地層元素測井技術的發展及其應用

趙梧迪(六盤水職業技術學院，貴州 六盤水 553001)

0 引言

現代社會的不斷發展，使得人們對資源的掌控程度越來越高，這就要求更加先進、精確的測井技術幫助人們了解地層的構成狀況。這就使得基于核物理科學的地層元素測井技術得到了快速的發展。這種技術利用中子良好的物理特性，使得科研人員可以獲得更加精確的地質數據，從而幫助人們更加合理的利用和開發地質資源。目前這項測井技術已經廣泛的應用于石油開采等行業，為相關企業和科研機構提供了更為精確的地址數據。

1 工作原理

地層元素測井技術是一種基于核物理學的技術。這項技術利用了中子的物理特性，通過中子源發射裝置將中子發射出去，然后中子在地層中會與其中的元素發生反應，使得元素的原子核產生伽馬射線，然后利用專門的儀器對伽馬射線進行記錄和科學的分析，就可以準確的得到相關的數據資料。在這項技術中，由中子源發射的快中子會在極短的時間內，與地層中元素的原子核發生特定的散射現象，在這個過程中，元素的原子核會吸收快中子形成一個復核，同時還會放出一個低能的中子，吸收了快中子的原子核處于一種激發狀態，這時吸收了快中子的原子核如果釋放，激發，就會回到基態，同時還會釋放出非彈性散射伽馬射線，緊接著在極短時間內還會釋放彈性散射的伽馬射線，不同的原子核與快中子發生反應后，其反射截面以及放出的伽馬射線存在一定的差異。通過記錄和分析這兩種射線就可以準確的得出地層的構成信息。

在進行地層元素測井的過程中需要運用到專門的設備進行探測，這種特殊的設備主要由BGO晶體探測儀和中子源構成。通過這套設備可以對地層中的多種元素進行探測。整套設備會采用特定的中子源如214Am-Be同位素中子源以及脈沖中子源，不同的中子源各有優缺點，相關機構應該根據自身的實際情況進行選擇。BGO晶體探測儀這種儀器主要是用來捕獲和記錄相關的非彈性散射數據以及伽馬射線的數據。這種探測儀相對來說具有十分明顯的優勢，其探測速度非常快，受到的干擾相對較少，精度也相對較高。地層元素探測儀可以和其他探測儀器組合使用，這樣可以減少出現錯誤的機率，降低外界對測量結果的干擾。

2 數據處理方法

通過地層元素測井儀器可以準確的捕捉到地層中所有元素原子核的非彈性散射以及伽馬射線能譜。但是通過對這些能譜進行進一步的分析才能獲得地層中各元素的信息。這就需要對獲得的數據進行一定的處理，否則這些數據依然無法被正確的運用。

2.1 建立標準的伽馬能譜

利用地層元素測井技術對地層元素進行探測，首先就要建立地層中常見元素的標準伽馬能譜，只有建立了這個標準伽馬能譜才能進一步對儀器采集的數據進行詳盡的分析。標準的伽馬能譜需要通過相關的實驗，然后利用數值模擬方法進行數據處理后獲得。在進行地層元素測井的過程中，需要利用地層中常見元素的標準伽馬能譜，需要以此為依據對測井儀器進行校正，為測量數據的處理提供依據。通常情況下，在利用數值模擬方法對數據進行處理，獲得標準伽馬能譜時，科研人員要根據實際的情況進行計算模型的制定，這樣可以更加準確的獲得標準的伽馬能譜[1]。

2.2 地層元素產額

相對產額在底層元素測井過程有著非常重要的作用。這個數據主要表達了單個元素發出的伽馬光子在發射的總伽馬光子中的貢獻。如果可以獲得某個元素獨自存在時，伽馬光子的實際數據，然后再獲得混合存在時的伽馬光子能譜，這樣就可以分別獲得各個元素發射的伽馬光子在伽馬光子總數中的貢獻。各個元素獨自存在時的伽馬光子譜線被稱為單原子標準譜，而與之對應的是各元素混合存在的伽馬光子譜，也就是混合譜。在進行解譜的過程中，研究人員通常會將這兩者進行歸一處理，這樣的化相對產額就會擁有百分比的含義。相對產額的求解，需要單元素標準譜，實際的混合譜以及解譜的算法。這三者缺一不可。首先單元素標準譜需要根據實際情況選擇地層中含量比較大且對相關工作影響較大的元素，這就需要通過科學的方式獲取氮元素標準譜，通常情況下需要進行相關的實驗然后通過數學方法獲取。其次就是確定解譜算法，由于測得的數據是通過一定的方式表現在儀器上，從中找出對應的關系。

2.3 靈敏度因子

靈敏度因子同樣也是這項技術中非常重要的數據之一，它充分表現了每種元素對于熱中子的吸收程度。對于每種不同的元素來說其靈敏度因子也存在著十分巨大的差異，這個參數只與探測儀器以及元素本身有關，地層對這個參數的大小沒有任何影響。正式這個特點，科研人員可以利用科學的方法獲取已知地層中每一種元素的靈敏度因子，而這個參數可以應用于其他位置的地層之中。但是這個參數由于其特殊性很難用絕對的數值進行衡量，因此可以用比值的方式對其進行衡量。這種方法的關鍵是要在眾多元素中選取一個元素作為標準。標準元素的選取需要有很嚴格的要求，首先，這種元素在大自然中廣泛存在，而且含量比較高，數量也相對比較穩定。其次這種元素必須具有比較大的熱中子俘獲截面。綜合上述幾種因素，通常情況下都會選擇硅元素作為標準元素。如果將硅元素的靈敏度因子設置為1，那么其他的元素的靈敏度因子都是與硅元素靈敏度因子的比值。

2.4 地層因子

在進行地層元素測井時，地層因子有著十分重要的作用。由于在地層中含有數量眾多的元素，但是其種類卻相對比較少。但是這些元素卻構成了種類繁多的礦物質。而這些礦物質在地層中的含量具有一定的比例，為了使其能夠表達成百分數的形式，就需要設定其百分含量的總和為1，這樣就使得元素的含量有了十分明確的百分比意義。地層因子不同于靈敏度因子其變化十分的大，不同地區，不同深度都會出現地層因子的變化。地層因子是一個不斷變化的參數，隨著地層的不斷變化其地層因子也會隨著變化。測井儀器在進行測量時，需要在井下選擇不同的深度進行測量。而每一個深度都會測得一個混合譜，而每一個深度都對應著一個不同的地層因子，每一個井的地層因子也不盡相同，因此這個參數無法給定，地層因子的確定需要對測井的相關數據進行詳盡分析和計算才能確定。

2.5 轉換為礦物含量

由上面分析可知，如果要想得到地層每種元素的質量百分比就需要知道地層因子，靈敏度因子以及相對產額。在這其中靈敏度因子是已知的，其值也是相對固定不變的。相對產額和地層因子則需要對數據進行處理后得出。這樣通過計算可以得到元素含量。然后利用利用數理統計中的因子分析法將其轉換為礦物含量[2]。

3 應用

3.1 確定礦物含量

研究人員可以利用地層元素測井技術精確的測量地層中的礦物含量。這對于很多行業都有著非常重要的意義。尤其對于石油天然氣行業，相關企業可以對油井進行地層元素測井，就可以詳細的得到相關的巖層數據，這樣可以為企業選擇合適的作業方式以及合適的作業機械提供有力的數據幫助，避免企業選擇錯誤的方式和機械，從而導致不必要的損失。

3.2 確定粘土含量和類型

相關科研人員可以利用地層元素測井技術結合一些傳統的測井技術，可以獲得十分準確的粘土類型以及粘土含量的數據。相關的企業也在研究粘土含量與類型與單個元素之間的關系，同時還在研究其與單種氧化物或者碳酸鹽之間的關聯以及其與氧化物或者碳酸鹽組合之間的關聯。粘土的含量包含了高嶺石、綠泥石等等的總量。通過對這些數據進行進一步的分析和研究發現，在這其中鋁元素與粘土含量的關聯性非常高，同樣二氧化硅，碳酸鈣，碳酸鎂以及鐵元素組合與粘土的含量也保持著非常好的關聯，這就對確定地層中粘土含量奠定了非常堅實的數據基礎，通過對粘土含量和類型的分析，對很多行業都有著非常重要的意義，同樣也對我國資源的開發有著十分重要的意義[3]。

3.3 巖性分析

在巖性分析中，地層元素測井技術有著非常重要的應用，通過利用這項技術可以對地層的巖性進行準確的判斷。目前很多研究人員，都在研究巖性與氧化物組合之間的關聯，通常可以利用氧化物的三元交會圖，通過地層元素測井技術可以確定地層中的礦物含量，然后可以利用氧化物的三元交會圖就可以對地層巖性進行判斷。在進行巖性分析的過程中，可以根據氧化鈣，氧化鎂以及二氧化硅的交會圖進行巖性的判斷，也可以利用氧化鈣，硫元素以及三氧化二鐵組合進行巖性的判斷。利用非彈性散射譜可以識別碳元素及其含量這樣可以判斷煤層的存在。在進行一些比較復雜的巖性識別時，還可以利用FMI在結合地層元素測井技術對火山巖等復雜巖性進行識別。地層元素測井技術在巖性分析中起到了非常關鍵的作用。

3.4 評價儲層

在油田開采中，地層元素測井技術也有著非常重要的應用，通過這項技術可以準確的對油田的儲層進行評價。這項技術可以為油田儲層的評價提供更為精確的數據，例如沉積體積，空隙類型，膠結成分的分析等等，這些數據可以幫助開采企業精確的判斷儲層和非儲層，這對于開采企業有著十分重要的意義，可以大大降低開采企業的成本，提升企業的緊急效益。

3.5 分析沉積環境

對于沉積環境的分析來說，地層元素測井技術可以為其提供非常重要的數據參考。通過地層元素測井技術可以對地層中的各種元素進行測量。而在漫長的地質作用下，使得各種元素的分布具有非常明顯的區域特點[4]。沉積巖中的元素豐度以及sc組合特點對沉積環境有著非常重大的影響。通過對沉積巖中的元素進行測量，就可以更好地為研究和分析沉積環境提供非常可靠的數據。

4 結語

地層元素測井技術是將核物理學運用到勘測工作中的典型技術，是核物理學在地質學科的應用。通過這種技術可以更好地實現對地層中礦物含量的測量，從而幫助研究人員對地層進行進一步的研究，使得研究人員可以更好地確定巖性以及粘土含量和類型，幫助研究人員進行沉積環境的研究。隨著這項技術的不斷完善和發展，必然會有更為廣闊的應用。