Результат интеллектуальной деятельности: Способ нейтронного каротажа для определения содержания урана в ураново-рудных формациях, пересеченных скважиной

Изобретение относится к ядерно-физическим методам каротажа, используемым при поисках, разведке месторождений урана, при контроле технологических процессов, вызывающих техногенное смещение радиоактивного равновесия между радием и ураном. Способ может иметь широкое применение для слежения за процессами извлечения урана и экологического мониторинга территорий, прилегающих к геотехнологическим полям подземного выщелачивания.

Гамма-каротаж - метод, как правило, используемый для определения содержания урана, основан на регистрации гамма-излучения висмута-214 и свинца-214: короткоживущих продуктов распада радона радиоактивного семейства урана-радия, на долю которых приходится более 95% гамма квантов всего семейства. Присутствие этих элементов однозначно определяют содержание радия, материнского для них элемента, но не урана: в силу различных способностей к миграции в агрессивных средах выщелачивания урана.

Примеры реализации способа прямого определения урана с использованием импульсного генератора нейтронов и детекторов нейтронов приведены ниже.

Известен способ определения содержания урана, основанный на регистрации «запаздывающих» нейтронов деления. [Czubek J.A., Loskievicz J. Optimum condition for uranium detect in delayed neutron well logging. - "Exploration for uranium ore deposit" IARA, Viena, 1976, p. 471-486; Беспалов Д.Ф., Михайленко Б.В. Опробования аппаратуры импульсного нейтронного каротажа по запаздывающим нейтронам деления // ВАНТ. Сер. Радиационная техника. - 1990. Вып. 1 (41). С. 47-50]. Осколки деления ядра урана-235 снимают возбуждение промежуточного ядра посредству β-распада, при этом выделяется энергия превышающая энергию связи нейтрона в ядре и появляется вероятность испускания нейтрона. Делящееся ядро урана-235 выделяет мгновенные и «запаздывающие» нейтроны, в среднем на один акт деления приходится 2,3 нейтрона. Самый большой период полураспада для «запаздывающих» нейтронов 55,6 секунды.

К недостаткам следует отнести низкую производительность метода связанную с незначительным количеством (0,6%) «запаздывающих» нейтронов по сравнению с общим количеством нейтронов испускаемых при делении.

Известен способ каротажа по мгновенным нейтронам деления урана основанный на отношении интегральных скоростей счета эпитепловых и тепловых нейтронов [опубликованная заявка КНР CN 103711479, МПК G01V 5/10, 09.04.2014],

Система сдвоенных нейтронных временных спектрометров, записывающих временные спектры эпитепловых и тепловых нейтронов источником которых является импульсный нейтронный генератор и делящиеся ядра, для расчета содержания урана использует отношения:

,

,

где q_u - содержание урана; N_E - интегральная скоростей счета эпитепловых нейтронов; N_T - интегральная скоростей счета тепловых нейтронов; N_E/T -отношение интегральных скоростей счета эпитепловых и тепловых нейтронов в выбранном временном окне; t - конечная граница временного окна для расчета интегральной скорости счета; t_≤200 - начальная, не превышающая 200 микросекунд, граница временного окна для расчета интегральной скорости счета; τ_Е - время жизни эпитепловых нейтронов; τ_т - время жизни тепловых нейтронов; К - коэффициент пересчета величины и η - фоновая чувствительность эпитеплового спектрометра известной величины.

К недостаткам следует отнести: высокую погрешность расчета содержания урана, обусловленную ограниченной точностью определения времени жизни эпитепловых нейтронов вследствие недостаточной статистической представительности наблюдений эпитепловым детектором на удаленных от нейтронного импульса временных задержках; снижение чувствительности метода ввиду использования отношения скоростей счета эпитепловых и тепловых нейтронов для учета флуктуаций потока импульсного генератора нейтронов; отсутствие учета влияния конструкции и состояния скважины.

Известен способ нейтронного каротажа для исследования ураново-рудных формаций пересеченных скважиной, включающий: получение во множестве точек записи каротажа скважины значений скорости счета мгновенных нейтронов деления и значений скорости счета тепловых нейтронов; определение спада скорости счета мгновенных нейтронов деления и тепловых нейтронов в каждой точке каротажа; получение во множестве точек записи каротажа вторичными методами физических характеристик скважины и урановой формации, в котором данные каротажа получены испусканием пачек 14 МэВ нейтронов, рассеивающих свою энергию до уровня тепловых, а детектируют эпитепловые мгновенные нейтроны деления, испускаемые ураном, взаимодействующим с тепловыми нейтронами и используют калибровочную зависимость выхода нейтронного генератора [патент США US 4350887, МПК G01V 5/10, 21.09.1982]. Данное решение принято в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является высокая погрешность оценки содержания урана в пласте ураново-рудной формации.

Погрешность оценки обусловлена:

- восстановлением временного распределения поля тепловых нейтронов, производимым по косвенным наблюдениям гамма-излучения радиационного захвата ²⁸Si (порог 3,3 МэВ), чувствительным к гамма-излучению радиационного захвата ²⁸Аl, ⁴⁰K, ⁵⁷Fe, ⁴¹Са;

- использованием для учета флуктуаций потока нейтронного генератора отношения с участием величины времени жизни теплового нейтрона, параметра, восприимчивого к литологии разреза скважины;

- использованием для отыскания калибровочной зависимости выхода нейтронного генератора насыпных моделей, не позволяющих полностью воспроизвести и поддерживать такие характеристики пласта ураново-рудной формации и рудовмещающей толщи, как влажность и поровая минерализация.

Техническим результатом является повышение точности оценки содержания урана в пласте ураново-рудной формации.

Технический результат достигается посредством уменьшения парциальной погрешности отдельных параметров, участвующих в расчете содержания урана:

- погрешности оценки флуктуации потока нейтронов (генератора), погрешности оценки времени жизни теплового нейтрона в пласте,

- погрешности определения влажности и поровой минерализации в пласте ураново-рудной формации.

Технический результат достигается тем, что в способе нейтронного каротажа для определения содержания урана в ураново-рудных формациях, пересеченных скважиной, включающем, получение во множестве точек записи значений скорости счета мгновенных нейтронов деления и значений скорости счета тепловых нейтронов, определение в процессе обработки спада скорости счета мгновенных нейтронов деления и тепловых нейтронов в каждой точке каротажа, получение во множестве точек записи каротажа вторичными методами физических характеристик скважины и пласта ураново-рудной формации, в котором данные каротажа получены испусканием пачек нейтронов с энергией 14 МэВ, рассеивающих свою энергию до уровня тепловых нейтронов, а детектируют эпитепловые мгновенные нейтроны деления, испускаемые ураном, делящимся тепловыми нейтронами, в качестве основы для расчета содержания урана принимают значение интегральной скорости счета детектора эпитепловых нейтронов, приведенное посредством данных монитора нейтронного потока к единому потоку нейтронов, в качестве эталона содержания урана используют параметрическую скважину, аттестованную в пласте ураново-рудной формации и рудовмещающей толще по содержанию урана, мощности, времени жизни теплового нейтрона в пласте, вышеназванный эталон хранит и воспроизводит совокупность физических характеристик скважины и пласта ураново-рудной формации, проводят цикл каротажных исследований, который включает в себя проведение двух аппаратурных проверок эталона до проведения каротажа поисковой скважины и после проведения каротажа поисковой скважины для получения среднего значения пересчетного коэффициента K_п, оцениваемого по отношению:

где

- среднее содержание урана в пласте ураново-рудной формации эталона;

- осредненная в пласте ураново-рудной формации эталона интегральная скорость счета детектора эпитепловых нейтронов в выбранном временном окне;

- осредненная в интервале рудовмещающей толщи эталона интегральная скорость счета детектора эпитепловых нейтронов в выбранном временном окне,

пересчетный коэффициент используют в расчете содержания урана по разрезу, пересеченному поисковой скважиной в соотношении:

где

П_ст - корректирующая поправка за толщину стали обсадной колонны;

П_кв - корректирующая поправка за кавернозность ствола скважины;

- время жизни теплового нейтрона в пласте ураново-рудной формации эталона;

- время жизни теплового нейтрона в текущем кванте глубины поисковой скважины;

t_w - время термализации нейтронов импульсного генератора;

dM^этл-^Р - оценка потока нейтронов, полученная монитором нейтронного потока в пласте ураново-рудной формации эталона;

dM^скв - оценка потока нейтронов, полученная монитором нейтронного потока в текущем кванте глубины поисковой скважины;

сглаженная автосверткой интегральная скорость счета детектора эпитепловых нейтронов в выбранном временном окне в текущем кванте глубины поисковой скважины,

выбор начальной границы t_w временного окна для вычисления интегральной скорости счета детектора эпитепловых нейтронов осуществляют отысканием абсциссы точки смены экспоненциальной зависимости, сглаживающей временное распределение эпитепловых нейтронов в пласте ураново-рудной формации эталона, выбор начальной границы временного окна для расчета времени жизни теплового нейтрона в пласте осуществляют отысканием абсциссы точки смены экспоненциальной зависимости, сглаживающей временное распределение тепловых нейтронов в рудовмещающей толще эталона, а конечную границу обоих временных окон определяют как максимум времени регистрации распределения нейтронов.

На фиг. 1 показано устройство, реализующее предлагаемый способ нейтронного каротажа для определения содержания урана в ураново-рудных формациях.

Приняты обозначения: 1 - импульсный генератор быстрых (14 МэВ) нейтронов; 2 - детектор эпитепловых нейтронов; 3 - детектор тепловых нейтронов; 4 - монитор нейтронного потока генератора; 5 - блок электроники; 6 - наземный пульт управления и согласования с бортовым компьютером каротажной станции; 7 - бортовой компьютер каротажной станции; 8 - пласт ураново-рудной формации; 9 - рудовмещающая толща.

Бортовой компьютер 7 каротажной станции соединен с наземным пультом 6 управления и согласования. Наземный пульт 6 управления и согласования соединен с блоком 5 электроники. Скважинный прибор, представляющий собой совокупностью узлов: блока 5 электроники соединенного с монитором 4 нейтронного потока, с детектором 3 тепловых нейтронов, с детектором 2 эпитепловых нейтронов и импульсным генератором 1 нейтронов, перемещают по оси скважины, вскрывающей рудовмещающую толщу 9 и пласт 8 ураново-рудной формации.

После испускания генератором 1 в исследуемую среду, представленную пластом 8 ураново-рудной формации и рудовмещающей толщей 9, пачки нейтронов с энергией 14 МэВ происходит их замедление и термализация. Урановые руды относятся к замедлителям со слабым поглощением нейтронов и через время соответствующее полной термализации в среде будут присутствовать только тепловые нейтроны. Эффективное сечение реакции деления обратно пропорционально скорости нейтронов и на тепловых нейтронах для урана-235 превышает 500 барн. При реакции деления выделяются два или три нейтрона на каждый акт деления. Нейтроны испускаются возбужденными осколками деления в течение малого времени и условно называются мгновенными. Мгновенные нейтроны деления регистрируются детектором 2 эпитепловых нейтронов, тепловые - детектором 3 тепловых нейтронов. Монитор 4 нейтронного потока регистрирует флуктуации потока нейтронов генератора 1. Блок 5 электроники на базе микроконтроллера осуществляет накопление и передачу данных наземному пульту 6 управления и согласования, осуществляющему первичное преобразование и передачу информации бортовому компьютеру 7 каротажной станции. Основным отличием устройства, реализующего предлагаемый способ, от ранее описанных устройств, является оснащение скважинного прибора монитором 4 нейтронного потока, который позволяет осуществлять учет флуктуаций нейтронного потока без использования отношения данных детектора 2 эпитепловых нейтронов и детектора 3 тепловых нейтронов, несущих неоднозначность оценке содержания урана. Основным отличием способа в целом является построение расчетов содержания урана на повторяющихся измерениях эталона, изготовленного в естественном залегании рудного тела, что позволяет адекватно воспроизводить условия измерений. Эталон сохраняет физические свойства горных пород, формирующие пространственно-временное распределение нейтронов, и позволяет избежать вычисления абсолютных оценок этих свойств, и ошибок, связанных с этими вычислением.

На фиг. 2 представлено временное распределение нейтронов, полученное детектором 2 эпитепловых нейтронов, в модели урановой формации. Ось абсцисс - ось времени, прошедшего с момент окончания нейтронного импульса в микросекундах. Ось ординат - ось скорости счета детектора 2 эпитепловых нейтронов в импульсах за секунду в логарифмическом масштабе. Спустя время t_w по окончании импульса нейтронов генератора наблюдается изменение характера зависимости скорости счета от времени, вызванное окончанием процесса термализации. Величина t_w зависит от конструкции скважинного прибора и является определяющей чувствительность технической реализации способа каротажа по мгновенным нейтронам деления.

На фиг. 3 представлено временное распределение нейтронов, полученное детектором 3 тепловых нейтронов, на рудовмещающей толще 9 скважины. Ось абсцисс - ось времени, прошедшего с момент окончания нейтронного импульса в микросекундах. Ось ординат - ось скорости счета детектора 3 тепловых нейтронов в импульсах за секунду в логарифмическом масштабе. Спустя время t_b по окончании импульса нейтронов генератора наблюдается изменение характера зависимости скорости счета от времени, вызванное окончанием отклика скважинной составляющей на воздействие нейтронов генератора и началом отклика пластовой. Величина t_b зависит от конструкции скважины и является определяющей при выборе базы расчета времени жизни теплового нейтрона в пласте.

На фиг. 4 приведены результаты сравнительного анализа расчетов содержания урана, сделанного по данным кернового опробования, представленного гистограммой, и способа каротажа по мгновенным нейтронам деления, представленного графиком, на примере скважины, пересекающей урановую формацию гидрогенного типа. Ось абсцисс - ось условной глубины исследования в метрах. Ось ординат - ось содержания урана в процентах. Расхождение оценки метропроцента, величины вычисляемой как произведение среднего содержания урана в рудном интервале и мощности рудного интервала, на рудных интервалах с бортовым содержанием 0,03% не превышает 1,95%.

Способ работает следующим образом. Бортовой компьютер 7 посредству наземного пульта 6 передает команду блоку электроники 5, установить режим работы генератора нейтронов 1. Наблюденные данные детекторов и монитора 4 после преобразования передаются блоком электроники 5 в наземный пульт 6 управления и согласования и далее в бортовой компьютер 7 каротажной станции для формирования итогового файла исходных данных. Два интервала параметрической скважины, вскрывающей представительные для конкретного месторождения объекты, отвечающие требованию типичности состава, строения и физических свойств рудовмещающей толщи 9 и пласта 8 ураново-рудной формации, пройденной с высоким выходом керна, аттестуют по данным импульсного нейтрон - нейтронного каротажа и кернового опробования в качестве эталона пласта урановой формации и рудовмещающей толщи. Эталоны хранят и воспроизводят физические величины:

- среднее содержание урана в пласте ураново-рудной формации

- среднее содержание урана в интервале рудовмещающей толщи

- мощность пласта ураново-рудной формации;

- мощность интервала рудовмещающей толщи;

- среднее время жизни теплового нейтрона в пласте ураново-рудной формации.

Эталон служит для получения оценки пересчетного коэффициента и контроля стабильности этой оценки. Цикл каротажных исследований включает в себя проведение двух аппаратурных наблюдений на эталоне: до проведения каротажа поисковой скважины и после проведения каротажа поисковой скважины для получения среднего значения пересчетного коэффициента K_п оцениваемого по отношению:

где

- среднее содержание урана в пласте ураново-рудной формации эталона;

- осредненная в пласте ураново-рудной формации эталона интегральная скорость счета детектора 2 эпитепловых нейтронов в выбранном временном окне, при этом величину интегральной скорости счета S₁ вычисляют по формуле:

где - скорость счета детектора 2 эпитепловых нейтронов в i-том временном интервале за квант накопления, Т - длительность кванта накопления, t_w - начальная граница интегрирования скорости счета детектора 2 эпитепловых нейтронов и время термализации нейтронов, определяемое как результат обработки наблюдений в пласте ураново-рудной формации эталона (фиг. 2), М - конечная граница интегрирования скорости счета. Абсцисса точки изменения характера экспоненциальной зависимости указывает величину t_w;

- осредненная в интервале рудовмещающей толщи 9 эталона интегральная скорость счета детектора 2 эпитепловых нейтронов в выбранном временном окне. Пересчетный коэффициент используют в расчете содержания урана по разрезу, пересеченному поисковой скважиной в соотношении:

где

П_ст - корректирующая поправка за толщину стали обсадной колонны;

П_кв - корректирующие поправки за кавернозность ствола скважины;

- время жизни теплового нейтрона в пласте ураново-рудной формации эталона;

- время жизни теплового нейтрона в текущем кванте глубины поисковой скважины, при этом величину времени жизни теплового нейтрона в пласте τ₂ вычисляют по формуле:

где - скорость счета в i-том временном окне детектора 3 тепловых нейтронов за квант накопления; x_i - вес i-того временного окна; tb - начальная граница интегрирования скорости счета детектора 3 тепловых нейтронов, время начала отклика пластовой составляющей во временном распределении детектора 3 тепловых нейтронов, определяемое как результат обработки наблюдений в пласте 8 ураново-рудной формации эталона: абсцисса точки изменения характера экспоненциальной зависимости (фиг. 3); М - конечная граница интегрирования скорости счета детектора 3 тепловых нейтронов, определяемая как максимум времени регистрации распределения нейтронов;

t_w - время термализации нейтронов импульсного генератора;

dM^этл_Р - оценка потока нейтронов, полученная монитором 4 нейтронного потока в пласте ураново-рудной формации эталона;

dM^скв - оценка потока нейтронов, полученная монитором 4 нейтронного потока в текущем кванте глубины поисковой скважины;

сглаженная автосверткой интегральная скорость счета детектора 2 эпитепловых нейтронов в выбранном временном окне в текущем кванте глубины поисковой скважины, при этом величину сглаженной скорости счета в j-том кванте глубины вычисляют по формуле:

где S₁(n) - значение интегральной скорости счета детектора 2 в n-ном кванте глубины геофизического исследования скважины, S₁(n+j) - значение интегральной скорости счета детектора 2 в (n+j) кванте глубины геофизического исследования скважины, m - выбранная ширина таблицы свертки.

Формула (3) позволяет рассчитать содержание урана в каждом кванте глубины поисковой скважины с учетом нейтронных свойств пласта ураново-рудной формации, не прибегая к вычислению абсолютных значений величин пористости, влажности, степени поровой минерализации, лишь по отношению к имеющемуся эталону, адекватно воспроизводящему относительную меру этих величин.

Таким образом, достигается указанный технический результат, а именно снижение погрешности оценки содержания урана в пласте ураново-рудной формации.