小口径γ 能谱深测井探管耐高温技术研究

冯延强，刘祜，焦仓文，杨建涛，邵帅

（核工业北京地质研究院 中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京 100029）

20 世纪中期，我国从前苏联引进了用于铀矿测井的伽马总量测井技术，并在我国实现了自主化。针对铀矿床，伽马总量测井能够满足应用需求，但对于铀钍混合矿床，由于受到钍的干扰，伽马总量测井已不能准确提供铀含量。因此发展伽马能谱测井技术，对于铀钍混合矿床的铀、钍含量准确测量具有重要意义。

近年来，我国南方热液型铀矿再次成为铀矿勘查的重点类型，向深部发展，攻深找盲、扩大铀资源储量，提高深部探测能力，成为我国铀矿勘探领域发展的重要方向。因此，研究适用于深部自然伽马能谱探测的耐高温高压技术及研制相应小口径测井探管具有重要技术突破意义。

由于自然伽马能谱测井探管中的闪烁晶体、光电倍增管等对温度波动较为敏感，易受井下高温环境影响而使其性能发生变化，导致测量结果不准确［1-2］。尤其是在我国南方热液型铀矿地区，地温梯度变化较大，3 000 m 深度处井温近110 ℃。虽然，技术角度上可以通过稳谱、死时间修正、探测效率修正等方法进行高温条件下的测量结果处理［3］，但是该类处理技术属于一种补偿手段，没有从根本上解决问题。并且，在实际应用中修正方法存在众多不便。例如每个闪烁体受温度影响信号衰减速率不同，各个探测器都需要单独刻度温度变化影响时的修正因子。除此外某些参数的衰减并不呈线性，因此修正手段并不能完全解决自然伽马能谱深部探测应用时存在的问题［4-5］。

综上，自然伽马能谱测井技术在深部探测应用时，尚存在以下问题需解决：

1）如何实现井下高温环境条件时，自然伽马能谱测井探管内部的温度不超过电子元器件工业级温度范围，保障探管处于正常工作状态，从而使常规技术手段得以应用，以此来解决井下深部探测时耐高温问题［6-7］。

2）铀矿勘探钻孔不同于石油煤炭领域，一般钻孔直径约为90 mm，如何实现小口径探管条件下的耐温和承压问题，也是自然伽马能谱测井技术应用于深部探测时需要解决的问题。

3）在解决井中高温条件下耐温问题后，探管内部电路的热功耗随着工作时间的增加带来的探管内局部空间温升也会对自然伽马能谱正常工作带来影响［8］，不同于常规条件下该部分热量可以通过管壁扩散至井液，在深部探测应用中，内部温升也是需要解决的关键问题。

1 小口径探管耐高温技术的实现

1.1 探管材料及机械结构

探管采用抗拉性能好、热膨胀系数小的TC11钛合金材料，减小在高温条件下材料受热发生膨胀带来承压的潜在隐患。在探管头与承压尾管与钛合金管体连接处通过三角堆焊技术，确保承压35 MPa 以上。机械结构上整管采用一体化设计（图1），探管外径59 mm、内径39 mm，真空夹层厚度5 mm，钛合金外管壁厚4 mm，由内向外加工。完成抽真空工艺后，外管采用一次车加工成形，增加承压能力。钛合金承压外管作为真空夹层腔体的外壁，一体化设计保障了小口径的实现。

图1 探管机械结构示意图Fig.1 Schematic diagram of probe tube mechanical structure

1.2 小口径探管真空隔热技术

真空隔热可最大限度地降低接触式固体导热带来的漏热。研究的小口径探管真空隔热技术需要解决小管径结构工艺问题，另一方面需要避免探管口处的对流导热。结构工艺如1.1 中论述，采用一体化钛合金结构，5 mm 真空夹层真空度约10-3Pa。为避免探管口处的对流导热，一方面增加探管头的长度，减少对流影响；另一方面在探管头与上吸热模块之间设计了隔热模块。隔热模块采用玻璃钢外管，内填充隔热棉，以此来降低热对流的影响。

试验实测了真空隔热效果。恒温箱内部温度从25 ℃升高至70 ℃后稳定，监测了1 h 中模型内部温度的实测数据（图2），模型内部温度从22.7 ℃升高至23.3 ℃，温升仅0.6 ℃，隔热效果明显。

图2 真空隔热试验1 h 实测数据Fig.2 Vacuum insulation test data for 1 hour

1.3 探管内部相变吸热技术

针对真空隔热会导致内部电路的热功耗热量及探管漏热扩散不出去，探管内部温度会持续升高的问题。研究了探管内部相变吸热技术，利用复合盐类（相变温度约48 ℃）相变材料Phase Change Material（PCM）吸收探管内部热量，进一步保障探管内部温度不会超过75 ℃。

首先，分析了探管内部主要热功耗的来源，并实测其热功耗［15］，具体测量数据见表1。

表1 探管内部实际热功耗测量结果Table 1 Measured results of actual thermal power inside the probe

PCM 潜热约为200 kJ·kg-1、比热约为1.27 kJ·kg·℃-1、密度约为1.52 g·cm-3。按照实际应用中探管内部温度不超过75 ℃、吸热系数按1.3计算，实测热功耗可按照式（1）计算为919.10 mW。按照实际工作中探管需连续工作15 h，而无吸热模块时探管内部温度约4 h便可升至75 ℃，因此吸热模块需要吸收的热功耗是由电路约11 h工作状态产生的，据式（2）可计算总吸热量为36.40 kJ。实际中，还需要考虑探管漏热导致的内部温升，按照漏热约0.6 W、据式（3）可计算出需要PCM的质量mPCM为0.261 kg；据式（4）可计算PCM体积VPCM为171.71 cm3。

设计了外径35 mm、壁厚1.5 mm、长度为150 mm的圆管吸热模块，容积约120 cm3，装置于探管底部；另一吸热模块长度为250 mm，且中心位置设计直径8 mm 的走线孔，容积约188 cm3，装置于探管管口位置。采用双吸热模块，满足理论分析VPCM要求，以此解决探管内部由于电路热功耗及漏热带来的温升问题，进一步确保探管内部温度不超过75 ℃。

2 实际应用

在耐高温技术实现基础上，研究成果在相山CUSD1 科学深钻进行了实际应用验证，钻孔地温梯度为2.92 ℃/100m，井底温度近110 ℃。耐高温探管在工作状态实测深度为2 800.84 m、空载状态实测深度为2 191.75 m。实测试验中探管内部温度监测数据如图3 所示。温度监测数据表明：探管内部在电路不工作状态时温升为12 ℃，隔热效果明显；电路工作状态时温升为44 ℃，最终温度为64.19 ℃。可见，实测试验中研制的耐高温技术能够满足探管内部工作温度不超过75 ℃的要求。

图3 CUSD1 钻孔实测试验温度监测数据曲线Fig.3 Temperature monitoring curve of borehole CUSD1

在温度监测试验基础上，实测了CUSD1 钻孔中两处放射性异常段，进行了研制的小口径耐高温伽马能谱测井探管（NP594）、进口γ 能谱探管（RG_SGM2）及γ 总量探管（GM404）三种探管测井数据的对比分析。对比测井曲线如图4 和图5，可见铀、钍异常段在深度、比例关系及分布趋势上NP594 均与GM404、RG_SGM2一致。

图4 CUSD1 钻孔放射性异常段1 测井数据曲线Fig.4 Logging curve of radioactive anomalous section 1 of borehole CUSD1

图5 CUSD1 钻孔放射性异常段2 测井数据曲线Fig.5 Logging curve of radioactive anomalous section 2 of borehole CUSD1

由此可见，研究的小口径伽马能谱深测井探管耐高温技术，能有效解决井下井液高温对于γ 能谱探测的影响，提升了我国铀矿勘探领域小口径γ 能谱的测井能力。

3 结论

小口径γ 能谱深测井探管耐高温技术成果在相山铀矿田科学深钻CUSD1 钻孔2 800 m 深度试验表明：探管内部温升在电路不工作状态时为12 ℃、电路工作状态时为44 ℃，最终监测温度为64.19 ℃，能够满足γ 能谱探管工作温度要求。该技术研究能有效避免井下井液高温对于γ 能谱探测的影响，提升了我国铀矿勘探领域小口径γ 能谱的深孔测井能力，可为我国热液型铀矿深部探测提供重要技术支撑。