李繼安，楊 興，郗 昭，王逢濤，劉衛(wèi)國(guó)

(核工業(yè)203研究所，陜西 咸陽(yáng) 712000)

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砂巖型鈾礦勘查中密度曲線的校正及應(yīng)用
——以十紅灘鈾礦床為例

李繼安，楊 興，郗 昭，王逢濤，劉衛(wèi)國(guó)

(核工業(yè)203研究所，陜西 咸陽(yáng) 712000)

在綜合分析密度測(cè)井原理的基礎(chǔ)上，對(duì)砂巖型鈾礦勘查中密度曲線出現(xiàn)的畸變現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)剖析，認(rèn)為礦層中γ射線對(duì)長(zhǎng)、短源距道數(shù)據(jù)的疊加是造成礦層中密度測(cè)井曲線畸變的根源。提出了通過(guò)兩次測(cè)井來(lái)消除由于礦層疊加對(duì)長(zhǎng)、短源距道數(shù)據(jù)的干擾，進(jìn)而對(duì)礦層中密度測(cè)井曲線進(jìn)行校正的方法，建立了一套適合砂巖型鈾礦勘查中計(jì)算礦石密度較為準(zhǔn)確的自動(dòng)化工作模型，并以新疆吐哈盆地十紅灘鈾礦床為例，進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)密度曲線的校正，使計(jì)算的礦石密度更加接近其真實(shí)密度。利用校正后的密度測(cè)井曲線及其它測(cè)井資料對(duì)于巖性的正確識(shí)別及鈾資源/儲(chǔ)量的估算具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

密度曲線；砂巖型鈾礦；十紅灘鈾礦床

砂巖型鈾礦床是主要的鈾礦床類型之一。隨著鈾資源地下浸出技術(shù)的不斷完善，沉積盆地中砂巖型鈾資源由原來(lái)的山地工程采礦技術(shù)不能利用的貧鈾礦化，轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)保和經(jīng)濟(jì)可采的鈾資源，從而成為一種經(jīng)濟(jì)價(jià)值可觀的礦產(chǎn)資源[1]。在砂巖型鈾礦的勘查過(guò)程中，利用測(cè)井資料對(duì)含礦含水層進(jìn)行正確的巖性識(shí)別與劃分是勘查工作的一個(gè)重要內(nèi)容，特別是在巖心采取率低或在巖心顛倒、混亂的情況下，尤顯其重要性。但是在利用密度及其它測(cè)井資料進(jìn)行巖性識(shí)別，劃分礦層頂、底板，確定含礦層中隔、夾層的過(guò)程中，卻發(fā)現(xiàn)礦層所對(duì)應(yīng)的密度測(cè)井曲線發(fā)生嚴(yán)重畸變，制約了測(cè)井資料的進(jìn)一步應(yīng)用。本文分析了密度測(cè)井曲線畸變的原因，并提出相應(yīng)的校正方法，建立了一套適合砂巖型鈾礦勘查中計(jì)算礦石密度較為準(zhǔn)確的自動(dòng)化工作模型。

1 問(wèn)題的提出

在利用測(cè)井資料進(jìn)行巖性劃分時(shí)，物探工作者常是通過(guò)綜合物探測(cè)井采集各巖性參數(shù)進(jìn)行巖性識(shí)別和劃分巖性。在十紅灘地區(qū)，主要是采用密度、電阻率、井徑等參數(shù)互相配合進(jìn)行巖性識(shí)別和劃分。表1為十紅灘鈾礦床西山窯組不同巖性的物性參數(shù)表。

通過(guò)對(duì)十紅灘鈾礦床幾十個(gè)鉆孔中含礦巖層的物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)得知(表1)：不同層位、不同巖性的視密度、視電阻率、井徑等物性參數(shù)是有差異的。煤層(線)為高視電阻率、低視密度；致密鈣質(zhì)砂巖表現(xiàn)為高視電阻率、高視密度，在測(cè)井曲線上相對(duì)于其它巖性具有易于辨識(shí)的特征；泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖具有低視電阻率、大井徑的特點(diǎn)；而細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖等也具有一定的物性差異，這種不同層位、不同巖性之間較為明顯的差異，為巖性的解釋和不同巖性厚度的確定提供了依據(jù)[2]。

表1 十紅灘鈾礦床西山窯組巖石物性參數(shù)表

對(duì)于巖性的解釋，重點(diǎn)是含礦含水層中的巖性識(shí)別，而礦層的巖性識(shí)別及厘定，更是重中之重，其中包括礦層的頂?shù)装寮皫r性，礦層中是否夾有泥巖、煤層、煤線及鈣質(zhì)層等以及他們的位置和厚度，這些都是勘查砂巖型鈾礦的重要指標(biāo)，因?yàn)檫@些信息的準(zhǔn)確識(shí)別和判定，決定著礦層解釋中資源量的合并和剔除、礦段的劃分，進(jìn)而對(duì)地浸工藝的選擇產(chǎn)生重要的影響[3]。但是在最需要仔細(xì)厘定的這些礦層中，常用來(lái)判定巖性等地質(zhì)信息的重要參數(shù)——密度測(cè)井曲線卻常產(chǎn)生畸變，為進(jìn)一步的地質(zhì)判定工作提供了假象，增加了鈾資源量估算的難度。出現(xiàn)這些情況的原因還得從放射性密度測(cè)井原理來(lái)探討。

2 密度測(cè)井原理及測(cè)井裝置

2.1 密度測(cè)井原理

我們知道，γ射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，主要發(fā)生3種不同類型的反應(yīng)，即電子對(duì)效應(yīng)，康普頓效應(yīng)和光電效應(yīng)。銫源(137CS)能發(fā)出γ射線的能量在0.66 MeV左右，由于這種源發(fā)出的γ射線能量較低，不生成電子對(duì)，采用銫源，測(cè)得的放射性活度與光電效應(yīng)和康普頓散射的綜合作用有關(guān)。光電效應(yīng)主要發(fā)生在γ射線與重元素相互作用的條件下，但大多數(shù)構(gòu)成巖石礦物的元素都是比較輕的元素，γ射線通過(guò)這些元素時(shí)，主要產(chǎn)生康普頓效應(yīng)?？灯疹D效應(yīng)是密度測(cè)井的主要反映，敏感于地層的電子密度，電子密度幾乎精確地與體積密度成正比[4]。在致密層中，γ射線碰撞次數(shù)多，每次碰撞損失部分能量，使射線被吸收，因此測(cè)得的γ射線很少，與此相反，在低密度地層中，碰撞次數(shù)少而能量損失少，探測(cè)到的γ射線多,這就是密度測(cè)井的原理(圖1)。

圖1 密度測(cè)井原理圖Fig.1 Principle of density logging

2.2 密度測(cè)井的裝置及參數(shù)

為了減少鉆孔孔徑、泥漿等因素對(duì)密度測(cè)量的影響，測(cè)井儀通常采用單臂推靠裝置并采用雙源距補(bǔ)償進(jìn)行測(cè)量。雙源距補(bǔ)償密度測(cè)井是在單源距密度測(cè)井基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。選用137CS(半衰期33 a，E=663 keV，活度3.7 GBq)作為放射源，源室由高密度的鐵鎢合金材料制成，采用定向發(fā)射結(jié)構(gòu)，如圖1所示。探測(cè)器為長(zhǎng)源距、短源距兩個(gè)，均采用定向接收裝置。閃爍體及光電倍增管由鉭銀片包裹,濾除低能射線，只接收由地層散射來(lái)的200 keV以上的γ射線，該能區(qū)的γ射線計(jì)數(shù)率的對(duì)數(shù)值與地層密度呈線性關(guān)系。長(zhǎng)源距探測(cè)深度大，受井壁泥餅影響小，短源距探測(cè)深度小，受泥餅影響大，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，求出密度補(bǔ)償方程。在沉積地層中具有明顯密度差異的巖石，由密度測(cè)井曲線很容易劃分。

密度測(cè)井技術(shù)參數(shù)如下：

(1)密度測(cè)量范圍：(1.10～2.80)±0.03 g/cm3。

(2)長(zhǎng)源距探測(cè)器：① 測(cè)量范圍： 0～32000 cps； ②閃爍體：NaI(TI)φ23×40 mm；③ 光電倍增管：GDB235； ④源距：350 mm。

(3)短源距探測(cè)器：① 測(cè)量范圍： 0～32000 cps； ②閃爍體：NaI(TI)φ13×10 mm；③ 光電倍增管：GDB15； ④源距：200 mm。

2.3 密度校準(zhǔn)系數(shù)刻度

密度測(cè)井的系數(shù)通過(guò)在經(jīng)有效原子系數(shù)校正后的已知密度的鋁(ρ=2.57g/cm3)模塊和有機(jī)玻璃(ρ=1.26 g/cm3)模塊上取得。具體方法是將裝好137CS放射源的密度管平放在鋁和有機(jī)玻璃模塊上，使其發(fā)射窗口貼近模塊的凹槽，分別測(cè)量長(zhǎng)、短源距道對(duì)鋁和有機(jī)玻璃模塊的響應(yīng)值，校準(zhǔn)系數(shù)按下式計(jì)算求?。?/p>

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：δ鋁—鋁模塊密度(g/cm3)；δ有—有機(jī)玻璃模塊密度(g/cm3)；L鋁—長(zhǎng)源距道在鋁模塊上測(cè)量的響應(yīng)值(cps)；L有—長(zhǎng)源距道在有機(jī)玻璃模塊上測(cè)量的響應(yīng)值(cps)；N鋁—短源距道在鋁模塊上測(cè)量的響應(yīng)值(cps)；N有—短源距道在有機(jī)玻璃模塊上測(cè)量的響應(yīng)值(cps)；CL—長(zhǎng)源距道鋁模塊校準(zhǔn)系數(shù)；DL—長(zhǎng)源距道有機(jī)玻璃模塊校準(zhǔn)系數(shù)；CN—短源距道鋁模塊校準(zhǔn)系數(shù)；DN—短源距道有機(jī)玻璃模塊校準(zhǔn)系數(shù)。

將用上述方法測(cè)量計(jì)算而求得的4個(gè)參數(shù)CL、DL、CN、DN輸入砂巖型鈾礦測(cè)井工作站，該工作站自動(dòng)調(diào)用這些參數(shù)對(duì)野外采集的長(zhǎng)、短源距道數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算即可求得各測(cè)點(diǎn)的密度值。

3 礦層中密度測(cè)井曲線畸變?cè)蚍治?/h2>

圖2 ZK7-19孔照射量率、長(zhǎng)源距道和短源距道計(jì)數(shù)率原始曲線Fig.2 Original curve of gamma exposure rate at long and short spacing in ZK7-19 ①—照射量率曲線；②—長(zhǎng)源距道計(jì)數(shù)率曲線；③—短源距道計(jì)數(shù)率曲線。

從密度測(cè)量原理和裝置上可以看出，其測(cè)量地層密度的前提條件是探管攜帶的放射源向井壁定向發(fā)射γ射線，該γ射線與巖層礦物中元素發(fā)生康普頓效應(yīng)后，被探管中的長(zhǎng)源距和短源距探測(cè)器中的晶體接收，利用測(cè)得的長(zhǎng)源距道和短源距道數(shù)據(jù)，結(jié)合標(biāo)定的參數(shù)得到所測(cè)地層的密度。理想條件下，在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中長(zhǎng)源距與短源距探測(cè)器所接受的射線均來(lái)自密度管所攜帶的銫源，無(wú)其它射線，但實(shí)際情況是，地層中必然有γ射線進(jìn)入到接收晶體中，對(duì)其密度計(jì)算產(chǎn)生影響，只是地層的背景值與放射源的照射量率相比較，其數(shù)值可以忽略不計(jì)，對(duì)地層密度的計(jì)算結(jié)果影響不大。但礦層輻射的γ射線不可忽略，它們將與銫源發(fā)出的反映地層密度的γ射線同時(shí)被長(zhǎng)、短源距探測(cè)器所接受，這樣兩類射線數(shù)據(jù)疊加，導(dǎo)致最后計(jì)算的礦石密度偏小。實(shí)際上，礦層中γ射線強(qiáng)度的大小直接影響最后的計(jì)算結(jié)果，礦石中γ射線越強(qiáng)，計(jì)算出的密度越偏小。

4 密度的校正方法及應(yīng)用

4.1 密度數(shù)據(jù)的校正方法

由上述密度測(cè)井原理和密度測(cè)井曲線在礦層中產(chǎn)生畸變的原因分析可知，剔除掉礦層中放射性元素疊加到長(zhǎng)、短源距道的數(shù)據(jù)，從而得到單一與地層密度相關(guān)的數(shù)據(jù)，進(jìn)而正確計(jì)算出地層的巖石密度，是解決這一問(wèn)題的根本。我們通過(guò)在密度探管攜帶銫源正常進(jìn)行測(cè)井后，卸去銫源，對(duì)礦層再進(jìn)行一次測(cè)量。第2次不帶銫源測(cè)量的長(zhǎng)、短源距道數(shù)據(jù)，是地層本身放射性元素所疊加的數(shù)據(jù)，也正是引起密度測(cè)井曲線在礦段發(fā)生畸變的根源。利用剔除礦層干擾后的長(zhǎng)、短源距道數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到的結(jié)果，最接近于地層的真實(shí)密度。為此，我們?cè)谑t灘鈾礦床選擇了一些工業(yè)孔進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)(圖2～4)。

從圖2可以看出，在ZK7-19鉆孔中的183.70～192.40 m和194.00～194.50 m兩個(gè)鈾礦段中，對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)、短源距道計(jì)數(shù)率由于礦層中放射性元素的影響明顯偏高，特別是長(zhǎng)源距道計(jì)數(shù)率的變化受礦層影響尤其明顯，其曲線變化形態(tài)基本與礦層的照射量率變化一致；在消除礦層的放射性干擾后(圖3)，長(zhǎng)、短源距道的計(jì)數(shù)率曲線明顯發(fā)生變化，此時(shí)它們的變化規(guī)律正是地層密度有關(guān)信息的

圖3 ZK7-19孔消除礦層放射性干擾后的長(zhǎng)源距道計(jì)數(shù)率和短源距道計(jì)數(shù)率曲線Fig.3 Counting rate curve at long and short spacing after removing radiation interference in borehole ZK7-19①—照射量率曲線；②—長(zhǎng)源距道計(jì)數(shù)率曲線；③—短源距道計(jì)數(shù)率曲線。

圖4 ZK7-19孔消除礦層干擾前后密度曲線對(duì)比Fig.4 Density curves before and after removing the interference of ore seam in borehole ZK7-19①—照射量率曲線；②—校正前密度曲線；③—矯正后密度曲線。1—粗砂巖；2—中砂巖；3—細(xì)砂巖；4—含礫細(xì)砂巖；5—泥巖。

反映。通過(guò)消除礦層中放射性干擾前后密度計(jì)算結(jié)果的對(duì)比(圖4)，可以看到，沒(méi)有消除礦層干擾前，計(jì)算的礦層對(duì)應(yīng)的巖石密度數(shù)值小于或接近2.0 g/cm3,為典型的煤、炭質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖的密度特征(為非滲透層，不可地浸開(kāi)采)，通過(guò)消除干擾后的計(jì)算，密度值實(shí)際上為細(xì)砂巖、含礫細(xì)砂巖和中砂巖等滲透性巖石的密度特征，結(jié)合其它曲線特征可以判定該礦段應(yīng)為以含礫細(xì)砂巖、中砂巖為主的滲透性巖石，與地質(zhì)編錄結(jié)果基本吻合，可進(jìn)行地浸開(kāi)采。

4.2 在十紅灘地區(qū)的應(yīng)用與對(duì)比

為了探討該方法的效果和可靠性，我們?cè)谑t灘鈾礦床的南北礦帶中，選擇在礦心采取率大于85%共計(jì)24個(gè)工業(yè)孔中進(jìn)行了測(cè)量對(duì)比。為了使對(duì)比結(jié)果具有代表性，選取的24個(gè)鉆孔在礦帶中基本均勻分布，其中南礦帶7個(gè)，北礦帶17個(gè)，對(duì)比樣品分布于十紅灘鈾礦床的賦礦層位——西山窯組第1～3巖性段中，對(duì)比方法是以從這些孔中采取的礦心采用蠟封法測(cè)量獲得的礦石樣品密度為標(biāo)準(zhǔn)，將消除礦層影響后計(jì)算得到的礦石密度與其對(duì)比。表2為在24個(gè)鉆孔中采集的40個(gè)樣品的對(duì)比結(jié)果。從對(duì)比結(jié)果可以看出，40個(gè)對(duì)比樣品中，最大絕對(duì)誤差為0.16 g/cm3，相對(duì)誤差為8.21%，其余39件對(duì)比樣品相對(duì)誤差均小于3%，其中小于1.00%的樣品29件，占對(duì)比樣品的72.50%，基本能滿足砂巖型鈾礦資源量、儲(chǔ)量估算中對(duì)密度計(jì)算的要求。

在以上40個(gè)對(duì)比樣品中，絕對(duì)誤差大于0.10 g/cm3(規(guī)范要求密度測(cè)量的絕對(duì)誤差不大于0.10 g/cm3)的樣品只有1個(gè)，分析其誤差原因很可能是在樣品采集過(guò)程中密封不好，加上十紅灘地區(qū)炎熱、干燥的氣候特征，造成礦石樣品中水分的大量流失，所以07WD-4號(hào)樣品封蠟法測(cè)量的結(jié)果比放射性密度測(cè)量結(jié)果小得多。

表2 封蠟法與測(cè)井校正后的礦石密度對(duì)比表

續(xù)表 2

5 結(jié)語(yǔ)

在砂巖型鈾礦勘查過(guò)程中，通過(guò)對(duì)原始密度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的校正，最大限度地消除了礦層對(duì)密度測(cè)井曲線的干擾，從而能夠更準(zhǔn)確地計(jì)算出礦石密度，使得鈾資源量/儲(chǔ)量估算更接近實(shí)際情況。利用校正后的密度測(cè)井曲線配合其它綜合測(cè)井曲線，使得鈾礦段巖性的識(shí)別、劃分更準(zhǔn)確、細(xì)致，礦段的合并或剔除更合理。同時(shí)，通過(guò)編程，使得密度測(cè)井曲線的校正在被認(rèn)可的砂巖型鈾礦測(cè)井資料處理軟件——砂巖型測(cè)井工作站能夠自動(dòng)計(jì)算處理，減少了手工計(jì)算的許多繁瑣過(guò)程和誤差，使得密度測(cè)井曲線的校正方便快捷，建立起了一套在砂巖型鈾礦勘查中計(jì)算礦石密度較為準(zhǔn)確的工作方法。當(dāng)然，我們只是在十紅灘地區(qū)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比，受資料等限制，文中難免有疏漏，甚至錯(cuò)誤之處，敬請(qǐng)指正。

[1]趙鵬大.非傳統(tǒng)礦產(chǎn)資源概論[M].北京：地質(zhì)出版社，2003.

[2]趙希剛，吳漢寧，柏冠軍，等.砂巖型鈾礦床礦層中隔、夾層物性特征識(shí)別[J].鈾礦地質(zhì)，2006，22(1)：44-49.

[3]EJ/T 1214-2006,地浸砂巖型鈾礦資源/儲(chǔ)量估算指南[S].

[4]蔡柏林，王惠濂.鉆孔地球物理勘探[M].北京：地質(zhì)出版社,1990.

Density Logging Curve Correction and Application in Sandstone Uranium Exploration——A Case Study of Shihongtan Uranium Deposit

LI Ji-an, YANG Xing,XI Zhao,WANG Feng-tao,LIU Wei-guo

(ResearchInstituteNo.203,CNNC,Xianyang,Shaanxi712000,China)

Based on the principle of density logging, this paper first disserted the reason of the distortion occurred in density data, and pointed out that the superposition of long and short spacing data caused by γ radiation in ore seam is the reason for the curve distortion, and then raised a set of method which measure the density data twice to minimize the effect caused by the superposition and adjust the density curve in ore seam, the method established an automatic calculate model which fits calculating ore seam density in sandstone uranium exploration. By comparison and validation on data acquired in Shihongtan uranium deposit situated in Turpan-Hami basin, Xin Jiang, it was finally found that the density after correction of the calculated density fits the real density better. Therefore it can be concluded that corrected curve data is very important in recognizing rocks correctly and calculating uranium reserves.

density logging curve； sandstone type uranium deposits； Shihongtan deposit

10.3969/j.issn.1000-0658.2015.04.007

2013-07-25 [改回日期]2015-04-24

李繼安(1971—)，男，高級(jí)工程師(研究員級(jí))，1993年畢業(yè)于華東地質(zhì)學(xué)院勘查地球物理專業(yè)，長(zhǎng)期從事鈾礦科研和勘查工作。E-mail:jianlee2000@126.com

1000-0658(2015)04-0459-08

P631.8

A