地球物理测井在铀矿地浸工艺孔施工中的应用

李　强，　张雪芬，　吴信民

(1.核工业二四三大队，内蒙古自治区 赤峰　024000；2.东华理工大学核资源与环境省部共建国家重点实验室培育基地，江西 南昌　330013；3.东华理工大学核工程与地球物理学院，江西 南昌　330013)



地球物理测井在铀矿地浸工艺孔施工中的应用

李强1，张雪芬2，吴信民3

(1.核工业二四三大队，内蒙古自治区 赤峰024000；2.东华理工大学核资源与环境省部共建国家重点实验室培育基地，江西 南昌330013；3.东华理工大学核工程与地球物理学院，江西 南昌330013)

摘要：地球物理测井在铀矿地浸工艺孔施工中具有很重要的作用，通过对地球物理测井参数的分析，不但可以划分地层、岩性、确定矿体位置和品位，也可以应用于地浸工艺孔的水泥固井和成井质量检查工作中。详细探讨了伽马测井、自然电位测井、组合密度测井、声波测井、井温测井、电流测井、井斜测井等多种方法在水泥固井和成井质量检查中的应用效果，说明地球物理测井是效率高、效果好的一种方法。

关键词：铀矿地浸工艺；地球物理测井；井温；电流

李强，张雪芬，吴信民.2016. 地球物理测井在铀矿地浸工艺孔施工中的应用[J].东华理工大学学报：自然科学版，39(1)：53-58.

Li Qiang, Zhang Xue-fen,Wu Xin-min. 2016.Application of geophysical logging in in-situ leaching uranium mining.[J].Journal of East China University of Technology (Natural Science), 39(1):53-58.

自二十世纪九十年代中期以来，我国开始引入原地浸出工艺技术进行铀矿山的生产和建设，并取得了显著的效果(王泗代，2002；张振强，2002；程宗芳等，2007；周义朋等，2015)。但原地浸出采铀工艺完全不同于常规铀矿山的采矿工艺，采出的不是矿石，而是含铀溶液，在地浸开采时，我们无法直接接触到含矿层，只有通过地球物理测井技术来揭露矿体情况和确定浸出工艺(刘则尧等，1999；余水泉等，2003；何春明等，2006)。现今地球物理测井技术在地浸采铀矿的地浸工艺流程中基本达到生产工艺需求，并取得了明显的应用效果。李仲秋等(1997)、刘则尧等(1999)认为利用井温测井技术，可以检测出水泥环位置以及含矿层以上位置的套管有无破损，因为套管外进入管内的溶液温度有别于管内溶液的温度。陈志杰(2002)引入自然电位测井技术划分顶山可地浸砂岩型铀矿的岩性，相较于传统方法，其准确性得到了进一步的提高。何明春等(2003)提出可以利用电流测井技术来检测套管的完整性、丝扣和过滤器位置。彭爽等(2013)以纳岭沟铀矿床为例，探讨了伽马测井技术对铀矿找矿的指导意义。刘兴华等(2015)应用自然伽马测井技术对广东省仁化县铀矿区进行了研究，并确定了矿段品位、矿段厚度、矿段米百分数、矿段起始和终止深度等。

1生产探矿测井

地球物理测井是应用地球物理方法研究钻孔地质剖面从而解决某些地下地质问题的一门技术学科。它是根据地下各种岩(矿)层和其它探测对象具有不同的物理特性，如电性、磁性、重力、电化学及放射性等，通过仪器对这些物理参数进行测量与解释，来认识各种各样的地质问题及其相关的工程问题。通过地球物理综合测井曲线图分析(图1)，可以确定铀矿层的深度、厚度和铀的质量分数；定性判断含矿砂体岩层的渗透性能，进而定量计算渗透系数、孔隙度、泥质含量等；提供钻孔剖面的岩性识别、岩层划分，并遍绘钻孔地质剖面图(刘则尧等，1999；余水泉等，2003；梁齐端，2004；刘庆成，2004；何春明等，2006；李锦等，2009；王浩峰，2010；仲振东，2010)。

1.1伽马测井

γ测井在地浸工艺孔测量中主要是确定岩石和矿石的总γ射线强度；主要功能是进行定量解释，确定矿体厚度、顶底板位置、矿段品位和平米铀量，为计算矿体储量和确定过滤器位置做准备。

图1　BK-02井综合测井曲线图Fig.1　Comprehensive well log of BK-021．伽马曲线；2.电阻率曲线；3.声波曲线；4.井径曲线；5.自然电位曲线；6.井温曲线；7.伽马-伽马曲线；8.电流曲线；9.过滤器；10.细砾；11.粗砾；12.砂岩；13.泥岩

1.2自然电位测井

自然电位的采集工作是电法探管在井中上升下降过程中，通过测量地面电极和井中电极间的电位差来予以记录，而这个自然电场是由地层和泥浆间发生的电化学作用和动电学作用产生的。自然电位测井在工艺孔中的功能主要是判断岩性，区分渗透性和非渗透性岩层。

1.3组合密度测井

组合密度测井曲线包括电阻率曲线、天然伽马曲线、密度曲线和井径曲线，它们的主要功能为：

电阻率测井一般是通过侧向侧井和梯度测井来测量岩石视电阻率，而电阻率参数在工艺孔中主要用于划分地层、渗透层和岩性等。在见矿层位需要确定泥岩隔水层的顶底板位置，在矿体里划分出渗透层及非渗透层位以便计算矿体储量(图1)。

井径曲线正常情况下，由于渗透层段井壁存在泥饼，因此一般情况下渗透层大于非渗透层直径(井径)。在地浸工艺孔测井中井径参数主要是进行放射性测井成果解释，确定工艺孔中固井工作做准备的变径位置，计算过滤器位置的投砾料量。

天然伽马参数可以划分岩性，进行地层对比，确定泥质含量，通常自然伽马值随泥质含量的增加而升高。

1.4 声波测井

在不同的岩性中，声波的传播速度是不同的。声波速度测井仪在井下通过探头发射声波，声波由泥浆向地层传播，其记录的是声波通过测量介质从发射晶体到接收晶体的时差Δt。地浸工艺孔施工中声波测井主要功能是确定岩层孔隙度，识别岩性(胶结致密的岩矿石)，对比地层。

2水泥固结检查测井

工艺孔井温测井是测量聚乙烯(聚氯乙烯)套管筒内局部温度异常和温度的梯度来反映温度变化，经过仪器形成曲线再根据曲线的形态变化来推断水泥固井的质量情况(中国核工业地质局，2001)。通过井温曲线形态可以推断聚乙烯(聚氯乙烯)套管接头位置丝扣密封质量，水泥封孔界面位置等(即根据井温测井曲线确定水泥封孔下界面的位置，一般情况下，井温测井曲线上下异常半幅点即为水泥固井界面)。由图1可见，该钻孔水泥封孔界面位置在237 m，与浸出工艺设计止水界面一致；而图2中BK-03号钻孔的水泥环界面位置低于地浸工艺设计止水面以下，可以判断该孔发生泥浆串液。

图2　质量检查对比图Fig.2　Contrast diagram of quality checks1.电流曲线；2.长源距曲线；3.井温曲线；4.水泥环界面；5.过滤器位置；6.粗砾；7.细砾；8.水泥

3成井质检测井

3.1伽马-伽马测井

工艺孔伽马-伽马测井实际上是伽马源放出的伽马射线经过套管、砾料和地层岩性散射吸收后由探头接收未被岩石吸收的伽马射线。而伽马-伽马测井曲线的横向比例尺为脉冲分厘米，所以地层中岩石的密度越低，伽马-伽马测井的散射伽马射线的强度便越大，曲线的读数也越高；岩石的密度大，则散射的伽马就多，吸收的也多，未被吸收的散射伽马射线的计数率就少，读数也越少。而伽马-伽马测井的探测深度不大，一般仅限于冲洗带内，所以仪器和井壁之间的泥饼等介质对测量结果有较大的影响，必须予以校正。所以密度测井多采用长源距和短源距的双探测器装置，以便对泥饼等介质的影响予以校正(成都地质学院三系，1978)。

根据伽马-伽马测井参数可以判断水泥环以下砾料充填是否出现不均匀、架桥，泥砂充填和越流等现象。①长(短)源距测井曲线幅度起伏较大，数值明显偏大说明砾料投放不均匀出现泥砂混填情况(长、短源距计算后的密度值曲线与其相反)。由图2中BK-02号钻孔水泥环界面以下位置的长源距曲线明显偏大，可以判断该处位置有泥砂混填现象；②当水泥环界面高于采区上隔水层时，就会发生含矿含水层与上部含水层沟通形成越流现象，导致上部含水层受到污染，由图3中电流曲线在水泥环界面位置有明显的变化，结合井温水泥环界面可以判断该孔发生越流。

图3　ZK02号钻孔质量检查图Fig.3　Diagram of quality checks of ZK021.电流曲线；2.井温曲线；3.过滤器位置；4.细砾；5.粗砾；6.水泥；7.长源距曲线；8.水泥环界面；9.泥岩

3.2电流测井

电流测井是工艺孔质量检查的重要指标。电流测井的电路中采用直流恒压电源，电阻与电流成反比，当电极在聚氯乙烯井管中水面以上时，电阻无穷大，电流为零，当电极进入水面后，电流随着深度的增加而增加，当聚氯乙烯套管出现渗漏或破损时，电流会突破变大；当电极M进入过滤器中回路导通电阻变小，电流变大，出现高值平台区，这就是电流测井的基本原理(图4)。一般通过对电流曲线特征的分析可以确定过滤器位置的正确性、沉砂管位置和过滤器以上密封的聚乙烯(聚氯乙烯)套管中有无漏水，断裂现象。

(1) 根据电流测井曲线确定过滤器安装位置。一般情况下，电流测井曲线上下边界最

大幅度点之间的距离为过滤器长度，最大幅度点对应处即为安装位置。

(2) 根据电流测井曲线还可以确定除过滤器外其它部位的密封情况，特别是丝扣位置密封质量情况，检查是否有渗漏和断裂情况。由图3可确定ZK02号钻孔的过滤器位置在258～266 m，电流曲线在250 m处出现明显的尖峰状曲线形态，电流值明显变大，而聚乙烯套管单根长度为8 m，漏水点到过滤器上界面距离为8的整数倍，说明ZK02号孔的丝扣位置出现漏水现象；过滤器位置的底部出现波状尖峰曲线形态，可以确定该位置聚乙烯套管有断裂。

图4　电流测井原理图Fig.4　Schematic diagram of current logging

3.3井斜测井

井斜数据在地浸工艺质量检测中主要是为计算的孔底坐标与孔口坐标之间的偏斜距。偏斜距是工艺孔成井质量检查的重要指标，偏斜距的大小直接影响溶浸液的运移距离。往往很多人认为地层好施工的沉积岩也会出现井斜偏离很大的情况，我们如何在施工中既保证施工质量又保证施工速度，这就需要找出出现偏斜的原因，并解决它。

通过对井斜测井曲线的分析可以分析出钻孔钻进过程中容易出现井斜偏离较大的位置，而这些出现偏斜的位置往往是在遇到软硬不均的交错岩层中。由图5可以直观看到在115 m的砂岩和泥岩界面附近井斜出现了明显的偏斜，井径同时也变小；在130～140 m的砂岩-钙质砂岩-泥岩-砂岩的界面位置井斜偏离较大；分别在175 m，245 m，265 m和315 m位置倾角出现较大变化；在275 m的变径位置井径变小趋于稳定，钻探过程中添加了导向钻具和增长粗径钻具后倾角变化较小。

图5　井斜质量检查成果图Fig.5　Results chart of well deviation quality inspection

4结论

经过多年野外施工，对地球物理测井曲线的分析研究，地球物理测井在铀矿地浸工艺施工中成井质量检查起到较明显的应用效果：

(1)通过分析井温，伽马-伽马密度测井曲线特征发现成井过程中出现的泥砂混填，越流等现象的原因多为“小细节”没做好：①首先考虑施工的深度与套管底部深度差多少米，往往遇到超深钻进，导致实际添砾量大于计算量，如果施工过程中投砾速度较快，砾料沉降不密实，形成 “真空”这样就出现了架桥现象，随砾料的长时间沉降，砾料进入真空位置水泥也可能下沉进入过滤器中。②通过井温曲线和伽马-伽马曲线特征判断出投砾和投砾完成水泥灌注过程中因为机械或人为原因中断施工，导致悬浮在上方的泥浆和矿砂沉降出现夹层形成泥砂混填现象。③投放砾料时，因为经验不足计算错误投砾量等原因导致砾料量过多砾料沉降高度较大出现含矿含水层与上部含水层沟通形成越流现象导致上部含水层受到污染。

(2)通过电流测井曲线确定聚乙烯(聚氯乙烯)套管的成井质量效果明显。电流测井不仅可以确定过滤器安装位置的准确度，而且可以检查封闭的聚乙烯(聚氯乙烯)套管部位有渗漏和断裂。同时电流曲线对丝扣位置上微小的密封不实检测效果也十分好，与长源距曲线综合对比确定成井质量好坏。

参考文献

陈志杰.2002.自然电位测井在可地浸砂岩型铀矿找矿中的应用[J].新疆地质，20(2):173-175.

成都地质学院三系.1978.放射性勘探方法[M].北京:原子能出版社.

程宗芳，阳奕汉，赖永春.2007.地浸工艺在铀矿冶中的应用及其效益分析[J].铀矿冶，26(4):180-184.

何春明，姜必广.2006.地球物理综合测井技术在地浸采铀钻孔检测中的应用[J].湖南科技学院学报，27(5):326-328.

李锦，李耕，郭建军.2009.综合测井在陕西商南县光石沟花岗伟晶岩型铀矿勘探开发中的应用效果[J].陕西地质，27(2):70-74.

李仲秋，刘则尧，许暑生.1997.我国地浸采铀矿山物探综合测井技术的应用和开发[J].世界采矿快报，13(5):11-14.

梁齐端.2004.鄂尔多斯盆地北部地区矿层密度测井曲线畸变原因分析[J].铀矿地质，21(2):105-112.

刘庆成.2004.铀矿地面物化探的发展及应用[J].世界核地质科学，21(1):38-45.

刘兴华，王艳丽.2015.自然γ测井在铀矿普查中的应用[J].地质装备，6:29-33.

刘则尧，许暑生，李仲秋.1999.地球物理综合测井技术在我国地浸采铀矿山的应用[J].铀矿冶，18(1):1-8.

彭爽，乔鹏.2013.浅谈γ测井曲线峰型特征对铀矿找矿的指导意义——以纳岭沟铀矿床为例[J].内蒙古石油化工，22:39-41.

王浩峰.2010.论建立地浸砂岩型铀矿测井解释系列[J].河南理工大学学院：自然科学版,29:37-40.

王泗代.2002.地浸工艺与传统采矿法的联合应用[J].有色金属设计，29(4):13-20.

余水泉，杜建农，常桂兰，刘裕华.2003.铀资源勘查地球物理测井现状与今后的主要任务[J].世界核地质科学，20(1):36-38.

张振强.2002.地浸采铀技术与工艺[J].资源调查与环境，23(3):200-204.

中国核工业地质局.2001.地浸铀矿译文集[M].北京:地质出版社.

仲振东.2010.油气田测井技术在地浸砂岩型铀矿的适应性分析[J].科技信息，333-334.

周义朋，沈照理，史维浚，等.2015.地浸采铀工艺分类方法的探讨[J].有色金属(冶炼部分)，1:37-41.

Application of Geophysical Logging in in-situ Leaching Uranium Mining

LI Qiang1,ZHANG Xue-fen2,WU Xin-min3

(1.Party NO.243,CNNC, Chifeng, NMG 024006, China; 2. State Kay Laboratory Breeding Base of Nuclear Resources and Environment, East China University of Technology, Nanchang, JX 330013, China; 3. Faculty of Nuclear Engineering and Geophysics, East China University of Technology, Nanchang, JX 330013, China)

Abstract:Geophysical logging has an important role in in-situ leaching uranium mining. Based on the date of the geophysical logging, it can be divided into the strata and lithology, determined the location and grade of the ore, applied to check the cementing and quality of the well in in-situ leaching uranium mining. This paper mainly focuses on the effect of gamma logging, spontaneous potential logging, density logging, sonic logging, well temperature logging, current logging, well deviation logging in checking cementing and quality of the well, and explains the geophysical logging is an effective method in in-situ leaching uranium mining.

Key Words:in-situ leaching uranium mining; geophysical logging; well temperature; current

中图分类号：P631.8+1

文献标识码：A

文章编号：1674-3504(2016)01-0053-06

doi:10.3969/j.issn.1674-3504.2016.01.009

作者简介：李强(1981—)，男，主要从事地球物理测井。E-mail：83616174@qq.com

基金项目：国家自然科学基金(41174107)

收稿日期：2015-10-13