我國鈾礦勘查測井儀校準裝置的研究現狀和展望

管少斌 唐曉川 高國林

（核工業航測遙感中心）

鈾礦勘查綜合測井的目的是獲取地層含鈾性、物性及鉆孔幾何狀態等信息，在評價鈾礦層的邊界位置、品位和厚度的同時，還能獲取成礦環境信息、圍巖物性參數及資源儲量估算參數等信息［1～13］。 隨著我國鈾礦勘查主攻方向轉向北方可地浸砂巖型鈾礦和對勘查工作降本增效要求的提出，鈾礦勘查深度大幅度增加和礦床開采方式創新轉變，傳統的綜合測井和數據解釋，對探測下限、精度和測量速度，以及井徑、井斜、電阻率、自然電位、密度及聲波等輔助測井參數指標都提出了更高要求，研制集多參數為一體的鈾礦勘查綜合測井儀， 兼顧成礦環境探查的磁性、電性、彈性、密度及放射性等參數的綜合測井，必將發揮更大的作用［14，15］。 這也促使綜合測井儀器向著一次測井，可同步獲取定量γ、自然γ、井斜、電阻率、自然電位、井徑、密度及聲波等多參數的一體化測井儀方向發展［16～20］。 先進的測井技術裝備必須要有先進的計量技術作為保障，才能發揮其高效、先進的作用。 目前我國應用于鈾礦勘查的放射性測井計量標準在技術水平、規模建制上已經 居 于 世 界 先 進 水 平［21，22］，填 補 了 國 內 一 系 列 空白，但聲波、電法等輔助測井參數缺乏統一計量標準，在多井孔數據的聯合解釋中會帶來較大的不確定度，一體化鈾礦勘查綜合測井技術和儀器設備可以大幅提高測井效率，砂巖型鈾礦測井模型體系化能有效提高測井下限和解釋精度。 但囿于專業領域限制，對保障鈾礦勘查綜合測井中的聲測井、井徑測井、磁測井、電測井、井溫測井及砂巖型鈾礦測井模型等檢定裝置尚有欠缺，逐步研制完善鈾礦勘查綜合測井裝置標準并建立相關校準技術具有重要意義。

1 鈾礦勘查綜合測井概述

集電法、磁法及聲波等一體化測井技術和儀器設備在石油天然氣、煤炭等勘探領域已十分成熟。 經過多年的技術研究，集多測量參數為一體的綜合測井技術以及適合鈾礦勘查鉆孔孔徑的綜合測井儀器設備已逐步成熟［20］。 鈾礦勘查中，綜合測井主要包括核測井技術、 井徑測井技術、井斜測井技術、電法測井技術和聲波測井技術。

1.1 核測井技術

核測井技術也被稱為放射性測井技術，可以簡單分為兩類，包括γ 測井和中子測井。γ 測井分為定量γ 測井、自然γ 測井、自然γ 能譜測井和γ-γ 密度測井（簡稱密度測井）；中子測井分為裂變中子測井、中子壽命測井和中子-γ 測井。

在鈾礦勘查中，定量γ 測井結果是可以直接用來估算鈾資源量的測井技術，也是固體礦產中唯一用于資源量估算的技術［13］。 與自然γ 測井相比，最主要的區別是兩者測量的能量起始閾值不同， 定量γ 測井的晶體組件外包裹1 mm 厚的鉛錫屏蔽套，可以屏蔽鉆孔內能量在400 keV 以下的低能散射影響［23］。 為此，EJ/T 611—2005《γ 測井規范》中，明確規定了FD-3019 和HD-4002 型γ 測井儀可用于定量γ 測井。

密度測井主要用來確定地層的體積密度和孔隙度，以及結合電阻率、聲波曲線劃分巖性。 測井探管加裝γ 源（137Cs），通過測量地層的散射γ 強度來計算地層密度。 通常采用兩個不同源距的探測器，求得在泥餅影響條件下巖石的體積密度值。

1.2 井徑測井技術

井徑儀是測量鉆孔直徑的儀器。 常見的井徑儀有單臂、三臂或四臂。 鈾礦勘查中往往使用密度探管的推臂器來測量井徑。

井徑參數主要用來了解鉆孔直徑的變化情況，輔助其他測井資料判斷地層巖性，以及對測井解釋環境影響校正。 鈾礦勘查中利用井徑參數獲得井液厚度，對γ 測井進行修正后確定礦段層位和定量計算礦段品位。

1.3 井斜測井技術

井斜測井主要測量鉆孔的頂角和方位角。 分為普通測斜儀和陀螺測斜儀。 普通測斜儀是借助地磁參數測量的， 只能在沒有鐵套管時測量；陀螺測斜儀是借助重力的機械測量方式，可以在鉆桿內測量，測量時更加安全、準確。

井斜測井用來計算目的層垂深和各方向的位移，確定目的層在構造上的高度和位置，將γ測井計算的鈾礦層視厚度修正為真厚度。

1.4 電法測井技術

電法測井包括三側向電阻率測井、電阻率測井和自然電位測井。

電法測井主要用來劃分巖性剖面和確定地層界面，以及計算地層的真電阻率。

1.5 聲波測井技術

聲波測井，通常指聲波速度測井。 主要是根據巖石或流體的聲速不同， 測得聲波反射時差，即聲波時差，是介質的彈性、密度和狀態的一個綜合反映。

其他包括聲波幅度測井、 聲波變密度測井、全波列測井、環形聲波測井、聲波電視測井及聲波成像測井等。

聲波測井主要用來確定地層巖性和計算孔隙度。

2 綜合測井儀現行檢定/刻度技術

檢定/校準是目前通用的計量術語，刻度是在過去自然形成的一個校正儀器術語。 本著尊重原文的原則，對于儀器說明書中仍然沿用刻度一詞的說法，不做改變。

鈾礦勘查中使用的綜合測井參數， 只有定量γ 測井和γ-γ 密度測井可以在核工業放射性勘查計量站進行檢定獲得， 其他測井參數目前尚未建立統一的計量標準， 只能采用生產廠家提供的刻度器進行刻度，這是產生量值不統一的主要原因。

2.1 γ 測井儀的檢定

核工業放射性勘查計量站自1978 年建站開始，研建了γ 測井模型標準裝置（國防區域最高標準——〔2001〕國防計標區域證G2575 號，國家專項計量授權標準——〔2005〕 國量標核證字第004 號），如圖1 所示，實現了γ 測井儀測量對象由照射量率 （C/（kg·h）） 向含量單位 （μg/g，原ppm）的轉換，顯著提高了儀器的校準精度和勘探效率，降低了勘探成本［21］。 “十二五”期間，將模型鈾含量的上限由1%拓展到了5%，形成了完整的計量標準體系， 現有的標準含量范圍eU 為2.0×10-6～5.1×10-2g/g，eTh 為2.0×10-6～1.5×10-2g/g，K為2.0×10-3～6.0×10-2g/g，并據此形成了相應計量技術規范，現行標準為JJG（軍工） 27—2012《 γ 測井儀檢定規程》［23］。

圖1 γ 測井模型標準裝置

2019～2021 年，在鈾礦勘查用γ 測井儀檢定過程中， 檢出不合格儀器數量占比約12.2%［24］。通過儀器檢定，有效控制了計量性能不合格儀器進入生產和科研環節，降低了儀器帶來的不確定性。

2.2 密度測井儀的檢定

密度測井儀的一級刻度（校準）在巖石模型上進行，二級刻度通常選擇有機玻璃模塊（密度1.18 g/cm3）和鋁模塊（密度2.78 g/cm3）進行刻度。

石油工業測井計量站建有完整的密度孔隙度刻度井群，共有22 個密度模塊，井徑?150 mm、?250 mm。 我國砂巖型鈾礦勘查鉆孔井徑通常為?110 mm，2002 年核工業放射性勘查計量站建立了適用于砂巖型鈾礦測井的密度孔隙度測井模型標準（國防區域最高標準——〔2017〕國防計標證3264 號），該標準采用的是天然砂巖，密度范圍2.138～2.494 g/cm3，模擬鉆孔井徑90 mm［25］，如圖2 所示。

圖2 密度孔隙度測井模型標準裝置

用密度孔隙度測井模型標準對243-1#和243-2#密度測井儀進行校準后， 驗證的測量結果見表1。結果表明，兩套密度測井儀測量結果與模型標稱值的相對偏差不超過2%， 密度孔隙度測井模型標準完全適合于砂巖型鈾礦勘探用密度測井儀的校準。

表1 密度測井儀驗證測量結果

2.3 中子測井儀的檢定

瞬發裂變中子測井（PFN）目前在我國已開展了多年的研究，雖尚未在鈾礦勘查中開展大規模應用，但研究結果表明瞬發裂變中子測井在砂巖型鈾礦勘查領域擁有巨大的發展潛力。

為了開展前瞻性技術研究，2002 年核工業放射性勘查計量站建立了適用于瞬發裂變中子測井和γ 測井的砂巖型鈾礦測井模型標準裝置（國防區域最高標準——〔2018〕 國防計標區域證G2850 號），鈾含量范圍（281～983）×10-6g/g，如圖3 所示，并據此編制了國防計量技術規范，現行規范為JJG（軍工） 151—2017《裂變中子測井儀檢定規程》［26］。

圖3 砂巖型鈾礦測井模型標準裝置

2.4 井徑儀的刻度

井徑儀的刻度通常采用生產廠家配備的不同尺寸的井徑環或井徑規（圖4），在?60 ～?300 mm 范圍內采用至少兩個測量點，通常選取儀器測量的最大井徑和最小井徑刻度，線性擬合得到刻度方程。

圖4 單臂井徑測井儀刻度器

井徑儀檢查的允許誤差為5 mm［27］。

2.5 井斜儀的刻度

井斜儀的刻度通常采用生產廠家配備的井斜方位校驗臺。 頂角和方位角的刻度方法與儀器類型有關。

井斜儀檢查頂角范圍選擇0～15°， 方位角范圍選擇0～360°，每隔45°測量一組。頂角絕對偏差最大不超過0.5°，方位角絕對偏差最大不超過5°［27］。

目前正在進行磁三分量校準裝置研建和校準技術研究，將解決借助地磁參數測量井斜的儀器計量問題。

2.6 電法測井儀的刻度

電法測井儀的刻度通常采用生產廠家配備的多擋位標準電阻率-自然電位刻度器， 電阻率和自然電位測井儀可以共用一套刻度器模擬地層電阻率來刻度測井儀。 通常采樣兩個測量點線性擬合得到刻度方程。

電阻率檢查允許誤差不大于5%［27］。

2.7 聲波測井儀的刻度

聲波測井儀校準裝置用來校準聲波測井儀，可以是固定的，或是不固定的設備。 一般用高、低聲阻抗的材料制成，或者用實際的巖塊制成。 聲波測井儀校準裝置模擬實際鉆孔巖層的聲學特性。 要求其聲阻抗等物理特性長期穩定不變，材料應不滲水、不溶解、低孔隙度。

選擇的兩個聲波刻度器，分別為鋼筒和塑料筒，給定的聲波時差范圍分別是（187±5） μs/m 和（550±10） μs/m。 刻度器尺寸一般內徑?110 mm、外徑?120 mm、長1.5 m。

聲波測井儀器校準裝置安裝和檢定好后，就可以對聲波測井儀器進行校準刻度。 聲波測井儀器在不同聲阻抗模擬孔內測得不同的響應數據，測量數據和模擬裝置的示值數據進行刻度即可得到各測井儀器的刻度系數。

3 綜合測井儀校準裝置設計和展望

3.1 井徑測井儀校準裝置

由于井徑環或井徑規的厚度有限，刻度時受到井徑測井儀姿態位置的影響較大，設計將井徑校準與γ 測井校準融于一體（圖5），保證井徑測井儀校準時，探管姿態能夠完全模擬實際測井環境，通過對鈾礦勘探孔井徑的測量，實現對γ 測井數據的修正，提高對不同尺寸鈾礦勘探孔鈾礦資源儲量的估算準確度。

圖5 井徑-γ 測井校準裝置示意圖

3.2 電法測井校準裝置

地層電阻率與地層的巖性及孔、滲、飽參數的關系具有多解性，因此，不能指望僅僅依靠地層電阻率來確定地層的巖性及孔、滲、飽參數。 同樣，也無法通過人為制造不同的巖性及孔、滲、飽模擬參數，來獲得實際地層的標準電阻率參數。

唯一可行的選擇方案是用電阻率不同的水溶液代替地層，保證水溶液的電阻率是可準確測量和己知的基本要點。 對于砂巖型鈾礦來說，泥巖-砂巖-砂礫巖-礫巖的電阻率逐漸增高， 地層電阻率的變化主要由地層孔隙度和孔隙中的流體導電性決定。 純凈水是不導電的，在純凈水中溶解了一些諸如NaCl、KCl 等鹽類后， 引起了流體導電性的變化， 也相應的具有了不同的電阻率，在這個意義上用電阻率不同的水溶液模擬地層，物理意義是相通的。

電法測井儀校準裝置主體結構是圓柱形容器，包括內部中心一個可拆卸的內桶（模擬侵入帶），底部有進水管、進氣管（均勻性攪拌），在預調桶內配置好的鹽水經循環泵到標準井中，并配置高精度電導率測量儀監測鹽水溶液電阻率，如圖6 所示。

圖6 電阻率測井校準裝置示意圖

配置兩個不同電阻率值的溶液，通過線性擬合得到電阻率和自然電位的刻度方程，進而對電法測井儀進行校準。

3.3 聲波測井儀校準裝置

同電法與地層一樣， 聲波同樣具有多解性，鋼質或塑料材質與實際測量對象 （野外鉆孔巖石）差別較大，巖石的密度、孔隙度等巖性對聲波測井的影響無法有效模擬和開展影響因素試驗研究，因此采用該方法制作標準裝置不合適。

圖7 所示為設計的聲波測井儀校準裝置，首先建造標準井的儲存池， 采用水泥混凝土澆筑，在底部安裝標準井的正下方打一延伸孔，孔可以保證測井探管測量到標準井的全部。 為保證標準井巖石內孔隙流體參數的穩定不變，池內充裝淡水。3 個標準井井孔對齊安裝在池內中部，從底部按砂巖標準井→白云巖標準井→砂巖標準井的順序依次安裝。

圖7 聲波測井校準裝置示意圖

3.4 砂巖型鈾礦測井模型

現有砂巖型鈾礦測井模型標準裝置含有4個模型，模型鈾含量僅為（281～983）×10-6g/g，不能覆蓋我國北方可地浸砂巖型鈾礦的最低可采品位10-4g/g，也不能滿足高鈾含量砂巖型鈾礦的計量需求。

通過調研礦石原材料，按照工藝試驗確定的配比，分層澆注不同鈾含量的測井模型，擴展現有砂巖型鈾礦測井模型量值范圍 （50～10 000）×10-6g/g， 使其基本覆蓋我國砂巖鈾礦鈾含量范圍，為砂巖型鈾礦勘查提供計量保障。

4 結束語

γ 測井和地球物理綜合測井在鈾礦勘查中發揮了重要作用，在其基礎上利用現代電子集成技術，將中子、密度、井斜、井徑、電法及聲波等輔助鈾礦勘查儀器集為一體的綜合測井技術和儀器將是重要的發展方向。 在現有核測井計量標準基礎之上，通過對未來發展趨勢的展望，設計了井徑、電法、聲波等測井裝置及砂巖型鈾礦測井模型研制方法和檢定技術，有望在近期研制較完善的鈾礦勘查綜合測井儀計量裝置和建立系列計量標準， 解決刻度器量值溯源不統一的弊端，減少綜合測井儀校準結果的不確定度，提高鈾礦勘查測井效率和準確度，更好地服務于鈾礦勘查。