融合自然γ能谱与中子时间谱的铀矿测井仪及铀定量方程的制作方法

本发明涉及一种用于铀矿探采的能够沿钻孔逐点测量岩矿层内天然放射性元素形成的自然γ能谱、脉冲中子铀裂变引发的瞬发中子时间谱的铀矿测井仪的基本结构；及其利用该测井仪的测井数据确定岩矿层内铀、钍、镭、钾等天然放射性元素含量的定量方程式。

背景技术

固体矿产定量主要依赖于钻孔岩芯取样的化学分析方法，该法也是最直接的岩矿层元素定量方法。然而放射性矿产大多属于稀有贵金属，特别是铀矿的矿层厚度普遍偏薄且含量很低，例如砂岩铀矿的厚度仅达70cm以上、铀含量仅达0.01％以上，就达工业铀矿的基本要求，从而带来了取芯钻探效率低、岩芯取样成本高、化学分析周期长等缺点。

为此，放射性矿产定量普遍以核测井的元素定量解释方法为主，岩芯取样的化学分析方法为辅的元素定量技术，其中采用自然γ测井的放射性矿产定量解释方法最为普遍。这是由于岩矿层内的铀系、钍系和钾元素放出的γ射线约占自然γ射线的99％，因此自然γ测井不仅是寻找放射性矿产的主要方法，还可初步实现铀、钍、钾等元素的定量解释。

铀、钍仅仅是铀系、钍系的母元素，这些母元素自身并不放出γ射线，而是由母元素衰变而来的某些子元素放出γ射线，这些子元素称为γ核素。当母元素与子元素的衰变率相同时，称其达到放射性平衡。一旦达到放射性平衡，就能按该γ核素放出的γ射线推断铀、钍等母元素的含量。

通常，钍系元素在岩矿层中易于达到放射性平衡，由钍系γ射线确定钍含量没有悬念；但铀系中的“铀-镭-氡”很难保证放射性平衡，常常将铀系分为铀组、镭组两个子系，各子系也易于达到放射性平衡。因镭组γ射线占铀系γ射线的份额高达97％以上，依据镭组γ射线确定镭含量也没有悬念；然而由铀组γ射线确定铀含量难度很大，这是由于铀组γ射线份额和能量均很低所致。现行自然γ测井只能按镭组γ射线推断铀含量，此时须事先求取铀镭平衡系数(甚至镭氡平衡系数)，并依此修正推断铀含量才能确保含量可靠性。可见，自然γ测井的铀矿定量解释方法始终离不开岩芯取样的化学分析方法(依此求得铀镭平衡系数)，也难以彻底规避取芯钻探效率低、岩芯取样成本高、化学分析周期长等缺点。

从理论上说，脉冲中子引发铀裂变的瞬发中子测井方法不受铀以外的放射性元素干扰，是用于铀矿定量的理想方法。但是，铀裂变瞬发中子的探测效率很低，相比自然γ能谱测井，其测井速度要慢很多。如果将自然γ能谱测井、铀裂变瞬发中子测井两种方法有机融合，依此构建具有数据融合的组合测井方法，就可在无须岩芯取样和化学分析的前提下，既能快速确定岩矿层的钍、镭、钾等放射性元素含量，还能校准铀含量。

本发明公开了基于自然γ能谱与铀裂变瞬发中子时间谱的铀矿测井仪基本结构，以及利用该测井仪确定岩矿层铀、钍、镭、钾等天然放射性元素含量的定量方程。本发明适用于放射性元素共生的铀矿勘探和地浸采铀，特别是在地浸采铀领域，当铀不断从岩矿层中采走之后，镭及γ核素仍然留在原地，有效区分铀、镭及其钍、钾的测井方法与测井仪研制已成为亟待攻克的科技难题，本发明具有重要的实用价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于研发一种用于铀矿探采的融合自然γ能谱与铀裂变超热中子时间谱的组合测井方法，以及利用该测井结果求取岩矿层内铀、钍、镭、钾等天然放射性元素含量的铀矿测井仪基本结构及定量方程式。

本发明的技术方案为：

1、融合自然γ能谱与瞬发中子时间谱的铀矿测井仪基本结构

融合自然γ能谱与瞬发中子时间谱的铀矿测井仪具体包括：

1)、铀矿测井仪基本结构包括井下系统和地面系统两部分，由四芯铠装电缆连接井下系统和地面系统，其中两芯用于向井下系统提供150vdc/220vac电源，另外两芯用于井下系统与地面系统的串行485数据通信。

2)、地面系统包括滑轮、绞车及绞车控制器、便携式计算机等部分，便携式计算机通过通讯电缆给绞车及绞车控制器发送相关的控制命令，绞车及绞车控制器将控制井下系统的上升或下降，并控制它的升降速度；

3)、井下系统包括马笼头、不锈钢探管外壳，以及不锈钢探管内的脉冲中子发生器、双中子时间谱测量系统、具有自动稳谱功能的自然γ能谱测量系统等部分，便携式计算机17通过四芯铠装电缆中的两芯给井下探管提供150vdc或220vac电源，另外两芯的串行485数据通信用于控制脉冲中子发生器、自然γ能谱与瞬发中子时间谱等测量系统工作，并传输自然γ能谱数据和瞬发中子时间谱数据到地面系统；

4)、不锈钢探管内的脉冲中子发生器包括氘氚中子管、高压驱动电路、中子发生器控制电路等部分，使其产生14mev的快中子，脉冲中子宽度在20us～200us范围内可调、频率在20hz～1khz范围内可调；

5)、不锈钢探管内的瞬发中子时间谱测量系统包括he-3超热中子探测器、he-3热中子探测器、双中子时间谱测量电路等部分，使其可同时测量超热中子时间谱和热中子时间谱，每个脉冲的时间谱测量范围为脉冲启动之后的0us～800us；

6)、不锈钢探管内的自然γ能谱测量系统包括labr3晶体与光电倍增管构成的γ探测器、数字γ能谱测量电路、电源与通讯板等部分，γ射线能量的探测范围为0.03mev～3.00mev。

2、融合自然γ能谱与铀裂变瞬发中子时间谱的测井数据融合方法及铀定量方程

针对上述融合自然γ能谱与瞬发中子时间谱的铀矿测井仪，其测井数据融合方法及铀定量方程包括：

1)、先将自然γ能谱与铀裂变瞬发中子时间谱融合在一起形成组合测井，依此同时获得自然γ能谱与瞬发中子时间谱等测井数据，并将测量γ能谱与中子时间谱的两类探测器中心点校准到钻孔中的同一测点。由于γ能谱探测器在探管上方，且在探管提升过程中记录测井数据，则以γ能谱探测器中心点为参照点标注测点深度坐标，然后将中子时间谱探测器在该参照点位置的测量数据记为同一测点的测井数据，依此实现组合测井的测点位置融合。

2)、其后从自然γ能谱中提取钍系、铀系镭组、钾元素放出的特征γ射线。由于钍系、铀系、钾元素的特征γ射线分布在3mev以内的全能区，其中2.615mev、1.765mev、1.461mev三种能量的特征γ射线常常用于钍、镭或铀、钾等放射性元素定量。同时考虑单个特征γ射线产生的光电峰(又称特征γ峰)的计数率均较低，从而必须延长测井时间，因此实际测井均使用特征γ射线所在特征能区的计数率进行钍、镭或铀、钾等放射性元素定量。应当注意，每个特征能区的能量范围须由实验确定，通常这些能区涵盖一种或多种特征γ射线响应出来的光电峰，这些能区的计数率也是钍系、铀系镭组、钾元素定量解释的理论依据，称为钍、镭、钾的特征能区计数率。再从瞬发中子时间谱中提取裂变时间段内累计超热中子与累计热中子的计数率比值，它是铀元素定量的理论依据，且与铀镭是否达到放射性平衡无关，称其为铀的特征能区计数率。可见，上述两类测井方法的特征能区计数率是该组合测井的测井数据融合。

3)、考虑到这两类测井方法的特征能区计数率与放射性元素含量之间具有相似的正比关系，为此将这些特征能区计数率记为ni(z)。其中，下标i＝1,2,3,4分别表示自高能区向低能区排列的特征能区编号；z为沿钻孔分布的测点深度坐标。应当注意，铀的特征能区计数率n1(z)仅相当于能量最高的特征γ射线，它的实际测井数据来源于铀的瞬发中子时间谱；钍的特征能区计数率n2(z)包含了能量为2.615mev的钍系特征γ射线；镭的特征能区计数率n3(z)包含了能量为1.765mev的镭组特征γ射线，但不包含能量为2.615mev的钍系特征γ射线；钾的特征能区计数率n4(z)包含了能量为1.461mev的钾元素特征γ射线，但不包含能量为2.615mev的钍系特征γ射线和能量为1.765mev的镭组特征γ射线。

4)、对于沿钻孔分布的放射性矿层(或岩层)，将其理解为无数个放射性薄层构建而成，且放射性元素含量沿钻孔的分布函数记为qk(z)，相应特征能区计数率沿钻孔的分布函数就是ni(z)，求得两者之间的函数关系为：

式中，采用微分元dz表示任一放射性薄层的厚度，该薄层在钻孔任一深度坐标z处形成的特征能区计数率为：

z、z分别表示测点、放射性薄层在钻孔中的深度坐标，则|z-z|为测点到任一放射性薄层(厚度由微分元dz表示)的距离。

qk(z)表示深度坐标为z处的放射性薄层中的各元素含量。其中k(＝1,2,3,4)为元素编号，分别对应铀、钍、镭、钾等放射性元素。

ni(z)表示无数个放射性薄层构建出的放射性矿层在测点深度坐标z处形成的特征能区计数率。其中任一放射性薄层形成的特征能区计数率采用微分元dni(z)表示，i(＝1,2,3,4)为特征能区编号，分别对应于铀、钍、镭、钾的特征能区，这些特征能区分别称之为铀能区、钍能区、镭能区、钾能区；

称为地质脉冲响应函数，用于表达任一放射性薄层所能响应的特征能区计数率变化规律。应当注意，地质脉冲响应函数的取值随测点(深度坐标为z)与微分元dz(深度坐标为z)之间的距离|z-z|加大而减小，其衰减规律由负指数函数表达，其中αi(i＝1,2,3,4)称为特征参数，它表征衰减的速率，且αi的取值与射线种类、射线与岩矿层相互作用等因素相关。

aki称为刻度系数，表示以单位含量的第k(＝1,2,3,4)种放射性元素构建出饱和矿层(指元素均匀分布的“无限厚”矿层)，并沿钻孔进行测井，则刻度系数aki是指该矿层中心点测得的第i(＝1,2,3,4)个特征能区计数率。应当注意，饱和矿层内的每种放射性元素对各个特征能区都可能产生计数率，刻度系数aki表示第k种放射性元素对第i个特征能区计数率的贡献率(一组常数)。通常将待求解的第k种元素称为主元素(铀矿定量的主元素为铀)，其它元素称为辅元素。

bi(i＝1,2,3,4)称为本底响应，主要包括仪器与岩层的两类本底响应。应当注意，每个特征能区计数率(i＝1,2,3,4)都有各自的本底响应(一组常数)。

由此可见，上述方程式(1)和方程式(2)所示的积分表达式和微分表达式就是铀矿定量测井的放射性元素定量方程式(即正演方程)。从方程式(1)中可求解出放射性元素含量分布。

附图与附表说明

图1、融合自然γ能谱与中子时间谱的铀矿测井仪基本结构；

图2(a)、实测标准饱和模型nb(本底模型)的瞬发中子时间谱；

图2(b)、实测标准饱和模型nb(本底模型)的自然γ能谱曲线；

图3(a)、实测标准饱和模型uf-01(铀含量为0.1％)的瞬发中子时间谱；

图3(b)、实测标准饱和模型uf-01(铀含量为0.1％)的自然γ能谱曲线；

图4实测标准饱和模型thf-03(钍含量为0.3％)的自然γ能谱曲线；

图5实测标准饱和模型kf-6(钾含量为6.0％)的自然γ能谱曲线；

图6(a)、实测标准饱和模型uf-02(铀含量为0.2％)的瞬发中子时间谱；

图6(b)、实测标准饱和模型uf-02(铀含量为0.2％)的自然γ能谱曲线；

图7(a)、实测标准饱和模型uf-003(铀含量为0.03％)的瞬发中子时间谱；

图7(b)、实测标准饱和模型uf-003(铀含量为0.03％)的自然γ能谱曲线；

图8实测标准饱和模型thf-005(钍含量为0.05％)的自然γ能谱曲线；

图9(a)、实测标准饱和模型uthf-02-007(铀含量为0.2％钍含量为0.07％)的瞬发中子时间谱；

图9(b)、实测标准饱和模型uthf-02-007(铀含量为0.2％钍含量为0.07％)的自然γ能谱曲线；

图10、利用饱和矿层刻度模型井求取关键测井参数的步骤流程图。

表1、主要天然γ核素及其对应的特征γ射线能量数据表；

表2、标准饱和模型井的测井数据及其刻度参数求取结果；

表3、标准饱和模型井的测井数据及其解释结果。

图1中：中子发生器控制电路4、中子管高压驱动电路5、氘氚中子管1、³he超热中子探测器2、³he热中子探测器3、双中子时间谱测量电路6、labr3晶体γ探测器与光电倍增管7、数字γ能谱测量电路8、电源及通讯板9、不锈钢探管外壳11、马笼头12、滑轮14、四芯铠装电缆15、绞车及绞车控制器10、便携式电脑17、串行通讯电缆18、矿层或岩层13、井孔16、井下系统19、地面系统20。

具体实施方式

本发明公开了用于铀矿探采(铀矿勘查和地浸采铀)领域的自然γ能谱测井与铀裂变瞬发中子时间谱测井融合在一起的组合测井仪基本结构，以及利用该组合测井确定岩矿层铀、钍、镭、钾等天然放射性元素含量的关键测井参数刻度方法。包括该组合测井仪基本结构(其框图如图1所示)、实测饱和矿层刻度模型井获得的自然γ能谱测井数据(饱和矿层中心点的自然γ能谱曲线示例结果如图2(b)～图3(b)、图4～图5、图6(b)～图7(b)、图8、图9(b)示)、铀裂变瞬发中子时间谱测井数据(饱和矿层中心点的超热中子与热中子时间谱曲线示例如图2(a)～图3(a)、图6(a)～图7(a)、图9(a)所示)、求取该组合测井仪换算系数与灵敏度因子(或刻度因子)、本底响应等关键测井参数的刻度公式，以及刻度数据(其示例如表2所示)等内容。本发明公开的组合测井仪基本结构与关键测井参数刻度方法的示例及说明如下：

1、铀矿测井仪基本结构与特征能区计数率

因铀系、钍系和钾元素含有的γ核素并不多，然而它们放出上百种能量的特征γ射线。其中，放射几率较大、能量较高的特征γ射线及其对应的γ核素如表1所示。现有自然γ能谱测井仅仅能够分辨出为数不多的十几种特征γ射线，即放射几率>0.01、能量>0.4mev且无重叠峰的特征γ射线。其中，铀组放出的特征γ射线因其放射几率和能量都太低，因而几乎无法分辨出铀的特征峰，也很难采用单一的自然γ能谱测井方法确定天然岩矿层的铀含量。因而本发明将自然γ能谱测井与铀裂变瞬发中子时间谱测井融合在一起，设计出了一种组合式铀矿测井仪，它的基本结构如图1所示。

从图1可知，该组合测井仪由井下系统19和地面系统20两部分组成，井下系统19和地面系统20由四芯铠装电缆15相连，其中两芯用于井下系统19与地面系统20的串行485数据通信，另外两芯用于150vdc/220vac供电。其特征在于：

地面系统20包括滑轮14、绞车及绞车控制器10、便携式计算机17等组成，便携式计算机17通过通讯电缆18给绞车及绞车控制器10发送相关的控制命令，由绞车控制器发控制四芯铠装电缆15进行上升或下降，并控制上升或下降的速度；

井下系统19包括马笼头12、不锈钢探管外壳11及探管内的脉冲中子发生器、双中子时间谱测量系统、自然γ能谱测量系统(具有自动稳谱功能)组成，便携式计算机17通过四芯铠装电缆15中的两芯给井下探管提供150vdc或220vac电源，通过四芯铠装电缆15中的另外两芯控制脉冲中子发生器、读取自然γ能谱数据和瞬发中子时间谱数据；

探管内的脉冲中子发生器由中子发生器控制电路4、中子管高压驱动电路5、氘氚中子管1组成，可产生14mev的快中子，脉冲中子宽度为20us～200us可调、频率为20hz～1khz可调；

探管内的瞬发中子时间谱测量系统由³he超热中子探测器2、³he热中子探测器3、双中子时间谱测量电路6组成，可同时测量超热中子时间谱和热中子时间谱，测量时间范围为快中子脉冲启动之后的0us～800us；

探管内的自然γ能谱测量系统由labr3晶体γ探测器与光电倍增管7、数字γ能谱测量电路8、电源及通讯板9组成，γ射线的能量探测范围为0.03mev～3.00mev。

根据该类铀矿测井仪的基本结构及其对放射性元素的定量方程，以及该铀矿测井仪在饱和矿层刻度模型井中实测的示例数据，分别如图2～图9所示，选定放射性元素定量的特征能区计数率如下：

对于铀定量，选定铀裂变瞬发中子时间谱测井的铀裂变时间段内累计超热中子与累计热中子的比值为铀特征计数率n1(z)，它在饱和矿层刻度模型井中实测的示例数据如图2(a)～图3(a)、图6(a)～图7(a)、图9(a)所示。

对于钍定量，从钍系²⁰⁸tl、²¹²bi、²²⁸ac等子元素放出的多种特征γ射线中选定能量分辨率较高且无重叠峰的能量为2.615mev的特征γ射线，依此确定钍特征计数率n2(z)；对于镭定量，从镭组²¹⁴bi、²¹⁴pb等子元素放出的多种特征γ射线中选定能量分辨率较高且无重叠峰的能量为1.765mev的特征γ射线，依此确定镭特征计数率n3(z)；对于钾定量，只能选择⁴⁰k放出的能量唯一的1.461mev特征γ射线，依此确定钾特征计数率n4(z)。它们在饱和矿层刻度模型井中实测的示例数据如图2(b)～图3(b)、图4～图5、图6(b)～图7(b)、图8、图9(b)所示。

应当注意，本发明公开的铀矿测井仪可以同步开展自然γ能谱测井与铀裂变瞬发中子时间谱测井，但要以自然γ能谱测井的探测器中心点为基准，并根据铀裂变瞬发中子时间谱测井的探测器中心点的偏差大小，将两者的测井数据调整为同一测点的测井数据。

2、铀矿测井仪用于铀矿定量时的关键测井参数刻度方法与示例

在开展野外生产测井之前，需在饱和矿层刻度模型井中对该铀矿测井仪进行刻度，并依此求得该铀矿测井仪的换算系数与灵敏度因子(或刻度系数)、本底响应等关键测井参数。利用饱和矿层刻度模型井求取关键测井参数的步骤流程如图4所示。

也就是在饱和矿层刻度模型井中部(深度坐标记为z0)，由铀裂变瞬发中子时间谱测井的累计超热中子与累计热中子比值作为铀特征计数率n1(z0)；由自然γ能谱测井的第i＝2,3,4个特征γ射线的特征计数率分别作为钍特征计数率n2(z0)、镭特征计数率n3(z0)和钾特征计数率n4(z0)。

按照饱和矿层刻度模型井的放射性元素含量qk(z0)为已知，依此求得该组合测井仪的刻度系数、本底响应等关键测井参数，其结果示例如表2所示。

应当注意，选取铀裂变瞬发中子时间谱测井数据求取铀含量时，没有任何因特征γ射线对铀特征计数率有贡献，只有铀自身的累计超热中子与累计热中子比值对铀特征计数率有贡献，则a21＝a31＝a41＝0，只有a11不为零。

可见，对自然γ能谱测井与铀裂变瞬发中子时间谱测井的测井曲线融合，就能找到对应于铀、钍、镭、钾等放射性元素(对应元素编号k＝1,2,3,4)定量的特征峰或等效的瞬发中子时间谱测井数据(对应特征γ射线编号i＝1,2,3,4)。

应当注意，如果刻度模型井与野外钻孔的情况相差较大，还应当制作各类修正量版，包括孔径修正量版、井液修正量版、套管修正量版等，以便将刻度系数aki与本底相应bi修正为野外钻孔的实际情况中。

还应注意，在本发明建立的融合自然γ能谱与瞬发中子时间谱的铀矿测井仪的测井参数刻度方法中，虽然涉及的公式较复杂，但可以将它们编制为计算机软件，以此形成铀矿定量解释系统。

为对上述方法进行验证，根据图10所示步骤，利用4个饱和矿层刻度模型井(nb(本底)、uf-01(铀含量为0.1％)、thf-03(钍含量为0.3％)、kf-6(钾含量为6.0％))求取了关键测井参数，并通过组合测井仪测量了5个模型井uf-02(铀含量为0.2％)、uf-003(铀含量为0.03％)、thf-005(钍含量为0.05％)、uthf-02-007(铀含量0.2％且钍含量0.07％)，测量得到的瞬发中子时间谱和自然伽马能谱图分别如图2(a)～图3(a)、图6(a)～图7(a)、图9(a)和图2(b)～图3(b)、图4～图5、图6(b)～图7(b)、图8、图9(b)所示，各特征计数率及刻度参数计算结果见表2。

其它各硬岩模型的解释结果如表3所示，需要注意的是，在实际的测井过程中，通常只需求准矿层中的主元素的含量，而辅元素的含量解释结果不作参考。根据表3的硬岩模型解释结果可得出：铀含量解释后的相对误差≤±6.80％；镭含量解释后的相对误差≤±3.50％、混合模型上镭含量解释后的相对误差≤±5.80％；钍含量解释后的相对误差≤±3.00％；钾在各个被测模型中均为辅元素，含量解释结果不作参考。

根据以上文本，本发明的优点在于：利用该铀矿测井仪确定岩矿层铀、钍、镭、钾等天然放射性元素含量的关键测井参数刻度方法，便可在实际测井过程中无需借助求取铀镭平衡系数的岩芯取样和化学分析的基础上，直接求出放射性矿层或岩矿层中钾、镭、钍、铀等放射性元素含量，对于铀矿勘查和地浸采铀领域的铀矿储量估算，具有提高钻探效率、降低勘探成本、缩短铀定量周期等技术优势。

表1.天然放射性衰变的γ核素数据表(仅列出放射几率与能量均较高的特征γ射线)

注：仅仅放射几率>0.001(指单次放射性衰变的放射几率)、能量>0.4mev的铀系、钍系和钾放出的特征γ射线及其γ核素的数据被列于表中。

表2.标准饱和模型井的测井数据及其刻度参数求取结果^注2

表3.标准饱和模型井的测井数据及其解释结果^注2

注1：镭含量用平衡时的铀含量表示；

注2：上表数据为2017年在核工业放射性勘查计量站(石家庄)标准模型井上测得的计数率，以及求得的解释结果；

注3：铀对应的特征峰表示经热中子修正后的超热中子计数率，其中中子时间谱范围为128～800us、钍、镭、钾对应的特征峰分别为2.615mev、1.765mev、1.461mev的特征γ射线，钍、镭、钾对应的特征能区分别为2.50～2.75mev、1.60～1.85mev、1.35～1.55mev；

注4：钾(k)含量是指包括⁴⁰k在内的全部钾元素的含量；

注5：辅元素不作解释。