宽能域、数字化γ能谱测井系统中关键技术研究

Gamma ray spectrum logging method is mainly used to measure the natural gamma spectrum, inelastic scattering gamma spectrum and capturing gamma spectrum in pulsed neutron logging system, which to determine the elemental content and study the formation properties of well profile. The traditional gamma spectroscopy logging tool system is using conventional single detector, its energy response mainly concentrates in a very narrow region. The wide-field and digital gamma energy spectrum acquisition system mainly focus on:(1) the optimization select principle of detector system will be researched in wide energy field and digital gamma spectrometry logging tool.(2) The mathematical model of nuclear pulse processing will be established in gamma energy spectrum measurement,which has multi-detectors. (3) It is to build a nuclear pulse signal digital processing simulation platform, and build digital gamma energy spectrum acquisition system based on FPGA,its purpose is to study the different amplitude extraction method in nuclear pulse signal. (4)The different detector acquisition of energy and efficiency are be linearization and normalization to realise qualitative and quantitative analysis of downhole multi-detector, wide domain energy spectrum data. According to the above research,it will enrich the theoretical system of gamma spectrometry log system, provide the technical support and lay the research basis for high performance digital gamma spectrometer.

γ能谱测井主要应用于自然γ射线、脉冲中子测井中的散射γ、俘获γ射线测量，以确定地层元素种类与含量，来研究井剖面地层性质，是解决地球科学、环境科学等有关问题的主要手段之一。传统的井下γ能谱测量系统采用单一探测器，能量响应主要集中在一个很窄的区域。本项目针对宽能域、数字化γ能谱测井系统，重点研究：（1）开展宽能域、数字化γ能谱测井仪中探测器系统的最优化选取原则研究；（2）建立井下多探测器、宽能域γ能谱测量中核脉冲信号处理的数学模型；（3）搭建一套核脉冲信号数字化处理仿真平台，并构建基于FPGA的数字化γ能谱获取系统，对不同探测器输出核脉冲信号的幅度提取方法展开研究；（4）针对不同探测器所获取能谱数据的能量、探测效率分别进行线性化与归一化处理，以准确实现γ能谱测井系统中能谱数据的定性定量分析。通过上述研究，丰富γ能谱测井系统的理论体系，为井下高性能、数字化γ谱仪的研制提供技术支持与奠定研究基础。

γ能谱测井主要用于自然γ射线、脉冲中子测井中的散射γ、俘获γ射线测量，以确定地层元素种类与含量，广泛应用于铀矿资源勘查、石油测井等领域，是解决地球科学、能源科学等有关问题的主要手段之一。. 传统的井下γ能谱测量系统采用单一探测器，能量响应主要集中在一个很窄的区域，针对上述问题，本研究内容在国家自然科学基金项目的资助下，重点开展了如下研究并取得如下成果：（1）理论分析了井下宽能域γ能谱测量中双探测器系统特性，并基于蒙特卡罗方法建立了测井系统的模型，对宽能域γ能谱测井系统的结构、探测器位置放置进行了研究，重点模拟与分析了屏蔽体材料、厚度、探测器和中子源位置等对测量能谱的影响；（2）对核脉冲信号的数字成形方法进行了研究，推导了基于CR-RCm的核脉冲信号数字成形处理的数值模型，分别对上述该数字滤波成形的幅频响应，最优化数字成形参数的选取进行了对比分析与研究；（3）研发了基于MATLAB的核脉冲信号数字化处理平台，实现模拟核脉冲信号、实际采样核脉冲信号的梯形成形、三角成形、高斯成形，并分别获取不同成形方法、成形参数下的能量分辨率与最大脉冲通过率等主要性能指标参数；（4）对双探测器宽能域γ能谱系统获取的谱线数据进行了处理，实现双探测器输出射线能量的线性化与归一化处理，在自然γ射线解谱研究中，推导了通过剥谱法进行解谱计算的公式，实现了自然γ能谱的解谱；在俘获γ能谱解谱研究中，完成了对LaBr3、BGO探测器所获取俘获γ谱的线性化和归一化处理，最终确定地层中元素的质量比，实现了俘获γ能谱的解谱；（5） 构建了一套基于FPGA的数字化γ能谱获取系统，完成了NaI探测器输出核脉冲信号的高速采集、数字成形、幅度提取等功能，获取了γ能谱。. 通过上述研究，拓展了核脉冲信号数字成形理论与方法，一定程度上丰富了γ能谱测井系统的理论体系，为井下双探头、宽能域的数字化γ谱仪研制奠定了一定的研究基础。