小口径高温伽马能谱测井仪关键技术及应用

冯延强，焦仓文，邵帅，吴仙明，布和

（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）

目前，我国铀矿科学深钻的深度已突破3 000 m［1］，但可用于地层铀、钍含量定量探测的井下伽马能谱测井装备仅可达到1 500 m［2-4］，难以满足铀矿科学深钻的测井需求。因此，研究解决伽马能谱测井装备的耐高温、高压技术问题，实现小口径高温伽马能谱定量探测技术装备具有重要意义。

结合我国铀矿伽马能谱测井技术现状，实现小口径条件下耐高温技术装备，存在以下问题需要解决：

1）深孔井液高温环境对于能谱探测器、探管内部电路电子元器件的影响［5-6］，是需要解决的首要问题；

2）深孔测井中，井下探管需要长时间连续供电工作，电路电子器件、处理器等的热功耗如何扩散［7］，是需要解决的另一关键问题；

3）在解决井下耐温承压问题后，如何实现高温环境条件下的伽马能谱准确定量探测［8-9］，需要探测器硬件、谱数据处理以及定量解释修正参数等方面开展相关研究工作。

1 研究思路

针对上文提及的待解决问题，笔者从高温伽马能谱探测技术、深井探管耐温以及承压几方面开展了研究，其总体研究思路如图1 所示。高温伽马探测技术通过新型探测器数字化核脉冲信号获取、高含量核脉冲信号处理、井下低功耗电源供电以及高温稳谱、迭代解谱等技术研究，解决了井下高温、高压环境下铀高含量定量探测的关键技术问题；小口径探管耐高温技术通过研究真空隔热技术和相变吸热技术，实现外部热隔离和内部热吸收的效果，解决深孔井液高温对探管内部电子器件、探测器的影响以及探管内部深孔长时间工作的热功耗升温问题；深井探管承压问题通过选用高温形变系数较小的材料、一体化承压结构工艺等研究实现。

图1 总体研究技术路线图Fig.1 Technical roadmap of overall project research

2 高温伽马能谱探测技术研究

2.1 新型探测器及数字化核脉冲信号获取技术研究

本次研究的新型高分辨率CeBr3晶体探测器，其光输出衰减时间仅约为17 ns，662 keV能量分辨能力约4.0 %［10-11］，有利于高强度辐照环境下的γ 射线探测应用，能有效提高了井下地层铀矿体较高辐照强度下探测精度；设计了基于FPGA 的数字化核脉冲信号多道采集系统，数字化滤波、成形、峰值保持及峰值提取技术，技术原理见图2 所示，可获取40～3 000 keV 全谱数据，相较传统能窗式谱数据有效提高了伽马能谱测井结果准确性。

图2 数字化核脉冲信号多道采集系统示意图Fig.2 Schematic diagram of multi-channel acquisition system of digital nuclear pulse signal

2.2 高数据吞吐率核脉冲信号处理技术研究

针对深孔高温井液对伽马能谱探测的影响以及井下γ 探测器接收来自周围矿体的高照射剂量的空间辐照特点，且不同含量矿体的强度差异变化较大，相对γ 射线强度较高，研究了基于数字化高吞吐率的核脉冲信号处理技术，该技术采用快/慢双通道成形算法，有效降低了系统死时间影响，能够满足井下地层铀矿体1.0%铀含量时的γ能谱探测需要。实现的硬件系统原理及实物如图3 所示，在不同铀含量饱和模型实测数据如图4 所示，较传统多道采集在不同铀含量的线性响应关系得到明显提高。

图3 数字化核脉冲信号处理技术原理框图Fig.3 Principle diagram of signal processing technology of digital nuclear pulse

图4 研发硬件系统与传统多道在不同铀含量饱和模型实测结果的对比曲线Fig.4 Comparison curve between the measured results of the developed hardware system and the traditional multi-channel system under different uranium saturation models

2.3 井下低功耗电源设计

针对探管内部有限空间，模块化直流稳压电源发热较大的问题，设计了基于UC3845 反激式井下探管电源。该电源结构简单、外围电路元器件少、输出电压稳定、隔离高频变压器散热良好，低功耗仅1 mA 电流，更有利于深井（超3 000 m）长时间工作时降低管内温升。试验数据表明在120 min 内的温升为5.2 ℃，传统模块温升为19.9 ℃，效果明显，可有效降低探管内部的温升，进而增加探管在井下的连续工作时间。

2.4 基于241Am 自稳源稳谱技术研究

利用241Am 等效伽马能峰作为自稳参考峰，通过实时监测峰位变化而调整系统细增益值，研究中实现了较好的稳谱效果。实验室条件下，在10～70 ℃不同温度时的稳谱效果如图5 所示，图5a为无稳谱作用条件下受温度影响峰位变化情况，图5b为稳谱作用下不同温度时的峰位情况，可见稳谱效果明显，监测峰位几乎保持不变；针对不同铀含量时稳谱试验数据如图6 所示，试验包括了铀含量100×10-6～10 000×10-6范围内的不同饱和模型，由图6a可见不同铀含量时峰位有明显变化，经稳谱后如图6b 所示，峰位基本保持不变。

图5 不同温度条件下稳谱前后特征峰位统计对比图Fig.5 Comparison of characteristic peak positions before and after spectrum stabilization under different temperature conditions

图6 不同铀含量条件下稳谱前后特征峰位统计对比图Fig.6 Comparison of characteristic peak positions before and after spectrum stabilization under different uranium contents

3 小口径一体化承压耐温技术研究

小口径一体化承压耐温技术采用真空隔热技术、相变吸热技术以及一体化结构工艺技术等，解决了深孔井液高温对探管内部电子器件、探测器的影响以及探管内部深孔长时间工作的热功耗升温问题。设计真空多层绝热层厚度为5 mm，密封夹层内填充脱蜡、酸洗后干燥的无碱玻璃纤维布，真空层真空度约10-3Torr，系统结构如图7 所示。

图7 探管机械结构示意图Fig.7 Schematic diagram of probe tube mechanical structure

为进一步提高耐温特性，研究中通过增加探管头的长度，减少对流影响；并且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，内填充导热系数较小的无碱玻璃纤维棉，以此来降低热对流的影响，从而达到有效隔热的目的；管内相变吸热技术采用相变温度约48℃的复合盐类来吸收探管内部热量，在探管中设计了底部、顶部双吸热模块，确保探管内部不会因内部电路热功耗而使温度超过75℃；小口径一体化承压耐温结构材料采用TC11 钛合金，增加承压耐温能力；工艺方面，在与钛合金管体通过三角堆焊技术实现探管头与承压尾管连接密封，探管整体采用一次车加工成形，确保承压35 MPa 以上。

4 应用试验

4.1 性能指标对比分析

国外可在高温环境下应用的γ 能谱测井仪产品包括：Century 公司研制的9057 e-log 型、RG 公司研制的Micro logger II、Antares 公司开发的ANTARES 1450 型、ELECTROMIND 公司研制的GR 38 & 25 型、Halliburton 公司开发的RMT-3DTM型以及Geo-Vista 公司研发的TSTHL 型等；国内相关产品主要是中地装（重庆）地质仪器有限公司的R411 型和西安瑞达物探设备有限公司的RDNP-G 系列。本次研究技术与现有国内外相关技术产品性能指标对比如表1 所示。

经对比，本次研究技术的主要技术指标达到或高于国外石油领域相关技术装备，且在铀矿定量测量指标方面，研究技术具有明显优势与针对性，石油领域eU 测量上限一般小于500×10-6，而本次研究技术的eU 测量上限可达到5 000×10-6；相较国内同类产品技术指标，本次研究成果无论在耐高温技术指标、铀矿定量探测指标等方面均具有明显技术优势。

4.2 诸广铀矿田应用试验

诸广铀矿田长江1 号科学钻孔发现了我国1 550 m 最深的工业铀矿化，钻孔地温梯度约4.6℃/100 m。γ 能谱测井采用连续取样方式，点距为0.05 m，测井速度在下放、上提均为5 m/min，异常段测井速度为2 m/min，测井深度为1 709 m，采集原始测井数据为34 180 点，获取数据如图8 所示。

图8 长江1 号钻孔实际应用测井数据曲线图Fig.8 Well logging curve of the Changjiang No.1 borehole

在获取γ 能谱测井数据基础上，基于矿段基本为铀异常考虑，进行了γ能谱测井解释与γ总量测井解释的对比，两种方法解释参数岩石密度、铀镭平衡系数等均一致。由于钻孔矿段基本没有钍，所以利用γ总量测井结果计算铀含量时未作钍修正。其中某典型矿段伽马总量与伽马能谱测井计算铀含量对比如图9所示。选取其中5个不同铀含量的铀矿异常段进行伽马能谱与伽马总量解释结果（米百分值）的对比（表2），可见伽马能谱解释结果与伽马总量解释结果基本一致，在铀异常段、矿化段的相对偏差均在±10%以内。

表2 伽马能谱与伽马总量解释结果对比表Table 2 Comparison of gamma energy spectrum and total gamma interpretation results

图9 铀矿段伽马能谱与伽马总量测井结果对比图Fig.9 Comparison chart of gamma energy spectrum and total gamma logging results of uranium ore block

4.3 相山铀矿田应用试验

相山铀矿田3 000 m 科学深钻（CUSD2-1）是我国目前铀矿科学深钻设计施工的最深孔，对获取深部地质结构和成矿环境信息，全面提升铀多金属深部探测技术水平具有重要科学意义。本次研究技术在2020 年6 月、9 月及2021 年1 月先后3 次开展了钻孔γ 能谱测井应用，实测数据如图10 所示，首次获取了铀矿领域超3 000 m 深度的钻孔铀、钍、钾含量数据，并在1 700 m 至2 100 m 发现了多处低值铀异常。

图10 CUSD2-1 钻孔实际应用测井数据曲线Fig.10 Well logging curve of borehole CUSD2-1

5 结 论

通过深井系统电源、新型探测器数字化核脉冲信号采集以及一体化真空隔热、相变吸热等技术研究，设计了钛合金一体化真空隔热与承压探管结构，并结合管内相变吸热技术应用研究，实现了探管外部热隔离、内部热吸收，有效解决了近3 000 m 深度伽马能谱测井仪的承压耐温问题。

研究技术及硬件首次实现超3 000 m 深度铀矿钻孔地层铀、钍、钾数据的有效获取，将我国铀矿定量γ 能谱测井能力从原先1 500 m 提升至3 000 m，是目前核工业系统内唯一测井能力达3 000 m 深度的γ 能谱测井仪。