地层自然伽马射线能量峰的识别

厂l 学校代码：I ) 4 2 5I 兰兰竺! ! 竺l中国石油大学工程硕士专业学位论文华东地层自然伽马射线能量峰的识别工程领域：培养方向：硕士生：指导教师：地质工程油气田勘探工程王卫华李会银副教授论文完成日期：2 0 0 7 年0 4 月地层自然伽马射线能量峰的识别王卫华( 地质工程)指导教师：李会银副教授摘要本文对地层岩石自然伽马射线能量谱进行了分析研究，结合具体的地层自然伽马能谱测井仪器的响应特性，设计并完成了一系列自然伽马射线能量谱测量试验。通过对试验数据进行细致的分析研究，提出了用能量峰分布函数来描述地层岩石中天然存在的放射性核素发出的伽马射线特征能量峰的概念，概括并形成了根据标准峰分布函数识别特征能量峰的思想方法，并且进一步分析论证了应用标准峰分布函数识别特征能量峰的可行性与快速有效性。实际例子证明了利用标准峰分布函数方法能够快速有效地解决地层岩石中钾铀钍三种放射性核素的特征能量峰的识别问题。在自然伽马能谱测井过程中，在快速有效地识别特征能量峰的基础上可以用软件方法实现自动稳谱，从而保证了自然伽马能谱测井的测量精度及稳定性。关键词：自然伽马能谱测井，分布函数，能量峰识别，自动稳谱T h eI d e n t i f i c a t i o no f E n e r g yP e a k si nG a m m a r a yS p e c t r u mo f F o r m a t i o n sW A N GW e i h u a ( G e o l o g i c a lE n g i n e e r i n g )D i r e c t e d b y A s s o c i a t e P r o f e s s o r L I I u i - y i nA b s t r a c tT h i sp a p e rf i r s ta n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee n e r g ys p e c t r u mo ft h eg a m m a r a y se m i t t e db yt h en a t u r a lr a d i o a c t i v ee l e m e n t si nt h ef o r m a t i o n s I nc o n s i d e r a t i o no f t h es p e c i a lr e s p o n s eo f t h ep r e s e n tg a m m a r a ys p e c t r u ml o gt o o l ，s e v e r a lt e s t sa r ed e s i g n e da n dc o m p l e t e dt or e s e a r c ht h ed e t a i l so ft h en a t u r a lg a m m a - r a ys p e c t r u mg i v e no u tb yt h ef o r m a t i o ne l e m e n t s B a s e do nt h ed e t a i l e ds p e c t r u md a t aa n a l y s i s ，an e wc o n c e p ti sp u tf o r w a r dt od e s c r i b et h ee n e r g yp e a k s ，w h i c hv i e w st h ee n e r g yp e a k si nn a t u r a lg a m m a - r a ys p e c t r u ma ss p e c i a ld i s t r i b u t i o n s A c c o r d i n gt ot h i sc o n c e p t i o n ,e a c hg a m m a r a ye n e r g yp e a kc a nb et r e a t e da sas p e c i a l l yd e s i g n e dd i s t r i b u t i o nf u n c t i o n A n dt h e nan e wm e t h o di sc o n c e i v e di no r d e rt oi d e n t i f yt h ee n e r g yp e a k s T h ea v a i l a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo ft h i sm e t h o da r eb o t hd e m o n s t r a t e db ys e v e r a le x a m p l e sw h i c hc a l c u l a t e st h ee n e r g yp e a kp o s i t i o nc h a n n e l sf o r t h ep o t a s s i u m ，u r a n i u ma n dt h o r i u m A tl a s t ，d u r i n gt h ew e l ll o g g i n gp r o c e s s ，b yt h en s eo fi d e n t i f y i n gt h ee n e r g yp e a k sq u i c k l ya n de f f i c i e n t l y , t h es p e c t r u mi ss t a b i l i z e dw i mas p e c i a ld e s i g n e ds o f t w a r e T h u st h ea c c u r a c ya n ds t a b i l i t ya r cw a r r a n t e dd u r i n gt h el o g g i n gp r o c e s s K e yw o r d s ：n a t u r a lg a m m a r a ys p e c t r o l o g ，d i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ，e n e r g yp e a ki d e n t i f i c a t i o n ，a u t o s p e c t r u m s t a b i l i z a t i o n独创性声明本人声明所里交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：兰圣2如卵年彳月岁日关于论文使用授权的说明本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密论文在解密后应遵守此规定)学生签名：导师签名：至上警L 叫年g 月歹日趁堇叁问年z 月f 日主圄查迪左堂( 垡塞) 王捏亟堂焦迨窑玺! 童煎直第1 章前言自然伽马能谱测井的测量目标是地层中天然存在的伽马射线，这些伽马射线基本上可以归结为钾、铀系、钍系3 类放射性核素发生衰变时所发出的射线以及这些射线与地层物质发生作用后产生的次生伽马射线。在经典物理的范畴内，这类伽马射线可以看成是具有不同特征能量的光子。不同能量的光子进入碘化铯( 或碘化钠) 闪烁晶体时激发的闪光强度不同；而不同强度的闪光进入光电倍增管后就引起不同幅度的电流脉冲信号。经过专门设计的脉冲幅度分析电路把一系列不同幅度的脉冲映射到0 2 5 5 道能量地址上，并在对应的能量道上累加。这样，在一定的时间间隔内，所有2 5 6 个能量道的脉冲计数就形成了一个能谱。这个能谱代表此时地层的放射性特征。利用专门的分析方法和刻度数据就可以计算出地层中钾、铀系、钍系3 类放射性核素的含量。这就是自然伽马能谱测井的物理基础【m l 【卦。自然伽马能谱测井数据量大、信息多，能够更详细地划分地层和研究与放射性元素分布有关的多种地质问题，在地质分析方面具有不可替代的作用，具有明显的地质效果。目前国内关于自然伽马能谱仪器的处理方法还不成熟，虽然已有科研单位制造出了自然伽马能谱下井仪，并可以挂接到引进的地面测井系统、测到了成功的能谱测井曲线，但是，与国外相比还有较大差距。差距主要表现在方法研究、数据处理与控制等许多方面。突出的问题表现在稳谱技术和解谱技术两方面【4 】删。在实际测井条件下，由于地层温度随深度变化而且仪器工作是自身也产生热量，从而导致仪器探头输出的脉冲信号幅度发生变化，在能量坐标上表现为能量峰的漂移【6 】。例如：假设已知脉冲信号幅度降低了，那么能量峰就会向低能道移动。此时就要增加工作高压，提高脉l主国互油盘堂( 坐丕) 工握硒堂鱼监室差! 童煎宣冲信号幅度，使能量峰回到正常位置。要保证测量的稳定性和精度，就必须首先解决能量蜂的漂移问题，即自动稳谱闯题。而要做到自动稳谱，首要的任务就是要解决实际测井条件下如何快速正确地识别地层伽马射线能量峰的识别问题，这是本论文的核心研究内容。本论文通过进行大量的文献报道的实验和自行设计的实验，广泛采集自然伽马能谱数据，设计了专门的数据处理软件并结合采用M A T L A B 软件包进行数据分析，明确了自然伽马能谱上能量峰的数学特征。对实验数据进行分析和处理的结果表明：自然伽马能谱上的钾、铀、钍三个峰的形状基本都呈现“钟形”分布。为此，专门构造了一个能量峰分布函数来描述钾、铀、钍三个能量峰的形态，本文称为“标准峰函数”或“峰函数”。标准峰函数包含了关于能量峰的主要特征参数：峰道峰中心对应的道；峰高峰道上的脉冲计数；峰宽度系数峰的宽窄程度；峰道附近的计数分布。在对能量峰进行数学描述的基础上，指出了可行的识别能量峰的基本思路，构造了一个独特的算法，利用此算法能够在实时采集到的能谱上快速且有效地计算出目标能量峰的中心道址。实际应用情况也证明了该算法是稳健的、有效的。在自然伽马能谱测井过程或者其它伽马射线能谱的测量过程中，由于温度等环境因素的变化可导致特征能量峰在道地址空间中发生漂移，因此有必要建立一种有效的反馈机制，以便在实际测量过程中动态的改变下井仪的增益从而将特征能量蜂稳定在标准道地址附近一个很小的区间内，也就是要实现自动稳谱。理论上自动稳谱有多种方式可以实现。从是否采用稳谱伽马射线源来区分，有“有源”稳谱和“无源”稳谱两种方式。从具体实现方法上区分，有“硬件”稳谱和“软件”稳谱两种方法。法国主国互迪盔堂( 坐壅) 王握亟堂焦迨塞差! 童散言S c I L u M B E R G E R 公司使用的就是“有源”硬件稳谱方法。本文在进行了充分的分析之后，在解决了实际测井条件下快速正确地识别地层伽马射线能量峰的识别问题的基础上，进一步发展了一种崭新的软件自动稳谱技术：即“无源”软件自动稳谱技术，用软件方法自动计算地层自然伽马能谱上的特征能量峰的道地址，并且根据道地址自动地调节井下仪器的高压增益，以便在测井过程中，自动地跟踪特征能量峰并将其稳定在标准道址范围内。在实时采集到的能谱上识别能量峰的中心道址是进行软件稳谱的关键。精确地计算出能量峰的中心道址后，就知道了能量峰相对于标准位置的漂移量，然后就能够根据能量峰的漂移量调节仪器的工作高压，从而使能量峰回到标准位置。利用这个原理，设计了一个新颖的自动稳谱方法。实际应用情况表明，这个自动稳谱方法解决了能量峰的漂移问题，从而为实现稳定的、高精度的自然伽马能谱测量奠定了基础。生冒互油盍堂【坐壅) 王蕉亟主堂焦迨窑差2 重自筮地墨能登型量厦堡皇墅堕固塞第2 章自然伽马能谱测量原理与影响因素2 1 自然伽马能谱测量原理地层岩石中天然存在着三类能发生放射性衰变的核素，它们分别是钾的同位素4 K 、铀系元素( 主要是2 3 8 U 放射系) 以及钍系元素( 主要是2 3 2 1 1 l 放射系) 。其中，钾的同位素4 吣发生放射性衰变时仅仅放出单一种能量的伽马射线，其特征能量1 4 6 0 9 M e V 。铀系元素2 3 8 u 放射系发生放射性衰变时放出的伽马射线具有许多种能量，其中比较典型的射线特征能量为1 7 6 4 7 M e V ( 这是2 1 4B i 衰变时放出的伽马射线能量) 川。钍系元素拢T h 放射系发生放射性衰变时放出的伽马射线也具有多种能量，其中比较典型的射线特征能量为2 6 1 4 7 M e V ( 这是瑚T l 衰变放出的伽马射线能量) 隅】。若以伽马射线能量为横坐标，以伽马射线的相对强度为纵坐标，我们可以分别画出钾的同位素吼k 、铀一2 3 吣放射系以及钍j 3 1 h 放射系的伽马射线相对强度按能量分布的图像( 即伽马射线能量谱) ，如图2 1 、图2 2 和图2 3 所示。这三类放射性核素发生衰变时所发出的伽马射线与地层中原子的核外电子发生碰撞作用。原子核跃迁所发射的伽马射线，能量范围一般在0 0 1 M e V l OM e V 之间，在此范围内，伽马光子与物质相互作用的形式有三种基本形式，即：电子对效应( e l e c t r o n - p a i rp r o d u c t i o n ) 、康普顿效应( C o m p t o ne f f e c t s ) 以及光电效应( p h o t o - e l e c t r o ne f f e c t s ) 。放射性核素发生衰变时所发出的初级伽马射线在地层物质中运动时以某种几率与地层中原子的核外电子发生碰撞作用【9 1 叶1 。概括起来伽马射线与物质相互作用的三种类型分别是：( 1 ) 光子与核外电子( 束缚电子或自由电子) 的作用。包括三种形式：瑞利散射弹性散射。康普顿一吴有训效应非弹性散射4生堡互垫厶堂i 坐苤) 王握亟堂壁途毫蓥2 至鱼鉴趣刍篮疆趔量厦堡生墅堕固耋( 康普顿散射或康吴散射) 。光电效应束缚电子吸收全部光子能量，并逃离原子形成光电子。( 2 ) 光子与核或核外电子库仑场的作用。包括两种形式：电子对生成效应光子能量全部转化为正负电子对。德尔布茹克散射或核的势散射弹性散射。( 3 ) 光子与原子核( 或单个核子) 的作用。也包括三种形式：汤姆逊散射弹性散射。共振散射非弹性散射。光致分裂或核的光效应光子能量全部被吸收引起光核反应。但是，在各种相互作用形式中，主要是光电效应、康普顿吴有训效应和电子对效应三种效应。其它作用不超过总几率的1 ，因此，主要讨论光电效应、康一吴效应和电子对生成效应三种过程：( 1 ) 光电效应伽马光子与物质原子的束缚电子( 壳层轨道上的内层电子) 相互作用，其能量大于电子在原子中的结合能时，可能把全部能量交给壳层中的电子，使它脱离原子而运动，并具有一定的动能，而伽马光子被完全吸收，这种现象称为光电效应。( 2 ) 康普顿一吴有训效应当入射伽马光子与原子的电子壳层中一个电子发生了一次碰撞( 此电子既可以是束缚电子，也可以是自由电子) 时，伽马光子将部分能量交给电子，使它从原子里射出并具有动能：同时伽马光子本身即被散射，被散射的伽马光子改变了原来的动量和能量。这种现象称康普顿一吴有训效应，简称康一吴散射。康一吴效应中所打出的电子叫反冲电子或叫康普顿电子；改变方向的伽马射线称散射伽马射线或叫康普顿散射射线，在康一吴效应中，伽马光子本身并不消失，只是能量比入射伽马光子低。正因为如此，打出来的电子多半是原子中的外壳层电子，甚至伽马光子生国互迪盘堂f 坐壅) 王程亟堂焦迨塞签2 童自签鱼呈篚避捌量厘垄皇显喧固垂打在自由电子上，也可以产生康普顿散射。但实际上，散射电子全是束缚的，尽管这不是康普顿散射的必要条件。( 3 ) 电子对生成效应随着入射光子能量的增高，光电效应的吸收作用很快减弱，康普顿一吴有训效应也逐渐减弱。当入射光子能量大于1 0 2 M e V ( 2 m o C 2 ) 时，伽马光子与物质的相互作用，可能形成一对正负电子( 电子对生成) ，而其本身则完全消失。这个过程就是电子对生成效应。1 0 2M e V 是这个过程的阈能，并且是提供产生正负电子对所必须的静止能量。根据能量和动量守恒，不难看出，电子对的生成性质有第三个物体存在，来接收光子的部分能量，所以光子只有与原子核和核外电子的库仑场作用或两个光子对头碰撞时，才能发生这种转化。正电子与负电子不同，它很不稳定，其寿命大约为1 0 1 0 1 0 1 。正电子在物质中由于电离而损失能量后，将和电子相结合，通常转化为两个能量相同的伽马光子。这两个伽马光子的能量由正、负电子的静止能量转化而来，大小为：hu7 = m o C = O 5 1 l H e V ，两个伽马光子的发射方向相反( 1 8 0 。) ，但相对于入射伽马光子的方向却是任意的。这种现象即正电子湮没。有探测器中发生初始电子对效应，正、负电子逃离晶体的几率很小，它们的动能完全消耗于晶体中，而两个0 5 1 e V 的湮没光子就存在有三种可能性；两个光子会被晶体吸收，这时入射伽马光子的能量耗尽于晶体，贡献给全能峰；一个湮没光子逃离晶体，这时入射伽马光子在晶体中损失的能量为E 。日一c 2 ，在伽马谱中产生第一逃逸峰：两个湮没光子均逃离晶体，入射伽马光子消耗于晶体中的能量为E - g 一2 m o C 2 。在伽马谱中产生第二逃逸峰。碘化钠和铅的线衰减系数l I 、p ，、I I 。和I I ，随入射光子的能量E - 日的变化曲线如图2 - 6 和图2 - 7 所示。从两个图中可以看出，三种效应所6生园互迪盘堂f 垡壅) 三攫亟土堂僮迨塞蔓2 童自鉴麴呈篮蓝型量丛堡皇髭堕固耋点的比例是不同的。一般来说，低能量的光子与物质作用的主要形式是光电效应；中等能量的光子与物质作用的主要形式是康一吴效应；伽马射线能量比较高时，即当光子能量大于静止电子能量2 m o C 2 ( 1 0 2 M e V )的两倍时，光子与物质相互作用的主要形式是电子对生成效应。通常地层中，能发出这种能量的光子的元素很少，主要由钍系元素的一些同位素发生放射性衰变时，才有可能放射出此类伽马射线。一般地层岩石中天然存在的放射性核素发生衰变时所发出的初级伽马射线在地层物质中运动时是以某种几率与地层物质发生上述作用的一种或多种效应的。与经过一次或多次碰撞作用后，原生的伽马射线将损失能量、变成能量较低的次生伽马射线。最后能量很低的次生伽马射线全部被地层原子以光电效应的方式吸收。图2 - l 钾的同位素4 0 l ( 的伽马射线能量谱生垦互渔盔堂( 望丕1 王捏硒堂笆盈塞箍2 童自鉴鱼呈篚造型量厘型生毖响固壅图2 2 铀P s U ) 放射系的伽马射线能量谱图2 - 3 钍( 2 3 2 1 1 I ) 放射系的伽马射线能量谱8主星互迪盍堂( 坐盔1 王捏亟堂鱼迨塞簋2 童自鉴堡璺篮堂鲤量燧堡兰堑堕圜蠢自然伽马能谱测井利用地层岩石中天然存在的伽马射线与晶体发生作用产生闪光的特性，采用专门设计制造的晶体作为测量探头，探测地层深处的伽马射线。晶体将入射伽马射线转换为强度跟伽马射线能量成比例的闪光信号。然后采用光电倍增管( P M T ) 把这些不同强度的闪光信号转换并放大成对应幅度的电流脉冲信号。采用专门设计的脉冲幅度分析电路( P H A ) 把一定时间间隔内进入晶体的所有伽马射线按照其能量的高低分别进行累计，从而得到与该时间间隔相对应的伽马射线的数量随能量的分布图像，一般简称为“能谱”1 1 2 H l 。自然伽马能谱测井仪器把伽马射线按能量分别计数，并把测量结果打印成数表或绘成能谱图( 计数随能量变化的关系图) 。然后将所测得的自然伽马谱数据进行转换、滤波及反演运算，变成地层的U 、T h 、K含量信息，记录在磁带上( 或磁盘上) 或以连续测井曲线的形成输出。伽马能谱的测量是利用伽马射线与探测器物质相互作用的机理，设想将伽马光子转变为一个电信号，并且信号的幅度与伽马光子的能量成正比，这样就可以通过电子设备测量和分析，既可测得伽马射线的能量，也可以测定伽马射线的强度。目前，用作伽马射线能谱测量的探测器主要是N a I ( T I ) 闪烁探测器以及H p G e ( 高纯锗) 半导体探测器。在伽马能谱测井中，广泛应用的是N a l ( T 1 ) 闪烁探测器，H p G e 探测器需要在液氮温度下测量，仍在试验应用阶段。响应地层伽马射线的主要装置是N a l ( T 1 ) 闪烁探测器。N a I ( T 1 )闪烁探测器主要由N a I ( T 1 ) 闪烁晶体和光电倍增管构成。一般将N a I( T 1 ) 闪烁体，光电倍增管和电压跟随器都装在一个暗盒中，称为N a I( T 1 ) 闪烁探头。伽马射线通过闪烁体时，由于与N a I ( T 1 ) 物质的相互作用，发生光电效应，康一吴效应和电子对生成效应。伽马光子的能量部分或全部转交给三种效应所产生的电子，这些次级电子消耗其全部9主国互迪盔堂( 些丕) 王捏亟堂焦i 垒塞箍2 童自憝翅里崖避型量厦型生髭堕圈垂能量，使闪烁体的原子或分子电离和激发。由于N a I ( T 1 ) 晶体为磷光体是发光材料，因此受激和电离的原子或分子在退激和退电离时，一部分退激的能量转换成晶体的振动能量，一部分发出荧光辐射。这些荧光光子发射方向是任意的，一方面在运动过程中，可能被晶体的不透明性所吸收，另一方面可能逃逸闪烁体，因此，为了提高荧光的收集效率，除了晶体本身要求透明度好而外，在不与光电倍增管接触的其他表面加上氧化镁反射层，并为使闪烁体与光电倍增管的光阴极保持良好的光学接触，闪烁体和光阴极之间涂上适量的硅油和硅脂，这样就可以使大部分荧光光予射到光电倍增管的光阴极上。荧光光子的波长如果与光阴材料的光谱响应匹配，就会在光阴极上打出更多的光电子，这些光电子由外加于光电倍增管各打拿极上的高压电场所加速，首先撞击第一个打拿极，使之放出二次电子，二次电子再加速撞击第二个打拿极放出三次电子，等等。这样，电子在光电倍增管中不断放大，最后收集在阳极上产生一个电压脉冲，然后由外部电子学线路放大和分析。对于伽马能谱测量，则要求这个电压脉冲与入射的伽马光子能量正比。N a I ( T 1 ) 晶体是铊( T 1 ) 激活的碘化钠晶体，它是一种象水一样透明的，易潮解的立方形晶体，能制成大而透明的单晶。密度大，为3 6 7 9 c m 3 。由于含有8 5 ( 质量分数) 的碘( z = 5 3 ) ，等效原子序数Z 。f r = 5 0 ，它对伽马射线有较大的吸收( 衰减) 系数，探测伽马射线的效率较高。N a I ( T 1 ) 晶体中，铊( T 1 ) 含量为0 1 O 5 ，其发光率为1 0 1 3 。发光光谱波长的最大值在4 1 5 r m 附近，本身对此波长的荧光是透明的。它发射的光谱可以很好地与具有S b _ _ c s 光阴极光电倍增管的光谱响应相匹配。N a I ( T 1 ) 晶体对于几k e y 十凡M e V 的伽马射线，发光效率为一个常数，也就是说，在此能量范围内，N a I ( T 1 ) 晶体发出光脉冲幅度和伽马射线能量成正比。因此，它很适于伽马射线的能谱测量，对于l o生笪互池左堂f 坐丕) 王捏塑堂焦盈塞苤2 童自签翅墨丝鼗趔量厘理皇墅堕固塞由l O O m m 以下的圆柱形晶体，对”C s 的0 6 6 1 M e V 伽马射线能量的分辨率最佳可达7 。N a I ( T 1 ) 晶体不但对伽马射线灵敏，而且对a ，B 等荷电粒子也是灵敏的，但由于N a I ( T 1 ) 晶体封装外壳的屏蔽作用，外来。粒子对伽马谱不会产生任何贡献。而外来B 粒子的贡献是不能忽视的，并且当入射粒子的能量大于l k e V 时，响应是线性的，即N a I ( T 1 )的光脉冲幅度与伽马能量成正比。因此，高能B 发射体对伽马谱的干扰特别需要注意。在室温下，由”c s 伽马射线激发，N a I ( T 1 ) 闪烁衰减时间是以O 2 3 ”s 为主的单指数衰减时间，3 m s 以后的余辉占总发光量的0 3 5 。当受l O O R h 的强”C o 照射l O m i n ，停止照射后l O m i n ，光输出仍达停照时的1 0 ，这种长余辉现象告诉我们，N a I ( T 1 ) 晶体应尽量避免长时间受伽马源的照射，一旦受到强照射后，不能立即使用。N a I( T 1 ) 晶体的温度效应是非线性的。在一4 0 。一l O 之间，变化率为1 K ，在一1 0 。到O 之间变化率为( 0 5 0 7 ) K ；在0 2 0 之间，为0 3 K ：在2 0 。5 0 之间变化可以忽略不计；在5 0 。1 2 0 之间，为一0 2 K 。N a I ( T 1 ) 晶体能量分辨率在室温至5 0 时，能量分辨率保持恒定。N a I ( T 1 ) 晶体的探测的效率与放射源的形状，伽马射线的能量，放射源相对于闪烁体的位置和距离、闪烁体的直径和厚度，入射窗的吸收等因素有关。当晶体厚度为1 5 m m 时，对E 日 n ：时，当入射角i 大于某一角度i 。( 称为临界角) ，光线则会发生全反射现象。这时光线完全不能通过界面进入折射率小的第二种介质。只有入射角i - - 1 0 5 ；峰高N o = 2 9 3 4 ；峰宽度系数a = 0 0 2 。请参考图3 - 6 。图中同时画出了标准峰函数的图像( 光滑曲线) 以及采集到的原始能谱累加的图像( 带毛刺的不平滑曲线) 。( 2 ) 铀元素的伽马射线能量谱。对于铀元素的特征能量峰，峰道p = 1 2 7 ；峰高N o = 1 4 9 0 ：峰宽度系数a = 0 0 1 5 。请参考图3 - 7 。图中同时画出了铀元素标准峰函数的图像( 光滑曲线) 以及采集到的原始能谱累加图像( 带毛刺的不平滑曲线) 。( 3 ) 钍元素的伽马射线能量谱。对于钍元素的特征能量峰，峰道p = 1 8 8 ；峰高N o = 8 4 7 ；峰宽度系数a = 0 0 1 5 。请参考图3 - 8 。图中同时画出了钍元素标准峰函数的图像( 光滑曲线) 以及采集到的原始能谱累加图像( 带毛刺的不平滑曲线) 。从以上分析知道，在单次采样( 采样时间为l S ) 的能谱上难以确定能量峰的准确位置。对于1 0 0 0 次采样累加的能谱，虽然能观察到明显的能量峰，但是仍然存在显著的统计起伏。而且，实际测井时仪器在井内处于运动状态、仪器周围的条件不断变化，因此不可能实现如此长时间的采样累加。于是设想，根据峰函数的特性，能否利用少量次数( 比如说2 0 次采样) 的采样点数据进行累加得到累加谱，然后在累加谱的基础上识别能量峰的准确位置。这样就形成了“通过与标准峰函数图像进行对比的方法快速识别能量峰的准确位置”的概念。图3 - 6 钾元素的能量峰一一实际能谱峰与峰函数的图像图3 - 7 铀元素的能量峰一一实际能谱峰与峰函数的图像c e l m t s ：口S01 1 如2 卯3 0 0e n e r g y ：e h 哺l图3 - 8 钍元素的能量峰一一实际能谱峰与峰幽数的图像啪咖彻咖锄珊如抛佃。生亘五擅盔堂( 垡丕l 王蓬亟主堂焦硷窑差璺童宙鲤鱼熬左洼返趔鹾置箜第4 章用峰函数方法识别能量峰4 1 用峰函数方法识别能量峰的基本思路用峰函数方法识别能量峰的理论根据是能量蜂的分布特性，因为能量峰是呈“钟形”分布的，可以用方程( 3 3 ) 形式的峰函数来刻划能量峰的形态。在实际测量的自然伽马射线能谱中存在一个必须要解决的困难：对于不同的放射性地层，仪器所记录到的能谱是千差万别的，表现在能谱的数字特征上，各个谱上特征能量峰( 钾蜂、铀峰、钍峰) 的高度是不一样的，如何动态地“识别”各个能量峰的具体位置呢? 经过细致的分析、计算和试验，提出并完善了一套“识别”各个能量峰准确位置的方法【3 3 】。该方法的基本思路如下：把2 0 个采样点的能谱逐道累加成一个新的能谱N 日；确定目标峰所在的起始道a 和截止道b ；把峰函数的图像的对称轴放在起始道a 上；计算峰函数的图像与实际能谱的绝对差值，记为d e l t a ；此处所谓“绝对差值”可以有“一阶”、“二阶”及“高阶等多种定义形式。“一阶”绝对差值是指对应能道计数差的绝对值之和；“二阶”绝对差值是指对应能道计数差的绝对值之平方和。把峰函数的图像的对称轴沿能坐标轴( 水平方向) 移动i 道，即把峰函数的图像的对称轴放在a “道上；计算峰函数的图像与实际能谱的绝对差值，记为d c I t a 。“1 ；让i 遍历区间【a ，b 】上的所有整数，将得到一个绝对差值数组d e l t a D l , j = a , a + l ，a + 2 ，b 。在峰道上峰函数的图像与实际的能量峰分布最吻合，此处的d e l t a 取得最小值。为了便于计算，把蜂函数表达式中的蜂道脉冲计数N 0 取为l ，得到按峰高归一化的峰函数，见方程( 3 1 ) 。R ( i ，p ) 2e 一。l p ( 4 - 1 )主旦尘地盔堂( 坐苤) 王捏亟堂僮迨塞星生童厦竖鱼熬友这迟型睦量壁在程序设计时，考虑到峰函数的数值和对称性分布，只选峰左右各1 0 个道( 共计2 l 道) 进行图像对比。计算过程分如下四步进行：( 1 ) 峰函数计算因为能量峰具有左右对称性，只需计算( i - p ) 等于O ，l ，2 ，l O 的1 1 个点的函数值即可。( 2 ) 谱归一化用一个数组cf i 薷放累加谱。假定待寻峰区间为【a ，b 】，先找出该区间上的最大计数值，以M A X 表示；然后，把区间【a 1 0 炒l O 】上的所有C 0 ) 都除以M A X ，得到一个新的归一化能谱( 用数组D f n 存放，下文称“寻峰谱”) 。( 3 ) 按照方程( 4 1 ) 逐道计算峰函数与寻峰谱上能量峰的绝对差值，存放到数组d e l t a t k ) 中，k = a ，a + 1 ，b 。k 一+ 1 0d e l t a ( t ) = ID ( f ) 一只( J I ) l( 4 2 )k1 0( 4 ) 在寻峰区间 a ，b 】上找出数组d e l t a 取得最小值时的角标k ，此时的k 值即为所寻求的能量峰道。4 2 用峰函数方法识别能量峰的实例现在结合胜利测井公司制造的S L 6 3 2 9 自然伽马能谱测井仪器，把4 1 节提出的基本思路用到的两个实例中，以此证明应用峰函数方法可以识别自然伽马能谱上的能量峰。例1 ：自然伽马能谱上钾和钍的特征能量峰的计算。把胜利测井公司制造的S L 6 3 2 9 自然伽马能谱测井仪器通过专门的S L 6 5 1 4 数据传输短节连接到s L 6 0 0 0 测井地面系统。在时间驱动模式下以每O 8 s 为采样周期采集记录车间本底的能谱。采集到原始数据后，用专门设计的软件S P E C R Ap r o 进行数据处理。首先进行采样谱累加。图4 1 是由2 0 个原始采样数据累加而成的能谱。从图上可以看到，曲线毛刺多、起伏大，难以确定真实的峰道地址。原生国互油太堂【垡盔1 王摆壅堂焦盐塞箜生童旦哇函熬友选迟型能量缝因是放射性计数存在着统计起伏。图4 - 2 是钾峰区f 司 1 0 0 ，l l o k 的峰函数与寻峰谱上能量峰的绝对差值d e l 诅曲线。显然，在1 0 5 道d e l t a 取得最小值，这是因为在该位置峰函数与寻峰谱上的钾峰最吻合。可见在绝对差值曲线上寻找能量峰非常清晰简便。图4 3 是钍峰区间 1 7 8 ，1 9 8 k 的峰函数与寻峰谱能量峰的绝对差值d e l 协曲线。显然，在1 8 7 道d e l 诅取得最小值，这是因为在该位置峰函数与寻峰谱上的钍峰最吻合。斫采样点票加的能谱图4 - l2 0 个原始采样数据累加而成的能谱4 0生垦五迪盘堂( 垡塞1 王摆亟堂焦迨童簋生童旦睦亘夔直鎏迟到能量缝1 - t l t t t t d t l t ：E ”i 口d I n l图4 - 2 钾峰区N 1 0 0 ，1 1 0 1 上峰函数与寻峰谱的绝对差值曲线r 1 “i d 1 t ：*F ：d图4 - 3 钍峰区间【1 7 8 ，1 9 8 A 2 峰函数与寻峰谱的绝对差值曲线4 1生国互油盘堂【坐苤) 王担亟坐位i 金塞筮曼童且缝雷堑左鎏迟趾隘量生例2 ：在车间内刻度钾特征能量峰与高压增益的线性关系。把胜利测井公司制造的S L 6 3 2 9 自然伽马能谱测井仪器通过专门的S L 6 5 1 4 数据传输短节连接到S L 6 0 0 0 测井地面系统。在时间驱动模式下以每O 8 s 为采样周期采集记录车间本底的能谱。把自然伽马能谱刻度器放置在探头附近。系统设置为时间驱动记录模式，每隔数分钟改变一次探头高压增益，并且保持其它测量条件不变化。高压增益初始设定为3 0 2 0 。每隔数分钟将增益改变5 个单位，依次设定为：3 0 2 5 、3 0 3 0 、3 0 3 5 、3 0 4 0 、3 0 4 5 、3 0 1 0 、3 0 0 5 、3 0 0 0 、2 9 9 5 、3 0 1 0 。记录完原始数据后，用专门设计的软件S P E C R Ap r o 进行数据处理。首先进行采样谱累加，即把每2 0 个原始采样数据累加而成的一个累积能谱。接着采用峰函数方法在累积能谱上计算钾峰，得到与高压相对应的钾峰道分别为：1 0 4 、1 0 5 、1 0 6 、1 0 7 、1 0 8 、1 0 9 、1 0 2 、1 0 1 、1 0 0 、9 9 、1 0 2 。图4 - 4 是根据计算结果描绘的一个钾峰的峰道位置随时间的变化图。它描述了钾峰道地址在调试过程中的变化情况。调试过程中，随着时间的推移，高压增益经历了先增加再降低最后又增加的过程。从图中可以看到，随着高压增益的改变，软件计算出的钾峰道地址也经历了先增加再降低最后又增加的过程。可见，在其他条件都无变化的情况下，高压增益的改变，导致了钾峰道地址的同步变化。图4 5 是钾峰道与高压增益的关系图。显然这是一个线性关系，直线斜率1 5 ，即高压每改变5 钾峰移动l 道。钾峰道与高压增益的线性关系是采用控制高压增益的办法来补偿温度变化对能谱漂移影响的物理基础。t _ _ i 、_ k ：c h 孙1t i - ：m i l L *图4 _ 4 钾峰的峰道位置随时间的变化图p o t t s s i - ，止：c h 1图4 - 5 钾峰道与高压的关系图4 3吖叫刚孵主国虿逦盔堂【坐壅1 王程亟堂僮迨塞簋5 童自然蜘里能造麴挂且麴蕴道第5 章自然伽马能谱测井自动稳谱5 1 自然伽马能谱测井自动稳谱的概念在自然伽马能谱测井过程或者其它佣马射线能谱的测量过程中。由于温度等环境因素的变化可导致特征能量峰在道地址空间中发生漂移，因此有必要建立一种有效的反馈机制，以便在实际钡9 量过程中动态的改变下井仪的增益从而将特征能量峰稳定在标准道地址附近一个很小的区间内。所谓“自动稳谱”就是：针对现有自然伽马能谱测井或者其它伽马射线能谱的测量状况，提供一种自动的稳谱技术即“反馈机制”，以便在这些测量过程中，自动地跟踪特征能量峰并将其稳定在一个理想的范围内。软件自动稳谱即用软件方法自动计算地层自然伽马能谱上的特征能量峰的道地址，并且根据道地址自动地调节井下仪器的高压增益，以便在测井过程中，自动地跟踪特征能量峰并将其稳定在标准道址范围内，这是保证测井数据有效可靠的必要条件。据调查，目前地层自然伽马能谱的稳谱技术基本上分为“有源”和“无源”两种稳谱方法。所谓“有源”是指在仪器内部安放一个专门用来稳谱的能量已知的伽马射线源。法国S C H L U M B E R G E R 公司使用的就是“有源”稳谱方法。为了使能谱信号处于能窗的正确位置，采用调节光电倍增管高压的办法，使输出脉冲的幅度有所改变。为此选用一个w 2 4 1 源紧靠闪烁晶体，它产生一个没有散射的6 0 K E Y 的单能峰，这个峰不受地层能谱的影响。在6 0 K E Y 的单能峰的两边设置二个能窗，低能窗是4 0 6 0 K e V ，高能窗是6 0 8 0 1 ( e V 在电路上用三个比较器来实现，比较器的参考电压分别为0 8 V ( 相当于4 0 K E Y ) 、1 V ( 相当于6O K e V ) 、1 2 V ( 相当于8O K e V ) 。记录高低能窗的4 4圭凰堑迪盘堂f 生盔) 王握亟堂焦迨塞笙童自悠鱼马缒登凳挂自盘塑道计数率w H 、w L ，如果满足( W H w L ) ( W H + W L ) 等于0，就认为全能谱处于正确位置。为满足这个条件，在测量过程中就要不断地调节光电倍增管高压。为了进一步稳定全能谱，S C H L U M B E R G E R 公司又增添了K 峰( 1 4 6 0 K e V )和TH 峰( 2 6 1 5 K e V ) 稳谱。为此在K 峰和TH 峰两侧都设置二个高低能窗。K 峰的高低能窗分别是1 3 6 5 1 4 6 0 K e V 、1 4 6 0 1 5 9 0 K E Y ，TH 峰的高低能窗分别是2 5 1 5 2 6 1 0 K e V 、2 6 1 0 2 7 4 0 K e Y 。与A M 2 4 1 峰稳谱的原理一样，测量K 峰和T H 蜂的高低能窗的计数率w H 、w L ，如果满足(w H w L ) ( W H + W L ) 等于0 ，就认为全能谱处于正确位置。如果记录到的高低能窗的计数率不等，则调节能窗比较器的门槛电压。与用A M 2 4 1 源通过调节光电倍增管高压实现稳谱相比，这是一种稳谱“细调”。K 峰和TH 峰的高低能窗的宽度是不同的，低能窗宽9 5 K E Y 、高能窗宽1 3 0 K e V 。这是考虑到高低能窗的康普顿散射本底值不同，低能窗的康普顿散射本底值高。上述能窗的设置都是通过三个比较器电路以硬件方式来实现的。对于环路信号( A M 2 4 1 稳谱源) ，比较器的参考电压是1 V 对应于6 0 K e V 或1 6 6 7 m V 对应于I K e V 。对于来自地层的能谱信号，以TH 峰比较器的参考电压计算，5 2 V 对应于2 6 1 5 K E Y 或2 m V 对应于i K e V 。这种方法的好处是，由于在仪器内部装有一个已知射线能量的放射源，因而其特征能量峰非常清晰，易于识别，容易实现自动稳谱。但是其缺点也是明显的：一是对接触仪器的人员有辐射危害；二是此源的存在会干扰对地层射线的探测。与此相反，所谓“无源”则是指不在仪器内部安放专门用来稳谱的伽马射线源，而是靠直接监测和识别来自地层的具有特征能量的伽马射线峰，以此为基础主要采用现代电子计算机的快速计算能力，通过软件生屋五渔盔堂f 坐壅】王捏亟堂焦途塞簋童自鉴蜘墨熊道酒羞自动蕴谱的方式进行自动稳谱。显然，“无源”稳谱方法比“有源”稳谱方法具有更好的优越性。“无源”自动稳谱方法的关键技术是：动态地识别来自地层的具有特征能量的伽马射线峰，并且根据此伽马射线能量峰自动地修正下井仪器的高压增益。自动稳谱在实现方法上有可分为“硬件”和“软件”两种。“硬件”方法的主要特点是：在标准特征能量峰位置的左右两侧开设同样宽度的两个记数窗口，采用电子电路比较两个窗口内脉冲记数的大小。若二者相同，则认为特征能量峰位置无变化；若右侧窗口记数大于左侧窗口记数，则说明特征能量峰位置向右移动了，此时由差分电路的输出电压将减小，从而减少光电倍增管的高压增益，实现将特征能量峰位置左移回到标准位置的目的；反之，若右侧窗口记数小于左侧窗口记数，则说明特征能量峰位置向左移动了，此时由差分电路的输出电压将增大，从而增加光电倍增管的高压增益，实现将特征能量峰位置右移回到标准位置的目的。此方法由于依赖电子电路稳谱，因此受温度影响大精度差。”。而“软件”方法则是利用地面计算机的快速运算能力，通过分析当前能谱数据识别特征能量峰，然后计算出新的高压增益，最后向仪器发送增益控制命令，从而实现自动稳谱。另一个稳谱方法是用软件控制稳谱。软件稳谱可以提高稳谱精度，减少操作上的麻烦。现代比较先迸的测并仪器，井下仪是一台微处理机，它可进行全谱测量，并将全部测量信息传送到地面，这为采用更先进的软件稳谱提供了前提条件。井下仪器将所测得的全谱数据送到地面后，用预先储存于地面计算机中的一套软件程序，对所测的Y 谱进行实时刻度，计算地面系统的增益和参考峰位置，在对能谱的参考峰进行特殊的数字处理，然后提供个控制信号传送到井下，井下仪器用该信号去调节控制器的高压供电电压，以维持谱的稳主巨互迪盍堂( 垡苤) 王翟亟土堂建迨窑玺5 重且签翅里鳇迸型挂自弛塑选定性。在这种软件稳谱中，井下高压调节的灵敏度可以适当降低，使它只起一个租调作用。这样可以防止能量分辨率的过大损失和仪器的自激振荡。为获得高的稳谱精度，地面仪器利用一套软件，根据实时刻度的结果对测量谱进行处理，求得一个经过漂移校正与分辨率校正后的谱，并用该谱再去进行能谱分析和误差计算。这种软件稳谱的精度高，不会发生错误的跟踪，使仪器的操作大大地简化了。软件稳谱要求地面计算机容量较大，计算速度快，使整个程序处理的速度能满足测井速度要求，以便在井场实现实时软件稳谱。5 2 软件自动稳谱的技术方案在自然伽马能谱测井过程中，由于环境因素的变化和仪器本身的不稳定性，会造成被测能谱峰位的移动，给解释工作带来困难。因此，在测量过程中将K 、U 和T h 的三个特征峰稳定在给定的道址上是十分重要的，要满足对复杂伽马谱的解析，要求样品的测量条件与标准谱的测量条件完全一致。将K 、U 和T h 的三个特征峰稳定在给定的道址上的过程通常是通过对谱仪的增益和零载的调整来实现的。经验表明，谱仪的零载具有长期的稳定性。但在测井过程中仅对增益进行调整己能完全满足稳谱的要求。自然伽马能谱测井仪探测器光电倍增管的高压，可由地面计算机进行控制，使光电倍增管工作在线性区，通过改变其高压，可对测量能谱的增益进行调节。自动稳谱技术就是根据该仪器的这一特点在地面由软件完成的。自然伽马能谱测井实时稳谱要求K 峰峰位在1 0 5 道，T h 峰峰位在1 8 8 道。在经过对该仪器的硬件电路调整之后，地面软件仅通过调整光电倍增管的高压就可调准K 和n 蜂的位置。为了准确地寻找K 峰的峰位，被寻峰的能谱必须累积测量一定的时间，以达到一定的统计精度。寻到K 峰后，求出其相对K 参考峰( P r o = 1 0 5 ) 的漂移量A P K = P K P K o ，4 7生鱼互池盍堂f 望壅) 王捏亟堂焦硷塞筮重自然趣里能盥捌羞自动篮澄根据K 峰漂移量P K 与高压调整量H V 的关系求出调整后的高压代码H V 送入井下仪器以调整增益，最后将累积谱清零，开始下一次循环。在稳谱过程中，发现以下几个因素影响稳谱质量。( 1 ) 被稳峰能谱的积累测量时间。从累积谱清零开始至下次累积谱清零这一周期的时间，用t