馮延強，焦倉文，邵帥，吳仙明，布和

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 中核集團鈾資源勘查與評價技術重點實驗室，北京 100029）

目前，我國鈾礦科學深鉆的深度已突破3 000 m［1］，但可用于地層鈾、釷含量定量探測的井下伽馬能譜測井裝備僅可達到1 500 m［2-4］，難以滿足鈾礦科學深鉆的測井需求。因此，研究解決伽馬能譜測井裝備的耐高溫、高壓技術問題，實現(xiàn)小口徑高溫伽馬能譜定量探測技術裝備具有重要意義。

結(jié)合我國鈾礦伽馬能譜測井技術現(xiàn)狀，實現(xiàn)小口徑條件下耐高溫技術裝備，存在以下問題需要解決：

1）深孔井液高溫環(huán)境對于能譜探測器、探管內(nèi)部電路電子元器件的影響［5-6］，是需要解決的首要問題；

2）深孔測井中，井下探管需要長時間連續(xù)供電工作，電路電子器件、處理器等的熱功耗如何擴散［7］，是需要解決的另一關鍵問題；

3）在解決井下耐溫承壓問題后，如何實現(xiàn)高溫環(huán)境條件下的伽馬能譜準確定量探測［8-9］，需要探測器硬件、譜數(shù)據(jù)處理以及定量解釋修正參數(shù)等方面開展相關研究工作。

1 研究思路

針對上文提及的待解決問題，筆者從高溫伽馬能譜探測技術、深井探管耐溫以及承壓幾方面開展了研究，其總體研究思路如圖1 所示。高溫伽馬探測技術通過新型探測器數(shù)字化核脈沖信號獲取、高含量核脈沖信號處理、井下低功耗電源供電以及高溫穩(wěn)譜、迭代解譜等技術研究，解決了井下高溫、高壓環(huán)境下鈾高含量定量探測的關鍵技術問題；小口徑探管耐高溫技術通過研究真空隔熱技術和相變吸熱技術，實現(xiàn)外部熱隔離和內(nèi)部熱吸收的效果，解決深孔井液高溫對探管內(nèi)部電子器件、探測器的影響以及探管內(nèi)部深孔長時間工作的熱功耗升溫問題；深井探管承壓問題通過選用高溫形變系數(shù)較小的材料、一體化承壓結(jié)構工藝等研究實現(xiàn)。

圖1 總體研究技術路線圖Fig.1 Technical roadmap of overall project research

2 高溫伽馬能譜探測技術研究

2.1 新型探測器及數(shù)字化核脈沖信號獲取技術研究

本次研究的新型高分辨率CeBr3晶體探測器，其光輸出衰減時間僅約為17 ns，662 keV能量分辨能力約4.0 %［10-11］，有利于高強度輻照環(huán)境下的γ 射線探測應用，能有效提高了井下地層鈾礦體較高輻照強度下探測精度；設計了基于FPGA 的數(shù)字化核脈沖信號多道采集系統(tǒng)，數(shù)字化濾波、成形、峰值保持及峰值提取技術，技術原理見圖2 所示，可獲取40～3 000 keV 全譜數(shù)據(jù)，相較傳統(tǒng)能窗式譜數(shù)據(jù)有效提高了伽馬能譜測井結(jié)果準確性。

圖2 數(shù)字化核脈沖信號多道采集系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of multi-channel acquisition system of digital nuclear pulse signal

2.2 高數(shù)據(jù)吞吐率核脈沖信號處理技術研究

針對深孔高溫井液對伽馬能譜探測的影響以及井下γ 探測器接收來自周圍礦體的高照射劑量的空間輻照特點，且不同含量礦體的強度差異變化較大，相對γ 射線強度較高，研究了基于數(shù)字化高吞吐率的核脈沖信號處理技術，該技術采用快/慢雙通道成形算法，有效降低了系統(tǒng)死時間影響，能夠滿足井下地層鈾礦體1.0%鈾含量時的γ能譜探測需要。實現(xiàn)的硬件系統(tǒng)原理及實物如圖3 所示，在不同鈾含量飽和模型實測數(shù)據(jù)如圖4 所示，較傳統(tǒng)多道采集在不同鈾含量的線性響應關系得到明顯提高。

圖3 數(shù)字化核脈沖信號處理技術原理框圖Fig.3 Principle diagram of signal processing technology of digital nuclear pulse

圖4 研發(fā)硬件系統(tǒng)與傳統(tǒng)多道在不同鈾含量飽和模型實測結(jié)果的對比曲線Fig.4 Comparison curve between the measured results of the developed hardware system and the traditional multi-channel system under different uranium saturation models

2.3 井下低功耗電源設計

針對探管內(nèi)部有限空間，模塊化直流穩(wěn)壓電源發(fā)熱較大的問題，設計了基于UC3845 反激式井下探管電源。該電源結(jié)構簡單、外圍電路元器件少、輸出電壓穩(wěn)定、隔離高頻變壓器散熱良好，低功耗僅1 mA 電流，更有利于深井（超3 000 m）長時間工作時降低管內(nèi)溫升。試驗數(shù)據(jù)表明在120 min 內(nèi)的溫升為5.2 ℃，傳統(tǒng)模塊溫升為19.9 ℃，效果明顯，可有效降低探管內(nèi)部的溫升，進而增加探管在井下的連續(xù)工作時間。

2.4 基于241Am 自穩(wěn)源穩(wěn)譜技術研究

利用241Am 等效伽馬能峰作為自穩(wěn)參考峰，通過實時監(jiān)測峰位變化而調(diào)整系統(tǒng)細增益值，研究中實現(xiàn)了較好的穩(wěn)譜效果。實驗室條件下，在10～70 ℃不同溫度時的穩(wěn)譜效果如圖5 所示，圖5a為無穩(wěn)譜作用條件下受溫度影響峰位變化情況，圖5b為穩(wěn)譜作用下不同溫度時的峰位情況，可見穩(wěn)譜效果明顯，監(jiān)測峰位幾乎保持不變；針對不同鈾含量時穩(wěn)譜試驗數(shù)據(jù)如圖6 所示，試驗包括了鈾含量100×10-6～10 000×10-6范圍內(nèi)的不同飽和模型，由圖6a可見不同鈾含量時峰位有明顯變化，經(jīng)穩(wěn)譜后如圖6b 所示，峰位基本保持不變。

圖5 不同溫度條件下穩(wěn)譜前后特征峰位統(tǒng)計對比圖Fig.5 Comparison of characteristic peak positions before and after spectrum stabilization under different temperature conditions

圖6 不同鈾含量條件下穩(wěn)譜前后特征峰位統(tǒng)計對比圖Fig.6 Comparison of characteristic peak positions before and after spectrum stabilization under different uranium contents

3 小口徑一體化承壓耐溫技術研究

小口徑一體化承壓耐溫技術采用真空隔熱技術、相變吸熱技術以及一體化結(jié)構工藝技術等，解決了深孔井液高溫對探管內(nèi)部電子器件、探測器的影響以及探管內(nèi)部深孔長時間工作的熱功耗升溫問題。設計真空多層絕熱層厚度為5 mm，密封夾層內(nèi)填充脫蠟、酸洗后干燥的無堿玻璃纖維布，真空層真空度約10-3Torr，系統(tǒng)結(jié)構如圖7 所示。

圖7 探管機械結(jié)構示意圖Fig.7 Schematic diagram of probe tube mechanical structure

為進一步提高耐溫特性，研究中通過增加探管頭的長度，減少對流影響；并且在探管頭與上吸熱模塊之間設計了隔熱模塊。隔熱模塊采用玻璃鋼外管，內(nèi)填充導熱系數(shù)較小的無堿玻璃纖維棉，以此來降低熱對流的影響，從而達到有效隔熱的目的；管內(nèi)相變吸熱技術采用相變溫度約48℃的復合鹽類來吸收探管內(nèi)部熱量，在探管中設計了底部、頂部雙吸熱模塊，確保探管內(nèi)部不會因內(nèi)部電路熱功耗而使溫度超過75℃；小口徑一體化承壓耐溫結(jié)構材料采用TC11 鈦合金，增加承壓耐溫能力；工藝方面，在與鈦合金管體通過三角堆焊技術實現(xiàn)探管頭與承壓尾管連接密封，探管整體采用一次車加工成形，確保承壓35 MPa 以上。

4 應用試驗

4.1 性能指標對比分析

國外可在高溫環(huán)境下應用的γ 能譜測井儀產(chǎn)品包括：Century 公司研制的9057 e-log 型、RG 公司研制的Micro logger II、Antares 公司開發(fā)的ANTARES 1450 型、ELECTROMIND 公司研制的GR 38 & 25 型、Halliburton 公司開發(fā)的RMT-3DTM型以及Geo-Vista 公司研發(fā)的TSTHL 型等；國內(nèi)相關產(chǎn)品主要是中地裝（重慶）地質(zhì)儀器有限公司的R411 型和西安瑞達物探設備有限公司的RDNP-G 系列。本次研究技術與現(xiàn)有國內(nèi)外相關技術產(chǎn)品性能指標對比如表1 所示。

經(jīng)對比，本次研究技術的主要技術指標達到或高于國外石油領域相關技術裝備，且在鈾礦定量測量指標方面，研究技術具有明顯優(yōu)勢與針對性，石油領域eU 測量上限一般小于500×10-6，而本次研究技術的eU 測量上限可達到5 000×10-6；相較國內(nèi)同類產(chǎn)品技術指標，本次研究成果無論在耐高溫技術指標、鈾礦定量探測指標等方面均具有明顯技術優(yōu)勢。

4.2 諸廣鈾礦田應用試驗

諸廣鈾礦田長江1 號科學鉆孔發(fā)現(xiàn)了我國1 550 m 最深的工業(yè)鈾礦化，鉆孔地溫梯度約4.6℃/100 m。γ 能譜測井采用連續(xù)取樣方式，點距為0.05 m，測井速度在下放、上提均為5 m/min，異常段測井速度為2 m/min，測井深度為1 709 m，采集原始測井數(shù)據(jù)為34 180 點，獲取數(shù)據(jù)如圖8 所示。

圖8 長江1 號鉆孔實際應用測井數(shù)據(jù)曲線圖Fig.8 Well logging curve of the Changjiang No.1 borehole

在獲取γ 能譜測井數(shù)據(jù)基礎上，基于礦段基本為鈾異?？紤]，進行了γ能譜測井解釋與γ總量測井解釋的對比，兩種方法解釋參數(shù)巖石密度、鈾鐳平衡系數(shù)等均一致。由于鉆孔礦段基本沒有釷，所以利用γ總量測井結(jié)果計算鈾含量時未作釷修正。其中某典型礦段伽馬總量與伽馬能譜測井計算鈾含量對比如圖9所示。選取其中5個不同鈾含量的鈾礦異常段進行伽馬能譜與伽馬總量解釋結(jié)果（米百分值）的對比（表2），可見伽馬能譜解釋結(jié)果與伽馬總量解釋結(jié)果基本一致，在鈾異常段、礦化段的相對偏差均在±10%以內(nèi)。

表2 伽馬能譜與伽馬總量解釋結(jié)果對比表Table 2 Comparison of gamma energy spectrum and total gamma interpretation results

圖9 鈾礦段伽馬能譜與伽馬總量測井結(jié)果對比圖Fig.9 Comparison chart of gamma energy spectrum and total gamma logging results of uranium ore block

4.3 相山鈾礦田應用試驗

相山鈾礦田3 000 m 科學深鉆（CUSD2-1）是我國目前鈾礦科學深鉆設計施工的最深孔，對獲取深部地質(zhì)結(jié)構和成礦環(huán)境信息，全面提升鈾多金屬深部探測技術水平具有重要科學意義。本次研究技術在2020 年6 月、9 月及2021 年1 月先后3 次開展了鉆孔γ 能譜測井應用，實測數(shù)據(jù)如圖10 所示，首次獲取了鈾礦領域超3 000 m 深度的鉆孔鈾、釷、鉀含量數(shù)據(jù)，并在1 700 m 至2 100 m 發(fā)現(xiàn)了多處低值鈾異常。

圖10 CUSD2-1 鉆孔實際應用測井數(shù)據(jù)曲線Fig.10 Well logging curve of borehole CUSD2-1

5 結(jié) 論

通過深井系統(tǒng)電源、新型探測器數(shù)字化核脈沖信號采集以及一體化真空隔熱、相變吸熱等技術研究，設計了鈦合金一體化真空隔熱與承壓探管結(jié)構，并結(jié)合管內(nèi)相變吸熱技術應用研究，實現(xiàn)了探管外部熱隔離、內(nèi)部熱吸收，有效解決了近3 000 m 深度伽馬能譜測井儀的承壓耐溫問題。

研究技術及硬件首次實現(xiàn)超3 000 m 深度鈾礦鉆孔地層鈾、釷、鉀數(shù)據(jù)的有效獲取，將我國鈾礦定量γ 能譜測井能力從原先1 500 m 提升至3 000 m，是目前核工業(yè)系統(tǒng)內(nèi)唯一測井能力達3 000 m 深度的γ 能譜測井儀。