瞬发中子测井的铀矿井眼实时校正方法研究

赖毅辉 王海涛 陈 锐,,3

1（东华理工大学机械与电子工程学院 南昌330013）

2（东华理工大学核技术应用教育部工程研究中心 南昌330013）

3（东华理工大学江西省放射性地学大数据技术工程实验室 南昌330013）

铀资源属于国家重大战略物资，影响并制约着我国核电等能源战略事业发展，须加强铀资源勘探和勘探技术开发力度，以满足我国迅速发展的核能事业对铀矿资源的需求。在铀资源勘查中，铀矿储量决定铀矿床的工业开采价值和经济价值，必须保证铀矿测量结果的可靠性和准确性［1-2］，而我国传统的铀矿测井采用自然γ测井（包括γ能谱测井与γ总量测井）技术，该技术依靠测量铀系衰变链产生的衰变子体镭的放射性强度，通过反演方法确定地层铀含量，需要岩心取样分析平衡性系数修正才能保证结果的准确性［3］，已不适应放射性不平衡的砂岩型铀矿勘查。

国外最新发展的瞬发裂变中子测井是一种直接测铀技术，它能有效地解决放射性不平衡地区的铀矿定量解释难题［4-5］。铀裂变瞬发中子测井是一种利用中子探测器记录地层中的瞬发裂变中子信息实现“直接测铀”的测井技术［6-9］，其原理是通过置于钻孔中的井下中子发生器产生快中子，快中子进入井眼及地层后，与所含物质的原子核（235U）发生核裂变反应，利用中子探测器记录地层中的裂变中子衰减时间谱信息，通过分析计算可直接计算出地层中铀含量。该方法从原理上克服了放射性平衡性问题，大大节约了勘探成本，提高了探测效率。但由于井下14 MeV脉冲中子能量降低到约1 MeV时，主要通过与地层轻质量核素发生弹性散射慢化为热中子，热中子进一步与地层核素发生热中子俘获反应而消亡。这一过程中井眼条件对源中子的慢化与吸收影响较大，进而影响测井系统中子探测器的响应计数［10］。据Merten等［11］统计，铀裂变瞬发中子测井由于各种井眼条件影响因素（井径、井液等）造成的解释误差为10%～30%，有时甚至超过50%。这一特性致使铀裂变瞬发中子测井的解释结果必须进行现场实时校正，以满足地浸采铀钻孔的铀矿定量需求［12-13］。

这些影响中，扩径、缩径等井径的变化在铀矿测井时较为常见，在测井过程中需针对井径变化作校正，以减少其对解释结果的影响。本文通过分析含水井径与热中子俘获γ能谱的对应关系，将井径的变化以俘获γ谱的氢峰计数率表征，以此得到氢峰计数率与井径变化的对应关系，降低因井径变化对铀裂变瞬发中子测井的解释结果的影响。

1 铀裂变瞬发中子测井原理

由铀裂变瞬发中子测井原理可知，令含铀地层热中子密度时间分布为nth（t），由中子和铀相互作用原理可知，在探测器测量时间范围内由235U热中子核裂变反应贡献的超热裂变中子密度的时间分布nep（t）为：

式中：系数k=（α/A）·NA·σf·ν；α、A分别为235U的丰度及原子量；NA为阿伏伽德罗常数；σf为热中子和235U发生裂变的微观截面；ν为裂变产生的次级中子平均产额；pν为铀的体积百分含量。

当中子源发射中子Δt时间后单位厚度瞬发超热中子总计数可以表示为：

式中：Nep（Δt）为t1-t2时间内的超热中子总计数；Nth（Δt）为t1-t2时间内的热中子总计数。由式（2）可得到地层含铀量pν的表示形式：

式（3）显示，中子源发射中子脉冲一段时间后Nep（Δt）/Nth（Δt）与地层铀含量呈现一定的正比关系。利用中子探测器记录地层中的超热/热中子时间谱计数Nep（Δt）/Nth（Δt）可定量地层中的铀含量。但在井眼进行测井时，比例系数受井眼流体、井径等影响较大，需要进行井眼环境校正。

此外，通过上述分析可知，当源中子产额及地层密度一定时，地层铀含量主要受井径影响，其影响因素主要来自于井液（水）对中子的减速能力，即井眼的含氢量。因此，可以通过记录井下探测器测得的中子诱发俘获γ谱数据，统计能谱中氢峰面积获得井眼的含氢量，进而确定井径校正因子，降低井径对铀矿含量的影响。

2 井径校正实验设计与模拟

2.1 计算模型

为获得不同井眼条件，利用蒙特卡罗程序MCNP建立含水井眼条件下的铀裂变瞬发中子测井的数值计算模型，现将井眼与地层条件具体参数如下：

1）地层设为圆筒状，其半径为100 cm，高为350 cm；

2）地层骨架为含铀砂岩，主要成分为二氧化硅和铀，铀含量（235U）预设为0.5%；

3）井眼中充满泥浆，泥浆的主要成分为水、石英砂，密度设为1.25。

数值模拟的地层和仪器模型示意图如图1所示。

铀裂变瞬发中子测井仪器内采用14 MeV的氘-氚（D-T）脉冲中子源，中子源与中子探测器之间的源距为30 cm，中子源和探测器之间利用理想屏蔽体（即真空）进行屏蔽；超热中子探测器布置于探管轴线上，6根热中子探测器呈正六边形均匀地分布在超热中子探测器外围，其间慢化剂采用聚乙烯材料，热中子探测器与超热中子探测器均为3He气体探测器（气压为0.6 MPa），超热中子探测器外表面由厚度为0.025 mm的镉（Cd）箔包裹；γ探测器材料为LaBr3，中子源与γ探测器之间的源距为200 cm；测井仪结构如图2所示。

MCNP模拟计数时采用探测器脉冲幅度（F8）计数，模拟的快中子源粒子数为5×109个，采用分裂与赌的减方差技巧，保证计数误差小于1%，MCNP所使用数据库为ENDF/B-VII.1库，中子源出射方向为4π方向。

图1 蒙特卡罗模拟模型示意图Fig.1 Diagram of Monte Carlo simulation model

图2 测井仪结构示意图Fig.2 Structure diagram of Monte Carlo simulation model

2.2 铀裂变瞬发中子测井井径影响模拟

为探究不同井径对俘获γ能谱的影响，根据野外测井中的生产孔及参数孔特征，分别模拟19种井径的影响，井径分别为70 mm、90 mm、115 mm、148 mm、180 mm、211 mm、250 mm、280 mm、311 mm、350 mm、400 mm、450 mm、500 mm、550 mm、600 mm、700 mm、800 mm、900 mm和1 000 mm。通过记录中子诱发俘获γ能谱全能峰计数率，分析峰计数率与井径的对应关系。

各井径影响下的俘获γ能谱计数结果如图3所示。由图3分析可得，井径变化时其他元素特征峰变化幅度较小，仅氢元素特征峰（2.223 MeV）对井径变化较为敏感，并呈不断递增趋势。

图3 不同井径影响下的俘获γ能谱Fig.3 Capture gamma spectra with different borehole sizes

进一步地，为便于分析氢元素特征峰计数率随井径的变化特征，特将不同井径影响下氢元素特征峰计数率逐一进行累积求和对比，结果示于图4。

图4 不同井径影响下的俘获γ能谱氢特征峰计数率Fig.4 Counting rate of hydrogen characteristic peak of captureγspectra with different borehole sizes

可以看出，当井径小于400 mm时，由于井眼内氢原子核增多，导致源中子经慢化后的热中子数增多，氢峰计数呈急剧上升趋势。当井径大于400 mm时，此时由于中子慢化形成热中子数趋于饱和，使得氢峰计数变化趋势逐渐平缓，并最终趋于稳定（井径≥800 mm）。此时，井径的变化对氢峰计数影响较小，可忽略不计。

此时利用指数函数拟合得到氢峰计数率的变化规律曲线，其拟合曲线如图5所示（R2=0.990 7）。

图5 氢峰计数率的随井径变化的拟合曲线Fig.5 Fitting curve of counting rates of hydrogencharacteristic peak with different borehole sizes

其中：

因此，当式（1）中其他条件一定时，井径可用俘获γ氢峰计数率函数C（x）表征。

利用该式修正瞬发裂变中子测井结果时，可先根据测得的俘获γ计数率通过式（4）获得当前深度的井眼直径，再通过瞬发裂变中子测井井径（井液）校正方法对解释结果进行修正，提高解释结果的可靠性。

3 测试验证

为验证本文方法的正确性，使用蒙特卡罗程序分别模拟井径为110 mm、130 mm和160 mm的生产孔，记录在不同条件下的俘获γ谱并与经式（4）拟合结果进行比对，同时假定110 mm井径条件下铀含量为标准值，其余（130 mm与160 mm）井径条件均将其铀含量计算结果修正至该条件下（表1），该拟合结果依据式（4）实现。模拟过程中其余参数与本文上述实验参数一致，在此不再赘述。结果表明：按γ测井规范（EJ/T611-2005）中稳定性要求（计数率或照射量率相对偏差≤5%）［14］，本文方法满足实际测井需求。

表1 测试结果对比Table 1 Comparison of validation results

4 结语

铀裂变瞬发中子测井技术受地层环境对源中子的慢化与吸收影响较大，必须进行现场校正。本文针对铀裂变瞬发中子铀矿测井过程中受地层环境影响造成解释精度影响较大问题，通过分析实际生产测井过程中的井径变化与热中子俘获γ能谱的对应关系，将井径的变化以俘获γ谱的氢峰计数率予以表征，利用蒙特卡罗程序模拟含水井眼模型计算结果显示，井径的变化可由氢元素特征峰计数率表征，并可由氢元素特征峰计数率以指数函数拟合得到，其拟合决定系数R2=0.990 7，测试表明，按γ测井规范中稳定性要求（计数率或照射量率相对偏差≤5%），该系数满足实际测井精度要求。

致谢感谢江西省超算公共服务平台对本文模拟工作的大力支持。