蒙其古爾鈾礦床鐳氡平衡恢復(fù)過程探討

金永吉, 劉富強(qiáng), 王毛毛, 羅星剛

(1.中國(guó)鈾業(yè)有限公司,北京 100013;2.核工業(yè)二一六大隊(duì),烏魯木齊 830011)

0 引言

在鈾礦勘查工作中，γ測(cè)井是確定鈾礦體空間位置、品位及厚度的重要技術(shù)手段。為準(zhǔn)確計(jì)算鈾資源量，需要對(duì)γ測(cè)井結(jié)果進(jìn)行參數(shù)修正，包括鈾鐳平衡系數(shù)修正、鐳氡平衡系數(shù)修正、沖洗液及鐵套管吸收系數(shù)修正、礦石濕度修正、釷鉀干擾修正等。鐳氡平衡系數(shù)是地浸砂巖型鈾礦勘查工作中的一項(xiàng)重要參數(shù),及時(shí)開展該參數(shù)的研究,對(duì)指導(dǎo)鈾礦勘查評(píng)價(jià)、儲(chǔ)量計(jì)算等具有重要的意義[1-3]。

1 鐳氡平衡的破壞

地浸砂巖型鈾礦勘查過程中，在鉆井循環(huán)液壓力的作用下，當(dāng)井液泥漿壓力大于含礦含水層的壓力時(shí)，井液泥漿將會(huì)浸入鈾礦層巖石孔隙，使得溶解于層間水中的氡(222Rn)一起被擠壓而離開孔壁，這一現(xiàn)象被稱為壓氡效應(yīng)[3]。鉆孔內(nèi)存在的壓氡效應(yīng)，破壞了孔內(nèi)鈾礦層的鐳氡放射性平衡。

在放射性核素系列中,當(dāng)鈾系列的鈾-鐳-氡處于放射性平衡時(shí)，γ測(cè)井結(jié)果能準(zhǔn)確反映出鈾礦層的含量。γ測(cè)井時(shí)測(cè)量的伽瑪射線大多數(shù)能量來(lái)自鈾系氡(222Rn)的短壽子體218Po(RaA)、214Pb(RaB)和214Bi(RaC)，氡及其衰變子體的伽瑪射線占鈾系伽瑪射線強(qiáng)度的90%以上[4-6]，因此226Ra與222Rn的放射性平衡遭到破壞時(shí)，對(duì)γ測(cè)井結(jié)果影響較大，會(huì)導(dǎo)致γ測(cè)井結(jié)果偏低。同時(shí)，在鉆進(jìn)過程中，泥漿浸入井壁周圍一定范圍，會(huì)在井壁形成一層厚厚的泥漿餅，并在鉆孔周圍形成井液浸入暈，這對(duì)γ射線有一定的屏蔽吸收作用，也會(huì)使γ測(cè)井照射量率數(shù)值偏低[7]。以上因素均會(huì)對(duì)鐳氡平衡系數(shù)產(chǎn)生影響。

2 物探參數(shù)孔觀測(cè)

物探參數(shù)孔施工完成后(圖1)，鐳氡平衡遭受破壞，理論上經(jīng)過氡的10個(gè)半衰期左右，鐳氡平衡將會(huì)恢復(fù)。在約38 d內(nèi)對(duì)物探參數(shù)孔進(jìn)行持續(xù)γ測(cè)井狀態(tài)觀測(cè)，前4 d每8 h進(jìn)行一次γ測(cè)井，之后的4 d每24 h一次，以后每2 d～3 d一次，直到鐳氡達(dá)到平衡狀態(tài)。

圖1 物探參數(shù)孔鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of borehole structure for geophysical parameters

根據(jù)下套管前的γ測(cè)井結(jié)果，判斷滲透性巖石中鈾礦段邊界位置，計(jì)算出礦段內(nèi)的各測(cè)點(diǎn)γ照射量率的和(∑I0)；在該界限內(nèi)根據(jù)狀態(tài)觀測(cè)結(jié)果,計(jì)算鈾礦段內(nèi)各測(cè)點(diǎn)經(jīng)鐵套管和沖洗液吸收修正后的γ照射量率的和(∑Ii)，以γ照射量率I為縱坐標(biāo)，以時(shí)間t為橫坐標(biāo)作出I-t關(guān)系圖。假定∑I0=A，t=0，然后將各點(diǎn)用平滑曲線連接起來(lái)得到一條曲線，該圖稱之為氡狀態(tài)觀測(cè)曲線圖。

鐳氡平衡系數(shù)PRn按式(1)計(jì)算[8]。

(1)

式中：PRa為鐳氡平衡系數(shù)；I0為I-t關(guān)系圖始端的各測(cè)點(diǎn)γ照射量率測(cè)量值，(nC/kg·h)；I∞為I-t關(guān)系圖終端的各測(cè)點(diǎn)γ照射量率測(cè)量值，(nC/kg·h)。

3 蒙其古爾鈾礦床概況

蒙其古爾鈾礦床位于伊犁盆地南緣中段構(gòu)造活動(dòng)區(qū)內(nèi)的相對(duì)穩(wěn)定地段，是我國(guó)目前現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的特大型可地浸砂巖型鈾礦床。礦床內(nèi)發(fā)育4層含礦砂體，自下而上分別為三工河組下段(J1s1)砂體、三工河組上段(J1s2)砂體、西山窯組下段(J2x1)砂體和西山窯組上段(J2x3)砂體。各層砂體空間上連續(xù)、泥巖隔水層穩(wěn)定、層狀-帶狀-透鏡狀產(chǎn)出。

蒙其古爾鈾礦床P0～P31線詳查期間，共對(duì)三工河組下段(J1s1)、三工河組上段(J1s2)、西山窯組下段(J2x1)三個(gè)主要含礦層施工8個(gè)物探參數(shù)孔，其中，三工河組下段(J1s1)4個(gè)，三工河組上段(J1s2)1個(gè)，西山窯組下段(J2x1)3個(gè)，物探參數(shù)孔平面上分布較為均勻，具有一定的代表性(圖2)。

圖2 P0～P31線物探參數(shù)孔分布圖Fig.2 P0 ～ P31 line geophysical parameter drilling distribution map

4 鐳氡平衡的恢復(fù)過程及計(jì)算

4.1 正常恢復(fù)過程及計(jì)算

以P3108物探參數(shù)孔為例，對(duì)鐳氡平衡恢復(fù)過程進(jìn)行討論，并計(jì)算其鐳氡平衡系數(shù)。由圖3可知，鐳氡平衡恢復(fù)整體上呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。第二次觀測(cè)值比第一次觀測(cè)值有非常明顯地增長(zhǎng)，這是因?yàn)榈谝淮斡^測(cè)為鉆孔鉆進(jìn)結(jié)束時(shí)，鈾礦層鐳氡平衡被徹底破壞導(dǎo)致觀測(cè)值偏低，而第二次觀測(cè)是在下套管、清水沖孔、封井止水等工序之后，在這段時(shí)間內(nèi)，氡及其子體在擴(kuò)散作用、對(duì)流作用下持續(xù)向套管周圍環(huán)狀空間遷移，以填補(bǔ)引鉆進(jìn)造成的低濃度空間，導(dǎo)致第二次觀測(cè)值明顯增大[9-10]。

圖3 P3108物探參數(shù)孔氡狀態(tài)觀測(cè)曲線圖Fig.3 Observation curve of radon state in geophysical parameter drilling P3108

在物探參數(shù)孔內(nèi)下套管后，井下泥漿得不到補(bǔ)充，泥漿形成的屏蔽層兩側(cè)壓力發(fā)生變化，泥漿餅脫落，造成鉆孔周圍巖石的孔隙度和結(jié)構(gòu)變化，局部水動(dòng)力條件改善，更利于氡的遷移。同時(shí)，鈾礦層內(nèi)部大量α衰變形成的氡及其子體、復(fù)合團(tuán)簇，在水動(dòng)力和自身能量的作用下從孔隙或裂縫溢出，并在擴(kuò)散作用下遷移，其放出γ射線被測(cè)井儀器記錄下來(lái)，這個(gè)過程是不同步、非連續(xù)且具有陣發(fā)性，所以在第4 d至第20 d，對(duì)鉆孔內(nèi)累積放射性照射量率進(jìn)行了密集觀測(cè)，可以看到總放射性照射量率持續(xù)增長(zhǎng)，但個(gè)別觀測(cè)數(shù)據(jù)有減少的現(xiàn)象。大于20 d以后，即曲線末端近似成一條直線，第25 d到第40 d基本是一條直線，這時(shí)候氡經(jīng)過了10個(gè)以上的半衰期，鈾礦層恢復(fù)到原有的鐳氡平衡[11]。

根據(jù)式(1)計(jì)算蒙其古爾鈾礦床P0～P31線8個(gè)物探參數(shù)孔鐳氡平衡系數(shù)(表1)。

表1 蒙其古爾鈾礦床鐳氡平衡計(jì)算結(jié)果一覽表

4.2 非正?；謴?fù)過程及計(jì)算

在鐳氡平衡狀態(tài)觀測(cè)過程中，發(fā)現(xiàn)P2140物探參數(shù)孔的鐳氡平衡恢復(fù)過程呈現(xiàn)出非正常的變化趨勢(shì)(圖4)，下面對(duì)其非正常恢復(fù)的現(xiàn)象進(jìn)行探討。

圖4 P2140物探參數(shù)孔氡狀態(tài)觀測(cè)曲線影響分析圖Fig.4 Influence analysis diagram of radon state observation curve of P2140 geophysical parameter drilling

如圖4所示，P2140物探參數(shù)孔的觀測(cè)曲線形態(tài)不僅沒有反映出氡氣逐漸累積增長(zhǎng)的過程，反而呈現(xiàn)照射量率突然增高(或反復(fù)波動(dòng))的現(xiàn)象。在γ測(cè)井實(shí)際工作中，出現(xiàn)上述情況可能由以下原因引起[12-14]：①γ測(cè)井深度定位不準(zhǔn)，導(dǎo)致觀測(cè)層為非目的層，若非目的層鈾含量相對(duì)較高，將會(huì)導(dǎo)致異常值變大；②γ測(cè)井儀器性能不穩(wěn)定，造成采集數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；③孔內(nèi)存在影響源，經(jīng)物探參數(shù)孔擴(kuò)孔施工后，影響源直接影響測(cè)量結(jié)果；④物探參數(shù)孔施工存在問題，止水效果未達(dá)到最佳狀態(tài)，相鄰礦層串層形成影響源，對(duì)目的層造成污染。

針對(duì)以上可能存在的因素進(jìn)行分析。在終孔測(cè)井中非礦段照射量率本底值為3.19 nC/kg·h(圖5)，礦段位置在385.65 m～391.50 m之間，礦段照射量率峰值為271.25 nC/kg·h；第五次觀測(cè)時(shí)，非礦段照射量本底值為19.17 nC/kg·h，礦段位置擴(kuò)大為385.40 m～391.90 m之間，礦段照射量率峰值為325.36 nC/kg·h。終孔測(cè)井和狀態(tài)觀測(cè)的含礦層位置基本一致，說明不存在深度定位不準(zhǔn)導(dǎo)致偏差的情況。γ測(cè)井儀器在野外測(cè)量期間，定期進(jìn)行儀器校準(zhǔn)和核查，儀器不存在因性能不穩(wěn)定而導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)嚴(yán)重偏差的情況。

圖5 P2140物探參數(shù)孔觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.5 Comparison of observation data of P2140 geophysical parameter drilling

在觀測(cè)過程中，非礦段本底值增長(zhǎng)了500%，同時(shí)含礦段照射量率值也整體大幅增加，推斷觀測(cè)期間鉆孔內(nèi)可能存在氡氣的異常富集，造成孔內(nèi)污染，導(dǎo)致鉆孔底部大范圍區(qū)段內(nèi)照射量率值劇增，形成厚度很大的一個(gè)虛假礦段，使按原有礦段位置、厚度計(jì)算的照射量率量整體攀升，隨污染逐漸消除，照射量率值隨之回落，形成觀測(cè)曲線逐漸降低(或反復(fù)波動(dòng))的非正常恢復(fù)現(xiàn)象。觀測(cè)曲線可近似地看作氡氣污染逐漸消除與礦層照射量率總量逐步增長(zhǎng)兩種過程疊加的結(jié)果。產(chǎn)生此情況的原因可能是在物探參數(shù)孔施工結(jié)束后，井壁泥質(zhì)護(hù)層及井液浸入暈已經(jīng)被消除，而在此期間物探參數(shù)孔止水效果未達(dá)到最佳狀態(tài)，非目的層串層形成影響源，對(duì)目的層造成污染。如圖4所示，隨著時(shí)間的推移，影響源的氡濃度逐漸達(dá)到平衡，對(duì)含礦層的干擾逐漸消除，影響衰減趨勢(shì)線，同時(shí)含礦層砂體也在逐步恢復(fù)自身的鐳氡平衡，如含礦層增長(zhǎng)趨勢(shì)線所示，通過長(zhǎng)期多次觀測(cè)最終確定含礦層的鐳氡達(dá)到了平衡狀態(tài)。

雖然物探參數(shù)孔的鐳氡平衡恢復(fù)過程受到影響，但經(jīng)過長(zhǎng)期觀測(cè)(≥60 d)，也達(dá)到了鐳氡平衡。經(jīng)過對(duì)各種影響因素的分析，確定鐳氡平衡系數(shù)計(jì)算結(jié)果可靠。

5 結(jié)論

通過對(duì)蒙其古爾鈾礦床物探參數(shù)孔的觀測(cè)和計(jì)算，得到了鐳氡平衡修正系數(shù)，為資源量的準(zhǔn)確計(jì)算提供了重要參數(shù)。在鐳氡平衡恢復(fù)過程中，由于受到各種因素的影響，個(gè)別物探參數(shù)孔觀測(cè)曲線會(huì)出現(xiàn)非正常增長(zhǎng)的現(xiàn)象，該現(xiàn)象可能與測(cè)量的準(zhǔn)確性、儀器的穩(wěn)定性、鉆孔成井工藝等因素有關(guān)，需根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)各種因素逐一分析，確定主因并予以解釋。對(duì)于鐳氡平衡恢復(fù)過程受到影響的物探參數(shù)孔，應(yīng)延長(zhǎng)其觀測(cè)時(shí)間，直到達(dá)到真正意義上的平衡狀態(tài)，為鐳氡系數(shù)的計(jì)算提供客觀、可靠的數(shù)據(jù)。

在實(shí)際工作中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①嚴(yán)格按照規(guī)范要求，定期進(jìn)行儀器的校準(zhǔn)和核查，并對(duì)物探參數(shù)孔進(jìn)行檢查測(cè)量，保證觀測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠;②對(duì)存在異常的物探參數(shù)孔要進(jìn)行加密觀測(cè)，通過分析觀測(cè)曲線趨勢(shì)，及時(shí)查找引起異常的原因;③對(duì)存在異常的物探參數(shù)孔要適當(dāng)延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間，直到鐳氡達(dá)到真正意義上的平衡;④確保物探參數(shù)孔與勘探鉆孔的鉆進(jìn)條件一致，物探參數(shù)孔采用一次鉆進(jìn)成井方法。