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）

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γ 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γ 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γ 光子。地层的密度不同，对γ 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μm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A［6］

式中：d—源距，cm；μm—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γ 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μm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：

即ρb=(1/A)lnN-B/A

式中：ρb—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：

对短源探测器：

假设ρGGFR=ρGGNR，则：

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α=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，MD604［7］（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γ 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。

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 logger

图2 密度参数修正方法流程图Fig.2 Density correction flowchart

2.1 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。

表1 MD604 密度三侧向测井仪天然γ 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 logger

图3 能量刻度曲线MD604-2005Fig.3 Energy calibration curve of MD604-2005

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。

表2 核查模型元素含量表Table 2 List of element concentration of field benchmark model

图4 现场核查模型示意图Fig.4 Sketch of field benchmark model

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）。

表3 MD604 密度刻度结果Table 3 The rib angle and sensitivity of density for MD604 probes

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396×10-6。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。

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 model

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5 167×10-6），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。

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

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

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390.0～396.15 m，密度均值1.767 g/cm3）、细粒料密度（深度间隔386.60～389.75 m，及396.15～399.40 m，密度均值约为2.017 g/cm3）。定量γ 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295.0～310.0 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405.36～406.35 m 以 及423.80～426.34 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，405.36～406.35 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423.80～426.34 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。