感應(yīng)測井技術(shù)在哈薩克斯坦鈾礦山地浸采鈾中的應(yīng)用

郝金龍，鄧洪澤，陳寧

（中廣核鈾業(yè)發(fā)展有限公司，北京 100029）

1948 年Doll H.G.為了在石油測井中解決淡水泥漿和油基泥漿井的地層電阻率測量問題，提出了感應(yīng)測井理論，1949 年為描述地層各部分對測量信號的貢獻(xiàn)，他又提出了幾何因子理論［1］。20 世紀(jì)50 年代初誕生了感應(yīng)測井儀［2］。1962 年在普通感應(yīng)測井技術(shù)的基礎(chǔ)上研制出了雙感應(yīng)測井儀器。此后感應(yīng)測井成為重要的電測井方法［3］。

隨著石油工業(yè)的迅速發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，感應(yīng)測井發(fā)展進(jìn)入了陣列感應(yīng)時代，1990 年斯倫貝謝公司研制出陣列感應(yīng)測井儀器（AIT），之后阿特拉斯（Atlas）公司和哈里伯頓（Halliburton）公司又相繼推出了高分辨率陣列感應(yīng)測井儀器［3］。

國內(nèi)20 世紀(jì)90 年代中期，勝利油田測井公司參考哈里伯頓公司的高分辨率感應(yīng)測井儀器（HRI），率先研制高分辨率感應(yīng)測井儀器，并于2002 年投入商用。2008 年中國石油測井有限公司（CPL）成功研制出陣列感應(yīng)成像測井儀器（MIT），類似于西方的陣列感應(yīng)測井儀器，使中國測井進(jìn)入感應(yīng)成像新時代，該方法在國內(nèi)外油田領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛［3-4］。

20 世紀(jì)70 年代末，感應(yīng)測井逐漸應(yīng)用于地浸鈾礦勘探和開發(fā)過程中，因?yàn)樵诤芏嗲闆r下通過電測井的傳統(tǒng)視電阻方法對鉆孔剖面進(jìn)行巖性-巖層劃分是比較困難的，特別在低電阻率巖層、鉆探液滲透帶直徑較大、巖層厚度較薄、干孔以及鉆孔安裝有絕緣套管等情況下所獲得的結(jié)果不太可靠。恰恰這種情況推動了感應(yīng)測井在鈾礦領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，并在層間滲入型鈾礦床的工業(yè)開采中找到了用武之地［5］。

感應(yīng)測井于1978 年首次用于哈薩克斯坦蒙庫克杜克（Мынкудук）礦床東段（ПВ-19）地浸采鈾工藝，當(dāng)時該礦床正處于現(xiàn)場地浸試驗(yàn)階段。通過與視電阻率標(biāo)準(zhǔn)測井結(jié)果以及巖心對比，證實(shí)了感應(yīng)測井解釋結(jié)果具有較高的可靠性和真實(shí)性［5］。

在獨(dú)聯(lián)體國家，感應(yīng)測井是一種快速測量鈾礦地浸工藝參數(shù)的有效手段，并確立了其在綜合測井中的重要地位，而在國內(nèi)未見相關(guān)報道，因此，值得借鑒推廣。

1 感應(yīng)測井的基本原理

感應(yīng)測井是基于電磁感應(yīng)原理的一種重要電阻率測井方法，其原理可用最簡單的雙線圈系感應(yīng)測井儀來說明，其探管的主要組成部分為發(fā)射線圈和接收線圈即所謂的雙線圈系，兩線圈位于同一軸心且彼此相隔一定距離（L），該距離遠(yuǎn)大于線圈的尺寸（圖1）。

圖1 感應(yīng)測井原理示意圖（據(jù)參考文獻(xiàn)［5］）Fig.1 Schematic diagram of induction logging method（after reference［5］）

感應(yīng)測井是測量鉆孔所揭穿巖石的電導(dǎo)率，此方法不需要電極只是借助于感應(yīng)電流。該測井方法所獲得的信息以及相應(yīng)的地質(zhì)效果主要取決于鉆孔剖面巖石的電導(dǎo)率差異程度。

通過發(fā)射線圈可以產(chǎn)生穩(wěn)定的超聲頻率為100～200 kHz 的交變電流。發(fā)射線圈的交變磁場在周圍巖石中感應(yīng)渦流，渦流又產(chǎn)生二次磁場，該磁場在測量線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，在空氣中感應(yīng)電動勢比發(fā)射線圈中的電流相位超前π/2 的角度，并被稱為直流場電動勢，此電動勢是有用信號，將其傳輸?shù)降乇聿⑦M(jìn)行記錄［6-7］。

Doll H.G.在分析雙線圈系的特性時發(fā)現(xiàn)測量結(jié)果受鉆探泥漿和圍巖影響較大，于是提出了一種利用輔助線圈形成聚焦場來改善雙線圈系特性的方法，因此，自20 世紀(jì)50 年代末，開始使用多線圈系，其中除了兩個主要線圈外，還包括一些輔助線圈（亦稱聚焦線圈）［5］。

現(xiàn)代感應(yīng)測井儀器一般為多線圈系，最簡單的多線圈系是三線圈系。在鉆孔地浸采鈾中通常所用的感應(yīng)測井儀就是三線圈系，包括兩個主線圈和一個聚焦線圈［8］。

聚焦感應(yīng)線圈系的核心在于向兩個主線圈附加引入另外的發(fā)射和接收線圈，也稱為聚焦線圈。位于主線圈之間的聚焦線圈可以使探測深度增加，而置于主線圈外側(cè)的聚焦線圈可以使圍巖的影響減小。因此，這樣配置能夠增大徑向探測深度和提高垂向分辨率［9］。

當(dāng)導(dǎo)電性較小時，有效信號實(shí)際上與介質(zhì)的導(dǎo)電性成正比，當(dāng)導(dǎo)電性較大時，有效信號比介質(zhì)的導(dǎo)電性增加得慢，該現(xiàn)象與渦流的相互作用有關(guān)，通常稱為趨膚效應(yīng)。

感應(yīng)測井?dāng)?shù)據(jù)解釋時必須進(jìn)行以下影響因素校正［10］：

1）趨膚效應(yīng)；

2）鉆孔填充液的導(dǎo)電率；

3）導(dǎo)電沖洗帶；

4）有限厚層與圍巖的電導(dǎo)率；

5）鉆孔套管安裝的金屬部件。

其中趨膚效應(yīng)校正是最重要的修正，如果不校正，則會導(dǎo)致感應(yīng)測井?dāng)?shù)據(jù)及其解釋結(jié)果產(chǎn)生較大的失真［11-12］。

不同線圈系視電導(dǎo)率與視電阻率之間的關(guān)系可以表示為σa=f（ρa(bǔ)）。即在低電導(dǎo)率情況下視電導(dǎo)率σa等于巖石真電導(dǎo)率值（σg），即σa=σg=1/ρg，在高電導(dǎo)率情況下，不同線圈系獲得的視電導(dǎo)率σa與真電導(dǎo)率值σg有偏差（圖2）。

圖2 感應(yīng)測井的巖石電導(dǎo)率σa與其電阻率ρa(bǔ)的關(guān)系曲線（據(jù)參考文獻(xiàn)［5］修改）Fig.2 Relationship between rock conductivity σa and resistivity ρa(bǔ) of induction logging（modified after reference［5］）

電導(dǎo)率的單位是西門子每米（Sm·m-1）——?dú)W姆米（Ω·m）的倒數(shù)，在實(shí)踐中常用千分制單位：毫西門子每米（mSm·m-1）。多線圈系用符號（比如：4F 0.75）表示：前面的數(shù)字表示線圈數(shù)量，F(xiàn) 表示聚焦線圈，后面的數(shù)字表示主線圈距（單位：m）。

2 感應(yīng)測井的特征優(yōu)勢

2.1 對低電阻率巖層靈敏

感應(yīng)測井是基于電磁感應(yīng)原理測量地層介質(zhì)電導(dǎo)率的一種方法，通常電導(dǎo)率（即電阻率的倒數(shù)）高的巖層對測量結(jié)果貢獻(xiàn)大，亦即感應(yīng)測井對低電阻率巖層反應(yīng)靈敏［13-14］。

感應(yīng)測井時電阻率測量范圍一般會受到限制，在介質(zhì)電阻率較小情況下明顯受渦旋電流作用——趨膚效應(yīng)的影響，在電阻率較大情況下信號較弱并且在不同場背景下是不同的。

有利于感應(yīng)測井的條件是低電阻率（低于50 Ω·m）巖層以及中等或弱礦化度的鉆井液。感應(yīng)測井對較低電阻率巖層（低于10 Ω·m）的測量結(jié)果能夠達(dá)到較高精度，當(dāng)其超過200 Ω·m時，該方法對巖層電阻率的變化不敏感。

從感應(yīng)測井曲線可以看出，不同電導(dǎo)率巖層的曲線響應(yīng)不同，該曲線類似于視電阻率曲線的“反轉(zhuǎn)”并與視電阻率曲線組成近似的鏡像對稱曲線，總的來說其特點(diǎn)類似于自然電位曲線（圖3）。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)電測井（ρa(bǔ)，SP）曲線與感應(yīng)測井（IL）曲線對比（據(jù)參考文獻(xiàn)［5］修改）Fig.3 Comparison of standard electrical logging（ρa(bǔ)，SP）curve and induction logging（IL）curve（modified after reference［5］）

對應(yīng)于低電阻率巖層，感應(yīng)測井曲線和視電阻率曲線差異較大。在低電阻率區(qū)，感應(yīng)測井曲線幅度拉得比較高，而在高電阻率區(qū)，與通常的電阻率曲線比較該曲線卻受到了抑制。因此，感應(yīng)測井曲線能夠很好地區(qū)分低電阻率巖層。

2.2 工藝液pH 值、SO42-濃度及總礦化度與電導(dǎo)率的關(guān)系

在采用硫酸法地浸時，含硫酸溶浸液注入地下含礦層中，逐漸在巖礦石孔隙中擴(kuò)散，并與巖礦石固體礦物骨架發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使巖石的電導(dǎo)率發(fā)生變化，巖石的電導(dǎo)率主要取決于溶液的電性，即巖石孔隙中所充填溶液的電導(dǎo)率，這種關(guān)系可表示為：

式中，σg—巖石的電導(dǎo)率，Sm·m-1；σs—孔隙中溶液的電導(dǎo)率，Sm·m-1；Rr—相對電阻，無量綱。通常取決于溶液和固體礦物骨架的性質(zhì)，以及巖石組成系統(tǒng)中各種介質(zhì)的相互關(guān)系和相互作用。

如果每種類型巖石的參數(shù)Rr已知，那么只要根據(jù)感應(yīng)測井確定了巖石的電導(dǎo)率σg，就可以根據(jù)公式（1）很容易地計算出溶液的電導(dǎo)率σs值，再根據(jù)電導(dǎo)率σs值可確定溶液的pH 值、SO42-濃度以及總礦化M，這些都是表征工藝液性能的主要指標(biāo)。

根據(jù)感應(yīng)測井?dāng)?shù)據(jù)確定pH值、SO42-濃度以及總礦化M 是基于它們與工藝液電導(dǎo)率（σs）之間的相關(guān)性，并可繪制σs=f（pH），σs=f（SO42-），σs=f（M）相關(guān)曲線，必須對所取工藝液樣品測量其σs值并據(jù)此來確定工藝液性能。此外，根據(jù)巖石和孔隙液的電導(dǎo)率測量結(jié)果，可以利用公式（1）確定不同巖層的相對電阻。如果圖形上的點(diǎn)陣均勻覆蓋所求參數(shù)的整個范圍并且不少于150～200個樣，則認(rèn)為所構(gòu)建的關(guān)系曲線是可靠的［5］。

工藝液pH 值與參數(shù)σsa的相關(guān)性解析式可以表示為：

式中，pH—酸化后工藝液的pH 值；pH0—溶浸液的pH 值；σ0s—天然條件下層間水的電導(dǎo)率，即酸化前孔隙液的電導(dǎo)率，Sm·m-1；σas—酸化后層間水的電導(dǎo)率，即酸化后孔隙液的電導(dǎo)率，Sm·m-1。

工藝液SO42-濃度與參數(shù)σsa的相關(guān)性可用以下公式表示：

式中，C—工藝液SO42-濃度，g/L；a1、b1、k1—回歸方程系數(shù)；σ0s—天然條件下層間水的電導(dǎo)率，即酸化前孔隙液的電導(dǎo)率，Sm·m-1；σas—酸化后層間水的電導(dǎo)率，即酸化后孔隙液的電導(dǎo)率，Sm·m-1。

工藝液總礦化度M與參數(shù)σsa的相關(guān)性可用以下公式表示：

式中，M—工藝液的總礦化度值，g/L；a2、b2、k2—回歸方程系數(shù)；σ0s—天然條件下層間水的電導(dǎo)率，即酸化前孔隙液的電導(dǎo)率，Sm·m-1；σas—酸化后層間水的電導(dǎo)率，即酸化后孔隙液的電導(dǎo)率，Sm·m-1。

3 應(yīng)用效果

在礦山地浸開采準(zhǔn)備工作過程中，利用感應(yīng)測井曲線可以檢測工藝孔過濾器位置，識別溶浸液在含礦層中的酸化范圍。在開采運(yùn)營過程中，運(yùn)用感應(yīng)測井?dāng)?shù)據(jù)可以定量計算工藝溶液酸度指標(biāo)。

3.1 識別溶浸液酸化范圍

以哈薩克斯坦謝米茲拜伊地浸鈾礦工藝孔ZK52-20-3 為例，所采用的感應(yīng)測井儀為ПИК-50 型儀器。在地浸開拓階段該工藝孔的第一次（酸化前）感應(yīng)測井曲線IL1形態(tài)及幅度變化主要是鉆孔巖層剖面電導(dǎo)率的響應(yīng)，一般來說感應(yīng)測井曲線低幅值是砂質(zhì)巖類的響應(yīng)，高幅值是泥質(zhì)巖類的響應(yīng)，酸化前感應(yīng)測井曲線形態(tài)與視電阻率測井曲線形態(tài)呈對稱狀分布，結(jié)合視電阻率測井曲線可以解釋鉆孔剖面巖性，大致劃分滲透巖層和非滲透巖層。

該工藝孔經(jīng)過一年地浸開采后，第二次（酸化后）感應(yīng)測井曲線IL2含礦巖層所對應(yīng)的電導(dǎo)率幅度顯著增高，這是含礦層被酸化的結(jié)果，其實(shí)，曲線IL2是含礦巖層酸化后孔隙液電導(dǎo)率的反映，因此，通過對比含礦層酸化前和酸化后感應(yīng)測井曲線形態(tài)的變化可以在垂向上有效地確定巖礦層酸化范圍（圖4）［15］。

此外，通過對地浸開采區(qū)塊上大量工藝孔感應(yīng)測井曲線的分析研究，可以在水平方向上判別溶浸液酸化分布范圍。

3.2 檢測過濾器安裝位置

在地浸礦山開采準(zhǔn)備工作階段，工藝鉆孔在成井后未酸化前進(jìn)行第一次感應(yīng)測井，其曲線IL1下端出現(xiàn)一高幅狹窄的峰值，這是金屬部件的響應(yīng)，因?yàn)樵谶^濾器下端安裝有托盤，而托盤是用金屬箍圈固定的。因此，利用感應(yīng)測井可以準(zhǔn)確定位過濾器的實(shí)際安裝位置。

經(jīng)過一年地浸開采運(yùn)營之后，又進(jìn)行了第二次感應(yīng)測井，第二次感應(yīng)測井曲線IL2并沒有出現(xiàn)高幅窄峰，這說明固定托盤的金屬箍圈已經(jīng)完全被硫酸溶液溶蝕掉了。

3.3 定量確定地浸工藝參數(shù)

依據(jù)工藝液指標(biāo)pH、SO42-和總礦化度M與工藝液電導(dǎo)率（σs）之間的相關(guān)性，分別繪制σs=f（pH），σs=f（SO42-），σs=f（M）曲線，回歸方程系數(shù)ai、bi、ci、ki（i=1 表示用于計算SO42-濃度，i=2 表示用于計算總礦化度M）取哈薩克斯坦楚-薩雷蘇鈾成礦省礦床系數(shù)分布范圍的中值（表1）［5］。

表1 楚-薩雷蘇鈾成礦省鈾礦床工藝液酸度和礦化度的回歸方程系數(shù)及其他相關(guān)參數(shù)［5］Table 1 Regression equation coefficients and other relevant parameters for the acidity and salinity of the process fluid from some uranium deposits in Chu-Sarysu uranium metallogenic province

不同的層間滲入型鈾礦，回歸方程系數(shù)是不同的，同一鈾成礦省內(nèi)的礦床其值相差不大，而不同鈾成礦省內(nèi)的礦床可能相差較大。

依據(jù)公式（2）繪制的工藝液pH 值與電導(dǎo)率σsa的相關(guān)曲線如圖5 所示，pH 值與電導(dǎo)率呈非線性負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖5）。

圖5 楚-薩雷蘇鈾成礦省鈾礦工藝液pH 值與其電導(dǎo)率σs關(guān)系曲線（據(jù)參考文獻(xiàn)［5］修改）Fig.5 Relationship between pH value of process solution and its conductivity σs from some uranium mines in the Chu-Sarysu uranium metallogenic province（modified after reference［5］）

根據(jù)楚-薩雷蘇鈾成礦省礦床的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)pH≥2 時，其均方差為13%～25%；當(dāng)pH＜2 時，其均方差為6%～13%。

依據(jù)公式（3）繪制的工藝液SO42-濃度與電導(dǎo)率σsa的相關(guān)曲線如圖6 所示，SO42-濃度與電導(dǎo)率呈非線性正相關(guān)關(guān)系（圖6）。

圖6 楚-薩雷蘇鈾成礦省鈾礦工藝液SO42-濃度與其電導(dǎo)率σs關(guān)系曲線（據(jù)參考文獻(xiàn)［5］修改）Fig.6 The relationship between the concentration of SO42- in the process solution and its conductivity σs from some uranium mines in the Chu-Sarysu uranium metallogenic province（modified after reference［5］）

依據(jù)公式（4）繪制的工藝液總礦化度M與電導(dǎo)率σsa的相關(guān)曲線如圖7 所示，總礦化度M與電導(dǎo)率呈非線性正相關(guān)關(guān)系（圖7）。

圖7 楚-薩雷蘇鈾成礦省鈾礦工藝液總礦化度M 與其電導(dǎo)率σs關(guān)系曲線（據(jù)參考文獻(xiàn)［5］修改）Fig.7 The relationship between the total salinity M of the process fluid and its electrical conductivity σs from some uranium mines in the Chu-Sarysu uranium metallogenic province（modified after reference［5］）

根據(jù)楚-薩雷蘇鈾成礦省礦床的經(jīng)驗(yàn)，對于工藝液SO42-濃度，其均方差不超過15%～45%。對于工藝液總礦化度M，其均方差為15%～35%。

4 結(jié)論

1）酸化前感應(yīng)測井曲線可以有效識別鉆孔剖面上的低阻巖層。

2）酸化后感應(yīng)測井曲線能夠識別鉆孔剖面上酸化分布范圍，并初步確定其在鉆孔地浸過程中的酸化情況。

3）利用感應(yīng)測井對低阻層靈敏并且其測井曲線幅度拉得比較高的特點(diǎn)，可以準(zhǔn)確定位鉆孔地浸采鈾工藝鉆孔中所安裝過濾器位置，有利于指導(dǎo)工藝孔的合理安裝。

4）通過建立工藝液酸度和礦化度指標(biāo)與測井電導(dǎo)率之間的回歸方程，可以定量解釋工藝溶液的pH 值、SO42-濃度以及總礦化度M，有助于開采現(xiàn)場快速了解工藝液的酸化程度以及礦化度指標(biāo)。