張雪昂,楊志超,李小燕,董麗媛

(1.東華理工大學 核科學與工程學院,江西 南昌 330013;2.東華理工大學 地球物理與測控技術學院,江西 南昌 330013)

0 引言

鈾礦勘探工作中,鈾礦中子測井是探測鈾礦賦存狀態(tài)及儲量的主要方法之一。就中子測井方法而言,其主要包括脈沖中子測井、快中子非彈性散射γ射線能譜測井、中子俘獲射線能譜測井等[1-5]。中子鈾礦測井領域,瞬發(fā)、緩發(fā)中子測井方法得到應用,其中,瞬發(fā)裂變中子測井法被用來分析鈾的賦存性狀及礦化程度[6-12];緩發(fā)中子測井法主要用來確定鈾礦石的品位[13]。20世紀60年代,地浸采鈾法在美國被創(chuàng)立,此技術可探測低品位及大儲量的砂巖型鈾礦[14-16],但地侵砂巖鈾礦賦存深度大、地質(zhì)環(huán)境復雜,使鈾鐳平衡被破壞,這加大了探測難度。之后,直接瞬發(fā)裂變中子測井法被用于直接測鈾[17-18],這使得砂巖鈾礦定量探測效率顯著提升,其測鈾靈敏度達到10-4g/g。國內(nèi)核工業(yè)地質(zhì)局組織相關單位進行裂變中子測井研發(fā)、實驗,并對裂變中子測井技術進行深入研究[19-21]。新疆核工業(yè)某廠于2004年引進并應用俄羅斯裂變中子測井儀(ANHK-60型)進行大量研究工作。隨著中子測井技術在鈾資源礦產(chǎn)勘查領域中的發(fā)展,各類鈾礦被探測、分析[22-25]。

裂隙型鈾礦是鈾礦常見賦存狀態(tài)之一,而裂隙結(jié)構(gòu)復雜導致其探測難度較大。因此目前針對裂隙型砂巖鈾礦的探測研究及數(shù)值模擬建立工作較少[26],尤其針對孔、裂隙的孔隙度及傾角參數(shù)與鈾含量相互影響規(guī)律的研究存在空白。本項目擬通過數(shù)值模擬瞬發(fā)脈沖中子測井法探測裂縫型砂巖鈾礦,通過理想模型的建模,將研究重點集中于裂縫參數(shù)對測井結(jié)果的影響,得到針對各種裂縫、鈾礦參數(shù)的相關性定量分析結(jié)果,為實地鈾資源勘查工作提供可靠參考依據(jù)。

1 裂隙砂巖型鈾礦井孔環(huán)境模擬

井孔環(huán)境數(shù)值模型基于裂隙型砂巖鈾礦環(huán)境。中子源設置于豎直圓柱井孔軸線處,周圍圍巖主要成分為砂巖,同時將裂隙系統(tǒng)鑲嵌于圍巖環(huán)境中,裂縫群傾角一致,此傾角為裂縫結(jié)構(gòu)主體的法向與井軸間的角度,變化范圍0°～90°(圖1)。

圖1 井孔環(huán)境及裂縫傾角示意Fig.1 Schematic diagram of borehole environment

井孔環(huán)境外圍部分存在低滲透泥巖結(jié)構(gòu),裂隙結(jié)構(gòu)中主要含有鈾礦,以及少量黃鐵礦連接(圖1),井孔環(huán)境主要物質(zhì)成分見表1,驗證實驗中裂縫角度分布比例見表2,模擬環(huán)境中稀土元素含量列表(表3)。

表1 井孔環(huán)境主要物質(zhì)成分Table 1 Main material composition of borehole environment

表2 實驗采樣環(huán)境中的裂縫傾角Table 2 Fracture angle in experimental sampling environment

表3 井孔環(huán)境稀土元素Table 3 Rare earth elements list

數(shù)值建模的測井儀器為脈沖中子測井儀,中子源是脈沖寬度為10 μs的氘—氚(D-T)中子源。測井儀直徑6 cm,設立兩個中子探測器,分別為熱中子探測器和超熱中子探測器,兩個探測器的源距分別為15 cm和30 cm。中子源通過核反應公式(式(1))釋放快中子進入地層。

(1)

(2)

通過式(2)可知,鈾礦含量與激發(fā)出的快中子數(shù)量呈比例關系,因此在理想情況下可以通過此方法對鈾礦進行定量。然而,在實際測井工作中,裂縫砂巖鈾礦因為其含有大量裂隙結(jié)構(gòu),且裂隙傾角往往不同,這都對鈾礦定量工作產(chǎn)生巨大的干擾。因此,對裂隙環(huán)境影響因素的校正非常必要,又因為裂縫傾角、孔隙度差異性較大,對探測結(jié)果影響明顯,本文針對裂隙結(jié)構(gòu)對快中子運移的影響規(guī)律進行測井研究,進而為裂縫砂巖鈾礦儲層定量提供有價值的參考依據(jù)。

中子源發(fā)射出的中子進入地層后與地層中各種結(jié)構(gòu)的巖石礦物原子核發(fā)生若干次反應,最終中子的能量會耗盡并被地層元素吸收。不同的地層元素及結(jié)構(gòu)對中子的衰減作用不同,因此通過地層中不同能量中子的分布情況可以判斷礦層狀態(tài)并提供地層環(huán)境校正曲線。

中子運移的方向、角度往往受到自身能量以及碰撞物質(zhì)原子質(zhì)量的影響,當裂隙與井孔呈不同角度時,與中子發(fā)生碰撞、反應的原子核種類及相應數(shù)量具有明顯差異性,進而導致中子能量分布的差異性(式(3))。

(3)

式中:E為中子能量;A為與中子發(fā)生反應的地層元素的原子量;θ為中子反應后的運移角度;M和N為轉(zhuǎn)換系數(shù)。

對兩次碰撞位置關系的確定,可通過式(4)實現(xiàn):

ri+1=ri+LΩi,

(4)

式中:r為中子發(fā)生反應的位置;L為兩次反應發(fā)生點的距離;Ω為運移方向余弦。

對于直角坐標系而言:

(5)

式中:ui、υi、ωi為Ω在直角坐標系中3個方向的余弦值。L的分布密度函數(shù)為:

f(L)=

(6)

通過以上方法[27],中子的運移計算得以完成。

同時,為了更直觀體現(xiàn)裂縫參數(shù)對超熱中子的影響狀態(tài),本文通過敏感度Sen(式7)[27]參數(shù)對超熱中子的密度分布進行了分析(圖3)。

(7)

式中:a為超熱中子密度分布聚集峰的個數(shù);b為超熱中子密度分布極小值個數(shù);Ai為聚集峰總個數(shù);Aia為單個聚集峰峰值;n為進行實驗的總次數(shù)。

2 不同裂隙參數(shù)條件下的砂巖鈾礦測井響應

為了分析裂隙結(jié)構(gòu)參數(shù)對砂巖鈾礦的測井響應影響情況,設定裂縫傾角變化范圍為0°～90°,裂隙孔隙度變化范圍為0.1～0.4。由圖2可知,對于裂縫砂巖鈾礦,超熱中子的密度分布呈角度特征性。

圖2 不同孔隙度條件下的變化裂縫傾角砂巖鈾礦超熱中子密度運移情況Fig.2 Epithermal neutron density transport in variably angular fractured sandstone uranium ore under different porosity conditions

在裂隙孔隙度為0.1的鈾礦環(huán)境下,無論裂縫傾角如何變化,超熱中子密度分布幾乎沒有顯著的區(qū)別,并且在中子分部范圍內(nèi)也沒有極小值(圖2中深色區(qū)域)出現(xiàn)。然而,隨著裂隙孔隙度的逐漸增大,超熱中子密度分布的極小值點愈發(fā)增多,并且在近似垂直角度范圍內(nèi)出現(xiàn)了峰值更大的超熱中子聚集峰(圖中橘黃色區(qū)域)。同時,伴隨裂隙孔隙度增大的過程,超熱中子聚集峰峰值增大,在高裂縫傾角環(huán)境下,峰數(shù)量增多且呈分散狀態(tài)。這種現(xiàn)象說明,孔隙度高且高角度裂隙環(huán)境對超熱中子的運移作用影響較大,即超熱中子對此種環(huán)境具有較大的敏感度Sen。

由式(7)可知,敏感度可以直觀地體現(xiàn)砂巖鈾礦中裂隙參數(shù)對超熱中子運移作用的影響情況(圖3)。由圖3可知,隨著裂隙孔隙度的增長,超熱中子敏感度總體呈上升趨勢。在低孔隙度環(huán)境下(孔隙度0.1),裂縫傾角的變化對敏感度幾乎沒有影響,此種環(huán)境下的超熱中子敏感度平均值為2.1%。隨著裂隙孔隙度的增加,由圖可知中等角度(30°～60°)環(huán)境中的超熱中子敏感度普遍較低,即使在敏感度最大的環(huán)境下(孔隙度0.4),中等角度條件下的敏感度也只有8.2%(平均值),這只有最大敏感度(12%)的68%。在高角度(60°～90°)環(huán)境下,超熱中子敏感度是最高的(孔隙度0.4條件下敏感度12%),相當于最低敏感度1.9%(孔隙度0.1環(huán)境)的6.3倍。

圖3 不同傾角、孔隙度裂隙環(huán)境下超熱中子運移敏感度Fig.3 Epithermal neutron density transport sensitivity in variably parameters fractured sandstone uranium ore

綜上所述,裂隙孔隙度是對超熱中子敏感度影響最顯著的因素之一。對于含鈾砂巖礦層,裂隙孔隙是鈾礦賦存的主要空間之一,因此孔隙度的大小往往與鈾礦含量呈正相關關系,這也正是高孔隙度裂隙型砂巖鈾礦對超熱中子影響顯著的原因之一。同時,超熱中子測井響應敏感度在近似垂直(80°～90°)裂隙環(huán)境下最高,近似水平傾角(0°～30°)裂隙環(huán)境次之,中等角度(40°～50°)裂隙環(huán)境靈敏度最低。即超熱中子在高裂縫傾角環(huán)境中聚集峰會出現(xiàn)在離源距離更遠的區(qū)域,更加分散,且吸收作用在裂隙環(huán)境的不同位置差異化更加明顯。

圖4是中子能量峰值在不同裂縫傾角、孔隙度條件下的變化情況。由圖可知,隨著裂縫傾角增加,中子能量峰值逐漸下降,但下降拐點隨著裂隙孔隙度的增加而顯著左移,即峰值下降拐點向低角度區(qū)域移動(孔隙度0.1,下降拐點位于55°;孔隙度0.2,下降拐點位于36°;孔隙度0.3,下降拐點位于27°;孔隙度0.4,下降拐點位于18°)。同時,最大峰值隨著孔隙度增大而下降顯著,孔隙度0.4環(huán)境下的能量峰值相對于孔隙度0.1環(huán)境下的能量峰值下降了45.9%。

圖4 不同傾角、孔隙度裂隙環(huán)境下中子能量峰值譜Fig.4 Energy count peak spectra at different fracture angles and porosity

總體而言,高角度(70°～90°)裂隙環(huán)境對中子能量的衰減作用最強,與近似水平角度環(huán)境相比,最大衰減落差可達到總量的81.8%。

為了多方面對超熱中子的裂隙響應進行研究,本文還對超熱中子時間峰值譜進行了分析。超熱中子時間峰值譜是通過將不同裂縫傾角及孔隙度條件下的時間譜峰值提取出來,重組形成的譜圖。通過計算發(fā)現(xiàn),不同裂縫傾角條件下,時間譜峰值存在顯著差異,此種差異可以直觀反應裂縫參數(shù)對超熱中子計數(shù)的影響規(guī)律。因此,通過變化不同的裂隙結(jié)構(gòu)參數(shù),得到了距離源發(fā)射中子一段時間的超熱中子時間峰值譜,這是地層結(jié)構(gòu)對超熱中子影響時間分析的必要部分(圖5)。

圖5 不同傾角、孔隙度裂隙環(huán)境下超熱中子時間計數(shù)峰值譜Fig.5 Time count peak spectra at different fracture angles and porosity

在裂縫孔隙度為0.1～0.3的鈾礦環(huán)境中,超熱中子時間譜峰值在中等角度(53°～60°)裂隙環(huán)境中存在計數(shù)最大值1.8×10-6(平均值),在高角度(75°～90°)裂隙環(huán)境中計數(shù)顯著減少,最大衰減量可達最大值的91.7%。但是,在裂隙孔隙度為0.4的環(huán)境中,時間譜峰值最大值大幅向低角度裂隙區(qū)間移動,并于近似水平(0°～10°)裂隙環(huán)境取得最大值。同時,相較于低孔隙度裂縫環(huán)境,此環(huán)境中的時間計數(shù)峰值衰減程度最嚴重,僅相當于孔隙度為0.1時的26.9%。由此可見,裂縫孔隙度較大時,超熱中子時間譜峰值最大值產(chǎn)生于近似水平角度裂縫環(huán)境。

超熱中子計數(shù)與地層鈾礦含量呈正相關,與地層孔隙度是負相關,又因為在裂隙型鈾礦儲層中,裂隙結(jié)構(gòu)是鈾礦的主要藏儲結(jié)構(gòu),因此,裂縫孔隙度是對鈾礦含量判定的主要影響因素。圖6是超熱中子計數(shù)以及裂隙孔隙度之間的相關性趨勢。由圖可知,隨著裂隙孔隙度增加,超熱中子計數(shù)比值呈線性下降,同時,此下降趨勢與裂縫傾角存在特定相關性:高角度(80°～90°)裂隙環(huán)境中,關系曲線斜率最大(0.55),即超熱中子計數(shù)隨裂隙孔隙度增加而迅速下降,可見此環(huán)境中的超熱中子運移機制對鈾礦賦存狀態(tài)敏感性較強。對中等角度(45°～65°)裂隙環(huán)境而言,關系曲線的斜率最低(0.38),說明此種裂隙鈾礦環(huán)境中,超熱中子運移峰值計數(shù)少,整體呈不敏感狀態(tài)。

圖6 裂隙孔隙度與超熱中子計數(shù)比值關系Fig.6 Relationship between fracture porosity and epithermal neutron ratio

總體而言,含鈾裂隙孔隙度與超熱中子計數(shù)比值呈負相關,且因為裂縫傾角的不同呈現(xiàn)不同的變化趨勢,這與鈾礦儲量存在一定的趨勢預判意義,可以為裂縫砂巖鈾礦儲量的孔隙度修正提供理論參考依據(jù)。

3 驗證與分析

為了對計算數(shù)據(jù)進行有效性驗證,有必要對實驗條件及環(huán)境進行討論闡述。

通過與理想模型對比,發(fā)現(xiàn)實際環(huán)境中存在一定的限制影響因素:①裂隙結(jié)構(gòu)因成形年代及應力作用的不同,同一環(huán)境下的裂隙傾角不能達到完全嚴格一致,因此只能選擇角度范圍近似一致的裂隙群組作為數(shù)據(jù)采樣環(huán)境;②地層中孔隙度不僅為裂隙孔隙度,還包含地層基質(zhì)孔隙,且孔隙結(jié)構(gòu)中存在非礦藏包裹體;③實際情況下的裂隙存在密度不均以及走向交叉的情況,同時裂隙縱橫比不能完全一致;④實地作業(yè)中,測井儀器相對井孔位置多數(shù)為偏心狀態(tài),但是在本數(shù)值模擬中,為了使模擬環(huán)境除裂隙結(jié)構(gòu)外,盡量與井孔對稱,因此選擇了儀器完全居中的井孔結(jié)構(gòu),這樣可以使計算結(jié)果更加突出裂縫結(jié)構(gòu)的影響。以上影響因素會在一定程度上對實驗結(jié)果產(chǎn)生干擾。

考慮到上述因素,可以發(fā)現(xiàn)實地采樣數(shù)據(jù)計算的結(jié)果中,超熱中子的輸運距離以及吸收時間都更短。圖7b中,體現(xiàn)為存在大面積的陰影區(qū)域(無計數(shù)區(qū)域)。但通過對比實際數(shù)據(jù)(圖7b)和計算數(shù)據(jù)(圖7a)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)在整體上,兩者的超熱中子計數(shù)峰數(shù)量在不同裂縫傾角環(huán)境中,都為在低角度(0°～40°)環(huán)境中普遍低于高角度(70°～90°)裂隙環(huán)境,且在高角度環(huán)境下峰數(shù)量增多且呈分散狀態(tài)(圖7中紅色圈起部分)。這種現(xiàn)象說明,孔隙度高且高角度裂縫環(huán)境對超熱中子的運移作用影響較大,即超熱中子對此種環(huán)境具有較大的敏感度。通過以上對比可知,多角度裂縫脈沖中子測井模擬計算結(jié)果與實際結(jié)果總體一致,計算結(jié)論具有可參考價值。

圖7 超熱中子密度運移情況Fig.7 Epithermal neutron density transport in variably angular fractured sandstone uranium ore

4 結(jié)論

1)當裂縫環(huán)境的孔隙度較高(孔隙度0.4)且裂縫傾角較大(80°～90°)時,超熱中子的密度分布體現(xiàn)出對裂縫結(jié)構(gòu)的高敏感度,即此時中子更多地與地層鈾礦發(fā)生反應,產(chǎn)生大量超熱中子,并快速被俘獲吸收。

2)中子能量峰值在近似垂直(80°～90°)裂隙環(huán)境下最低,與近似水平傾角環(huán)境相比,最大衰減落差可達到總量的81.8%,說明高裂縫傾角結(jié)構(gòu)對源中子能量的衰減作用最強。

3)與能量峰值譜變化規(guī)律類似,超熱中子時間計數(shù)峰值譜同樣隨著裂縫傾角及孔隙度的增加而嚴重衰減,同時,譜的極大值對應傾角區(qū)間隨著孔隙度增加而向低角度區(qū)間移動,(53°～60°)→(0°～10°)。

4)超熱中子計數(shù)與裂縫孔隙度存在一定的線性負向關系,且高傾角環(huán)境下的相對比值最大,中等角度環(huán)境下比值最小。這種不同裂縫傾角條件下的特征對應關系可以為裂縫砂巖鈾礦儲量的孔隙度修正提供理論參考依據(jù)。