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申请/专利权人：西南石油大学

摘要：本发明涉及一种脉冲中子测井伽马探测器响应矩阵校正方法，是一种校正响应矩阵使模拟谱与实测谱吻合的有效手段，主要用于对数值模拟的伽马探测器响应矩阵进行校正，解决与实际仪器响应矩阵不匹配的问题。方法包括：对刻度井能谱进行寻峰和特征峰高斯拟合，确定能量刻度和展宽系数；使用蒙特卡罗方法模拟响应矩阵并展宽单一能量响应；以实验谱与模拟谱误差为基础，构建响应矩阵校正目标函数，通过最优化算法确定校正系数，实现响应矩阵的校正。本发明利用最优化算法能够对响应矩阵进行快速准确校正，不仅解决诸多因素导致的响应矩阵无法准确反演探测器响应伽马能谱的问题，还为后续解谱分析处理以及脉冲中子测井的相关解释方法研究奠定基础。

主权项：1.一种脉冲中子测井伽马探测器响应矩阵校正方法包括如下步骤：Step1：标准刻度井实验能谱采集；标准刻度井是地层组成成分已知的人工制作的模拟井，将脉冲中子测井仪器置入井中按作业标准采集相应的中子诱发伽马能谱，测量能谱的统计精度应符合要求；Step2：能谱元素特征峰寻峰；通过逐道对比法对脉冲中子伽马探测器的伽马能谱进行寻峰处理，基于标准刻度井地层中的主要元素，确定特征元素的全能峰以及第一、第二逃逸峰，并记录特征峰位对应的能谱道址；Step3：伽马探测器能量刻度标定；将搜索到的元素的特征峰位对应道址与其特征能量进行线性拟合，确定伽马探测器的能能量刻度关系，能量刻度关系可表示为：E＝kC+Ez1式中，E—能量，MeV；k—增益，MeV；C—道址，无量纲；Ez—零截，第0道对应的能量，MeV；Step4：能谱展宽系数求解；对步骤二中确定的元素特征峰的峰区内伽马计数进行高斯拟合，确定如式2所示的高斯模型中的模型参数； 式中，G—能量计数率，cps；E—能量，MeV；E0—特征峰峰位对应能量，MeV；C—特征峰的峰高对应计数率，cps；A—高斯峰宽，MeV；模型参数中的高斯峰宽A与特征峰的半高宽FWHM存在如式3所示的函数关系，利用高斯拟合得到峰宽参数结合元素的特征能量，可以计算各元素特征峰对应的半高宽FWHM； 式中，A—高斯宽度，MeV；FWHM—特征峰的半高宽，MeV；计算能谱中至少3个元素特征峰的半高宽FWHM，根据式4建立方程组，确定展宽系数a、b、c； 式中，FWHM—半高宽，MeV；E—能量，MeV；a、b、c—展宽系数，MeV，MeV12，MeV-1；Step5：伽马探测器响应矩阵模拟；采用蒙特卡罗数值模拟技术对仪器伽马探测器进行建模，并设置各向同性伽马源，伽马源的能量由伽马探测器的能量刻度关系决定；模拟每一道对应能量的伽马射线在探测器中的响应能谱，该能谱反映了该能量伽马射线对各道的贡献；采用相同的模拟方式模拟n条伽马能谱，其中n为能谱的道址数；根据各道址能量下的伽马能谱构建n×n的响应矩阵R，如式5所示； 式中，Ri—第1到n个能量对第i道的贡献；Ei—第i道对应的能量，MeV；Hij—探测器第i个能量在第j道上的计数率，cps；结合步骤四中确定的展宽系数a、b、c对响应矩阵中的每一条响应能谱进行高斯展宽，从而得到展宽后的响应矩阵；能谱展宽的计算方法如式6所示； 式中，Ei—第i道能量，MeV；Ej—第j道能量，MeV；Gi—第i道能量未展宽的计数率，cps；Ni—第i道能量下的归一化展宽计数率，cps；n—总能量道数，无量纲；Step6：伽马探测器响应矩阵校正；由于模拟模型和实际仪器之间存在差异，因此采用数值模拟直接确定的响应矩阵无法与实际探测器响应完全一致，必须对响应矩阵进行校正；为此，根据标准刻度井的结构与地层成分以及脉冲中子测井仪器的结构，建立蒙特卡罗模拟模型，模拟仪器在模拟井中测量时进入伽马探测器的伽马射线能量分布；该能量分布与响应矩阵的卷积运算结果即为仪器的响应能谱；为校正响应矩阵，给响应矩阵中的每一个能量每一列赋予一个权重系数，共计有n个权重系数，组成n×1的权重系数矩阵w；通过权重系数矩阵w对模拟响应矩阵R进行校正，确保模拟入射伽马能量分布与校正后的响应矩阵的卷积结果能够与实际响应能谱一致；在计算时需要将校正矩阵w转化为n×n的对角矩阵D进行运算，同时由于伽马探测器低能道区的计数率比高能道区高的多，统计精度相差很大，为解决这一问题引入sigmoid函数构成n×n的对角矩阵Y作为权重矩阵； 本发明采用粒子群最优化算法进行校正系数寻优，但不限于使用该最优化算法，粒子群最优化算法核心公式由粒子的速度更新公式9与位置更新公式10组成； 式中，—迭代k次时第i个粒子在第d维的速度值，无量纲；w—惯性权重； —迭代k次时第i个粒子在第d维的个体最优位置，无量纲； —迭代k次时粒子群第d维的全局最优位置，无量纲； —迭代k次时第i个粒子在第d维的位置，无量纲；c1—粒子跟踪自身历史最优值的权重系数，无量纲；c2—粒子对群体最优值的权重系数，无量纲；r1、r2—[0,1]区间内均匀分布的随机数，无量纲；k—迭代次数，无量纲；目标函数由下式11、式12所示；Kn×1＝Yn×nNn×1-Rn×n·Dn×n·Xn×111 式中，N—归一化的实验伽马能谱矩阵；R—展宽后的模拟响应矩阵；D—权重系数对角矩阵；X—能量通量矩阵；Y—sigmoid函数对角权重矩阵；K—差值矩阵；erro—实验伽马能谱与模拟伽马能谱的均方根误差；当目标函数所表示的均方根误差最小时，即可得到最优的权重系数矩阵D，使用该权重系数矩阵能够实现响应矩阵的校正；校正后的响应矩阵可表示为： 式中，Rc—校正后的响应矩阵；D—权重系数对角矩阵；R—展宽后的模拟响应矩阵。

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