2014, Vol. 29
0 引 言
近年来，油气勘探难度越来越大，勘探对象日益复杂(张春贺等，2011)，随着对油气勘探开发的不断深入，需要对复杂油气藏，特别是非常规油气藏有更加精细的认识(张春贺等，2013)，给测井解释带来极大的挑战.基于伽马能谱的元素测井是通过测量由于地层自然放射性产生的自然伽马能谱或中子源激发的次生伽马能谱，并认为测量的伽马能谱是对能谱有贡献的各元素产生能谱的叠加，利用元素标准谱对所测伽马能谱进行谱解析可得到各元素的相对产额，进而将元素相对产额转化为元素含量，可对地层进行更精细的测井评价，为复杂储层测井提供一种有效手段.本文中，对基于伽马能谱的元素测井技术发展历程阶段进行了详细归纳总结，认为其主要可分为四个大的阶段，即自然伽马能谱测井、地球化学测井、元素俘获能谱测井和基于脉冲中子源的元素能谱测井，并对伽马能谱元素测井技术发展趋势进行了展望.
1 自然伽马能谱测井
自然伽马能谱测井于20世纪60年代投入现场使用(洪有密，1993；黄隆基和胡庆东，1997)，是利用伽马探测器测量地层自然放射性产生的伽马能谱，通过谱解析方法获取地层放射性元素含量.由于地层的自然伽马射线主要是地层中铀系和钍系的放射性核素及40K产生(庞巨丰，2005)，若铀、钍和钾元素的伽马能谱已知，可对测量的自然伽马能谱解析得到地层中铀、钍、钾元素的含量(Rhodes and Mott， 1996).
1.1 谱解析方法
自然伽马能谱测井中测量的自然伽马能谱是地层中放射性核素铀、钍、钾各自产生能谱的线性叠加，测量能谱中每道计数为铀、钍、钾能谱对应道计数与其质量百分含量乘积之和.
对测量的自然伽马能谱进行解析获得地层中铀、钍和钾元素的含量，常用的谱解析方法主要有剥谱法(汤彬等，2006)、逆矩阵法(侯胜利和樊卫花，2005)、最小二乘逆矩阵法(房宗良等，2006)、直接解调法(任爱阁，2007)，其中剥谱法数据处理方法简单，但求取的元素含量精度较低；逆矩阵法和最小二乘逆矩阵法计算精度较高；直接解调法是将天体物理中处理方法移植到自然伽马能谱解析中，可大大提高测量分辨率.
1.2 应用状况
自然伽马能谱测井通过获取地层放射性元素含量，在地层评价中发挥重要的作用.夏竹等(2013)利用自然伽马能谱测井中得到的钍、钾等放射性元素数据开展对低阻油层识别的研究；李冬梅等(2010)研究自然伽马能谱测井对砾岩沉积环境的指示特征，并综合其他常规测井资料，建立砾岩储层识别方法；黄茜等(2007)建立放射性元素含量与粘土矿物含量的定量计算模型；陈中红等(2004)研究自然伽马能谱测井在沉积环境中的应用，得到铀及钍铀比值可较好的反演沉积盆地古环境；黄玉龙等(2011)利用铀、钍和钾含量判别玄武岩地层中自然伽马高值界面特征，并结合声波、密度、电阻率及孔隙度测井资料研究玄武岩流动单元测井响应特征.
虽然自然伽马能谱测井在地层评价中发挥至关重要的作用，但由于其测量数据为自然放射性能谱，通过谱解析仅能得出铀、钍和钾等有限种类元素含量，在复杂储层评价方面还存在一定的局限性.
2 地球化学测井
地球化学测井可提供地层丰富的元素和矿物含量信息(Colson et al., 1989)，20世纪80年代末斯伦贝谢公司推出其地球化学测井仪器(GLT)(Hertzog et al., 1989)，该仪器包括三个独立部分：自然伽马能谱测井仪(NGT)、铝活化测井仪(AACT)和俘获伽马能谱测井仪(GST).
2.1 自然伽马能谱测井仪(NGT)
自然伽马能谱测井仪(NGT)的测量与能谱解析原理与上节中所述相同，在中子源未诱发地层元素产生次生伽马射线时，铝活化测井仪(AACT)和俘获伽马能谱测井仪(GST)测量之前，获取地层的自然伽马放射性能谱，提供地层铀、钍和钾元素含量.
2.2 铝活化测井仪(AACT)
铝活化测井仪(AACT)和在其上方的自然伽马能谱测井仪(NGT)之间装有锎(Cf)中子源，探测地层中铝元素活化产生特征伽马射线，进而计算地层中铝元素含量(Galford et al., 1988).
铝活化时，其同位素27Al吸收一个热中子，产生同位素28Al.发生活化反应后产生的同位素28Al处于不稳定状态，发生β－衰变，特征伽马射线能量为1.779 Mev，半衰期为2.24 min.
2.3 俘获伽马能谱测井仪(GST)
俘获伽马能谱测井仪(GST)采用中子源向地层发射能量为14 Mev的快中子，快中子经过一系列的非弹性和弹性散射，能量逐渐降低，形成热中子.热中子被地层元素原子核俘获后形成激发态的复核，复核通过发射一个或几个伽马光子放出激发能回到基态，利用伽马探测器探测中子源激发地层元素产生的次生俘获伽马射线，对测量的伽马能谱进行谱解析可获得硅、钙、铁、硫、钛和钆等元素含量(Westaway et al., 1983).
测量的次生俘获伽马能谱是对伽马能谱有贡献的地层元素的俘获伽马能谱叠加，因此若地层中各元素的俘获伽马能谱(俘获元素标准能谱)已知，则可对测量的次生俘获伽马能谱解析得到各元素的相对产额(庞巨丰，1998).设地层中有m种元素，测量次生伽马能谱及俘获元素标准能谱的能量道数为 n，则次生俘获伽马能谱第i道的计数为xi：
写为矩阵形式为
归一化因子F满足闭合条件，即所有元素质量百分数为1.但是，从俘获伽马能谱中不能获取地层中碳、氧、钠和镁等元素的信息，不满足闭合条件.因此，P.D. Wraight等(1989)提出一种氧化物闭合模型，使地层中元素的氧化物或碳酸盐矿物的质量百分含量之和为1，即可在每个深度点确定归一化因子为
归一化因子F确定后，就可确定地层中元素的质量百分含量，进而可用多元回归方法获得地层矿物的质量百分含量.设元素质量百分含量矩阵为 E、矿物质量百分含量矩阵为M，则根据元素与矿物含量之间的相关关系(黄隆基等，1991)：
2.4 应用状况
地球化学测井仪GLT是第一支应用次生伽马能谱确定地层元素含量的测井仪器，能直接提供K、U、Th及Al等元素的百分含量，并可通过地球化学闭合模型得出Si、Ca、Fe、S、Gd和Ti等元素的百分含量.J.L. Colson等(1989)详细介绍地球化学测井仪的主要应用，包括获得地层矿物含量、岩性划分、岩石物性参数计算等；M.M. Herron等(1990)应用地球化学测井中得到的元素含量估算阳离子交换能力CEC，以提高电阻率测井解释地层流体饱和度的精度；R.J. Cord(1990)研究了地球化学测井在确定地层矿物、骨架密度及地层渗透率中的应用；D.J. Johnston等(1991)应用地球化学测井提供的元素含量研究煤层煤阶划分方法；P.K. Harvey等(1995)研究不同的元素含量向矿物含量转换的模型，并用实验室数据校准，最终将地球化学测井获得的元素含量转换为连续的矿物含量剖面.
3 元素俘获能谱测井
虽然斯伦贝谢公司推出的地球化学测井仪GLT能提供地层中多种元素和矿物含量信息，但该仪器复杂、测井速度低、测量活化伽马时与其他元素活化伽马射线相混杂(Richard et al., 2008)，采用Am-Be中子源和BGO伽马探测器，测量中子激发地层元素产生的次生俘获伽马能谱，通过谱解析可获取Si、Fe、Ca、S、Ti、Gd、Cl、Ba等元素含量(Schlumberger，2013a).90年代中后期，哈里伯顿公司也推出其地球元素能谱测井仪GEM(James et al., 2009)，同样采用Am-Be中子源和BGO伽马探测器，可以获取Mg、Al、Si、S、K、Ca、Ti、Mn、Fe、Gd元素含量(Halliburton，2013).
3.1 元素含量获取方法改进
本代元素测井仪器相比于上一代地球化学测井仪，减少了自然伽马能谱测井仪和铝活化测井仪，仪器更简单且能提供更多的元素含量，但仍是利用中子与地层元素原子核发生俘获反应产生的次生俘获伽马能谱，同样得不到满足闭合条件所需的碳、氧、钠和镁元素含量信息，因此还需要利用(2)式中的氧化物闭合模型将元素相对产额转化为元素质量百分含量.但是，本代仪器已经避免使用铝活化测井仪器和自然伽马能谱测井仪，式(4)中铝和钾的质量百分含量未知，因此S.L. Herron(1995)提出一种铝和钾元素质量百分含量未知的改进氧化物闭合模型WALK(Without AL and K).
类似于式(3)和式(4)，定义改进的元素相对产额向元素质量百分含量转换公式及氧化物闭合模型：
由于改进氧化物闭合模型中缺少了铝元素和钾元素，需要用铁元素对铝元素和钾元素进行补偿，所以式(7)中改进铁元素氧化物指数RFeAl要比真实铁元素氧化物指数(2.075)要大.RFeAl的值在5~7之间，在斯伦贝谢WALK处理程序中一般选用5.8.
3.2 元素含量向矿物含量转换方法改进
M. William等(2007)2007年提出，元素含量向矿物含量转换问题可归结为线性规划问题.定义最大化目标函数为
目标函数中要求总的矿物丰度最大化，若所有元素含量和岩石中存在的所有矿物种类及组分已知(如表 1(Jacobi and Longo， 2012)为典型矿物元素组成)，则z=100%.但鉴于有些元素含量未知，z一般小于100%.所以，引入松弛变量λj对标准的线性规划问题进行改进：
为了使转换得到的矿物含量值为非负值，则需要线性不等约束条件：
|
表 1 典型矿物元素组成 Table 1 Elemental composition of typical minerals |
元素俘获能谱测井被广泛应用，直至目前在地层评价中仍发挥重要作用，M. Robin等(2010)通过归纳岩性与氧化物的组合对应关系，利用常见元素氧化物的交会图识别岩性；袁祖贵等人(袁祖贵等，2004；袁祖贵，2004)及D. Kho等(2010)利用俘获伽马能谱获取的元素含量和矿物含量开展有效储层划分、油水层评价等储层综合评价研究；S. Rodolfo等(2010)及程华国等(2004)利用由元素含量转换得到的矿物含量，研究确定粘土含量及类型方法；M. Natsir等(2002)根据元素俘获伽马能谱测井中识别的特殊矿物，对储层酸化改造进行优化；袁祖贵(2005)根据沉积物中某些元素富集和贫化与沉积时的沉积环境密切相关，利用元素含量评价沉积环境.
4 基于脉冲中子源的元素能谱测井
由于化学中子源发射中子不可控制，对工作人员、环境和操作都存在潜在危害(Gilchrist et al., 2011)，而且化学中子源可用于制造放射性武器，可能被恐怖分子利用(Committee on Radiation Source and Replacement， 2008; Nuclear Regulatory Commission，2010)，因此利用可控脉冲中子源代替传统的化学中子源是中子测井发展的趋势.基于脉冲中子源的元素能谱测井通过对中子发生器的发射脉冲时序和伽马探测器的测量时序进行设计，可同时获取地层的非弹性散射伽马能谱和俘获伽马能谱，通过谱解析可获得更多种类、更精确的元素含量.
贝克休斯公司于上世纪90年代末推出利用可控中子源的元素能谱测井FLeX(Pemper et al., 2006)，可同时测量俘获伽马能谱和非弹伽马能谱，利用俘获伽马能谱获取Al、Ca、Cl、Gd、H、Fe、Mg、Mn、K、Si、S、Ti元素含量，利用非弹散射伽马能谱可以获得Al、Ca、C、Fe、Mg、O、Si、S、Ti元素含量(Baker Hughes，2013)；2012年R.J. Radtke等人在53届国际岩石物理学家和测井分析家协会(SPWLA)年会上发布斯伦贝谢公司推出最新一代地层元素扫描仪LithoScanner(Radtke et al., 2012)，利用高中子产额的D-T脉冲中子源和高能量分辨率的溴化镧伽马探测器，测量高精度、高能量分辨率的非弹性散射和俘获伽马能谱，对俘获伽马能谱解析可获得Al、Ba、Ca、Cl、Cu、Fe、Gd、H、K、Mg、Mn、Na、Ni、S、Si、Ti等16种元素含量，对非弹散射伽马能谱解析可获得Al、Ba、C、Ca、Fe、Mg、O、S、Si等9种元素含量(Schlumberger，2013b).
4.1 非弹伽马能谱仪器本底校正
利用非弹伽马能谱确定元素含量之前，需要对仪器产生的本底非弹性散射伽马能谱进行校正.在俘获伽马能谱的仪器本底谱的校正中，伽马探测器外包裹硼套吸收来自地层的热中子，避免热中子与仪器材料发生俘获辐射反应产生俘获伽马.但是，没有材料能吸收快中子而避免快中子与仪器材料发生非弹性散射，因此R.P. Richard等(2010)提出将仪器悬挂在空气中只测量仪器材料与快中子反应产生的本底非弹性散射伽马能谱，从测量的地层非弹性散射伽马能谱中扣除仪器本底非弹性散射能谱，可对非弹伽马能谱仪器本底进行校正.
4.2 利用非弹伽马能谱获取元素含量方法
谱数据处理时，俘获伽马能谱的处理和解析方法与原来技术相同，但利用非弹谱获取地层元素信息有限，不满足闭合模型，因此S. Herron等(2008)］提出了利用俘获伽马能谱和非弹散射伽马能谱联合谱解析的方法.
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相对产额且地层中含量较多的元素作为参考元素(如砂岩地层中选硅元素、碳酸盐岩地层中选钙元素)，利用俘获伽马能谱获取的元素质量百分含量和非弹伽马能谱获取的元素产额，可从非弹伽马能谱中求取元素质量百分含量为
4.3 应用状况
利用非弹性散射伽马能谱和俘获伽马能谱联合谱解析的意义，不仅在于获取元素种类增多及提高元素质量百分含量的确定精度，而且还能确定一些俘获伽马能谱不能获取但具有重要地质意义的元素，如用于确定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.相比于上一代元素俘获能谱测井仪器，本代仪器的优势用于在于能直接输出地层有机碳含量(Schlumberger，2012a)、进行页岩岩相分类(Schlumberger，2012b) 、精确定量评价页岩储层孔隙度(Schlumberger，2012b) 等.
5 技术展望
通过对发展历程归纳、总结和分析，目前为止基于伽马能谱的元素测井经过了自然伽马能谱测井、地球化学测井、元素俘获能谱测井和基于脉冲中子源的元素能谱测井四大主要发展阶段.随着油气勘探开发难度的不断增加，元素测井以其精确获得地层元素含量的优势在复杂储层中发挥越来越重要的作用，对其技术进行展望认为伽马能谱元素测井要遵循“三多”发展趋势.
5.1 多功能仪器设计
可控中子源代替化学源是中子测井发展的趋势，利用可控中子源的优势不仅在于其安全性能，而且能发射出产额更大、能量更高的中子.在测井仪器设计时，要充分利用快中子进入地层后与地层元素原子核发生的一系列核反应，在实现能谱测量的同时也要尽量测量其他信息，但要避免复杂的仪器结构，也要注重测井速度，如斯伦贝谢公司的多功能随钻测井平台EcoScope(Weller et al., 2005)，其脉冲中子测量部分，可实现元素俘获伽马能谱、中子伽马密度、地层宏观俘获截面及中子孔隙度等参数测量，且仪器结构简单.
5.2 多参数成果解释
对从井下获取的信息要充分利用，实现多参数成果解释，如脉冲中子测井中采用多探测器测量，可实现一次下井采集伽马能谱和时间谱及热中子时间谱等数据，对伽马能谱解析可获得地层元素质量百分含量；对非弹性散射伽马能谱数据处理，获取碳窗和氧窗的非弹性散射伽马计数，利用其比值可获取地层含油饱和度；利用非弹性散射伽马能谱，可实现利用次生伽马源测量地层密度；对伽马时间谱或热中子时间谱处理，可得出地层的宏观俘获截面，进而确定地层流体饱和度；从热中子时间谱中可获得热中子的总计数，利用距离中子源不同位置处热中子计数比值可确定地层孔隙度.因此，多参数成果解释不仅可以实现多参数测量，而且还可是实现在同一深度对同一地层参数重复测量，降低测井解释的多解性，提高测井结果精度和可信度.
5.3 多方位近钻头测量
随着大斜度井和水平井不断增加，随钻测井技术发展迅速(王瑞甲等，2012)，在泥浆侵入地层前可得到更加精确的原状地层信息(孙向阳等，2008).随钻元素测井过程中，在近钻头的位置不同方位上放置多个伽马探测器可获得地层伽马能谱的方位测量值，通过谱解析可获得不同方位的元素和矿物质量百分含量，不仅可以在随钻过程中指导钻头钻进轨迹，而且可得到井周元素和矿物成像.目前的成像测井主要包括电阻率成像、声波成像、密度成像及自然伽马成像，这些成像测井直接给出的是地层结构、岩性等信息，而元素成像测井可直接得出井周地层元素、矿物的成像图，为复杂储层进行更精细的评价.
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