多孔隙度变化倾角裂缝型砂岩铀矿超热中子运移模拟

张雪昂,杨志超,李小燕,董丽媛

(1.东华理工大学 核科学与工程学院,江西 南昌 330013;2.东华理工大学 地球物理与测控技术学院,江西 南昌 330013)

0 引言

铀矿勘探工作中,铀矿中子测井是探测铀矿赋存状态及储量的主要方法之一。就中子测井方法而言,其主要包括脉冲中子测井、快中子非弹性散射γ射线能谱测井、中子俘获射线能谱测井等[1-5]。中子铀矿测井领域,瞬发、缓发中子测井方法得到应用,其中,瞬发裂变中子测井法被用来分析铀的赋存性状及矿化程度[6-12];缓发中子测井法主要用来确定铀矿石的品位[13]。20世纪60年代,地浸采铀法在美国被创立,此技术可探测低品位及大储量的砂岩型铀矿[14-16],但地侵砂岩铀矿赋存深度大、地质环境复杂,使铀镭平衡被破坏,这加大了探测难度。之后,直接瞬发裂变中子测井法被用于直接测铀[17-18],这使得砂岩铀矿定量探测效率显著提升,其测铀灵敏度达到10-4g/g。国内核工业地质局组织相关单位进行裂变中子测井研发、实验,并对裂变中子测井技术进行深入研究[19-21]。新疆核工业某厂于2004年引进并应用俄罗斯裂变中子测井仪(ANHK-60型)进行大量研究工作。随着中子测井技术在铀资源矿产勘查领域中的发展,各类铀矿被探测、分析[22-25]。

裂隙型铀矿是铀矿常见赋存状态之一,而裂隙结构复杂导致其探测难度较大。因此目前针对裂隙型砂岩铀矿的探测研究及数值模拟建立工作较少[26],尤其针对孔、裂隙的孔隙度及倾角参数与铀含量相互影响规律的研究存在空白。本项目拟通过数值模拟瞬发脉冲中子测井法探测裂缝型砂岩铀矿,通过理想模型的建模,将研究重点集中于裂缝参数对测井结果的影响,得到针对各种裂缝、铀矿参数的相关性定量分析结果,为实地铀资源勘查工作提供可靠参考依据。

1 裂隙砂岩型铀矿井孔环境模拟

井孔环境数值模型基于裂隙型砂岩铀矿环境。中子源设置于竖直圆柱井孔轴线处,周围围岩主要成分为砂岩,同时将裂隙系统镶嵌于围岩环境中,裂缝群倾角一致,此倾角为裂缝结构主体的法向与井轴间的角度,变化范围0°～90°(图1)。

图1 井孔环境及裂缝倾角示意Fig.1 Schematic diagram of borehole environment

井孔环境外围部分存在低渗透泥岩结构,裂隙结构中主要含有铀矿,以及少量黄铁矿连接(图1),井孔环境主要物质成分见表1,验证实验中裂缝角度分布比例见表2,模拟环境中稀土元素含量列表(表3)。

表1 井孔环境主要物质成分Table 1 Main material composition of borehole environment

表2 实验采样环境中的裂缝倾角Table 2 Fracture angle in experimental sampling environment

表3 井孔环境稀土元素Table 3 Rare earth elements list

数值建模的测井仪器为脉冲中子测井仪,中子源是脉冲宽度为10 μs的氘—氚(D-T)中子源。测井仪直径6 cm,设立两个中子探测器,分别为热中子探测器和超热中子探测器,两个探测器的源距分别为15 cm和30 cm。中子源通过核反应公式(式(1))释放快中子进入地层。

(1)

(2)

通过式(2)可知,铀矿含量与激发出的快中子数量呈比例关系,因此在理想情况下可以通过此方法对铀矿进行定量。然而,在实际测井工作中,裂缝砂岩铀矿因为其含有大量裂隙结构,且裂隙倾角往往不同,这都对铀矿定量工作产生巨大的干扰。因此,对裂隙环境影响因素的校正非常必要,又因为裂缝倾角、孔隙度差异性较大,对探测结果影响明显,本文针对裂隙结构对快中子运移的影响规律进行测井研究,进而为裂缝砂岩铀矿储层定量提供有价值的参考依据。

中子源发射出的中子进入地层后与地层中各种结构的岩石矿物原子核发生若干次反应,最终中子的能量会耗尽并被地层元素吸收。不同的地层元素及结构对中子的衰减作用不同,因此通过地层中不同能量中子的分布情况可以判断矿层状态并提供地层环境校正曲线。

中子运移的方向、角度往往受到自身能量以及碰撞物质原子质量的影响,当裂隙与井孔呈不同角度时,与中子发生碰撞、反应的原子核种类及相应数量具有明显差异性,进而导致中子能量分布的差异性(式(3))。

(3)

式中:E为中子能量;A为与中子发生反应的地层元素的原子量;θ为中子反应后的运移角度;M和N为转换系数。

对两次碰撞位置关系的确定,可通过式(4)实现:

ri+1=ri+LΩi,

(4)

式中:r为中子发生反应的位置;L为两次反应发生点的距离;Ω为运移方向余弦。

对于直角坐标系而言:

(5)

式中:ui、υi、ωi为Ω在直角坐标系中3个方向的余弦值。L的分布密度函数为:

f(L)=

(6)

通过以上方法[27],中子的运移计算得以完成。

同时,为了更直观体现裂缝参数对超热中子的影响状态,本文通过敏感度Sen(式7)[27]参数对超热中子的密度分布进行了分析(图3)。

(7)

式中:a为超热中子密度分布聚集峰的个数;b为超热中子密度分布极小值个数;Ai为聚集峰总个数;Aia为单个聚集峰峰值;n为进行实验的总次数。

2 不同裂隙参数条件下的砂岩铀矿测井响应

为了分析裂隙结构参数对砂岩铀矿的测井响应影响情况,设定裂缝倾角变化范围为0°～90°,裂隙孔隙度变化范围为0.1～0.4。由图2可知,对于裂缝砂岩铀矿,超热中子的密度分布呈角度特征性。

图2 不同孔隙度条件下的变化裂缝倾角砂岩铀矿超热中子密度运移情况Fig.2 Epithermal neutron density transport in variably angular fractured sandstone uranium ore under different porosity conditions

在裂隙孔隙度为0.1的铀矿环境下,无论裂缝倾角如何变化,超热中子密度分布几乎没有显著的区别,并且在中子分部范围内也没有极小值(图2中深色区域)出现。然而,随着裂隙孔隙度的逐渐增大,超热中子密度分布的极小值点愈发增多,并且在近似垂直角度范围内出现了峰值更大的超热中子聚集峰(图中橘黄色区域)。同时,伴随裂隙孔隙度增大的过程,超热中子聚集峰峰值增大,在高裂缝倾角环境下,峰数量增多且呈分散状态。这种现象说明,孔隙度高且高角度裂隙环境对超热中子的运移作用影响较大,即超热中子对此种环境具有较大的敏感度Sen。

由式(7)可知,敏感度可以直观地体现砂岩铀矿中裂隙参数对超热中子运移作用的影响情况(图3)。由图3可知,随着裂隙孔隙度的增长,超热中子敏感度总体呈上升趋势。在低孔隙度环境下(孔隙度0.1),裂缝倾角的变化对敏感度几乎没有影响,此种环境下的超热中子敏感度平均值为2.1%。随着裂隙孔隙度的增加,由图可知中等角度(30°～60°)环境中的超热中子敏感度普遍较低,即使在敏感度最大的环境下(孔隙度0.4),中等角度条件下的敏感度也只有8.2%(平均值),这只有最大敏感度(12%)的68%。在高角度(60°～90°)环境下,超热中子敏感度是最高的(孔隙度0.4条件下敏感度12%),相当于最低敏感度1.9%(孔隙度0.1环境)的6.3倍。

图3 不同倾角、孔隙度裂隙环境下超热中子运移敏感度Fig.3 Epithermal neutron density transport sensitivity in variably parameters fractured sandstone uranium ore

综上所述,裂隙孔隙度是对超热中子敏感度影响最显著的因素之一。对于含铀砂岩矿层,裂隙孔隙是铀矿赋存的主要空间之一,因此孔隙度的大小往往与铀矿含量呈正相关关系,这也正是高孔隙度裂隙型砂岩铀矿对超热中子影响显著的原因之一。同时,超热中子测井响应敏感度在近似垂直(80°～90°)裂隙环境下最高,近似水平倾角(0°～30°)裂隙环境次之,中等角度(40°～50°)裂隙环境灵敏度最低。即超热中子在高裂缝倾角环境中聚集峰会出现在离源距离更远的区域,更加分散,且吸收作用在裂隙环境的不同位置差异化更加明显。

图4是中子能量峰值在不同裂缝倾角、孔隙度条件下的变化情况。由图可知,随着裂缝倾角增加,中子能量峰值逐渐下降,但下降拐点随着裂隙孔隙度的增加而显著左移,即峰值下降拐点向低角度区域移动(孔隙度0.1,下降拐点位于55°;孔隙度0.2,下降拐点位于36°;孔隙度0.3,下降拐点位于27°;孔隙度0.4,下降拐点位于18°)。同时,最大峰值随着孔隙度增大而下降显著,孔隙度0.4环境下的能量峰值相对于孔隙度0.1环境下的能量峰值下降了45.9%。

图4 不同倾角、孔隙度裂隙环境下中子能量峰值谱Fig.4 Energy count peak spectra at different fracture angles and porosity

总体而言,高角度(70°～90°)裂隙环境对中子能量的衰减作用最强,与近似水平角度环境相比,最大衰减落差可达到总量的81.8%。

为了多方面对超热中子的裂隙响应进行研究,本文还对超热中子时间峰值谱进行了分析。超热中子时间峰值谱是通过将不同裂缝倾角及孔隙度条件下的时间谱峰值提取出来,重组形成的谱图。通过计算发现,不同裂缝倾角条件下,时间谱峰值存在显著差异,此种差异可以直观反应裂缝参数对超热中子计数的影响规律。因此,通过变化不同的裂隙结构参数,得到了距离源发射中子一段时间的超热中子时间峰值谱,这是地层结构对超热中子影响时间分析的必要部分(图5)。

图5 不同倾角、孔隙度裂隙环境下超热中子时间计数峰值谱Fig.5 Time count peak spectra at different fracture angles and porosity

在裂缝孔隙度为0.1～0.3的铀矿环境中,超热中子时间谱峰值在中等角度(53°～60°)裂隙环境中存在计数最大值1.8×10-6(平均值),在高角度(75°～90°)裂隙环境中计数显著减少,最大衰减量可达最大值的91.7%。但是,在裂隙孔隙度为0.4的环境中,时间谱峰值最大值大幅向低角度裂隙区间移动,并于近似水平(0°～10°)裂隙环境取得最大值。同时,相较于低孔隙度裂缝环境,此环境中的时间计数峰值衰减程度最严重,仅相当于孔隙度为0.1时的26.9%。由此可见,裂缝孔隙度较大时,超热中子时间谱峰值最大值产生于近似水平角度裂缝环境。

超热中子计数与地层铀矿含量呈正相关,与地层孔隙度是负相关,又因为在裂隙型铀矿储层中,裂隙结构是铀矿的主要藏储结构,因此,裂缝孔隙度是对铀矿含量判定的主要影响因素。图6是超热中子计数以及裂隙孔隙度之间的相关性趋势。由图可知,随着裂隙孔隙度增加,超热中子计数比值呈线性下降,同时,此下降趋势与裂缝倾角存在特定相关性:高角度(80°～90°)裂隙环境中,关系曲线斜率最大(0.55),即超热中子计数随裂隙孔隙度增加而迅速下降,可见此环境中的超热中子运移机制对铀矿赋存状态敏感性较强。对中等角度(45°～65°)裂隙环境而言,关系曲线的斜率最低(0.38),说明此种裂隙铀矿环境中,超热中子运移峰值计数少,整体呈不敏感状态。

图6 裂隙孔隙度与超热中子计数比值关系Fig.6 Relationship between fracture porosity and epithermal neutron ratio

总体而言,含铀裂隙孔隙度与超热中子计数比值呈负相关,且因为裂缝倾角的不同呈现不同的变化趋势,这与铀矿储量存在一定的趋势预判意义,可以为裂缝砂岩铀矿储量的孔隙度修正提供理论参考依据。

3 验证与分析

为了对计算数据进行有效性验证,有必要对实验条件及环境进行讨论阐述。

通过与理想模型对比,发现实际环境中存在一定的限制影响因素:①裂隙结构因成形年代及应力作用的不同,同一环境下的裂隙倾角不能达到完全严格一致,因此只能选择角度范围近似一致的裂隙群组作为数据采样环境;②地层中孔隙度不仅为裂隙孔隙度,还包含地层基质孔隙,且孔隙结构中存在非矿藏包裹体;③实际情况下的裂隙存在密度不均以及走向交叉的情况,同时裂隙纵横比不能完全一致;④实地作业中,测井仪器相对井孔位置多数为偏心状态,但是在本数值模拟中,为了使模拟环境除裂隙结构外,尽量与井孔对称,因此选择了仪器完全居中的井孔结构,这样可以使计算结果更加突出裂缝结构的影响。以上影响因素会在一定程度上对实验结果产生干扰。

考虑到上述因素,可以发现实地采样数据计算的结果中,超热中子的输运距离以及吸收时间都更短。图7b中,体现为存在大面积的阴影区域(无计数区域)。但通过对比实际数据(图7b)和计算数据(图7a)结果,发现在整体上,两者的超热中子计数峰数量在不同裂缝倾角环境中,都为在低角度(0°～40°)环境中普遍低于高角度(70°～90°)裂隙环境,且在高角度环境下峰数量增多且呈分散状态(图7中红色圈起部分)。这种现象说明,孔隙度高且高角度裂缝环境对超热中子的运移作用影响较大,即超热中子对此种环境具有较大的敏感度。通过以上对比可知,多角度裂缝脉冲中子测井模拟计算结果与实际结果总体一致,计算结论具有可参考价值。

图7 超热中子密度运移情况Fig.7 Epithermal neutron density transport in variably angular fractured sandstone uranium ore

4 结论

1)当裂缝环境的孔隙度较高(孔隙度0.4)且裂缝倾角较大(80°～90°)时,超热中子的密度分布体现出对裂缝结构的高敏感度,即此时中子更多地与地层铀矿发生反应,产生大量超热中子,并快速被俘获吸收。

2)中子能量峰值在近似垂直(80°～90°)裂隙环境下最低,与近似水平倾角环境相比,最大衰减落差可达到总量的81.8%,说明高裂缝倾角结构对源中子能量的衰减作用最强。

3)与能量峰值谱变化规律类似,超热中子时间计数峰值谱同样随着裂缝倾角及孔隙度的增加而严重衰减,同时,谱的极大值对应倾角区间随着孔隙度增加而向低角度区间移动,(53°～60°)→(0°～10°)。

4)超热中子计数与裂缝孔隙度存在一定的线性负向关系,且高倾角环境下的相对比值最大,中等角度环境下比值最小。这种不同裂缝倾角条件下的特征对应关系可以为裂缝砂岩铀矿储量的孔隙度修正提供理论参考依据。