黃笑，王殿學(xué)，郭強(qiáng)，寧君，周文博，黃少華，張亮亮，蘇曉波

（1.核工業(yè)二四三大隊(duì)，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；2.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 中核集團(tuán)鈾資源勘查與評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

隨著國家“雙碳”目標(biāo)的制定，核能將成為快速改變能源結(jié)構(gòu)，降低“碳”排放的有效途徑之一［1］。鈾資源作為重要的核燃料，是核能發(fā)展的重要保障［2］。20 世紀(jì)90 年代，核工業(yè)系統(tǒng)開始在松遼盆地開展地浸砂巖型鈾礦勘查工作。作為我國北方砂巖型鈾礦勘查的重要盆地之一［3-4］，依據(jù)鉆孔γ 測(cè)井資料在松遼盆地圈定了大量工業(yè)鈾礦體，落實(shí)了錢Ⅱ塊、錢Ⅳ塊、寶龍山等大中型鈾礦床［5-10］。

γ 測(cè)井主要用于確定鈾礦化的空間位置、品位及厚度，其本質(zhì)是通過測(cè)量鈾衰變產(chǎn)生的氡及其子體的放射性強(qiáng)度，從而“間接定量”測(cè)量地層中鈾的含量［11-15］。因砂巖型鈾礦地層本身具有較高的孔隙度及水飽和度，導(dǎo)致含礦含水層中的鐳氡始終處于一種動(dòng)態(tài)平衡。而在砂巖型鈾礦勘查鉆探施工過程中，由于鉆孔內(nèi)環(huán)境與原地層環(huán)境的不同，鉆井井液循環(huán)產(chǎn)生對(duì)井壁的壓力，井液沁入圍巖和含礦層，使得層間水及溶解于其中的氡氣一起被擠壓離開井壁（壓氡效應(yīng)），地層初始的鐳氡平衡遭到破壞，致使γ 測(cè)井照射量率數(shù)值偏低［16-18］。為了使γ 測(cè)井結(jié)果更為接近實(shí)際和鈾資源量估算更為準(zhǔn)確可靠，必須進(jìn)行鐳氡平衡系數(shù)修正，因此，研究鐳氡平衡系數(shù)就顯得尤為重要。本次研究主要對(duì)寶龍山鈾礦床鐳氡平衡系數(shù)的不同計(jì)算方法結(jié)果進(jìn)行了探討，引入冪函數(shù)對(duì)物探參數(shù)孔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，旨在提高鐳氡平衡系數(shù)計(jì)算結(jié)果的可信度，為鈾礦資源量估算提供更為合理有效的物性參數(shù)，也為砂巖型鈾礦床鐳氡平衡系數(shù)的確定提供方法參考。

1 地質(zhì)概況

寶龍山鈾礦床位于松遼盆地南部，開魯坳陷北東部錢家店凹陷東緣，南靠大林凹陷，屬于開魯坳陷與西南隆起區(qū)的過渡部位［19-21］。鈾礦化主要賦存于上白堊統(tǒng)姚家組下段（K2y1），以灰色中細(xì)砂巖為主，局部偶見少量的灰色砂礫巖及泥巖透鏡體薄層。含礦砂體主要為辮狀河相心灘沉積，垂向上由3～6 個(gè)下粗上細(xì)的正粒序組成，底部見少量泥礫，鈾礦化的形成與分布主要與氧化帶關(guān)系密切。

2 研究方法

本次研究的主要對(duì)象是寶龍山鈾礦床2 個(gè)已施工完成的物探參數(shù)孔（ZK1 和ZK2），在伽馬照射量率觀測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，開展分析對(duì)比法和物探參數(shù)孔觀測(cè)法的對(duì)比研究。其中物探參數(shù)孔設(shè)計(jì)實(shí)施的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 物探參數(shù)孔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of borehole composition for geophysical parameter

按物探參數(shù)孔設(shè)計(jì)要求，鉆孔全孔巖心采取率不小于75%，設(shè)計(jì)的礦層巖心采取率不小于85%，并且鉆孔是一次性成井［22］。開孔采用直徑為210 mm 鉆頭鉆進(jìn)，直至設(shè)計(jì)段；然后采用直徑為110 mm 鉆頭鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)的終孔位置。終孔后用新鮮泥漿進(jìn)行沖孔，再進(jìn)行裸孔γ 測(cè)井和地球物理測(cè)井，以確定鉆孔鈾礦化賦存的空間位置及含礦含水層的頂、底板的厚度和位置，為參數(shù)孔的具體設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

裸孔測(cè)井完成后，先將鉆孔內(nèi)的泥漿用鹽水替換，再下纏好海帶的直徑為89 mm 的密封套管至孔底，海帶主要用于底部止水。取密封套管內(nèi)不同深度的水樣，并測(cè)定水中Cl-1的濃度，只有當(dāng)密封套管符合設(shè)計(jì)要求后，才用放射性強(qiáng)度小于3 nC·kg-1·h-1的清水將套管內(nèi)的井液洗凈，然后進(jìn)行第一次γ 測(cè)井。設(shè)計(jì)段頂部托盤往上采用水泥封閉全孔，封孔完成后繼續(xù)進(jìn)行間隔性γ 測(cè)井，16～24 h 之間開展井溫測(cè)井和密度測(cè)井以檢查水泥封孔位置及固井質(zhì)量。

據(jù)氡的半衰期進(jìn)行計(jì)算，理論上物探參數(shù)孔觀測(cè)時(shí)間至少需要38 d。一般情況下觀測(cè)時(shí)間間隔為：開始觀測(cè)前4 d，其時(shí)間間隔為4～8 h 左右；之后4 d，其時(shí)間間隔約為24 h；以后時(shí)間間隔約為48～72 h，直至觀測(cè)數(shù)據(jù)趨于相對(duì)穩(wěn)定，并無限接近于某個(gè)數(shù)值。狀態(tài)觀測(cè)過程中，觀測(cè)時(shí)間間隔應(yīng)視物探參數(shù)孔伽馬照射量率觀測(cè)數(shù)據(jù)增長規(guī)律而定，并且γ 檢查測(cè)井的次數(shù)應(yīng)不低于總觀測(cè)次數(shù)的10 %。

伽馬照射量率的長期觀測(cè)工作一般采用同一臺(tái)FD-3019 γ 測(cè)井儀進(jìn)行連續(xù)γ 測(cè)井［23］。測(cè)井全部由計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，盡可能地避免了人為及儀器等因素的影響，使數(shù)據(jù)更為真實(shí)可信。

3 觀測(cè)結(jié)果

對(duì)寶龍山鈾礦床主礦體部位的2 個(gè)物探參數(shù)孔進(jìn)行了長期觀測(cè)，其觀測(cè)時(shí)間分別為78.51 d（ZK1）和39.42 d（ZK2），觀測(cè)結(jié)果見表1，對(duì)應(yīng)的伽馬照射量率觀測(cè)曲線見圖2。

表1 不同物探參數(shù)孔伽馬照射量率長期觀測(cè)結(jié)果Table 1 Long term γ-radiation dose rate of gamma logging referring boreholes

據(jù)圖2 可知，在觀測(cè)初期，各物探參數(shù)孔伽馬照射量率上下“波動(dòng)”現(xiàn)象較為明顯，總體隨著時(shí)間的積累，呈逐步增長趨勢(shì)。理論上38 d 左右，伽馬照射量率逐漸趨于飽和值，說明物探參數(shù)孔礦段部位鐳氡處于平衡狀態(tài)。而鉆孔ZK2 鉆孔由于外界不可抗因素，無法繼續(xù)進(jìn)行觀測(cè)，致使觀測(cè)曲線呈現(xiàn)增長趨勢(shì)，觀測(cè)時(shí)間大于38 d，已達(dá)到平衡狀態(tài)，但最后觀測(cè)的數(shù)值與實(shí)際的飽和值仍存在一定的差異。

圖2 不同參數(shù)孔（ZK1、ZK2）伽馬照射量率長期觀察結(jié)果Fig.2 Variation of gamma exposure rate observed at different time using gamma logging

4 鐳-氡平衡系數(shù)的確定

4.1 分析對(duì)比法

分析對(duì)比法是采用礦心樣品分析鐳含量與γ 測(cè)井解釋結(jié)果對(duì)比計(jì)算鐳氡平衡系數(shù)的一種方法［24］。其計(jì)算公式見式（1）和（2）：

通過對(duì)寶龍山鈾礦床已施工完成的2 個(gè)物探參數(shù)孔樣品分析結(jié)果按公式（1）和（2）進(jìn)行計(jì)算，得出各個(gè)物探參數(shù)孔鐳氡平衡系數(shù)（表2），其變化范圍為0.69～1.58，其中鐳氡平衡系數(shù)1.58，與實(shí)際“壓氡現(xiàn)象”不符，其結(jié)果不可取。

表2 寶龍山鈾礦分析對(duì)比法計(jì)算鐳氡平衡系數(shù)結(jié)果表Table 2 The calculated results of PRn by contrast analysis method in Baolongshan uranium deposit

4.2 物探參數(shù)孔觀測(cè)法

據(jù)地浸砂巖型鈾礦鐳氡平衡系數(shù)測(cè)量規(guī)程［25］，將終孔后第一次γ 測(cè)井照射量率觀測(cè)值作為初始值，與最終飽和值之比作為鐳氡平衡系數(shù)，其計(jì)算公式見（3）

式中：PRn—鐳氡平衡系數(shù)；Ii—分別為鐳氡平衡時(shí)伽馬總照射量率，nC·kg-1·h-1；I0—第一次γ 測(cè)井的伽馬總照射量率數(shù)值，nC·kg-1·h-1。

4.2.1 平均值法

在實(shí)際生產(chǎn)中，常規(guī)做法一般則采用最后3次觀測(cè)值的算術(shù)平均值作為飽和值進(jìn)行計(jì)算。

從圖2 看出鉆孔中存在“壓氡”現(xiàn)象，經(jīng)計(jì)算得出各參數(shù)孔鐳氡平衡系數(shù)分別為：鉆孔ZK1 為0.858 0；鉆孔ZK2 為0.881 9。各參數(shù)孔含礦含水層的孔隙度和透水性的不同，是鐳氡平衡破壞程度不同的主要原因，因此，各物探參數(shù)孔的鐳氡平衡系數(shù)結(jié)果也不同，其平均值為0.87。

4.2.2 擬合法

據(jù)圖2 可知，寶龍山鈾礦床施工的2 個(gè)物探參數(shù)孔伽馬照射量率觀測(cè)曲線的變化規(guī)律符合鐳氡平衡恢復(fù)規(guī)律。而在實(shí)際生產(chǎn)工作中，由于影響伽馬照射量率長期觀測(cè)的因素較多，觀測(cè)數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi)存在上下“波動(dòng)”現(xiàn)象，并且最后觀測(cè)的數(shù)據(jù)與飽和值依然存在一定的區(qū)別。因此，為了更好地呈現(xiàn)出參數(shù)孔內(nèi)鐳氡平衡恢復(fù)的全過程，求取鐳氡平衡系數(shù)，可采用物探參數(shù)孔狀態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，擬合出測(cè)量時(shí)間t趨于0 的極限值與趨于無窮大的極限值之比確定鐳氡平衡系數(shù)［26-28］。目前寶龍山鈾礦床采用冪函數(shù)進(jìn)行擬合，其公式（4）和（5）如下：

則線性擬合可得A，見式（9），

式中：It—間隔時(shí)間為t的觀測(cè)數(shù)據(jù)；nC·kg-1·h-1；ln(It)—間隔時(shí)間為t的觀測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)數(shù)，nC·kg-·1h-1；t—觀測(cè)時(shí)間，d；I—為觀測(cè)數(shù)據(jù)，nC·kg-1·h-1；a—鐳氡平衡后的飽和值，nC·kg-1·h-1；X—時(shí)間的倒數(shù)，d；Y—伽馬照射量率的對(duì)數(shù)，nC·kg-1·h-1。

擬合過程中，一般選擇在下完纏好止水海帶的套管內(nèi)的第一次測(cè)井觀測(cè)值直到最后一次觀測(cè)值為擬合樣本。

依據(jù)擬合公式對(duì)寶龍山2 個(gè)物探參數(shù)孔狀態(tài)觀測(cè)曲線分別進(jìn)行擬合，其擬合結(jié)果見表3。

表3 寶龍山鈾礦床參數(shù)孔觀測(cè)法與擬合法計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table 3 Calculated results of parametric hole by observation method and fitting method in Baolongshan uranium deposit

圖3 不同參數(shù)孔（ZK1、ZK2）伽馬照射量率實(shí)測(cè)曲線與擬合曲線對(duì)比Fig.3 Diagram of measured and fitted curves of gamma exposure rate of different holes（ZK1、ZK2）

5 計(jì)算結(jié)果的對(duì)比評(píng)價(jià)

據(jù)表3 中可知，寶龍山鈾礦床鐳氡平衡系數(shù)采用物探參數(shù)孔狀態(tài)觀測(cè)平均值法與擬合法計(jì)算得出的結(jié)果最為接近，平均值法為0.870 0，擬合法為0.873 2，相對(duì)誤差為0.37%；而礦心分析結(jié)果與γ 測(cè)井解釋對(duì)比值計(jì)算出的鐳氡平衡系數(shù)變化范圍為0.69～1.58（表2），其平均值為1.14，相對(duì)誤差為128.99%。據(jù)物探參數(shù)孔觀測(cè)法與分析對(duì)比法二者的相對(duì)誤差來看，物探參數(shù)孔觀測(cè)法相對(duì)誤差更小，并且由于“壓氡效應(yīng)”的存在，鐳氡平衡系數(shù)應(yīng)小于1，由此可知，物探參數(shù)孔狀態(tài)觀測(cè)法可信度高于分析對(duì)比法。

物探參數(shù)孔觀測(cè)法中的平均值法計(jì)算出寶龍山鈾礦床鐳氡平衡系數(shù)分別為0.858 0 和0.881 9，與擬合法計(jì)算出的結(jié)果相對(duì)誤差分別為0.98%和-0.22 %。可見，二者是存在不同程度差異的。據(jù)圖3 可知，曲線在前8 d，2 個(gè)物探參數(shù)孔實(shí)測(cè)曲線與擬合曲線之間的存在不同程度的差異，其中ZK1 號(hào)孔更為接近擬合曲線。二者差異可能是鉆孔內(nèi)泥漿中含礦“砂”的沉淀速率不同造成的影響；抑或是鉆孔內(nèi)井壁“泥皮”脫落的速率等因素造成的。其中鉆孔ZK1 可能是受井壁“泥皮”脫落延遲，使得前8 d 觀測(cè)數(shù)據(jù)變化緩慢。由此可推斷，物探參數(shù)孔每次狀態(tài)觀測(cè)值均受鉆孔內(nèi)各因素的影響，最后幾次狀態(tài)觀測(cè)值并不能夠代表鐳氡達(dá)到平衡時(shí)的飽和值，而經(jīng)擬合求取的最后的數(shù)值則無限接近飽和值，因此，采用擬合法計(jì)算出的鐳氡平衡系數(shù)誤差更小，更合理，可信度高于平均值法。

6 實(shí)例分析

WT-2 為松遼盆地HLJ 地區(qū)施工的第二物探參數(shù)孔，WT-4 為吐哈盆地十紅灘地區(qū)施工的物探參數(shù)孔。據(jù)圖4 和圖5 可知，觀測(cè)期間，WT-2 和WT-4 實(shí)測(cè)曲線上下“波動(dòng)”較為嚴(yán)重，尤其是最后兩次觀測(cè)值明顯降低。就觀測(cè)時(shí)間而言，2 個(gè)參數(shù)孔均已達(dá)到鐳氡平衡，但對(duì)于氡的飽和值仍無法準(zhǔn)確地確定。采用平均值作為平衡狀態(tài)下的氡的飽和值，求得WT-2 和WT-4 鐳氡平衡系數(shù)分別為0.92、0.87（表4）；采用冪函數(shù)進(jìn)行擬合求得鐳氡平衡系數(shù)分別為0.85 和0.80。兩種方法所得的鐳氡平衡系數(shù)相對(duì)誤差分別為7.60%和-8.04%。

表4 不同地區(qū)觀測(cè)法與擬合法計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table 4 Comparison of calculated results by observation method and fitting method for different regions

圖4 HLJ 地區(qū)WT-2 參數(shù)孔觀測(cè)曲線與擬合曲線對(duì)比Fig.4 Comparison between observation curve and fitting curve of WT-2 parameter hole in HLJ area

圖5 十紅灘地區(qū)WT-4 參數(shù)孔觀測(cè)曲線與擬合曲線對(duì)比Fig.5 Comparison between observation curve and fitting curve of WT-4 parameter hole in Shihongtan area

參數(shù)孔觀測(cè)過程中鉆孔含礦層狀態(tài)的改變是導(dǎo)致兩種方法計(jì)算出的鐳氡平衡系數(shù)結(jié)果不同的主要原因。如：WT-2 觀測(cè)期間，距該孔400 m 處進(jìn)行水文參數(shù)孔抽水試驗(yàn)，因抽水試驗(yàn)的影響，水中氡往水文觀測(cè)孔方向遷移，導(dǎo)致物探參數(shù)孔觀測(cè)值變化相對(duì)較大，尤其是最后2 次觀測(cè)數(shù)值的降低，與實(shí)際的氡恢復(fù)規(guī)律不符；而經(jīng)擬合后，呈現(xiàn)的擬合曲線更為圓滑，并且無限接近飽和值，其計(jì)算的鐳氡平衡系數(shù)為0.85，與HLJ 地區(qū)第一個(gè)物探參數(shù)孔的鐳氡平衡系數(shù)結(jié)果一致，表明HLJ 地區(qū)鐳氡平衡系數(shù)采用擬合法確定更為可信。

7 結(jié)論

通過對(duì)寶龍山鐳氡平衡系數(shù)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，得出以下兩點(diǎn)結(jié)論：

1）經(jīng)分析對(duì)比法和物探參數(shù)孔觀測(cè)法計(jì)算結(jié)果分析可知，分析對(duì)比法計(jì)算出的鐳氡平衡系數(shù)受礦段采取率等因素的影響，所計(jì)算出的鐳氡平衡系數(shù)變化范圍相對(duì)較大，部分礦段存在與“壓氡效應(yīng)”相違背的現(xiàn)象；物探參數(shù)孔觀測(cè)法最大程度地還原了礦層的原始狀態(tài)，但因鉆孔內(nèi)真實(shí)情況與儀器等外界因素的影響，最后的觀測(cè)值變化相對(duì)較小，其值與飽和值接近，誤差相對(duì)較小。因此，物探參數(shù)孔觀測(cè)法確定的鈾礦鐳氡平衡系數(shù)更為科學(xué)和準(zhǔn)確，其結(jié)果的可信度高于分析對(duì)比法。

2）以冪函數(shù)擬合出的觀測(cè)曲線其形態(tài)則更為接近指數(shù)形態(tài)，最大程度地減小了偶然誤差，避免了鉆孔內(nèi)其他因素的影響。尤其是在趨于平衡后觀測(cè)數(shù)據(jù)不充足或最后觀測(cè)數(shù)據(jù)有所下降的情況下，難以準(zhǔn)確地確定最終的飽和值，采用平均值法計(jì)算出的鐳氡平衡系數(shù)誤差相對(duì)更大；而通過擬合求取飽和值，能夠真實(shí)地反映出鉆孔內(nèi)實(shí)際氡的恢復(fù)規(guī)律，有效地避免了因最后觀測(cè)值的不準(zhǔn)確帶來的誤差，計(jì)算出的鐳氡平衡系數(shù)更符合實(shí)際，結(jié)果可信度更高，理論上認(rèn)為其結(jié)果為實(shí)際鐳氡平衡系數(shù)。