存儲式自然伽馬能譜測井儀的研制*

2018-12-06 04:49:40曾曉豐尹國平陽成軍蔡志明趙小川張雄輝

石油管材與儀器 2018年5期

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

國內現有的過鉆具存儲式測井系統，參數采集能力有限，特別是缺乏陣列聲波和自然伽馬能譜這種頁巖氣區塊施工作業急需的儀器。本文主要討論了存儲式自然伽馬能譜測井儀器的設計思路、關鍵技術以及對設計成果的驗證。現場試驗表明，儀器穩定性較好，初步證明一致性也較好。

1 設計思路

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；與地面系統無實時通訊；增益控制自主化。依據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計。

儀器采用雙探測器結構，提高探測效率和降低統計起伏誤差；采用特殊生產工藝的NaI晶體保障射線能量分辨率和耐溫性能；采用井下自動穩譜技術實現增益控制自主化；采用最小二乘逆矩陣法處理譜數據。

儀器雙探測器各自輸出的脈沖信號，送到各自對應的信號放大板分別處理成兩路脈沖信號，再分別送到數字電路，經過四路脈沖幅度分析器進行數字化，兩路用作穩譜，兩路用作工程值計算。設計框圖如圖1所示。

儀器電路部分采用現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，性能穩定可靠，高溫性能好。

圖1 存儲式自然伽馬能譜測井儀設計框圖

2 關鍵技術

2.1 自動穩譜技術

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

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

圖2 自動穩譜工作流程

自動穩譜技術是存儲式自然伽馬能譜測井儀的一項關鍵技術。通常情況下, 采用穩譜源自動穩譜對高壓控制的實時性要遠好于預期。譜穩定性的好壞直接影響測量結果準確性[1]。

2.2 雙探測器數據整合處理

存儲式測井系統測井施工時，地面系統記錄時間-深度文件，井下儀器記錄時間-數據文件，通過相同的時間點匹配成深度-數據文件，完成測井。對于雙探頭的儀器，要完成深度與數據的匹配，處理起來更為復雜。

假設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的計數率為Na，在時間-深度文件中查詢上探頭上測1 m后到達的時間點為tb，再查詢時間-深度文件在時間點tb下探頭的計數率為Nb，則Nb是下探頭在深度點d的計數率，可以計算深度點d的總計數率。

2.3 譜處理技術

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行解譜處理，剝譜法的最大缺點是由于順次差引使得統計誤差也迭加下去。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內的數據，使得處理結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

鉀、鈾、釷放射性元素的特征峰對應的能量分別為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個能窗計數率：

(1)

5個能窗的計數率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個能窗計數的響應系數。求方程的統計誤差εi的平方和最小，使Yj取得最優解。響應系數aij需要在標準刻度井群刻度求得。

被測對象U、Th、K含量Y為：

有：

Y=(ATWA)-1ATWN

(3)

其中，響應系數aij用矩陣A表示，W為由5個能窗計數率的倒數組成的對角線矩陣，即：

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

2.3.2 儀器響應系數的確定

響應系數aij是反映儀器探測性能的參數，它反映各種核元素對譜數據的貢獻，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，先統計出在不同刻度井中各能窗計數率，利用標稱數據，通過量值傳遞的方法建立標準刻度井的K、U、Th含量與計數率之間的響應關系，如式(4)所示，確定響應系數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系數為例，標準井群K、U、T h含量見表1。

表1 標準井標稱值及1#存儲式能譜測井儀上探測器五能窗計數率

通過關系式(4)計算1#存儲式能譜上探測器響應系數矩陣如下：

其它探測器響應系數矩陣以此類推運算。

刻度后的計算結果符合設計要求，見表2。

3 初步驗證

3.1 儀器刻度井標定

儀器在標定井進行標定，測井資料如圖4所示。

表2 含量計算結果

標定井井深20.34 m、井徑216 mm、巖樣總數7層、巖樣總長14 m。單支存儲式能譜儀器儀器在標定井中下兩次，進行自身重復對比。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，自身重復性能較好。

圖4 儀器自身重+復

3.2 現場測試

儀器在某井與5700能譜儀器進行了第一次現場對比測試，對比資料如圖5所示。

儀器在6 700 m左右的直井段與5700能譜儀器進行對比，井溫131°左右，能較好地檢驗儀器在高溫下的自動穩譜、數據采集與存儲等功能，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，儀器對地層伽馬的響應較好，但是直井段小儀器貼壁不理想，如果應用在水平井段測量，測井資料的質量會進一步提高，效果會更好。