基于改進(jìn)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(dá)

(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(jì)算機(jī)可存儲(chǔ)、處理的文字、圖像、數(shù)據(jù)等信息，對(duì)信息進(jìn)行處理，以數(shù)據(jù)庫的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，利用輸出設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行信息展示的過程。巖芯掃描技術(shù)不需要對(duì)巖芯進(jìn)行取樣，可連續(xù)、批量地提取、分析巖芯表面及內(nèi)部蘊(yùn)含的各類物化信息，且不對(duì)巖芯造成破壞[1]。它可以對(duì)巖芯進(jìn)行數(shù)字化，從而實(shí)現(xiàn)巖芯自動(dòng)編錄，為地質(zhì)科研、礦床研究和外圍找礦提供依據(jù)，同時(shí)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(shí)現(xiàn)資源共享[2]。

澳大利亞啟動(dòng)了Online Drilling研究，旨在對(duì)大量已有的巖芯進(jìn)行光譜測試、礦物分析后，通過網(wǎng)絡(luò)提供公共服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和知識(shí)共享[3]?；诖?，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織(CSIRO)設(shè)計(jì)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(shí)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(dāng)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(rèn)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(shí)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(jì)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(yán)格按照操作規(guī)程完成標(biāo)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(shí)際應(yīng)用的需求。然而對(duì)于灰黑色頁巖氣巖芯而言，因其物理特性導(dǎo)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(duì)影響頁巖氣巖芯高光譜數(shù)據(jù)質(zhì)量的原因進(jìn)行了闡述，并通過實(shí)際的實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析了改進(jìn)前后獲取的頁巖巖芯高光譜數(shù)據(jù)，通過合理設(shè)計(jì)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(diǎn)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(shí)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(dòng)化移動(dòng)樣品臺(tái)；數(shù)字線掃描相機(jī)，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(shí)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(jī)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(shí)兼儲(chǔ)層和蓋層)，即富含有機(jī)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(duì)巖芯的光譜數(shù)據(jù)影響已經(jīng)做過校正，能確保在嚴(yán)格按照操作規(guī)程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱，并完成標(biāo)準(zhǔn)樣品定標(biāo)之后，所測量的巖芯高光譜數(shù)據(jù)反射率能達(dá)到6%以上，較好的進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，提取出相應(yīng)的蝕變礦物。

但是對(duì)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(duì)光源的吸收性比較高，測量過程中實(shí)驗(yàn)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(dǎo)致獲取的巖芯反射率光譜信息噪聲加大，嚴(yán)重影響提取精度，巖芯的高光譜反射率基本在2%以下。在對(duì)光譜曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、礦物提取過程中，巖芯實(shí)際光譜曲線與標(biāo)準(zhǔn)礦物光譜曲線相差過大，及其難以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

故如何改進(jìn)工作方法，最大程度減少因儀器和環(huán)境反射光對(duì)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(xiàng)目組亟待解決的問題。

2 實(shí)驗(yàn)方案

本次實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)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(duì)永鳳1井掃描，進(jìn)行高光譜數(shù)據(jù)獲取。改進(jìn)工作方法前后，項(xiàng)目組分別對(duì)本段巖芯數(shù)據(jù)進(jìn)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(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行工作，保證兩次測量過程中達(dá)到以下幾點(diǎn)要求：巖芯表面的清潔度以及干燥度一致；按照規(guī)程嚴(yán)格要求光譜儀燈光聚焦于巖芯表面；實(shí)驗(yàn)室光源關(guān)閉，巖芯運(yùn)輸窗口使用黑色不透光布進(jìn)行遮蓋，確保實(shí)驗(yàn)室達(dá)到暗室條件。通過以上途徑增加目標(biāo)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(jì)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(tái)、儀器表面的漫反射，而產(chǎn)生的噪聲信息。對(duì)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(shí)際應(yīng)用的需求，故該噪聲信息一般不做考慮。但是對(duì)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(xiàng)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(diǎn)，提出以下兩點(diǎn)改進(jìn)措施。

2.1 儀器設(shè)備改進(jìn)

根據(jù)圖1，在實(shí)際的測量過程中，進(jìn)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(shí)驗(yàn)室燈光和測量光源照射到實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，實(shí)驗(yàn)室為乳白色油漆墻面，其反射到傳感器的輻射亮度；③實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(duì)巖芯光譜值的影響。而對(duì)于Lm來講，每隔200 h或者巖芯測量系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)輸轉(zhuǎn)移之后，使用標(biāo)準(zhǔn)光源作為巖芯測量光源，嚴(yán)格按照教程對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)，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(duì)比試驗(yàn)，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)室光源，使用黑色不透光布進(jìn)行遮蓋巖芯運(yùn)輸窗口，確保實(shí)驗(yàn)室達(dá)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(shí)，工作組通過多次試驗(yàn)，對(duì)多種暗色材料進(jìn)行試驗(yàn)，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(duì)設(shè)備改進(jìn)。最后工作組選擇使用黑色膠皮紙(吸收率高達(dá)95%)布置在HyLogger巖芯測量系統(tǒng)銀白色臺(tái)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(duì)巖芯的光譜曲線產(chǎn)生影響。

本次對(duì)儀器設(shè)備的改進(jìn)，主要減少非巖芯的輻射亮度對(duì)于最后獲取值的影響。對(duì)于灰黑色頁巖巖芯而言，工作組對(duì)巖芯表面進(jìn)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(shí)有效的數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)方法改進(jìn)

一般來講，輻射定標(biāo)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(dāng)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(biāo)即為數(shù)字量化值(DN)轉(zhuǎn)化為反射率的過程。當(dāng)完成輻射定標(biāo)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(biāo)

HyLogger巖芯測量系統(tǒng)每一次工作前后，都需要使用標(biāo)準(zhǔn)礦物(包含白板)進(jìn)行數(shù)據(jù)定標(biāo)，通過對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)礦物的分析，評(píng)價(jià)當(dāng)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(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性。HyLogger巖芯測量系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)礦物(包含白板)進(jìn)行數(shù)據(jù)定標(biāo)，其機(jī)理與ASD光譜儀一樣，主要是利用標(biāo)準(zhǔn)白板的反射率，來求得樣品的反射率。同時(shí)，其還使用10種標(biāo)準(zhǔn)礦物進(jìn)行比較，確保測量數(shù)據(jù)無誤。

理論上標(biāo)準(zhǔn)白板的反射率為100%，但是在實(shí)際工作過程中標(biāo)準(zhǔn)白板因工作環(huán)境和性價(jià)比的原因，使用特氟龍白板(反射率極高，但非100%)，這樣對(duì)于測量樣品而言，其光譜是通過特氟龍白板的光譜值進(jìn)行傳遞的，其具體計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)白板(特氟龍材質(zhì))上所測到的電壓值。

在對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)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?yàn)楸尘皡?shù)的改變，導(dǎo)致樣品和標(biāo)準(zhǔn)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(gè)背景參數(shù)Vb(λ)。根據(jù)式(5)，得到新的樣品反射率計(jì)算公式(式(6))。

(6)

在保持工作環(huán)境和巖芯都一致時(shí)，經(jīng)過多次對(duì)巖芯進(jìn)行測試，并結(jié)合光譜數(shù)據(jù)對(duì)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(jìn)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(shí)曲線已經(jīng)無法進(jìn)行區(qū)分，光譜吸收峰難以識(shí)別；改進(jìn)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(jìn)行掃描之后，進(jìn)行整井?dāng)?shù)據(jù)拼接，得到Y(jié)F1井的高光譜數(shù)據(jù)。上圖為未進(jìn)行任何改進(jìn)措施獲取的原始數(shù)據(jù)；下圖為進(jìn)行改進(jìn)措施之后，獲取的光譜數(shù)據(jù)。

圖3 改進(jìn)前后巖芯影像與高光譜數(shù)據(jù)

圖4 YF1整井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比(注：當(dāng)前每一豎條代表巖芯總長度的5%)

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

由此，可以得到項(xiàng)目組對(duì)HyLogger巖芯測量系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)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(jìn)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(jì)采用改進(jìn)措施之后的模型進(jìn)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(shí)際工作中，環(huán)境變化(如下雨、暴曬等)對(duì)巖芯的影響，所測量巖芯統(tǒng)一放置于巖芯庫中，進(jìn)行整理清潔，確保巖芯狀態(tài)一致。同時(shí)改進(jìn)措施之后，對(duì)每一天的背景參數(shù)Vb(λ)進(jìn)行量測，在實(shí)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(jìn)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(diǎn)，對(duì)HyLogger巖芯測量系統(tǒng)的儀器和數(shù)據(jù)兩方面進(jìn)行分析，分別提出了相應(yīng)的改進(jìn)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(duì)反射率低的鉆孔巖芯高光譜數(shù)據(jù)獲取工作中。

參考文獻(xiàn)

[1] 高鵬鑫,王瑞紅,張慧軍，等.巖芯掃描信息采集技術(shù)方法與應(yīng)用分析[J].中國礦業(yè),2015,24(1):441-446.

[2] 修連存,鄭志忠,殷靚，等.巖芯掃描儀光譜數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估方法研究[J].光譜學(xué)與光譜分析,2015,35(8):2352-2356.

[3] TONG Qingxi,XUE Yongqi,ZHANG Lifu.Progress in Hyperspectral Remote Sensing Science and Technology in China over the Past Three Decades[J].IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing,2014,7(1):70-91.

[4] HyLoggerTM Series 1-Standard Operating Procedure.HyLogger scanning system technical guide[R].2014.

[5] 張金川,薛會(huì),張德明,等.頁巖氣及其成藏機(jī)理[J].現(xiàn)代地質(zhì),2003,17(4):466.

[6] 魏麗燕.基于遙感技術(shù)的黔西北頁巖氣資源潛力分析[D].成都：成都理工大學(xué),2015.

[7] 童慶禧,張兵,鄭蘭芬.高光譜遙感-原理、技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社,2006.