管少斌 唐曉川 高國(guó)林

（核工業(yè)航測(cè)遙感中心）

鈾礦勘查綜合測(cè)井的目的是獲取地層含鈾性、物性及鉆孔幾何狀態(tài)等信息，在評(píng)價(jià)鈾礦層的邊界位置、品位和厚度的同時(shí)，還能獲取成礦環(huán)境信息、圍巖物性參數(shù)及資源儲(chǔ)量估算參數(shù)等信息［1～13］。 隨著我國(guó)鈾礦勘查主攻方向轉(zhuǎn)向北方可地浸砂巖型鈾礦和對(duì)勘查工作降本增效要求的提出，鈾礦勘查深度大幅度增加和礦床開采方式創(chuàng)新轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)的綜合測(cè)井和數(shù)據(jù)解釋，對(duì)探測(cè)下限、精度和測(cè)量速度，以及井徑、井斜、電阻率、自然電位、密度及聲波等輔助測(cè)井參數(shù)指標(biāo)都提出了更高要求，研制集多參數(shù)為一體的鈾礦勘查綜合測(cè)井儀， 兼顧成礦環(huán)境探查的磁性、電性、彈性、密度及放射性等參數(shù)的綜合測(cè)井，必將發(fā)揮更大的作用［14，15］。 這也促使綜合測(cè)井儀器向著一次測(cè)井，可同步獲取定量γ、自然γ、井斜、電阻率、自然電位、井徑、密度及聲波等多參數(shù)的一體化測(cè)井儀方向發(fā)展［16～20］。 先進(jìn)的測(cè)井技術(shù)裝備必須要有先進(jìn)的計(jì)量技術(shù)作為保障，才能發(fā)揮其高效、先進(jìn)的作用。 目前我國(guó)應(yīng)用于鈾礦勘查的放射性測(cè)井計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)在技術(shù)水平、規(guī)模建制上已經(jīng) 居 于 世 界 先 進(jìn) 水 平［21，22］，填 補(bǔ) 了 國(guó) 內(nèi) 一 系 列 空白，但聲波、電法等輔助測(cè)井參數(shù)缺乏統(tǒng)一計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，在多井孔數(shù)據(jù)的聯(lián)合解釋中會(huì)帶來較大的不確定度，一體化鈾礦勘查綜合測(cè)井技術(shù)和儀器設(shè)備可以大幅提高測(cè)井效率，砂巖型鈾礦測(cè)井模型體系化能有效提高測(cè)井下限和解釋精度。 但囿于專業(yè)領(lǐng)域限制，對(duì)保障鈾礦勘查綜合測(cè)井中的聲測(cè)井、井徑測(cè)井、磁測(cè)井、電測(cè)井、井溫測(cè)井及砂巖型鈾礦測(cè)井模型等檢定裝置尚有欠缺，逐步研制完善鈾礦勘查綜合測(cè)井裝置標(biāo)準(zhǔn)并建立相關(guān)校準(zhǔn)技術(shù)具有重要意義。

1 鈾礦勘查綜合測(cè)井概述

集電法、磁法及聲波等一體化測(cè)井技術(shù)和儀器設(shè)備在石油天然氣、煤炭等勘探領(lǐng)域已十分成熟。 經(jīng)過多年的技術(shù)研究，集多測(cè)量參數(shù)為一體的綜合測(cè)井技術(shù)以及適合鈾礦勘查鉆孔孔徑的綜合測(cè)井儀器設(shè)備已逐步成熟［20］。 鈾礦勘查中，綜合測(cè)井主要包括核測(cè)井技術(shù)、 井徑測(cè)井技術(shù)、井斜測(cè)井技術(shù)、電法測(cè)井技術(shù)和聲波測(cè)井技術(shù)。

1.1 核測(cè)井技術(shù)

核測(cè)井技術(shù)也被稱為放射性測(cè)井技術(shù)，可以簡(jiǎn)單分為兩類，包括γ 測(cè)井和中子測(cè)井。γ 測(cè)井分為定量γ 測(cè)井、自然γ 測(cè)井、自然γ 能譜測(cè)井和γ-γ 密度測(cè)井（簡(jiǎn)稱密度測(cè)井）；中子測(cè)井分為裂變中子測(cè)井、中子壽命測(cè)井和中子-γ 測(cè)井。

在鈾礦勘查中，定量γ 測(cè)井結(jié)果是可以直接用來估算鈾資源量的測(cè)井技術(shù)，也是固體礦產(chǎn)中唯一用于資源量估算的技術(shù)［13］。 與自然γ 測(cè)井相比，最主要的區(qū)別是兩者測(cè)量的能量起始閾值不同， 定量γ 測(cè)井的晶體組件外包裹1 mm 厚的鉛錫屏蔽套，可以屏蔽鉆孔內(nèi)能量在400 keV 以下的低能散射影響［23］。 為此，EJ/T 611—2005《γ 測(cè)井規(guī)范》中，明確規(guī)定了FD-3019 和HD-4002 型γ 測(cè)井儀可用于定量γ 測(cè)井。

密度測(cè)井主要用來確定地層的體積密度和孔隙度，以及結(jié)合電阻率、聲波曲線劃分巖性。 測(cè)井探管加裝γ 源（137Cs），通過測(cè)量地層的散射γ 強(qiáng)度來計(jì)算地層密度。 通常采用兩個(gè)不同源距的探測(cè)器，求得在泥餅影響條件下巖石的體積密度值。

1.2 井徑測(cè)井技術(shù)

井徑儀是測(cè)量鉆孔直徑的儀器。 常見的井徑儀有單臂、三臂或四臂。 鈾礦勘查中往往使用密度探管的推臂器來測(cè)量井徑。

井徑參數(shù)主要用來了解鉆孔直徑的變化情況，輔助其他測(cè)井資料判斷地層巖性，以及對(duì)測(cè)井解釋環(huán)境影響校正。 鈾礦勘查中利用井徑參數(shù)獲得井液厚度，對(duì)γ 測(cè)井進(jìn)行修正后確定礦段層位和定量計(jì)算礦段品位。

1.3 井斜測(cè)井技術(shù)

井斜測(cè)井主要測(cè)量鉆孔的頂角和方位角。 分為普通測(cè)斜儀和陀螺測(cè)斜儀。 普通測(cè)斜儀是借助地磁參數(shù)測(cè)量的， 只能在沒有鐵套管時(shí)測(cè)量；陀螺測(cè)斜儀是借助重力的機(jī)械測(cè)量方式，可以在鉆桿內(nèi)測(cè)量，測(cè)量時(shí)更加安全、準(zhǔn)確。

井斜測(cè)井用來計(jì)算目的層垂深和各方向的位移，確定目的層在構(gòu)造上的高度和位置，將γ測(cè)井計(jì)算的鈾礦層視厚度修正為真厚度。

1.4 電法測(cè)井技術(shù)

電法測(cè)井包括三側(cè)向電阻率測(cè)井、電阻率測(cè)井和自然電位測(cè)井。

電法測(cè)井主要用來劃分巖性剖面和確定地層界面，以及計(jì)算地層的真電阻率。

1.5 聲波測(cè)井技術(shù)

聲波測(cè)井，通常指聲波速度測(cè)井。 主要是根據(jù)巖石或流體的聲速不同， 測(cè)得聲波反射時(shí)差，即聲波時(shí)差，是介質(zhì)的彈性、密度和狀態(tài)的一個(gè)綜合反映。

其他包括聲波幅度測(cè)井、 聲波變密度測(cè)井、全波列測(cè)井、環(huán)形聲波測(cè)井、聲波電視測(cè)井及聲波成像測(cè)井等。

聲波測(cè)井主要用來確定地層巖性和計(jì)算孔隙度。

2 綜合測(cè)井儀現(xiàn)行檢定/刻度技術(shù)

檢定/校準(zhǔn)是目前通用的計(jì)量術(shù)語，刻度是在過去自然形成的一個(gè)校正儀器術(shù)語。 本著尊重原文的原則，對(duì)于儀器說明書中仍然沿用刻度一詞的說法，不做改變。

鈾礦勘查中使用的綜合測(cè)井參數(shù)， 只有定量γ 測(cè)井和γ-γ 密度測(cè)井可以在核工業(yè)放射性勘查計(jì)量站進(jìn)行檢定獲得， 其他測(cè)井參數(shù)目前尚未建立統(tǒng)一的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)， 只能采用生產(chǎn)廠家提供的刻度器進(jìn)行刻度，這是產(chǎn)生量值不統(tǒng)一的主要原因。

2.1 γ 測(cè)井儀的檢定

核工業(yè)放射性勘查計(jì)量站自1978 年建站開始，研建了γ 測(cè)井模型標(biāo)準(zhǔn)裝置（國(guó)防區(qū)域最高標(biāo)準(zhǔn)——〔2001〕國(guó)防計(jì)標(biāo)區(qū)域證G2575 號(hào)，國(guó)家專項(xiàng)計(jì)量授權(quán)標(biāo)準(zhǔn)——〔2005〕 國(guó)量標(biāo)核證字第004 號(hào)），如圖1 所示，實(shí)現(xiàn)了γ 測(cè)井儀測(cè)量對(duì)象由照射量率 （C/（kg·h）） 向含量單位 （μg/g，原ppm）的轉(zhuǎn)換，顯著提高了儀器的校準(zhǔn)精度和勘探效率，降低了勘探成本［21］。 “十二五”期間，將模型鈾含量的上限由1%拓展到了5%，形成了完整的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)體系， 現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)含量范圍eU 為2.0×10-6～5.1×10-2g/g，eTh 為2.0×10-6～1.5×10-2g/g，K為2.0×10-3～6.0×10-2g/g，并據(jù)此形成了相應(yīng)計(jì)量技術(shù)規(guī)范，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為JJG（軍工） 27—2012《 γ 測(cè)井儀檢定規(guī)程》［23］。

圖1 γ 測(cè)井模型標(biāo)準(zhǔn)裝置

2019～2021 年，在鈾礦勘查用γ 測(cè)井儀檢定過程中， 檢出不合格儀器數(shù)量占比約12.2%［24］。通過儀器檢定，有效控制了計(jì)量性能不合格儀器進(jìn)入生產(chǎn)和科研環(huán)節(jié)，降低了儀器帶來的不確定性。

2.2 密度測(cè)井儀的檢定

密度測(cè)井儀的一級(jí)刻度（校準(zhǔn)）在巖石模型上進(jìn)行，二級(jí)刻度通常選擇有機(jī)玻璃模塊（密度1.18 g/cm3）和鋁模塊（密度2.78 g/cm3）進(jìn)行刻度。

石油工業(yè)測(cè)井計(jì)量站建有完整的密度孔隙度刻度井群，共有22 個(gè)密度模塊，井徑?150 mm、?250 mm。 我國(guó)砂巖型鈾礦勘查鉆孔井徑通常為?110 mm，2002 年核工業(yè)放射性勘查計(jì)量站建立了適用于砂巖型鈾礦測(cè)井的密度孔隙度測(cè)井模型標(biāo)準(zhǔn)（國(guó)防區(qū)域最高標(biāo)準(zhǔn)——〔2017〕國(guó)防計(jì)標(biāo)證3264 號(hào)），該標(biāo)準(zhǔn)采用的是天然砂巖，密度范圍2.138～2.494 g/cm3，模擬鉆孔井徑90 mm［25］，如圖2 所示。

圖2 密度孔隙度測(cè)井模型標(biāo)準(zhǔn)裝置

用密度孔隙度測(cè)井模型標(biāo)準(zhǔn)對(duì)243-1#和243-2#密度測(cè)井儀進(jìn)行校準(zhǔn)后， 驗(yàn)證的測(cè)量結(jié)果見表1。結(jié)果表明，兩套密度測(cè)井儀測(cè)量結(jié)果與模型標(biāo)稱值的相對(duì)偏差不超過2%， 密度孔隙度測(cè)井模型標(biāo)準(zhǔn)完全適合于砂巖型鈾礦勘探用密度測(cè)井儀的校準(zhǔn)。

表1 密度測(cè)井儀驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果

2.3 中子測(cè)井儀的檢定

瞬發(fā)裂變中子測(cè)井（PFN）目前在我國(guó)已開展了多年的研究，雖尚未在鈾礦勘查中開展大規(guī)模應(yīng)用，但研究結(jié)果表明瞬發(fā)裂變中子測(cè)井在砂巖型鈾礦勘查領(lǐng)域擁有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

為了開展前瞻性技術(shù)研究，2002 年核工業(yè)放射性勘查計(jì)量站建立了適用于瞬發(fā)裂變中子測(cè)井和γ 測(cè)井的砂巖型鈾礦測(cè)井模型標(biāo)準(zhǔn)裝置（國(guó)防區(qū)域最高標(biāo)準(zhǔn)——〔2018〕 國(guó)防計(jì)標(biāo)區(qū)域證G2850 號(hào)），鈾含量范圍（281～983）×10-6g/g，如圖3 所示，并據(jù)此編制了國(guó)防計(jì)量技術(shù)規(guī)范，現(xiàn)行規(guī)范為JJG（軍工） 151—2017《裂變中子測(cè)井儀檢定規(guī)程》［26］。

圖3 砂巖型鈾礦測(cè)井模型標(biāo)準(zhǔn)裝置

2.4 井徑儀的刻度

井徑儀的刻度通常采用生產(chǎn)廠家配備的不同尺寸的井徑環(huán)或井徑規(guī)（圖4），在?60 ～?300 mm 范圍內(nèi)采用至少兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)，通常選取儀器測(cè)量的最大井徑和最小井徑刻度，線性擬合得到刻度方程。

圖4 單臂井徑測(cè)井儀刻度器

井徑儀檢查的允許誤差為5 mm［27］。

2.5 井斜儀的刻度

井斜儀的刻度通常采用生產(chǎn)廠家配備的井斜方位校驗(yàn)臺(tái)。 頂角和方位角的刻度方法與儀器類型有關(guān)。

井斜儀檢查頂角范圍選擇0～15°， 方位角范圍選擇0～360°，每隔45°測(cè)量一組。頂角絕對(duì)偏差最大不超過0.5°，方位角絕對(duì)偏差最大不超過5°［27］。

目前正在進(jìn)行磁三分量校準(zhǔn)裝置研建和校準(zhǔn)技術(shù)研究，將解決借助地磁參數(shù)測(cè)量井斜的儀器計(jì)量問題。

2.6 電法測(cè)井儀的刻度

電法測(cè)井儀的刻度通常采用生產(chǎn)廠家配備的多擋位標(biāo)準(zhǔn)電阻率-自然電位刻度器， 電阻率和自然電位測(cè)井儀可以共用一套刻度器模擬地層電阻率來刻度測(cè)井儀。 通常采樣兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)線性擬合得到刻度方程。

電阻率檢查允許誤差不大于5%［27］。

2.7 聲波測(cè)井儀的刻度

聲波測(cè)井儀校準(zhǔn)裝置用來校準(zhǔn)聲波測(cè)井儀，可以是固定的，或是不固定的設(shè)備。 一般用高、低聲阻抗的材料制成，或者用實(shí)際的巖塊制成。 聲波測(cè)井儀校準(zhǔn)裝置模擬實(shí)際鉆孔巖層的聲學(xué)特性。 要求其聲阻抗等物理特性長(zhǎng)期穩(wěn)定不變，材料應(yīng)不滲水、不溶解、低孔隙度。

選擇的兩個(gè)聲波刻度器，分別為鋼筒和塑料筒，給定的聲波時(shí)差范圍分別是（187±5） μs/m 和（550±10） μs/m。 刻度器尺寸一般內(nèi)徑?110 mm、外徑?120 mm、長(zhǎng)1.5 m。

聲波測(cè)井儀器校準(zhǔn)裝置安裝和檢定好后，就可以對(duì)聲波測(cè)井儀器進(jìn)行校準(zhǔn)刻度。 聲波測(cè)井儀器在不同聲阻抗模擬孔內(nèi)測(cè)得不同的響應(yīng)數(shù)據(jù)，測(cè)量數(shù)據(jù)和模擬裝置的示值數(shù)據(jù)進(jìn)行刻度即可得到各測(cè)井儀器的刻度系數(shù)。

3 綜合測(cè)井儀校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)和展望

3.1 井徑測(cè)井儀校準(zhǔn)裝置

由于井徑環(huán)或井徑規(guī)的厚度有限，刻度時(shí)受到井徑測(cè)井儀姿態(tài)位置的影響較大，設(shè)計(jì)將井徑校準(zhǔn)與γ 測(cè)井校準(zhǔn)融于一體（圖5），保證井徑測(cè)井儀校準(zhǔn)時(shí)，探管姿態(tài)能夠完全模擬實(shí)際測(cè)井環(huán)境，通過對(duì)鈾礦勘探孔井徑的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)γ 測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的修正，提高對(duì)不同尺寸鈾礦勘探孔鈾礦資源儲(chǔ)量的估算準(zhǔn)確度。

圖5 井徑-γ 測(cè)井校準(zhǔn)裝置示意圖

3.2 電法測(cè)井校準(zhǔn)裝置

地層電阻率與地層的巖性及孔、滲、飽參數(shù)的關(guān)系具有多解性，因此，不能指望僅僅依靠地層電阻率來確定地層的巖性及孔、滲、飽參數(shù)。 同樣，也無法通過人為制造不同的巖性及孔、滲、飽模擬參數(shù)，來獲得實(shí)際地層的標(biāo)準(zhǔn)電阻率參數(shù)。

唯一可行的選擇方案是用電阻率不同的水溶液代替地層，保證水溶液的電阻率是可準(zhǔn)確測(cè)量和己知的基本要點(diǎn)。 對(duì)于砂巖型鈾礦來說，泥巖-砂巖-砂礫巖-礫巖的電阻率逐漸增高， 地層電阻率的變化主要由地層孔隙度和孔隙中的流體導(dǎo)電性決定。 純凈水是不導(dǎo)電的，在純凈水中溶解了一些諸如NaCl、KCl 等鹽類后， 引起了流體導(dǎo)電性的變化， 也相應(yīng)的具有了不同的電阻率，在這個(gè)意義上用電阻率不同的水溶液模擬地層，物理意義是相通的。

電法測(cè)井儀校準(zhǔn)裝置主體結(jié)構(gòu)是圓柱形容器，包括內(nèi)部中心一個(gè)可拆卸的內(nèi)桶（模擬侵入帶），底部有進(jìn)水管、進(jìn)氣管（均勻性攪拌），在預(yù)調(diào)桶內(nèi)配置好的鹽水經(jīng)循環(huán)泵到標(biāo)準(zhǔn)井中，并配置高精度電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x監(jiān)測(cè)鹽水溶液電阻率，如圖6 所示。

圖6 電阻率測(cè)井校準(zhǔn)裝置示意圖

配置兩個(gè)不同電阻率值的溶液，通過線性擬合得到電阻率和自然電位的刻度方程，進(jìn)而對(duì)電法測(cè)井儀進(jìn)行校準(zhǔn)。

3.3 聲波測(cè)井儀校準(zhǔn)裝置

同電法與地層一樣， 聲波同樣具有多解性，鋼質(zhì)或塑料材質(zhì)與實(shí)際測(cè)量對(duì)象 （野外鉆孔巖石）差別較大，巖石的密度、孔隙度等巖性對(duì)聲波測(cè)井的影響無法有效模擬和開展影響因素試驗(yàn)研究，因此采用該方法制作標(biāo)準(zhǔn)裝置不合適。

圖7 所示為設(shè)計(jì)的聲波測(cè)井儀校準(zhǔn)裝置，首先建造標(biāo)準(zhǔn)井的儲(chǔ)存池， 采用水泥混凝土澆筑，在底部安裝標(biāo)準(zhǔn)井的正下方打一延伸孔，孔可以保證測(cè)井探管測(cè)量到標(biāo)準(zhǔn)井的全部。 為保證標(biāo)準(zhǔn)井巖石內(nèi)孔隙流體參數(shù)的穩(wěn)定不變，池內(nèi)充裝淡水。3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)井井孔對(duì)齊安裝在池內(nèi)中部，從底部按砂巖標(biāo)準(zhǔn)井→白云巖標(biāo)準(zhǔn)井→砂巖標(biāo)準(zhǔn)井的順序依次安裝。

圖7 聲波測(cè)井校準(zhǔn)裝置示意圖

3.4 砂巖型鈾礦測(cè)井模型

現(xiàn)有砂巖型鈾礦測(cè)井模型標(biāo)準(zhǔn)裝置含有4個(gè)模型，模型鈾含量?jī)H為（281～983）×10-6g/g，不能覆蓋我國(guó)北方可地浸砂巖型鈾礦的最低可采品位10-4g/g，也不能滿足高鈾含量砂巖型鈾礦的計(jì)量需求。

通過調(diào)研礦石原材料，按照工藝試驗(yàn)確定的配比，分層澆注不同鈾含量的測(cè)井模型，擴(kuò)展現(xiàn)有砂巖型鈾礦測(cè)井模型量值范圍 （50～10 000）×10-6g/g， 使其基本覆蓋我國(guó)砂巖鈾礦鈾含量范圍，為砂巖型鈾礦勘查提供計(jì)量保障。

4 結(jié)束語

γ 測(cè)井和地球物理綜合測(cè)井在鈾礦勘查中發(fā)揮了重要作用，在其基礎(chǔ)上利用現(xiàn)代電子集成技術(shù)，將中子、密度、井斜、井徑、電法及聲波等輔助鈾礦勘查儀器集為一體的綜合測(cè)井技術(shù)和儀器將是重要的發(fā)展方向。 在現(xiàn)有核測(cè)井計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上，通過對(duì)未來發(fā)展趨勢(shì)的展望，設(shè)計(jì)了井徑、電法、聲波等測(cè)井裝置及砂巖型鈾礦測(cè)井模型研制方法和檢定技術(shù)，有望在近期研制較完善的鈾礦勘查綜合測(cè)井儀計(jì)量裝置和建立系列計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)， 解決刻度器量值溯源不統(tǒng)一的弊端，減少綜合測(cè)井儀校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度，提高鈾礦勘查測(cè)井效率和準(zhǔn)確度，更好地服務(wù)于鈾礦勘查。