CN104316971A - 一种非弹性散射和俘获伽马能谱联合解析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非弹性散射和俘获伽马能谱联合解析方法，该方法包括以下步骤：获取目标地层的非弹性散射伽马能谱和俘获伽马能谱，并从所述目标地层中选择参考元素；根据所述俘获伽马能谱获取所述参考元素的元素含量；并根据所述非弹性散射伽马能谱获取所述参考元素的相对产额和待求元素的相对产额；根据所述参考元素的元素含量、所述参考元素的相对产额以及所述待求元素的相对产额，并通过联合谱解析方法从所述非弹性散射伽马能谱中获取所述待求元素的元素含量。本发明实现了可从非弹性散射伽马能谱中获取那些俘获辐射反应截面比较低而不能从俘获伽马能谱中获取元素含量的元素的含量。

Description

一种非弹性散射和俘获伽马能谱联合解析方法

技术领域

本发明涉及地球物理测井技术领域，尤其是涉及一种非弹性散射和俘获伽马能谱联合解析方法。

背景技术

地层元素测井是通过测量中子源向地层发射的中子与地层元素原子核反应产生的伽马能谱，利用谱解析方法获取地层元素的相对产额，进而通过氧化物闭合模型将元素相对产额转换为元素含量，可更加准确描述地层参数，为复杂储层及非常规油气储层测井评价提供一种有效手段。

利用俘获伽马能谱的地层元素测井技术(如斯伦贝谢公司的元素俘获测井仪ECS、哈里伯顿公司的地球化学测井仪GEM)可以获取地层的Si、Ca、Fe、S、Ti、Gd等地层元素含量。但是，对于评价地层有机碳含量的碳元素、区分石灰岩和白云岩的镁元素等地层关键元素，由于这些元素的俘获辐射反应截面比较低，利用俘获伽马能谱的地层元素测井技术不能准确获取这些元素的含量，因此需要对非弹性散射伽马能谱解析获取碳、镁等关键元素含量。但由于非弹性散射伽马能谱解析得到的元素相对产额信息有限，并且非弹性散射伽马能谱不满足氧化物闭合模型，因而目前的技术尚不能直接将非弹性散射伽马能谱解析中获得的元素相对产额转换为元素含量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非弹性散射和俘获伽马能谱联合解析方法，以实现从非弹性散射伽马能谱中获取那些俘获辐射反应截面比较低而不能从俘获伽马能谱中获取元素含量的元素的含量。

为达到上述目的，本发明提供了一种非弹性散射和俘获伽马能谱联合解析方法，包括以下步骤：

获取目标地层的非弹性散射伽马能谱和俘获伽马能谱，并从所述目标地层中选择参考元素；

根据所述俘获伽马能谱获取所述参考元素的元素含量；并根据所述非弹性散射伽马能谱获取所述参考元素的相对产额和待求元素的相对产额；

根据所述参考元素的元素含量、所述参考元素的相对产额以及所述待求元素的相对产额，并通过联合谱解析方法从所述非弹性散射伽马能谱中获取所述待求元素的元素含量。

优选的，所述根据所述参考元素的元素含量、所述参考元素的相对产额以及所述待求元素的相对产额，并通过联合谱解析方法从所述非弹性散射伽马能谱中获取所述待求元素的元素含量，具体包括：

根据公式从所述非弹性散射伽马能谱解析中获取所述待求元素的元素含量W_IUK；

其中，W_CR为从所述俘获伽马能谱中获取的所述参考元素的元素含量，S_IR为由所述非弹性散射伽马能谱确定的所述参考元素的元素含量的探测灵敏度因子，Y_IR为从所述非弹性散射伽马能谱中获取的所述参考元素的相对产额，Y_IUK为从所述非弹性散射伽马能谱的解谱中获取的待求元素的相对产额；S_IUK为由所述非弹性散射伽马能谱确定的所述待求元素的元素含量的探测灵敏度因子。

优选的，所述参考元素为所述非弹性散射伽马能谱和所述俘获伽马能谱中都能获得相对产额且在所述目标地层中含量占主导的元素。

优选的，所述根据所述俘获伽马能谱获取所述参考元素的元素含量，具体包括：

对所述俘获伽马能谱进行解谱，获取所述参考元素的相对产额；

将从所述俘获伽马能谱中获得的所述参考元素的相对产额转换为所述参考元素的元素含量。

优选的，所述根据所述非弹性散射伽马能谱获取所述参考元素的相对产额和待求元素的相对产额，具体包括：

对所述非弹性散射伽马能谱进行解谱，获取所述参考元素的相对产额以及所述待求元素的相对产额。

优选的，所述获取目标地层的非弹性散射伽马能谱和俘获伽马能谱，具体包括：

通过地层元素测井仪器记录的测井资料获取目标地层的非弹性散射伽马能谱和俘获伽马能谱。

与现有技术相比，本发明的方法，首先获取目标地层的非弹性散射伽马能谱和俘获伽马能谱，并从目标地层中选择参考元素；然后根据俘获伽马能谱获取所述参考元素的元素含量；并根据非弹性散射伽马能谱获取参考元素的相对产额和待求元素的相对产额；最后根据参考元素的元素含量、参考元素的相对产额以及待求元素的相对产额，并通过联合谱解析方法从非弹性散射伽马能谱中获取所述待求元素的元素含量，从而实现了从非弹性散射伽马能谱中获取那些俘获辐射反应截面比较低而不能从俘获伽马能谱中获取元素含量的元素的含量。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明实施例的从非弹性散射伽马能谱中获取元素含量的方法流程图；

图2为本发明实施例中页岩地层的岩石体积物理模型示意图；

图3为本发明实施例中蒙特卡罗模拟计算模型示意图；

图4为本发明实施例中非弹性散射标准伽马能谱；

图5为本发明实施例中俘获标准伽马能谱。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

参考图1所示，本发明实施例的从非弹性散射伽马能谱中获取元素含量的方法包括以下步骤：

步骤S101、获取目标地层的非弹性散射伽马能谱和俘获伽马能谱，并从目标地层中选择参考元素。其中，目标地层的非弹性散射伽马能谱和俘获伽马能谱可通过地层元素测井仪器记录的测井资料获取。而参考元素一般选择非弹性散射伽马能谱和俘获伽马能谱中都能获得相对产额且在目标地层中含量占主导的元素。

步骤S102、根据俘获伽马能谱获取参考元素的元素含量；并根据非弹性散射伽马能谱获取参考元素的相对产额和待求元素的相对产额。

其中，根据俘获伽马能谱获取参考元素的元素含量具体包括：

对俘获伽马能谱进行解谱，获取参考元素的相对产额；

将从俘获伽马能谱中获得的参考元素的相对产额转换为参考元素的元素含量。

其中，根据非弹性散射伽马能谱获取参考元素的相对产额和待求元素的相对产额，具体包括：

对非弹性散射伽马能谱进行解谱，获取参考元素的相对产额以及待求元素的相对产额。

步骤S103、根据参考元素的元素含量、参考元素的相对产额以及待求元素的相对产额，并通过联合谱解析方法从非弹性散射伽马能谱中获取待求元素的元素含量。具体的：

根据公式从非弹性散射伽马能谱中获取待求元素的元素含量W_IUK。其中，W_CR为从俘获伽马能谱中获取的参考元素的元素含量，S_IR为由非弹性散射伽马能谱确定的参考元素的元素含量的探测灵敏度因子(由仪器刻度可得出的已知量)，Y_IR为从非弹性散射伽马能谱中获取的参考元素的相对产额，Y_IUK为从非弹性散射伽马能谱的解谱中获取的待求元素的相对产额；S_IUK为由非弹性散射伽马能谱确定的待求元素的元素含量的探测灵敏度因子(由仪器刻度可得出的已知量)。

为了便于更清楚的理解本申请，下面举例说明：

假设本发明实施例中目标地层为页岩地层，其岩石体积物理模型如图2所示，该岩石体积物理模型包括：孔隙201、干酪根202、绿泥石203、黄铁矿204、石英205、钾长石206、钠长石207、方解石208、白云石209、伊利石210。

本发明实施例中，图2所示岩石体积物理模型的蒙特卡罗数值模拟计算模型如图3所示，其模拟计算条件为：脉冲中子源311采用D-T脉冲中子发生器，脉冲中子发生器脉冲宽度为40μs，屏蔽体312材料为钨，伽马探测器313采用溴化镧晶体，脉冲中子源311与伽马探测器313之间的距离为35cm；井眼直径为20cm，井眼内的井眼流体32为淡水；测量地层33为圆柱形，径向厚度为90cm、高度为150cm。

根据图2所示的岩石体积物理模型，设定5种页岩地层模型，地层组分数据如表1所示。利用图3所示的蒙特卡罗数值模拟计算模型，根据表1所示的5种地层模型组分含量数据设定测量地层33，模拟记录0～40μs和50～100μs时间窗内的非弹性散射伽马能谱和俘获伽马能谱。

表1 模拟测量地层组分数据表

中子与地层元素发生非弹性散射反应和俘获辐射反应产生的伽马能谱认为是地层中各单元素产生的元素标准伽马能谱的叠加，因此测量元素标准伽马能谱第i道的计数为：

$x_i=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{ij}}{y}_j+{\mathrm{\ϵ}}_i---\left(1\right)$

式中，a_ij为各元素标准伽马能谱的归一化谱组成的矩阵元；y_j为第j种元素的产额；ε_i为误差；m为地层中元素种类数。

将(1)式写为矩阵形式，即为：

X＝AY            (2)

通过对上式求解可得地层中各元素的相对产额Y＝A^-1X，进而得出地层元素含量W_ti为：

$W_{\mathrm{ti}}=F\frac{Y_i}{S_i}---\left(3\right)$

式中，S_i为第i元素的探测灵敏度因子；F为随深度变化的归一化因子。

对于俘获伽马能谱解析，利用氧化物闭合模型，即地层中所有元素的氧化物或碳酸盐矿物的重量百分含量之和为1，可在每个深度点确定归一化因子F_c：

$F_c\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{R}_i\frac{Y_i}{S_i}=1---\left(4\right)$

式中，R_i为第i种元素的氧化物或碳酸盐与第i种元素的重量比，称为元素i的氧化物指数。

但是，对于非弹性散射伽马能谱解析，由于获得元素含量信息有限，不满足氧化物闭合模型，不能利用氧化物闭合模型获取深度归一化因子，不能直接将元素相对产额转换为元素含量。因此本发明中提出利用俘获伽马能谱和非弹性散射伽马能谱进行联合谱解析，从非弹性散射伽马能谱中获取元素含量。

采用本发明实施例的方法，选取从俘获伽马能谱和非弹性散射伽马能谱中都能获取元素的相对产额且地层中含量较多的元素作为参考元素，在砂岩和碳酸盐岩地层中一般分别选用硅和钙元素。

根据从俘获伽马能谱和非弹性散射伽马能谱解析中获取的元素含量在理论上是相等的，得到：

$W_{\mathrm{IR}}=W_{\mathrm{CR}}=F_I\·\frac{Y_{\mathrm{IR}}}{S_{\mathrm{IR}}}---\left(5\right)$

式中，W_IR为由非弹性散射伽马能谱获取的参考元素含量；W_CR为利用俘获伽马能谱获取的参考元素含量；Y_IR为非弹性散射伽马能谱获取的参考元素相对产额；S_IR由非弹性散射伽马能谱确定参考元素含量的探测灵敏度因子(由仪器刻度可得出的已知量)。

由式(5)可以得到，利用非弹性散射伽马能谱解谱得到的元素的相对产额转换为元素含量的深度归一化因子为：

$F_I=W_{\mathrm{CR}}\·\frac{S_{\mathrm{IR}}}{Y_{\mathrm{IR}}}---\left(6\right)$

因此，由非弹性散射伽马能谱解谱获取的待求元素相对产额转换为元素含量可表示为：

$W_{\mathrm{IUK}}=F_I\·\frac{Y_{\mathrm{IUK}}}{S_{\mathrm{IUK}}}=W_{\mathrm{CR}}\·\frac{S_{\mathrm{IR}}}{Y_{\mathrm{IR}}}\·\frac{Y_{\mathrm{IUK}}}{S_{\mathrm{IUK}}}---\left(7\right)$

式中，W_IUK为利用非弹性散射伽马能谱获取的待求元素含量；Y_IUK为利用非弹性散射伽马能谱解谱获取的待求元素的相对产额；S_IUK为由非弹性散射伽马能谱确定待求元素含量的探测灵敏度因子(由仪器刻度可得出的已知量)。

利用图3所示的蒙特卡罗数值计算模型，测量地层33设定为Si、H2O、Ca、Al、C22H46、Mg、S及Fe，模拟记录0～40μs时间窗内的非弹性散射伽马能谱，得到Si、Ca、Al、C、Mg、S、Fe元素的非弹性散射伽马能谱(如图4所示)；测量地层33设定为SiO₂、TiO₂、CaCO₃、Fe₂O₃、H₂O、Gd₂O₃、K₂O，模拟记录50～100μs时间窗内的俘获伽马能谱，得到Si、Ti、Ca、Fe、H、Gd、K元素的俘获伽马能谱(如图5所示)。

根据公式(1)，利用模拟记录0～40μs和50～100μs时间窗内的非弹性散射伽马能谱和俘获伽马能谱可模拟得出5种测量地层的非弹性散射伽马能谱和俘获伽马能谱进行解谱获得元素的相对产额；根据氧化物闭合模型并利用公式(3)将利用俘获伽马能谱获得的参考元素的相对产额转换为元素含量。最后，利用公式(7)，从非弹性散射伽马能谱中获取元素含量。表2至表4中列出利用非弹性散射伽马能谱获取的部分元素含量计算值与理论值对比。

表2至表4中可以看出，元素含量计算值的相对误差都小于10％，获取元素含量的计算精度较高。因此，利用本发明实施例提供的方法可以从非弹性散射伽马能谱中获取在俘获伽马能谱中不能获取的一些关键元素含量的高精度计算结果。

表2 利用非弹性散射伽马能谱获取的碳元素含量计算值与理论值对比

表3 利用非弹性散射伽马能谱获取的镁元素含量计算值与理论值对比

表4 利用非弹性散射伽马能谱获取的铝元素含量计算值与理论值对比

本发明实施例首先获取目标地层的非弹性散射伽马能谱和俘获伽马能谱，并从目标地层中选择参考元素；然后根据俘获伽马能谱获取所述参考元素的元素含量；并根据非弹性散射伽马能谱获取参考元素的相对产额和待求元素的相对产额；最后根据参考元素的元素含量、参考元素的相对产额以及待求元素的相对产额，并通过联合谱解析方法从非弹性散射伽马能谱中获取所述待求元素的元素含量，从而实现了从非弹性散射伽马能谱中获取那些俘获辐射反应截面比较低而不能从俘获伽马能谱中获取元素含量的元素的含量。

本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种说明性逻辑块、单元和步骤可以通过硬件、软件或两者的结合来实现。至于是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。

本发明实施例中所描述的各种说明性的逻辑块，或单元都可以通过通用处理器，数字信号处理器，专用集成电路(ASIC)，现场可编程门阵列或其它可编程逻辑装置，离散门或晶体管逻辑，离散硬件部件，或上述任何组合的设计来实现或操作所描述的功能。通用处理器可以为微处理器，可选地，该通用处理器也可以为任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以通过计算装置的组合来实现，例如数字信号处理器和微处理器，多个微处理器，一个或多个微处理器联合一个数字信号处理器核，或任何其它类似的配置来实现。

本发明实施例中所描述的方法或算法的步骤可以直接嵌入硬件、处理器执行的软件模块、或者这两者的结合。软件模块可以存储于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或本领域中其它任意形式的存储媒介中。示例性地，存储媒介可以与处理器连接，以使得处理器可以从存储媒介中读取信息，并可以向存储媒介存写信息。可选地，存储媒介还可以集成到处理器中。处理器和存储媒介可以设置于ASIC中，ASIC可以设置于用户终端中。可选地，处理器和存储媒介也可以设置于用户终端中的不同的部件中。

在一个或多个示例性的设计中，本发明实施例所描述的上述功能可以在硬件、软件、固件或这三者的任意组合来实现。如果在软件中实现，这些功能可以存储与电脑可读的媒介上，或以一个或多个指令或代码形式传输于电脑可读的媒介上。电脑可读媒介包括电脑存储媒介和便于使得让电脑程序从一个地方转移到其它地方的通信媒介。存储媒介可以是任何通用或特殊电脑可以接入访问的可用媒体。例如，这样的电脑可读媒体可以包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁性存储装置，或其它任何可以用于承载或存储以指令或数据结构和其它可被通用或特殊电脑、或通用或特殊处理器读取形式的程序代码的媒介。此外，任何连接都可以被适当地定义为电脑可读媒介，例如，如果软件是从一个网站站点、服务器或其它远程资源通过一个同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线(DSL)或以例如红外、无线和微波等无线方式传输的也被包含在所定义的电脑可读媒介中。所述的碟片(disk)和磁盘(disc)包括压缩磁盘、镭射盘、光盘、DVD、软盘和蓝光光盘，磁盘通常以磁性复制数据，而碟片通常以激光进行光学复制数据。上述的组合也可以包含在电脑可读媒介中。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种非弹性散射和俘获伽马能谱联合解析方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取目标地层的非弹性散射伽马能谱和俘获伽马能谱，并从所述目标地层中选择参考元素；

根据所述俘获伽马能谱获取所述参考元素的元素含量；并根据所述非弹性散射伽马能谱获取所述参考元素的相对产额和待求元素的相对产额；

根据所述参考元素的元素含量、所述参考元素的相对产额以及所述待求元素的相对产额，并通过联合谱解析方法从所述非弹性散射伽马能谱中获取所述待求元素的元素含量。

2.根据权利要求1所述的方法，所述根据所述参考元素的元素含量、所述参考元素的相对产额以及所述待求元素的相对产额，并通过联合谱解析方法从所述非弹性散射伽马能谱中获取所述待求元素的元素含量，具体包括：

根据公式从所述非弹性散射伽马能谱解析中获取所述待求元素的元素含量W_IUK；

其中，W_CR为从所述俘获伽马能谱中获取的所述参考元素的元素含量，S_IR为由所述非弹性散射伽马能谱确定的所述参考元素的元素含量的探测灵敏度因子，Y_IR为从所述非弹性散射伽马能谱中获取的所述参考元素的相对产额，Y_IUK为从所述非弹性散射伽马能谱的解谱中获取的待求元素的相对产额；S_IUK为由所述非弹性散射伽马能谱确定的所述待求元素的元素含量的探测灵敏度因子。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参考元素为所述非弹性散射伽马能谱和所述俘获伽马能谱中都能获得相对产额且在所述目标地层中含量占主导的元素。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述俘获伽马能谱获取所述参考元素的元素含量，具体包括：

对所述俘获伽马能谱进行解谱，获取所述参考元素的相对产额；

将从所述俘获伽马能谱中获得的所述参考元素的相对产额转换为所述参考元素的元素含量。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述非弹性散射伽马能谱获取所述参考元素的相对产额和待求元素的相对产额，具体包括：

对所述非弹性散射伽马能谱进行解谱，获取所述参考元素的相对产额以及所述待求元素的相对产额。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取目标地层的非弹性散射伽马能谱和俘获伽马能谱，具体包括：

通过地层元素测井仪器记录的测井资料获取目标地层的非弹性散射伽马能谱和俘获伽马能谱。