高含量閃爍γ測(cè)井儀研制與應(yīng)用

余西垂, 沈 懿, 邵 飛, 劉 毅, 劉春月

(1.核工業(yè) 270研究所,江西南昌 330200;2.上海申核電子儀器有限公司,上海 200233)

高含量閃爍γ測(cè)井儀研制與應(yīng)用

余西垂1, 沈 懿2, 邵 飛1, 劉 毅1, 劉春月1

(1.核工業(yè) 270研究所,江西南昌 330200;2.上海申核電子儀器有限公司,上海 200233)

在鈾礦勘查工作中,揭露到的富鈾礦體鈾含量可達(dá)5%～10%,甚至更高。γ測(cè)井規(guī)范中指定的FD-3019型γ測(cè)井儀檢定線性上限為 2%(核工業(yè)國(guó)營(yíng) 263廠,1989),遇鈾含量超出測(cè)量上限時(shí),會(huì)出現(xiàn)溢出現(xiàn)象。為滿足熱液型鈾礦床高含量測(cè)井的需要,在 FD-3019改進(jìn)型γ測(cè)井儀基礎(chǔ)上,研制了 FD-3019增強(qiáng)型γ測(cè)井儀,通過(guò)了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和野外測(cè)井實(shí)際應(yīng)用,對(duì)當(dāng)量鈾含量為 2%～6%時(shí),應(yīng)用效果良好,基本滿足富鈾礦體測(cè)井需要。

增強(qiáng)型γ測(cè)井儀;富鈾礦體;γ測(cè)井軟件;應(yīng)用

近年來(lái),隨著南方硬巖型鈾礦勘查工作(章曄等,1990)的不斷深入,在勘探中常揭露到高品位(含量)的富鈾礦體,鈾含量往往達(dá)到 5%～10%,甚至更高?，F(xiàn)有的 FD-3019γ測(cè)井儀線性上限為2%,不適用于富鈾礦體的測(cè)井工作。高含量閃爍γ測(cè)井儀 (上海申核電子儀器有限公司,2005)的研制對(duì)高含量富鈾礦體測(cè)井工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

1 高含量閃爍伽瑪測(cè)井儀技術(shù)參數(shù)、電路原理及測(cè)井軟件

FD-3019增強(qiáng)型γ測(cè)井儀是 FD-3019改進(jìn)型γ測(cè)井儀的更新?lián)Q代產(chǎn)品,保存了 FD-3019改進(jìn)型的一切優(yōu)點(diǎn),以增強(qiáng)儀器智能程度、擴(kuò)展其適用范圍。FD-3019增強(qiáng)型γ測(cè)井儀不僅改進(jìn)了數(shù)字信號(hào)的編碼,消除了信號(hào)傳輸過(guò)程中的誤碼,而且儀器可測(cè)含量線性范圍由 3019改進(jìn)型的 100×10-6～20 000×10-6eU,延伸到 100×10-6～100 000×10-6eU,基本滿足了熱液型鈾礦床的需求。此外,還改進(jìn)了操作臺(tái)與井下探棒的智能化連接操作。

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

測(cè)量范圍:本底～100 000×10-6eU;

靈敏度:(262±12)s-1/100×10-6(在標(biāo)準(zhǔn)飽和模型中);

穩(wěn)定性:經(jīng)連續(xù) 8 h觀測(cè)短期穩(wěn)定性 ≤ ±5%,經(jīng)連續(xù) 10 d每天觀測(cè)一次的長(zhǎng)期穩(wěn)定性 ≤±5%;

精度:儀器讀數(shù)置信度 99%,一次讀數(shù)的均方差≤±5%;

含量線性:100×10-6～100 000×10-6相對(duì)誤差≤±5%;

使用環(huán)境:-10～+60℃,濕度 (66±15%)相比極限條件下的附加誤差 ≤±10%;

外觀尺寸:φ40×1 105 mm;重量約 3 kg;

電纜傳輸:井下儀由專用主機(jī)供電達(dá)1 100 m,綜合測(cè)井儀(根據(jù)直流供電電壓及電纜阻抗決定)達(dá) 2 000 m。

1.2 電路原理與功能

電路原理如圖 1。井下儀電路大致工作過(guò)程:NaI晶體、光電倍增管組件轉(zhuǎn)化而來(lái)的微弱電信號(hào)送至前置放大器和主放大器組成的兩級(jí)放大單元,放大信號(hào)經(jīng)由閾值整形電路轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào),通過(guò)數(shù)字處理器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息,送至井下儀引出端連接絞車長(zhǎng)電纜;信號(hào)傳輸通過(guò)電纜送至井上儀的中央處理器處理后,輸出到顯示部分和其它處理設(shè)備等。整個(gè)電路工作的關(guān)鍵在于快速前放,適中的脈寬,以及最主要的高速數(shù)字處理芯片,解決高計(jì)數(shù)條件下的脈沖堆積問(wèn)題。同時(shí)在高計(jì)數(shù)情況下,工作電流增大而產(chǎn)生的高壓飄移問(wèn)題得到了一定的改善。

1.3 γ測(cè)井軟件簡(jiǎn)介

圖1 FD-3019增強(qiáng)型γ測(cè)井儀系統(tǒng)電路原理方框圖Fig.1 Electrical circuit block diagram of FD-3019γ-Ray l ogging Instrument(Enhanced Type)

在研制增強(qiáng)型γ測(cè)井儀的同時(shí),還開發(fā)了一套測(cè)井解釋軟件,稱之為“γ測(cè)井三點(diǎn)反褶積程序 2.0版”。本解釋軟件工作于W indows平臺(tái),軟件的設(shè)計(jì)依據(jù)是 EJ/T611-91《γ測(cè)井規(guī)范》和 JJG(核工)023-91《γ測(cè)井儀檢定規(guī)程》。本文所涉及的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及野外測(cè)量數(shù)據(jù)都是以此軟件和專用主機(jī)為工作平臺(tái)所獲得的。

1.3.1 γ測(cè)井軟件

γ測(cè)井軟件采用的解釋方法為三點(diǎn)反褶積判別因子法編成,計(jì)算公式如下:

判別式為:Qi≤-E;

式中 Qi為鈾含量;Ni-1,Ni,Ni+1為測(cè)點(diǎn)計(jì)數(shù)率;ΔH為點(diǎn)距;AL為反褶積系數(shù);KH,KL為儀器靈敏度和換算系數(shù)。

1.3.2 γ測(cè)井軟件功能

γ測(cè)井軟件主要由兩大部分功能,即測(cè)井功能和校正功能。

測(cè)井功能。包括測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集﹑數(shù)據(jù)處理及解釋結(jié)果輸出 3個(gè)部分。其中數(shù)據(jù)采集功能有 3種方式進(jìn)行采集,分別是現(xiàn)場(chǎng)采集、數(shù)據(jù)鍵盤輸入和從儀器錄入數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)處理包括根據(jù)給出計(jì)數(shù)率及參數(shù)計(jì)算照射量率、鈾當(dāng)量含量、三點(diǎn)反褶積和礦層組合等;結(jié)果輸出為輸出實(shí)際材料登記表、原始數(shù)據(jù)及反褶積結(jié)果表和礦層組合結(jié)果表。

校正功能。只需輸入儀器編號(hào)、需要校正的照射量率和所使用的固體鐳源的標(biāo)準(zhǔn)源常數(shù),隨即自動(dòng)給出每個(gè)校正點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)源與探測(cè)中心的距離,計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集校正數(shù)據(jù),計(jì)算結(jié)果并輸出校正結(jié)果表。

2 增強(qiáng)型γ測(cè)井儀的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

式中A為標(biāo)準(zhǔn)源常數(shù),R為標(biāo)準(zhǔn)源到探測(cè)晶體中心的距離,L為探測(cè)晶體的長(zhǎng)度。

增強(qiáng)型γ測(cè)井儀探棒所選用的NaI晶體長(zhǎng)度為 40 mm,所使用的固體鐳源的標(biāo)準(zhǔn)源常數(shù)為184.4(m2·nC)/(kg·h),相當(dāng)于 10%鈾含量的測(cè)量距離為 111 mm,所以不需作非點(diǎn)源校正,實(shí)際的計(jì)算結(jié)果誤差均小于 3%。依據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù),建立的測(cè)井儀線性曲線 (國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì),2007)如圖2。

圖 2 FD-3019增強(qiáng)型在固體鐳源標(biāo)準(zhǔn)上校正曲線圖Fig.2 Calibration curve of FD-3019γ-Ray l ogging Instrument(Enhanced Type)on the standards of solid radium

由圖 2的線性擬合曲線來(lái)看,在進(jìn)行了死時(shí)間補(bǔ)償后的測(cè)井儀線性較好,擬合度接近于 1,完全符合線性要求。

依據(jù)檢定規(guī)程,對(duì) 3臺(tái)測(cè)井儀在標(biāo)準(zhǔn)模型上和固體鐳源標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢定,各臺(tái)測(cè)井儀鈾含量靈敏度換算系數(shù)范圍均在(30.1±0.8)nC/kg·h范圍內(nèi),3臺(tái)測(cè)井儀鈾含量靈敏度換算系數(shù)見表 1,均符合檢定規(guī)程的要求。

根據(jù)γ測(cè)井規(guī)范,計(jì)算了測(cè)量值與模型標(biāo)稱值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差(表 2),相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差在 0.04%～2.93%之間,相對(duì)誤差均小于 5%,符合γ測(cè)井規(guī)范。

表 1 FD-3019增強(qiáng)型γ測(cè)井儀檢定參數(shù)表Tab.1 Test param eter table of FD-3019γ-Ray logging Instrum ent(Enhanced Type)

表 2 FD-3019增強(qiáng)型γ測(cè)井儀模型校正對(duì)比誤差表Tab.2 Correction error contrast table of FD-3019γ-Ray logging Instrument(Enhanced Type)on the saturated model body

此外,對(duì) 3臺(tái)γ測(cè)井儀的穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果見表 3,各臺(tái)測(cè)井儀的短期穩(wěn)定性相對(duì)誤差最大為0.64%,即相對(duì)誤差測(cè)試結(jié)果均在 ±3%之內(nèi)。均小于γ測(cè)井規(guī)范所要求的小于5%。改進(jìn)后的儀器穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

表 3 FD-3019增強(qiáng)型γ測(cè)井儀短期穩(wěn)定性誤差表Tab.3 Short-ter m stability error table of FD-3019γ-Ray logging Instrum ent(Enhanced Type)

3 增強(qiáng)型γ測(cè)井儀的野外應(yīng)用

FD-3019增強(qiáng)型γ測(cè)井儀通過(guò)出廠測(cè)試和國(guó)家二級(jí)計(jì)量站測(cè)試之后,對(duì)其進(jìn)行了野外測(cè)井實(shí)際應(yīng)用,即將 FD-3019改進(jìn)型與增強(qiáng)型γ測(cè)井儀進(jìn)行了對(duì)比測(cè)井。

FD-3019改進(jìn)型γ測(cè)井儀在進(jìn)行高含量測(cè)量時(shí),會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出現(xiàn)象,由此造成含量的降低(表4),221 m至 221.2 m測(cè)量的計(jì)數(shù)率均為 65 535 s-1,這個(gè)數(shù)值即為 FD-3019改進(jìn)型γ測(cè)井儀測(cè)量上限,顯然不是富礦體的真實(shí)鈾含量,這對(duì)于鈾礦勘查中儲(chǔ)量/資源量的估算是極為不利的。

表4 FD-3019改進(jìn)型γ測(cè)井儀測(cè)量高含量解譯結(jié)果表Tab.4 Interpret results table of FD-3019γ-Ray logging Instrument(I mproved Type)on high levels

野外的應(yīng)用選擇江西省樂(lè)安—崇仁縣境內(nèi)相山礦田的某鉆孔。選用 FD-3019增強(qiáng)型-2號(hào)γ測(cè)井儀,對(duì)該孔進(jìn)行了一次完整的測(cè)井作業(yè),并同時(shí)使用 FD-3019改進(jìn)型γ測(cè)井儀進(jìn)行比照測(cè)量,結(jié)果見表 5﹑表 6及圖 3,對(duì)所得的解釋結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

圖 3 γ測(cè)井儀測(cè)量鈾含量結(jié)果曲線圖Fig.3 U ranium concentrati on results curve ofγlogging

表5 FD-3019增強(qiáng)型γ測(cè)井儀測(cè)量高含量解釋結(jié)果表Tab.5 Interpret results table of FD-3019γ-Ray logging Instrument(Enhanced Type)on high levels

表 6 FD-3019增強(qiáng)型與改進(jìn)型γ測(cè)井儀測(cè)量解譯鈾含量礦層對(duì)比表Tab.6 Interpret results contrast table between FD-3019γ-Ray logging Instrument(Enhanced Type)and FD-3019γ-Ray l ogging Instrument(I mproved Type)

由表 5可見,增強(qiáng)型γ測(cè)井儀在 349.8 m至350.2 m段測(cè)量的計(jì)數(shù)率均大于 65 535 s-1,客觀的反映了富礦體的真實(shí)鈾含量,避免了改進(jìn)型γ測(cè)井儀量程讀數(shù)溢出的現(xiàn)象。此外,349.3 m至 351.7 m段連續(xù) 2.4 m的礦層視厚度測(cè)量結(jié)果表明,當(dāng)鈾當(dāng)量含量≤2.5%時(shí),改進(jìn)型和增強(qiáng)型測(cè)井儀測(cè)量結(jié)果基本吻合;當(dāng)鈾當(dāng)量含量≥2.5%時(shí),增強(qiáng)型測(cè)井儀測(cè)量更為接近實(shí)際 (圖 3)。因此,增強(qiáng)型測(cè)井儀對(duì)該礦層平均含量的測(cè)量結(jié)果較改進(jìn)型測(cè)井儀測(cè)量的平均鈾含量高出約 23%(表 6),有利于保證對(duì)富鈾礦體的儲(chǔ)量/資源量估算時(shí)的真實(shí)性。

4 結(jié)論與討論

FD-3019增強(qiáng)型γ測(cè)井儀是在原 FD-3019改進(jìn)型測(cè)井儀的基礎(chǔ)上,通過(guò)改進(jìn)電路采用高性能集成運(yùn)放電路新技術(shù)(高速數(shù)字處理芯片),解決了高計(jì)數(shù)條件下的脈沖堆積問(wèn)題,同時(shí)采用快速編碼技術(shù),降低對(duì)傳輸電纜的要求,改善因工作電流增大而產(chǎn)生的高壓飄移問(wèn)題,從而提高了儀器的探測(cè)能力,并經(jīng)核工業(yè)航測(cè)遙感中心國(guó)家二級(jí)計(jì)量站檢定和相山礦田野外測(cè)井初步應(yīng)用的結(jié)果表明,FD-3019增強(qiáng)型γ測(cè)井儀能基本滿足鈾礦勘探中富礦體的高含量測(cè)井需要。

增強(qiáng)型γ測(cè)井儀在高含量的鈾礦測(cè)井中,取得了較好的應(yīng)用效果。但限于其所使用的NaI晶體、光電倍增管組件的特性,在測(cè)量≥10%鈾含量時(shí),由于脈沖的堆積、探測(cè)器本身死時(shí)間等問(wèn)題,會(huì)出現(xiàn)計(jì)數(shù)飽和現(xiàn)象。隨著鈾礦勘探事業(yè)不斷發(fā)展,勘探技術(shù)的不斷提高,鉆探深度加大,深部發(fā)現(xiàn)富鈾礦體將成為現(xiàn)實(shí)。為此,有必要加快研制新一代γ測(cè)井儀,即采用可在高含量情況下進(jìn)行線性測(cè)量的探測(cè)器組件,包括計(jì)數(shù)管、雙探測(cè)器、新型半導(dǎo)體探測(cè)器等,以推動(dòng)國(guó)內(nèi)γ測(cè)井儀水平的不斷提升。

本文得到狄覺齋研究員級(jí)高工的指導(dǎo),在此表示致謝!

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Development and Application of High Levels Scintillationγ Loggi ng System I nstruments

YU Xi-chui1, SHEN Yi2, SHAO Fei1, L IU Yi1, L IU Chun-yue1
(1.Research Institute NO.270 CNNC,NanchangCounty,Jiangxi 330200,China;2.Shanghai Shenhe Electronic Instrument Co.,Ltd.,Shanghai County 200233,China)

Abundant uranium ore can be discovered in the uranium exploration.Someti mes the uranium concentration can be more than 5%～10%,even higher.The measure maximum of FD-3019γ-Ray logging Instrument is 2%in the specification forγlogging,if the uranium concentration ismore than 2%,will appearovermeasuremaximum.To meet the hydrother mal type uranium deposit high levels uranium exploration,FD-3019γ-Ray logging Instrument(Enhanced Type)is developed on the basis ofγ-Ray logging Instrument(I mproved Type).The resules ofγ-Ray logging on the uranium concentration between 2%～6%have been verified by the test in the laboratory and logging in fieldwork,which can meet the requirements in the abundant uranium oreγ-Ray logging.

γ-Ray logging Instrument(Enhanced Type);abundant uranium ore;γlogging software;application

P631.8+17

A

1674-3504(2011)02-168-06

10.3969/j.issn.1674-3504.2011.02.012

2011-02-21

中國(guó)核工業(yè)地質(zhì)局鈾礦地質(zhì)項(xiàng)目“江西省樂(lè)安縣相山礦田荷上地區(qū)鈾礦普查”(200717)

余西垂 (1953—),男,高級(jí)工程師,長(zhǎng)期從事鈾礦地質(zhì)勘查及物探研究工作。