CN105571986A - 一种基于散射能谱双能窗计算岩石密度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于散射能谱双能窗计算岩石密度的方法，属于岩石物理特性技术领域，采用基于散射能谱双能窗的岩石密度测量装置进行岩石密度的计算，首先基于伽马射线与物质发生康普顿散射原理记录散射伽马能谱；选定高能窗和低能窗，利用模拟或刻度的方法获得高、低能窗散射伽马计数与密度响应的函数关系式；进一步获得密度测量值校正量与高、低能窗密度测量值之差的关系以抵消岩性对测量结果的干扰，从而准确的计算被测样品的密度。本发明相对现有的放射法测量物质密度技术，具有计算准确、便捷、不受岩性影响等优势。

Description

一种基于散射能谱双能窗计算岩石密度的方法

技术领域

本发明属于岩石物理特性技术领域，具体涉及一种基于散射能谱双能窗计算岩石密度的方法。

背景技术

岩石密度是岩石最基本的物理参数，它与岩石的强度、抗腐蚀、抗变形、渗透性、孔隙度等物理力学性质有着密切的关系。

利用伽马射线无损测量物质密度分为透射和散射两种方法，透射法是将伽马源和探测器分别置于样品对立的两侧，通过测量透射伽马射线计数率与物质密度的函数关系从而计算物质密度，基于计数率大小与放射性统计误差考虑，该方法适用于较小且较薄的样品密度测量；散射法也称为康普顿背散射法，不同于透射法之处在于伽马源和探测器放置于样品同一表面，通过探测经康普顿散射而改变方向的散射伽马射线计算物质密度，该方法特别适用于非破坏性大块岩石样品密度的快速测量。

不论是透射法和散射法测量结果受到岩石岩性影响较大，导致计算精度降低，计算结果必须进行岩性校正。仪器在使用前需获得校准曲线，即在图上标出每种已知密度材料所测得的计数率相应点，然后把这些点连起来，就构成了所求的校准曲线，因此测量不同类型岩石密度时需要用岩性相近的刻度块进行仪器刻度，这是放射性法测量密度的显著缺点。目前测量方法需要频繁刻度，测量过程繁琐。因此有必要开发一种便捷、不受岩性影响的精确计算岩石密度的计算方法。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于散射能谱双能窗计算岩石密度的方法，设计合理，测量便捷，不受岩性影响，具有良好的推广价值。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于散射能谱双能窗计算岩石密度的方法，采用基于散射能谱双能窗的岩石密度测量装置，其包括伽马放射源、核密度测量仪、待测岩石样品、伽马探测器，所述伽马放射源与伽马探测器以一定的间距放置于待测岩石样品的同一表面，所述伽马放射源采用Cs-137；所述伽马探测器采用NaI晶体探测器；所述伽马放射源与伽马探测器之间的间距范围为10-25cm；所述伽马放射源和伽马探测器之间设置有伽马屏蔽体；所述伽马屏蔽体采用钨镍铁或铅；

所述的基于散射能谱双能窗计算岩石密度的方法，按照如下步骤进行：

步骤1：伽马放射源放出伽马射线经康普顿散射，以伽马探测器探测的散射伽马能谱为依据，选定高能窗和低能窗，其计数率分别为N_k、N_p，利用蒙特卡罗数值模拟方法或刻度方法获得无岩性影响时高能窗和低能窗的计数率与密度的响应公式为：

$N_K=t_1{e}^{-t_2{\mathrm{\ρ}}_K}$

$N_P=K_1{e}^{-k_2{\mathrm{\ρ}}_P}$

式中，k₁，k₂和t₁，t₂是与核密度测量仪有关的固定参数；

进一步，高能窗和低能窗的密度响应：

${\mathrm{\ρ}}_K=\frac{1}{t_2}({\mathrm{lnt}}_1-{\mathrm{lnN}}_K)$

${\mathrm{\ρ}}_P=\frac{1}{k_2}({\mathrm{lnk}}_1-{\mathrm{lnN}}_P);$

步骤2：待测岩石样品的密度一定时，高能窗和低能窗的计数率的对数受岩性指数的影响程度不一致，通过高能窗和低能窗的伽马计数率计算出的密度响应偏离真实被测岩石样品密度的大小亦不一致，基于高能窗的密度响应构建的待测岩石样品真密度计算公式形式为：

ρ＝ρ_K+Δρ；

式中，Δρ为密度校正量；

步骤3：利用蒙特卡罗数值模拟方法或实验刻度的方法通过改变待测岩石样品的密度和岩性指数，对基于散射能谱双能窗的岩石密度测量装置进行刻度，得到Δρ＝f(ρ_P-ρ_K)的函数关系，Δρ＝f(ρ_P-ρ_K)表示为：

Δρ＝a₁(ρ_P-ρ_K)+a₂(ρ_P-ρ_K)²+…+a_i(ρ_P-ρ_K)ⁱ；

式中，a₁，a₂为常数，i＝1，2，3…；

步骤4：由步骤2和步骤3，得到待测岩石样品的真密度为：

ρ＝ρ_K+a₁(ρ_P-ρ_K)+a₂(ρ_P-ρ_K)²。

优选地，所述伽马放射源采用Cs-137。

优选地，所述伽马探测器采用NaI晶体探测器。

优选地，所述伽马放射源与伽马探测器之间的间距范围为10-25cm。

优选地，所述伽马屏蔽体采用钨镍铁或铅。

优选地，所述高能窗选用范围：150-300KeV；所述低能窗选用范围：50-90KeV。

优选地，所述伽马探测器探测的散射伽马能谱为256道散射伽马能谱。

优选地，所述待测岩石样品为包括砂岩、灰岩、花岗岩、白云岩在内的天然物质和混凝土，以及包括公路路基在内的人工建筑。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明提出了一种基于散射能谱双能窗计算岩石密度的方法，与现有技术相比，一种基于散射能谱双能窗计算岩石密度的方法，利用康普顿背散射原理，伽马放射源和探测器放置于被测岩石样品同一表面，该方法特别适用于非破坏性大块岩石样品密度的测量；通过选定的散射伽马能谱的低能和高能窗，基于岩性对不同能窗密度响应影响程度不同，通过蒙特卡罗模拟或实验刻度方法消除了岩性的影响，从而计算出精确的岩石密度；通过这种方法，仪器出厂时只需进行一次刻度，现场使用时无需对仪器因被测样品的化学成分各异而进行重新检定；无需测量样品体积和质量，测量过程便捷、一次刻度、不必对测量结果进行岩性校正。

附图说明

图1为本发明中一种基于散射能谱双能窗的岩石密度测量装置的示意图。

图2为利用图1所示测量装置获得的Cs-137伽马放射源散射伽马能谱以及本发明所选定的高能窗和低能窗的示意图。

图3为在相同密度、改变岩性指数条件下，以两种密度ρ₁，ρ₂为例，说明利用密度响应公式N_P＝f₁(ρ)，N_K＝f₂(ρ)计算的岩石样品密度测量值随岩性指数变化关系的示意图。

图4为Δρ＝f(ρ_P-ρ_K)函数关系图。

图5为采用本发明方法与采用传统散射方法分别计算岩石的密度的对比图。

其中，1-伽马放射源；2-核密度测量仪；3-伽马屏蔽体；4-待测岩石样品；5-伽马探测器。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

如图1所示，一种基于散射能谱双能窗的岩石密度测量装置，包括伽马放射源1、核密度测量仪2、待测岩石样品4、伽马探测器5，所述伽马放射源1与伽马探测器5以一定的间距放置于待测岩石样品4的同一表面，所述伽马放射源1采用Cs-137；所述伽马探测器5采用NaI晶体探测器；所述伽马放射源1与伽马探测器5之间的间距范围为10-25cm；所述伽马放射源1和伽马探测器5之间设置有伽马屏蔽体3；所述伽马屏蔽体3采用钨镍铁或铅。

下面对本发明如何利用低能窗、高能窗计数率受到岩性的影响程度不同的原理精确计算岩石密度进行说明。

根据伽马射线与物质的相互作用物理理论，光电效应反应截面随着伽马射线能量的增大而减小；对于Cs-137伽马射线源，在基于康普顿背散射原理的密度测量中，当伽马射线能量高于大约100KeV时，康普顿散射截面基本可以视为常量，但是仍有一部分的光电效应。因此仅通过选取较大的散射伽马能窗计算岩石密度是不能完全消除光电效应影响的；且随着能窗的增大，相应的伽马计数率降低，计数统计性误差增大。

首先，对于利用Cs-137作为伽马源的康普顿背散射密度测量装置，一般用岩性指数表示物质发生光电效应几率的大小，近似表达式为:

$Pe={\left(\frac{Z}{10}\right)}^{3.6}$

式中，Z表示物质原子序数。

在不考虑光电效应的影响情况下，用下标K表示高能窗，P表示低能窗，根据伽马射线衰减规律，高、低能窗计数率与密度响应关系可以表示为：

$N_K=t_1{e}^{-t_2{\mathrm{\ρ}}_K}$

$N_P=K_1{e}^{-k_2{\mathrm{\ρ}}_P}$

式中，k₁，k₂，和t₁，t₂是与核密度测量仪有关的固定参数；均可以通过模拟或刻度手段确定。没有光电效应影响时,则高、低能窗密度响应按照上式有：

${\mathrm{\ρ}}_K=\frac{1}{t_2}({\mathrm{lnt}}_1-{\mathrm{lnN}}_K)$

${\mathrm{\ρ}}_P=\frac{1}{k_2}({\mathrm{lnk}}_1-{\mathrm{lnN}}_P)$

理论上，在没有光电效应影响时，伽马与物质作用取决于康普顿效应，高、低能窗密度响应一致，即ρ_P＝ρ_K，用高、低计数率都可以求取被测岩石样品的密度，而且两者结果相等。

实际情况是存在光电效应的，散射伽马射线强度主要取决于物质密度和物质光电效应吸收的影响，由于射线的多次散射，入射伽马射线能量逐渐衰减，光电效应有所增加，整个过程难以用准确的物理模型进行理论计算。

本发明利用蒙特卡罗方法建立MCNP数值计算模型，具体为：伽马放射源1与伽马探测器5以一定的间距放置于待测岩石样品4的同一表面，伽马放射源1和伽马探测器5之间有屏蔽体3。首先，伽马放射源1放出伽马射线经康普顿散射，选定伽马探测器5探测的散射伽马能谱高能窗、低能窗(如图2所示，选定低能窗为50-90KeV；选定高能窗为150-300KeV)。利用康普顿效应对高能窗伽马射线计数N_K贡献较大，受光电效应较小；低能窗计数N_P受光电效应较大的原理，通过一种计算方法消除高能窗部分的光电效应影响。因此，利用高能窗计数计算的密度在消除光电效应影响之后，其计算结果只受康普顿散射的影响，而康普顿散射与岩石密度有关，从而精确的确定岩石密度。

上述消除光电效应影响的计算方法为蒙特卡罗模拟法或实验刻度法，通过蒙特卡罗模拟或实验刻度方法分别计算出高能窗和低能窗伽马计数率与密度的响应关系N_K＝f₁(ρ)，N_P＝f₂(ρ)，进一步获得高能窗密度测量值校正量Δρ＝f(ρ_P-ρ_K)的函数关系，利用公式ρ＝ρ_K+f(ρ_P-ρ_K)计算出被测岩石样品的真实密度。

具体实施例如下：

利用蒙特卡罗数值模拟方法或实验刻度方法计算当被测岩石密度不变的情况下，改变被测岩石岩性即岩性指数，被测岩石样品密度的变化(如图3所示)。图3为在相同密度、改变岩性指数条件下，利用密度响应公式N_P＝f₁(ρ)，N_K＝f₂(ρ)计算的样品密度的测量值的示意图，选取两种密度ρ₁，ρ₂为例，由图3可以看出，被测岩石密度一定时，高、低能窗密度的测量值受岩性指数的影响程度不一致，由高、低能窗伽马计数率计算出的密度ρ_K，ρ_P偏离真实被测岩石样品密度的大小亦不一致，低能窗计算结果受岩性指数影响大，而高能窗计算结果受岩性指数影响小，基于高能窗密度响应构建岩石真密度计算公式形式为：

ρ＝ρ_K+Δρ

式中，Δρ为密度校正量。

利用蒙特卡罗数值模拟方法或实验刻度方法通过改变被测样品密度和岩性指数计算大量样品，对测量装置进行刻度，容易获得Δρ＝f(ρ_P-ρ_K)关系，如图4所示，Δρ＝f(ρ_P-ρ_K)可表示为：

Δρ＝a₁(ρ_P-ρ_K)+a₂(ρ_P-ρ_K)²+…+a_i(ρ_P-ρ_K)ⁱ

式中，a₁，a₂为常数，i＝1，2，3…；

忽略高次项，因此岩石真密度为：

ρ＝ρ_K+a₁(ρ_P-ρ_K)+a₂(ρ_P-ρ_K)²

利用蒙特卡罗数值方法建立基于康普顿背散射原理的岩石密度测量模型，模拟条件为：NaI探测器尺寸为φ3.5×3cm，源距为17cm，屏蔽体为钨镍铁，根据蒙特卡罗模拟数据刻度仪器可得：

ρ_P＝-0.32828lnN_P-3.08046

ρ_K＝-0.33006lnN_K-3.36407

ρ＝ρ_K-0.0624(ρ_P-ρ_K)-0.27058(ρ_P-ρ_K)²

选用菱镁矿、含水40％砂岩、含水20砂岩、纯砂岩、40％白云岩、20％白云岩、石膏、石灰岩等14种岩石矿物作为被测对象，采用本发明方法与采用传统散射方法分别计算岩石的密度的对比图如图5所示，可以看出采用传统的散射法即使选定了较高的能窗仍然受到被测样品岩性的影响且影响较大，而本发明采用双能窗计算岩石密度的方法消除了矿物岩性的影响，计算精度大大提高。

本发明一种基于散射能谱双能窗计算岩石密度的方法，利用康普顿背散射原理，伽马放射源和探测器放置于被测岩石样品同一表面，该方法特别适用于非破坏性大块岩石样品密度的测量；通过选定的散射伽马能谱的低能和高能窗，基于岩性对不同能窗密度响应影响程度不同，通过蒙特卡罗模拟或实验刻度方法消除了岩性的影响，从而计算出精确的岩石密度；通过这种方法，仪器出厂时只需进行一次刻度，现场使用时无需对仪器因被测样品的化学成分各异而进行重新检定；无需测量样品体积和质量，测量过程便捷、一次刻度、不必对测量结果进行岩性校正。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于散射能谱双能窗计算岩石密度的方法，采用基于散射能谱双能窗的岩石密度测量装置，其包括伽马放射源、核密度测量仪、待测岩石样品、伽马探测器，所述伽马放射源与伽马探测器以一定的间距放置于待测岩石样品的同一表面，所述伽马放射源和伽马探测器之间设置有伽马屏蔽体；

其特征在于：所述的基于散射能谱双能窗计算岩石密度的方法，按照如下步骤进行：

步骤1：伽马放射源放出伽马射线经康普顿散射，以伽马探测器探测的散射伽马能谱为依据，选定高能窗和低能窗，其计数率分别为N_k、N_p，利用蒙特卡罗数值模拟方法或刻度方法获得无岩性影响时高能窗和低能窗的计数率与密度的响应公式为：

$N_K=t_1{e}^{-t_2{\mathrm{\ρ}}_K}$

$N_P=K_1{e}^{-k_2{\mathrm{\ρ}}_P}$

式中，k₁，k₂和t₁，t₂是与核密度测量仪有关的固定参数；

进一步，高能窗和低能窗的密度响应：

${\mathrm{\ρ}}_K=\frac{1}{t_2}({\mathrm{lnt}}_1-{\mathrm{lnN}}_K)$

${\mathrm{\ρ}}_P=\frac{1}{k_2}({\mathrm{lnk}}_1-{\mathrm{lnN}}_P);$

步骤2：待测岩石样品的密度一定时，高能窗和低能窗的计数率的对数受岩性指数的影响程度不一致，通过高能窗和低能窗的伽马计数率计算出的密度响应偏离真实被测岩石样品密度的大小亦不一致，基于高能窗的密度响应构建的待测岩石样品真密度计算公式形式为：

ρ＝ρ_K+Δρ；

式中，Δρ为密度校正量；

步骤3：利用蒙特卡罗数值模拟方法或实验刻度的方法通过改变待测岩石样品的密度和岩性指数，对基于散射能谱双能窗的岩石密度测量装置进行刻度，得到Δρ＝f(ρ_P-ρ_K)的函数关系，Δρ＝f(ρ_P-ρ_K)表示为：

Δρ＝a₁(ρ_P-ρ_K)+a₂(ρ_P-ρ_K)²+…+a_i(ρ_P-ρ_K)ⁱ；

式中，a₁，a₂为常数，i＝1，2，3…；

步骤4：由步骤2和步骤3，得到待测岩石样品的真密度为：

ρ＝ρ_K+a₁(ρ_P-ρ_K)+a₂(ρ_P-ρ_K)²。

2.根据权利要求1所述的基于散射能谱双能窗计算岩石密度的方法，其特征在于：所述伽马放射源采用Cs-137。

3.根据权利要求1所述的基于散射能谱双能窗计算岩石密度的方法，其特征在于：所述伽马探测器采用NaI晶体探测器。

4.根据权利要求1所述的基于散射能谱双能窗计算岩石密度的方法，其特征在于：所述伽马放射源与伽马探测器之间的间距范围为10-25cm。

5.根据权利要求1所述的基于散射能谱双能窗计算岩石密度的方法，其特征在于：所述伽马屏蔽体采用钨镍铁或铅。

6.根据权利要求1所述的基于散射能谱双能窗计算岩石密度的方法，其特征在于：所述高能窗选用范围：150-300KeV；所述低能窗选用范围：50-90KeV。

7.根据权利要求1所述的基于散射能谱双能窗计算岩石密度的方法，其特征在于：所述伽马探测器探测的散射伽马能谱为256道散射伽马能谱。

8.根据权利要求1所述的基于散射能谱双能窗计算岩石密度的方法，其特征在于：所述待测岩石样品为包括砂岩、灰岩、花岗岩、白云岩在内的天然物质和混凝土，以及包括公路路基在内的人工建筑。