小口徑γ 能譜深測(cè)井探管耐高溫技術(shù)研究

馮延強(qiáng)，劉祜，焦倉文，楊建濤，邵帥

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 中核集團(tuán)鈾資源勘查與評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

20 世紀(jì)中期，我國(guó)從前蘇聯(lián)引進(jìn)了用于鈾礦測(cè)井的伽馬總量測(cè)井技術(shù)，并在我國(guó)實(shí)現(xiàn)了自主化。針對(duì)鈾礦床，伽馬總量測(cè)井能夠滿足應(yīng)用需求，但對(duì)于鈾釷混合礦床，由于受到釷的干擾，伽馬總量測(cè)井已不能準(zhǔn)確提供鈾含量。因此發(fā)展伽馬能譜測(cè)井技術(shù)，對(duì)于鈾釷混合礦床的鈾、釷含量準(zhǔn)確測(cè)量具有重要意義。

近年來，我國(guó)南方熱液型鈾礦再次成為鈾礦勘查的重點(diǎn)類型，向深部發(fā)展，攻深找盲、擴(kuò)大鈾資源儲(chǔ)量，提高深部探測(cè)能力，成為我國(guó)鈾礦勘探領(lǐng)域發(fā)展的重要方向。因此，研究適用于深部自然伽馬能譜探測(cè)的耐高溫高壓技術(shù)及研制相應(yīng)小口徑測(cè)井探管具有重要技術(shù)突破意義。

由于自然伽馬能譜測(cè)井探管中的閃爍晶體、光電倍增管等對(duì)溫度波動(dòng)較為敏感，易受井下高溫環(huán)境影響而使其性能發(fā)生變化，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確［1-2］。尤其是在我國(guó)南方熱液型鈾礦地區(qū)，地溫梯度變化較大，3 000 m 深度處井溫近110 ℃。雖然，技術(shù)角度上可以通過穩(wěn)譜、死時(shí)間修正、探測(cè)效率修正等方法進(jìn)行高溫條件下的測(cè)量結(jié)果處理［3］，但是該類處理技術(shù)屬于一種補(bǔ)償手段，沒有從根本上解決問題。并且，在實(shí)際應(yīng)用中修正方法存在眾多不便。例如每個(gè)閃爍體受溫度影響信號(hào)衰減速率不同，各個(gè)探測(cè)器都需要單獨(dú)刻度溫度變化影響時(shí)的修正因子。除此外某些參數(shù)的衰減并不呈線性，因此修正手段并不能完全解決自然伽馬能譜深部探測(cè)應(yīng)用時(shí)存在的問題［4-5］。

綜上，自然伽馬能譜測(cè)井技術(shù)在深部探測(cè)應(yīng)用時(shí)，尚存在以下問題需解決：

1）如何實(shí)現(xiàn)井下高溫環(huán)境條件時(shí)，自然伽馬能譜測(cè)井探管內(nèi)部的溫度不超過電子元器件工業(yè)級(jí)溫度范圍，保障探管處于正常工作狀態(tài)，從而使常規(guī)技術(shù)手段得以應(yīng)用，以此來解決井下深部探測(cè)時(shí)耐高溫問題［6-7］。

2）鈾礦勘探鉆孔不同于石油煤炭領(lǐng)域，一般鉆孔直徑約為90 mm，如何實(shí)現(xiàn)小口徑探管條件下的耐溫和承壓?jiǎn)栴}，也是自然伽馬能譜測(cè)井技術(shù)應(yīng)用于深部探測(cè)時(shí)需要解決的問題。

3）在解決井中高溫條件下耐溫問題后，探管內(nèi)部電路的熱功耗隨著工作時(shí)間的增加帶來的探管內(nèi)局部空間溫升也會(huì)對(duì)自然伽馬能譜正常工作帶來影響［8］，不同于常規(guī)條件下該部分熱量可以通過管壁擴(kuò)散至井液，在深部探測(cè)應(yīng)用中，內(nèi)部溫升也是需要解決的關(guān)鍵問題。

1 小口徑探管耐高溫技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

1.1 探管材料及機(jī)械結(jié)構(gòu)

探管采用抗拉性能好、熱膨脹系數(shù)小的TC11鈦合金材料，減小在高溫條件下材料受熱發(fā)生膨脹帶來承壓的潛在隱患。在探管頭與承壓尾管與鈦合金管體連接處通過三角堆焊技術(shù)，確保承壓35 MPa 以上。機(jī)械結(jié)構(gòu)上整管采用一體化設(shè)計(jì)（圖1），探管外徑59 mm、內(nèi)徑39 mm，真空夾層厚度5 mm，鈦合金外管壁厚4 mm，由內(nèi)向外加工。完成抽真空工藝后，外管采用一次車加工成形，增加承壓能力。鈦合金承壓外管作為真空夾層腔體的外壁，一體化設(shè)計(jì)保障了小口徑的實(shí)現(xiàn)。

圖1 探管機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of probe tube mechanical structure

1.2 小口徑探管真空隔熱技術(shù)

真空隔熱可最大限度地降低接觸式固體導(dǎo)熱帶來的漏熱。研究的小口徑探管真空隔熱技術(shù)需要解決小管徑結(jié)構(gòu)工藝問題，另一方面需要避免探管口處的對(duì)流導(dǎo)熱。結(jié)構(gòu)工藝如1.1 中論述，采用一體化鈦合金結(jié)構(gòu)，5 mm 真空夾層真空度約10-3Pa。為避免探管口處的對(duì)流導(dǎo)熱，一方面增加探管頭的長(zhǎng)度，減少對(duì)流影響；另一方面在探管頭與上吸熱模塊之間設(shè)計(jì)了隔熱模塊。隔熱模塊采用玻璃鋼外管，內(nèi)填充隔熱棉，以此來降低熱對(duì)流的影響。

試驗(yàn)實(shí)測(cè)了真空隔熱效果。恒溫箱內(nèi)部溫度從25 ℃升高至70 ℃后穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)了1 h 中模型內(nèi)部溫度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（圖2），模型內(nèi)部溫度從22.7 ℃升高至23.3 ℃，溫升僅0.6 ℃，隔熱效果明顯。

圖2 真空隔熱試驗(yàn)1 h 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.2 Vacuum insulation test data for 1 hour

1.3 探管內(nèi)部相變吸熱技術(shù)

針對(duì)真空隔熱會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部電路的熱功耗熱量及探管漏熱擴(kuò)散不出去，探管內(nèi)部溫度會(huì)持續(xù)升高的問題。研究了探管內(nèi)部相變吸熱技術(shù)，利用復(fù)合鹽類（相變溫度約48 ℃）相變材料Phase Change Material（PCM）吸收探管內(nèi)部熱量，進(jìn)一步保障探管內(nèi)部溫度不會(huì)超過75 ℃。

首先，分析了探管內(nèi)部主要熱功耗的來源，并實(shí)測(cè)其熱功耗［15］，具體測(cè)量數(shù)據(jù)見表1。

表1 探管內(nèi)部實(shí)際熱功耗測(cè)量結(jié)果Table 1 Measured results of actual thermal power inside the probe

PCM 潛熱約為200 kJ·kg-1、比熱約為1.27 kJ·kg·℃-1、密度約為1.52 g·cm-3。按照實(shí)際應(yīng)用中探管內(nèi)部溫度不超過75 ℃、吸熱系數(shù)按1.3計(jì)算，實(shí)測(cè)熱功耗可按照式（1）計(jì)算為919.10 mW。按照實(shí)際工作中探管需連續(xù)工作15 h，而無吸熱模塊時(shí)探管內(nèi)部溫度約4 h便可升至75 ℃，因此吸熱模塊需要吸收的熱功耗是由電路約11 h工作狀態(tài)產(chǎn)生的，據(jù)式（2）可計(jì)算總吸熱量為36.40 kJ。實(shí)際中，還需要考慮探管漏熱導(dǎo)致的內(nèi)部溫升，按照漏熱約0.6 W、據(jù)式（3）可計(jì)算出需要PCM的質(zhì)量mPCM為0.261 kg；據(jù)式（4）可計(jì)算PCM體積VPCM為171.71 cm3。

設(shè)計(jì)了外徑35 mm、壁厚1.5 mm、長(zhǎng)度為150 mm的圓管吸熱模塊，容積約120 cm3，裝置于探管底部；另一吸熱模塊長(zhǎng)度為250 mm，且中心位置設(shè)計(jì)直徑8 mm 的走線孔，容積約188 cm3，裝置于探管管口位置。采用雙吸熱模塊，滿足理論分析VPCM要求，以此解決探管內(nèi)部由于電路熱功耗及漏熱帶來的溫升問題，進(jìn)一步確保探管內(nèi)部溫度不超過75 ℃。

2 實(shí)際應(yīng)用

在耐高溫技術(shù)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)上，研究成果在相山CUSD1 科學(xué)深鉆進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，鉆孔地溫梯度為2.92 ℃/100m，井底溫度近110 ℃。耐高溫探管在工作狀態(tài)實(shí)測(cè)深度為2 800.84 m、空載狀態(tài)實(shí)測(cè)深度為2 191.75 m。實(shí)測(cè)試驗(yàn)中探管內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖3 所示。溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：探管內(nèi)部在電路不工作狀態(tài)時(shí)溫升為12 ℃，隔熱效果明顯；電路工作狀態(tài)時(shí)溫升為44 ℃，最終溫度為64.19 ℃?？梢姡瑢?shí)測(cè)試驗(yàn)中研制的耐高溫技術(shù)能夠滿足探管內(nèi)部工作溫度不超過75 ℃的要求。

圖3 CUSD1 鉆孔實(shí)測(cè)試驗(yàn)溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線Fig.3 Temperature monitoring curve of borehole CUSD1

在溫度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，實(shí)測(cè)了CUSD1 鉆孔中兩處放射性異常段，進(jìn)行了研制的小口徑耐高溫伽馬能譜測(cè)井探管（NP594）、進(jìn)口γ 能譜探管（RG_SGM2）及γ 總量探管（GM404）三種探管測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的對(duì)比分析。對(duì)比測(cè)井曲線如圖4 和圖5，可見鈾、釷異常段在深度、比例關(guān)系及分布趨勢(shì)上NP594 均與GM404、RG_SGM2一致。

圖4 CUSD1 鉆孔放射性異常段1 測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)曲線Fig.4 Logging curve of radioactive anomalous section 1 of borehole CUSD1

圖5 CUSD1 鉆孔放射性異常段2 測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)曲線Fig.5 Logging curve of radioactive anomalous section 2 of borehole CUSD1

由此可見，研究的小口徑伽馬能譜深測(cè)井探管耐高溫技術(shù)，能有效解決井下井液高溫對(duì)于γ 能譜探測(cè)的影響，提升了我國(guó)鈾礦勘探領(lǐng)域小口徑γ 能譜的測(cè)井能力。

3 結(jié)論

小口徑γ 能譜深測(cè)井探管耐高溫技術(shù)成果在相山鈾礦田科學(xué)深鉆CUSD1 鉆孔2 800 m 深度試驗(yàn)表明：探管內(nèi)部溫升在電路不工作狀態(tài)時(shí)為12 ℃、電路工作狀態(tài)時(shí)為44 ℃，最終監(jiān)測(cè)溫度為64.19 ℃，能夠滿足γ 能譜探管工作溫度要求。該技術(shù)研究能有效避免井下井液高溫對(duì)于γ 能譜探測(cè)的影響，提升了我國(guó)鈾礦勘探領(lǐng)域小口徑γ 能譜的深孔測(cè)井能力，可為我國(guó)熱液型鈾礦深部探測(cè)提供重要技術(shù)支撐。