基于LaBr3(Ce)閃爍體的γ能譜測井儀性能提升研究

郝金龍 董文明 陳 寧 鄧洪澤

1（中廣核鈾業(yè)發(fā)展有限公司 北京 100029）

2（奧爾塔雷克礦業(yè)有限合伙企業(yè) 奇姆肯特161003，哈薩克斯坦共和國）

湖山鈾礦是近十年來非洲乃至世界鈾資源勘查領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn)，也是中國在非洲最大的實(shí)體投資項(xiàng)目，其鈾資源儲量位列世界第三，屬于超大型鈾礦，目前正在進(jìn)行露天開采［1］。

湖山鈾礦在勘查階段鉆探方式主要采用空氣式反循環(huán)（Reverse Circulation，RC）干式鉆進(jìn)，每鉆進(jìn)1 m，單獨(dú)取一個(gè)巖粉樣，礦石鈾品位（即鈾含量）通過化學(xué)分析測試巖粉樣確定。在露天開采階段，爆破孔鉆探方式不同于勘查階段，是采用一次性鉆探完畢后對孔口巖粉堆進(jìn)行取樣，由于巖粉的非均一性，往往影響所取樣品的代表性，又因?yàn)闃悠贩治鰷y試周期長且工作量大，導(dǎo)致成本增高及效率降低。于是將國內(nèi)常用的鈾礦勘查方法——γ 測井方法用于測量爆破孔礦石鈾品位，在很大程度上提高了采礦效率［2］。

γ 測井是測量鉆孔中地層剖面巖石所產(chǎn)生的γ射線，該γ 射線是由鈾系和釷系中的放射性核素及40K共同產(chǎn)生的。由于湖山鈾礦釷含量較高，且非固定值，無法對鈾的結(jié)果得到準(zhǔn)確修正。為了解決湖山鈾礦γ測井釷影響的問題，擬采用γ能譜測井方法。傳統(tǒng)的γ能譜測井相對γ測井計(jì)數(shù)率較低，測井速度慢，放射性統(tǒng)計(jì)漲落誤差較大。目前，無論國內(nèi)還是國外，γ能譜測井在鈾礦領(lǐng)域還處于研究階段，且為定性測量，測井速度不超過0.033 m·s-1。為了提高探測效率，于是采用新型γ能譜測井方法。

1 新型γ能譜測井儀設(shè)計(jì)

新型γ 能譜測井儀（型號：UGSL-2）主要由井下系統(tǒng)和地面系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。從圖1 可以看出，井下系統(tǒng)主要包括探管和電纜，探管主要由進(jìn)口LaBr3（Ce）晶體和光電倍增管構(gòu)成的γ 探測器（38 S 76/1.5/LaBr）、數(shù)字γ 能譜測量電路、電源及通信電路等部分組成。地面系統(tǒng)主要包括絞車和絞車控制器以及便攜式計(jì)算機(jī)等部分。

圖1 γ能譜測井儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of the γ ray spectrum logging tool

井下系統(tǒng)和地面系統(tǒng)由電纜連接，便攜式計(jì)算機(jī)通過串行485數(shù)據(jù)通信控制γ能譜測量系統(tǒng)工作，并傳輸γ能譜數(shù)據(jù)到地面系統(tǒng)。

1.1 數(shù)字化測量系統(tǒng)

傳統(tǒng)的模擬γ能譜測量系統(tǒng)經(jīng)過了近40年的發(fā)展，逐步建立了模擬γ 信號處理的理論和方法：噪聲、濾波器、基線估計(jì)與恢復(fù)、信號堆積判棄、彈道虧損補(bǔ)償?shù)取５?，傳統(tǒng)模擬多道脈沖幅度分析技術(shù)存在著諸多不足，其測量系統(tǒng)一般采用脈沖放大、脈沖成形、峰值采樣保持、其他信號調(diào)理電路和CPU（Central Processing Unit）等組成。由于方法和材料的限制，進(jìn)行脈沖幅度測量時(shí)需要對脈沖進(jìn)行展寬處理，且測量死時(shí)間較大，導(dǎo)致脈沖通過率下降。如果進(jìn)行脈沖堆積判別還需要增加額外的電路，且基本上無法實(shí)現(xiàn)堆積脈沖的分離處理。為此，對γ 能譜測量系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)字化處理［3］。

針對湖山礦專門研制的數(shù)字化γ能譜測量系統(tǒng)由探測器、前置放大器電路、信號調(diào)理電路、高速ADC（Analog-to-Digital Converter）芯 片 和FPGA（Field Programmable Gate Array）、DSP（Digital Signal Processing）等組成，其流程如圖2所示。信號調(diào)理電路主要負(fù)責(zé)信號的放大和極性調(diào)整，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)對探測器輸出的核脈沖進(jìn)行高速采樣、數(shù)字基線恢復(fù)、數(shù)字濾波成形、堆積判棄、生成能譜曲線數(shù)據(jù)等。DSP 負(fù)責(zé)溫度測量、譜線修正、通訊處理等工作。

圖2 數(shù)字化γ能譜測量系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of digital γ ray spectrum measurement system

當(dāng)傳統(tǒng)的模擬γ能譜測量系統(tǒng)應(yīng)用于鈾礦測井時(shí)，由于電路中的電阻、電容、運(yùn)算放大器等模擬器件較多，容易受井下溫度變化影響，而發(fā)生譜線漂移，增加了后續(xù)解譜處理的難度。而采用高速ADC、FPGA、DSP 等關(guān)鍵部件的高速數(shù)字化γ 能譜測量系統(tǒng)，可將探測器輸出的射線脈沖信號經(jīng)過簡單的放大后，直接由高速ADC 對其進(jìn)行全脈沖采樣，得到完整的射線脈沖波形（非傳統(tǒng)峰值采樣），并借助于FPGA內(nèi)部的可編程數(shù)字化電路實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波成形等算法，實(shí)現(xiàn)峰值提取、堆積脈沖識別與分離、能譜曲線生成等功能，較復(fù)雜的算法等工作可通過DSP來完成。

數(shù)字化γ能譜測量系統(tǒng)中的DSP芯片主要負(fù)責(zé)井下探管能譜數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)通信等功能。同時(shí)為了監(jiān)測井下環(huán)境溫度，以便實(shí)現(xiàn)儀器的溫度特性補(bǔ)償，集成了溫度傳感器探頭，每秒鐘采樣一次溫度，隨能譜數(shù)據(jù)一起上傳到地面系統(tǒng)。

1.2 高性能探測器

無論在鈾礦勘查領(lǐng)域還是在石油和煤田勘查領(lǐng)域，一般采用NaI（TI）晶體探測器居多，只是在石油領(lǐng)域有使用鍺酸鉍（Bi2O3-GeO2系化合物的總稱，BGO）晶體探測器。

在鈾礦勘查中通常使用的核輻射探測器是NaI（TI）晶體，該晶體的特點(diǎn)是靈敏體積大、能量分辨率低、受溫度影響大、容易潮解。LaBr3（Ce）是一種稀土鹵化物閃爍晶體，具有發(fā)光效率高、發(fā)光衰減時(shí)間短、峰背比較大及能量分辨率高等優(yōu)點(diǎn)［4-5］（表1）。

表1 幾種閃爍體的性能參數(shù)對比Table 1 Comparison of performance parameters of several scintillators

為了解決湖山鈾礦γ 測井所存在的問題，湖山礦γ能譜測井儀采用?38 mm×76 mm高分辨率LaBr3（Ce）晶體，其能量分辨率較好，一般低于4%。

隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，能譜儀朝著多道化、智能化、小型化的方向發(fā)展，但對探測效率的探索和研究相對較少。

為了解決傳統(tǒng)γ 能譜測井存在的問題，針對湖山礦專門研制了數(shù)字化γ 能譜測量系統(tǒng)，其中探測器采用了高分辨率LaBr3（Ce）晶體［6］。結(jié)果大大提高了γ 能譜測井的計(jì)數(shù)率以及測井速度，保證了湖山礦石鈾品位測量的準(zhǔn)確性和快速性。

1.3 測量譜段的優(yōu)化

γ 能譜測井主要測量鈾系鐳組子體214Bi 放出的能量為1.76 MeV 的γ 射線、釷系子體208TI 放出的能量為2.62 MeV 的γ 射線、同位素40K 放出的能量為1.46 MeV 的γ 射線，即通常所說的鈾道、釷道和鉀道。

將γ射線能譜定位在釷、鈾、鉀元素的特征譜峰附近，通過特征譜峰的計(jì)數(shù)率計(jì)算釷、鈾、鉀元素的含量［7］。一般選擇特征譜峰如圖3所示。

圖3 特征譜峰示意圖Fig.3 Diagram of characteristic peaks of γ ray spectrum

釷道能量特征峰：2.62 MeV，道寬0.3 MeV；鈾道能量特征峰：1.76 MeV，道寬0.2 MeV；鉀道能量特征峰：1.46 MeV，道寬0.2 MeV。

傳統(tǒng)的γ能譜測井方法相對γ測井而言，在相同測速條件下，各個(gè)能道的計(jì)數(shù)率明顯偏低，這必然會導(dǎo)致測量精度降低，要保證測量精度就必須降低測井速度，而這在實(shí)際生產(chǎn)過程中往往是不可接受的。

基于交叉譜段法，可以大幅度提高釷、鈾、鉀放射性核素的計(jì)數(shù)率，從而可以提高放射性核素含量解釋精度以及測井速度。基于γ能譜的分辨率隨著能量的增加而提高［8］，因此選擇能量為0.4 MeV以上的γ射線譜。各核素譜段能區(qū)選擇范圍如圖4所示。

圖4 交叉譜段法示意圖Fig.4 Diagram of cross-range method of γ ray spectrum

釷譜段的能量范圍：0.4~2.8 MeV；鈾譜段的能量范圍：0.4~1.9 MeV；鉀譜段的能量范圍：0.4~1.6 MeV。

1.4 譜線的分離解釋

由于地質(zhì)情況的復(fù)雜性，實(shí)際上鈾、釷和鉀礦層有可能不具有共同的邊界，因此，為了準(zhǔn)確劃分鈾、釷、鉀礦層邊界，有必要對γ能譜測井曲線采取新的解釋方法，即分離解釋法。

分離解釋是將能譜儀測得的某一道的異常曲線分離成分別由釷、鈾和鉀礦層產(chǎn)生的三條異常曲線，然后對分離后的三條曲線分別用分層解釋法求出釷、鈾及鉀礦層的邊界和含量。

分層解釋是將礦段劃分為數(shù)個(gè)厚度為0.1 m 的單元層，并解釋出礦段內(nèi)每個(gè)單元層的放射性元素含量。對鉆孔中的放射性礦層進(jìn)行定量解釋時(shí)，首先求得任一測點(diǎn)的飽和計(jì)數(shù)率，求取飽和計(jì)數(shù)率利用五點(diǎn)式反褶積法計(jì)算公式：

式中：Qi（Zj）表示第i個(gè)譜段（i=Th，U，K 譜段）、第j個(gè)測點(diǎn)（j=1，2，3，…，n）的飽和計(jì)數(shù)率，s-1；ΔZ表示測點(diǎn)間距，cm；αi為第i個(gè)譜段的特征參數(shù)，cm-1。

在求得飽和計(jì)數(shù)率之后，按下列方程組計(jì)算任一單元層的放射性元素含量。

式中：Qk（Zj）為第k種放射性元素在鉆孔深度Zj處所產(chǎn)生的飽和計(jì)數(shù)率；qk（Zj）為鉆孔深度Zj處的單元層內(nèi)第k種放射性元素的含量為換算系數(shù)為剝離系數(shù)（i≠k），均可通過標(biāo)準(zhǔn)模型求取，且k表示第k種元素（分別為Th，U，K元素），i表示第i種譜段（分別為Th，U，K譜段）。

因此，采用分離射線譜技術(shù)（即剝譜技術(shù)）以及配套測井解釋軟件，可以實(shí)現(xiàn)爆破孔礦層釷、鈾、鉀的定量解釋［9］。

2 儀器的測試結(jié)果

2.1 儀器三性測試

2.1.1準(zhǔn)確性

新研制的儀器首先在國內(nèi)石家莊核工業(yè)放射性勘查計(jì)量院進(jìn)行了標(biāo)定，并在標(biāo)準(zhǔn)鈾模型中進(jìn)行了鈾的準(zhǔn)確性測試，其相對誤差均在±5%以內(nèi)，可見儀器的準(zhǔn)確性合格（表2）［10］。

表2 標(biāo)準(zhǔn)模型中的準(zhǔn)確性測試Table 2 Accuracy tests in the standard calibration pit

2.1.2穩(wěn)定性

短期穩(wěn)定性測試：在湖山礦儀器維修室旁邊用非飽和工作模型進(jìn)行連續(xù)8 h 穩(wěn)定性測試，每間隔1 h取一組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)不少于30個(gè)，以第一組的平均值為基準(zhǔn)計(jì)算后面數(shù)據(jù)組的偏差，相對偏差在±2%之內(nèi)，符合規(guī)范要求（不大于±5），表明測井儀短期穩(wěn)定性可靠（表3）［10］。

表3 短期穩(wěn)定性檢查表Table 3 Short-term stability checklist

長期穩(wěn)定性檢查：儀器在每個(gè)測試日的測試開始前和測試結(jié)束后分別在CH04控制孔中進(jìn)行長期穩(wěn)定性檢查，從2019年8月22日到11月4日檢查時(shí)間持續(xù)2.5個(gè)月，其間實(shí)際共測試17天，相對偏差均在±5%以內(nèi)，符合規(guī)范要求（不大于±5%），說明儀器長期穩(wěn)定性較好（圖5）［10-11］。

圖5 長期穩(wěn)定性檢查結(jié)果圖Fig.5 Graph of long-term stability inspection results

2.1.3重復(fù)性

爆破孔重復(fù)測試鈾含量相對偏差均在±5%以內(nèi)，符合規(guī)范要求（鈾含量為0.01%~0.03%時(shí)要求相對偏差不超過±10%，鈾含量大于0.03%時(shí)要求相對偏差不超過±5%）（表4）［10］。

表4 爆破孔重復(fù)測井結(jié)果與基本測井結(jié)果對比Table 4 Comparison of repeated logging results of blast holes with basic logging results

2.2 能量分辨率

儀器測量的γ 射線能量范圍為40 keV~3 MeV，將137Cs 源置于探測晶體的端面，使用窄梯形脈沖成形，測得的能量分辨率為4.48%@662 keV［12］。

2.3 測井速度

在湖山礦CH20 控制孔中分別進(jìn)行了測井速度為0.033 m·s-1、0.067 m·s-1、0.100 m·s-1和0.133 m·s-1的γ 能譜測井，其測量結(jié)果相對該控制孔取樣分析結(jié)果的相對偏差多數(shù)在±5%以內(nèi)，且提高測井速度并不沒有影響測井結(jié)果，可見，UGSL-2 型γ 能譜測井儀的測井速度可以達(dá)到通常γ 測井儀0.067 m·s-1的速度（表5）［10，12］。

表5 不同測井速度條件下CH20控制孔礦段γ能譜測井結(jié)果與取樣分析結(jié)果對比Table 5 Comparison of gamma ray spectrum logging results and sampling analysis results in the CH20 controlled hole-mining section under different logging speeds

在石家莊核工業(yè)放射性勘查計(jì)量院標(biāo)準(zhǔn)鈾模型上分別進(jìn)行了0.033 m·s-1、0.067 m·s-1和0.100 m·s-1不同速度的測量，相應(yīng)不同速度在模型含礦段1.3~2.5 m 鈾含量解釋結(jié)果分別為0.082 2%、0.087 2%、0.083 2%，它們與模型值0.090 4%的相對偏差分別為-9.07%、-3.54%、-9.76%，均在±10%范圍內(nèi)，其中速度為0.067 m·s-1時(shí)，相對偏差為-3.54%，因此，該γ能譜儀的測井速度可以提升到0.067 m·s-1，能夠滿足生產(chǎn)要求（圖6）［10，12］。

圖6 在不同測井速度條件下標(biāo)準(zhǔn)模型γ能譜測井結(jié)果對比Fig.6 Comparison of γ ray spectrum logging results of the calibration pit under different logging speeds

2.4 儀器量程范圍

2.4.1儀器線性分析

以線性擬合的方式判斷線性區(qū)，將計(jì)數(shù)率進(jìn)行死時(shí)間修正，最終確定R2=0.999 1 的線性區(qū)，此處γ總計(jì)數(shù)率約為110 000 s-1（對應(yīng)鈾含量為1.1%eU），Th、U、K能區(qū)均采用該能段作為線性區(qū)。

在進(jìn)行鈾含量解釋時(shí)，當(dāng)計(jì)數(shù)率小于100 000 s-1（鈾含量小于1%eU）時(shí)，探測器工作在線性區(qū)，無需進(jìn)行計(jì)數(shù)率修正；當(dāng)計(jì)數(shù)率為100 000~170 000 s-1（鈾含量為1%~2%eU）時(shí)，可以進(jìn)行線性修正（可以選擇死時(shí)間修正）；當(dāng)計(jì)數(shù)率大于170 000 s-1（鈾含量大于2%eU）時(shí)，此時(shí)探測器出現(xiàn)計(jì)數(shù)率飽和現(xiàn)象，需要進(jìn)行非線性修正，經(jīng)非線性修正后測量鈾含量可達(dá)到5%（圖7）［13］。

圖7 γ能譜測井實(shí)測計(jì)數(shù)率與理論計(jì)數(shù)率關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between measured count rate and theoretical count rate of γ ray spectrum logging

2.4.2測量范圍

國內(nèi)通常使用的自然γ 能譜測井儀的最大量程：釷為0.070 0%，鈾為0.025 0%，鉀為100%［14］。

在湖山礦爆破孔2B28D008E04 測試中遇到高品位鈾礦化，雖然儀器計(jì)數(shù)率較高，但能譜曲線分辨率仍然很好，儀器未出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，解釋的鈾含量為3.0%，證明UGSL-2型γ能譜測井儀量程上限至少可以達(dá)到3.0%（圖8）［15］，基本上可以覆蓋湖山礦礦石品位分布范圍。

圖8 爆破孔2B28D008E04 γ能譜測井解釋的釷、鈾、鉀含量曲線Fig.8 Content curves of thorium,uranium and potassium in the blast hole 2B28D008E04 interpreted by γ ray spectrum logging

此外，從表2可以看出，UGSL-2型γ能譜測井儀在中國核工業(yè)放射性勘查計(jì)量院標(biāo)準(zhǔn)鈾模型UF-50中測量的鈾含量為5.027 0%，說明儀器的量程可以達(dá)到5.0%，完全能夠滿足湖山礦生產(chǎn)需求。

3 結(jié)語

針對湖山礦設(shè)計(jì)并研制了數(shù)字化新型γ能譜測井儀，采用了高分辨率LaBr3（Ce）閃爍晶體探測器以及交叉譜段法和分離射線譜技術(shù)，通過在國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)模型站及納米比亞湖山礦現(xiàn)場測試，儀器的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和重復(fù)性測試結(jié)果符合相應(yīng)γ能譜測井規(guī)范要求。相對傳統(tǒng)γ能譜測井方法由定性測量上升到了定量測量的水平，極大地提高了儀器量程范圍及測井速度，達(dá)到了現(xiàn)行鈾礦γ測井規(guī)范的要求（即鈾含量測量上限可達(dá)5.0% eU，測井速度可達(dá)0.067 m·s-1）［16］，完全可以滿足湖山礦生產(chǎn)需求。該新型γ能譜測井儀在湖山鈾礦所取得的測試成果為其后續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)，此外，所取得的研究成果和經(jīng)驗(yàn)也很值得鈾礦勘查領(lǐng)域的儀器研發(fā)人員參考和借鑒。

致謝感謝東華理工大學(xué)湯彬教授團(tuán)隊(duì)在湖山礦γ能譜儀研制過程中所給予的大力支持。

作者貢獻(xiàn)聲明郝金龍：負(fù)責(zé)儀器研制具體執(zhí)行，文章起草及最終版本的修訂（放射性子課題負(fù)責(zé)人）；董文明：負(fù)責(zé)儀器研制的策劃和協(xié)調(diào)（項(xiàng)目總負(fù)責(zé)）；陳寧：負(fù)責(zé)γ 能譜測井?dāng)?shù)據(jù)處理及結(jié)果驗(yàn)證；鄧洪澤：負(fù)責(zé)γ能譜測井儀器測試。