賴毅輝 王海濤 陳 銳,,3

1（東華理工大學(xué)機械與電子工程學(xué)院 南昌330013）

2（東華理工大學(xué)核技術(shù)應(yīng)用教育部工程研究中心 南昌330013）

3（東華理工大學(xué)江西省放射性地學(xué)大數(shù)據(jù)技術(shù)工程實驗室 南昌330013）

鈾資源屬于國家重大戰(zhàn)略物資，影響并制約著我國核電等能源戰(zhàn)略事業(yè)發(fā)展，須加強鈾資源勘探和勘探技術(shù)開發(fā)力度，以滿足我國迅速發(fā)展的核能事業(yè)對鈾礦資源的需求。在鈾資源勘查中，鈾礦儲量決定鈾礦床的工業(yè)開采價值和經(jīng)濟(jì)價值，必須保證鈾礦測量結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性［1-2］，而我國傳統(tǒng)的鈾礦測井采用自然γ測井（包括γ能譜測井與γ總量測井）技術(shù)，該技術(shù)依靠測量鈾系衰變鏈產(chǎn)生的衰變子體鐳的放射性強度，通過反演方法確定地層鈾含量，需要巖心取樣分析平衡性系數(shù)修正才能保證結(jié)果的準(zhǔn)確性［3］，已不適應(yīng)放射性不平衡的砂巖型鈾礦勘查。

國外最新發(fā)展的瞬發(fā)裂變中子測井是一種直接測鈾技術(shù)，它能有效地解決放射性不平衡地區(qū)的鈾礦定量解釋難題［4-5］。鈾裂變瞬發(fā)中子測井是一種利用中子探測器記錄地層中的瞬發(fā)裂變中子信息實現(xiàn)“直接測鈾”的測井技術(shù)［6-9］，其原理是通過置于鉆孔中的井下中子發(fā)生器產(chǎn)生快中子，快中子進(jìn)入井眼及地層后，與所含物質(zhì)的原子核（235U）發(fā)生核裂變反應(yīng)，利用中子探測器記錄地層中的裂變中子衰減時間譜信息，通過分析計算可直接計算出地層中鈾含量。該方法從原理上克服了放射性平衡性問題，大大節(jié)約了勘探成本，提高了探測效率。但由于井下14 MeV脈沖中子能量降低到約1 MeV時，主要通過與地層輕質(zhì)量核素發(fā)生彈性散射慢化為熱中子，熱中子進(jìn)一步與地層核素發(fā)生熱中子俘獲反應(yīng)而消亡。這一過程中井眼條件對源中子的慢化與吸收影響較大，進(jìn)而影響測井系統(tǒng)中子探測器的響應(yīng)計數(shù)［10］。據(jù)Merten等［11］統(tǒng)計，鈾裂變瞬發(fā)中子測井由于各種井眼條件影響因素（井徑、井液等）造成的解釋誤差為10%～30%，有時甚至超過50%。這一特性致使鈾裂變瞬發(fā)中子測井的解釋結(jié)果必須進(jìn)行現(xiàn)場實時校正，以滿足地浸采鈾鉆孔的鈾礦定量需求［12-13］。

這些影響中，擴徑、縮徑等井徑的變化在鈾礦測井時較為常見，在測井過程中需針對井徑變化作校正，以減少其對解釋結(jié)果的影響。本文通過分析含水井徑與熱中子俘獲γ能譜的對應(yīng)關(guān)系，將井徑的變化以俘獲γ譜的氫峰計數(shù)率表征，以此得到氫峰計數(shù)率與井徑變化的對應(yīng)關(guān)系，降低因井徑變化對鈾裂變瞬發(fā)中子測井的解釋結(jié)果的影響。

1 鈾裂變瞬發(fā)中子測井原理

由鈾裂變瞬發(fā)中子測井原理可知，令含鈾地層熱中子密度時間分布為nth（t），由中子和鈾相互作用原理可知，在探測器測量時間范圍內(nèi)由235U熱中子核裂變反應(yīng)貢獻(xiàn)的超熱裂變中子密度的時間分布nep（t）為：

式中：系數(shù)k=（α/A）·NA·σf·ν；α、A分別為235U的豐度及原子量；NA為阿伏伽德羅常數(shù)；σf為熱中子和235U發(fā)生裂變的微觀截面；ν為裂變產(chǎn)生的次級中子平均產(chǎn)額；pν為鈾的體積百分含量。

當(dāng)中子源發(fā)射中子Δt時間后單位厚度瞬發(fā)超熱中子總計數(shù)可以表示為：

式中：Nep（Δt）為t1-t2時間內(nèi)的超熱中子總計數(shù)；Nth（Δt）為t1-t2時間內(nèi)的熱中子總計數(shù)。由式（2）可得到地層含鈾量pν的表示形式：

式（3）顯示，中子源發(fā)射中子脈沖一段時間后Nep（Δt）/Nth（Δt）與地層鈾含量呈現(xiàn)一定的正比關(guān)系。利用中子探測器記錄地層中的超熱/熱中子時間譜計數(shù)Nep（Δt）/Nth（Δt）可定量地層中的鈾含量。但在井眼進(jìn)行測井時，比例系數(shù)受井眼流體、井徑等影響較大，需要進(jìn)行井眼環(huán)境校正。

此外，通過上述分析可知，當(dāng)源中子產(chǎn)額及地層密度一定時，地層鈾含量主要受井徑影響，其影響因素主要來自于井液（水）對中子的減速能力，即井眼的含氫量。因此，可以通過記錄井下探測器測得的中子誘發(fā)俘獲γ譜數(shù)據(jù)，統(tǒng)計能譜中氫峰面積獲得井眼的含氫量，進(jìn)而確定井徑校正因子，降低井徑對鈾礦含量的影響。

2 井徑校正實驗設(shè)計與模擬

2.1 計算模型

為獲得不同井眼條件，利用蒙特卡羅程序MCNP建立含水井眼條件下的鈾裂變瞬發(fā)中子測井的數(shù)值計算模型，現(xiàn)將井眼與地層條件具體參數(shù)如下：

1）地層設(shè)為圓筒狀，其半徑為100 cm，高為350 cm；

2）地層骨架為含鈾砂巖，主要成分為二氧化硅和鈾，鈾含量（235U）預(yù)設(shè)為0.5%；

3）井眼中充滿泥漿，泥漿的主要成分為水、石英砂，密度設(shè)為1.25。

數(shù)值模擬的地層和儀器模型示意圖如圖1所示。

鈾裂變瞬發(fā)中子測井儀器內(nèi)采用14 MeV的氘-氚（D-T）脈沖中子源，中子源與中子探測器之間的源距為30 cm，中子源和探測器之間利用理想屏蔽體（即真空）進(jìn)行屏蔽；超熱中子探測器布置于探管軸線上，6根熱中子探測器呈正六邊形均勻地分布在超熱中子探測器外圍，其間慢化劑采用聚乙烯材料，熱中子探測器與超熱中子探測器均為3He氣體探測器（氣壓為0.6 MPa），超熱中子探測器外表面由厚度為0.025 mm的鎘（Cd）箔包裹；γ探測器材料為LaBr3，中子源與γ探測器之間的源距為200 cm；測井儀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

MCNP模擬計數(shù)時采用探測器脈沖幅度（F8）計數(shù)，模擬的快中子源粒子數(shù)為5×109個，采用分裂與賭的減方差技巧，保證計數(shù)誤差小于1%，MCNP所使用數(shù)據(jù)庫為ENDF/B-VII.1庫，中子源出射方向為4π方向。

圖1 蒙特卡羅模擬模型示意圖Fig.1 Diagram of Monte Carlo simulation model

圖2 測井儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of Monte Carlo simulation model

2.2 鈾裂變瞬發(fā)中子測井井徑影響模擬

為探究不同井徑對俘獲γ能譜的影響，根據(jù)野外測井中的生產(chǎn)孔及參數(shù)孔特征，分別模擬19種井徑的影響，井徑分別為70 mm、90 mm、115 mm、148 mm、180 mm、211 mm、250 mm、280 mm、311 mm、350 mm、400 mm、450 mm、500 mm、550 mm、600 mm、700 mm、800 mm、900 mm和1 000 mm。通過記錄中子誘發(fā)俘獲γ能譜全能峰計數(shù)率，分析峰計數(shù)率與井徑的對應(yīng)關(guān)系。

各井徑影響下的俘獲γ能譜計數(shù)結(jié)果如圖3所示。由圖3分析可得，井徑變化時其他元素特征峰變化幅度較小，僅氫元素特征峰（2.223 MeV）對井徑變化較為敏感，并呈不斷遞增趨勢。

圖3 不同井徑影響下的俘獲γ能譜Fig.3 Capture gamma spectra with different borehole sizes

進(jìn)一步地，為便于分析氫元素特征峰計數(shù)率隨井徑的變化特征，特將不同井徑影響下氫元素特征峰計數(shù)率逐一進(jìn)行累積求和對比，結(jié)果示于圖4。

圖4 不同井徑影響下的俘獲γ能譜氫特征峰計數(shù)率Fig.4 Counting rate of hydrogen characteristic peak of captureγspectra with different borehole sizes

可以看出，當(dāng)井徑小于400 mm時，由于井眼內(nèi)氫原子核增多，導(dǎo)致源中子經(jīng)慢化后的熱中子數(shù)增多，氫峰計數(shù)呈急劇上升趨勢。當(dāng)井徑大于400 mm時，此時由于中子慢化形成熱中子數(shù)趨于飽和，使得氫峰計數(shù)變化趨勢逐漸平緩，并最終趨于穩(wěn)定（井徑≥800 mm）。此時，井徑的變化對氫峰計數(shù)影響較小，可忽略不計。

此時利用指數(shù)函數(shù)擬合得到氫峰計數(shù)率的變化規(guī)律曲線，其擬合曲線如圖5所示（R2=0.990 7）。

圖5 氫峰計數(shù)率的隨井徑變化的擬合曲線Fig.5 Fitting curve of counting rates of hydrogencharacteristic peak with different borehole sizes

其中：

因此，當(dāng)式（1）中其他條件一定時，井徑可用俘獲γ氫峰計數(shù)率函數(shù)C（x）表征。

利用該式修正瞬發(fā)裂變中子測井結(jié)果時，可先根據(jù)測得的俘獲γ計數(shù)率通過式（4）獲得當(dāng)前深度的井眼直徑，再通過瞬發(fā)裂變中子測井井徑（井液）校正方法對解釋結(jié)果進(jìn)行修正，提高解釋結(jié)果的可靠性。

3 測試驗證

為驗證本文方法的正確性，使用蒙特卡羅程序分別模擬井徑為110 mm、130 mm和160 mm的生產(chǎn)孔，記錄在不同條件下的俘獲γ譜并與經(jīng)式（4）擬合結(jié)果進(jìn)行比對，同時假定110 mm井徑條件下鈾含量為標(biāo)準(zhǔn)值，其余（130 mm與160 mm）井徑條件均將其鈾含量計算結(jié)果修正至該條件下（表1），該擬合結(jié)果依據(jù)式（4）實現(xiàn)。模擬過程中其余參數(shù)與本文上述實驗參數(shù)一致，在此不再贅述。結(jié)果表明：按γ測井規(guī)范（EJ/T611-2005）中穩(wěn)定性要求（計數(shù)率或照射量率相對偏差≤5%）［14］，本文方法滿足實際測井需求。

表1 測試結(jié)果對比Table 1 Comparison of validation results

4 結(jié)語

鈾裂變瞬發(fā)中子測井技術(shù)受地層環(huán)境對源中子的慢化與吸收影響較大，必須進(jìn)行現(xiàn)場校正。本文針對鈾裂變瞬發(fā)中子鈾礦測井過程中受地層環(huán)境影響造成解釋精度影響較大問題，通過分析實際生產(chǎn)測井過程中的井徑變化與熱中子俘獲γ能譜的對應(yīng)關(guān)系，將井徑的變化以俘獲γ譜的氫峰計數(shù)率予以表征，利用蒙特卡羅程序模擬含水井眼模型計算結(jié)果顯示，井徑的變化可由氫元素特征峰計數(shù)率表征，并可由氫元素特征峰計數(shù)率以指數(shù)函數(shù)擬合得到，其擬合決定系數(shù)R2=0.990 7，測試表明，按γ測井規(guī)范中穩(wěn)定性要求（計數(shù)率或照射量率相對偏差≤5%），該系數(shù)滿足實際測井精度要求。

致謝感謝江西省超算公共服務(wù)平臺對本文模擬工作的大力支持。