引用本文
陈丹, 吴萍, 李金蓉, 何硕, 吴晓. 自然伽马能谱录井数据的影响因素[J]. 录井工程, 2024,35(3): 39-44.
CHEN Dan, WU Ping, LI Jinrong, HE Shuo, WU Xiao. Influence factors of natural gamma energy spectrum logging data[J]. Mud Logging Engineering, 2024,35(3): 39-44.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2024.03.006  
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自然伽马能谱录井数据的影响因素
陈丹, 吴萍, 李金蓉, 何硕, 吴晓
中国石油川庆钻探地质勘探开发研究院

作者简介：陈丹 工程师,1988年生,2011年本科毕业于中国石油大学（华东）资源勘查专业,2021年取得成都理工大学地质工程专业工程硕士学位,现在中国石油川庆钻探地质勘探开发研究院从事录井方法研究工作。通信地址：610056 四川省成都市成华区建设北路一段83号。电话：（028）86016037。E-mail：chendan_dyy@cnpc.com.cn

收稿日期: 2024-05-24
摘要

自然伽马能谱录井技术在岩性识别、地层划分、储层识别等方面发挥了重要的作用,然而操作人员的操作差异、钻进过程中钻井取心以及井漏等钻井复杂导致的岩屑量不足均会造成测量数据出现偏差。通过开展自然伽马能谱数据影响因素实验,分析了检测时长、岩屑样品充填方式、岩屑颗粒粗细、样品干湿程度、样品质量对测量数据的影响程度,认为样品质量是影响自然伽马能谱录井最重要的因素,其辐射伽马总剂量率与岩屑质量呈线性关系。基于实验结果,形成了一套适用于现场的规范性操作,在取样条件受限导致样品质量不足时,利用辐射伽马总剂量率与样品质量线性关系可进行参数校正。

关键词: 自然伽马能谱录井; 影响因素; 数据校正; 规范性操作; 岩屑质量
中图分类号:TE132.1 文献标志码:A
Influence factors of natural gamma energy spectrum logging data
CHEN Dan, WU Ping, LI Jinrong, HE Shuo, WU Xiao
CCDC Geological Exploration and Development Research Institute of CNPC, Chengdu, Sichuan 610056,China
Abstract

Natural gamma energy spectrum logging technology plays an important role in lithology identification, stratigraphic division, reservoir identification and other aspects. However, operational differences among operators, drilling coring during the drilling process and insufficient cuttings caused by drilling complexities such as lost circulation can all lead to measurement data deviations. By conducting experiments on influence factors of natural gamma energy spectrum data, the influence degree of the sensing time, cuttings sample filling pattern, the coarse or fine of the cuttings grains,the dry or wet degree of the samples, and sample mass on measurement data were analyzed. It is considered that sample mass is the most important factor influencing natural gamma energy spectrum logging, and the total dose rate of its radiation has a linear relationship with cuttings mass. Based on the experimental conclusions, a set of standardized operations suitable for the field has been formed. When the sampling conditions are limited and the sample mass is insufficient, parameter correction can be performed using the linear relationship between the total dose rate of the radiation gamma and the sample mass.

Keyword: natural gamma energy spectrum logging; influence factor; data correction; standardized operation; cuttings mass
0 引言

随着钻井新工艺、新技术的发展, 岩屑细碎甚至呈粉末状, 使得常规岩屑录井难以满足现场需求[1, 2], 自然伽马能谱录井作为一种特殊录井技术, 如今已被广泛应用于岩性识别、地层划分、储层识别等方面[3, 4, 5, 6, 7, 8]。然而操作人员的操作差异以及钻井过程中钻井取心、井漏等钻井复杂导致岩屑量不足, 均会造成测量数据出现偏差。目前, 针对自然伽马能谱录井数据的影响因素及规范性操作的研究较少, 因此有必要开展自然伽马能谱录井数据的影响因素研究, 形成现场可参考的操作流程和自然伽马能谱录井数据校正技术, 以期解决上述问题。

1 自然伽马能谱录井原理
1.1 理论基础

地层中存在放射性核素, 岩石的自然伽马射线主要是由铀系和钍系中的放射性核素及40K产生的。每种核素所发射的伽马射线的能量和强度不同, 根据实验室对铀（U）、钍（Th）、钾（K）放射伽马射线能量的测定, 发现40K放射的单色伽马射线, 其能量为1.46 MeV, 而铀系、钍系放射的是多能谱伽马射线, 伽马射线能量分布复杂, 通常铀系中选择特征核素214Bi发射的1.76 MeV的伽马射线来识别铀, 钍系中选择特征核素208Tl发射的2.62 MeV的伽马射线来识别钍。

自然伽马能谱录井就是根据U、Th、K的自然伽马能谱特征, 用能谱分析方法将测量到的U、Th、K的伽马射线的混合谱进行谱解析, 从而定量测定岩屑中U、Th、K含量, 同时给出地层总的伽马放射性强度的一种录井技术[9]。

1.2 自然伽马能谱录井仪

自然伽马能谱录井仪由探头（包括闪烁体、光电倍增管）、高压电源、线性放大器、多道脉冲幅度分析器组成。在伽马射线的激发下闪烁体发光, 所发的光被光电倍增管接收, 经光电转换及电子倍增过程, 最后从光电倍增管的阳极输出电脉冲, 通过记录分析这些脉冲就能测定伽马射线的强度和能量[10]。

2 自然伽马能谱数据影响因素分析

随着钻井技术的高速发展, 快钻时已成常态[11], 现场为满足数据快速分析的需求, 不同录井队伍进行自然伽马能谱分析时存在检测时长不同、岩屑平铺岩屑盒或直接袋装测量、岩屑干样和湿样混做等操作差异, 以及存在由于钻井复杂造成测量的岩屑样品质量不同等情况。

本文根据自然伽马能谱录井原理, 结合现场实际情况, 针对可能影响自然伽马能谱数据的多因素进行了实验分析。

2.1 检测时长

检测时长反映的是自然伽马能谱录井仪对岩屑样品所含放射性元素含量探测的充分程度。实验选取5种不同岩性的岩屑样品（500 g）分别测量5 min和10 min（表1）。结果显示：5种岩屑样品对应的不同测量时长总计数率和总剂量率值非常接近, 总计数率绝对差值最大0.47 cps, 最大误差率1.31%, 总剂量率绝对差值最大1.06 nGy/h, 最大误差率1.29%, U含量、Th含量、K含量几个参数一般误差率为4%~15%。实验结果证实, 5 min测量时间已达到时间临界点, 岩样放射性元素含量充分释放, 自然伽马能谱录井仪测得的计数率值趋于稳定, 不再随着时间增加而增加。

表1 不同检测时长自然伽马能谱录井测量数据
2.2 岩屑样品充填方式

通过调研, 录井现场进行岩屑自然伽马能谱录井时, 岩屑样品在样品盒中的充填方式主要有两种：一是直接采用岩屑袋袋装; 二是将岩屑从岩屑袋中倒

出, 岩屑均匀铺满样品盒。两种充填方式的主要区别体现在岩屑盒的填满度上。

本次选取YA 001井石膏样1个（300 g）、云岩样2个（各500 g）, 在岩屑质量、检测时间相同的情况下, 分别采用岩屑装袋和未装袋（岩屑均匀分布在样品盒）方式进行实验。从实验结果来看（表2）, 3个样品袋装测量的总计数率值均小于未袋装方式, 绝对差值0.31~0.92 cps, 误差率5.54%~17.42%。实验证实, 岩屑袋装测量的方式直接影响自然伽马能谱录井仪对脉冲信号的接收, 导致总计数率下降, 进而影响岩样总剂量率的测量数据, 总剂量率绝对差值0.58~2.11 nGy/h, 误差率4.46%~17.35%。因此, 自然伽马能谱录井测量样品最好的方式是岩屑颗粒直接放在样品盒, 均匀铺满周边凹槽。

表2 不同充填方式自然伽马能谱录井测量数据
2.3 样品颗粒粗细

为了验证样品颗粒粗细对自然伽马能谱录井值的影响, 分别选取YB 1井生屑灰岩岩心（500 g）、LU 203井页岩岩心（500 g）进行实验测量。然后将岩心磨成粉末, 再次测量, 测量时间均为5 min。

测量结果显示生屑灰岩和页岩的岩心与岩心粉末的总计数率、总剂量率值非常接近（表3）, 总计数率误差率为1.47%~2.00%, 总剂量率误差率为1.28%~1.86%。但从两种岩性的U、Th含量来看, 岩石粉末的测量值相对岩心的测量值明显升高, 而K含量由于总体含量较低, 导致测量数据波动较大。分析认为块状岩心对其内部岩石U、Th等核素的射线遮挡是造成其测量值偏低的主要原因。

表3 不同岩屑粒度自然伽马能谱录井测量数据

因此, 在现场进行自然伽马能谱录井时, 应选择岩屑来进行, 尽量避免岩屑、岩心混做。目前钻井现场绝大部分井从表层套管以下用PDC钻头钻进, 岩屑颗粒细小, 基本能满足自然伽马能谱录井的测量要求。

2.4 样品干湿程度

为满足样品快速分析的需要, 现场通常采用干样、湿样混测的方式以缩短样品测量间隔时间。

实验选取了YC 1井泥岩、细砂岩、介壳灰岩岩屑样各500 g进行测试, 验证样品干湿程度对自然伽马能谱录井测量数据的影响。首先采用岩屑干样进行自然伽马能谱录井实验, 再加水50~60 g混成湿样进行实验, 测量时长均采用15 min（5 min测量时长已达到岩屑干样的测量时间临界点, 此次实验延长测量时长可使两种状态岩屑样品放射性充分释放, 以确定岩屑干湿程度对测量结果的影响）。实验数据显示（表4）, 干样的总计数率和总剂量率与湿样测量值误差不大, 总计数率误差率0.76%~9.01%, 总剂量率误差率0.33%~9.18%, 其中泥岩误差率相对较大, 而砂岩及碳酸盐岩基本不受影响。因此, 在砂岩及碳酸盐岩井段, 岩屑样品的干湿程度不是影响自然伽马能谱录井测量的主要因素, 而在泥岩段, 应尽量统一采用干样进行检测分析。

表4 干样、湿样岩屑自然伽马能谱录井测量数据
2.5 岩屑样品质量

根据设备测量要求, 测量样品的质量以不少于500 g为宜。录井现场由于钻井取心、井漏、井下处理复杂等情况, 取样存在困难, 真岩屑较少, 样品质量往往不能满足测量要求。

实验选取了四川盆地多个地区岩性较纯的不同岩性的岩屑, 开展样品质量对自然伽马能谱录井数据影响的实验。由于实验的岩屑样品种类较多, 本文仅详述泥岩的实验过程及实验结论, 其他岩性实验过程不再赘述。

选取YQ 16井沙溪庙组岩性较纯的泥岩岩屑样品3个, 分别按质量100、200、300、400、500、600 g进行实验, 检测时长均为5 min。

总剂量率反映岩屑样品的放射性大小, 也是现场应用中主要采用的参数, 因此本章节主要研究样品质量与总剂量率之间的相关性。

从样品质量与总剂量率关系图（图1）来看, 泥岩总剂量率与样品质量呈正相关的线性关系, 决定系数r2> 0.98。

图1 YQ 16井泥岩样品质量与总剂量率关系

参考泥岩的实验步骤, 继续选取了YM 001、YG 64、YX 1、YL 123、YS 6井的砂岩、灰岩、云岩、石膏、页岩、碳质页岩进行实验。结果证实, 各构造的不同岩性总剂量率与岩屑质量均具有很明显的正相关线性关系, 相关系数在0.9以上, 可用线性公式表达, 即：

y=kx+b

式中：y为总剂量率; x为岩屑质量; k为斜率; b为常数。

根据不同岩性的实验数据统计, 石膏k小于0.01; 云岩k为0.01左右; 灰岩k介于0.02~0.04之间; 砂岩k介于0.04~0.06之间; 泥岩k介于0.06~0.08之间; 页岩k介于0.08~0.09之间; 碳质页岩k大于0.1。需要注意的是, 本次实验取样范围涉及四川盆地内多个构造, 因此实验数据的k值具有区域性, 使用公式时, 应结合区域特征来确定k值范围。

3 自然伽马能谱录井数据校正及应用

通过自然伽马能谱录井数据影响因素分析可知, 岩屑样品总剂量率主要与样品质量呈明显正相关的线性关系。根据这一认识, 可针对由于取样困难导致岩屑量不足的井段进行数据校正。

本次选取与YQ 16井同区域的YQ 002井珍珠冲段泥岩岩屑样品2个、沙溪庙组粉砂岩岩屑样品2个, 用于模拟取样困难条件下岩屑质量不足的自然伽马能谱录井数据校正。

将4个岩屑样品分别按照100、200 g进行实验, 测量时间均为5 min。通过岩屑样品总剂量率与岩屑样品质量的线性关系（图2、图3）, 计算出泥岩两个样品的k值分别为0.07、0.08, 粉砂岩两个样品的k值分别为0.04、0.06, 均符合该区域泥岩、粉砂岩的k值范围。因此, 可认为各个岩屑样品采用实测数据拟合出的线性公式可靠, 可用于岩屑总剂量率参数的校正。

图2 YQ 002井珍珠冲段泥岩岩屑样品总剂量率与岩屑质量关系

图3 YQ 002井沙溪庙组粉砂岩岩屑样品总剂量率与岩屑质量关系

根据4个岩屑样品的伽马能谱总剂量率与岩屑样品质量线性关系公式, 分别计算出500 g岩屑样品的总剂量率的校正值（表5）, 与500 g岩屑样品总剂量率的实测值进行对比可知, 校正值与实测值基本一致, 误差率在0.2%~2.1%之间。

表5 YQ 002井4个岩屑样品伽马能谱总剂量率校正值与实测值对比
4 结论

结合自然伽马能谱录井数据影响因素研究的实验结论, 可从检测时长、岩屑样品充填方式、样品颗粒粗细、样品干湿程度、测量岩屑样品质量方面形成一套既满足快速钻井、数据快速分析, 又适用于现场的规范性操作流程。

（1）检测时长：测量时长大于5 min, 自然伽马能谱录井仪测得的计数率值趋于稳定, 因此现场录井采用5 min的检测时长, 可在保证自然伽马能谱录井数据准确性前提下, 满足数据快速分析的需求。

（2）岩屑样品充填方式：实验证实岩屑袋装的测量方式会影响伽马总计数率测量值, 现场测量应统一采用将岩屑样品倒入样品盒, 均匀铺满整个样品盒的方式。

（3）样品颗粒粗细：块状岩心对岩石内部核素射线的遮挡导致自然伽马能谱录井测量值相对岩屑偏低, 现场应统一采用岩屑测量, 避免岩屑、岩心混做。

（4）样品干湿程度：不同岩性样品的干湿程度对自然伽马能谱录井数据的影响程度不同。对于砂岩及碳酸盐岩, 样品的干湿程度基本不影响其测量值, 因此在砂岩及碳酸盐岩井段, 为满足数据快速分析的需求, 可采用干样、湿样混做的测量方式, 以缩短样品测量的间隔时间。而样品的干湿程度对泥岩的测量结果影响较大, 因此在泥岩段, 则应统一采用干样进行检测, 以排除岩屑中水分的影响。

（5）岩屑样品质量：这是影响自然伽马能谱录井数据的重要因素。不同岩性的辐射总剂量率与岩屑样品质量均呈明显的正相关线性关系。当取样条件受限（如取心、井漏）样品量不足时, 可采用其线性关系特征对伽马能谱录井测量数据进行校正。但需注意的是, 辐射总剂量率与岩屑样品质量的线性关系式的斜率k值, 不止与岩性有关, 还存在区域差异, 因此在利用其线性关系进行参数校正时, 应先确定斜率k值是否满足区域特征。

编辑 陈娟

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