感应测井技术在哈萨克斯坦铀矿山地浸采铀中的应用

郝金龙，邓洪泽，陈宁

（中广核铀业发展有限公司，北京 100029）

1948 年Doll H.G.为了在石油测井中解决淡水泥浆和油基泥浆井的地层电阻率测量问题，提出了感应测井理论，1949 年为描述地层各部分对测量信号的贡献，他又提出了几何因子理论［1］。20 世纪50 年代初诞生了感应测井仪［2］。1962 年在普通感应测井技术的基础上研制出了双感应测井仪器。此后感应测井成为重要的电测井方法［3］。

随着石油工业的迅速发展以及科学技术的进步，感应测井发展进入了阵列感应时代，1990 年斯伦贝谢公司研制出阵列感应测井仪器（AIT），之后阿特拉斯（Atlas）公司和哈里伯顿（Halliburton）公司又相继推出了高分辨率阵列感应测井仪器［3］。

国内20 世纪90 年代中期，胜利油田测井公司参考哈里伯顿公司的高分辨率感应测井仪器（HRI），率先研制高分辨率感应测井仪器，并于2002 年投入商用。2008 年中国石油测井有限公司（CPL）成功研制出阵列感应成像测井仪器（MIT），类似于西方的阵列感应测井仪器，使中国测井进入感应成像新时代，该方法在国内外油田领域应用比较广泛［3-4］。

20 世纪70 年代末，感应测井逐渐应用于地浸铀矿勘探和开发过程中，因为在很多情况下通过电测井的传统视电阻方法对钻孔剖面进行岩性-岩层划分是比较困难的，特别在低电阻率岩层、钻探液渗透带直径较大、岩层厚度较薄、干孔以及钻孔安装有绝缘套管等情况下所获得的结果不太可靠。恰恰这种情况推动了感应测井在铀矿领域的应用和发展，并在层间渗入型铀矿床的工业开采中找到了用武之地［5］。

感应测井于1978 年首次用于哈萨克斯坦蒙库克杜克（Мынкудук）矿床东段（ПВ-19）地浸采铀工艺，当时该矿床正处于现场地浸试验阶段。通过与视电阻率标准测井结果以及岩心对比，证实了感应测井解释结果具有较高的可靠性和真实性［5］。

在独联体国家，感应测井是一种快速测量铀矿地浸工艺参数的有效手段，并确立了其在综合测井中的重要地位，而在国内未见相关报道，因此，值得借鉴推广。

1 感应测井的基本原理

感应测井是基于电磁感应原理的一种重要电阻率测井方法，其原理可用最简单的双线圈系感应测井仪来说明，其探管的主要组成部分为发射线圈和接收线圈即所谓的双线圈系，两线圈位于同一轴心且彼此相隔一定距离（L），该距离远大于线圈的尺寸（图1）。

图1 感应测井原理示意图（据参考文献［5］）Fig.1 Schematic diagram of induction logging method（after reference［5］）

感应测井是测量钻孔所揭穿岩石的电导率，此方法不需要电极只是借助于感应电流。该测井方法所获得的信息以及相应的地质效果主要取决于钻孔剖面岩石的电导率差异程度。

通过发射线圈可以产生稳定的超声频率为100～200 kHz 的交变电流。发射线圈的交变磁场在周围岩石中感应涡流，涡流又产生二次磁场，该磁场在测量线圈中产生感应电动势，在空气中感应电动势比发射线圈中的电流相位超前π/2 的角度，并被称为直流场电动势，此电动势是有用信号，将其传输到地表并进行记录［6-7］。

Doll H.G.在分析双线圈系的特性时发现测量结果受钻探泥浆和围岩影响较大，于是提出了一种利用辅助线圈形成聚焦场来改善双线圈系特性的方法，因此，自20 世纪50 年代末，开始使用多线圈系，其中除了两个主要线圈外，还包括一些辅助线圈（亦称聚焦线圈）［5］。

现代感应测井仪器一般为多线圈系，最简单的多线圈系是三线圈系。在钻孔地浸采铀中通常所用的感应测井仪就是三线圈系，包括两个主线圈和一个聚焦线圈［8］。

聚焦感应线圈系的核心在于向两个主线圈附加引入另外的发射和接收线圈，也称为聚焦线圈。位于主线圈之间的聚焦线圈可以使探测深度增加，而置于主线圈外侧的聚焦线圈可以使围岩的影响减小。因此，这样配置能够增大径向探测深度和提高垂向分辨率［9］。

当导电性较小时，有效信号实际上与介质的导电性成正比，当导电性较大时，有效信号比介质的导电性增加得慢，该现象与涡流的相互作用有关，通常称为趋肤效应。

感应测井数据解释时必须进行以下影响因素校正［10］：

1）趋肤效应；

2）钻孔填充液的导电率；

3）导电冲洗带；

4）有限厚层与围岩的电导率；

5）钻孔套管安装的金属部件。

其中趋肤效应校正是最重要的修正，如果不校正，则会导致感应测井数据及其解释结果产生较大的失真［11-12］。

不同线圈系视电导率与视电阻率之间的关系可以表示为σa=f（ρa）。即在低电导率情况下视电导率σa等于岩石真电导率值（σg），即σa=σg=1/ρg，在高电导率情况下，不同线圈系获得的视电导率σa与真电导率值σg有偏差（图2）。

图2 感应测井的岩石电导率σa与其电阻率ρa的关系曲线（据参考文献［5］修改）Fig.2 Relationship between rock conductivity σa and resistivity ρa of induction logging（modified after reference［5］）

电导率的单位是西门子每米（Sm·m-1）——欧姆米（Ω·m）的倒数，在实践中常用千分制单位：毫西门子每米（mSm·m-1）。多线圈系用符号（比如：4F 0.75）表示：前面的数字表示线圈数量，F 表示聚焦线圈，后面的数字表示主线圈距（单位：m）。

2 感应测井的特征优势

2.1 对低电阻率岩层灵敏

感应测井是基于电磁感应原理测量地层介质电导率的一种方法，通常电导率（即电阻率的倒数）高的岩层对测量结果贡献大，亦即感应测井对低电阻率岩层反应灵敏［13-14］。

感应测井时电阻率测量范围一般会受到限制，在介质电阻率较小情况下明显受涡旋电流作用——趋肤效应的影响，在电阻率较大情况下信号较弱并且在不同场背景下是不同的。

有利于感应测井的条件是低电阻率（低于50 Ω·m）岩层以及中等或弱矿化度的钻井液。感应测井对较低电阻率岩层（低于10 Ω·m）的测量结果能够达到较高精度，当其超过200 Ω·m时，该方法对岩层电阻率的变化不敏感。

从感应测井曲线可以看出，不同电导率岩层的曲线响应不同，该曲线类似于视电阻率曲线的“反转”并与视电阻率曲线组成近似的镜像对称曲线，总的来说其特点类似于自然电位曲线（图3）。

图3 标准电测井（ρa，SP）曲线与感应测井（IL）曲线对比（据参考文献［5］修改）Fig.3 Comparison of standard electrical logging（ρa，SP）curve and induction logging（IL）curve（modified after reference［5］）

对应于低电阻率岩层，感应测井曲线和视电阻率曲线差异较大。在低电阻率区，感应测井曲线幅度拉得比较高，而在高电阻率区，与通常的电阻率曲线比较该曲线却受到了抑制。因此，感应测井曲线能够很好地区分低电阻率岩层。

2.2 工艺液pH 值、SO42-浓度及总矿化度与电导率的关系

在采用硫酸法地浸时，含硫酸溶浸液注入地下含矿层中，逐渐在岩矿石孔隙中扩散，并与岩矿石固体矿物骨架发生化学反应，使岩石的电导率发生变化，岩石的电导率主要取决于溶液的电性，即岩石孔隙中所充填溶液的电导率，这种关系可表示为：

式中，σg—岩石的电导率，Sm·m-1；σs—孔隙中溶液的电导率，Sm·m-1；Rr—相对电阻，无量纲。通常取决于溶液和固体矿物骨架的性质，以及岩石组成系统中各种介质的相互关系和相互作用。

如果每种类型岩石的参数Rr已知，那么只要根据感应测井确定了岩石的电导率σg，就可以根据公式（1）很容易地计算出溶液的电导率σs值，再根据电导率σs值可确定溶液的pH 值、SO42-浓度以及总矿化M，这些都是表征工艺液性能的主要指标。

根据感应测井数据确定pH值、SO42-浓度以及总矿化M 是基于它们与工艺液电导率（σs）之间的相关性，并可绘制σs=f（pH），σs=f（SO42-），σs=f（M）相关曲线，必须对所取工艺液样品测量其σs值并据此来确定工艺液性能。此外，根据岩石和孔隙液的电导率测量结果，可以利用公式（1）确定不同岩层的相对电阻。如果图形上的点阵均匀覆盖所求参数的整个范围并且不少于150～200个样，则认为所构建的关系曲线是可靠的［5］。

工艺液pH 值与参数σsa的相关性解析式可以表示为：

式中，pH—酸化后工艺液的pH 值；pH0—溶浸液的pH 值；σ0s—天然条件下层间水的电导率，即酸化前孔隙液的电导率，Sm·m-1；σas—酸化后层间水的电导率，即酸化后孔隙液的电导率，Sm·m-1。

工艺液SO42-浓度与参数σsa的相关性可用以下公式表示：

式中，C—工艺液SO42-浓度，g/L；a1、b1、k1—回归方程系数；σ0s—天然条件下层间水的电导率，即酸化前孔隙液的电导率，Sm·m-1；σas—酸化后层间水的电导率，即酸化后孔隙液的电导率，Sm·m-1。

工艺液总矿化度M与参数σsa的相关性可用以下公式表示：

式中，M—工艺液的总矿化度值，g/L；a2、b2、k2—回归方程系数；σ0s—天然条件下层间水的电导率，即酸化前孔隙液的电导率，Sm·m-1；σas—酸化后层间水的电导率，即酸化后孔隙液的电导率，Sm·m-1。

3 应用效果

在矿山地浸开采准备工作过程中，利用感应测井曲线可以检测工艺孔过滤器位置，识别溶浸液在含矿层中的酸化范围。在开采运营过程中，运用感应测井数据可以定量计算工艺溶液酸度指标。

3.1 识别溶浸液酸化范围

以哈萨克斯坦谢米兹拜伊地浸铀矿工艺孔ZK52-20-3 为例，所采用的感应测井仪为ПИК-50 型仪器。在地浸开拓阶段该工艺孔的第一次（酸化前）感应测井曲线IL1形态及幅度变化主要是钻孔岩层剖面电导率的响应，一般来说感应测井曲线低幅值是砂质岩类的响应，高幅值是泥质岩类的响应，酸化前感应测井曲线形态与视电阻率测井曲线形态呈对称状分布，结合视电阻率测井曲线可以解释钻孔剖面岩性，大致划分渗透岩层和非渗透岩层。

该工艺孔经过一年地浸开采后，第二次（酸化后）感应测井曲线IL2含矿岩层所对应的电导率幅度显著增高，这是含矿层被酸化的结果，其实，曲线IL2是含矿岩层酸化后孔隙液电导率的反映，因此，通过对比含矿层酸化前和酸化后感应测井曲线形态的变化可以在垂向上有效地确定岩矿层酸化范围（图4）［15］。

此外，通过对地浸开采区块上大量工艺孔感应测井曲线的分析研究，可以在水平方向上判别溶浸液酸化分布范围。

3.2 检测过滤器安装位置

在地浸矿山开采准备工作阶段，工艺钻孔在成井后未酸化前进行第一次感应测井，其曲线IL1下端出现一高幅狭窄的峰值，这是金属部件的响应，因为在过滤器下端安装有托盘，而托盘是用金属箍圈固定的。因此，利用感应测井可以准确定位过滤器的实际安装位置。

经过一年地浸开采运营之后，又进行了第二次感应测井，第二次感应测井曲线IL2并没有出现高幅窄峰，这说明固定托盘的金属箍圈已经完全被硫酸溶液溶蚀掉了。

3.3 定量确定地浸工艺参数

依据工艺液指标pH、SO42-和总矿化度M与工艺液电导率（σs）之间的相关性，分别绘制σs=f（pH），σs=f（SO42-），σs=f（M）曲线，回归方程系数ai、bi、ci、ki（i=1 表示用于计算SO42-浓度，i=2 表示用于计算总矿化度M）取哈萨克斯坦楚-萨雷苏铀成矿省矿床系数分布范围的中值（表1）［5］。

表1 楚-萨雷苏铀成矿省铀矿床工艺液酸度和矿化度的回归方程系数及其他相关参数［5］Table 1 Regression equation coefficients and other relevant parameters for the acidity and salinity of the process fluid from some uranium deposits in Chu-Sarysu uranium metallogenic province

不同的层间渗入型铀矿，回归方程系数是不同的，同一铀成矿省内的矿床其值相差不大，而不同铀成矿省内的矿床可能相差较大。

依据公式（2）绘制的工艺液pH 值与电导率σsa的相关曲线如图5 所示，pH 值与电导率呈非线性负相关关系（图5）。

图5 楚-萨雷苏铀成矿省铀矿工艺液pH 值与其电导率σs关系曲线（据参考文献［5］修改）Fig.5 Relationship between pH value of process solution and its conductivity σs from some uranium mines in the Chu-Sarysu uranium metallogenic province（modified after reference［5］）

根据楚-萨雷苏铀成矿省矿床的经验，当pH≥2 时，其均方差为13%～25%；当pH＜2 时，其均方差为6%～13%。

依据公式（3）绘制的工艺液SO42-浓度与电导率σsa的相关曲线如图6 所示，SO42-浓度与电导率呈非线性正相关关系（图6）。

图6 楚-萨雷苏铀成矿省铀矿工艺液SO42-浓度与其电导率σs关系曲线（据参考文献［5］修改）Fig.6 The relationship between the concentration of SO42- in the process solution and its conductivity σs from some uranium mines in the Chu-Sarysu uranium metallogenic province（modified after reference［5］）

依据公式（4）绘制的工艺液总矿化度M与电导率σsa的相关曲线如图7 所示，总矿化度M与电导率呈非线性正相关关系（图7）。

图7 楚-萨雷苏铀成矿省铀矿工艺液总矿化度M 与其电导率σs关系曲线（据参考文献［5］修改）Fig.7 The relationship between the total salinity M of the process fluid and its electrical conductivity σs from some uranium mines in the Chu-Sarysu uranium metallogenic province（modified after reference［5］）

根据楚-萨雷苏铀成矿省矿床的经验，对于工艺液SO42-浓度，其均方差不超过15%～45%。对于工艺液总矿化度M，其均方差为15%～35%。

4 结论

1）酸化前感应测井曲线可以有效识别钻孔剖面上的低阻岩层。

2）酸化后感应测井曲线能够识别钻孔剖面上酸化分布范围，并初步确定其在钻孔地浸过程中的酸化情况。

3）利用感应测井对低阻层灵敏并且其测井曲线幅度拉得比较高的特点，可以准确定位钻孔地浸采铀工艺钻孔中所安装过滤器位置，有利于指导工艺孔的合理安装。

4）通过建立工艺液酸度和矿化度指标与测井电导率之间的回归方程，可以定量解释工艺溶液的pH 值、SO42-浓度以及总矿化度M，有助于开采现场快速了解工艺液的酸化程度以及矿化度指标。