（矿产普查与勘探专业论文）钻孔γ场理论与核测井分层解释方法研究与应用.pdf

摘要 钻孔y 场理论与核测井分层解释方法研究与应用 作者简介：汤彬，男，1 9 6 4 年3 月生，师从成都理工大学周蓉生教授，2 0 0 8 年1 1 月毕业于成都理工大学矿产普查与勘探专业，获得工学博士学位。 摘要 y 测井是主要的核地球物理技术，是三类核测井的基础方法，很多核测井技 术都基于y 测井。例如，自然y 测井是测量地层岩石自身产生的y 射线；y y 测井是利用人工y 源照射地层岩石，测量其产生的散射y 射线；中子俘获测井是 利用中子照射地层岩石使其俘获低能中子，测量其产生的特征能量y 射线；中子 活化测井是利用中子照射地层岩石，测量其产生的活化y 射线。y 测井分为总量 型和能谱型两类y 测井，通常将自然y 测井直接简称为y 测井。 y 测井主要探测地层岩石所产生的自然y 射线，研究地层岩石中的铀、钍、 钾等放射性元素含量，识别或推断地层的岩性分布范围，寻找富含某些矿产的地 层，求解岩石密度等某些地质问题。本文主要研究y 测井涉及的钻孔y 场理论、 钻孔y 场计算的正反演技术、以及放射性元素含量定量的分层解释方法。 y 测井分层解释方法建立在钻孔y 场理论基础上，本文通过研究现有钻孔y 场理论和直孔y 场场强计算的表达函数，推导并提出了斜孔y 场场强计算的d 函 数。借助场源互换原理，推导并给出了非点状探测器接收时的直孔和斜孔y 场井 轴任意点的场强计算公式，扩展了现有钻孔y 场场强计算的适用范围。 分层解释理论建立在两类假设基础上，一类是将沿井轴的地层岩石划分为一 定厚度的有限个薄层，即单元层，以形态系数描述单元层的钻孔y 场；另一类是 将沿井轴的地层岩石划分为无数个无限薄的薄层，即面状辐射体，以地质脉冲函 数描述面状辐射体的钻孔y 场。本文从钻孔y 场理论出发，推导了两类钻孔y 场 场强计算的分层解释正演方程，基于面状辐射体的正演方程称为第一基本方程， 基于单元层的正演方程称为第二基本方程，并建立了它们之间的关系表达式。 为了简化面状辐射体所表达的钻孔y 场场强计算公式，国内外学者采用负指 数函数来表示地质脉冲函数，即本文所称的实用地质脉冲函数。本文首先按钻孔 y 场理论推导了地质脉冲函数的表达公式，再经理论分析和实验验证，探讨了实 用地质脉冲函数的简化依据。通过分析和比较，论证了实用地质脉冲函数的准确 性和实用性，并借助分层解释正演计算的两个基本方程之间的表达关系，提出了 实用形态系数的概念，并推导了实用形态系数的表达公式。 特征参数q 是实用地质脉冲函数和实用形态系数的唯一参数，本文为此进行 了较深入的理论探讨和实验探索。因分层解释的正演问题或反演问题必依赖于信 成都理工大学博士学位论文：钻孔y 场理论与核测井分层解释方法研究与应用 号的离散取样，须遵行取样定理，因而它们的数值解将产生截断误差，该截断误 差是分层解释负值含量的主要来源。特征参数q 的取值取决于地层环境、钻井条 件、能谱成分和测量仪器等诸多因素，取值不合适将引起解释含量的严重偏差， 甚至产生负值含量。本文论证了不可通过改变特征参数q 的取值来人为地消除负 值含量，相反可利用微小的负值含量来确定特征参数a 的合适取值。 在铀矿勘探的定量铀含量解释中，为摒弃传统的平均含量法，我国通过引进 分层解释法而展开了广泛的基础研究和生产实践。本文在研究多种分层解释方法 的基础上，提出了多点式反褶积法和数字信号法。 反褶积法通过实用地质脉冲函数来创建分层解释正演方程( 第一基本方程) ， 利用连续信号反滤波技术( 反褶积) 得到了定量核素含量的反演方程，该反演方 程的通解是一个微分表达式，三点式反褶积法是按照线性插值方法对该微分表达 式求取数值解。本文提出了利用插值多项式对该微分表达式求取数值解的思想， 并推导了多点式反褶积法的定量核素含量计算公式，还重点探讨了五点式反褶积 法含量计算公式及其截断误差。通过研究模型井的解释结果，提出了基于负值含 量确定特征参数q 的方法一相对判别因子法，并将其应用于生产实践中。 本文提出的数字信号法是一种离散反褶积法，它采用形态系数创建分层解释 正演方程( 第二基本方程) ，利用离散信号反滤波技术( 反褶积) 求得反演方程 及定量核素含量的数值解通式。本文还采用实用形态系数推导了所谓的精确三点 式反褶积法及定量核素含量的公式，以及采用由钻孔y 场理论计算( 或模型井实 测) 的形态系数求解核素含量的计算公式，进一步发展了反褶积技术。 通过模型井的大量实验和野外井的生产实践，并与引进的三点式反褶积法、 比值迭代法和差值迭代法、逆矩阵法等方法的对比研究，验证了本文提出的多点 式反褶积法( 特别是五点式反褶积法) 和数字信号法( 特别是加长算子的数字信 号法) 所具有参数确定方法简单、解释精度高、分层能力强等优点，可在生产实 践中采用这些新分层解释方法，且五点式反褶积法被我国核行业标准采用。 本文还初步探讨了能谱型y 测井的分层解释技术，提出了“等效含量”的概 念，并利用该概念简化了能谱型y 测井的剥谱方法，实现了铀、钍、钾等放射性 核素的分离解释。对比传统的能谱型y 测井剥谱方法，可通过y 射线特征能量谱 创建计数率的测井曲线，采用分层解释技术求取各测点的放射性核素含量。该研 究还获得了国家8 6 3 计划的资助，有望在进一步研究中取得更大成绩。 关键词：钻孔y 场y 测井分层解释地质脉冲函数形态系数特征参数q 多点式反褶积法数字信号法 i i a b s t r a c t s t u d ya n da p p l i c a t i o no n 丫f i e l dt h e o r yo fb o r e h o l ea n d m e t h o d so fs u b d i v i s i o ni n t e r p r e t a t i o nf o rn u c l e a rl o g g i n g i n t r o d u c t i o no ft h ea u t h o r ：t a n gb i n ，m a l e ，w a sb o r ni nm a r c h19 6 4 ，w h o s e t u t o rw a sp r o f e s s o rz h o ur o n g s h e n g h eg r a d u a t e df r o mc h e n g d uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yi ns u r v e ya n dm i n e r a le x p l o r a t i o np r o f e s s i o n a l s ，a n dw a sg r a n t e dt h e d o c t o rd e g r e ei nn o v e m b e r , 2 0 0 8 a b s t r a c t t h e rl o g g i n gi sam a j o rn u c l e a rg e o p h y s i c a lt e c h n o l o g y , a n da l s oab a s i cm e t h o d o ft h r e et y p e so fn u c l e a rl o g g i n g m a n yn u c l e a rl o g g i n gt e c h n i q u e sa r eb a s e do ny l o g g i n g f o re x a m p l e ，t h en a t u r a l 丫l o g g i n gi st om e a s u r et h ey - r a yo fr o c ki t s e l f ；t h e 7 - 7l o g g i n gi st om e a s u r et h es c a t t e r i n gy - r a yb yaa r t i f i c i a l rs o u r c er a d i a t i o nt or o c k ； t h en e u t r o nc a p t u r el o g g i n gi st om e a s u r et h ec h a r a c t e r i s t i c e n e r g yy - r a yf r o m l o w e n e r g yn e u t r o nc a p t u r eb yt h en e u t r o ni r r a d i a t i o n o fr o c k ；a n dt h en e u t r o n a c t i v a t i o nl o g g i n gi st om e a s u r et h ea c t i v a t i o ny - r a yb yt h en e u t r o ni r r a d i a t i o no fr o c k t h eyl o g g i n gi sd i v i d e di n t ot w ot y p e s ，t h et o t a la n ds p e c t r u m - 丫l o g g i n g u s u a l l y , t h e n a t u r a l 丫l o g g i n gi sr e f e r r e dt oa s 丫l o g g i n g t h e1 ，l o g g i n gi sm a i n l yt om e a s u r et h en a t u r a ly - r a yf r o mr o c ki t s e l f , t os t u d yt h e r a d i o a c t i v ee l e m e n tc o n t e n t ss u c ha su r a n i u m ，t h o r i u ma n dp o t a s s i u m ，t oi n f e r e n c eo r i d e n t i f yt h ed i s t r i b u t i o no fr o c kf o r m a t i o n ，t of i n dt h em i n e r a l - r i c hs t r a t a , a n dt os o l v e s o m eg e o l o g i c a lp r o b l e m ss u c ha sr o c kd e n s i t y t h i ss t u d yi st od i s c u s st h e 丫f i e l d t h e o r yi n s i d eb o r e h o l ed u r i n g 丫l o g g i n g , t h ef o r w a r da n di n v e r s i o nt e c h n o l o g yo ft h ey f i e l di nb o r e h o l e ，a n dt h es u b d i v i s i o ni n t e r p r e t a t i o nm e t h o d sf o rq u a n t i t a t i v ec o n t e n t s o fr a d i o a c t i v ee l e m e n t s t h es u b d i v i s i o ni n t e r p r e t a t i o nm e t h o d so f 丫l o g g i n ga r eb a s e do nt h e 丫f i e l d t h e o r yo fb o r e h o l e i nt h i ss t u d y , t h ee x i s t i n g 丫f i e l dt h e o r yo fb o r e h o l e ，a n dt h e e x p r e s s i o nf o r m u l ao f1 ，f i e l ds t r e n g t hc a l c u l a t i o ni ns t r a i g h t h o l ea r eu s e dt od e d u c e t h edf u n c t i o nf o rt h ec a l c u l a t i o no f 丫f i e l ds t r e n g t hi n + s l a n t h o l e a c c o r d i n gt ot h e p r i n c i p l eo fe x c h a n g eo ft h e 丫f i e l da n ds o u r c e ，t h e 丫f i e l ds t r e n g t hc a l c u l a t i o n f o r m u l a so fa n yp o i n ti nt h ew e l l - a x i sw i t hn o n p o i n td e t e c t o rt or e c e i v ey - r a yi n s t r a i g h t - h o l ea n ds l a n t h o l e ，a r ed e r i v e da n dg i v e n t h e i ra p p l i c a t i o ni se x t e n d e d b e y o n dt h ee x i s t i n gc a l c u l a t i o nf o r m u l a so fyf i e l ds t r e n g t hi nb o r e h o l e t h es u b d i v i s i o ni n t e r p r e t a t i o nt h e o r yi sb a s e do nt w oa s s u m p t i o n s o n eo ft h e a s s u m p t i o n si st od i v i d et h er o c kf o r m a t i o ni n t om a n yt h i nl a y e r sw i t l ll i m i t e dn u m b e r a l o n gt h ew e l l a x i s ，i e 。，u n i tl a y e r t h e 丫f i e l do fu n i t l a y e ri s d e s c r i b e dw i t hi t s s h a p e - f a c t o r t h eo t h e ra s s u m p t i o ni st od i v i d et h er o c kf o r m a t i o ni n t ou n l i m i t e dt h i n l a y e r sa l o n g t h e w e l l a x i s ， i e ， s u r f a c e r a d i a t i o n - b o d y t h e r f i e l do f s u r f a c e r a d i a t i o n - b o d yi sd e s c r i b e dw i t hi t sg e o l o g i c a lp u l s ef u n c t i o n i nt h i ss t u d y , a c c o r d i n gt ot h e 丫f i e l dt h e o r yo fb o r e h o l e ，t h et w of o r w a r dc a l c u l a t i o ne q u a t i o n so fy i i i 成都理工大学博士学位论文：钻孔y 场理论与核测井分层解释方法研究与应用 f i e l ds t r e n g t hi nb o r e h o l ea r ed e r i v e df o r t h es u b d i v i s i o ni n t e r p r e t a t i o n ，t h ef i r s tb a s i c e q u a t i o nb a s e do ns u r f a c e - r a d i a t i o n b o d y , a n dt h es e c o n do n eb a s e do nu n i t - l a y e r a n d t h er e l a t i o n s h i pe x p r e s s i o n sb e t w e e nt w oa s s u m p t i o n sa r ee s t a b l i s h e d i no r d e rt os i m p l i f yt h ee x p r e s s i o nf o r m u l ao fs t r e n g t hc a l c u l a t i o no f 丫f i e l do f s u r f a c e - r a d i a t i o n b o d y , t h eg e o l o g i c a lp u l s ef u n c t i o ni ss t r e a m l i n e di n t oan e g a t i v e e x p o n e n t i a lf u n c t i o nb ys c h o l a r s ，t h ep r a c t i c a lg e o l o g i c a lp u l s ef u n c t i o n t h e e x p r e s s i o nf o r m u l ao fg e o l o g i c a lp u l s ef u n c t i o nf r o mt h e 丫f i e l dt h e o r yo fb o r e h o l ei s d e d u c e di nt h i ss t u d y t h e n ，t h es i m p l i f i c a t i o no ft h ep r a c t i c a lg e o l o g i c a lp u l s e f u n c t i o ni sd i s c u s s e di nt e r m so ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o n t h r o u g ht h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n ，t h ea c c u r a c ya n du s e f u l n e s so fp r a c t i c a l g e o l o g i c a lp u l s ef u n c t i o ni sp r o v e d u s i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et w ob a s i c e q u a t i o n so fs u b d i v i s i o ni n t e r p r e t a t i o n ，t h i ss t u d yp r o p o s e st h ec o n c e p to fp r a c t i c a l s h a p e f a c t o ra n dt h ee x p r e s s i o nf o r m u l a t h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e rqi st h eo n l yc o e f f i c i e n to ft h ep r a c t i c a lg e o l o g i c a l p u l s ef u n c t i o na n dp r a c t i c a ls h a p e - 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f a c t o r a n dt h ec a l c u l a t i n gf o r m u l ai sd e r i v e db yu s i n gt h e s h a p e - f a c t o rf r o mt h e 丫f i e l dt h e o r yo fb o r e h o l e ( o r t h em e a s u r i n g 丫f i e l do fl o g g i n g m o d e l s ) f o rq u a n t i t a t i v er a d i o n u c l i d ec o n t e n t t h ed e c o n v o l u t i o nt e c h n i q u eh a s f u r t h e rb e e nd e v e l o p e d t h r o u g hm a n yt e s t so f m o d e lw e l l sa n dp r o d u c t i o np r a c t i c eo ff i e l dw e l l s ，a n dt h e c o m p a r i s o nw i t ht h et h r e e - p o i n td e c o n v o l u t i o nm e t h o d ，t h er a t i oa n dt h em a r g i n i t e r a t i o nm e t h o d ，t h ei n v e r s em a t r i xm e t h o da n do t h e rm e t h o d s t h em u l t i - p o i n t d e c o n v o l u t i o nm e t h o d ( i np a r t i c u l a rt h ef i v e - p o i n td e c o n v o l u t i o nm e t h o d ) a n dd i g i t a l s i g n a lm e t h o d ( i np a r t i c u l a rt h el o n g e rd i g i t a ls i g n a lo p e r a t o r ) h a v eb e e nv e r i f i e dt ob e s i m p l e t od e t e r m i n ep a r a m e t e r , h i g l li ni n t e r p r e t a t i o na c e u r a c y a n ds t r o n gi n s u b d i v i s i o no fr o c kf o r m a t i o n t h e s em e t h o d sc a nb eu s e df o rp r o d u c t i o n ，a n dt h e f i v e p o i n td e c o n v o l u t i o nm e t h o dh a sb e e nu s e da san u c l e a ri n d u s t r ys t a n d a r di n c h i n a t h es t u d ya l s od i s c u s s e st h es u b d i v i s i o ni n t e r p r e t a t i o nt e c h n o l o g yf o re n e r g y s p e c t r u m ? - l o g g i n g t h e ”e q u i v a l e n tc o n t e n t ”c o n c e p th a sb e e nb r o u g h tu pt os i m p l i f y t h es t r i p p i n gs p e c t r u mm e t h o do f y s p e c t r u ml o g g i n g ，a n dt os e p a r a t eu r a n i u m ，t h o r i u m ， p o t a s s i u ma n d o t h e rr a d i o n u c l i d e s c o m p a r e d 、i mt h et r a d i t i o n a ls t r i p p i n gs p e c t r u m m e t h o do f 7l o g g i n g ，a c c o r d i n gt h ec h a r a c t e r i s t i ce n e r g yt oc r e a t et h el o g g i n gc u r v eo f c o u n tr a t e s ，t h eq u a n t i t a t i v er a d i o n u c l i d ec o n t e n to fe v e r ym e a s u r i n gp o i n tc a nb e r e a l i z e db ys u b d i v i s i o ni n t e r p r e t a t i o n t h es t u d ya l s ow o nt h en a t i o n a l8 6 3p r o j e c tf u n d t h en e wa c h i e v e m e n t sa r ee x p e c t e di nt h ef u t u r es t u d y k e y w o r d s ：丫f i e l do f b o r e h o l e ；s u b d i v i s i o ni n t e r p r e t a t i o no f tl o g g i n g ； p u l s ef u n c t i o n ；s h a p e f a c t o r ；c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r0 【； d e c o n v o l u t i o nm e t h o d ；d i g i t a ls i g n a lm e t h o d v g e o l o g i c a l m u l t i - p o i n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得成都理王太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 司形 艿年fl 其灿e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛都堡王太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛都理王太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 学位论文作者导师签名： 珈g 年 ，月 2 de l 够扎矽旧 第1 章概述 第1 章概述 1 1 核测井技术及其本论文研究工作的目的与意义 1 1 1 测井技术的产生与发展 随着石油勘探中的地球物理方法与技术的发展，法国斯仑贝谢公司于1 9 2 7 年发明了电测井，称之为电取芯【l 】。简单地说，电测井以及其它测井就是“用测 量装置在井内采集和记录所穿过地层岩石中的物理和化学特性”的新技术。最初 的电测井解释方法是按电导率曲线形态进行逐井地层对比，由于现代测量手段与 解释方法的改进和增多，各类测井方法开始应用于地层岩石物性参数的定量评 价，包括确定组成地层岩石的某些元素成分和含量等【1 - 1 2 , 1 6 - 3 5 】。 从狭义上讲，测井是井壁取芯和岩硝分析等录井技术的补充或代用品，常见 的测井方法主要用于提取井内地层岩石的物理和化学信息。通常，利用测井数据 能够识别裂缝、绘制构造图、描述油藏、识别沉积、甚至实现储量计算等【l 。3 5 1 。 核测井是利用地层岩石的核物理特性，定性和定量评价地层岩石物性参数的高科 技方法。自然丫测井是主要的核测井方法，在油气勘探、煤田勘探和铀矿勘探等 方面占有十分重要的地位，特别是在铀矿勘探中，自然丫测井能确定钻孔所穿过 地层岩石中的铀、钍、钾等放射性核素含量，甚至是实现铀矿储量计算的唯一方 法【2 - 6 , 3 3 - 3 5 】。在油气勘探中，近年来出现的新的核测井技术地层元素测井技术， 也能够确定主要的造岩元素含量【1 9 。2 0 】。 目前，不同类型的测井方法和仪器已超过五十余种【l 。2 1 】，其中一些采用无源 测量装置( 例如自然丫测井、自然电位测井等) ，另一些是对所穿过的地层产生 一定的物理或化学作用的有源测量装置( 例如视电阻率测井、缓发中子测井等) 。 它们都是将测量结果通过特制( 铠装) 电缆传送至地面，测井探测器或装置的外 形一般是细长圆柱体，长度和传感器排列及所需电子线路有关。一些测井探测器 常被设计成井内居中位置( 通过弓形弹簧或水力驱动臂来实现) ；而另一些测井 探测器和地层紧密接触( 采用弓形弹簧或水力辅助驱动臂来实现) 。并有许多测 井仪器可以同时连接多个探测器或装置，形成综合测井仪器【l - 2 2 。 1 1 2 地层岩石性质和测井技术的应用 测井获得的信息与地层岩石的物质成份和结构存在密切关系1 之1 1 ，例如：富 含放射性核素的测井资料表现为丫照射量率的增高；而金属矿层的电阻率偏低等 等。但是，很多地层岩石自身的物理特性十分接近，例如沉积岩的主要造岩矿物 成都理工大学博士学位论文：钻孔y 场理论与核测井分层解释方法研究与应用 是长石、石英、方解石、云母等，它的电阻率都在1 0 6 q i n 以上，是非导电体， 而许多沉积岩是导电的! 这是由于沉积岩的孔隙中充填了导电的地下水。因此， 测井方法不仅受地层岩石自身的物理和化学特性影响，而且受孔隙结构、地层温 度、孔隙水( 岩石湿度) 、岩石密度等参数的影响，它们在一定程度上改变了岩 石和矿石的物性参数( 例如电导率、极化率、丫射线的有效线吸收系数等) 。因 而，测井解释是一件较为复杂的工作，掌握测井的地层岩石性质，并对具体问题 进行具体分析是很有必要的。 一般来说，传统测井方法局限在两个应用领域：地层评价和完井评价。概括 起来，地层评价主要有四个方面的应用目的【m i 】： 1 、推断富含某种岩性的地层首先需要识别或推断被钻孔穿过的地层岩 石中是否有含有某种岩性? 特别是识别或推断富含某种矿产的地层，例如放射性 矿层、油气层等。 2 、推断含该岩性的地层位置然后还需要识别该岩性的地层深度与边界， 例如放射性矿层边界和深度、油气聚集层的边界和位置等。 3 、确定该地层中某种矿物( 元素) 的含量和范围有的测井方法还能够 定量确定地层中某些矿物的含量，例如自然丫测井能够确定矿层中的铀、钍、钾 含量，其它核测井能够确定有效孔隙体积并推断油气含量等；其次是确定含矿地 层或地质体的区域延伸范围，例如最近发展起来的井眼地震测量方法能够确定油 气的区域延伸范围。 4 、确定矿产是否可开采根据矿产类型的不同，在某些地层条件和矿物 结构条件下，有的矿产是无法开采的，例如渗透率不好的地层无法开采出油气( 许 多经验方法可通过测井解释提取不同精度的渗透率参数) 。因此，在勘探过程中， 必须确定该矿产是否最