童 鵬，劉鵬飛，趙英俊，郭天旭，張宏達

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

巖芯掃描是指將地質工作中形成的巖礦芯，通過儀器掃描、數碼照相等方法，轉化成計算機可存儲、處理的文字、圖像、數據等信息，對信息進行處理，以數據庫的形式進行存儲，利用輸出設備和系統(tǒng)進行信息展示的過程。巖芯掃描技術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字化，從而實現巖芯自動編錄，為地質科研、礦床研究和外圍找礦提供依據，同時通過巖芯數字化，可以建立巖芯網上數據庫，解決巖芯保存帶來的成本問題，實現資源共享[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，通過網絡提供公共服務，實現數據和知識共享[3]?；诖耍拇罄麃喡摪羁茖W與工業(yè)研究組織(CSIRO)設計研發(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據與影像數據。其是基于反射光譜分析技術，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)，其數據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，設光譜儀探頭內反射光接收鏡頭直徑為D，鏡頭中心距離側向巖芯表面距離為X，鏡頭全視場角為A，視場范圍測量圖斑直徑Y、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據質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據，通過合理設計完成了頁巖氣巖芯高光譜數據采集。

1 HyLogger巖芯測量系統(tǒng)及數據影響因素

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，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據的形式表現出來[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)的光譜數據；巖芯/切片托盤模式的自動化移動樣品臺；數字線掃描相機，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 頁巖氣巖芯光譜數據質量分析

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)產品，它的室內光源、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據影響已經做過校正，能確保在嚴格按照操作規(guī)程對系統(tǒng)進行預熱，并完成標準樣品定標之后，所測量的巖芯高光譜數據反射率能達到6%以上，較好的進行數據分析，提取出相應的蝕變礦物。

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。在對光譜曲線數據進行分析、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，及其難以對數據進行分析。

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生的影響，獲取到高質量光譜數據，確保礦物提取結果，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頁巖互層、黑色碳質頁巖為主。該段巖芯數據為非連續(xù)數據，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，進行高光譜數據獲取。改進工作方法前后，項目組分別對本段巖芯數據進行了高光譜數據掃描。具體的掃描參數見表1。

表1 永鳳1井工作方案

在數據獲取過程中，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，保證兩次獲取數據巖芯、環(huán)境的一致性。

一般而言，根據式(2)可以計算得出獲取范圍S內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，而產生的噪聲信息。對于大多數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。據此，項目組根據HyLogger巖芯測量系統(tǒng)的參數，以及頁巖巖芯的特點，提出以下兩點改進措施。

2.1 儀器設備改進

根據圖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構的反射率較大，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，實驗室內的光源為LED燈，該光源以經過廠家校正，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，減少非巖芯光譜數據的干擾，最大限度的降低范圍S以外的信息，即減少Le、Lm的干擾。工作組經過對比試驗，關閉實驗室光源，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生影響。

本次對儀器設備的改進，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據為真實有效的數據。

2.2 數據方法改進

一般來講，輻射定標就是將光譜的數字量化值(DN)轉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(即光譜的數字量化值(DN))表現，輻射定標即為數字量化值(DN)轉化為反射率的過程。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據結果。

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)進行數據定標，通過對該標準礦物的分析，評價當前數據的好壞，做好工作的閉環(huán)，保證數據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)進行數據定標，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，確保測量數據無誤。

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)反射率；I(λ)為儀器的響應值；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)上所測到的電壓值。

在對儀器設備進行改進之后，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值不變。只是因為背景參數的改變，導致樣品和標準白板(特氟龍材質)的測量電壓值發(fā)生了改變，其測量的數值需要增加一個背景參數Vb(λ)。根據式(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，經過多次對巖芯進行測試，并結合光譜數據對比分析后，Vb(λ)取常數。通過變化之后的電壓值，即可求得新的樣品光譜數據。

3 數據分析

保持外部環(huán)境一致，分別使用兩種方式進行巖芯數據獲取，得到YF1井的高光譜數據。

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據和影像數據。該巖芯整體為灰黑色，原始狀態(tài)下獲取，光譜數據900 nm以后，其反射率均小于0.0133，光譜曲線整體呈現下降趨勢，且數據中噪聲和光譜真實曲線已經無法進行區(qū)分，光譜吸收峰難以識別；改進后獲取的數據，900 nm之后光譜反射率均高于0.021，光譜信息也更為豐富，在數據中明顯可以看出光譜吸收峰的存在，數據質量明顯得到改善。

圖4為通過兩種方式進行掃描之后，進行整井數據拼接，得到YF1井的高光譜數據。上圖為未進行任何改進措施獲取的原始數據；下圖為進行改進措施之后，獲取的光譜數據。

圖3 改進前后巖芯影像與高光譜數據

圖4 YF1整井數據對比(注：當前每一豎條代表巖芯總長度的5%)

通過對比兩種數據，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，數據識別率更多。如在2 250 m前面的數據，未改進數據整合之后，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據質量明顯得到改善。

4 應用設置

在頁巖巖芯數據掃描采集過程中，因其自身特性的原因，采用原始的設備進行數據獲取，其數據質量較差，為了獲取到質量更高的數據，因此設計采用改進措施之后的模型進行巖芯高光譜數據采集。

圖5 YF1井提取與頁巖氣有關蝕變礦物

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，數據采集過程中，巖芯高光譜反射率均大于2%，使得數據質量大為提高，礦物蝕變結果精度更高。通過與其他地質數據進行比較，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頁巖發(fā)育段，根據頁巖氣藏品質參數(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 語

本文根據灰黑色頁巖反射率極低，其高光譜數據反射率基本小于2%的特點，對HyLogger巖芯測量系統(tǒng)的儀器和數據兩方面進行分析，分別提出了相應的改進方法。該方法明顯改善了獲取到的頁巖巖芯高光譜數據，提高了后期數據處理中蝕變礦物提取的精度，為我國頁巖氣巖芯數據庫建設提供了重要的數據支撐。該研究結果為類似的灰黑色巖芯數據獲取提供了方法，可應用于對反射率低的鉆孔巖芯高光譜數據獲取工作中。

參考文獻

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