基于改进后HyLogger岩芯测量系统的一种低反射率页岩气岩芯高光谱数据获取方法

童 鹏，刘鹏飞，赵英俊，郭天旭，张宏达

(1.核工业北京地质研究院，北京 100029；2.中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100083)

岩芯扫描是指将地质工作中形成的岩矿芯，通过仪器扫描、数码照相等方法，转化成计算机可存储、处理的文字、图像、数据等信息，对信息进行处理，以数据库的形式进行存储，利用输出设备和系统进行信息展示的过程。岩芯扫描技术不需要对岩芯进行取样，可连续、批量地提取、分析岩芯表面及内部蕴含的各类物化信息，且不对岩芯造成破坏[1]。它可以对岩芯进行数字化，从而实现岩芯自动编录，为地质科研、矿床研究和外围找矿提供依据，同时通过岩芯数字化，可以建立岩芯网上数据库，解决岩芯保存带来的成本问题，实现资源共享[2]。

澳大利亚启动了Online Drilling研究，旨在对大量已有的岩芯进行光谱测试、矿物分析后，通过网络提供公共服务，实现数据和知识共享[3]。基于此，澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)设计研发的新一代岩芯扫描系统——HyLogger岩芯测量系统，获取钻孔岩芯高光谱数据与影像数据。其是基于反射光谱分析技术，利用光谱仪测量样品在一定波长范围(400～2 500 nm)的反射波谱，并依据其光谱诊断性特征来识别不同的矿物。

目前市面上的光谱测量系统，其数据接收光纤线缆都是通过安装在其前段或手枪式把手前段的接触探头，垂直接触测量样品表面，从而获取当前物体光谱曲线。接触探头有各式各样的形状，一般按照垂直或者倾斜测量，来确认接触探头的类型。因HyLogger为固定的垂直测量，故本文只讨论垂直测量情况。

HyLogger岩芯测量仪示意图见图1。近场测量(样品到光谱仪探头距离短于1 m)时候，设光谱仪探头内反射光接收镜头直径为D，镜头中心距离侧向岩芯表面距离为X，镜头全视场角为A，视场范围测量图斑直径Y、面积S的计算见式(1)和式(2)。

Y=D+2×X×tan(A/2)

(1)

(2)

图1 HyLogger岩芯测量仪示意图

一般而言，严格按照操作规程完成标样检定后，获取范围S内的岩芯矿物光谱曲线(400～2 500 nm)，其信噪比在400～2 500 nm范围内的绝大部分波长位置都能满足定性和定量矿物解译和实际应用的需求。然而对于灰黑色页岩气岩芯而言，因其物理特性导致光谱反射率低，仪器设备光源的环境散射和二向性反射成为不可忽视的干扰因素。

本文对影响页岩气岩芯高光谱数据质量的原因进行了阐述，并通过实际的实验，对比分析了改进前后获取的页岩岩芯高光谱数据，通过合理设计完成了页岩气岩芯高光谱数据采集。

1 HyLogger岩芯测量系统及数据影响因素

1.1 测量原理

HyLogger岩芯测量系统是基于反射光谱分析技术，利用传感器探头，通过光谱仪点测的方式获取每一段岩芯在一定波长范围的光谱曲线，并依据其光谱诊断性特征来识别不同的矿物，并将收集的各种信息以电子数据的形式表现出来[4]。

HyLogger岩芯测量系统主要由4部分组成：ASD光谱仪，测量岩芯样品VNIR到SWIR范围(400～2 500 nm)的光谱数据；岩芯/切片托盘模式的自动化移动样品台；数字线扫描相机，获取高分辨率的彩色图像；激光表面测度仪，测量岩芯的长度，同时检测岩芯的破碎和断裂情况。

1.2 页岩气岩芯光谱数据质量分析

页岩气是以多种相态富存于泥页岩、粉砂岩等地层中的非常规能源天然气，岩性以富有机质页岩为主，可含黏土矿物、粉砂岩、碳酸盐岩等夹层，气体成分则以甲烷为主(>85%)，含气范围主要受有效烃源岩层(烃源岩层同时兼储层和盖层)，即富含有机质的黑色页岩或高碳泥页岩或其薄互层和良好封盖层的控制[5-6]。

HyLogger岩芯测量系统装置表面以银白色为主，其作为一款比较成熟的商业产品，它的室内光源、仪器表面反射率、岩芯扫描光源等各种因素对岩芯的光谱数据影响已经做过校正，能确保在严格按照操作规程对系统进行预热，并完成标准样品定标之后，所测量的岩芯高光谱数据反射率能达到6%以上，较好的进行数据分析，提取出相应的蚀变矿物。

但是对于页岩气而言，其富存于黑色页岩或高碳泥页岩之中，岩芯颜色为深黑色，对光源的吸收性比较高，测量过程中实验室灯光通过地面与墙面的多重反射，光源的环境散射和二向性反射成为不可忽视的干扰因素，导致获取的岩芯反射率光谱信息噪声加大，严重影响提取精度，岩芯的高光谱反射率基本在2%以下。在对光谱曲线数据进行分析、矿物提取过程中，岩芯实际光谱曲线与标准矿物光谱曲线相差过大，及其难以对数据进行分析。

故如何改进工作方法，最大程度减少因仪器和环境反射光对页岩岩芯光谱曲线产生的影响，获取到高质量光谱数据，确保矿物提取结果，是项目组亟待解决的问题。

2 实验方案

本次实验地点选取贵州省遵义市凤冈县永凤1井，永凤1井是凤冈二区块的第一口探井，井深2 791 m，位于遵义市湄潭县马山镇张家湾，永凤1井扫描井段深度范围为2 222～2 719.9 m，包括寒武系明心寺组下段以及牛蹄塘组地层，岩性以黑色页岩与粉砂质页岩互层、黑色碳质页岩为主。该段岩芯数据为非连续数据，共分为8段57.4 m，分别为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岩芯测量系统对永凤1井扫描，进行高光谱数据获取。改进工作方法前后，项目组分别对本段岩芯数据进行了高光谱数据扫描。具体的扫描参数见表1。

表1 永凤1井工作方案

在数据获取过程中，工作组严格按照操作规程进行工作，保证两次测量过程中达到以下几点要求：岩芯表面的清洁度以及干燥度一致；按照规程严格要求光谱仪灯光聚焦于岩芯表面；实验室光源关闭，岩芯运输窗口使用黑色不透光布进行遮盖，确保实验室达到暗室条件。通过以上途径增加目标光谱信息，保证两次获取数据岩芯、环境的一致性。

一般而言，根据式(2)可以计算得出获取范围S内的岩芯矿物光谱曲线。范围S以外，因岩芯漫反射、或者测量平台、仪器表面的漫反射，而产生的噪声信息。对于大多数金属矿物因其自身的反射率较高(大于0.02)而言，其信噪比在400～2 500 nm范围内的绝大部分波长位置能满足定性和定量的矿物解译和实际应用的需求，故该噪声信息一般不做考虑。但是对灰黑色页岩岩芯而言，光源的环境散射和二向性反射成为不可忽视的干扰因素。据此，项目组根据HyLogger岩芯测量系统的参数，以及页岩岩芯的特点，提出以下两点改进措施。

2.1 仪器设备改进

根据图1，在实际的测量过程中，进入到传感器的辐射亮度总值由三大部分组成：①测量光源照射到岩芯表面，岩芯向传感器反射的辐射亮度；②实验室灯光和测量光源照射到实验室环境中，实验室为乳白色油漆墙面，其反射到传感器的辐射亮度；③实验室灯光和测量光源照射到HyLogger岩芯测量系统上，特别是银白色主体结构的反射率较大，其反射到传感器的辐射亮度。由此，可以获得进入到传感器的辐射亮度总值的公式，见式(3)。

L=Ls+Le+Lm

(3)

式中：L为传感器所接收到的辐射亮度总值；Ls为岩芯向传感器反射的辐射亮度；Le为环境向传感器反射的辐射亮度；Lm为仪器向传感器反射的辐射亮度。

HyLogger岩芯测量系统在生成过程中，实验室内的光源为LED灯，该光源以经过厂家校正，Le非常小，基本可以忽略其对岩芯光谱值的影响。而对于Lm来讲，每隔200 h或者岩芯测量系统进行运输转移之后，使用标准光源作为岩芯测量光源，严格按照教程对其进行校准，确保其辐射值与之前出厂设置一致即可。

为了降低光源的环境散射和二向性反射，减少非岩芯光谱数据的干扰，最大限度的降低范围S以外的信息，即减少Le、Lm的干扰。工作组经过对比试验，关闭实验室光源，使用黑色不透光布进行遮盖岩芯运输窗口，确保实验室达到暗室条件，有效的降低了环境向传感器发射的辐射亮度Le。

同时，工作组通过多次试验，对多种暗色材料进行试验，其中包括黑纸、黑色油漆、黑布、黑色胶皮纸等。其中黑纸和黑色油漆的表面太亮，其反射率较高，反而增大了Lm的影响。黑布则是太柔软，不利于对设备改进。最后工作组选择使用黑色胶皮纸(吸收率高达95%)布置在HyLogger岩芯测量系统银白色台面和外围墙上，吸收光谱仪灯光，以减少因环境和仪器的光源漫反射对岩芯的光谱曲线产生影响。

本次对仪器设备的改进，主要减少非岩芯的辐射亮度对于最后获取值的影响。对于灰黑色页岩岩芯而言，工作组对岩芯表面进行了清洁和干燥处理，确保获取到的岩芯高光谱数据为真实有效的数据。

2.2 数据方法改进

一般来讲，辐射定标就是将光谱的数字量化值(DN)转化为辐射亮度值或者反射率或者表面温度等物理量的处理过程[7]。如图2所示，当传感器接收到样品的反射波谱之后，其通过电压的变化(即光谱的数字量化值(DN))表现，辐射定标即为数字量化值(DN)转化为反射率的过程。当完成辐射定标之后，得到了能处理的波长和光谱反射率的数据结果。

图2 HyLogger岩芯测量系统辐射定标

HyLogger岩芯测量系统每一次工作前后，都需要使用标准矿物(包含白板)进行数据定标，通过对该标准矿物的分析，评价当前数据的好坏，做好工作的闭环，保证数据采集过程中的科学严谨性。HyLogger岩芯测量系统使用标准矿物(包含白板)进行数据定标，其机理与ASD光谱仪一样，主要是利用标准白板的反射率，来求得样品的反射率。同时，其还使用10种标准矿物进行比较，确保测量数据无误。

理论上标准白板的反射率为100%，但是在实际工作过程中标准白板因工作环境和性价比的原因，使用特氟龙白板(反射率极高，但非100%)，这样对于测量样品而言，其光谱是通过特氟龙白板的光谱值进行传递的，其具体计算见式(4)和式(5)[4,7]。

(4)

(5)

式中：S(λ)为光源；ρ(λ)为样品反射率；ρt(λ)为标准白板(特氟龙材质)反射率；I(λ)为仪器的响应值；V为光源照射到样品上所测到的电压值；Vt为光源照射到标准白板(特氟龙材质)上所测到的电压值。

在对仪器设备进行改进之后，因前后两次测量的工作环境和岩芯状态均未发生变化，则光源和仪器的响应值不变。只是因为背景参数的改变，导致样品和标准白板(特氟龙材质)的测量电压值发生了改变，其测量的数值需要增加一个背景参数Vb(λ)。根据式(5)，得到新的样品反射率计算公式(式(6))。

(6)

在保持工作环境和岩芯都一致时，经过多次对岩芯进行测试，并结合光谱数据对比分析后，Vb(λ)取常数。通过变化之后的电压值，即可求得新的样品光谱数据。

3 数据分析

保持外部环境一致，分别使用两种方式进行岩芯数据获取，得到YF1井的高光谱数据。

图3为永凤1井同一箱岩芯、同一深度(2 676.326 m)、相同外部环境下，利用HyLogger岩芯测量系统获取的黑色页岩岩芯影像和高光谱数据和影像数据。该岩芯整体为灰黑色，原始状态下获取，光谱数据900 nm以后，其反射率均小于0.0133，光谱曲线整体呈现下降趋势，且数据中噪声和光谱真实曲线已经无法进行区分，光谱吸收峰难以识别；改进后获取的数据，900 nm之后光谱反射率均高于0.021，光谱信息也更为丰富，在数据中明显可以看出光谱吸收峰的存在，数据质量明显得到改善。

图4为通过两种方式进行扫描之后，进行整井数据拼接，得到YF1井的高光谱数据。上图为未进行任何改进措施获取的原始数据；下图为进行改进措施之后，获取的光谱数据。

图3 改进前后岩芯影像与高光谱数据

图4 YF1整井数据对比(注：当前每一竖条代表岩芯总长度的5%)

通过对比两种数据，可以很明显的看出，改进后的光谱信息较原始的光谱信息更丰富，数据识别率更多。如在2 250 m前面的数据，未改进数据整合之后，仅能自动识别出2 227～2 232 m，且无法自动识别具体的岩性；而图5可识别出2 222～2 237 m，且其自动识别出白云母。

由此，可以得到项目组对HyLogger岩芯测量系统进行改进的措施可行，获取到的低反射率灰黑色页岩高光谱数据质量明显得到改善。

4 应用设置

在页岩岩芯数据扫描采集过程中，因其自身特性的原因，采用原始的设备进行数据获取，其数据质量较差，为了获取到质量更高的数据，因此设计采用改进措施之后的模型进行岩芯高光谱数据采集。

图5 YF1井提取与页岩气有关蚀变矿物

考虑到实际工作中，环境变化(如下雨、暴晒等)对岩芯的影响，所测量岩芯统一放置于岩芯库中，进行整理清洁，确保岩芯状态一致。同时改进措施之后，对每一天的背景参数Vb(λ)进行量测，在实际工作过程中，因测量的外部环境未有变化，故取Vb(λ)平均值。

最终，数据采集过程中，岩芯高光谱反射率均大于2%，使得数据质量大为提高，矿物蚀变结果精度更高。通过与其他地质数据进行比较，得出永凤1井测井综合处理解释井段为2 470～2 773 m，包括寒武系明心寺组下段以及牛蹄塘组地层，其中牛蹄塘地层为主要目的层灰黑色碳质页岩发育段，根据页岩气藏品质参数(TOC，孔隙度，含气量)，在本井测量段划分出126.5 m/6层(图5)。

5 结 语

本文根据灰黑色页岩反射率极低，其高光谱数据反射率基本小于2%的特点，对HyLogger岩芯测量系统的仪器和数据两方面进行分析，分别提出了相应的改进方法。该方法明显改善了获取到的页岩岩芯高光谱数据，提高了后期数据处理中蚀变矿物提取的精度，为我国页岩气岩芯数据库建设提供了重要的数据支撑。该研究结果为类似的灰黑色岩芯数据获取提供了方法，可应用于对反射率低的钻孔岩芯高光谱数据获取工作中。

参考文献

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[7] 童庆禧,张兵,郑兰芬.高光谱遥感-原理、技术与应用[M].北京：高等教育出版社,2006.