CN113653483A - 一种基于x射线反向散射的多探测器多功能混合测井装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于油气勘查技术领域，具体为一种基于X射线反向散射的多探测器多功能混合测井装置，本发明通过图像处理与重建单元实现三维重建，使最终得到的图像能够更加真实的反应地层的实际情况，提升了测量的准确性。所述终端数据分析单元对探测单元获得的能量分布信息，一方面采用数值分析的方式计算出电子密度，实现被探测井壁地层密度测量；另一方面利用X射线荧光测量原理，得到地层各元素种类以及含量。相较于现有技术中的声波成像测井，本发明由于X射线具有很强的穿透能力，对不同介质具有更好的区分效果，因此所成图像拥有更高的分辨率。相较于微电阻成像测井和阵列感应测井，由于X射线在不同岩性的光电效应能谱不同，可以克服岩性影响。
Description
技术领域
本发明属于油气勘查技术领域，尤其涉及一种基于X射线反向散射的多探测器多功能混合测井装置。
背景技术
测井是利用岩层的电化学特性、导电特性、声学特性、放射性等地球物理特性，获得地球物理参数的方法。测井方法众多，常用的有微电阻率成像测井、阵列感应测井、声波反射成像测井。微电阻成像测井是通过不同颜色显示不同电阻率的值，其探测深度较浅，受地层厚度、岩性、孔隙度和泥质含量、冲洗带的流体性质、井壁不规则等因素影响，无法获得真实的井壁信息；阵列感应测井受不同钻井液的影响需要进行环境校正，测量值受地层电导率和测井仪器工作频率影响，容易造成测量误差，不能满足使用需求；声波反射成像测井工作频率越高功率越小，且与泥浆特性有直接关系，泥浆粘度太大会导致扫描不均匀，因此必须保持良好的居中测量。由此可见，上述的测井方法都存在一定的不足。因此，有必要研究一种新的测井方案以提升测井信息的准确性。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的改进需求，提供了一种基于X射线反向散射的多探测器多功能混合测井装置，以克服现有测井方法存在的不足，提升测量准确性。
本发明采用的技术方案为：
一种基于X射线反向散射的多探测器多功能混合测井装置，包括：X射线发生器单元、X射线探测单元、数据存储单元、终端数据分析单元以及图像处理与重建单元；
X射线发生器单元用于向被探测井壁发射X射线，并控制X射线对被探测井壁地层进行全方位照射；
X射线探测单元用于探测X射线发生器单元向被探测井壁发射的X射线，并获取X射线返回的能量分布信息；X射线探测单元根据单个探测器的探测范围设置i个探测器，i个探测器的探测范围交叉重叠，其中i＞2；以确保探测范围完全覆盖被探测井壁地层，探测器所探测的能量包括沉积能量、探测器计数以及通量；
数据存储单元连接X射线探测单元，用于存储X射线探测单元提供的能量分布信息，并将存储的能量分布信息分别提供给终端数据分析单元及图像处理与重建单元；
终端数据分析单元根据数据存储单元提供的能量分布信息，推导出被探测井壁地层密度以及元素含量；
图像处理与重建单元将数据存储单元提供的能量分布信息转换为数字图像，并对数字图像进行三维重建，最终形成完整的井壁成像信息，以用于测井分析。
进一步的，所述图像处理与重建单元中实现三维重建的具体过程如下：
步骤一、对图像进行预处理
S11、将所有数字图像转化为灰度图像，实际操作过程中，每个探测器都会获得一个对应的能量分布信息，因此探测单元实际所获得图像共有n幅，其中n＞2；
S12、将步骤S11获取到的灰度图像进行二值化处理，以简化数字图像数据；
步骤二、构建三维重建算法
S21、从步骤S12所得的灰度图像中获取X射线反散射成像的内参数H；并通过内参数H构建三维重建本质矩阵E；
S22、本质矩阵E进行奇异值SVD分解得到X射线反散射成像的外参数[R,t]；外参数中R为X射线发生器的旋转矩阵，t为X射线发生器的平移矩阵；
S23、由于整个检测过程中仪器是缓慢上升的，因此以运动中的摄像机成像原理为基础，利用经步骤S12处理后的各个角度的灰度图像，确定出投影矩阵与与内参数、外参数的关系，即投影矩阵与X射线发生器运动状态的关系：
Pn＝H[R,t]n
式中Pn为经步骤S12处理后的灰度图像n的投影矩阵；[R，t]n为经步骤S12处理后的灰度图像n的旋转平移矩阵，R为X射线仪器的旋转矩阵；t为平移矩阵。
S24、根据投影矩阵与X射线发生器运动状态的关系，得出经步骤S12处理后的灰度图像n中像素坐标与三维空间坐标的映射关系：
设
是经步骤S12处理后的灰度图像n的齐次坐标，X为经步骤S12处理后的灰度图像n对应的三维空间齐次坐标，则映射关系为：
式中Nn为常量因子；
S25、按照步骤S24构建出经步骤S12处理后的灰度图像n-1的映射关系；然后将经步骤S12处理后的灰度图像n，与经步骤S12处理后的灰度图像n-1得到的映射关系进行联立，可得三维坐标求解方程：
A(Pn,u,v)X＝0
式中A为经步骤S12处理后的灰度图像n-1，与经步骤S12处理后的灰度图像n-1重叠部分的投影矩阵P，在经经步骤S12所得灰度图像中的齐次坐标(u，v,1)T的函数；
S26、对A进行奇异值SVD分解得到A＝USVT；其中V的最后一列即为求得的三维坐标；
步骤三、根据步骤构建的三维重建算法，按照探测单元获得的能量分布信息的时序逐个求出剩下灰度图像中对应的三维坐标，完成三维重建。
进一步的，所述终端数据分析单元中被探测井壁地层密度的计算方法为：
步骤1、根据反散射成像原理推导出数字图像中任意一点的电子密度计算公式：
式中ne(M)表示数字图像中M处的电子密度；
表示粒子从S→M运动过程中，到达一个位点M的光子通量密度；σc(w)表示康普顿微分截面；dSM表示M周围的区域元素，σ′表示被探测物体的宽度，
表示发生散射的被探测井壁与探测器的夹角；
表示单个源点或散射位点的光子通量密度。
步骤二、将探测器获得的总通量密度φ′(D,ω)代入步骤步骤一得到的电子密度ne(M)计算公式中，求得M处的电子密度即被探测井壁材料性质；
步骤三、利用电子密度与地层密度的转换公式即可得到被探测井壁地层密度ρb：
式中N0为阿伏伽德罗常数，A是质量数，Z是原子序数。
进一步的，所述终端数据分析单元中地层表面元素含量的分析方法为：
利用荧光测量原理，根据接收的能量信息计算出X射线与井壁岩矿石相互作用所产生的特征X射线强度，确定被探测井壁岩矿石所含有元素的种类；
根据各种元素在单位时间内所产生的特征X射线峰面积计数，确定对应位置该元素的含量。
本发明提供的一种基于X射线反向散射的多探测器多功能混合测井装置，通过探测单元设置的i个探测器，其中i＞2来获取井壁的X射线能量信息。在探测的过程中，每个探测器被配置为探测对应井壁区域的X射线能量信息，通过这样的设置可以确保探测范围完全覆盖被探测井壁，从而得到更加完整、准确的能量分布信息。在此基础上，通过图像处理与重建单元对获得的能量分布信息进行三维重建，又因本发明中i个探测器中相邻两个探测器的探测范围交叉重叠，在三维重建过程中，通过对重叠部分特征的提取，提升了三维重建后的图像精确度，使最终得到的图像能够更加真实的反应地层的实际情况，提升了测量的准确性。所述终端数据分析单元对探测单元获得的能量分布信息，一方面采用数值分析的方式计算出电子密度，采用数值分析的方式计算出电子密度，然后通过对电子密度进行转换得到被探测井壁地层密度，实现被探测井壁地层密度测量；另一方面利用X射线荧光测量原理，对探测单元获得的能量分析信息，得到地层各元素种类以及含量。
相较于现有技术中的声波成像测井，本发明由于X射线具有很强的穿透能力，能够对不同介质有更好的区分效果，因此所成图像拥有更高的分辨率。相较于微电阻成像测井和阵列感应测井，本发明利用X射线在不同岩性的光电效应能谱不同，可以有效克服岩性影响。
说明书附图
图1是X射线反散射成像原理图；
图2是实施例测井装置框图；
图3是实施例中X射线发生器与探测器探测X射线示意图；
图4a是实施例中探测器环设示意图；
图4(b)是环状探测器对应井壁探测范围图；
图5是X射线井下反应三维图；
附图标记：
S：点源；f(S0):源的初始能量分布函数；f(S)：经流体削弱后的源的能量；M：发生散射的物体；D：探测器；x：仪器与井壁的距离；μ：衰减系数；σ：散射点宽度；σ’：探测点宽度；ne(M)：M处电子密度；P(ω):Klein–Nishina散射概率；re:电子的经典半径。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的及功能，下面结合附图，对本发明做进一步详细的描述。
本发明提供的一种基于X射线反向散射的多探测器成像测井装置，如图2所示，包括：X射线发生器单元、X射线探测单元、数据存储单元、终端数据分析单元以及三维重建单元。
所述X射线发生器单元用于向被探测井壁发射X射线，并控制X射线对被探测井壁地层表面进行全方位照射。在本实施例中，X射线发生通过准直管后对地层进行照射，在照射过程中X射线发生器随着电缆进行360度旋转并不断缓慢上升，确保对井内地层进行全方位照射。X射线发生器所发生的X射线能量为：10～180Kev，X射线的发射角度在X射线产生装置的机械结构可控范围内调整变换。
X射线探测单元用于探测X射线，利用探测到的X射线能量分布信息进行成像得到图像数据提供给数据存储单元进行存储。图3是实施例中X射线发生器与探测器探测X射线示意图；图4(a)是实施例中探测器环设示意图；图4(b)是环状探测器对应井壁探测范围图。。从图3、图4(a)及图4(b)可知，本实施例被探测井壁形状为圆形，根据待测井壁形状将被探测井壁沿周向等分为6个区域，每个区域对应设置一个探测器。也就是说，在本实施中，X射线探测单元根据单个探测器的探测范围，共设有6个探测器，6个探测器采用360度环状分布，以使每个探测器对应井壁的一个区域，确保探测范围完全覆盖被探测井壁地层。每个探测器被配置为探测沿周向划分的对应井壁区域(S1、S2、……、S6)的X射线，并且生成指示其对应探测的X射线能量分布图(S1、S1、……、S6)。使用时，为获得更精确的能量分布图，可根据所需要实际用途选择不同的探测器材料。如用于被探测井壁成像和被探测井壁地层密度探测时可采用陶瓷贴片类，材料选择硅、CdTe、LaBr3或CsI均可，如用于地层元素含量测量则可选择Si-PIN半导体探测器。需要注意的是，为确保三维重建后所获得的图像信息准确性更高，本实施例中单个探测器的探测范围应大于60度，以保证相邻两个探测器之间的探测范围能够交叉重叠。
此外，本实施在X射线源发射位置处，还额外加入了X射线参考探测器，该探测器是为了检测X射线出射时的能量参考强度，保证到达地层时拥有稳定的X射线能量，参考探测器可以采用闪烁体探测器。
数据存储单元连接X射线探测单元，用于存储X射线探测单元提供能量分布图，并将存储的能量分布图分别提供给终端数据分析单元及图像处理与重建单元；
终端数据分析单元根据数据存储单元提供的能量分布图推导出地层密度以及元素含量；
图像处理与重建单元将数据存储单元提供的能量分布图转换为数字图像，并对数字图像进行三维重建形成完整的井壁成像信息，以用于测井分析。图5是X射线井下反应三维图，由图5可知，三维重建后的图像能够更加真实的反应地层的实际情况。这也是我们要进行三维重建的原因。在本实施例中，所述图像处理与重建单元中实现三维重建的具体过程如下：
步骤一、图像数据预处理：
S11、将数据存储单元提供的图像进行灰度化；
S12、将步骤S11获取到的灰度图像进行二值化处理，图像的二值化，就是将图像上的像素点的灰度值设置为0或1也就是将整个图像呈现出明显的只有黑和白的视觉效果，从而达到简化图像数据，以便后续处理。本实施例中，对反色后的灰度图像进行黑白二值化，即遍历所有像素点，使用最大类间方差法来确定一个合理的阈值，对于每个像素点，其灰度值大于或等于阈值的将其设置为1(白色)，灰度值小于阈值设置为0(黑色)，从而实现图像的二值化；以简化图像数据。
步骤二、构建三维重建算法
S21、从预处理后的数字图像中获取X射线反散射成像的内参数H；并通过内参数H构建三维重建本质矩阵E；
S22、本质矩阵E进行奇异值SVD分解得到X射线反散射成像的外参数[R,t]；外参数中R为X射线发生器的旋转矩阵，t为X射线发生器的平移矩阵；
S23、由于整个检测过程中仪器是缓慢上升的，因此以运动中的摄像机成像原理为基础，利用经步骤S 12处理后的各个角度的灰度图像，确定出投影矩阵与与内参数、外参数的关系，即投影矩阵与X射线发生器运动状态的关系：
Pn＝H[R,t]n
式中Pn为经步骤S12处理后的灰度图像n的投影矩阵；[R,t]n为经步骤S12处理后的灰度图像n的旋转平移矩阵，R为X射线仪器的旋转矩阵；t为平移矩阵。
S24、根据投影矩阵与X射线发生器运动状态的关系，得出经步骤S12处理后的灰度图像n中像素坐标与三维空间坐标的映射关系：
设
是经步骤S12处理后的灰度图像n的齐次坐标，X为经步骤S12处理后的灰度图像n对应的三维空间齐次坐标，则映射关系为：
式中Nn为常量因子；
S25、按照步骤S24构建出经步骤S12处理后的灰度图像n-1的映射关系；然后将经步骤S12处理后的灰度图像n，与经步骤S12处理后的灰度图像n-1得到的映射关系进行联立，可得三维坐标求解方程：
A(Pn,u,v)X＝0
式中A为经步骤S12处理后的灰度图像n-1，与经步骤S12处理后的灰度图像n-1重叠部分的投影矩阵P，在经经步骤S12所得灰度图像中的齐次坐标(u,v,1)T的函数；
S26、对A进行奇异值SVD分解得到A＝USVT；其中S为经步骤S12处理后灰度图像中的坐标，V的最后一列即为求得的三维坐标；
步骤三、根据三维重建算法，按照探测单元获得的能量分布信息的时序逐个求出剩下S12图像中对应的三维坐标以及新的投影矩阵，然后将其组成完成三维重建。下面以具体的实施例来阐述重建过程：
①导入经步骤S12处理后的两个灰度图像，这两个灰度图像为相邻两个探测器探测器(S1、S2)所得的图像(为方便描述，将第一次导入的两幅灰度图像设为A1和A2)；然后将A1和A2进行匹配，提取出A1和A2中完全相同的特征部分，即共有特征；
②利用三维重建算法，得到坐标系O1下的重建三维点X1以及投影矩阵P1；
③导入第i幅灰度数字图像An(n＝3,4,…,n)，导入时，应按照探测器的编号顺序对该探测器获取的图像导入，以确保经步骤S12处理后的图像An与经步骤S12处理后的图像A n-1存在共有特征，对数字图像An中的共有特征进行提取；
④对图像An和图像An-1重复步骤②操作，得到坐标系On-1下的三维重建坐标X′n-1和投影矩阵Pn-1，X′n-1左乘投影矩阵P将X′n-1统一在坐标系O1中，得到Xn-1；
⑤将投影矩阵P与Pn-1相乘，得到新的投影矩阵P；
⑥依次增加新的经步骤S12处理后的图像，返回步骤②，直至完成所有图像的三维重建工作。
从上述三维重建过程可见，本实施例是通过提取相邻数字图像共同特征的方式来完成数字图像的三维重建。这一方式本身就包含了对于之前提取特征的矫正过程，且在三维重建的过程中，通过对重叠部分特征的提取，使得三维重建后的图像也精确度更高。
本实施例中，所述终端数据分析单元中被探测井壁地层密度的计算是依据反散射成像原理推导得出的。为更好的说明本实施中被探测井壁地层密度计算的可行性，结合图1从原理上做进一步的阐述。
如图1所示，根据反散射成像原理，得到X射线散射光子的初始能量f(S0)与散射角ω关系为：
式(1)中E0是源发射的X射线粒子能量，mc2是电子的剩余能量。
经流体衰减后X射线源的剩余能量即X射线到达井壁的能量表示为：
f(s)＝(1+μx)f(S0)e-μx (2)
式中μ为流体的衰减系数，x为X射线发生器器与被探测井壁的距离。
利用式2得到的经流体衰减后X射线源的剩余能量，计算出粒子从S→M点运动过程中，到达一个位点M的光子通量密度时，每单位长度和单位时间发射到角dΩ中的光子数量，即M处的通量密度：
式中dss是S周围的区域元素，LSM是S→M的距离，σ是散射点的宽度，φ(S→M)表示为光子发射到S→M的夹角范围。
在入射方向上散射的光子比例取决于康普顿微分截面σc(ω)，横截面给出了光子散射的概率，使入射方向形成一个角度ω，可以被写为：
式中P(ω)是Klein–Nishina散射概率，re是电子的经典半径,系数是1/2表明光子有相同的概率进入二维开角ω的两端。
在探测器检测点D处接收到的一个散射光子通量密度现在可写为:
在探测器检测点D处收集到的总光子通量密度是所有源位点和所有散射位点的积分，这是探测器接收到的通量密度:
式中
是指S、M、D三顶点形成的角度。
根据D处的总光子通量密度，得到单个源点或散射位点的光子通量密度：
式中φ′(D,ω)指D处的总光子通量密度的导数
根据D点接收到的散射光子通量密度，将(8)(9)代入(10)推得M处的电子密度：
式中σ'为探测点宽度，LMD为M→D的距离,φ(M→D)为发生散射的被探测井壁与探测器的夹角，ne(M)为电子密度。
将探测单元探测得到的总通量密度信息代入公式(10)中，即可求出流体即井壁材料性质，也就是该井壁处的电子密度。
当获得M处的电子密度后，经过转化得到地层密度ρb：
式中N0为阿伏伽德罗常数，A是质量数，Z是原子序数。
为了同时获得更全面的井壁地层表面信息，本实施例的终端是数据分析单元还可以对井壁地层表面元素含量进行分析，具体方法为：
根据接收的能量信息计算出X射线与井壁岩矿石相互作用所产生的特征X射线强度，确定所测井壁岩矿石所含有元素的种类；
根据各种元素在单位时间内所产生的特征X射线峰面积计数，确定对应位置该元素的含量。
由上述内容可知，通过本X射线设备对井壁进行扫描，通过经过X射线反散射后的能量分布进行井壁成像。在本发明中，通过对井壁进行X射线扫描，从而获得井壁中不同材料对X射线的康普顿散射效应进行成像，从而获得井壁的成像信息，相较于现有技术中通过声波成像，由于本发明X射线具有高穿透性，能够更好的区分不同介质边缘的分布情况，因此所成图像分辨率更高。同时，由于X射线发射源的能量较低，利用其在不同岩性的光电效应能谱不同，可以有效克服岩性影响。
Claims (4)
1.一种基于X射线反向散射的多探测器多功能混合测井装置，包括：X射线发生器单元、X射线探测单元、数据存储单元、终端数据分析单元以及图像处理与重建单元；其特征在于：
所述X射线发生器单元用于向被探测井壁发射X射线，并控制X射线对被探测井壁地层进行全方位照射；
所述X射线探测单元用于探测X射线发生器单元向被探测井壁发射的X射线，并获取X射线返回的能量分布信息；X射线探测单元根据单个探测器的探测范围设置i个探测器，i个探测器的探测范围交叉重叠，其中i＞2；以确保探测范围完全覆盖被探测井壁地层，探测器所探测的能量包括沉积能量、探测器计数以及通量；
所述数据存储单元连接X射线探测单元，用于存储X射线探测单元提供的能量分布信息，并将存储的能量分布信息分别提供给终端数据分析单元及图像处理与重建单元；
所述终端数据分析单元根据数据存储单元提供的能量分布信息，推导出被探测井壁地层密度以及元素含量；
所述图像处理与重建单元将数据存储单元提供的能量分布信息转换为数字图像，并对数字图像进行三维重建，最终形成完整的井壁成像信息，以用于测井分析。
2.根据权利要求1所述的一种基于X射线反向散射的多探测器多功能混合测井装置，其特征在于：所述图像处理与重建单元中实现三维重建的具体过程如下：
步骤一、对图像进行预处理
S11、将所有数字图像转化为灰度图像，实际操作过程中，每个探测器都会获得一个对应的能量分布信息，因此探测单元实际所获得图像共有n幅，其中n＞2；
S12、将步骤S11获取到的灰度图像进行二值化处理，以简化数字图像数据；
步骤二、构建三维重建算法
S21、从步骤S12所得的灰度图像中获取X射线反散射成像的内参数H；并通过内参数H构建三维重建本质矩阵E；
S22、本质矩阵E进行奇异值SVD分解得到X射线反散射成像的外参数[R,t]；外参数中R为X射线发生器的旋转矩阵，t为X射线发生器的平移矩阵；
S23、依据运动中的摄像机成像原理，利用经步骤S12处理后的各个角度的灰度图像，确定出投影矩阵与与内参数、外参数的关系，即投影矩阵与X射线发生器运动状态的关系：
Pn＝H[R,t]n
式中Pn为经步骤S12处理后的灰度图像n的投影矩阵；[R,t]n为经步骤S12处理后的灰度图像n的旋转平移矩阵，R为X射线仪器的旋转矩阵；t为平移矩阵；
S24、根据投影矩阵与X射线发生器运动状态的关系，得出经步骤S12处理后的灰度图像n中像素坐标与三维空间坐标的映射关系：
设
是经步骤S12处理后的灰度图像n的齐次坐标，X为经步骤S12处理后的灰度图像n对应的三维空间齐次坐标，则映射关系为：
式中Nn为常量因子；
S25、按照步骤S24构建出经步骤S12处理后的灰度图像n-1的映射关系；然后将经步骤S12处理后的灰度图像n，与经步骤S12处理后的灰度图像n-1得到的映射关系进行联立，可得三维坐标求解方程：
A(Pn,u,v)X＝0
式中A为经步骤S12处理后的灰度图像n-1，与经步骤S12处理后的灰度图像n-1重叠部分的投影矩阵P，在经经步骤S12所得灰度图像中的齐次坐标(u，v，1)T的函数；
S26、对A进行奇异值SVD分解得到A＝USVT；其中V的最后一列即为求得的三维坐标；
步骤三、根据步骤构建的三维重建算法，按照探测单元获得的能量分布信息的时序逐个求出剩下灰度图像中对应的三维坐标，完成三维重建。
3.根据权利要求1所述的一种基于X射线反向散射的多探测器多功能混合测井装置，其特征在于：所述终端数据分析单元中被探测井壁地层密度的计算方法为：
步骤一、根据反散射成像原理推导出数字图像中任意一点的电子密度计算公式：
式中ne(M)表示数字图像中M处的电子密度；
表示粒子从S→M运动过程中，到达一个位点M的光子通量密度；σc(w)表示康普顿微分截面；dSM表示M周围的区域元素，σ′表示被探测物体的宽度，
表示发生散射的被探测井壁与探测器的夹角；
表示单个源点或散射位点的光子通量密度。
步骤二、将探测器获得的总通量密度φ′(D,ω)代入步骤步骤一得到的电子密度ne(M)计算公式中，求得M处的电子密度即被探测井壁材料性质；
步骤三、利用电子密度与地层密度的转换公式即可得到被探测井壁地层密度ρb：
式中N0为阿伏伽德罗常数，A是质量数，Z是原子序数。
4.根据权利要求1所述的一种基于X射线反向散射的多探测器多功能混合测井装置，其特征在于：，所述终端数据分析单元中地层表面元素含量的分析方法为：
利用荧光测量原理，根据接收的能量信息计算出X射线与井壁岩矿石相互作用所产生的特征X射线强度，确定被探测井壁岩矿石所含有元素的种类；
根据各种元素在单位时间内所产生的特征X射线峰面积计数，确定对应位置该元素的含量。
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| CN202110871082.7A CN113653483B (zh) | 2021-07-30 | 2021-07-30 | 一种基于x射线反向散射的多探测器多功能混合测井装置 |
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- 2021-07-30 CN CN202110871082.7A patent/CN113653483B/zh active Active
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