Способ радиактивного каротажа и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G01V5/04 

го раствора между сцинтмллятором и стенкой скважины. (Сцинтмллятор при этом имеет цилиндрическую форму и минимальный диаметр).

Если положить, что эластичная оболочка, в которой размещен жидкий сцинтилля- тор, выполнена из резины (каучука) плотностью порядка 1-1,2 г/см и толщиной 2-3 мм, то слой бурового раствора толщиной 3-4 мм вместе с оболочкой сцинтиллятора практически полностью поглощает бета-излуиение стенок скважины.

Если принимать во внимание, что устройство для каротажа располагается не симметрично в поперечном сечении скважины, а скользит по одной из ее стенок из-за отклонения скважины от вертикали, то небольшая часть бета-излучения все-таки будет попадать на детектор в месте его прилегания к стенке скважины. Однако, как показывают элементарные расчеты, эта часть , не превышает 5% всего бета-излучения стенок скважины и ею допустимо пренебречь.

При условии поглощения бета-излучения, в сцинтилляторе детектируется только гамма-излучение, полная интенсивность которого быть записана в виде: 11 (1-С)яи+ПВ1- С- Крр -qM.(1) где ди - процентное содержание урана в горной породе:

Крр - коэффициент радиоактивного равновесия между ураном и радием;

С - доля гамма-излучения радия и про- дуктов его распада в общем излучении урана-радия;

Пв1 - коэффициент пропускания гамма- излучения ряда радия слоем бурового раствора;

Пн1 -такой же коэффициент для гамма- излучения урана;

Ко-пересчетный коэффициент детектора в имп-с на единицу процентного содержания равновесного урана, определяемый опытным путем.

Выражение (1) может быть упрощено с учетом следующих положений. .

Как известно, гамма-излучение собственно урана является низкоэнергетическим (29, 63 и 93 кэВ) с малым суммарным выходом (менее 0,15 при суммарном выходе квантов радиевого ряда порядка 2,0) и соответственно малопроникающим. Поэтому коэффициент пропускания . Доля гамма-излучения ряда радия С в общем излучении равновесного урана-радия для объема породы, из которого приходит гамма-излучение на детектор, расположенный в скважине, превышает 00,995. Поэтому можно полагать

0

0

5

И Ко Пбур Крр qii,(2) где Пбур - средний коэффициент пропускания гамма-излучения буровым раствором. Величина коэффициента Пбур зависит от разности диаметров скважины и скважин- ного прибора (детектора) и определяется обычно по номограммам, приведенным в специальной литературе или находится опытным путем.

Сдавливают эластичную оболочку жидкого сцинтиллятора вдоль продольной оси. Происходит увеличение диаметра сцинтиллятора без изменения его объема до соприкосновения эластичной оболочки со стенкой 5 скважины. Буровой раствор между стенкой скважины и оболочкой сцинтиллятора оказывается вытесненным и бета-излучение проникает всцинтиллятор.

Регистрируют интенсивность суммарного гамма- и бета-излучения. 2 К0 П бур Крр qn + Кг Пс - а qw + +(1-а) Крр Чи,(3) где а - доля бета-излучения ряда урана в общем бета-излучении равновесного урана- радия;

Ki - пересчетный коэффициент детектора по бета-излучению в имп/с на единицу . содержания равновесного урана;

Пс - коэффициент пропускания бета-из- 0 лучения буровым раствором при увеличенном диаметре сцинтиллятора, определяемый экспериментально;

Пбур - коэффициент пропускания гамма-излучения при увеличенном диаметре сцинтиллятора, также определяемый опытным путем.

Учитывая, что на долю продуктов распада урана до радия приходится примерно 50% всего бета-излучения радиоактивного семейства урана, т.е. а 0,5, выражение (3) упрощается до вида

l2 qM n6yp Ко Крр + 0,5Пс Ki(1+Kpp). (4) ,

По результатам обоих измерений И и la 5 получают формулу для расчета коэффициента радиоактивного равновесия Крр, разделив выражение (4) на (2):

у г 2 Ко Пбур / 2 Пбур ч , , /сч

Kpp- Ki-nc ()-13 (5)

Затем из уравнения (2) или (4) получают формулу для расчета qw. Например, из (2) следует

И,с. Ри тт-r-fj--п - (6)

I бур

Проводят измерения на моделях пластов для определения постоянных коэффициентов, входящих в формулы (5) и (6).

Модели пластов изготавливают из смеси равновесной урановой руды со скульп-.

5

0

0

5

турным гипсом или цементом. Содержание урана Яимод в полученной смеси определяют с помощью химического или радиометрического анализа. Желательно, чтобы оно удов- летворяло условию 0,05% римод 0,8%. Модели имеют форму барабана с цилиндрическим отверстием в центре. Разные модели, а их должно быть 3-4 штуки, отличаются только диаметром цилиндрического отверстия, который должен быть равен наиболее распространенным диаметрам исследуемых буровых скважин. Высота моделей не менее 0,6 м (пл,аст насыщенной мощности). Модели также должны обеспечивать возможность заполнения отверстия (скважины) в них водой (глинистым раствором) и освобождения его от залитой жидкости,

На каждой из моделей выполняют следующие измерения.

На сухой модели, т.е. без заполнения скважины в ней буровым раствором, измеряют интенсивность гамма + бета-излучения при минимальном диаметре сцинтиллятора, располагая его по высоте в середине скважины и прижимая к одной из ее стенок - I (у+/)сух

Повторяют замер при таком же расположении сцинтиллятора, но закрыв его предварительно тонким, порядка 0,3-0,5 мм, слоем свинца, достаточным для поглощения бета-излучения пласта, измеряя таким образом интенсивность усух

Расширяют сцинтиллятор до соприкосновения со стенками скважины и также про- изводят два измерения - со слоем свинца1усух. и без оного1 (у +/2)сух .

Заполняют отверстие в модели (скважину) стандартным буровым раствором и производят аналогичные измерения с минимальным диаметром сцинтиллятора и со свинцовым экраном - I у бур и без экрана I (у +/) бур и с расширенным сцинтиллято- ромГубур иГ(у+/) бур.

Производят вычисления коэффициентов:

- коэффициента пропускания гамма-излучения буровым раствором при минимальном диаметре сцинтиллятора

I убур

- коэффициента пропускания гамма-излучения буровым раствором при расширенном диаметре сцинтиллятора

п;УР - (8,

- коэффициентйпропускания бета-излучения при расширенном диаметре сцинтиллятора

Пбур

(7)

П

10

I Јбур I )бур -I Убур . ,„ Г (у+0)сух -Гусух Л

- пересчетного коэффициента по бета- излучению- л

к- У+#У -|УОК по)

ПимобЧимод

- пересчетного коэффициента по гамма- излучению

1усух

Кс:

(11)

Чимоб

где - множитель, учитывающий ослабление гамма-излучения слоем свинца, окружающим сцинтиллятор при измерениях 15 на модели;

ft 0,033 см2/г- массовый коэффици-. ент поглощения гамма-излучения;

р 11,4 г/см3 - плотность свинца;

h -толщина слоя свинца, см. 20 Поглощение гамма-излучения в свинце при вычислении Пбур и П бур не учитывается,

т.к. множитель в числителе и знаменателе выражений (7) и (8) сократится.

„с. .По значениям Пбур, П бур, Пс, полученным на моделях с различными диаметрами отверстия, строят графики зависимости этих коэффициентов от диаметра скважины (d). Примеры этих графиков приведены на

ол фиг.5-7. Уменьшение коэффициента Пбур. с ростом диаметра скважины объясняется увеличением толщины слоя бурового раствора между стенкой скважины и сцинтил- лятором, а уменьшение П бур и Пс с

3g увеличением диаметра скважины - уменьшением части поверхности эластичной оболочки, вплотную прилегающей к стенке скважины.

В дальнейшем графики фиг.5-7 исполь, зуют для определения коэффициентов про- . пускания, соответствующих любому фактическому диаметру исследуемой скважины.

Способ осуществляется при помощи тройства, изображенного на фиг.1. Устройство радиоактивного каротажа включает корпус, состоящий из двух цилиндрических частей: верхней 1 и нижней 2. Пространство между частями 1 и 2 закрыто эластичной

P.Q цилиндрической оболочкой 3, например, из

резины или каучука и заполнено жидким

сцинтиллятором 4. например, раствором

терфенила в ксилоле или метилбор.ата в то луоле. В верхней части 1 корпуса размещен

t-c фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 5, фо- . токатод которого отделен от жидкого сцинтиллятора слоем прочного прозрачного материала 6, например, кварцевого стекла. В нижней части 2 корпуса расположен элек- тромотор 7, предназначенный для при бедения в действие механизма взаимного перемещения частей 1 и 2. Механизм взаимного перемещения включает ведущую шестеренку 8, передаточную шестеренку 9 и кольцо 10 с зубьями на внутренней поверхности и штифтом 11 на внешней. Штифт 11 входит в спиральную прорезь 12 полого барабана 13 (см. фиг.2 и 3), который жестко скреплен с четырьмя тонкими стяжками 14, противоположные (верхние) концы которых жестко скреплены с верхней частью 1 корпуса и могут свободно перемещаться через прорези с сальниками (на фиг.1 не показаны) в верхней крышке 15 нижней части 2 корпуса. Полый барабан 13 в своем верхнем и нижнем положениях взаимодействует с концевыми контактами 16 и 17 нажимного действия. Эти контакты нормально замкнуты, а при воздействии (нажиме) на них барабана 13 размыкаются. Контакты включены последовательно с диодами 18 и 19 в противоположной полярности и установлены в разрыв одного из проводов (а), по которому подается питание на электромотор 7 (см.фиг.4).

Измерения с предложенным устройством выполняются так.

Устройство с максимально удаленными одна от другой верхней и нижней частью опускают в скважину и устанавливают на точке наблюдения. Эластичная оболочка при этом имеет форму цилиндра, диаметр которого равен диаметру корпуса устройства.

Производят первое измерение при наличии бурового раствора 20 между сцинтил- лятором 4 и стенками скважины. Результат первого измерения И характеризует интен- сивность естественного гамма-излучения стенок скважины, поскольку бета-мзлучение поглощается буровым раствором,

Подают питание на электромотор 7, подключая жилу а каротажного кабеля к плюсу, а жилу.б к минусу источника постоянного тока. Цепь питания электромотора 7 замыкается через нормально замкнутый верхний концевой контакт 16 и Диод 18, электромотор приходит в движение и через шестерню 9 начинает вращать кольцо 10 со штифтом 11. Штифт 11, перемещаясь по винтовой прорези 12, перемещает кверху всю нижнюю часть 1 корпуса относительно полого барабана 13 и тонких стяжек 14, уменьшая промежуток между верхней 1 и нижней 2 частями корпуса. Жидкий сцин- тиллятор 4 раздувает эластичную оболочку 3 до ее соприкосновения со стенками скважины, оттесняя при этом буровой раствор 20, как показано на фиг.1. Сближение частей корпуса и расширение оболочки прекращается, когда полый барабан 13 доходит до нижнего концевого контакта 16, размыкая его и отключая электромотор 7.

После остановки электромотора производят второе измерение уже при вытесненном буровом растворе между сцинтиллятором и стенками скважины. Результат второго измерения г характеризует сумму гамма- и бета-излучения стенок скважины.

Измеренные интенсивности h и г служат для расчета содержания урана и коэффициента радиоактивного равновесия горных пород (см. формулы 5 и 6).

По окончании измерений электромотор 7 реверсируют. Для этого жилу б подключают к плюсу, а жилу а к минусу источника тока. Цепь питания электромотора 7 Замыкается через диод 19 и нормально замкнутый контакт 17, электромотор приходит в вращение в обратном направлении и раздвигает части 1 и 2 корпуса до тех пор, пока кольцо 13 не замкнет верхний концевой контакт 17. После этого устройство готово для

перемещения на следующую точку наблюдения.

Изобретение иллюстрируется следующим примером. Для проверки способа и устройства был разработан и изготовлен

опытный образец устройства с внешним диаметром скважинного прибора 48 мм, с эластичной оболочкой сцинтиллятора из вакуумной резины толщиной 2,0 мм при общей длине контейнера 160 мм. Объем сцин

тиллятора.в контейнере составил 234 см3.

При градуировании устройства на модели рудного пласта с равновесной урановой средой с известным содержанием урана, для сцинтилляционного детектора получены коэффициенты: К0 520 имп/с на 0,01 % урана, Kt 104 имп/с на 0,01 % урана при Псв 1 для начального диаметра скважины 48 мм. Изменение регистрируемой интенсивности бета-излучения при изменении диаметра скважины от 48 мм до 120 мм, в относительной форме представляющее собой изменение коэффициента Пс, приведено на фиг.5 (экспериментальные данные нанесены точками). .

На фиг.6 и 7 приведены экспериментальные значения коэффициентов Пбур и П бур для данной конструкции прибора и сцинтилляционного детектора, определенные с заполнением скважины .водой ( ро 1

г/см3) и пересчитанные на слой бурового раствора между диаметром скважины (2г) и начальным диаметром контейнера сцинтиллятора (2R),

С использованием приведенных градуировочных коэффициентов был проведен

опытный каротаж по точкам через 50 см в скважине на одном из месторождений ин- фильтрационного типа. При проходке этой скважины из рудного интервала был получен выход керна, близкий к 100%. Керн был подвергнут тщательному химическому и радиометрическому анализу на содержание урана и радия с последующим расчетом значения Крр. Перед проведением каротажа исследуемый интервал скважины был очищен от глинистой корки металлическим ершом, скважина промыта водой, Поданным кавер: нометрии средний диаметр скважины в рудной зоне составил 81 мм с вариацией в пределах ±5 мм. Для исключения влияния статистической погрешности отсчетов измерение на каждой точке проводилось в течение 100 с, что обеспечивало статистическую погрешность отсчетов ме- нее-1 %. Результаты измерений и обработки информации приведены в таблице в сопоставлении сданными опробования керна. Как следует из данных таблицы, систематической погрешности между данными опробования практически не наблюдается. Это свидетельствует о том. что способ и устройство выполняют свое целевое назначение и могут полностью заменить более дорогостоящее, малооперативное и малопредставительное (особенно в условиях ограниченного выхода) опробование керна.

По данным, приведенным в таблице, на фиг.8 построены графики изменения интенсивности Н и график содержания урана QH, рассчитанного по формуле (6) на основании двойных измерений - И и h.

График интенсивности Н (при наличии раствора между сцинтиллятором и стенками скважины) эквивалентен диаграмме обычного гамма-каротажа (1,2,3,5). Сопоставление графиков Н и ри наглядно показывает, что н едоучет величины Крр или отсутствие сведений о нем/может привести к большим погрешностям в определении содержания урана по данным ГК (см. интервал 788,5-790 м).

Предложенные способ и устройство радиоактивного каротажа являются единственным в настоящее время средством

определения состояния- коэффициента радиоактивного равновесия в скважинах, в условиях коренного залегания урановых руд, и дают возможность значительно повысить 5 точность и достоверность определения содержания урана в рудах.

Формула изобретения

1. Способ радиоактивного каротажа, включающий раздельное измерение сцин0 тилляционным детектором интенсивности гамма-излучения и интенсивности суммарного гамма- и бета-излучения исследуемых горных пород по разрезу, скважины с последующим определением пор совокупно5 сти двух измерений коэффициента радиоактивного равновесия и вычислением содержания урана в стенках скважины с учетом проведения комплекса аналогичных измерений на модельных пластах, отличаю0 щ и и с я тем, что, с целью обеспечения возможности определения содержаний урана в неравновесных рудах -в условиях заполненных буровым раствором скважин, измерения проводят детектором на основе жидкого

5 сцинтиллятора, размещенного в эластичной оболочке, причем измерение интенсивности гамма-излучения производят при наличии бурового раствора между сцинтиллятором и стенкой скважины, а из0. мерение суммарной интенсивности гамма- и бета-излучения - после вытеснения бурового раствора жидким сцинтиллятором,

2. Устройство для радиоактивного каро- 5 тажа, содержащее корпус, фотоэлектрон- .ный умножитель и сцинтилляционный детектор, о т л ича га ще ее я тем, что корпус выполнен составным из верхней и нижней цилинд- рических частей, установленных соосно, на задан- 0 ном расстоянии одна от другой с возможностью возвратно-поступательного перемещения нижней части, верхняя и нижняя части герметично соединены эластичной цилиндрической оболочкой; заполненной жидким 5 сцинтиллятором, при зтом фотоэлектронный умножитель размещен в верхней части корпуса, а жидкий сцинтиллятор отделен от фотоэлектронного умножителя слоем кварцевого стекла.

Фиг. в

Использование: в области радиометрических методов каротажа. Сущность изобретения: способ включает измерение интенсивности излучения стенок скважины с помощью сцинтиляционного детектора на основе жидкого сцинтиллятора, помещенного в эластичную оболочку. Измерения проводят дважды: при наличии и при отсутствии бурового раствора между эластичным корпусом детектора и стенками скважины. Устройство содержит корпус, выполненный из двух цилиндрических частей, установленных с возможностью измерения расстояния между ними. Пространство между обеими частями корпуса закрыто эластичной цилиндрической оболочкой и заполнено жидким сцинтиллятором. 2 с.п.ф-лы, Т табл., 8 ил. (Л С электромотором; на фит.5 - график коэффициента пропускания бета-излучения буровым раствором при расширенном детекторе (Пс); на фиг.6 - график коэффициента гамма- излучения буровым раствором при первом измерении (Пбур); на фиг.7 - график коэффициента-пропускания гамма-излучения буровым раствором при втором измерении (Пбур); на фиг.8 - пример применения способа в разведочной скважине на одном из месторождений урана. Согласно предлагаемому способу измерения на каждой точке наблюдений выполняются в следующем порядке. .Измеряют интенсивность гамма-излучения стенок скважины при наличии бурово-. 00 о ел |Јь СО