伽马-伽马密度测井的密度校正方法及应用.pdf

第 39 卷第 5 期2023年9月UraniumGeology铀矿地质Vol.39 No.5Sep.2023伽马-伽马密度测井的密度校正方法及应用焦仓文，乔宝强，冯延强，吴仙明，杨怀杰（核工业北京地质研究院 中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京 100029）摘要 针对天然放射性引起的伽马-伽马密度测井解析地层密度值偏低的问题，文章提出一种利用天然伽马探测器计数率与长、短源探测器计数率比值(RGGFR/NGR,RGGNR/NGR)系数，对长、短源探测器计数率进行修正的方法，进而利用常规刻度系数进行密度值解算。分别利用现场核查模型和钻孔实测数据进行密度解算与修正，结果表明该方法是一种有效的密度校正方法，满足密度测井对精度的要求。关键词 铀矿勘查；模型刻度；密度校正；计数率比值法文章编号 1000-0658（2023）05-0816-08 中图分类号 P631.8+17 文献标志码 A密度测井是常规地球物理测井的必测参数之一，基于伽马-伽马散射原理的密度测井在测定地层密度、识别地层岩性方面具有不可替代性。利用地层密度结合声波/补偿中子测井，还可获取地层孔隙度及孔隙介质属性等信息。在砂岩型铀矿勘查中，密度测井曲线对泥岩和砂岩地层有比较明显的差异，一般砂岩随泥质含量的增加，其密度值减小，渗透性减弱。因此确定地浸砂岩型铀矿含矿含水层，含矿层的岩性及渗透性，为地浸采矿提供基本物性参数信息，都离不开密度测井。然而放射性地层的伽马射线对密度测井是一种干扰，会造成密度曲线畸变，影响岩性的正确识别，甚至将渗透性岩性划分为非渗透性岩层，严重影响后续地浸采矿工艺的选取。前人为消除天然伽马射线对密度测量的干扰，提出了多种方法，李继安1（2015）利用密度三侧向测井仪进行两次下井测量，即挂源一次测井、不挂源一次测井，在密度结算时，利用探测器计数率差值进行扣除天然辐射计数对密度测量的影响，不失为一种有效的方法，但是工作效率相对较低。梁齐端2（2005）提出利用经验系数拟合的方法扣除天然伽马对长源探测器计数率的影响，其普适性具有一定的局限性。1康普顿散射伽马-伽马密度测量原理补偿密度测井仪的基本结构由推靠器、探头、电路组成。仪器的放射源和探测器装在探头上（也称滑板），在测井时，在推靠器的作用下，探头紧靠井壁，放射源向地层发射 光子，经地层散射吸收后，其中一部分由离放射源不同距离的两个 射线探测器所接收，放射源和探测器之间由屏蔽材料隔开，使得探测器接收的光子是经地层散射后的 光子。地层的密度不同，对 光子的散射和吸收能力不同，探测器记录到读数也不同，经过适当的校准，根据探测器的读数就可以确定地层的密度值。对于选定的137Cs 放射源和测量能段的情况下，对于由中等原子序数的原子组成的一般地层来说，光子和地层的相互作用中康普顿占绝对优势，此时地层的衰减系数与地层的电子密度成正比，而电子密度又与体积密度成正比，对大多数矿物和大多数地层来说，质量衰减系数m基本上为常数，这就是密度测井的基础3-5。仪器对地层的探测灵敏度 A6基金项目 中核集团第四代铀矿勘查关键技术与示范项目(编号：物 SD03-02)资助。收稿日期 2023-05-26 改回日期 2023-07-20作者简介 焦仓文(1969)，男，河北晋州人，高级工程师（研究员级），博士，从事放射性测井仪器研发与应用工作。E-mail:焦仓文DOI:10.3969/j.issn.1000-0658.2023.39.071焦仓文，等：伽马-伽马密度测井的密度校正方法及应用第 5期A=-m d（1）式中：d源距，cm；m地层的质量吸收系数，cm2/g，此系数理论上为光电效应、康普顿效应和电子对效应等 3项吸收系数之和。由于采用的137Cs 源 射线能量为 662 keV，与地层物质作用几乎完全为康普顿效应，故m近似地等于康普顿吸收系数。从式（1）可看出，源距 d 越大，灵敏度越高，探测深度也增大。但是源距过大，会使计数率降低，从而使统计误差增大。MD604测井仪选用的短源距为 200 mm，长源距为 350 mm。在没有泥饼的情况下，用不同源距的两个探测器进行测量他们的计数率与地层密度的关系：lnN=Ab+B（2）即b=(1/A)lnN-B/A式中：b地层密度，g/cm3；N探测器计数率，s-1；A灵敏度系数，s-1/（g/cm3）；B截距，常数。对长源探测器：GGFR=(1/AGGFR)lnNGGFR-BGGFR/AGGFR（3）对短源探测器：GGNR=(1/AGGNR)lnNGGNR-BGGNR/AGGNR（4）假设GGFR=GGNR，则：lnNGGFR=(AGGFR/AGGNR)lnNGGNR-(AGGFR/AGGNR)BGGNR+BGGFR（5）即lnNGGFR和lnNGGNR的关系为一直线，其斜率为AGGFRAGGNR，我们把这条线称为脊线，该线与水平轴的夹角=arctg(AGGFR/AGGNR)称为脊角，由于AGGFRAGGNR只与源距有关，所以当仪器几何参数设定后，其脊角就不变了，脊线上的每一点对应一个密度值7-8。2探测器计数率比值法地层的天然放射性伽马射线会被长源探测器接收，使得测量密度值偏离真实值，所幸的是，MD6047（核工业北京地质研究院生产）密度三侧向测井仪有天然伽马道探测器，测量地层的天然放射性，用于深度对齐与地层对比（图 1）。其位于测井仪顶部，而用于密度参数测量的长、短源探测器位于测井仪底部，可以认为天然伽马探测器 NGR 基本不受主动源（铯源）的影响。因此实际钻孔测井时，可以利用天然伽马探测器、长短源探测器计数率比值（RGGFR/NGR，RGGNR/NGR），对密度解算用长、短源探 测 器 计 数 按 比 例 进 行 扣 除，以 期 减 少 天然 伽 马 射 线 的 影 响。天 然 伽 马 探 测 器NGR、长 源 探 测 器 GGFR、短 源 探 测 器GGNR，采 用 碘 化 钠 晶 体，其 直 径 和 长 度 分别为 30 mm 和 80 mm、23 mm 和 40 mm、13 mm和 10 mm，其能量阈为 130 keV。为减少低能伽马射线引起光电效应的影响，GGNR 内置钽银片，滤掉低能散射 射线。这里假定认为 各 探 测 器 的 计 数 率 与 地 层 的 放 射 性 强 度成 正 比。其 比 例 系 数 可 以 在 标 准 模 型 井 上获 取，也 可 以 利 用 现 场 核 查 模 型 获 得8-9。其扣除方法步骤见图 2。350200369长源探测器短源探测器井径腿mm天然长源探测器137Cs2500图 1 MD604密度三侧向测井仪探测器结构示意图Fig.1 Detector configuration diagram of MD604 logger2.1利用饱和测井模型获得计数率比例系数为了较为准确地获取长、短源探测器与天然伽马探测器计数率比，使用 MD604在国防科技 工 业 放 射 性 计 量 站（1313）的 测 井 模 型 井（UF-0.03-I、UF-0.1-I、UF-0.2-I、UF-0.5-I）进行了数据采集，死时间修正及能量刻度线性化处理（表 1）。作为一个例子，图 3 是 MD604-2005 测井仪的天然伽马探测器、长源距探测器、短源距探测器分别在上述 4 个模型井上获得的计数率与模型标称含量的线性拟合曲线，根据他们的斜率之比获得相应的 RGGFR/NGR及RGGNR/NGR比值。817铀 矿 地 质第 39 卷表 1 MD604密度三侧向测井仪天然 探测器、长源探测器、短源探测器死时间及计数率比值Table 1 Deadtime and count rate ratio of detector in GGFR/NGR and GGNR/NGR of MD604 loggerMD604探管序号2001200220032005均值死时间/us长源探测器10.0710.3011.4613.2811.28短源探测器5.436.216.717.586.48天然伽马探测器40.5757.3059.5870.0456.87探测器计数率比RGGFR/NGR0.623 80.627 00.619 10.633 40.625 8RGGNR/NGR0.070 90.062 60.061 60.059 70.063 7图 3 能量刻度曲线 MD604-2005Fig.3 Energy calibration curve of MD604-2005图 2 密度参数修正方法流程图Fig.2 Density correction flowchart 818焦仓文，等：伽马-伽马密度测井的密度校正方法及应用第 5期2.2利用现场核查模型获取探测器计数率比只要保证模型数量足够，也可以利用核工业航测遥感中心计量站研制的现场核查模型获取 RGGFR/NGR及 RGGNR/NGR比值。图 4 是现场核查模型结构示意图，表 2 是 6 种核查模型的主元素及杂质元素含量列表。140mm600mm正视图侧视图80mm图 4 现场核查模型示意图Fig.4 Sketch of field benchmark model表 2 核查模型元素含量表Table 2 List of element concentration of field benchmark model模型编号KH-6-IIUH-0.03-IIUH-0.5-IIThH-0.05-IIThJ-0.1-IIUThK-0.01-0.03-5-IIRa/10-60.2a3965 1678.3a30.8a114Th/10-60.6a0.1a1.6a346772290K/%4.20.1a0.1a/0.1a3.6注：a定值结果仅供参考（核工业航测遥感中心提供）。2.3密度刻度系数利用铝模块和有机玻璃模块，使用铯源（US14CS001184 和 US14CS001224）对 MD604测井仪进行密度参数刻度，并获取其灵敏度、脊角（表 3）。3实例对比补偿密度测井中的短源探测器由于探测深度相对于长源探测器探测深度浅，主要用来校正泥饼的影响。在本文试验过程中，无论是利用核查模型还是裸孔测井，密度的解算及校正过程都是基于长源探测器计数开展。3.1核查模型试验对比核 查 模 型 UH-0.03-II 的 标 称 铀 含 量 为39610-6。使用 4 根 MD604 测井仪分别利用：1）计数率直接扣除法（即用挂铯源时的长、短源计数率减去不使用铯源时的长、短源计数率，相当于两次下井测量，一次挂源测井，一次不 挂 源 测 井）；2）探 测 器 计 数 率 比 值 法（RGGFR/NGR），校正由于矿层伽马射线引起长短源计数变化，造成密度解算结果偏低的影响，其结果见表 4。由表 4可见，校正前测量密度明显偏低，均值为 1.84 g/cm3，模拟两次测井的计数率扣除法，获得密度均值为 2.01 g/cm3；利用计数率比值扣除法（相当于一次测井）获得密度均值为2.00 g/cm3。针对 UH-0.03-II模型，密度校正结果比较理想，尤其是计数率直接扣除法和计数率比值扣除法相当。由于没有核查模型的密度标称值，以测量均值作为参考值，其误差在0.03 g/cm3的范围内10。针对 UH-0.5-II 核查模型（其铀含量标称值 5 16710-6），利用长源探测器计数率，分别用计数率扣除法和计数率比值法，计算核查模型的密度值，计数率比值扣除法更接近实际（校正前为1.12 g/cm3，计数率扣除法为2.54 g/cm3，而计数率比值法为 2.05 g/cm3），说明计数率比值法具有在更宽的地层放射性强度范围内进行 819铀 矿 地 质第 39 卷密度校正的能力。3.2裸孔测井及成井测井试验对比图 5和图 6中，除特殊说明外，GR代表定量伽马测井，以照射量率（nC/（kg h）表示；NNGR、NGGFR、NGGNR分别表示 MD604 测井仪中的天然伽马探测器、长源探测器，以及短源探测器计表 3 MD604密度刻度结果Table 3 The rib angle and sensitivity of density for MD604 probes探管 MD604编号2005200320022001脊角/73.7273.9173.9675.68灵敏度/(s-1g-1cm3)1.531.521.571.51密度刻度结果ln(N)=1.53+11.09ln(N)=1.52+11.05ln(N)=1.57+11.11ln(N)=1.51+11.06表 4 核查模型（UH-0.03-II）密度校正结果Table 4 Corrected density by direct count rate decount and count rate ratio method on UH-0.03-II modelMD604探管序列号2001200220032005长源探测器计数率/s-13 790.023 911.453 931.593 381.32密度/（g cm-3）校正前1.871.811.831.85计数率直接扣除法2.041.972.002.02计数率比值扣除法2.031.971.992.01误差0.030.030.010.01图 5 钻孔 1-2-16Z成井密度修正Fig.5 Density correction of borehole 1-2-16Z with PVC casing 820焦仓文，等：伽马-伽马密度测井的密度校正方法及应用第 5期图 6 钻孔 SYG-1裸孔测井密度曲线校正Fig.6 Density correction of open logging curves in borehole SYG-1 821铀 矿 地 质第 39 卷数率，Den-校正前及 Den-校正后参数分别表示利用本文方法进行密度校正前后的密度值。1-2-16Z 成井钻孔：密度测井用来确定过滤器位置以及细砾与粗砾厚度，按照成井工艺要求，过滤器位置投粗砾；过滤器上下位置注细砾，相较于细砾，粗砾密度相对较低。从测井曲线看出，短源探测器计数率基本不受地层放射伽马射线的影响（绿色测井曲线），密度解算及校正都是基于长源探测器计数率的。图中蓝色线是进行密度校正后的密度测井曲线，与未作密度校正的黑色测井曲线相比，校正后密度曲线基本是矿层工艺结构的反映，因为密度测井探测深度有限，校正后密度值基本反映的是粗粒料（深度间隔 390.0396.15 m，密度均 值 1.767 g/cm3）、细 粒 料 密 度（深 度 间 隔386.60389.75 m，及 396.15399.40 m，密 度均值约为 2.017 g/cm3）。定量 测井，在矿段位置照射量率可高达 700 nC/（kg h）。成井密度测井，利用长源探测器计数率进行密度校正较为理想。SYG-1 钻孔，裸孔测井，在 295.0310.0 m深度段，长、短源探测器计数率变化，真实地反映了井筒周围地层密度的变化。而在 405.36406.35 m 以及 423.80426.34 m 深度段，正好处于矿层位置，对长源探测器计数率造成明显的干扰（图 6 中褐色的曲线），相应地密度校正前后对比（蓝色和黑色的测井曲线）是明显的，校正前密度测量值偏低，直接影响对地层岩性的推断。密度校正后，405.36406.35 m 深度段的密度均值 2.289 g/cm3与其上部地层均值2.279 g/cm3接近；而 423.80426.34 m 深度段校正后密度均值为 2.363 g/cm3，与其上部地层密度均值 2.331 g/cm3也接近，应属于同一岩性（粗砂岩）。钻孔实例验证结果表明，在1 500 nC/（kg h）放射性地层的密度校正（图 6），使用长源距计数率利用计数率比值法对密度校正可以达到满意的结果。对于硬岩放射性地层，不存在泥饼的影响，可以推断本文提出的密度校正方法也同样适用。4结论1）计数率比值法，对于地层天然伽马射线造成伽马-伽马密度测井方法获取的地层体积密度偏低问题是一种有效的修正方法。2）相较于两次下井获得各自探测器计数率的直接扣除法，在更大的地层天然伽马辐射强度范围内其密度修正是有效的，且只需一次下井，减少了占钻时间。3）不局限于使用 MD604测井仪，只要密度测井仪器具有天然伽马探测器，采用本文提出的探测器计数率比值扣除法，同样可以扣除天然伽马放射性对密度测量的影响。参考文献1 李继安，杨兴，郗昭，等.砂岩型铀矿勘查中密度曲线的校正及应用以十红滩铀矿床为例 J.铀矿地质，2015，31（4）：459-466.LI Ji an，YANG Xing，XI Zhao，et al.Density loggingcurve correction and application in sandstone uraniumexploration：A case study of Shihongtan uraniumdepositJ.Uranium Geology，2015，31（4）：459-466（in Chinese）.2 梁齐端.鄂尔多斯盆地北部地区矿层密度测井曲线畸变原因分析 J.铀矿地质，2005，21（2）：105-111，122.LIANG Qiduan.Analysis on genesis of distortion of orelayer density-logging curve at northern Ordos basinJ.Uranium Geology，2005，21（2）：105-111，122（inChinese）.3 吕海泉，蔡晓波，程静，等.岩性密度测井仪探头测 试 系 统 的 研 制J.测 井 技 术，2017，41（5）：564-566.LV Haiquan，CAI Xiaobo，CHENG Jing，et al.Development of testing system for lithology densitylogging instrumentJ.Well Logging Technology，2017，41（5）：564-566（in Chinese）.4 张利光.补偿密度测井仪的刻度及适用条件 J.核电子学与探测技术，2003，23（5）：486-489，496.ZHANG Liguang.The demarcate and application fieldof compensated density logging apparatusJ.NuclearElectronics&Detection Technology，2003，23（5）：485-489，496（in Chinese）.5 孟刚，郭嗣杰，田彦民，等.岩性密度刻度器校准方法的探讨 J.舰船防化，2010，5：42-46.MENG Gang，GUO Sijie，TIAN Yanmin，et al.Discussion of transformation method of litho-densitylogging calibratorJ.Chemical Defence on Ships，2010，5：42-46（in Chinese）.822焦仓文，等：伽马-伽马密度测井的密度校正方法及应用第 5期6 楚泽涵，高杰，黄隆基，等.地球物理测井方法与原理 M.北京：石油工业出版社，2008.7 陆士立，袁明，焦仓文，等.HD-4002型综合测井仪J.铀矿地质，2005，21（3）：183-192.LU Shili，YUAN Ming，JIAO Cangwen，et al.Loggingsystem model HD-4002 J.Uranium Geology，2005，21（3）：183-192（in Chinese）.8 ENGELMAN R E，FLAUM C，MARICHENBACH E，et al.Calibration models for density borehole logging construction reportR.Washington：Department ofEnergy，1995.9 北京吉艾博然科技有限公司.岩性密度测井仪：中国，CN201650275UP.2010-11-24.10常桂兰，丁忙生，郑恩玖，等。EJ/T 11622002，地浸砂岩型铀矿地球物理测井规范 S.北京：国防科学技术工业委员会，2002.Correction Method and Application of Gamma-gamma Density LoggingJIAO Cangwen,QIAO Baoqiang,FENG Yanqiang,WU Xianming,YANG Huaijie（CNNC Key Laboratory of Uranium Resource Exploration and Evaluation Technology,Beijing Research Institute of Uranium Geology,Beijing 100029,China）Abstract：To solve the problem of negative deviation of derived rock density caused by natural radioactiveinterference in gamma-gamma density logging,this paper introduced a count rate ratio method which assumethe detector count rate was of linear proportion to uranium concentration in formation rocks.Ratio of countrates of natural gamma detector to that of long distance detector was derived through calibration pits.Fieldcalibration model verification and borehole density measurement showed that the above mentioned count rateratio technique was an effective density correction method,which can reduce rig time and improve deriveddensity accuracy.Keywords：uranium exploration；pit calibration；density correction；count rate ratio method 823