蒙其古爾鈾礦床鐳氡平衡恢復(fù)過程探討

金永吉, 劉富強, 王毛毛, 羅星剛

(1.中國鈾業(yè)有限公司,北京 100013;2.核工業(yè)二一六大隊,烏魯木齊 830011)

0 引言

在鈾礦勘查工作中，γ測井是確定鈾礦體空間位置、品位及厚度的重要技術(shù)手段。為準(zhǔn)確計算鈾資源量，需要對γ測井結(jié)果進行參數(shù)修正，包括鈾鐳平衡系數(shù)修正、鐳氡平衡系數(shù)修正、沖洗液及鐵套管吸收系數(shù)修正、礦石濕度修正、釷鉀干擾修正等。鐳氡平衡系數(shù)是地浸砂巖型鈾礦勘查工作中的一項重要參數(shù),及時開展該參數(shù)的研究,對指導(dǎo)鈾礦勘查評價、儲量計算等具有重要的意義[1-3]。

1 鐳氡平衡的破壞

地浸砂巖型鈾礦勘查過程中，在鉆井循環(huán)液壓力的作用下，當(dāng)井液泥漿壓力大于含礦含水層的壓力時，井液泥漿將會浸入鈾礦層巖石孔隙，使得溶解于層間水中的氡(222Rn)一起被擠壓而離開孔壁，這一現(xiàn)象被稱為壓氡效應(yīng)[3]。鉆孔內(nèi)存在的壓氡效應(yīng)，破壞了孔內(nèi)鈾礦層的鐳氡放射性平衡。

在放射性核素系列中,當(dāng)鈾系列的鈾-鐳-氡處于放射性平衡時，γ測井結(jié)果能準(zhǔn)確反映出鈾礦層的含量。γ測井時測量的伽瑪射線大多數(shù)能量來自鈾系氡(222Rn)的短壽子體218Po(RaA)、214Pb(RaB)和214Bi(RaC)，氡及其衰變子體的伽瑪射線占鈾系伽瑪射線強度的90%以上[4-6]，因此226Ra與222Rn的放射性平衡遭到破壞時，對γ測井結(jié)果影響較大，會導(dǎo)致γ測井結(jié)果偏低。同時，在鉆進過程中，泥漿浸入井壁周圍一定范圍，會在井壁形成一層厚厚的泥漿餅，并在鉆孔周圍形成井液浸入暈，這對γ射線有一定的屏蔽吸收作用，也會使γ測井照射量率數(shù)值偏低[7]。以上因素均會對鐳氡平衡系數(shù)產(chǎn)生影響。

2 物探參數(shù)孔觀測

物探參數(shù)孔施工完成后(圖1)，鐳氡平衡遭受破壞，理論上經(jīng)過氡的10個半衰期左右，鐳氡平衡將會恢復(fù)。在約38 d內(nèi)對物探參數(shù)孔進行持續(xù)γ測井狀態(tài)觀測，前4 d每8 h進行一次γ測井，之后的4 d每24 h一次，以后每2 d～3 d一次，直到鐳氡達(dá)到平衡狀態(tài)。

圖1 物探參數(shù)孔鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of borehole structure for geophysical parameters

根據(jù)下套管前的γ測井結(jié)果，判斷滲透性巖石中鈾礦段邊界位置，計算出礦段內(nèi)的各測點γ照射量率的和(∑I0)；在該界限內(nèi)根據(jù)狀態(tài)觀測結(jié)果,計算鈾礦段內(nèi)各測點經(jīng)鐵套管和沖洗液吸收修正后的γ照射量率的和(∑Ii)，以γ照射量率I為縱坐標(biāo)，以時間t為橫坐標(biāo)作出I-t關(guān)系圖。假定∑I0=A，t=0，然后將各點用平滑曲線連接起來得到一條曲線，該圖稱之為氡狀態(tài)觀測曲線圖。

鐳氡平衡系數(shù)PRn按式(1)計算[8]。

(1)

式中：PRa為鐳氡平衡系數(shù)；I0為I-t關(guān)系圖始端的各測點γ照射量率測量值，(nC/kg·h)；I∞為I-t關(guān)系圖終端的各測點γ照射量率測量值，(nC/kg·h)。

3 蒙其古爾鈾礦床概況

蒙其古爾鈾礦床位于伊犁盆地南緣中段構(gòu)造活動區(qū)內(nèi)的相對穩(wěn)定地段，是我國目前現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的特大型可地浸砂巖型鈾礦床。礦床內(nèi)發(fā)育4層含礦砂體，自下而上分別為三工河組下段(J1s1)砂體、三工河組上段(J1s2)砂體、西山窯組下段(J2x1)砂體和西山窯組上段(J2x3)砂體。各層砂體空間上連續(xù)、泥巖隔水層穩(wěn)定、層狀-帶狀-透鏡狀產(chǎn)出。

蒙其古爾鈾礦床P0～P31線詳查期間，共對三工河組下段(J1s1)、三工河組上段(J1s2)、西山窯組下段(J2x1)三個主要含礦層施工8個物探參數(shù)孔，其中，三工河組下段(J1s1)4個，三工河組上段(J1s2)1個，西山窯組下段(J2x1)3個，物探參數(shù)孔平面上分布較為均勻，具有一定的代表性(圖2)。

圖2 P0～P31線物探參數(shù)孔分布圖Fig.2 P0 ～ P31 line geophysical parameter drilling distribution map

4 鐳氡平衡的恢復(fù)過程及計算

4.1 正常恢復(fù)過程及計算

以P3108物探參數(shù)孔為例，對鐳氡平衡恢復(fù)過程進行討論，并計算其鐳氡平衡系數(shù)。由圖3可知，鐳氡平衡恢復(fù)整體上呈現(xiàn)持續(xù)增長趨勢。第二次觀測值比第一次觀測值有非常明顯地增長，這是因為第一次觀測為鉆孔鉆進結(jié)束時，鈾礦層鐳氡平衡被徹底破壞導(dǎo)致觀測值偏低，而第二次觀測是在下套管、清水沖孔、封井止水等工序之后，在這段時間內(nèi)，氡及其子體在擴散作用、對流作用下持續(xù)向套管周圍環(huán)狀空間遷移，以填補引鉆進造成的低濃度空間，導(dǎo)致第二次觀測值明顯增大[9-10]。

圖3 P3108物探參數(shù)孔氡狀態(tài)觀測曲線圖Fig.3 Observation curve of radon state in geophysical parameter drilling P3108

在物探參數(shù)孔內(nèi)下套管后，井下泥漿得不到補充，泥漿形成的屏蔽層兩側(cè)壓力發(fā)生變化，泥漿餅脫落，造成鉆孔周圍巖石的孔隙度和結(jié)構(gòu)變化，局部水動力條件改善，更利于氡的遷移。同時，鈾礦層內(nèi)部大量α衰變形成的氡及其子體、復(fù)合團簇，在水動力和自身能量的作用下從孔隙或裂縫溢出，并在擴散作用下遷移，其放出γ射線被測井儀器記錄下來，這個過程是不同步、非連續(xù)且具有陣發(fā)性，所以在第4 d至第20 d，對鉆孔內(nèi)累積放射性照射量率進行了密集觀測，可以看到總放射性照射量率持續(xù)增長，但個別觀測數(shù)據(jù)有減少的現(xiàn)象。大于20 d以后，即曲線末端近似成一條直線，第25 d到第40 d基本是一條直線，這時候氡經(jīng)過了10個以上的半衰期，鈾礦層恢復(fù)到原有的鐳氡平衡[11]。

根據(jù)式(1)計算蒙其古爾鈾礦床P0～P31線8個物探參數(shù)孔鐳氡平衡系數(shù)(表1)。

表1 蒙其古爾鈾礦床鐳氡平衡計算結(jié)果一覽表

4.2 非正常恢復(fù)過程及計算

在鐳氡平衡狀態(tài)觀測過程中，發(fā)現(xiàn)P2140物探參數(shù)孔的鐳氡平衡恢復(fù)過程呈現(xiàn)出非正常的變化趨勢(圖4)，下面對其非正常恢復(fù)的現(xiàn)象進行探討。

圖4 P2140物探參數(shù)孔氡狀態(tài)觀測曲線影響分析圖Fig.4 Influence analysis diagram of radon state observation curve of P2140 geophysical parameter drilling

如圖4所示，P2140物探參數(shù)孔的觀測曲線形態(tài)不僅沒有反映出氡氣逐漸累積增長的過程，反而呈現(xiàn)照射量率突然增高(或反復(fù)波動)的現(xiàn)象。在γ測井實際工作中，出現(xiàn)上述情況可能由以下原因引起[12-14]：①γ測井深度定位不準(zhǔn)，導(dǎo)致觀測層為非目的層，若非目的層鈾含量相對較高，將會導(dǎo)致異常值變大；②γ測井儀器性能不穩(wěn)定，造成采集數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；③孔內(nèi)存在影響源，經(jīng)物探參數(shù)孔擴孔施工后，影響源直接影響測量結(jié)果；④物探參數(shù)孔施工存在問題，止水效果未達(dá)到最佳狀態(tài)，相鄰礦層串層形成影響源，對目的層造成污染。

針對以上可能存在的因素進行分析。在終孔測井中非礦段照射量率本底值為3.19 nC/kg·h(圖5)，礦段位置在385.65 m～391.50 m之間，礦段照射量率峰值為271.25 nC/kg·h；第五次觀測時，非礦段照射量本底值為19.17 nC/kg·h，礦段位置擴大為385.40 m～391.90 m之間，礦段照射量率峰值為325.36 nC/kg·h。終孔測井和狀態(tài)觀測的含礦層位置基本一致，說明不存在深度定位不準(zhǔn)導(dǎo)致偏差的情況。γ測井儀器在野外測量期間，定期進行儀器校準(zhǔn)和核查，儀器不存在因性能不穩(wěn)定而導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)嚴(yán)重偏差的情況。

圖5 P2140物探參數(shù)孔觀測數(shù)據(jù)對比圖Fig.5 Comparison of observation data of P2140 geophysical parameter drilling

在觀測過程中，非礦段本底值增長了500%，同時含礦段照射量率值也整體大幅增加，推斷觀測期間鉆孔內(nèi)可能存在氡氣的異常富集，造成孔內(nèi)污染，導(dǎo)致鉆孔底部大范圍區(qū)段內(nèi)照射量率值劇增，形成厚度很大的一個虛假礦段，使按原有礦段位置、厚度計算的照射量率量整體攀升，隨污染逐漸消除，照射量率值隨之回落，形成觀測曲線逐漸降低(或反復(fù)波動)的非正常恢復(fù)現(xiàn)象。觀測曲線可近似地看作氡氣污染逐漸消除與礦層照射量率總量逐步增長兩種過程疊加的結(jié)果。產(chǎn)生此情況的原因可能是在物探參數(shù)孔施工結(jié)束后，井壁泥質(zhì)護層及井液浸入暈已經(jīng)被消除，而在此期間物探參數(shù)孔止水效果未達(dá)到最佳狀態(tài)，非目的層串層形成影響源，對目的層造成污染。如圖4所示，隨著時間的推移，影響源的氡濃度逐漸達(dá)到平衡，對含礦層的干擾逐漸消除，影響衰減趨勢線，同時含礦層砂體也在逐步恢復(fù)自身的鐳氡平衡，如含礦層增長趨勢線所示，通過長期多次觀測最終確定含礦層的鐳氡達(dá)到了平衡狀態(tài)。

雖然物探參數(shù)孔的鐳氡平衡恢復(fù)過程受到影響，但經(jīng)過長期觀測(≥60 d)，也達(dá)到了鐳氡平衡。經(jīng)過對各種影響因素的分析，確定鐳氡平衡系數(shù)計算結(jié)果可靠。

5 結(jié)論

通過對蒙其古爾鈾礦床物探參數(shù)孔的觀測和計算，得到了鐳氡平衡修正系數(shù)，為資源量的準(zhǔn)確計算提供了重要參數(shù)。在鐳氡平衡恢復(fù)過程中，由于受到各種因素的影響，個別物探參數(shù)孔觀測曲線會出現(xiàn)非正常增長的現(xiàn)象，該現(xiàn)象可能與測量的準(zhǔn)確性、儀器的穩(wěn)定性、鉆孔成井工藝等因素有關(guān)，需根據(jù)實際情況，對各種因素逐一分析，確定主因并予以解釋。對于鐳氡平衡恢復(fù)過程受到影響的物探參數(shù)孔，應(yīng)延長其觀測時間，直到達(dá)到真正意義上的平衡狀態(tài)，為鐳氡系數(shù)的計算提供客觀、可靠的數(shù)據(jù)。

在實際工作中應(yīng)注意以下幾點：①嚴(yán)格按照規(guī)范要求，定期進行儀器的校準(zhǔn)和核查，并對物探參數(shù)孔進行檢查測量，保證觀測數(shù)據(jù)真實可靠;②對存在異常的物探參數(shù)孔要進行加密觀測，通過分析觀測曲線趨勢，及時查找引起異常的原因;③對存在異常的物探參數(shù)孔要適當(dāng)延長觀測時間，直到鐳氡達(dá)到真正意義上的平衡;④確保物探參數(shù)孔與勘探鉆孔的鉆進條件一致，物探參數(shù)孔采用一次鉆進成井方法。