，1998． ［13］ 黄隆基，胡庆东．自然伽马能谱测井薄层响应［J］．地 球物理学报，1997，40(2) :272 － 278． ［14］ Grau J A，Schweitzer J S． Prompt γ?Ray spectral analysis of well data obtained with NaI and 14 MeV neutrons ［J］． Nuel Geophys，1987，1(2) :157 － 165． ［15］ 任爱阁．自然伽马能谱测井谱解析方法研究［D］．山 东 东营:中国石油大学，2007． ［16］ 李惕碚，吴枚，陆柱国，等． 调制成像 γ 射线望远镜 ［J］．天文学报，1994，35(1) :105 － 108． ［17］ 张澍，李惕碚，吴枚． Compton γ 射线望远镜的直接解 调成像［J］．天体物理学报，1997，17(3) :263 － 270． ［18］ 刘力．直接解调成像方法在核医学图像重建中的应 用［J］．核技术，1998，21(3) :188 － 192． ［19］ 卢方军，李惕碚，吴枚，等． ME/EXOSAT银道扫描数据的 直接解调成像［J］．天文学报，1997，38(1) :56 － 65． ［20］ 孙非，薛平，高湔松，等．光学相关层析成像的图像重 建［J］．光学学报，2000，20(8) :1043 － 1046． (编辑:杜增利) 87 西南石油大学学报(自然科学版) 2010 年 Zhanjiang Company，CNOOC，Zhanjiang Guangdong 524057，China;3． Research Institute of Exploration and Develop- ment，Chuanqing Drilling ＆ Exploration Company，CNPC，Chengdu Sichuan 610051，China)JOURNAL OF SOUTH- WEST PETROLEUM UNIVERSITY(SCIENCE ＆ TECHNOLOGY EDITION) ，VOL． 32，NO． 5，70 － 74，2010(ISSN 1674-5086，in Chinese) Abstract:The reservoir of Z1 oil group in W Oilfield has low resistance，high-porosity and low permeability． The geological formation of low resistivity reservoir has many reasons． In view of the developing features of Z oil group，the clay minerals types，clay particles distribution，clay content and the influence of them on the low-resistivity are studied． It can be found that the clay types in low resistivity layer segment of Z1 oil group is mainly the mixed layer of illite and montomorillonite and the content is relatively high． The clay particles are evenly distributed in a thin film and in flocculating form with high average clay content． Additional conductivity caused by clay minerals and high clay content are the main factors affecting the low resistivity of Z1 oil group． Key words:low-resistivity reservoir;clay minerals;additional conductivity;clay content;genesis of low resistivity STUDY ON SPECTRAL ANALYSIS OF NATURAL GAMMA RAY SPECTRA LOG LIU Zun-nian1，REN Ai-ge2，JIA Rui-gao3(1． School of Science，Qingdao Technological University，Qingdao Shan- dong 266033，China;2． Department of Basic Courses，Qingdao Bin Hai University，Qingdao Shandong 266555，Chi- na;3． College of Physics Science and Technology，China University of Petroleum，Dongying Shandong 257062，Chi- na)JOURNAL OF SOUTHWEST PETROLEUM UNIVERSITY(SCIENCE ＆ TECHNOLOGY EDITION) ，VOL． 32， NO． 5，75 － 78，2010(ISSN 1674 － 5086，in Chinese) Abstract:Natural Gamma Ray Spectra log(SGR)is an important nuclear logging method，and real spectral analysis is a key technique of the surface processing system in SGR． Due to the inherent low resolution of Natural Gamma Ray Spectra log，there is a low signal-to-noise ratio and low confidence level during the logging process． Based on the principle of Natural Gamma Ray Spectra log，the normal count rate spectra are obtained from the test pit，and the four traditional algorithm methods are tested． Besides，the authors perform preliminary research on applying the direct demodulation method which has a high sensitivity and spatial resolution in gamma-ray log． This research of- fers a credible basis for algorithm selecting． Key words:Natural Gamma Ray spectrometry log;spectrum unscrambling;direct demodulation method;response function;physical constrains GENETIC MECHANISM OF LOW RESISTIVITY RESERVOIR IN BANQIAO OIL FIELD YE Xing-shu，WU Guo-hai(GreatWall Drilling Company，CNPC，Chaoyang Beijing 100101，China)JOURNAL OF SOUTHWEST PETROLEUM UNIVERSITY(SCIENCE ＆ TECHNOLOGY EDITION) ，VOL． 32，NO． 5，79 － 82，2010 ·7· Journal of Southwest Petroleum University(Science ＆ Technology Edition) No． 5