科学钻探中的元素测井技术

正比于铝在地层中的含量 。由于铝活化的同时存
在井眼环境和地层等因素的影响 ,以及自然伽玛
射线的干扰 ,另外由于地层密度不同 ,伽玛射线的
衰减也不同 ,所以 ,确定铝含量必须经过计数率环
境校正 、测速校正及其它干扰因素的校正后 ,才能
求得地层中真实的铝元素含量 。
至于其它元素 ,也可以利用相同的原理和方
28 Si +γ(11779 MeV)
(3)
在中子源辐射过程中 ,铝放射性达到饱和值 ,
这时铝的活化产额与衰减速度达到平衡 。由于
28Al的半衰期为 2124 min ,因此要求测井仪的测井
速度较低 ,测速一般在 180 m/ h 时就可以对铝活
化产额进行有效的测量 。
铝活化后 ,11779 MeV 的特征伽玛射线强度
第
5 卷 第 1～2 1998 年 3 月
期
地学前缘 (中国地质大学 ,北京) Eart h Science Frontiers (China Universit y of Geosciences ,Beijing)
Vol. 5 No . 1～2 Mar. 1998
科学钻探中的元素测井技术
李舟波 王祝文
1989 , 153～162
— 120 —
1998 ,5 (1～2) 地 学 前 缘 前沿·边缘·分支·热点
含量。因此 ,我们只对铝的活化测量过程进行分析和讨论。
地层中元素铝在受到放射性源252Cf 的辐射时 ,其活化的反应过程如下式所示
27Al ( n ,γ) 28Al β(212) 28 Si 3 →
得到下列方程组
w i = ai w ( Th) + bi w ( U) + ci w ( K) +εr
(1)
式中εr 表示第 i 个能量窗口计数率的统计误差因子 ; ai 、bi 和 ci 分别为刻度井中的第 i 个能 窗的刻度系数。利用最小二乘法可以求出 Th、U 和 K三种核素的含量。用矩阵方式可表示为
28Al
0123
212
11779
38Cl
0143
37
11643 ;21167
49Ca
111
818
31084 ;41071
51 Ti
0118
518
01320 ;01929
52V
419
317
11434
56Mn
1313
156
01847 ;11811 ;21113
一些稳定的原子核 ,经过中子 (包括快中子 、热中子) 的作用 ,生成新的放射性核素 。这 些活化核素一般不稳定 ,通常作β衰变 ,并伴随着放出伽玛射线回到稳定状态 。根据伽玛射 线的能量可以确定地层中化学元素的性质 ;并根据这些伽玛射线的强度 ,可以确定地层中受 活化元素的含量 。目前 ,在中子活化测井仪中 ,通常使用中子管 、同位素自裂变中子源 、以及 同位素〔(α, n) , (γ, n) 等〕中子源等 。在科学钻探中使用比较多的是放射性同位素自裂变 中子源锎2252 ,该中子源体积小 、具有很高的中子产额 ,放出的平均中子能量为 21348 MeV 。 表 1 给出了地层中常见元素在中子源辐射后的一些物理参数 。
等元素的含量 。
11311 热中子俘获伽玛测井确定元素的含量〔1～2 ,8～9 ,14 ,16～17〕, ④～ ⑤
在井眼环境下用热中子俘获伽玛谱线确定绝对的元素重量百分含量是比较困难的 。然
① Serra O. Fundamental of Well2Log Interpretation 1. The Acquisition of Logging Data. Elsevier , 1984 ② Hertzog R , Colson L , Seeman B , et al. Geochemical Logging wit h Spectrometry Tools. S PE 16792 , also see S PEFE ,
而238U 和232 Th 分别经过复杂的衰变过程才变成稳定的206 Pb ,因此放出的伽玛射线也比较
复杂 。在 铀 系 和 钍 系 中 特 征 的 伽 玛 射 线 分 别 为 铋 ( 1176 MeV 和 2120 MeV ) 和 铊
百度文库
(2162 MeV) 放出的 。通过自然伽玛能谱中三种核素的特征峰 ,以及散射的低能部分 ,可以
— 119 —
前沿·边缘·分支·热点 地 学 前 缘 1998 ,5 (1～2)
1 测量原理与元素含量的确定
111 自然伽玛能谱测井 ①,〔8～12〕
岩石中能够放射出足够强的伽玛射线 ,并为现代测井技术所探测的放射性核素 ,只有
40 K ,238U 和232 Th 。其中40 K 衰变后变成稳定的40 Ar ,放出能量为 1146 MeV 的伽玛射线 ,
元素测井所提供的丰富信息 ,对于评价地层的各种性质 、获取地层的物性参数 、计算粘 土矿物含量 、区别沉积体系 、划分沉积相带和沉积环境 、推断成岩演化 、判断地层渗透性 、了 解胶结物成分等 ,均有重要参考意义 。
收稿日期 :1997212208 修改稿收到日期 :1997212224 作者简介 :李舟波 ,男 ,1933 年生 ,教授 ,博士生导师 ,地球物理学专业 。 本研究是地质矿产部科技司资助的“大陆科学钻探测井技术及数据处理系统研究”项目的一部分 。 ① Hertzog R , Colson L , Seeman B , et al. Geochemical logging wit h spectrometry tools. S PE 16792 , also see S PEFE , 1989 , 153～162 ② Bartetzko A , Pechnig R , Wohlenberg J . Lit hology of DSDP/ ODP Hole 504B —A Reconstruction Using Well2Logging Data. 私人通信 ,1997 ③ Delius H , Bueker Ch , Wohlenberg J . Determination and Characterization of Volcaniclastic Sediments By Wireline Loge : ODP Sites 953 , 955 ,956 , Canary Islands. 私人通信 ,1997 ④ Adamson A C. Basement lit hostratigraphy , deep sea drilling project hole 504B. In : Anderson R N , et al. , eds. I nit Rept DS D P , 1985 , 83 : 121～127 ⑤ Gatto H. Determination of elements t hrough geochemical logging in crystalline rocks of t he KTB2Oberpfalz HB. KTB2 Report 93 21 , 1993. 251～264
Table 1 Common formation elements activated by t hermal neutron
活化生成核 俘获截面 S / 10 - 28 m2
半衰期 t/ min
伽玛射线能量 Er/ MeV
24Na
0153
900
11369 ;21754
27Mg
0104
915
01844 ;11014
M = ( A T PA - 1) A T PW
(2)
式中 : W —能窗计数率矩阵 ; M —元素含量矩阵 ; P —加权因子矩阵 ; A —刻度系数矩阵 。 112 中子活化测井 ②,〔8 ,10～12〕
元 素 Na Mg Al Cl Ca Ti V Mn
表 1 热中子活化的常见地层元素 ③
法求出它们的含量 。 113 次生伽玛能谱测井 ①～ ②,〔8～10 ,13～15〕
次生伽玛能谱测井通常包括非弹性散射伽玛测
井及热中子俘获伽玛测井 。它是利用脉冲中子源产
生的 14 MeV 的高能中子照射地层 ,中子进入地层
后 ,立即与井眼周围介质发生弹性、非弹性散射而损 失能量 ,直至慢化为热中子。热中子与地层元素发 生( n ,γ) 俘获反应 ,放射出瞬发俘获伽玛射线。在 高能中子与地层介质发生非弹性散射反应和热中子 俘获反应过程中 ,不同的地层元素将放射出各自特
(长春科技大学 ,长春 ,130026)
摘 要 系统地介绍了科学钻探中应用自然伽玛能谱测井 、活化测井 、热中子俘获伽玛能谱测 井和中子非弹性散射伽玛能谱测井确定元素含量的原理和方法 ;详细讨论了在不同的岩性条件 下如何选择和建立从元素含量向矿物成分转换的模型 。最后 ,介绍了元素测井技术在 KTB 和 ODP 中的应用 ,说明元素测井技术对重建岩性剖面 、了解元素丰度和矿物成分的变化 、研究矿物 在高温高压下蚀变所涉及的地球化学作用 、显示岩石的不均匀性和重建地球化学剖面等方面有 特殊作用 。此外 ,元素测井技术对于精确计算骨架密度 、孔隙度和渗透率 、井与井间相关对比 , 以及补足由于漏掉岩芯或岩屑而失去的有关信息 ,均具有重要作用 。 关键词 科学钻探 元素测井 元素 矿物转换 CLC P63 ,P59
元素铝在地壳内按重量百分含量分布规律排列次序上占第三位 ,在确定岩石特性参数等 方面具有非常重要的作用 。目前在科学钻探中使用中子活化测井仪主要是用于确定元素铝的
① Serra O. Fundamental of Well2Log Interpretation 1. The Acquisition of Logging Data. Elsevier , 1984 ② Serra O. Fundamental of Well2Log Interpretation 1. The Acquisition of Logging Data. Elsevier , 1984 ③ Hertzog R , Colson L , Seeman B , et al. Geochemical Logging wit h Spectrometry Tools. S PE 16792 , also see S PEFE ,
元素测井又称为地球化学测井〔1～2〕, ① ,它是自然伽玛能谱测井 、中子活化测井 、非弹性散 射伽玛能谱测井和热中子俘获伽玛测井等组合求取地层元素含量 、并转换成地层矿物丰度的 方法的统称。在科学钻探的科学研究目标中 ,了解地下岩石的矿物组成及变化是主要研究内 容和目的之一。尽管各种科学钻探均要求取芯进行各种分析 ,但是 ,由于各种各样的原因 ,岩 芯采取率难以达到 100 % ,并且费用昂贵 。因此 ,在国际海洋钻探计划 (ODP)〔3〕, ②～ ④及德国的 大陆科学钻探计划 ( KTB)〔4～7〕, ⑤中 ,均采用了地球物理测井方法来确定岩石的元素含量 ,然后 转换为矿物成分 ,以达到沿整个钻孔剖面连续研究岩石特性的目的。
1989 , 153～162 ③ Serra O. Fundamental of Well2Log Interpretation 1. The Acquisition of Logging Data. Elsevier , 1984 ④ Serra O. Fundamental of Well2Log Interpretation 1. The Acquisition of Logging Data. Elsevier , 1984 ⑤ Hertzog R , Colson L , Seeman B , et al. Geochemical Logging wit h Spectrometry Tools. S PE 16792 , also see S PEFE ,
图 1 元素的次生伽玛能谱 Fig11 Induced gamma2ray
spect romet ry of element s
a2非弹性散射伽玛射线谱 ; b2俘获伽玛射线谱
征的非弹性散射伽玛射线谱和俘获伽玛射线谱 。不同元素的非弹性散射伽玛射线谱和俘获伽
玛射线谱如图 1 所示 ③。通过次生伽玛能谱测井 ,可以确定碳、氧、硅、铁、氯、氢、钛、钆、钐、硫