基于改進后HyLogger巖芯測量系統(tǒng)的一種低反射率頁巖氣巖芯高光譜數(shù)據(jù)獲取方法

童 鵬，劉鵬飛，趙英俊，郭天旭，張宏達

(1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029；2.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100083)

巖芯掃描是指將地質(zhì)工作中形成的巖礦芯，通過儀器掃描、數(shù)碼照相等方法，轉(zhuǎn)化成計算機可存儲、處理的文字、圖像、數(shù)據(jù)等信息，對信息進行處理，以數(shù)據(jù)庫的形式進行存儲，利用輸出設(shè)備和系統(tǒng)進行信息展示的過程。巖芯掃描技術(shù)不需要對巖芯進行取樣，可連續(xù)、批量地提取、分析巖芯表面及內(nèi)部蘊含的各類物化信息，且不對巖芯造成破壞[1]。它可以對巖芯進行數(shù)字化，從而實現(xiàn)巖芯自動編錄，為地質(zhì)科研、礦床研究和外圍找礦提供依據(jù)，同時通過巖芯數(shù)字化，可以建立巖芯網(wǎng)上數(shù)據(jù)庫，解決巖芯保存帶來的成本問題，實現(xiàn)資源共享[2]。

澳大利亞啟動了Online Drilling研究，旨在對大量已有的巖芯進行光譜測試、礦物分析后，通過網(wǎng)絡(luò)提供公共服務(wù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和知識共享[3]。基于此，澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織(CSIRO)設(shè)計研發(fā)的新一代巖芯掃描系統(tǒng)——HyLogger巖芯測量系統(tǒng)，獲取鉆孔巖芯高光譜數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)。其是基于反射光譜分析技術(shù)，利用光譜儀測量樣品在一定波長范圍(400～2 500 nm)的反射波譜，并依據(jù)其光譜診斷性特征來識別不同的礦物。

目前市面上的光譜測量系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)接收光纖線纜都是通過安裝在其前段或手槍式把手前段的接觸探頭，垂直接觸測量樣品表面，從而獲取當前物體光譜曲線。接觸探頭有各式各樣的形狀，一般按照垂直或者傾斜測量，來確認接觸探頭的類型。因HyLogger為固定的垂直測量，故本文只討論垂直測量情況。

HyLogger巖芯測量儀示意圖見圖1。近場測量(樣品到光譜儀探頭距離短于1 m)時候，設(shè)光譜儀探頭內(nèi)反射光接收鏡頭直徑為D，鏡頭中心距離側(cè)向巖芯表面距離為X，鏡頭全視場角為A，視場范圍測量圖斑直徑Y(jié)、面積S的計算見式(1)和式(2)。

Y=D+2×X×tan(A/2)

(1)

(2)

圖1 HyLogger巖芯測量儀示意圖

一般而言，嚴格按照操作規(guī)程完成標樣檢定后，獲取范圍S內(nèi)的巖芯礦物光譜曲線(400～2 500 nm)，其信噪比在400～2 500 nm范圍內(nèi)的絕大部分波長位置都能滿足定性和定量礦物解譯和實際應(yīng)用的需求。然而對于灰黑色頁巖氣巖芯而言，因其物理特性導致光譜反射率低，儀器設(shè)備光源的環(huán)境散射和二向性反射成為不可忽視的干擾因素。

本文對影響頁巖氣巖芯高光譜數(shù)據(jù)質(zhì)量的原因進行了闡述，并通過實際的實驗，對比分析了改進前后獲取的頁巖巖芯高光譜數(shù)據(jù)，通過合理設(shè)計完成了頁巖氣巖芯高光譜數(shù)據(jù)采集。

1 HyLogger巖芯測量系統(tǒng)及數(shù)據(jù)影響因素

1.1 測量原理

HyLogger巖芯測量系統(tǒng)是基于反射光譜分析技術(shù)，利用傳感器探頭，通過光譜儀點測的方式獲取每一段巖芯在一定波長范圍的光譜曲線，并依據(jù)其光譜診斷性特征來識別不同的礦物，并將收集的各種信息以電子數(shù)據(jù)的形式表現(xiàn)出來[4]。

HyLogger巖芯測量系統(tǒng)主要由4部分組成：ASD光譜儀，測量巖芯樣品VNIR到SWIR范圍(400～2 500 nm)的光譜數(shù)據(jù)；巖芯/切片托盤模式的自動化移動樣品臺；數(shù)字線掃描相機，獲取高分辨率的彩色圖像；激光表面測度儀，測量巖芯的長度，同時檢測巖芯的破碎和斷裂情況。

1.2 頁巖氣巖芯光譜數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

頁巖氣是以多種相態(tài)富存于泥頁巖、粉砂巖等地層中的非常規(guī)能源天然氣，巖性以富有機質(zhì)頁巖為主，可含黏土礦物、粉砂巖、碳酸鹽巖等夾層，氣體成分則以甲烷為主(>85%)，含氣范圍主要受有效烴源巖層(烴源巖層同時兼儲層和蓋層)，即富含有機質(zhì)的黑色頁巖或高碳泥頁巖或其薄互層和良好封蓋層的控制[5-6]。

HyLogger巖芯測量系統(tǒng)裝置表面以銀白色為主，其作為一款比較成熟的商業(yè)產(chǎn)品，它的室內(nèi)光源、儀器表面反射率、巖芯掃描光源等各種因素對巖芯的光譜數(shù)據(jù)影響已經(jīng)做過校正，能確保在嚴格按照操作規(guī)程對系統(tǒng)進行預(yù)熱，并完成標準樣品定標之后，所測量的巖芯高光譜數(shù)據(jù)反射率能達到6%以上，較好的進行數(shù)據(jù)分析，提取出相應(yīng)的蝕變礦物。

但是對于頁巖氣而言，其富存于黑色頁巖或高碳泥頁巖之中，巖芯顏色為深黑色，對光源的吸收性比較高，測量過程中實驗室燈光通過地面與墻面的多重反射，光源的環(huán)境散射和二向性反射成為不可忽視的干擾因素，導致獲取的巖芯反射率光譜信息噪聲加大，嚴重影響提取精度，巖芯的高光譜反射率基本在2%以下。在對光譜曲線數(shù)據(jù)進行分析、礦物提取過程中，巖芯實際光譜曲線與標準礦物光譜曲線相差過大，及其難以對數(shù)據(jù)進行分析。

故如何改進工作方法，最大程度減少因儀器和環(huán)境反射光對頁巖巖芯光譜曲線產(chǎn)生的影響，獲取到高質(zhì)量光譜數(shù)據(jù)，確保礦物提取結(jié)果，是項目組亟待解決的問題。

2 實驗方案

本次實驗地點選取貴州省遵義市鳳岡縣永鳳1井，永鳳1井是鳳岡二區(qū)塊的第一口探井，井深2 791 m，位于遵義市湄潭縣馬山鎮(zhèn)張家灣，永鳳1井掃描井段深度范圍為2 222～2 719.9 m，包括寒武系明心寺組下段以及牛蹄塘組地層，巖性以黑色頁巖與粉砂質(zhì)頁巖互層、黑色碳質(zhì)頁巖為主。該段巖芯數(shù)據(jù)為非連續(xù)數(shù)據(jù)，共分為8段57.4 m，分別為2 222～2 235.5 m、2 660.4～2 688.6 m、2 689.2～2 690.3 m、2 694.1～2 700.1 m、2 701～2 704.8 m、2 706.3～2 710.7 m、2 719.2～2 719.5 m、2 719.7～2 719.9 m。

使用HyLogger巖芯測量系統(tǒng)對永鳳1井掃描，進行高光譜數(shù)據(jù)獲取。改進工作方法前后，項目組分別對本段巖芯數(shù)據(jù)進行了高光譜數(shù)據(jù)掃描。具體的掃描參數(shù)見表1。

表1 永鳳1井工作方案

在數(shù)據(jù)獲取過程中，工作組嚴格按照操作規(guī)程進行工作，保證兩次測量過程中達到以下幾點要求：巖芯表面的清潔度以及干燥度一致；按照規(guī)程嚴格要求光譜儀燈光聚焦于巖芯表面；實驗室光源關(guān)閉，巖芯運輸窗口使用黑色不透光布進行遮蓋，確保實驗室達到暗室條件。通過以上途徑增加目標光譜信息，保證兩次獲取數(shù)據(jù)巖芯、環(huán)境的一致性。

一般而言，根據(jù)式(2)可以計算得出獲取范圍S內(nèi)的巖芯礦物光譜曲線。范圍S以外，因巖芯漫反射、或者測量平臺、儀器表面的漫反射，而產(chǎn)生的噪聲信息。對于大多數(shù)金屬礦物因其自身的反射率較高(大于0.02)而言，其信噪比在400～2 500 nm范圍內(nèi)的絕大部分波長位置能滿足定性和定量的礦物解譯和實際應(yīng)用的需求，故該噪聲信息一般不做考慮。但是對灰黑色頁巖巖芯而言，光源的環(huán)境散射和二向性反射成為不可忽視的干擾因素。據(jù)此，項目組根據(jù)HyLogger巖芯測量系統(tǒng)的參數(shù)，以及頁巖巖芯的特點，提出以下兩點改進措施。

2.1 儀器設(shè)備改進

根據(jù)圖1，在實際的測量過程中，進入到傳感器的輻射亮度總值由三大部分組成：①測量光源照射到巖芯表面，巖芯向傳感器反射的輻射亮度；②實驗室燈光和測量光源照射到實驗室環(huán)境中，實驗室為乳白色油漆墻面，其反射到傳感器的輻射亮度；③實驗室燈光和測量光源照射到HyLogger巖芯測量系統(tǒng)上，特別是銀白色主體結(jié)構(gòu)的反射率較大，其反射到傳感器的輻射亮度。由此，可以獲得進入到傳感器的輻射亮度總值的公式，見式(3)。

L=Ls+Le+Lm

(3)

式中：L為傳感器所接收到的輻射亮度總值；Ls為巖芯向傳感器反射的輻射亮度；Le為環(huán)境向傳感器反射的輻射亮度；Lm為儀器向傳感器反射的輻射亮度。

HyLogger巖芯測量系統(tǒng)在生成過程中，實驗室內(nèi)的光源為LED燈，該光源以經(jīng)過廠家校正，Le非常小，基本可以忽略其對巖芯光譜值的影響。而對于Lm來講，每隔200 h或者巖芯測量系統(tǒng)進行運輸轉(zhuǎn)移之后，使用標準光源作為巖芯測量光源，嚴格按照教程對其進行校準，確保其輻射值與之前出廠設(shè)置一致即可。

為了降低光源的環(huán)境散射和二向性反射，減少非巖芯光譜數(shù)據(jù)的干擾，最大限度的降低范圍S以外的信息，即減少Le、Lm的干擾。工作組經(jīng)過對比試驗，關(guān)閉實驗室光源，使用黑色不透光布進行遮蓋巖芯運輸窗口，確保實驗室達到暗室條件，有效的降低了環(huán)境向傳感器發(fā)射的輻射亮度Le。

同時，工作組通過多次試驗，對多種暗色材料進行試驗，其中包括黑紙、黑色油漆、黑布、黑色膠皮紙等。其中黑紙和黑色油漆的表面太亮，其反射率較高，反而增大了Lm的影響。黑布則是太柔軟，不利于對設(shè)備改進。最后工作組選擇使用黑色膠皮紙(吸收率高達95%)布置在HyLogger巖芯測量系統(tǒng)銀白色臺面和外圍墻上，吸收光譜儀燈光，以減少因環(huán)境和儀器的光源漫反射對巖芯的光譜曲線產(chǎn)生影響。

本次對儀器設(shè)備的改進，主要減少非巖芯的輻射亮度對于最后獲取值的影響。對于灰黑色頁巖巖芯而言，工作組對巖芯表面進行了清潔和干燥處理，確保獲取到的巖芯高光譜數(shù)據(jù)為真實有效的數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)方法改進

一般來講，輻射定標就是將光譜的數(shù)字量化值(DN)轉(zhuǎn)化為輻射亮度值或者反射率或者表面溫度等物理量的處理過程[7]。如圖2所示，當傳感器接收到樣品的反射波譜之后，其通過電壓的變化(即光譜的數(shù)字量化值(DN))表現(xiàn)，輻射定標即為數(shù)字量化值(DN)轉(zhuǎn)化為反射率的過程。當完成輻射定標之后，得到了能處理的波長和光譜反射率的數(shù)據(jù)結(jié)果。

圖2 HyLogger巖芯測量系統(tǒng)輻射定標

HyLogger巖芯測量系統(tǒng)每一次工作前后，都需要使用標準礦物(包含白板)進行數(shù)據(jù)定標，通過對該標準礦物的分析，評價當前數(shù)據(jù)的好壞，做好工作的閉環(huán)，保證數(shù)據(jù)采集過程中的科學嚴謹性。HyLogger巖芯測量系統(tǒng)使用標準礦物(包含白板)進行數(shù)據(jù)定標，其機理與ASD光譜儀一樣，主要是利用標準白板的反射率，來求得樣品的反射率。同時，其還使用10種標準礦物進行比較，確保測量數(shù)據(jù)無誤。

理論上標準白板的反射率為100%，但是在實際工作過程中標準白板因工作環(huán)境和性價比的原因，使用特氟龍白板(反射率極高，但非100%)，這樣對于測量樣品而言，其光譜是通過特氟龍白板的光譜值進行傳遞的，其具體計算見式(4)和式(5)[4,7]。

(4)

(5)

式中：S(λ)為光源；ρ(λ)為樣品反射率；ρt(λ)為標準白板(特氟龍材質(zhì))反射率；I(λ)為儀器的響應(yīng)值；V為光源照射到樣品上所測到的電壓值；Vt為光源照射到標準白板(特氟龍材質(zhì))上所測到的電壓值。

在對儀器設(shè)備進行改進之后，因前后兩次測量的工作環(huán)境和巖芯狀態(tài)均未發(fā)生變化，則光源和儀器的響應(yīng)值不變。只是因為背景參數(shù)的改變，導致樣品和標準白板(特氟龍材質(zhì))的測量電壓值發(fā)生了改變，其測量的數(shù)值需要增加一個背景參數(shù)Vb(λ)。根據(jù)式(5)，得到新的樣品反射率計算公式(式(6))。

(6)

在保持工作環(huán)境和巖芯都一致時，經(jīng)過多次對巖芯進行測試，并結(jié)合光譜數(shù)據(jù)對比分析后，Vb(λ)取常數(shù)。通過變化之后的電壓值，即可求得新的樣品光譜數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)分析

保持外部環(huán)境一致，分別使用兩種方式進行巖芯數(shù)據(jù)獲取，得到Y(jié)F1井的高光譜數(shù)據(jù)。

圖3為永鳳1井同一箱巖芯、同一深度(2 676.326 m)、相同外部環(huán)境下，利用HyLogger巖芯測量系統(tǒng)獲取的黑色頁巖巖芯影像和高光譜數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。該巖芯整體為灰黑色，原始狀態(tài)下獲取，光譜數(shù)據(jù)900 nm以后，其反射率均小于0.0133，光譜曲線整體呈現(xiàn)下降趨勢，且數(shù)據(jù)中噪聲和光譜真實曲線已經(jīng)無法進行區(qū)分，光譜吸收峰難以識別；改進后獲取的數(shù)據(jù)，900 nm之后光譜反射率均高于0.021，光譜信息也更為豐富，在數(shù)據(jù)中明顯可以看出光譜吸收峰的存在，數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯得到改善。

圖4為通過兩種方式進行掃描之后，進行整井數(shù)據(jù)拼接，得到Y(jié)F1井的高光譜數(shù)據(jù)。上圖為未進行任何改進措施獲取的原始數(shù)據(jù)；下圖為進行改進措施之后，獲取的光譜數(shù)據(jù)。

圖3 改進前后巖芯影像與高光譜數(shù)據(jù)

圖4 YF1整井數(shù)據(jù)對比(注：當前每一豎條代表巖芯總長度的5%)

通過對比兩種數(shù)據(jù)，可以很明顯的看出，改進后的光譜信息較原始的光譜信息更豐富，數(shù)據(jù)識別率更多。如在2 250 m前面的數(shù)據(jù)，未改進數(shù)據(jù)整合之后，僅能自動識別出2 227～2 232 m，且無法自動識別具體的巖性；而圖5可識別出2 222～2 237 m，且其自動識別出白云母。

由此，可以得到項目組對HyLogger巖芯測量系統(tǒng)進行改進的措施可行，獲取到的低反射率灰黑色頁巖高光譜數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯得到改善。

4 應(yīng)用設(shè)置

在頁巖巖芯數(shù)據(jù)掃描采集過程中，因其自身特性的原因，采用原始的設(shè)備進行數(shù)據(jù)獲取，其數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，為了獲取到質(zhì)量更高的數(shù)據(jù)，因此設(shè)計采用改進措施之后的模型進行巖芯高光譜數(shù)據(jù)采集。

圖5 YF1井提取與頁巖氣有關(guān)蝕變礦物

考慮到實際工作中，環(huán)境變化(如下雨、暴曬等)對巖芯的影響，所測量巖芯統(tǒng)一放置于巖芯庫中，進行整理清潔，確保巖芯狀態(tài)一致。同時改進措施之后，對每一天的背景參數(shù)Vb(λ)進行量測，在實際工作過程中，因測量的外部環(huán)境未有變化，故取Vb(λ)平均值。

最終，數(shù)據(jù)采集過程中，巖芯高光譜反射率均大于2%，使得數(shù)據(jù)質(zhì)量大為提高，礦物蝕變結(jié)果精度更高。通過與其他地質(zhì)數(shù)據(jù)進行比較，得出永鳳1井測井綜合處理解釋井段為2 470～2 773 m，包括寒武系明心寺組下段以及牛蹄塘組地層，其中牛蹄塘地層為主要目的層灰黑色碳質(zhì)頁巖發(fā)育段，根據(jù)頁巖氣藏品質(zhì)參數(shù)(TOC，孔隙度，含氣量)，在本井測量段劃分出126.5 m/6層(圖5)。

5 結(jié) 語

本文根據(jù)灰黑色頁巖反射率極低，其高光譜數(shù)據(jù)反射率基本小于2%的特點，對HyLogger巖芯測量系統(tǒng)的儀器和數(shù)據(jù)兩方面進行分析，分別提出了相應(yīng)的改進方法。該方法明顯改善了獲取到的頁巖巖芯高光譜數(shù)據(jù)，提高了后期數(shù)據(jù)處理中蝕變礦物提取的精度，為我國頁巖氣巖芯數(shù)據(jù)庫建設(shè)提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。該研究結(jié)果為類似的灰黑色巖芯數(shù)據(jù)獲取提供了方法，可應(yīng)用于對反射率低的鉆孔巖芯高光譜數(shù)據(jù)獲取工作中。

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