СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ОБЩЕГО ЖЕЛЕЗА В РУДАХ Российский патент 1995 года по МПК G01V5/14 G01V11/00 

Изобретение относится к недеструктивному анализу природных сред, а более конкретно к группе геофизических методов, предназначенных для количественной оценки качества руд в естественном залегании, например в скважинах, и может быть использовано при поисках и разведке железных руд в геологии и геофизике.

Известен способ определения содержания общего железа, основанный на облучении исследуемой среды потоком гамма-квантов и регистрации рассеянного гамма-излучения на некотором расстоянии от источника, по интенсивности которого определяют искомую величину [1]
В основе способа лежит известная зависимость между эффективным атомным номером и суммарным содержанием железа. Соответственно точность оценки содержания общего железа Р (Fe) этим способом непосредственно определяется теснотой корреляционной зависимости типа Р (Fe)f(Z_эф.). Поэтому способ применим только доя оценки качества относительно простых в вещественном отношении руд.

Другой известный способ основан на регистрации отношения потоков гамма-излучения радиационного захвата от ядер железа и породообразующих элементов. Данный способ позволяет оценивать содержание общего железа с погрешностью не лучше 3-4% абсолютных [2]
Основным недостатком этого способа является влияние на его показания изменения нейтронных параметров среды, обусловленного вариациями элементного состава.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является техническое решение, в котором для регистрации тепловых нейтронов используется кадмий, входящий в состав экрана, окружающего сцинтилляционный детектор. При захвате теплового нейтрона ядро кадмия высвечивает каскад гамма-квантов с энергией от 0,56 до 7,71 МэВ. Регистрируя поток одной из гамма-линий кадмия, можно определить плотность потока тепловых нейтронов в точке измерений.

Недостатком прототипа является наличие в спектре кадмия жестких гамма-линий с энергией 2,45; 5,33; 5,97; 6,06; 7,71 и даже 8,48 МэВ, которые, накладываясь на информационный спектр гамма-излучения радиационного захвата, создают дополнительный фон, что, в конечном счете, снижает точность количественных определений содержаний железа. Кроме того, из-за каскадного излучения при значительной суммарной интенсивности от ядер кадмия выход каждой из линий оказывается сниженным, что также затрудняет их выделение на фоне информационного спектра.

Предлагаемый способ обеспечивает повышение точности определения содержания общего железа в рудах сложного минералогического состава. Для этого по способу определения содержания общего железа в рудах P_i(Fe), заключающемуся в облучении исследуемой среды потоком нейтронов, регистрации гамма-излучения радиационного захвата от ядер железа N_i в характерной области спектра и потока тепловых нейтронов Φ_i по гамма-излучению радиационного захвата элемента, входящего в состав экрана, окружающего сцинтилляционный гамма-детектор, измерение потока тепловых нейтронов осуществляют по гамма-линии с энергией 478 кэВ радиационного захвата бора, который вводят в состав экрана, и дополнительно измеряют магнитную восприимчивость κ и плотность руд. Затем по априорно установленному семейству зависимостей
K_i= /P_i(Fe)= f(κ, σ) определяют частные пересчетные коэффициенты K_i, по значениям которых рассчитывают содержание общего железа в требуемых i-х интервалах по формуле P_i(Fe)= /K_i
Семейство зависимостей K f(κ, σ) устанавливают по результатам измерений N_i, Φ_i, κ и σ в параметрических скважинах или по профилям наблюдений, при этом по аномальным значениям Ni/Φ_i выделяют рудные интервалы, в пределах выделенных pудных интервалов определяют средние значения κ и σ а содержание общего железа определяют по результатам химического анализа керна.

Сущность способа заключается в следующем. Сложные по минералогическому составу железные руды представлены в основном четырьмя компонентами: магнетитом, мартитом, гематитом и гидроокислами железа. Первые три минерала имеют примерно равную объемную плотность, изменяющуюся в пределах 4,9-5,2 г/см³. Гидроокислы железа имеют поровую структуру, соответственно меньшую плотность (3-4 г/см³) и содержат как связанную воду, так и свободную влагу. Руды преимущественно мартитового состава также нередко имеют рыхлую структуру с плотностью от 3,1 до 3,5 г/см, содержат свободную влагу.

С геологической точки зрения мартит представляет собой псевдоморфозу гематита по магнетиту. Вследствие отмеченного в общем случае мартит является как бы переходящей от магнетита к гематиту разновидностью, что сопровождается закономерным уменьшением магнитных свойств руд, а в случае рыхлых руд также и плотности. Указанные выше особенности хорошо видны из анализа табл. 1, составленной по результатам изучения железосодержащих проб из скважин Белгородского месторождения КМА. Водородосодержание рыхлых мартитовых руд в среднем составляет 11-12% окисленных руд до 20% Н₂О.

Таким образом, сложные в минералогическом отношении руды характеризуются высокой дифференциацией по плотности, магнитной восприимчивости и влажности. Наиболее высокой магнитной восприимчивостью обладают первичные монолитные руды. По мере замещения магнетита мартитом или увеличения содержания гидроокислов магнитная восприимчивость и объемная плотность уменьшаются. Указанные особенности оказывают сильное влияние на пространственное распределение потока тепловых нейтронов и гамма-излучение радиационного захвата, что приводит к нарушению усилий измерений и соответственно увеличению ошибки количественного определения содержания общего железа известными способами. Непосредственное влияние на распределение потоков тепловых нейтронов и гамма-квантов радиационного захвата оказывает влажность (ω) и объемная плотность (σ) руд, коррелирующие между собой при отсутствии в руде связанной воды. Однако содержание гидроокислов железа приводит к еще большему содержанию в рудах магнетита, что косвенно проявляется в уменьшении их магнитной восприимчивости.

Таким образом, достаточно корректный учет влияния изменения вещественного состава, влаги и объемной плотности при количественной оценке содержания общего железа в рудах может быть проведен при условии установления зависимости переходного коэффициента от указанных физических характеристик. Переходной коэффициент K_i представляет собой удельную активность среды или приращение аналитического параметра (в данном случае отношение потока радиационного захвата от ядер железа к потоку тепловых нейтронов) при изменении концентрации анализируемого элемента (общего железа) на 1% Таким зависимости могут быть получены, например, на основе анализа результатов измерений по параметрическим скважинам, содержание общего железа в которых известно по данным химического анализа керна. Данные о плотности и магнитной восприимчивости определяются по диаграммам каротажа магнитной восприимчивости и гамма-гамма-метода. Указанным способом получено семейство зависимости типа
K_i= /P_i(Fe)= f(κ, σ) для руд Белгородского месторождения КМА, представленное на фиг.1. Измерения потоков гамма-излучения радиационного захвата (N_i) осуществлялись при длине зонда, равного 20 см, в энергетическом диапазоне > 6,2 МэВ. Поток тепловых нейтронов (Φ_i) регистрировался одновременно по гамма-линии радиационного захвата бора с энергией 0,478 МэВ. Детектирование гамма-квантов и тепловых нейтронов осуществлялось при помощи сцинтилляционного детектора NaJ(Tl) размером 30х70 мм, окруженного борным экраном с плотностью 100 мг/см² бора 10. В качестве источника первичных нейтронов использовался ампульный источник Cf-252 с интегральным выходом 5х10⁶ 10⁷ н/с. Использование аналитического параметра в форме отношения гамма-излучения радиационного захвата к потоку тепловых нейтронов аналогично как и в прототипе обеспечивает независимость показаний прибора от интегрального выхода нейтронов в источнике и позволяет исключить изменение чувствительности аппаратуры при смене детектора гамма-квантов или незначительном смещении источника нейтронов в зонде.

Измерения магнитной восприимчивости (κ) и объемной плотности проведены с экспериментальными образцами приборов, соответственно с КМВ-ИК-36, ПАРК-1, разработанными во ВНИИГИС.

Из представленных на фиг.1 зависимостей K_i f (κ, σ) видно, что величина переходного коэффициента для аналитического параметра M_i/Φ_i изменяется в достаточно широких пределах и ведет себя неоднозначно. При малых κ значения K_i уменьшаются, затем стабилизируются, а при κ > 11 ˙ 10^-3 ед. СИ вновь возрастают. При увеличении плотности значения K_i уменьшаются. Отмеченные закономерности не противоречат физике переноса нейтронного и гамма-излучения и в полной мере дают представление о сложности количественных определений содержания общего железа в рудах сложного минералогического состава.

Проведенные зависимости могут быть представлены в аналитической форме.

Располагая графической зависимостью, легко рассчитать содержание общего железа в любом i-м интервале измерений по формуле
P_i(Fe)= /K_i а также по областям 1-5 (фиг.1) оценить тип изучаемых руд. Эффективность предложенного способа исследована на примере определения содержания общего железа в скважинах Белгородского месторождения.

На фиг.2 показано сопоставление данных геологического опробования (С_Fe) с результатами определения содержания общего железа по прототипу (а) и по предлагаемому способу (б).

На фиг. 3 приведен пример применения предложенного способа определения содержания железа общего по скважине 1ОМ Белгородского месторождения.

В табл.2 приведены результаты обработки данных каротажа по предлагаемой методике по скважинам Белгородского месторождения и скважинам участка Тарапак (Кривой Рог).

По прототипу абсолютная погрешность определения содержания общего железа составила 3,4% По предложенному способу погрешность определения не превышает 2% и в основном обусловлена статистической точностью измерения величины отношения N_i/Φ_i.

Таким образом, точность определения общего железа в рудах сложного минералогического состава повысилась в 1,7 раза.

Для практической реализации способа требуется аппаратура спектрометрического нейтронного гамма-каротажа, каротажа магнитной восприимчивости и плотностного гамма-гамма-метода, выпускаемая серийно отечественной промышленностью. Последовательность работы предложенным способом следующая. Последовательно осуществляют запись диаграмм N_i/Φ_i, κ и σ с серийной аппаратурой соответственно ПСК-1, ЭМК-2 и ПАРК-1. По аномальным значениям аналитического параметра N_i/Φ_i выделяют рудные интервалы. В пределах выделенных рудных интервалов по диаграммам КМВ и ГГК-П определяют средние значения κ и σ, по которым рассчитывают частные переходные коэффициенты К_i. Используя значение Ki, для каждого интервала рассчитывают содержание общего железа по формуле P_i(Fe)= /K_i
В настоящее время способ широко опробован и внедрен в практику работ на Белгородском месторождении железных руд КМА для количественного определения содержания общего железа в условиях скважин.

Использование: в геофизике для количественной оценки качества руд в естественном залегании, например в скважинах, при поисках и разведке железных руд в геологии и геофизике. Сущность изобретения: способ основан на облучении исследуемой среды потоком нейтронов и регистрации гамма-излучения радиационного захвата от ядер железа N_i в характерной области спектра и потока тепловых нейтронов φ_i по гамма-излучению радиационного захвата бора, для чего используют сцинтилляционный детектор, окруженный борным экраном. По способу дополнительно измеряют магнитную восприимчивость (κ) и плотность (σ) руд, затем по априорно установленному семейству типа K_i= N_i/φ_i/P_i(Fe) = f(κ, σ) определяют частные пересчетные коэффициенты K_i по значениям которых рассчитывают содержание общего железа в требуемых i-х интервалах по формуле P_i(Fe) = N_i/φ_i/K_i. Семейство зависимостей K_i= f(κ, σ) устанавливают по результатам измерений параметров N_i, φ_i, κ и s в параметрических скважинах или по профилям наблюдений, пересекающих руды типичного минералогического состава. 1 з.п.ф-лы, 2 табл. 3 ил.

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ОБЩЕГО ЖЕЛЕЗА В РУДАХ, включающий облучение исследуемой среды потоком нейтронов, регистрацию гамма-излучения радиационного захвата от ядер железа N_i в характерной области спектра и потока тепловых нейтронов Φ_i по гамма-излучению радиационного захвата элемента, входящего в состав экрана, окружающего сцинтилляционный гамма-детектор, отличающийся тем, что измерение потока тепловых нейтронов осуществляют по гамма-линии с энергией 478 кэВ радиационного захвата бора, который вводят в состав экрана, дополнительно измеряют магнитную восприимчивость κ и плотность s руд, затем по априорно установленному семейству зависимостей

определяют частные пересчетные коэффициенты K_i, по значениям которых рассчитывают содержание общего железа в требуемых i-х интервалах по формуле

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что семейство зависимостей K_i=f(κ,σ) устанавливают по результатам измерений N_i,Φ_i, κ и σ в параметрических скважинах или по профилям наблюдений, при этом по аномальным значениям N_i/Φ_i выделяют рудные интервалы, в пределах выделенных рудных интервалов определяют средние значения κ и σ а содержание общего железа определяют по результатам химического анализа керна.