一种碳氧比测井能谱数据谱峰漂移校正方法

技术领域

本发明涉及一种碳氧比测井能谱数据谱峰漂移校正方法。主要用于实现对碳氧比测井中由于温度、压力等因素造成的能谱能量刻度变化进行校正，为后续碳氧比值等重要解释参数的提取奠定基础。

背景技术

碳氧比测井为了根据伽马射线能量确定峰位道址或者反过来根据峰位确定伽马射线能量需要先对仪器的伽马探测系统进行能量刻度。能量刻度就是在探测系统所确定的使用条件下，利用已知能量的伽马射线刻度出能量和道址之间的关系，有了这一关系那么搜索到了特征峰的峰位就可以确定出对应的伽马射线能量。典型的能量刻度曲线近似为一条直线，但该直线并非一定通过原点。碳氧比测井在测量过程中，电路系统工作不稳定或井下温度压力等外界条件的影响均会造成伽马射线特征能量与相应道址的对应关系发生变化，即发生谱峰漂移现象。谱峰漂移发生后如果不对其进行及时有效的修正则会导致特征元素计数率统计误差增大，影响从能谱中提取碳氧比、硅钙比等地层信息曲线的准确度，甚至会导致严重的失真。因此对于碳氧比测井来说，谱峰漂移校正是进行后续处理前必不可少的一步。对于伽马能谱的谱峰漂移校正，关键在于准确找到能谱中特征峰的峰位。在处理中我们需要利用一种可靠的寻峰算法来实现元素特征峰位的定位。能否准确识别峰位直接影响能谱漂移校正的效果。

连续小波变换法是目前备受关注的峰位检测方法，它具有灵活性、多分辨率分析能力以及易于实现等优势。有研究人员直接采用墨西哥帽小波对光谱信号进行连续小波变换，并利用小波系数中的冗余信息对光谱特征峰进行识别。也有研究人员提出充分利用小波系数矩阵中的极大值、极小值以及过零点信息来提高寻峰的精度。现有的连续小波变换法通过搜索小波系数矩阵中各尺度下的局部极大值来实现光谱特征峰的检测，然而光谱中的噪声信号由于其随机性同样会产生一系列较小的局部极大值点，形成假峰特征，这会影响最终的寻峰效果。因此在实际应用中往往需要配合适当的阈值来消除假峰。阈值的选择直接关系到寻峰的效果，这使得这些算法对阈值十分敏感，降低了寻峰算法的适用性。

谱峰漂移发生时意味着能谱刻度关系中的零截和增益发生了改变，所谓的谱峰漂移校正就是要将发生漂移后的能谱换算到理论标定条件下应得到的能谱。有研究人员提出利用碳氧比能谱中的氢元素特征峰和铁元素特征峰作为基准来计算峰漂校正参数。但在实际处理中，由于测量仪器之间的差异以及实际测量环境的不同，实测谱线特征必然不会是一成不变的。通过搜索能谱中的氢峰与铁峰是目前的一种常用方法，但采用固定的校正模式无法满足任意情况下的需求。比如有的闪烁晶体探测效率较高，对元素的全能峰更敏感；有的闪烁晶体则对元素的逃逸峰更为敏感。再比如当地层矿化度较低时，氯元素存在较少，氯原子核发生俘获核反应产生的伽马射线也较少，不会掩盖其他元素特征峰，因此像硅、钙元素这样释放出中等能量的伽马射线而产生的特征峰会更为明显。对于以上各类情况需要采用更为灵活的方法来实现谱峰漂移校正。

发明内容

本发明主要克服了现有能谱寻峰方法中的不足，实现了准确识别并定位碳氧比能谱中的元素特征峰位。同时综合能谱实际数据特征，为碳氧比测井能谱资料的漂移校正提供一种更为灵活的处理方法。为了达到以上目的，本发明采用以下技术方案：

当采用与元素特征峰具有相似特征的小波，比如墨西哥帽小波(近高斯型；对称性；具有唯一的极大值点)，作为母小波对能谱进行连续小波变换后，在峰位附近小波系数值较大且在峰位处小波系数会出现局部极大值。提取不同尺度下的局部极大值，则它们所处的道址可以用于表征峰位。但碳氧比测井采集的能谱不可避免的会存在由于放射性统计涨落或仪器稳定性原因而产生的噪声信号。由于噪声的随机性，导致其会在小波系数矩阵中产生一系列较小的局部极大值。能谱寻峰所面临的最大挑战是需要消除噪声信号产生的这类假峰特征。表征特征峰的极大值往往具有较大的幅度，而由噪声产生的极大值由于能量较低通常幅度较小。因此如果将整个小波系数矩阵转化为灰度图像，则幅度较大的真峰特征具有较高的灰度值，而噪声的假峰特征灰度值较低，通过计算合适的图像分割阈值可以将潜在的峰位区域分割出来，从而直接消除小波系数矩阵中的假峰特征，提高寻峰的效率与准确度。基于上述原理本发明所提出的一种碳氧比测井能谱数据谱峰漂移校正方法其特征在于所述方法包括以下步骤：

S1：能谱连续小波变换。以墨西哥帽小波为母小波在设置尺度下对碳氧比能谱进行连续小波变换获得二维小波系数矩阵。

S2：小波系数矩阵转化为灰度图。将二维小波系数矩阵转化为0～255灰度范围的图像。本发明采用一种非线性映射方式将小波系数值转化为0～255范围的灰度值，如式(1)所示。

该映射方式结合了小波系数的均值与标准差，可以有效的避免转化后灰度图分辨率低的问题。

式中，c

t

c

c

m——能谱小波系数的平均值；

σ——能谱小波系数的标准差。

S3：计算图像分割阈值上限。采用不同的灰度为阈值将小波系数图像分割为前景和背景两部分，基于图像的灰度直方图提取出使前景和背景间的类间方差最大的灰度值t

式中，

μ

μ

μ

ω

ω

S4：阈值分割效果模糊化。由于元素特征峰区占整个谱线的比例相对较小，因此灰度直方图中具有最大频数的灰度值t

式中，t

t

t

S(t

S(t

S(t

S5：隶属度确定。各灰度的隶属度根据图像分割后的类间方差来确定，因为能谱特征峰具有不同的形态特征，所以当连续小波变换的尺度确定后，得到的小波系数灰度图中的灰度值具有非均匀性。当采用t

式中，BCVar(t

BCVar(t

BCVar(t

S6：最优阈值计算。基于各灰度阈值隶属度，采用聚类分析将模糊集S分为两类，并选择与t

S7：特征峰位提取。搜索分割出的各区域内不同尺度下的极大值，并统计这些极大值所在道址。最终特征峰位由这些分割区域内的极大值所占比例最大的道址来确定。

S8：峰漂校正参数计算。根据识别出的所有元素特征峰位以及碳氧比能谱的能量刻度，建立求解峰漂校正参数的方程组，如式(5)所示。通过求解该超定方程组的最小二乘解来获得峰漂校正参数。

式中，n——搜索到的元素特征峰数量。

x

Δx

z——零截Z的变化量ΔZ；

g——增益G变化的百分比。

具体计算方法为：将式(5)改写为矩阵形式：

将式(6)写作矩阵方程形式：

AX＝B (7)

根据式(7)可以求出峰漂校正参数为：

X＝(A

S9：谱峰漂移校正。根据峰漂校正参数z和g即可计算出能谱道址i对应的新道址i′，如式(9)所示，从而完成谱峰漂移校正。

i′＝i+Δi＝z+(1+g)i (9)

式中，i′——道址i对应的新道址；

Δi——道址i的变化量。

本发明基于模糊集理论与图像分割理论设计了一种针对碳氧比能谱的元素特征峰寻峰方法。本发明的优势在于可以有效的消除噪声产生的假峰特征且对寻峰参数不敏感，寻峰结果更为准确。同时，本发明在峰漂校正参数的计算中充分利用了所有检测到的特征峰信息，校正结果更为灵活可靠。此外，本发明所提出的寻峰方法同样可应用于其他类型光谱数据的寻峰处理中，具有广泛的应用价值。

附图说明

图1为碳氧比测井近探头实测谱线谱峰漂移校正效果图；

图2为碳氧比测井近探头实测谱线小波系数图像分割效果图；

图3为碳氧比测井远探头实测谱线谱峰漂移校正效果图；

图4为碳氧比测井远探头实测谱线小波系数图像分割效果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合应用实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体应用实例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

应用实例：

为了说明本发明的应用效果，以某实例井的碳氧比测井实测俘获能谱来进行验证。在实际处理中仪器所使用的能量刻度是已知的，所以各元素特征峰的理论峰位道址可以依此确定。采用本发明进行能谱寻峰，识别碳氧比能谱中所有潜在的地层元素特征峰位，之后将识别出的元素特征峰位与各元素特征峰标准峰位进行对比，若识别出的特征峰位与某元素特征峰标准峰位之间相差的道址满足±n道(n为设置的道址误差)，则将识别峰位与特征元素进行匹配，并用于能谱的漂移校正。

根据该实例能谱的能量刻度关系可知，氢元素特征峰位固定在第64道(2.23MeV)，铁元素特征峰位固定在第218道(7.64MeV)。该实例井所采用的碳氧比测井仪器具有长短两个源距的伽马探测器，分别采集长短源距下的能谱数据，其中短源距采集的俘获能谱如图1所示，使用本发明进行寻峰的结果同样在图1中进行了标注。可以看出在短源距探头测量谱线中搜索到了氯光电峰(Cl，1.95MeV)、氢光电峰(H，2.23MeV)、硅光电峰(Si，3.54MeV)、硅第一逃逸峰(Si1，3.03MeV)、钙光电峰(Ca，6.42MeV)、钙第一逃逸峰(Ca1，5.91MeV)、钙第二逃逸峰(Ca2，5.40MeV)与铁光电峰(Fe，7.64MeV)。采用本发明所确定的图像分割阈值对小波系数图像进行分割后的结果如图2所示，可以看出在峰位处小波系数明显较大。通过本发明确定的图像分割阈值可以有效的将能谱中的元素特征峰位所在区域识别出来，再通过判断各区域内不同尺度下的局部极大值所在道址即可以提取出准确的特征峰位。此外，本发明可以有效的消除噪声产生的假峰特征，避免了峰位的误判。根据寻峰结果结合能量刻度计算得到的短源距俘获谱各峰位漂移量如表1所示。

表1短源距俘获谱各特征峰漂移量

根据漂移量以及搜索到的特征峰理论峰位根据式(5)建立方程组，并采用最小二乘法对该方程组进行求解。计算得到峰漂校正参数z＝-2.93，g＝0.04。采用此峰漂校正参数对短源距俘获谱进行漂移校正，校正结果如图1中虚线所示。可以看出测量得到的能谱各道的漂移量存在差异，高能段和低能段相比，谱峰漂移更为严重，综合利用检测到的所有元素特征峰信息可以使校正结果更为准确。

同样采用本发明对长源距探头测量的俘获谱线进行能谱寻峰与漂移校正，其结果如图3所示。可以看出在长源距探头测量谱线中搜索到了氢光电峰(H，2.23MeV)、硅光电峰(Si，3.54MeV)、硅第一逃逸峰(Si1，3.03MeV)、钙第一逃逸峰(Ca1，5.91MeV)与铁光电峰(Fe，7.64MeV)。同样的，采用本发明确定的图像分割阈值处理后的小波系数图像分割结果如图4所示。根据寻峰结果结合能量刻度计算得到的各峰位漂移量如表2所示。据此计算得到的峰漂校正参数为z＝-0.18，g＝-0.0017，根据得到的峰漂校正参数对长源距俘获谱进行谱峰漂移校正的结果如图3中的虚线所示，可以看出长源距的谱峰漂移和短源距相比更为轻微，各道漂移量相对较小，校正后的谱线和原始谱线基本一致。

表2长源距俘获谱各特征峰漂移量