铀矿勘查中密度测井仪校准技术的研究

李峰林 欧阳游 梁永顺

(核工业航测遥感中心，石家庄 050002)

铀矿勘查中密度测井仪校准技术的研究

李峰林 欧阳游 梁永顺

(核工业航测遥感中心，石家庄 050002)

通过分析石油勘查中密度测井仪校准技术的方法和天然放射性仪器检定规程的通则，结合密度测井仪的基本工作原理和铀矿井测量环境条件，提出了铀矿勘查中密度测井仪校准装置的选择要求，计量校准参数与要求。为检验校准结果的准确性，利用标准模型装置对密度测井仪进行密度值相对示值的误差验证，结果不超过0.6%。

密度测井仪 校准技术 铀矿勘查 密度测井 误差验证

在矿产勘探中，地层密度对地层评价是一个非常有用的特征参数，而密度测井是获取地层密度的一种物探方法，它在铀矿、油、气、煤以及其他矿藏的勘探开发中起着非常重要的作用。地层密度的主要用途是判断地层岩性和求孔隙度[1,2]。在铀矿地质中，地层密度还是铀储量计算、直接测铀裂变中子测井技术修正的重要参数之一[3]。石油勘探中，密度测井已经成为不可缺少的地球物探测井方法之一，在石油测井计量部门也已经建立密度测井校准模型群和密度测井仪校准方法。但目前国内密度测井在铀矿地质中仅用来划分岩性。

密度测井仪主要是用仪器自带的铝块进行校准，这就存在仪器测量准确度不够的问题，只能作为一种定性仪器来大致划分岩性。由于油井与铀井在地质和工程参数、仪器尺寸及测量对象等方面有大的区别，不能简单地把石油部门的密度测井仪校准方法照搬到铀矿勘测中使用。因此，进行密度测井仪在铀矿勘查中的校准技术研究十分必要。

1 密度测井仪的基本工作原理

密度测井仪的基本结构由推靠器、探头、电路段组成。仪器的放射源和探测器装在探头上(也称滑板)，测井时，在推靠器的作用下，探头紧靠井壁，放射源向地层发射γ光子。密度测井仪选用的是137Cs源，它发射的γ射线能量为0.662MeV，这就排除了形成电子对的可能性。如果适当选择探测器的阈值，即可最大限度地避免光电吸收效应的影响，这样探测器记录的只是那些经与地层发生的一次或多次康普顿散射的γ射线，经过适当的校准，根据探测器的读数就可以确定地层的密度值。

在实际测井中，由于井壁不规则、推靠等因素，不可避免地在滑板和地层之间夹带泥饼，这时仪器测得的密度值(称为视密度)不仅与地层密度有关，还与泥饼的厚度、密度、平均原子序数有关。为此，在探头中设置长源距探测器和短源距探测器，常使用双源距补偿方法求得地层密度，双源距密度测井如图1所示。

图1 双源距密度测井示意图

双源距密度测井的体积密度ρb的计算式为：

ρb=(1/AL){(lnNL-BL)+[(tgαtgβ)/(tgα-tgβ)]·[ctgα(lnNL-BL)-(lnNs-Bs)]}

=(1/AL){[tgα/(tgα-tgβ)](lnNL-BL)-

[(tgαtgβ)/(tgα-tgβ)](lnNs-Bs)}

(1)

式中AL——长源距灵敏度；

BL、BS——长、短源距的截距；

NL、NS——长、短源距的计数率；

α、β——仪器脊角、肋角。

式(1)中，AL、α、β、BL、BS都可以由校准得到。

2 密度测井仪的校准技术

2.1校准装置选择

密度测井仪是利用康普顿散射原理测量地层密度的，康普顿散射的强弱与介质的电子密度有关，电子密度和体积密度成比例，所以岩石的种类对测量精度的影响很大。对于与校准模型岩性相同或者接近的岩石，密度测井仪测得的密度值(称为视密度)ρa近似等于其体积密度ρb，对于与校准模型岩性不同的岩石，ρb-ρa有时能超过仪器的测量精度[4]。所以密度测井仪校准时，应尽量选择与测量对象岩性相同或者相近的校准模型[2,5]。

随着铀矿找矿和采冶技术的发展，砂岩型铀矿已成为我国当前铀矿勘查的主攻类型，为减少物质成分差异对密度测量带来的影响，建议铀矿勘查中密度测井仪的校准采用砂岩制作的标准模型装置。

2.2校准参数

根据JJG 42-2014《密度测井仪检定规程》、SY/T 6579-2003《密度测井仪校准方法》和《天然放射性仪器检定规程通则》，结合密度测井仪在铀矿勘查中实际工作的要求，确定校准项目包括外观、正常工作性、密度示值误差、脊肋角、灵敏度、重复性及稳定性等。其中，脊肋角是补偿密度测井仪校准的重点与难点。

2.3校准方法

选择两种不同密度的校准模型，根据仪器在两种校准模型上的长、短源计数率值，计算出长源灵敏度AL、短源灵敏度AS、长源截距BL、短源截距BS，并计算出相应的脊角α，在其中一块标准模型上加模拟泥饼，得到有泥饼情况下的计数率，根据该计数率作出肋线，并得到相应的肋角β。有了参数AL、AS、BL、BS、α、β后，就可以按式(1)计算密度值了。现以SYSTEM Ⅵ密度测井仪为例，探索铀矿勘查中的密度测井仪校准技术。

2.3.1外观和正常工作性

检查仪器有无影响正常工作的损伤和缺陷，是否有型号、出厂编号和制造商名称，外观应整洁，有完好的密封圈，各处紧固件无松动，附件和资料齐全，特别是推靠臂能够正常使用，密度探管必须贴井壁测量，这样能消除泥浆对密度测井的影响。

2.3.2重复性

重复性是密度测井仪的核心技术参数，是评价其质量优劣的主要指标。重复性是指在相同测量条件下，重复测量同一个被测量，仪器提供相近示值的能力。

密度测井仪长短源距探测器计数率的重复性检定按以下步骤进行：

a. 选取某一密度标准模型，将密度测井仪伽玛源到长源距探测器中心点连线的中点置于模型中心点；

b. 打开推靠臂，使伽玛源和探测器一侧的探管壁紧贴模型孔壁，测量次数不少于10次。

密度测井仪长、短源距探测器计数率的重复性VL、VS的计算式如下：

(2)

(3)

式中n——测量次数；

NLi——第i次测量长源距探测器的计数率，s-1；

NSi——第i次测量短源距探测器的计数率，s-1。

2.3.3稳定性

稳定性是密度测井仪的核心技术参数，是评价密度测井仪质量优劣的主要指标。稳定性指仪器保持计量特性随时间恒定的能力。

稳定性用首次测量和重复测量(重复测量与首次测量的时间间隔为4h，测井仪保持持续通电)的长短源距探测器的计数率相对变化来描述。

密度测井仪长短源距探测器计数率的稳定性检定按以下步骤进行：

a. 将密度测井仪伽玛源到长源距探测器中心点连线的中点置于模型中心点；

b. 打开推靠壁，进行稳定性首次测量，要求长短源距探测器的累积计数不低于9×104；

c. 在其他检定项目完成后，再将密度测井仪放入同一密度模型的中心点，进行稳定性重复测量。

长短源距探测器计数率稳定性δNL、δNS的计算式如下：

δNL=|NL2-NL1|/NL1×100%

(4)

δNS=|NS2-NS1|/NS1×100%

(5)

式中NL1——首次测量长源距探测器的计数率，s-1；

NL2——重复测量长源距探测器的计数率，s-1；

NS1——首次测量短源距探测器的计数率，s-1；

NS2——重复测量短源距探测器的计数率，s-1。

2.3.4脊肋角和灵敏度

泥饼是钻井液在失水后固体颗粒在井壁形成的不同厚度的泥饼环。

在无泥饼影响的条件下，地层密度ρ与密度测井仪长短源距探测器计数率的对数lnNL、lnNS的关系曲线为一条直线，即为“脊线”；在有泥饼影响时，长短源距探测器计数率的对数在图上的交会点会偏离脊线(偏离的方向与泥饼的厚度、密度有关)，这些受泥饼影响的曲线称为“肋线”，各条“肋线”近似平行，如图2所示。计算密度时，根据长短源距探测器计数率N，可在脊肋图的肋线上找到一个点，沿该点所在的肋线找到与脊线的交点，脊线上该点的数值即为地层密度。根据两点确定一条直线的原则，确定“脊线”至少需要两种密度值模型，确定一组“肋线”至少需要一块泥饼[6]。

图2 密度曲线理想脊、肋

选取密度ρ1=2.170g/cm3、ρ2=2.640g/cm3的标准模型和模拟泥饼一块，就可以利用它们获得仪器的“脊肋图”，如图3所示，为减少“脊线”作图误差，所选的两点不能太近，即要求用于确定“脊线”的高低密度标准模型，其标称密度差值应不小于0.4g/cm3，具体数据见表1。

图3 密度探管脊肋图

表1 灵敏度校准数据

由脊线上的两点求得长源距灵敏度AL=(lnNL2-lnNL1)/(ρ2-ρ1)=-1.39929，短源距灵敏度AS=(lnNS2-lnNS1)/(ρ2-ρ1)=-0.38426。

2.4密度值相对示值误差测试

密度测井仪确定了参数AL、AS、BL、BS、α、β后，按式(1)计算或根据仪器“脊肋图”确定密度值。选择标称密度ρb′=2.295g/cm3的密度模型。将密度测井仪置于密度-孔隙度测井模型标准中，打开推靠臂，在模型中心点定点测量。采集时间应能保证长短源距探测器的累积计数不低于9×104[7]。测试结果为：测量值2.309g/cm3与标称值2.295g/cm3相对偏差为0.6%，符合通用放射性仪器相对示值误差小于5.0%的要求[8]，说明仪器校准合格。

3 结论

3.1铀矿密度测井和油气密度测井都属于地层密度测井，测井工作极为相似，在仪器的一些测量校准技术上可以互相通用。

3.2铀矿井和油气井在地质、工程参数及测量对象等方面有大的区别，二者必然在仪器灵敏度、仪器尺寸、性能取舍及校准装置选择等具体技术细节上存在一些差异。因此铀矿密度测井必须符合铀矿测井的通用要求。如铀矿密度测井仪的校准建议选用砂岩制作的密度-孔隙度测井模型标准，以减少密度测井仪测得的视密度值与体积密度值的差别。

[1] 李莉,刘秀琴,贾玉明.地下水封石洞油库工程潜油泵的控制方案设计[J].石油化工自动化,2015,51(1):14～17.

[2] 高玉龙,朱迅,于占海,等.气田智能化气井监控系统研究[J].石油化工自动化,2015,51(1):25～28.

[3] 贝纳德 R W.直接测铀的瞬发裂变中子测井的解释[J].物探与化探,1980,(2):58～60.

[4] 张利光.补偿密度测井仪的刻度及适用条件[J].核电子学与探测技术,2003,23(5):486～489.

[5] 洪有密.测井原理与综合解释[M].东营:石油大学出版社,1998:222～228.

[6] 黄隆基.放射性测井原理[M].北京:石油工业出版社,1985.

[7] SY/T 6579-2003,密度测井仪校准方法[S].北京:国家经济贸易委员会,2003.

[8] JJG 42-2014,密度测井仪检定规程[S].北京:国家国防科技工业局,2014.

ResearchonCalibrationTechnologyforDensityLoggingApparatusinUraniumExploration

LI Feng-lin, OUYANG You, LIANG Yong-shun

(CNNCAirborneSurveyandRemoteSensingCenter,Shijiazhuang050002,China)

Basing on analyzing the calibration technique for density logging apparatus and the general rules for verification of natural radioactive instruments as well as combined with the basic working principle and the environmental conditions of uranium mine, selecting the calibration device and parameters for density logging apparatus in uranium exploration were proposed and the standard model device was adopted to verify density value′s relative indication error of the density logging apparatus and the test results are less than 0.6%.

density logging, calibration technology, uranium exploration, density logging, error verification

TH862+.7

B

1000-3932(2016)03-0244-04

2016-01-25(修改稿)

国家国防计量技术基础科研项目(JSJC2013201C034)