蒙其古尔铀矿床镭氡平衡恢复过程探讨

金永吉, 刘富强, 王毛毛, 罗星刚

(1.中国铀业有限公司,北京 100013;2.核工业二一六大队,乌鲁木齐 830011)

0 引言

在铀矿勘查工作中，γ测井是确定铀矿体空间位置、品位及厚度的重要技术手段。为准确计算铀资源量，需要对γ测井结果进行参数修正，包括铀镭平衡系数修正、镭氡平衡系数修正、冲洗液及铁套管吸收系数修正、矿石湿度修正、钍钾干扰修正等。镭氡平衡系数是地浸砂岩型铀矿勘查工作中的一项重要参数,及时开展该参数的研究,对指导铀矿勘查评价、储量计算等具有重要的意义[1-3]。

1 镭氡平衡的破坏

地浸砂岩型铀矿勘查过程中，在钻井循环液压力的作用下，当井液泥浆压力大于含矿含水层的压力时，井液泥浆将会浸入铀矿层岩石孔隙，使得溶解于层间水中的氡(222Rn)一起被挤压而离开孔壁，这一现象被称为压氡效应[3]。钻孔内存在的压氡效应，破坏了孔内铀矿层的镭氡放射性平衡。

在放射性核素系列中,当铀系列的铀-镭-氡处于放射性平衡时，γ测井结果能准确反映出铀矿层的含量。γ测井时测量的伽玛射线大多数能量来自铀系氡(222Rn)的短寿子体218Po(RaA)、214Pb(RaB)和214Bi(RaC)，氡及其衰变子体的伽玛射线占铀系伽玛射线强度的90%以上[4-6]，因此226Ra与222Rn的放射性平衡遭到破坏时，对γ测井结果影响较大，会导致γ测井结果偏低。同时，在钻进过程中，泥浆浸入井壁周围一定范围，会在井壁形成一层厚厚的泥浆饼，并在钻孔周围形成井液浸入晕，这对γ射线有一定的屏蔽吸收作用，也会使γ测井照射量率数值偏低[7]。以上因素均会对镭氡平衡系数产生影响。

2 物探参数孔观测

物探参数孔施工完成后(图1)，镭氡平衡遭受破坏，理论上经过氡的10个半衰期左右，镭氡平衡将会恢复。在约38 d内对物探参数孔进行持续γ测井状态观测，前4 d每8 h进行一次γ测井，之后的4 d每24 h一次，以后每2 d～3 d一次，直到镭氡达到平衡状态。

图1 物探参数孔钻孔结构示意图Fig.1 Schematic diagram of borehole structure for geophysical parameters

根据下套管前的γ测井结果，判断渗透性岩石中铀矿段边界位置，计算出矿段内的各测点γ照射量率的和(∑I0)；在该界限内根据状态观测结果,计算铀矿段内各测点经铁套管和冲洗液吸收修正后的γ照射量率的和(∑Ii)，以γ照射量率I为纵坐标，以时间t为横坐标作出I-t关系图。假定∑I0=A，t=0，然后将各点用平滑曲线连接起来得到一条曲线，该图称之为氡状态观测曲线图。

镭氡平衡系数PRn按式(1)计算[8]。

(1)

式中：PRa为镭氡平衡系数；I0为I-t关系图始端的各测点γ照射量率测量值，(nC/kg·h)；I∞为I-t关系图终端的各测点γ照射量率测量值，(nC/kg·h)。

3 蒙其古尔铀矿床概况

蒙其古尔铀矿床位于伊犁盆地南缘中段构造活动区内的相对稳定地段，是我国目前现已发现的特大型可地浸砂岩型铀矿床。矿床内发育4层含矿砂体，自下而上分别为三工河组下段(J1s1)砂体、三工河组上段(J1s2)砂体、西山窑组下段(J2x1)砂体和西山窑组上段(J2x3)砂体。各层砂体空间上连续、泥岩隔水层稳定、层状-带状-透镜状产出。

蒙其古尔铀矿床P0～P31线详查期间，共对三工河组下段(J1s1)、三工河组上段(J1s2)、西山窑组下段(J2x1)三个主要含矿层施工8个物探参数孔，其中，三工河组下段(J1s1)4个，三工河组上段(J1s2)1个，西山窑组下段(J2x1)3个，物探参数孔平面上分布较为均匀，具有一定的代表性(图2)。

图2 P0～P31线物探参数孔分布图Fig.2 P0 ～ P31 line geophysical parameter drilling distribution map

4 镭氡平衡的恢复过程及计算

4.1 正常恢复过程及计算

以P3108物探参数孔为例，对镭氡平衡恢复过程进行讨论，并计算其镭氡平衡系数。由图3可知，镭氡平衡恢复整体上呈现持续增长趋势。第二次观测值比第一次观测值有非常明显地增长，这是因为第一次观测为钻孔钻进结束时，铀矿层镭氡平衡被彻底破坏导致观测值偏低，而第二次观测是在下套管、清水冲孔、封井止水等工序之后，在这段时间内，氡及其子体在扩散作用、对流作用下持续向套管周围环状空间迁移，以填补引钻进造成的低浓度空间，导致第二次观测值明显增大[9-10]。

图3 P3108物探参数孔氡状态观测曲线图Fig.3 Observation curve of radon state in geophysical parameter drilling P3108

在物探参数孔内下套管后，井下泥浆得不到补充，泥浆形成的屏蔽层两侧压力发生变化，泥浆饼脱落，造成钻孔周围岩石的孔隙度和结构变化，局部水动力条件改善，更利于氡的迁移。同时，铀矿层内部大量α衰变形成的氡及其子体、复合团簇，在水动力和自身能量的作用下从孔隙或裂缝溢出，并在扩散作用下迁移，其放出γ射线被测井仪器记录下来，这个过程是不同步、非连续且具有阵发性，所以在第4 d至第20 d，对钻孔内累积放射性照射量率进行了密集观测，可以看到总放射性照射量率持续增长，但个别观测数据有减少的现象。大于20 d以后，即曲线末端近似成一条直线，第25 d到第40 d基本是一条直线，这时候氡经过了10个以上的半衰期，铀矿层恢复到原有的镭氡平衡[11]。

根据式(1)计算蒙其古尔铀矿床P0～P31线8个物探参数孔镭氡平衡系数(表1)。

表1 蒙其古尔铀矿床镭氡平衡计算结果一览表

4.2 非正常恢复过程及计算

在镭氡平衡状态观测过程中，发现P2140物探参数孔的镭氡平衡恢复过程呈现出非正常的变化趋势(图4)，下面对其非正常恢复的现象进行探讨。

图4 P2140物探参数孔氡状态观测曲线影响分析图Fig.4 Influence analysis diagram of radon state observation curve of P2140 geophysical parameter drilling

如图4所示，P2140物探参数孔的观测曲线形态不仅没有反映出氡气逐渐累积增长的过程，反而呈现照射量率突然增高(或反复波动)的现象。在γ测井实际工作中，出现上述情况可能由以下原因引起[12-14]：①γ测井深度定位不准，导致观测层为非目的层，若非目的层铀含量相对较高，将会导致异常值变大；②γ测井仪器性能不稳定，造成采集数据不准确；③孔内存在影响源，经物探参数孔扩孔施工后，影响源直接影响测量结果；④物探参数孔施工存在问题，止水效果未达到最佳状态，相邻矿层串层形成影响源，对目的层造成污染。

针对以上可能存在的因素进行分析。在终孔测井中非矿段照射量率本底值为3.19 nC/kg·h(图5)，矿段位置在385.65 m～391.50 m之间，矿段照射量率峰值为271.25 nC/kg·h；第五次观测时，非矿段照射量本底值为19.17 nC/kg·h，矿段位置扩大为385.40 m～391.90 m之间，矿段照射量率峰值为325.36 nC/kg·h。终孔测井和状态观测的含矿层位置基本一致，说明不存在深度定位不准导致偏差的情况。γ测井仪器在野外测量期间，定期进行仪器校准和核查，仪器不存在因性能不稳定而导致数据出现严重偏差的情况。

图5 P2140物探参数孔观测数据对比图Fig.5 Comparison of observation data of P2140 geophysical parameter drilling

在观测过程中，非矿段本底值增长了500%，同时含矿段照射量率值也整体大幅增加，推断观测期间钻孔内可能存在氡气的异常富集，造成孔内污染，导致钻孔底部大范围区段内照射量率值剧增，形成厚度很大的一个虚假矿段，使按原有矿段位置、厚度计算的照射量率量整体攀升，随污染逐渐消除，照射量率值随之回落，形成观测曲线逐渐降低(或反复波动)的非正常恢复现象。观测曲线可近似地看作氡气污染逐渐消除与矿层照射量率总量逐步增长两种过程叠加的结果。产生此情况的原因可能是在物探参数孔施工结束后，井壁泥质护层及井液浸入晕已经被消除，而在此期间物探参数孔止水效果未达到最佳状态，非目的层串层形成影响源，对目的层造成污染。如图4所示，随着时间的推移，影响源的氡浓度逐渐达到平衡，对含矿层的干扰逐渐消除，影响衰减趋势线，同时含矿层砂体也在逐步恢复自身的镭氡平衡，如含矿层增长趋势线所示，通过长期多次观测最终确定含矿层的镭氡达到了平衡状态。

虽然物探参数孔的镭氡平衡恢复过程受到影响，但经过长期观测(≥60 d)，也达到了镭氡平衡。经过对各种影响因素的分析，确定镭氡平衡系数计算结果可靠。

5 结论

通过对蒙其古尔铀矿床物探参数孔的观测和计算，得到了镭氡平衡修正系数，为资源量的准确计算提供了重要参数。在镭氡平衡恢复过程中，由于受到各种因素的影响，个别物探参数孔观测曲线会出现非正常增长的现象，该现象可能与测量的准确性、仪器的稳定性、钻孔成井工艺等因素有关，需根据实际情况，对各种因素逐一分析，确定主因并予以解释。对于镭氡平衡恢复过程受到影响的物探参数孔，应延长其观测时间，直到达到真正意义上的平衡状态，为镭氡系数的计算提供客观、可靠的数据。

在实际工作中应注意以下几点：①严格按照规范要求，定期进行仪器的校准和核查，并对物探参数孔进行检查测量，保证观测数据真实可靠;②对存在异常的物探参数孔要进行加密观测，通过分析观测曲线趋势，及时查找引起异常的原因;③对存在异常的物探参数孔要适当延长观测时间，直到镭氡达到真正意义上的平衡;④确保物探参数孔与勘探钻孔的钻进条件一致，物探参数孔采用一次钻进成井方法。