鈾礦勘查中密度測井儀校準技術的研究

李峰林 歐陽游 梁永順

(核工業航測遙感中心，石家莊 050002)

鈾礦勘查中密度測井儀校準技術的研究

李峰林 歐陽游 梁永順

(核工業航測遙感中心，石家莊 050002)

通過分析石油勘查中密度測井儀校準技術的方法和天然放射性儀器檢定規程的通則，結合密度測井儀的基本工作原理和鈾礦井測量環境條件，提出了鈾礦勘查中密度測井儀校準裝置的選擇要求，計量校準參數與要求。為檢驗校準結果的準確性，利用標準模型裝置對密度測井儀進行密度值相對示值的誤差驗證，結果不超過0.6%。

密度測井儀 校準技術 鈾礦勘查 密度測井 誤差驗證

在礦產勘探中，地層密度對地層評價是一個非常有用的特征參數，而密度測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發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]。在鈾礦地質中，地層密度還是鈾儲量計算、直接測鈾裂變中子測井技術修正的重要參數之一[3]。石油勘探中，密度測井已經成為不可缺少的地球物探測井方法之一，在石油測井計量部門也已經建立密度測井校準模型群和密度測井儀校準方法。但目前國內密度測井在鈾礦地質中僅用來劃分巖性。

密度測井儀主要是用儀器自帶的鋁塊進行校準，這就存在儀器測量準確度不夠的問題，只能作為一種定性儀器來大致劃分巖性。由于油井與鈾井在地質和工程參數、儀器尺寸及測量對象等方面有大的區別，不能簡單地把石油部門的密度測井儀校準方法照搬到鈾礦勘測中使用。因此，進行密度測井儀在鈾礦勘查中的校準技術研究十分必要。

1 密度測井儀的基本工作原理

密度測井儀的基本結構由推靠器、探頭、電路段組成。儀器的放射源和探測器裝在探頭上(也稱滑板)，測井時，在推靠器的作用下，探頭緊靠井壁，放射源向地層發射γ光子。密度測井儀選用的是137Cs源，它發射的γ射線能量為0.662MeV，這就排除了形成電子對的可能性。如果適當選擇探測器的閾值，即可最大限度地避免光電吸收效應的影響，這樣探測器記錄的只是那些經與地層發生的一次或多次康普頓散射的γ射線，經過適當的校準，根據探測器的讀數就可以確定地層的密度值。

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

圖1 雙源距密度測井示意圖

雙源距密度測井的體積密度ρb的計算式為：

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——長源距靈敏度；

BL、BS——長、短源距的截距；

NL、NS——長、短源距的計數率；

α、β——儀器脊角、肋角。

式(1)中，AL、α、β、BL、BS都可以由校準得到。

2 密度測井儀的校準技術

2.1校準裝置選擇

密度測井儀是利用康普頓散射原理測量地層密度的，康普頓散射的強弱與介質的電子密度有關，電子密度和體積密度成比例，所以巖石的種類對測量精度的影響很大。對于與校準模型巖性相同或者接近的巖石，密度測井儀測得的密度值(稱為視密度)ρa近似等于其體積密度ρb，對于與校準模型巖性不同的巖石，ρb-ρa有時能超過儀器的測量精度[4]。所以密度測井儀校準時，應盡量選擇與測量對象巖性相同或者相近的校準模型[2,5]。

隨著鈾礦找礦和采冶技術的發展，砂巖型鈾礦已成為我國當前鈾礦勘查的主攻類型，為減少物質成分差異對密度測量帶來的影響，建議鈾礦勘查中密度測井儀的校準采用砂巖制作的標準模型裝置。

2.2校準參數

根據JJG 42-2014《密度測井儀檢定規程》、SY/T 6579-2003《密度測井儀校準方法》和《天然放射性儀器檢定規程通則》，結合密度測井儀在鈾礦勘查中實際工作的要求，確定校準項目包括外觀、正常工作性、密度示值誤差、脊肋角、靈敏度、重復性及穩定性等。其中，脊肋角是補償密度測井儀校準的重點與難點。

2.3校準方法

選擇兩種不同密度的校準模型，根據儀器在兩種校準模型上的長、短源計數率值，計算出長源靈敏度AL、短源靈敏度AS、長源截距BL、短源截距BS，并計算出相應的脊角α，在其中一塊標準模型上加模擬泥餅，得到有泥餅情況下的計數率，根據該計數率作出肋線，并得到相應的肋角β。有了參數AL、AS、BL、BS、α、β后，就可以按式(1)計算密度值了。現以SYSTEM Ⅵ密度測井儀為例，探索鈾礦勘查中的密度測井儀校準技術。

2.3.1外觀和正常工作性

檢查儀器有無影響正常工作的損傷和缺陷，是否有型號、出廠編號和制造商名稱，外觀應整潔，有完好的密封圈，各處緊固件無松動，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量，這樣能消除泥漿對密度測井的影響。

2.3.2重復性

重復性是密度測井儀的核心技術參數，是評價其質量優劣的主要指標。重復性是指在相同測量條件下，重復測量同一個被測量，儀器提供相近示值的能力。

密度測井儀長短源距探測器計數率的重復性檢定按以下步驟進行：

a. 選取某一密度標準模型，將密度測井儀伽瑪源到長源距探測器中心點連線的中點置于模型中心點；

b. 打開推靠臂，使伽瑪源和探測器一側的探管壁緊貼模型孔壁，測量次數不少于10次。

密度測井儀長、短源距探測器計數率的重復性VL、VS的計算式如下：

(2)

(3)

式中n——測量次數；

NLi——第i次測量長源距探測器的計數率，s-1；

NSi——第i次測量短源距探測器的計數率，s-1。

2.3.3穩定性

穩定性是密度測井儀的核心技術參數，是評價密度測井儀質量優劣的主要指標。穩定性指儀器保持計量特性隨時間恒定的能力。

穩定性用首次測量和重復測量(重復測量與首次測量的時間間隔為4h，測井儀保持持續通電)的長短源距探測器的計數率相對變化來描述。

密度測井儀長短源距探測器計數率的穩定性檢定按以下步驟進行：

a. 將密度測井儀伽瑪源到長源距探測器中心點連線的中點置于模型中心點；

b. 打開推靠壁，進行穩定性首次測量，要求長短源距探測器的累積計數不低于9×104；

c. 在其他檢定項目完成后，再將密度測井儀放入同一密度模型的中心點，進行穩定性重復測量。

長短源距探測器計數率穩定性δNL、δNS的計算式如下：

δNL=|NL2-NL1|/NL1×100%

(4)

δNS=|NS2-NS1|/NS1×100%

(5)

式中NL1——首次測量長源距探測器的計數率，s-1；

NL2——重復測量長源距探測器的計數率，s-1；

NS1——首次測量短源距探測器的計數率，s-1；

NS2——重復測量短源距探測器的計數率，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。

在無泥餅影響的條件下，地層密度ρ與密度測井儀長短源距探測器計數率的對數lnNL、lnNS的關系曲線為一條直線，即為“脊線”；在有泥餅影響時，長短源距探測器計數率的對數在圖上的交會點會偏離脊線(偏離的方向與泥餅的厚度、密度有關)，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。計算密度時，根據長短源距探測器計數率N，可在脊肋圖的肋線上找到一個點，沿該點所在的肋線找到與脊線的交點，脊線上該點的數值即為地層密度。根據兩點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的標準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，所選的兩點不能太近，即要求用于確定“脊線”的高低密度標準模型，其標稱密度差值應不小于0.4g/cm3，具體數據見表1。

圖3 密度探管脊肋圖

表1 靈敏度校準數據

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

2.4密度值相對示值誤差測試

密度測井儀確定了參數AL、AS、BL、BS、α、β后，按式(1)計算或根據儀器“脊肋圖”確定密度值。選擇標稱密度ρb′=2.295g/cm3的密度模型。將密度測井儀置于密度-孔隙度測井模型標準中，打開推靠臂，在模型中心點定點測量。采集時間應能保證長短源距探測器的累積計數不低于9×104[7]。測試結果為：測量值2.309g/cm3與標稱值2.295g/cm3相對偏差為0.6%，符合通用放射性儀器相對示值誤差小于5.0%的要求[8]，說明儀器校準合格。

3 結論

3.1鈾礦密度測井和油氣密度測井都屬于地層密度測井，測井工作極為相似，在儀器的一些測量校準技術上可以互相通用。

3.2鈾礦井和油氣井在地質、工程參數及測量對象等方面有大的區別，二者必然在儀器靈敏度、儀器尺寸、性能取舍及校準裝置選擇等具體技術細節上存在一些差異。因此鈾礦密度測井必須符合鈾礦測井的通用要求。如鈾礦密度測井儀的校準建議選用砂巖制作的密度-孔隙度測井模型標準，以減少密度測井儀測得的視密度值與體積密度值的差別。

[1] 李莉,劉秀琴,賈玉明.地下水封石洞油庫工程潛油泵的控制方案設計[J].石油化工自動化,2015,51(1):14～17.

[2] 高玉龍,朱迅,于占海,等.氣田智能化氣井監控系統研究[J].石油化工自動化,2015,51(1):25～28.

[3] 貝納德 R W.直接測鈾的瞬發裂變中子測井的解釋[J].物探與化探,1980,(2):58～60.

[4] 張利光.補償密度測井儀的刻度及適用條件[J].核電子學與探測技術,2003,23(5):486～489.

[5] 洪有密.測井原理與綜合解釋[M].東營:石油大學出版社,1998:222～228.

[6] 黃隆基.放射性測井原理[M].北京:石油工業出版社,1985.

[7] SY/T 6579-2003,密度測井儀校準方法[S].北京:國家經濟貿易委員會,2003.

[8] JJG 42-2014,密度測井儀檢定規程[S].北京:國家國防科技工業局,2014.

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)

國家國防計量技術基礎科研項目(JSJC2013201C034)