鈾礦勘查中密度測(cè)井儀校準(zhǔn)技術(shù)的研究

李峰林 歐陽(yáng)游 梁永順

(核工業(yè)航測(cè)遙感中心，石家莊 050002)

鈾礦勘查中密度測(cè)井儀校準(zhǔn)技術(shù)的研究

李峰林 歐陽(yáng)游 梁永順

(核工業(yè)航測(cè)遙感中心，石家莊 050002)

通過(guò)分析石油勘查中密度測(cè)井儀校準(zhǔn)技術(shù)的方法和天然放射性儀器檢定規(guī)程的通則，結(jié)合密度測(cè)井儀的基本工作原理和鈾礦井測(cè)量環(huán)境條件，提出了鈾礦勘查中密度測(cè)井儀校準(zhǔn)裝置的選擇要求，計(jì)量校準(zhǔn)參數(shù)與要求。為檢驗(yàn)校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，利用標(biāo)準(zhǔn)模型裝置對(duì)密度測(cè)井儀進(jìn)行密度值相對(duì)示值的誤差驗(yàn)證，結(jié)果不超過(guò)0.6%。

密度測(cè)井儀 校準(zhǔn)技術(shù) 鈾礦勘查 密度測(cè)井 誤差驗(yàn)證

在礦產(chǎn)勘探中，地層密度對(duì)地層評(píng)價(jià)是一個(gè)非常有用的特征參數(shù)，而密度測(cè)井是獲取地層密度的一種物探方法，它在鈾礦、油、氣、煤以及其他礦藏的勘探開(kāi)發(fā)中起著非常重要的作用。地層密度的主要用途是判斷地層巖性和求孔隙度[1,2]。在鈾礦地質(zhì)中，地層密度還是鈾儲(chǔ)量計(jì)算、直接測(cè)鈾裂變中子測(cè)井技術(shù)修正的重要參數(shù)之一[3]。石油勘探中，密度測(cè)井已經(jīng)成為不可缺少的地球物探測(cè)井方法之一，在石油測(cè)井計(jì)量部門也已經(jīng)建立密度測(cè)井校準(zhǔn)模型群和密度測(cè)井儀校準(zhǔn)方法。但目前國(guó)內(nèi)密度測(cè)井在鈾礦地質(zhì)中僅用來(lái)劃分巖性。

密度測(cè)井儀主要是用儀器自帶的鋁塊進(jìn)行校準(zhǔn)，這就存在儀器測(cè)量準(zhǔn)確度不夠的問(wèn)題，只能作為一種定性儀器來(lái)大致劃分巖性。由于油井與鈾井在地質(zhì)和工程參數(shù)、儀器尺寸及測(cè)量對(duì)象等方面有大的區(qū)別，不能簡(jiǎn)單地把石油部門的密度測(cè)井儀校準(zhǔn)方法照搬到鈾礦勘測(cè)中使用。因此，進(jìn)行密度測(cè)井儀在鈾礦勘查中的校準(zhǔn)技術(shù)研究十分必要。

1 密度測(cè)井儀的基本工作原理

密度測(cè)井儀的基本結(jié)構(gòu)由推靠器、探頭、電路段組成。儀器的放射源和探測(cè)器裝在探頭上(也稱滑板)，測(cè)井時(shí)，在推靠器的作用下，探頭緊靠井壁，放射源向地層發(fā)射γ光子。密度測(cè)井儀選用的是137Cs源，它發(fā)射的γ射線能量為0.662MeV，這就排除了形成電子對(duì)的可能性。如果適當(dāng)選擇探測(cè)器的閾值，即可最大限度地避免光電吸收效應(yīng)的影響，這樣探測(cè)器記錄的只是那些經(jīng)與地層發(fā)生的一次或多次康普頓散射的γ射線，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)男?zhǔn)，根據(jù)探測(cè)器的讀數(shù)就可以確定地層的密度值。

在實(shí)際測(cè)井中，由于井壁不規(guī)則、推靠等因素，不可避免地在滑板和地層之間夾帶泥餅，這時(shí)儀器測(cè)得的密度值(稱為視密度)不僅與地層密度有關(guān)，還與泥餅的厚度、密度、平均原子序數(shù)有關(guān)。為此，在探頭中設(shè)置長(zhǎng)源距探測(cè)器和短源距探測(cè)器，常使用雙源距補(bǔ)償方法求得地層密度，雙源距密度測(cè)井如圖1所示。

圖1 雙源距密度測(cè)井示意圖

雙源距密度測(cè)井的體積密度ρb的計(jì)算式為：

ρb=(1/AL){(lnNL-BL)+[(tgαtgβ)/(tgα-tgβ)]·[ctgα(lnNL-BL)-(lnNs-Bs)]}

=(1/AL){[tgα/(tgα-tgβ)](lnNL-BL)-

[(tgαtgβ)/(tgα-tgβ)](lnNs-Bs)}

(1)

式中AL——長(zhǎng)源距靈敏度；

BL、BS——長(zhǎng)、短源距的截距；

NL、NS——長(zhǎng)、短源距的計(jì)數(shù)率；

α、β——儀器脊角、肋角。

式(1)中，AL、α、β、BL、BS都可以由校準(zhǔn)得到。

2 密度測(cè)井儀的校準(zhǔn)技術(shù)

2.1校準(zhǔn)裝置選擇

密度測(cè)井儀是利用康普頓散射原理測(cè)量地層密度的，康普頓散射的強(qiáng)弱與介質(zhì)的電子密度有關(guān)，電子密度和體積密度成比例，所以巖石的種類對(duì)測(cè)量精度的影響很大。對(duì)于與校準(zhǔn)模型巖性相同或者接近的巖石，密度測(cè)井儀測(cè)得的密度值(稱為視密度)ρa(bǔ)近似等于其體積密度ρb，對(duì)于與校準(zhǔn)模型巖性不同的巖石，ρb-ρa(bǔ)有時(shí)能超過(guò)儀器的測(cè)量精度[4]。所以密度測(cè)井儀校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)盡量選擇與測(cè)量對(duì)象巖性相同或者相近的校準(zhǔn)模型[2,5]。

隨著鈾礦找礦和采冶技術(shù)的發(fā)展，砂巖型鈾礦已成為我國(guó)當(dāng)前鈾礦勘查的主攻類型，為減少物質(zhì)成分差異對(duì)密度測(cè)量帶來(lái)的影響，建議鈾礦勘查中密度測(cè)井儀的校準(zhǔn)采用砂巖制作的標(biāo)準(zhǔn)模型裝置。

2.2校準(zhǔn)參數(shù)

根據(jù)JJG 42-2014《密度測(cè)井儀檢定規(guī)程》、SY/T 6579-2003《密度測(cè)井儀校準(zhǔn)方法》和《天然放射性儀器檢定規(guī)程通則》，結(jié)合密度測(cè)井儀在鈾礦勘查中實(shí)際工作的要求，確定校準(zhǔn)項(xiàng)目包括外觀、正常工作性、密度示值誤差、脊肋角、靈敏度、重復(fù)性及穩(wěn)定性等。其中，脊肋角是補(bǔ)償密度測(cè)井儀校準(zhǔn)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

2.3校準(zhǔn)方法

選擇兩種不同密度的校準(zhǔn)模型，根據(jù)儀器在兩種校準(zhǔn)模型上的長(zhǎng)、短源計(jì)數(shù)率值，計(jì)算出長(zhǎng)源靈敏度AL、短源靈敏度AS、長(zhǎng)源截距BL、短源截距BS，并計(jì)算出相應(yīng)的脊角α，在其中一塊標(biāo)準(zhǔn)模型上加模擬泥餅，得到有泥餅情況下的計(jì)數(shù)率，根據(jù)該計(jì)數(shù)率作出肋線，并得到相應(yīng)的肋角β。有了參數(shù)AL、AS、BL、BS、α、β后，就可以按式(1)計(jì)算密度值了。現(xiàn)以SYSTEM Ⅵ密度測(cè)井儀為例，探索鈾礦勘查中的密度測(cè)井儀校準(zhǔn)技術(shù)。

2.3.1外觀和正常工作性

檢查儀器有無(wú)影響正常工作的損傷和缺陷，是否有型號(hào)、出廠編號(hào)和制造商名稱，外觀應(yīng)整潔，有完好的密封圈，各處緊固件無(wú)松動(dòng)，附件和資料齊全，特別是推靠臂能夠正常使用，密度探管必須貼井壁測(cè)量，這樣能消除泥漿對(duì)密度測(cè)井的影響。

2.3.2重復(fù)性

重復(fù)性是密度測(cè)井儀的核心技術(shù)參數(shù)，是評(píng)價(jià)其質(zhì)量?jī)?yōu)劣的主要指標(biāo)。重復(fù)性是指在相同測(cè)量條件下，重復(fù)測(cè)量同一個(gè)被測(cè)量，儀器提供相近示值的能力。

密度測(cè)井儀長(zhǎng)短源距探測(cè)器計(jì)數(shù)率的重復(fù)性檢定按以下步驟進(jìn)行：

a. 選取某一密度標(biāo)準(zhǔn)模型，將密度測(cè)井儀伽瑪源到長(zhǎng)源距探測(cè)器中心點(diǎn)連線的中點(diǎn)置于模型中心點(diǎn)；

b. 打開(kāi)推靠臂，使伽瑪源和探測(cè)器一側(cè)的探管壁緊貼模型孔壁，測(cè)量次數(shù)不少于10次。

密度測(cè)井儀長(zhǎng)、短源距探測(cè)器計(jì)數(shù)率的重復(fù)性VL、VS的計(jì)算式如下：

(2)

(3)

式中n——測(cè)量次數(shù)；

NLi——第i次測(cè)量長(zhǎng)源距探測(cè)器的計(jì)數(shù)率，s-1；

NSi——第i次測(cè)量短源距探測(cè)器的計(jì)數(shù)率，s-1。

2.3.3穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是密度測(cè)井儀的核心技術(shù)參數(shù)，是評(píng)價(jià)密度測(cè)井儀質(zhì)量?jī)?yōu)劣的主要指標(biāo)。穩(wěn)定性指儀器保持計(jì)量特性隨時(shí)間恒定的能力。

穩(wěn)定性用首次測(cè)量和重復(fù)測(cè)量(重復(fù)測(cè)量與首次測(cè)量的時(shí)間間隔為4h，測(cè)井儀保持持續(xù)通電)的長(zhǎng)短源距探測(cè)器的計(jì)數(shù)率相對(duì)變化來(lái)描述。

密度測(cè)井儀長(zhǎng)短源距探測(cè)器計(jì)數(shù)率的穩(wěn)定性檢定按以下步驟進(jìn)行：

a. 將密度測(cè)井儀伽瑪源到長(zhǎng)源距探測(cè)器中心點(diǎn)連線的中點(diǎn)置于模型中心點(diǎn)；

b. 打開(kāi)推靠壁，進(jìn)行穩(wěn)定性首次測(cè)量，要求長(zhǎng)短源距探測(cè)器的累積計(jì)數(shù)不低于9×104；

c. 在其他檢定項(xiàng)目完成后，再將密度測(cè)井儀放入同一密度模型的中心點(diǎn)，進(jìn)行穩(wěn)定性重復(fù)測(cè)量。

長(zhǎng)短源距探測(cè)器計(jì)數(shù)率穩(wěn)定性δNL、δNS的計(jì)算式如下：

δNL=|NL2-NL1|/NL1×100%

(4)

δNS=|NS2-NS1|/NS1×100%

(5)

式中NL1——首次測(cè)量長(zhǎng)源距探測(cè)器的計(jì)數(shù)率，s-1；

NL2——重復(fù)測(cè)量長(zhǎng)源距探測(cè)器的計(jì)數(shù)率，s-1；

NS1——首次測(cè)量短源距探測(cè)器的計(jì)數(shù)率，s-1；

NS2——重復(fù)測(cè)量短源距探測(cè)器的計(jì)數(shù)率，s-1。

2.3.4脊肋角和靈敏度

泥餅是鉆井液在失水后固體顆粒在井壁形成的不同厚度的泥餅環(huán)。

在無(wú)泥餅影響的條件下，地層密度ρ與密度測(cè)井儀長(zhǎng)短源距探測(cè)器計(jì)數(shù)率的對(duì)數(shù)lnNL、lnNS的關(guān)系曲線為一條直線，即為“脊線”；在有泥餅影響時(shí)，長(zhǎng)短源距探測(cè)器計(jì)數(shù)率的對(duì)數(shù)在圖上的交會(huì)點(diǎn)會(huì)偏離脊線(偏離的方向與泥餅的厚度、密度有關(guān))，這些受泥餅影響的曲線稱為“肋線”，各條“肋線”近似平行，如圖2所示。計(jì)算密度時(shí)，根據(jù)長(zhǎng)短源距探測(cè)器計(jì)數(shù)率N，可在脊肋圖的肋線上找到一個(gè)點(diǎn)，沿該點(diǎn)所在的肋線找到與脊線的交點(diǎn)，脊線上該點(diǎn)的數(shù)值即為地層密度。根據(jù)兩點(diǎn)確定一條直線的原則，確定“脊線”至少需要兩種密度值模型，確定一組“肋線”至少需要一塊泥餅[6]。

圖2 密度曲線理想脊、肋

選取密度ρ1=2.170g/cm3、ρ2=2.640g/cm3的標(biāo)準(zhǔn)模型和模擬泥餅一塊，就可以利用它們獲得儀器的“脊肋圖”，如圖3所示，為減少“脊線”作圖誤差，所選的兩點(diǎn)不能太近，即要求用于確定“脊線”的高低密度標(biāo)準(zhǔn)模型，其標(biāo)稱密度差值應(yīng)不小于0.4g/cm3，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖3 密度探管脊肋圖

表1 靈敏度校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

由脊線上的兩點(diǎn)求得長(zhǎng)源距靈敏度AL=(lnNL2-lnNL1)/(ρ2-ρ1)=-1.39929，短源距靈敏度AS=(lnNS2-lnNS1)/(ρ2-ρ1)=-0.38426。

2.4密度值相對(duì)示值誤差測(cè)試

密度測(cè)井儀確定了參數(shù)AL、AS、BL、BS、α、β后，按式(1)計(jì)算或根據(jù)儀器“脊肋圖”確定密度值。選擇標(biāo)稱密度ρb′=2.295g/cm3的密度模型。將密度測(cè)井儀置于密度-孔隙度測(cè)井模型標(biāo)準(zhǔn)中，打開(kāi)推靠臂，在模型中心點(diǎn)定點(diǎn)測(cè)量。采集時(shí)間應(yīng)能保證長(zhǎng)短源距探測(cè)器的累積計(jì)數(shù)不低于9×104[7]。測(cè)試結(jié)果為：測(cè)量值2.309g/cm3與標(biāo)稱值2.295g/cm3相對(duì)偏差為0.6%，符合通用放射性儀器相對(duì)示值誤差小于5.0%的要求[8]，說(shuō)明儀器校準(zhǔn)合格。

3 結(jié)論

3.1鈾礦密度測(cè)井和油氣密度測(cè)井都屬于地層密度測(cè)井，測(cè)井工作極為相似，在儀器的一些測(cè)量校準(zhǔn)技術(shù)上可以互相通用。

3.2鈾礦井和油氣井在地質(zhì)、工程參數(shù)及測(cè)量對(duì)象等方面有大的區(qū)別，二者必然在儀器靈敏度、儀器尺寸、性能取舍及校準(zhǔn)裝置選擇等具體技術(shù)細(xì)節(jié)上存在一些差異。因此鈾礦密度測(cè)井必須符合鈾礦測(cè)井的通用要求。如鈾礦密度測(cè)井儀的校準(zhǔn)建議選用砂巖制作的密度-孔隙度測(cè)井模型標(biāo)準(zhǔn)，以減少密度測(cè)井儀測(cè)得的視密度值與體積密度值的差別。

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ResearchonCalibrationTechnologyforDensityLoggingApparatusinUraniumExploration

LI Feng-lin, OUYANG You, LIANG Yong-shun

(CNNCAirborneSurveyandRemoteSensingCenter,Shijiazhuang050002,China)

Basing on analyzing the calibration technique for density logging apparatus and the general rules for verification of natural radioactive instruments as well as combined with the basic working principle and the environmental conditions of uranium mine, selecting the calibration device and parameters for density logging apparatus in uranium exploration were proposed and the standard model device was adopted to verify density value′s relative indication error of the density logging apparatus and the test results are less than 0.6%.

density logging, calibration technology, uranium exploration, density logging, error verification

TH862+.7

B

1000-3932(2016)03-0244-04

2016-01-25(修改稿)

國(guó)家國(guó)防計(jì)量技術(shù)基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(JSJC2013201C034)