小口徑高溫伽馬能譜測(cè)井儀關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

馮延強(qiáng)，焦倉(cāng)文，邵帥，吳仙明，布和

（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）

目前，我國(guó)鈾礦科學(xué)深鉆的深度已突破3 000 m［1］，但可用于地層鈾、釷含量定量探測(cè)的井下伽馬能譜測(cè)井裝備僅可達(dá)到1 500 m［2-4］，難以滿(mǎn)足鈾礦科學(xué)深鉆的測(cè)井需求。因此，研究解決伽馬能譜測(cè)井裝備的耐高溫、高壓技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)小口徑高溫伽馬能譜定量探測(cè)技術(shù)裝備具有重要意義。

結(jié)合我國(guó)鈾礦伽馬能譜測(cè)井技術(shù)現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)小口徑條件下耐高溫技術(shù)裝備，存在以下問(wèn)題需要解決：

1）深孔井液高溫環(huán)境對(duì)于能譜探測(cè)器、探管內(nèi)部電路電子元器件的影響［5-6］，是需要解決的首要問(wèn)題；

2）深孔測(cè)井中，井下探管需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)供電工作，電路電子器件、處理器等的熱功耗如何擴(kuò)散［7］，是需要解決的另一關(guān)鍵問(wèn)題；

3）在解決井下耐溫承壓?jiǎn)栴}后，如何實(shí)現(xiàn)高溫環(huán)境條件下的伽馬能譜準(zhǔn)確定量探測(cè)［8-9］，需要探測(cè)器硬件、譜數(shù)據(jù)處理以及定量解釋修正參數(shù)等方面開(kāi)展相關(guān)研究工作。

1 研究思路

針對(duì)上文提及的待解決問(wèn)題，筆者從高溫伽馬能譜探測(cè)技術(shù)、深井探管耐溫以及承壓幾方面開(kāi)展了研究，其總體研究思路如圖1 所示。高溫伽馬探測(cè)技術(shù)通過(guò)新型探測(cè)器數(shù)字化核脈沖信號(hào)獲取、高含量核脈沖信號(hào)處理、井下低功耗電源供電以及高溫穩(wěn)譜、迭代解譜等技術(shù)研究，解決了井下高溫、高壓環(huán)境下鈾高含量定量探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題；小口徑探管耐高溫技術(shù)通過(guò)研究真空隔熱技術(shù)和相變吸熱技術(shù)，實(shí)現(xiàn)外部熱隔離和內(nèi)部熱吸收的效果，解決深孔井液高溫對(duì)探管內(nèi)部電子器件、探測(cè)器的影響以及探管內(nèi)部深孔長(zhǎng)時(shí)間工作的熱功耗升溫問(wèn)題；深井探管承壓?jiǎn)栴}通過(guò)選用高溫形變系數(shù)較小的材料、一體化承壓結(jié)構(gòu)工藝等研究實(shí)現(xiàn)。

圖1 總體研究技術(shù)路線(xiàn)圖Fig.1 Technical roadmap of overall project research

2 高溫伽馬能譜探測(cè)技術(shù)研究

2.1 新型探測(cè)器及數(shù)字化核脈沖信號(hào)獲取技術(shù)研究

本次研究的新型高分辨率CeBr3晶體探測(cè)器，其光輸出衰減時(shí)間僅約為17 ns，662 keV能量分辨能力約4.0 %［10-11］，有利于高強(qiáng)度輻照環(huán)境下的γ 射線(xiàn)探測(cè)應(yīng)用，能有效提高了井下地層鈾礦體較高輻照強(qiáng)度下探測(cè)精度；設(shè)計(jì)了基于FPGA 的數(shù)字化核脈沖信號(hào)多道采集系統(tǒng)，數(shù)字化濾波、成形、峰值保持及峰值提取技術(shù)，技術(shù)原理見(jiàn)圖2 所示，可獲取40～3 000 keV 全譜數(shù)據(jù)，相較傳統(tǒng)能窗式譜數(shù)據(jù)有效提高了伽馬能譜測(cè)井結(jié)果準(zhǔn)確性。

圖2 數(shù)字化核脈沖信號(hào)多道采集系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of multi-channel acquisition system of digital nuclear pulse signal

2.2 高數(shù)據(jù)吞吐率核脈沖信號(hào)處理技術(shù)研究

針對(duì)深孔高溫井液對(duì)伽馬能譜探測(cè)的影響以及井下γ 探測(cè)器接收來(lái)自周?chē)V體的高照射劑量的空間輻照特點(diǎn)，且不同含量礦體的強(qiáng)度差異變化較大，相對(duì)γ 射線(xiàn)強(qiáng)度較高，研究了基于數(shù)字化高吞吐率的核脈沖信號(hào)處理技術(shù)，該技術(shù)采用快/慢雙通道成形算法，有效降低了系統(tǒng)死時(shí)間影響，能夠滿(mǎn)足井下地層鈾礦體1.0%鈾含量時(shí)的γ能譜探測(cè)需要。實(shí)現(xiàn)的硬件系統(tǒng)原理及實(shí)物如圖3 所示，在不同鈾含量飽和模型實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖4 所示，較傳統(tǒng)多道采集在不同鈾含量的線(xiàn)性響應(yīng)關(guān)系得到明顯提高。

圖3 數(shù)字化核脈沖信號(hào)處理技術(shù)原理框圖Fig.3 Principle diagram of signal processing technology of digital nuclear pulse

圖4 研發(fā)硬件系統(tǒng)與傳統(tǒng)多道在不同鈾含量飽和模型實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比曲線(xiàn)Fig.4 Comparison curve between the measured results of the developed hardware system and the traditional multi-channel system under different uranium saturation models

2.3 井下低功耗電源設(shè)計(jì)

針對(duì)探管內(nèi)部有限空間，模塊化直流穩(wěn)壓電源發(fā)熱較大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于UC3845 反激式井下探管電源。該電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、外圍電路元器件少、輸出電壓穩(wěn)定、隔離高頻變壓器散熱良好，低功耗僅1 mA 電流，更有利于深井（超3 000 m）長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)降低管內(nèi)溫升。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明在120 min 內(nèi)的溫升為5.2 ℃，傳統(tǒng)模塊溫升為19.9 ℃，效果明顯，可有效降低探管內(nèi)部的溫升，進(jìn)而增加探管在井下的連續(xù)工作時(shí)間。

2.4 基于241Am 自穩(wěn)源穩(wěn)譜技術(shù)研究

利用241Am 等效伽馬能峰作為自穩(wěn)參考峰，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)峰位變化而調(diào)整系統(tǒng)細(xì)增益值，研究中實(shí)現(xiàn)了較好的穩(wěn)譜效果。實(shí)驗(yàn)室條件下，在10～70 ℃不同溫度時(shí)的穩(wěn)譜效果如圖5 所示，圖5a為無(wú)穩(wěn)譜作用條件下受溫度影響峰位變化情況，圖5b為穩(wěn)譜作用下不同溫度時(shí)的峰位情況，可見(jiàn)穩(wěn)譜效果明顯，監(jiān)測(cè)峰位幾乎保持不變；針對(duì)不同鈾含量時(shí)穩(wěn)譜試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6 所示，試驗(yàn)包括了鈾含量100×10-6～10 000×10-6范圍內(nèi)的不同飽和模型，由圖6a可見(jiàn)不同鈾含量時(shí)峰位有明顯變化，經(jīng)穩(wěn)譜后如圖6b 所示，峰位基本保持不變。

圖5 不同溫度條件下穩(wěn)譜前后特征峰位統(tǒng)計(jì)對(duì)比圖Fig.5 Comparison of characteristic peak positions before and after spectrum stabilization under different temperature conditions

圖6 不同鈾含量條件下穩(wěn)譜前后特征峰位統(tǒng)計(jì)對(duì)比圖Fig.6 Comparison of characteristic peak positions before and after spectrum stabilization under different uranium contents

3 小口徑一體化承壓耐溫技術(shù)研究

小口徑一體化承壓耐溫技術(shù)采用真空隔熱技術(shù)、相變吸熱技術(shù)以及一體化結(jié)構(gòu)工藝技術(shù)等，解決了深孔井液高溫對(duì)探管內(nèi)部電子器件、探測(cè)器的影響以及探管內(nèi)部深孔長(zhǎng)時(shí)間工作的熱功耗升溫問(wèn)題。設(shè)計(jì)真空多層絕熱層厚度為5 mm，密封夾層內(nèi)填充脫蠟、酸洗后干燥的無(wú)堿玻璃纖維布，真空層真空度約10-3Torr，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 探管機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of probe tube mechanical structure

為進(jìn)一步提高耐溫特性，研究中通過(guò)增加探管頭的長(zhǎng)度，減少對(duì)流影響；并且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)填充導(dǎo)熱系數(shù)較小的無(wú)堿玻璃纖維棉，以此來(lái)降低熱對(duì)流的影響，從而達(dá)到有效隔熱的目的；管內(nèi)相變吸熱技術(shù)采用相變溫度約48℃的復(fù)合鹽類(lèi)來(lái)吸收探管內(nèi)部熱量，在探管中設(shè)計(jì)了底部、頂部雙吸熱模塊，確保探管內(nèi)部不會(huì)因內(nèi)部電路熱功耗而使溫度超過(guò)75℃；小口徑一體化承壓耐溫結(jié)構(gòu)材料采用TC11 鈦合金，增加承壓耐溫能力；工藝方面，在與鈦合金管體通過(guò)三角堆焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)探管頭與承壓尾管連接密封，探管整體采用一次車(chē)加工成形，確保承壓35 MPa 以上。

4 應(yīng)用試驗(yàn)

4.1 性能指標(biāo)對(duì)比分析

國(guó)外可在高溫環(huán)境下應(yīng)用的γ 能譜測(cè)井儀產(chǎn)品包括：Century 公司研制的9057 e-log 型、RG 公司研制的Micro logger II、Antares 公司開(kāi)發(fā)的ANTARES 1450 型、ELECTROMIND 公司研制的GR 38 & 25 型、Halliburton 公司開(kāi)發(fā)的RMT-3DTM型以及Geo-Vista 公司研發(fā)的TSTHL 型等；國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品主要是中地裝（重慶）地質(zhì)儀器有限公司的R411 型和西安瑞達(dá)物探設(shè)備有限公司的RDNP-G 系列。本次研究技術(shù)與現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品性能指標(biāo)對(duì)比如表1 所示。

經(jīng)對(duì)比，本次研究技術(shù)的主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或高于國(guó)外石油領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)裝備，且在鈾礦定量測(cè)量指標(biāo)方面，研究技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)與針對(duì)性，石油領(lǐng)域eU 測(cè)量上限一般小于500×10-6，而本次研究技術(shù)的eU 測(cè)量上限可達(dá)到5 000×10-6；相較國(guó)內(nèi)同類(lèi)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)，本次研究成果無(wú)論在耐高溫技術(shù)指標(biāo)、鈾礦定量探測(cè)指標(biāo)等方面均具有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

4.2 諸廣鈾礦田應(yīng)用試驗(yàn)

諸廣鈾礦田長(zhǎng)江1 號(hào)科學(xué)鉆孔發(fā)現(xiàn)了我國(guó)1 550 m 最深的工業(yè)鈾礦化，鉆孔地溫梯度約4.6℃/100 m。γ 能譜測(cè)井采用連續(xù)取樣方式，點(diǎn)距為0.05 m，測(cè)井速度在下放、上提均為5 m/min，異常段測(cè)井速度為2 m/min，測(cè)井深度為1 709 m，采集原始測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)為34 180 點(diǎn)，獲取數(shù)據(jù)如圖8 所示。

圖8 長(zhǎng)江1 號(hào)鉆孔實(shí)際應(yīng)用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)曲線(xiàn)圖Fig.8 Well logging curve of the Changjiang No.1 borehole

在獲取γ 能譜測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)基礎(chǔ)上，基于礦段基本為鈾異?？紤]，進(jìn)行了γ能譜測(cè)井解釋與γ總量測(cè)井解釋的對(duì)比，兩種方法解釋參數(shù)巖石密度、鈾鐳平衡系數(shù)等均一致。由于鉆孔礦段基本沒(méi)有釷，所以利用γ總量測(cè)井結(jié)果計(jì)算鈾含量時(shí)未作釷修正。其中某典型礦段伽馬總量與伽馬能譜測(cè)井計(jì)算鈾含量對(duì)比如圖9所示。選取其中5個(gè)不同鈾含量的鈾礦異常段進(jìn)行伽馬能譜與伽馬總量解釋結(jié)果（米百分值）的對(duì)比（表2），可見(jiàn)伽馬能譜解釋結(jié)果與伽馬總量解釋結(jié)果基本一致，在鈾異常段、礦化段的相對(duì)偏差均在±10%以?xún)?nèi)。

表2 伽馬能譜與伽馬總量解釋結(jié)果對(duì)比表Table 2 Comparison of gamma energy spectrum and total gamma interpretation results

圖9 鈾礦段伽馬能譜與伽馬總量測(cè)井結(jié)果對(duì)比圖Fig.9 Comparison chart of gamma energy spectrum and total gamma logging results of uranium ore block

4.3 相山鈾礦田應(yīng)用試驗(yàn)

相山鈾礦田3 000 m 科學(xué)深鉆（CUSD2-1）是我國(guó)目前鈾礦科學(xué)深鉆設(shè)計(jì)施工的最深孔，對(duì)獲取深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)和成礦環(huán)境信息，全面提升鈾多金屬深部探測(cè)技術(shù)水平具有重要科學(xué)意義。本次研究技術(shù)在2020 年6 月、9 月及2021 年1 月先后3 次開(kāi)展了鉆孔γ 能譜測(cè)井應(yīng)用，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖10 所示，首次獲取了鈾礦領(lǐng)域超3 000 m 深度的鉆孔鈾、釷、鉀含量數(shù)據(jù)，并在1 700 m 至2 100 m 發(fā)現(xiàn)了多處低值鈾異常。

圖10 CUSD2-1 鉆孔實(shí)際應(yīng)用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)曲線(xiàn)Fig.10 Well logging curve of borehole CUSD2-1

5 結(jié) 論

通過(guò)深井系統(tǒng)電源、新型探測(cè)器數(shù)字化核脈沖信號(hào)采集以及一體化真空隔熱、相變吸熱等技術(shù)研究，設(shè)計(jì)了鈦合金一體化真空隔熱與承壓探管結(jié)構(gòu)，并結(jié)合管內(nèi)相變吸熱技術(shù)應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)了探管外部熱隔離、內(nèi)部熱吸收，有效解決了近3 000 m 深度伽馬能譜測(cè)井儀的承壓耐溫問(wèn)題。

研究技術(shù)及硬件首次實(shí)現(xiàn)超3 000 m 深度鈾礦鉆孔地層鈾、釷、鉀數(shù)據(jù)的有效獲取，將我國(guó)鈾礦定量γ 能譜測(cè)井能力從原先1 500 m 提升至3 000 m，是目前核工業(yè)系統(tǒng)內(nèi)唯一測(cè)井能力達(dá)3 000 m 深度的γ 能譜測(cè)井儀。