我国γ 测井技术发展的回顾与展望

王殿学，余水泉，黄笑

（1.核工业二四三大队，内蒙古 赤峰 024000；2.中国铀业有限公司，北京 100013）

核能作为清洁能源，在改善能源结构和“减排”方面显得尤为重要，是我国能源可持续发展的必然选择［1-2］。铀矿资源作为核工业发展的“基石”，是保障核能发展的物质基础［3］。我国铀矿地质找矿工作始于1955 年，六十多年来，国内大多数铀矿床是利用核地球物理勘探技术发现的［4］。γ测井技术作为铀矿地质勘查的主要手段之一，是在钻孔内确定铀矿体空间位置、品位及厚度的关键技术［5］。铀矿勘查中使用的“伽马测井”是指伽马总量（定量伽马）测井，为凸显其特殊性最终定义为“γ测井”，它不同于石油、煤炭等系统使用的“自然伽马测井”。我国γ测井技术从无到有，经历了引进借鉴、自主完善和创新发展等阶段，仪器设备和数据处理水平不断提高，标准体系的构建得以不断健全完善。下面将在γ测井的仪器设备、方法技术、测井模型、解释修正和技术标准五方面，回顾总结我国γ测井技术发展历程及其发展现状和主要研究成果，并对我国γ测井技术未来发展进行了展望，旨在供同行讨论，统一观念进一步促进γ测井技术的发展［6］。

1 仪器设备

20 世纪50 年代，从开始使用苏制测井仪到仿制完成第一代电子管电路的FD-107 型γ测井仪。1969年由原二机部国营二六三厂（现上海申核电子仪器有限公司，以下简称上海申核）自行设计并研制完成FD-61型轻便γ测井仪，1979年完成对FD-61 型测井仪的改进，并定型为FD-61K型γ测井仪［7］。FD-61K型γ测井仪探测部分传感器采用的是三只伽马计数管和分立电路组成。主机采用分立元件，模拟信号率表显示数据。受伽马计数管探测灵敏度和精度较低的影响，低品位矿层难以准确测量。

20世纪80年代，随着国内NaI晶体和光电倍增管产品等电子技术的日趋成熟，电子元器件的性能和质量得以大幅度提升，上海申核开始研制高灵敏度的第二代γ测井仪，型号定为FD-3019。FD-3019型γ测井仪探测部分采用NaI晶体作为传感器，器件体积小且灵敏度高，仪器生产采用小规模集成电路、阈值统一和防散射工艺技术，通过长期的模型标定和实际应用，经专家鉴定FD-3019型γ测井仪其技术性能和指标完全达到铀矿勘查技术要求，从而取代了原FD-61K 型γ测井仪。FD-3019 型γ测井仪的研制成功，实现了γ测井数字化、高精度测量，提高了γ测井数据的可信度。

受当时电子技术水平的限制，测井仪与地面测量系统之间采用电缆进行模拟信号传输，传输信号存在形变、衰减和传输死时间等问题。随着数字化和计算机技术的不断发展，自2000 年至2006 年各铀矿勘查单位将原有的FD-3019 型γ测井仪接入地球物理测井系统实现数字化自动传输，大量的实验和实践证明取得了较好的效果，避免了模拟信号因传输过程受影响而产生的测量不精准的缺点。到2007年，γ测井仪的传输方式也由模拟传输转变为数字传输，称为FD-3019 数字传输型γ测井仪，γ测井仪与地面测量系统在数据处理及显示上采用计算机、模块化集成电路及大屏液晶数显。2020年，FD-3019数字传输型γ测井仪前端采用NaI晶体传感器作为探测组件不变，外形也逐渐趋于小型轻便化，仪器精度不断提高，性能更加的稳定，与地球物理测井仪各参数组合使用，更适应现代野外测井高效率化的特点。γ测井仪经历了“引进、仿制和自主改进”的过程，现已实现了国产化。

2 方法技术

2.1 测井方法

1927 年9 月5 日测井技术诞生于法国，并很快得到推广应用［8］。核测井作为测井技术的三大支柱之一，诞生于1930 年，并随着核技术的发展和矿产勘查的需求而迅速发展起来［9］。核测井主要包括伽马测井、中子测井和核磁测井三大类。我国自1955 年组建铀矿地质队伍开展铀矿勘查以来，一直采用γ总量测井（γ测井）技术和方法，提交的360余个铀矿床全部使用γ测井确定钻孔内铀矿层位置、厚度及品位等参数，并全部采用γ测井解释结果计算和提交铀资源储量［10］，不需要通过矿心取样和化验分析来确定矿石品位和厚度，部分矿心取样分析主要用于与γ测井解释结果比对和确定铀镭（氡）平衡系数。实践证明，γ测井是一种快速、经济、准确、实用的现场定量测量方法。

γ测井作为铀矿地质勘查过程中一种基本的井下核地球物理测井方法，利用FD-3019数字传输型γ测井仪沿钻孔测量岩层和矿体的放射性强度，其能量测量范围为（400 keV～3 MeV），测量结果为每秒的计数（cps）。可利用FD-3019 探管检定给出的换算系数与死时间进行计算，确定铀矿层（体）空间位置、厚度及品位，属于放射性平衡状态下的铀含量“间接定量”技术［11］。

目前γ测井的测量方式有两种，一种是点测，另一种是连续测井。法国于1960 年开始研究连续测井和相关的仪器设备，随着电控设备自动化程度的不断提高，绞车由恒速电动机驱动，速度由数字测井采集系统控制，测井深度则由滑轮和光电码盘记录电缆移动的长度。1984年，渭南煤矿专用设备厂引进美国MT.SOPRIS 系列Ⅲ数字测井生产技术，经吸收和改进后生产出TYSC 系列数字测井仪器系统［12］。20 世纪90 年代中叶，煤田测井技术和设备被引入到地浸砂岩型铀矿找矿工作，促使我国铀矿γ测井实现了连续测井，极大地提高了γ测井的精度和效率［13］。

2.2 井场测量

地球物理测井工作主要是通过地球物理测井仪器观测并记录钻孔内地层岩性的各项参数，从而解决各种地质找矿问题。20世纪50年代末，光电码盘和绞车控制器还未出现前，γ测井设备主要由γ测井仪和地面操作系统构成，γ测井还处于模拟测井阶段［14］。测井电缆采用钢卷尺测量距离，以1～5 m 为间距做好固定标记，电缆标记经过一段工作时间后需要进行检查。井场测井则采用人工手摇电缆进行，到达井场先安装电缆绞车和井口滑轮，与电缆平行地放置1 m 长标准尺一把，用于丈量测井深度。测量方式则采用由下而上逐点进行测量，点距根据地层放射性强度来确定，在放射性正常地段测量点距为1 m，增高地段点距为0.20 m，放射性异常地段（矿、矿化）点距为0.10 m。通常测井至少由3个操作人员共同完成，一个人员操作仪器并记录，第二个人员负责测量电缆深度，第三个人员负责电缆的上提或下放。该阶段测量深度和测量结果的精度有限，测井效率也很低。

20 世纪60 年代中期，测井数据记录技术进入了数字自动记录阶段，测井设备主要由地面绞车控制器、综合数控测井系统、绞车、光电码盘、电缆、滑轮和下井仪等组成［15］。测井设备由电缆连接着下井仪（探管）、地面绞车控制器和综合数控测井系统，绞车控制器主要控制绞车的上升、下降以及速度，同时综合数控测井系统通过电缆向下井仪供电和发送信号，绞车电缆的长度则由光电码盘记录下来与下井仪记录信号一同传输至地面综合数控测井系统。测井开始前，先安装好滑轮，滑轮分为天滑轮和地滑轮，天滑轮的位置应位于井口正上方，地滑轮需正对绞车滚筒中心。天滑轮的位置应能使电缆尽量垂直入井，以减少电缆的磨损。在测井过程中，天、地滑轮的位置应保持固定，以免造成深度误差。开展地球物理测井工作时，测井起始深度零点应与钻探的零点统一，零点对齐后，下放（上提）下井仪开始测井工作，实现了自动连续测井。20 世纪70 年代中期，计算机被应用于测井现场数据采集和数据处理，标志着地球物理测井步入了数控测井时代［16］，20 世纪70 年代中叶，由计算机和测井设备组成的数字测井系统才被引入砂岩型铀矿勘查中，γ测井实现了数控测井。现阶段，γ测井已实现了数字化传输，并以时间域进行数据采集，采样点间距最小可在0.01～0.05 m 之间，极大地提高了γ测井工作的效率和测量结果的精度。

3 测井模型

自1955 年铀矿地质勘查工作开展以来，我国在石家庄核工业航测遥感中心建立了国家放射性仪器标定系列模型，其全称为γ测井模型标准装置，以下简称“γ测井模型”，主要用于放射性仪器换算系数和其他相关参数的刻度（图1）。

图1 γ测井模型标准装置Fig.1 Standard device of γ logging model

γ测井模型始建于20世纪70年代，依据IAEA 174 号技术报告相关要求建造了系列模型若干个，并于1983 年7 月通过部级鉴定，成为我国一级标准模型，填补了国内空白［17］。20世纪90 年代，铀矿地质勘查工作重心由南方“硬岩型”铀矿转向北方“砂岩型”铀矿，又建造了若干个含铀、钍、钾等放射性核素的γ测井模型，以满足生产需求，该系列γ测井模型总数达13 个。“十二五”期间，随着我国铀矿地质勘查高品位铀矿的陆续发现，2014 年又新建了2 个高铀含量γ测井模型［18］。γ测井模型标准装置主要分为铀、钍、钾、本底和混合五类，共计15个模型，是我国迄今为止唯一的γ测井模型标准装置［19］。各γ测井模型按统一的规格建造，其外形边长为1.20 m，高为2.40 m，中心设置有内径为95 mm 的井孔用于放置γ探管［20］。模型自上而下为上围岩层、辐射体源和下围岩层，辐射体源为棱长1.20 m 的立方体，上、下围岩层厚度为0.60 m。γ测井模型主要由含天然放射性铀、钍、钾元素的矿粉、石英砂、水泥和水按一定比例配比搅拌后浇筑而成，模型外表、顶盖和井内孔壁则用环氧树脂密封。国内使用的γ测井探管均需要通过γ测井模型的标定，经检定合格的γ探管才能用于铀矿地质勘查中的γ测井工作。

4 解释修正

γ测井解释首先需要将测井数据经过加工整理绘制出曲线，然后对绘制出的曲线进行分析和解释，实现对铀矿（化）层空间位置、厚度和品位的确定［21］。

4.1 资料解释

γ测井异常曲线解释方法可分为两大类，即平均含量法和分层解释法。

20 世纪50 年代，平均含量法被最早提出用于γ测井曲线的定量解释。我国在铀矿地质勘查初期，所使用的γ测井仪和γ测井仪的换算系数均由苏联提供，按苏联的γ测井规程要求，长期采用平均含量法确定矿层厚度和品位［22］。所谓的平均含量法是根据γ测井异常曲线形态划分出矿层的边界，确定矿层厚度，用确定的矿层厚度和曲线异常面积计算出矿层的平均铀含量，即平均品位。首先，平均含量法需要将γ测井所采集到的计数率根据仪器换算系数转换成照射量率，依据深度和照射量率绘制出γ测井曲线图；然后，依据解释γ测井曲线确定矿层的厚度，矿层厚度的确定有三种方法，分别为二分之一最大γ照射量率法、五分之四最大γ照射量率法和给定γ照射量率法［23］；最后，通过异常面积的求取来计算出矿层的平均品位。平均含量法以往因矿体形态复杂且γ测井曲线的绘制、矿层厚度的确定、异常面积的计算等均采用人工解释计算，解释工作量大导致无法快速、准确地进行矿层铀含量定量计算。直到20 世纪80 年代初，分层解释法的引入，平均含量法的应用才逐步被分层解释法所替代［24］。

分层解释法是将异常段分成厚度为0.10 m不同含量的单元层解释，可揭示矿层内铀含量的详细分布，并且可以实现按不同品级圈出矿层。其方法分为解线性方程组的分层解释法（迭代法、逆矩阵法等）和反褶积分层解释法两种。逐次迭代分层解释法于20 世纪60 年代初由美国学者提出，并编制了GAMLOG 计算机程序。到了20 世纪70 年代初，逆矩阵法被提出，但均未得到推广应用。70 年代末，反褶积技术的出现，促使三点反褶积方法应用于γ测井定量解释。我国则是在20 世纪70 年代末引进逐次迭代法和逆矩阵法分层解释技术，并在此基础上提出了矩阵分解法。直到20 世纪80 年代初，反褶积法被引入我国［25］，之后便在铀矿地质勘查中得到广泛地应用与研究，经大量的研究与生产实践相结合，提出了多种反褶积法，如：五点反褶积法、七点反褶积法等。在此期间，核工业地质局组织了“铀矿γ测井分层解释方法研究”和“γ测井分层解释理论、技术与软件系统”等项目的开展与实施，其研究成果为分层解释的全面推广及应用奠定了坚实的基础。1991 年分层解释技术已被收录于《γ测井规范》（EJ/T 611—91）中［26］。目前硬岩型铀矿常采用三点反褶积法定量解释，砂岩型铀矿则常采用五点反褶积法定量解释。

软件方面，东华理工大学汤彬教授于1989年基于固态Basic 语言计算机编写了反褶积程序，各生产单位因当时不具备相应的硬件设施，从而未得到推广应用［27］。核工业二一六大队于2002 年开发完成五点反褶积解释软件，核工业二七〇研究所于2007 年开发完成三点反褶积解释软件，核工业二〇三研究所于2005 年完成测井资料自动化解释系统的开发［28］，这些解释软件先后通过部级鉴定并应用于铀矿地质勘查中。2014 年，中国核工业地质局组织核工业二〇三研究所、核工业二七〇研究所、核工业二四三大队等单位联合研发了“铀矿测井资料处理解释系统”，将γ测井规范中的五种解释方法集成到系统软件中，适用于不同性质铀矿层的解释，从而更加快速准确地在测井现场确定铀矿层品位、厚度和空间位置［29］。

4.2 系数修正

20世纪50 年代铀矿勘查初期，γ测井技术从苏联引进，同时按苏联的规程要求进行γ测井解释，其中包括放射性平衡的计算及修正。随着国内铀矿勘查的推进，积累了大量的实验数据，1958 年《放射性伽玛测井方法》一书中，提出了泥浆和套管吸收的修正、平衡破坏和射气扩散的修正［30］。1963 年《伽玛测井规范》系统性地阐述了γ测井的误差修正［31］，包括了套管和冲洗液、钍和钾元素、平衡位移、射气扩散的修正。1983 年γ测井系列模型的建成，促进了γ测井试验的开展，积累了大量的实测数据和实践经验，提升了影响γ测井解释因素的研究程度，铀镭平衡系数新概念被创新提出。历经数年，影响γ测井结果因素的确定及修正方法得以全面发展，并在1991 版《γ测井规范》中作了明确的规定。

常见的修正有：铁、水吸收系数（井液吸收系数）、铀镭平衡系数、射气系数、镭氡平衡系数、钍和钾元素的干扰修正、湿度修正等。γ测井仪因自身对辐射的响应存在一定的恢复时间，恢复时间的存在将直接使高品位γ测井计数率偏低，从而使γ测井解释出的铀含量偏低，因此在γ测井解释时还必须进行死时间的修正。

γ测井是沿钻孔井深记录测量地层每个点的放射性总强度，影响其记录的数值大小因素较多。影响γ测井结果因素可分为两类：直接影响和间接影响两种。夹在地层与探管之间，对γ射线具有吸收作用的泥浆、水、套管等，这些因素将直接影响到γ测井结果。间接影响γ测井结果的有以下三点：

1）具有较好的水饱和孔隙度的砂岩型铀矿，常因钻探施工对地层原环境的破坏导致的“压氡效应”，镭氡出现不平衡现象。硬岩型铀矿常常出现钻孔内无井液，矿层射气的逃逸，二者均导致γ测井解释结果偏低；

2）γ测井的本质是测量氡及其子体的含量，然后换算成铀镭平衡状态下铀的含量。实际情况是，铀的成矿期较晚，铀、镭因本身化学性质不同，受地层地球化学环境的影响，铀与镭往往会产生空间分离，平衡遭到破坏，出现“铀镭不平衡”现象，影响γ测井解释结果；

3）天然放射性元素的232Th、40K 对γ测井的干扰，常常会出现γ测井“假”异常。以上影响因素都在铀矿勘查γ测井数据处理解释中得以修正。

5 技术标准

我国20 世纪50 年代铀矿勘查初期，γ测井使用前苏联提供的《伽玛测井规程》，采用平均含量法解释矿体厚度和品位，测井仪器和换算系数也由苏联提供。该《伽玛测井规程》是由Т.Ф.依瓦申科和А.К.奥夫钦尼柯夫编写，1954 年出版，苏联专家提供给中国后，由当时地质部三局于铭强翻译，朱志祥审校（图2）［32］。该规程涵盖了准备仪器和装备进行工作、钻井上的工作、测井结果的编录和整理、γ测井曲线图的定量解释等四个部分，建议在岩矿心采取率很低的铀矿床采用γ测井资料进行储量估算。1960 年下半年苏联专家全部撤走以后，二机部三局于1961 年在总结前期经验的基础上，借鉴苏联版本，补充修订了我国第一部《伽玛测井规程》（1961 版）［33］，共101 条内容，新增加了换算系数的确定方法，对测量放射性平衡系数的要求进行了补充，明确了冲孔时间和电缆标定误差等问题，并且对钍、钾含量干扰的修正进行了详细规定。1963 年9 月，三局根据中国铀矿床特征和实践经验，制定了《伽玛测井规范》（1963 版）。该规范分为序言、测井仪器设备及测井前的准备工作、井场工作方法及质量检查、测井资料的整理、测井曲线的定量解释、测井解释的误差修正、测井结果的验证、成果报告、技术安全和劳动保护、生产管理和附件十一个部分，对γ测井工作全流程进行了规定，增加了γ测井的中间测井、重复测井和检查测井等环节测井内容，进一步完善了γ测井劳动安全和管理等内容。按照规范要求随着当时铀矿勘查的需要，1969 年研制了γ测井仪器和装备，使铀矿地质队伍的测井装备国产化、轻型化，适应了小口径钻探的需要，仪器采用国内实测的换算系数进行测井解释。

图2 历年γ 测井规范Fig.2 Versions of γ logging specification over the years

20 世纪70 年代末γ测井分层解释技术的引进和国家γ测井模型标准装置的建立，在方法技术全面发展的情况下，γ测井规范的修订就显得势在必行。1991 年，在赵廷业主持下，对1963 版《伽玛测井规范》进行了全面的修订，编写了新的《γ测井规范》（EJ/T 611—91），主要起草人为赵廷业、狄觉斋、汤彬、刘富宝、杜建农。该标准增加了标准模型井和固体点状镭源对γ测井仪的标定，以确定γ测井换算系数；新采用反褶积理论和技术规范了分层解释。从20 世纪90 年代中叶开始，铀矿勘查开始逐步由南方硬岩型铀矿转向北方中新生代盆地地浸砂岩型铀矿地质工作，2000年以来，在张金带的组织和支持下，逐步建立起地浸砂岩型铀矿勘查技术标准体系。于2005年，修订了1991 版《γ测井规范》（EJ/T 611—91），增加了地浸砂岩型铀矿床γ测井的内容，删除淘汰了FD-61K 型γ测井仪器的相关内容，2005 版《γ测井规范》（EJ/T 611—2005）一直沿用至今。

6 发展展望

我国γ测井技术发展至今，是从无到有逐渐发展起来，经历了由引入学习到逐步建立和掌握，形成了我国特色完整的γ测井体系，大部分测井仪器和设备已国产化，方法技术和理论也得到不断改进和完善，但与世界发达国家仍存在一些差距，今后的一段时间内可能其主要发展方向有：

1）伴随着电子技术和电子计算机的飞速发展，γ测井技术已趋于成熟。测井设备电子元器件的模块化，外形逐步的小型轻便化，数据采集的数字化和多功能一体化，高性能半导体探测器也逐渐取代了早期的气体探测器和闪烁探测器，促使仪器的准确性和稳定性得以显著的提升，测井技术也历经了模拟、数字、数控和成像测井四个阶段，γ测井也逐步从手摇电缆测井转变为随钻γ测井、光纤γ测井和无线γ测井，终将发展成以数据中心为核心，数据通信网络为手段的γ测井数据采集实时远程传输。

2）γ测井解释方法与理论的不断完善，γ测井解释已由手工绘制γ测井曲线图定量解释铀含量，转变为计算软件自动分层解释。针对不同矿层特点采用不同解释方法以确定矿层铀含量，而“铀矿测井资料处理解释一体化网络平台”的研发，将使γ测井解释在方法选择上实现智能化，进一步提高γ测井解释结果的准确性。

3）在全球节能减排的大形势下，铀矿地质勘查对γ测井的需求逐年增加，γ测井技术迎来多元化发展，伽马能谱测井、元素俘获测井和瞬发中子测井等也将逐渐应用于铀矿地质勘查中，尤其是部分含有其他放射性元素伴生的铀矿床，γ测井难以准确地确定矿层铀矿（化）空间位置和含量，随着瞬发中子测井技术的逐渐成熟，该类放射性元素伴生的铀矿床其铀含量的确定也将迎刃而解［34］。基于238U 第二代子体的伽马能谱直接测铀技术，无需铀镭、镭氡等平衡修正便可实现地层铀含量的准确测量［35］。

4）以往手动和半自动化测井时代，铀矿地质勘查成果主要以二维平面图和剖面图的形式来展示呈现，资源量大部分是以传统的块段法进行估算，资源量不能实时更新。近些年，数字测井的普及，大数据与云计算技术得到了长足的发展，电子计算机技术和三维软件技术的不断完善并趋于成熟，γ测井解释将基于三维矿体数字模型的地质统计学法以其直观、准确、高效地揭示矿体空间展布特征和资源量估算的独特优势，瞬发中子技术测定岩心铀镭（氡）平衡系数的成功推广和应用，新型快速准确的解释成果将逐步推广和普及。

5）γ测井仪器设备与技术方法的改进，驱动着γ测井规范的不断更新。地质统计学法是以大量的样本个体为基础，γ测井解释平均含量法和反褶积法所提供的铀矿化段平均含量则难以满足要求，以0.05 m 为样本的给定单元层铀含量能更好地满足三维矿体数字建模。而反褶积理论技术收录于γ测井规范，不符合现代规范书写要求且特殊铀矿体分层解释品位存在边界畸形，未来γ测井规范将删除反褶积技术理论部分的论述，增加γ测井解释方法对比的相关内容，着重于γ测井解释结果与实际钻孔矿化情况的贴合度和可信度的评价。

展望未来，随钻无线γ测井技术的日益成熟，采用“互联网+”模式开展测井远程作业，测井数据采集的实时远程传输，γ测井解释的智能化，现场定量解释转变为数据中心实时自动解释，进一步提高γ测井资料的解释效率和铀矿勘查效率，为铀矿勘查的降本增效提供技术保障。大数据云计算多参数测井解释技术的推广应用，计算机三维可视化矿体模型的构建，必将实现高效、准确、科学的矿床资源量的估算和矿山资源量的动态管理。γ测井技术的发展将促进智能数字化铀矿勘查和绿色科技铀矿山建设，逐步建立“智慧”铀矿勘查体系，实现铀矿勘查的“探采一体化”，缩短铀矿勘查和开采的周期，提高铀矿勘查和开采效率。