Геофизические исследования скважин месторождений урана

Размещено на http://www.allbest.ru/

Геофизические исследования скважин месторождений урана

Геофизические работы сопровождают все стадии изучения урановых месторождений, начиная от прогнозных исследований и подготовки площадей к проведению поисковых работ, до детальной и эксплуатационной разведки, а на инфильтрационных месторождениях - и для контроля над ходом процесса подземного выщелачивания (ПВ). При отработке месторождений урана способом ПСВ ГИС является основным, а зачастую единственным методом получения наиболее полной информации об особенностях геологического разреза и характеристики уранового оруденения по каждой конкретной скважине.

В основной (стандартный) комплекс ГИС входят ГК, ЭК в модификациях КС, ПС и ИК.

Электрокаротаж - это метод исследования горных пород, основанный на регистрации параметров естественного или искусственного электрического поля. Данные стандартного ЭК являются одними из основных для получения информации о литолого-стратиграфическом и фациально-литологическом строении разреза скважин. Индукционный каротаж - основан на измерении кажущейся удельной электрической проводимости пород на переменном электромагнитном поле. В методе реализованы варианты измерения как активной компоненты кажущейся удельной электрической проводимости, так и реактивной.

- Основными методами выделения и оценки качества радиоактивных руд на содержаниях урана и тория являются гамма-каротаж (ГК) и его спектрометрическая модификация (СГК)

- для решения других геологических и технических задач по мере необходимости в комплекс каротажных методов в зависимости от условий применения включаются методы ГГК-П, АК, КС, ПС, КМВ, РРК, ННК и др.;

Гамма каротаж основан на регистрации гамма-излучения естественных радиоактивных элементов (ЕРЭ), содержащихся в горных породах, пересеченных скважиной. Измеряемая величина -- скорость счета гамма-квантов в импульсах в минуту (имп/м). Основная расчетная величина -- мощность экспозиционной дозы в микрорентгенах в час (МЭД, мкР/ч). Измеряемая величина определяется концентрацией, составом и пространственным распределением ЕРЭ, плотностью и эффективным атомным номером Zэф.пород. Гамма-каротаж является одним из наиболее эффективных и распространенных методов ГИС.

Методу отводится исключительная роль и особое место при всех, без исключения, видах работ, проводимых на радиоактивные руды. При проведении гамма-каротажа на урановых месторождениях используются скважинные приборы с кристаллическими детекторами NаI(ТL) размерами 30х70, 1 8х40 окруженные свинцовыми экранами 0,9-1,1 мм и 1,3-1,5мм соответственно. Использование свинцовых экранов позволяет существенно уменьшить зависимость результатов измерений от значений Zэф.в пределах продуктивных горизонтов, т.е. устранить влияние литологического состава пород на результаты измерений.

По способу измерений характеристик полей гамма-излучения различают гамма-каротаж в режиме интегрального счета (ИГК) и каротаж в режиме спектрометрии гамма-излучения (СГК).

Гамма-каротаж в режиме интегрального счета является основным геофизическим методом исследования скважин по следующим параметрам: мощность экспозиционной дозы гамма-излучения (МЭД) в единицах МЭД точечного радиевого источника и/или интегральная массовая доля урана (эквивалентный по результатам измерений суммарный эффект от массовых долей ЕРН, выраженный в единицах равновесного урана).

Гамма-каротаж в режиме интегрального счета практически повсеместно применяют на всех стадиях поисков, оценки, разведки и эксплуатации месторождений твердых полезных ископаемых для решения следующих геологических задач:

- построение литологического разреза;

- "попутные" ("массовые") поиски месторождений твердых полезных ископаемых;

- определение параметров для подсчета запасов урана на месторождениях урановых руд

Гамма-каротаж в режиме спектрометрии гамма-излучения применяют для оценки массовых долей ЕРН (калия, урана и тория) в горных породах и рудах при решении следующих задач:

- построение литологического разреза, выделение ореолов измененных пород и определение их зонального строения;

- выделение и оценка параметров рудных тел на месторождениях полезных ископаемых, генетически или статистически связанных с радиоактивными элементами (фосфориты, бокситы, калийные соли, титановые и редкоземельные россыпи, угли и т.д.);

- получение исходных данных с целью прогноза радиационной опасности при разведке и эксплуатации месторождений полезных ископаемых.

Для гамма-каротажа применяют геофизические радиометры - одноканальные для ИГК и многоканальные для СГК. Отличительная особенность геофизических радиометров состоит в том, что выходными их характеристиками являются непосредственно измеряемые параметры (состав или свойство) горных пород и руд. Перевод результатов измерений в единицы измеряемых величин осуществляют с помощью градуировочных характеристик, которые связывают результаты измерений с величинами, характеризующими свойство (мощность экспозиционной дозы гаммма-излучения по радиевому источнику) или состав (массовые доли ЕРН) горных пород и руд.

Для перевода сигналов, поступающих с детектора на регистратор при ГК, используют два типа интеграторов, которые осуществляют перевод статистически распределенных импульсов детектора в непрерывную функцию координаты.При ИГК содержание выражают в единицах интегральных массовых долей урана (U), а при СГК - в единицах эквивалентных массовых долей калия (К), равновесного урана (U) и тория (Th). Во всех случаях интерпретация основана на связи этих величин с аппаратурным спектром, измеренным одноканальными или многоканальными геофизическими радиометрами.

Интерпретацию данных ГК проводят с помощью ЭВМ. Графический способ интерпретации применяют при отсутствии ЭВМ в районе работ с целью получения оперативной информации об изучаемом объекте.

При интерпретации результатов ГК должно быть учтено поглощение гамма-излучения промывочной жидкостью и обсадными трубами, а при необходимости и влажность.

Поправки на поглощение гамма-излучения промывочной жидкостью и обсадными трубами определяются конструкцией скважины и скважинного прибора, а поправки на влажность - по результатам определения коэффициента влажности на этапе специальных опытно-методических работ, которые являются неотъемлемой частью всего комплекса ГИС при гамма-каротаже.

Интерпретацию СГК проводят в три этапа. На первом этапе каротажные диаграммы разбивают на интервалы, для которых подсчитывают средние значения скоростей счета в каждом из трех каналов - калиевом , урановом и ториевом . Интервал усреднения выбирают в зависимости от геологической задачи.

В значения , и вводят поправки на поглощение гамма-излучения промывочной жидкостью , обсадными трубами и при необходимости на коэффициент влажности - путем деления их на . Найденные значения используют для вычисления эквивалентных массовых долей ЕРН. На третьем этапе проводят выделение интервалов вдоль оси скважины с существенно разными параметрами.

Спектрометрический гамма-каротаж (СГК) основан на измерении естественной гамма активности геологических сред по стволу скважины, величина которой практически полностью обусловлена гамма-излучением трех природных радиоактивных элементов: урана и продуктов его распада, тория и продуктов его распада и калия - 40. Величина измеренной интенсивности гамма-излучения может быть представлена уравнением с тремя неизвестными:

J = aCU +вCTh+cCK

где J - интенсивность в ими./время;

СU, CTh - концентрации урана и тория в 10-4 % (граммах на тонну, г/т);

Ск - концентрация калия в %; а, в, с - коэффициенты вклада соответствен-но урано-радиевого, ториевого радиоактивных рядов и калия - 40. радиоактивный руда каротаж спектрометрический

По принадлежности основной спектральной линии к тому или иному гамма-излучателю первый интервал, включающий линию 1,45 МэВ, обычно называют калиевым, второй (1,76 МэВ) - урановым, третий (2,62 МэВ) - ториевым.

Каротаж методом мгновенных нейтронов деления (КНД-м) является одной из модификаций импульсного нейтронного каротажа. Принципиальное его отличие от ИНК (в общем понимании метода) заключается в том, что при КНД-м измеряется плотность потока нейтронов, не непосредственно от скважинного импульсного генератора после их замедления, а плотность потока мгновенных нейтронов деления, генератором которых является урановая руда, которая может рассматриваться, как природный генератор быстрых нейтронов.

Сущность метода заключается в следующем. Если в урановую руду поместить генератор, работающий в импульсном режиме (частота 20 гц, длительность нейтронного импульса 2 мкс), то сразу после прекращения импульса в среде будут находиться быстрые нейтроны источника и мгновенные нейтроны деления ядер урана-238 и тория-232 (порог реакции около 1,4 МэВ). В результате взаимодействия со средой и те и другие замедляются за время 100-200 мкс до тепловых с наиболее вероятной энергией около 0,025 эВ. Под действием тепловых нейтронов происходит деление ядер урана-235, сопровождающееся испусканием мгновенных нейтронов со средней энергией около 2 МэВ. Именно эти мгновенные нейтроны, замедленные в породе до надтепловых энергий в диапазоне 0,7 эВ до 1 кэВ регистрируются детектирующим устройством экранированного кадмием скважинного прибора АИНК-60 в интервале времени, равном 2048 мкс. Медленные же нейтроны, вследствие того, что кадмий обладает по отношению к ним аномально высоким поглощающим свойством, будут кадмиевым экраном полностью поглощены. Механизм регистрации предусматривает блокировку измерительного канала, содержащего нейтронный детектор, на время термализации. В этом случае могут быть зарегистрированы лишь первичные тепловые нейтроны и быстрые мгновенные нейтроны деления урана-235. для выделения мгновенных нейтронов на фоне теплового нейтронного поля достаточно воспользоваться детектором, нечувствительным к тепловым нейтронам. Наиболее эффективными для измерения мгновенных нейтронов деления и являются счетчики медленных нейтронов, помещенные в экран из кадмиевого материала, обладающего аномально высоким поглощением тепловых нейтронов и достаточно прозрачного для нейтронов более высоких энергий. Из принципа метода непосредственно вытекает, что весь эффект в урановых рудах создается исключительно мгновенными нейтронами деления урана-235 действительно, деление урана-238 быстрыми нейтронами происходит только в течение нескольких десятков наносекунд после окончания нейтронного импульса, поэтому за время блокировки регистрации импульсов, составляющего несколько десятков микросекунд, мгновенные нейтроны деления урана-238 практически одновременно с нейтронами источника достигнут тепловых скоростей и не будут регистрироваться детектором.

По той же причине и наличие тория не создает заметного эффекта. То есть, измеряемая при проведении КНД-м скорость счета потока нейтронов не содержит в себе информацию о содержании в рудах радия, тория, радиоизотопа калия. И результаты интерпретации по определению содержаний урана, в отличие от интерпретации данных гамма-каротажа, не требуют их корректировок на радиоактивное равновесие между ураном, радием и дочерними продуктами их распада. Именно это обстоятельство и является определяющим при выборе места и роли метода в комплексе геофизических работ, проводимых как при разведке пластово-инфильтрационных месторождений урана, так и при их отработке способом подземного выщелачивания (ПВ).

По однозондовой методике по данным КНД-м определяются лишь содержания урана и радия в условиях их естественного залегания.

По двухзондовой методике, кроме того определяются влажность руд, объемная плотность и глинистость пород, т.е. сумма фракций от 0,05 мм и меньше. Для определения содержаний урана достаточно измерить два сигнала от первого детектора. Для определения кроме урана влажности, плотности и глинистости -- три сигнала. Расстояние между источником потока нейтронов (мишень блока нейтронной трубки) и детектором (д) принято называть длиной зонда (Е). Величина Е1 определяется минимально возможным конструкционным расстоянием между мишенью нейтронной трубки и центром первого нейтронного детектора. Е2 - расстояние между мишенью нейтронной трубки и центром второго детектора.

Электрические и электромагнитные методы каротажа предназначены и служат информационной основой для построения геоэлектрических разрезов. Они основаны на наблюдении и изучении особенностей распределения и характеристик электромагнитных полей естественного и искусственного происхождения. Эти особенности обусловлены в основном дифференциацией горных пород по электромагнитным свойствам (удельному электрическому сопротивлению, электропроводимости, индуктивности и др.), разнообразием используемых источников поля, регистрируемых характеристик Здесь рассматриваются лишь те методы электрического и электромагнитного каротажей, которые в настоящее время используются при подготовке к эксплуатации и эксплуатации пластово-инфильтрационных месторождений урана.

К ним относятся:

-каротаж методом кажущихся сопротивлений (КС);

-каротаж естественной поляризации скважин (ПС);

-индукционный каротаж (ИК);

-токовый каротаж (ТК).

Они применяются для полного либо частичного решения следующих геологических задач:

-литолого-стратиграфическое и фациально-литологическое расчленение разреза - КС, ПС, ИК;

-определение эффективной мощности проницаемых пород продуктивного горизонта и выделение в разрезе технологически забалансовых руд - КС, ПС, ИК;

-определение послойных значений коэффициентов фильтрации - КС, ПС;

-определение целостности обсадных колонн - ТК;

Результатом ГК является кривая интенсивности г-излучения по скважине. Характер кривой определяется мощностью рудного тела и содержанием урана (рисунок 1).

Количественная интерпретация результатов ГК основывается на следующих положениях:

-при мощности рудного пласта более 35--40 см максимальная интенсивность не зависит от мощности, а определяется только содержанием;

-границе рудного пласта с четкими контактами соответствует точка перегиба кривой, в которой интенсивность равна половине максимальной;

-величина интенсивности в любой точке вне пределов рудного пласта является функцией содержания (q) и расстояния точки измерения до границы пласта (z).

Общие сведения о принципе действия АИНК-60. Выделение рудного интервала и определение массовой доли урана в нем аппаратурой АИНК-60 производится методом КНД-М (регистрация мгновенных нейтронов) с одновременным проведением гамма-каротажа. Действие АИНК-60 заключается в циклическом, с частотой 20 Гц, облучении горной породы короткими (2 мкс) импульсами быстрых нейтронов (14 МэВ) и регистрации мгновенных нейтронов деления (в течении 2 мс после импульса излучения в интервалах длительностью по 32 мкс). Для этого, в составе АИНК-60 имеется БТ с монитором первичного потока нейтронов и детектор надтепловых нейтронов.

Для проведения гамма-каротажа предусмотрен сцинтилляционный блок ДГК на основе кристалла NaI(Tl) размером 30х40 мм. Скважинный прибор АИНК-60 перемещается в скважине и передает результаты измерения скорости счета детектора нейтронов во временных интервалах, скорости счета монитора нейтронного потока и интегральный скорости счета гамма-детектора на ПУ через геофизический кабель. Данные суммируются и усредняются за интервал перемещения скважинного прибора 0,1 м и записываются на магнитном диске ПК каротажной станции, соединенной с ПУ АИНК-60.

Литература

1. Абубакиров В.Ф. и др. Буровое оборудование: В 2-х т. - М.: Недра, 2000. - Т.1. - 269 с.

2. Абубакиров В.Ф. и др. Оборудование буровое, противовыбросовое и устьевое: Справ. пособ.: В 2 т. Т.1. - М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2007. - 732 с.

3. Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., А.Н. Гноевых. Винтовые забойные двигатели. Справочное пособие. - М.: ОАО «Издательство Недра», 1999, - 375 с.

4. Иогансен К.В. Спутник буровика: Справочник. - М.: Недра, 1990.

Размещено на Allbest.ru