Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ВОЛЬФРАМА И МОЛИБДЕНА

Предлагаемое изобретение относится к области ядерно-физических исследований скважин и предназначается для раздельного определения содержания вольфрама и молибдена в комплексных рудах, вскрытых буровыми скважинами.

Известно большое количество рудных месторождений, в которых вольфрам встречается вместе с молибденом. Это месторождения скарнового, грейзенового, гидротермального и некоторых других типов (Смирнов В.И., Гинзбург А.И., Григорьев В.М. и др. Курс рудных месторождений. 2-е изд. перераб. и доп. - М, Недра, 1986. - 360 с., с. 167-179 и 181-191).

В настоящее время основной известный способ определения содержаний вольфрама и молибдена в рудах - это способ опробования. Он заключается в отборе проб руды из стенок горных выработок или керна буровых скважин, последующем дроблении руды и определении содержания в пробах этих металлов химическим или каким-либо другим методом. Например, методом полярографии переменного тока, который описан в изобретении по авторскому свидетельству 829573, кл. G01G 41/00, G01N 27/48.

Независимо от метода определения содержания металлов в пробе, необходимыми остаются операции отбора и измельчения пробы, что делает этот способ трудоемким и дорогим.

Между тем, в ядерной геофизике известны методы изучения вещественного состава среды, не требующие ее предварительного дробления. Эти методы заключаются в облучении исследуемого вещества потоком какого-либо радиоактивного излучения с одновременной регистрацией вторичного излучения, наведенного первичным. Так, например, известен метод НГК - нейтронного гамма-каротажа, с помощью которого определяют содержание водорода в горных породах, а по содержанию водорода оценивают пористость пород. Метод заключается в облучении стенок скважины постоянным во времени потоком нейтронов и измерении наведенного этим облучением гамма-излучения. Причиной возникновения гамма-излучения является так называемый «радиационный захват» ядрами различных элементов нейтронов источника, успевших замедлиться до тепловых энергий. А замедляются нейтроны эффективнее всего при соударениях с ядрами водорода. Отсюда - зависимость показаний НГК от водородосодержания исследуемой среды.

Основной недостаток метода - это влияние на результаты исследований наличия в породах химических элементов с повышенным сечением захвата тепловых нейтронов (хлора, бора, кадмия, редких земель) (Арцыбашев В.А. Ядерно-геофизическая разведка. Учебн. пособие для вузов. М., Атомиздат, 1972 - 400 с., с. 111-123).

Известен также метод импульсного нейтронного гамма-каротажа. Примером может служить так называемый С/О каротаж. В этом методе горные породы облучают кратковременными (5-25 мкс) импульсами высокоэнергетических нейтронов, а в промежутках между импульсами измеряют наведенное ими гамма-излучение неупругого рассеяния нейтронов (ГИНР), испускаемое ядрами углерода и кислорода. Для измерений используют гамма-спектрометр, один канал которого настраивают на энергию ГИНР углерода, а другой на энергию ГИНР кислорода. По отношению содержаний углерода и кислорода определяют, чем насыщены поры пород: нефтью или водой (Хаматдинов Р.Т., Велижанин В.А., Черменский В.Г. С/О - каротаж - перспективная основа современного геофизического мониторинга нефтяных месторождений. // НТВ «Каротажник», 2001. - Вып 12-13. - с. 3-23).

Основной недостаток углеродно-кислородного каротажа - необходимость применения для возбуждения ГИНР источника нейтронов, дающего нейтроны с достаточно высокой энергией, необходимой для реакции неупругого рассеяния нейтронов на ядрах углерода и кислорода. Таким источником может быть только импульсный генератор нейтронов, применение которого значительно удорожает этот метод.

Ближайшим аналогом (прототипом) предлагаемого способа является метод рентгенорадиометрического каротажа (РРК).

РРК заключается в облучении стенок скважины потоком гамма-квантов невысокой энергии при одновременном измерении интенсивности и энергии вызванного этим облучением рентгеновского излучения. Метод РРК основан на явлении фотоэлектрического поглощения гамма-излучения (фото-эффекте). В результате фотоэффекта ϒ-квантом из атома выбивается электрон с одной из глубинных орбит, после чего атом остается в возбужденном состоянии. Освободившееся место на глубинной орбите занимает электрон, перешедший с одной из удаленных орбит атома. Разность энергий электрона на удаленной и внутренней орбите высвобождается в виде рентгеновского излучения. Для элементов с атомным номером более 30 энергия этого рентгеновского излучения достаточна для того, чтобы ее можно было измерить в скважинных условиях. Поэтому метод РРК применяют для определения содержания в рудах тяжелых элементов (с Z>30), к числу которых и относятся вольфрам (Z=74) и молибден (Z=42).

Основной недостаток метода РРК - это малая глубина исследований, не превышающая 1 мм, что связано с низкой проникающей способностью рентгеновского излучения (Леман Е.П. Рентгено-радиометрический метод опробования месторождений цветных и редких металлов. Изд. 2-е перераб. и доп. Л., «Недра», 1978, 231 с. (Wo и Мо - с. 192-202)). Это делает результаты РРК недостаточно представительными и недостаточно достоверными.

Задача предлагаемого технического решения - повышение представительности и достоверности результатов определения содержания вольфрама и молибдена в рудах комплексного состава, а решение этой задачи обеспечивается за счет увеличения глубины исследований.

Поставленная цель заключается в облучении стенок скважины первичным излучением при одновременной регистрации наведенного им вторичного излучения атомов определяемых элементов, что в качестве первичного излучения используют нейтронное излучение от стационарного источника, а измеряют наведенное им гамма-излучение неупругого рассеяния нейтронов на ядрах атомов определяемых элементов с помощью гамма-спектрометра, один канал которого настраивают на энергию гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов вольфрама, а другой - на энергию аналогичного гамма-излучения молибдена.

На фиг. 1 приведена горизонтальная модель скважины, содержащая рудное подсечение, а на фиг. 2 показаны результаты измерений на этой модели.

Использование этого физического явления для раздельного определения в комплексных рудах содержания вольфрама и молибдена обосновано благоприятными физическими предпосылками.

Во-первых, для реакции неупругого рассеяния нейтронов ядрами вольфрама и молибдена нужна не очень высокая энергия нейтронов, а именно для этой реакции на ядрах вольфрама нужна энергия не менее 3,0 МэВ, а на ядрах молибдена - 3,2 МэВ. При этом сечение реакции неупругого рассеяния на ядрах вольфрама σ=2,4-2,8 барн, а на ядрах молибдена σ=0,33-0,66 барн. Это означает, что для возбуждения ГИНР на вольфраме и молибдене можно использовать ампульный источник нейтронов, который намного дешевле импульсного.

Как известно (Возжеников Г.С., Белышев Ю.В. Радиометрия и ядерная геофизика. Учебн. пособие для вузов. - Екатеринбург. 2000 - 406 с., с. 233), большая часть нейтронов, испускаемых, например, полоний-бериллиевым источником, имеет энергию в пределах от 3 до 8 МэВ.

Во-вторых, ГИНР вольфрама и молибдена достаточно различаются по энергии: вольфрам испускает ГИНР с энергией Е_γ=0,21; 0,38; 0,57; 0,76 МэВ, а молибден с энергией Е_γ=0,73; 1,44; 2,5 МэВ (Филиппов Е.М. Прикладная ядерная геофизика. М. Изд-во АН СССР, 1962. - 580 с., с. 539). Таким образом, для раздельного определения содержаний вольфрама и молибдена достаточно настроить один канал гамма-спектрометра на энергию 0,57 МэВ (W), другой - на энергию 1,44 МэВ (Мо).

Таким образом, предлагаемый способ определения содержания вольфрама и молибдена в рудных подсечениях буровых скважин заключается в облучении стенок скважин нейтронным излучением от стационарного источника при одновременной регистрации наведенного им гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов на ядрах атомов определяемых элементов с помощью гамма-спектрометра, один канал которого настраивают на энергию гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов на ядрах атомов вольфрама, а другой - на энергию аналогичного излучения молибдена.

Спектрометрия измеряемого гамма-излучения позволяет избавиться от влияния на получаемые результаты естественного гамма-излучения горных пород и наведенного гамма-излучения, связанного с радиационным захватом нейтронов, замедлившихся до тепловых и надтепловых энергий (ГИРЗ). Глубинность предложенного метода соответствует глубинности обычного интегрального НГК и составляет около 0,5 м. Это в несколько сотен раз превышает глубинность традиционного метода РРК.

Осуществляется предложенный способ с помощью обычных скважинных приборов для метода нейтронного гамма-каротажа, но наземная измерительная аппаратура должна быть спектрметрической, такой, например, как в методе углеродно-кислородного каротажа.

Предложенный способ был проверен в лабораторных условиях - на горизонтальной модели скважины, установленной в лаборатории каротажа кафедры геофизики Уральского государственного горного университета (УГГУ). Модель представляет собой желоб - половину асбоцементной трубы (1), заполненную водой (фиг. 1).

Была изготовлена модель рудного подсечения (2). Для этого в чистый кварцевый песок были добавлены размолотые примерно до 1 мм вольфрамит (Mn,Fe)(WO)₄ и молибденит MoS₂. Общая протяженность модели рудного подсечения сотавила ровно 1 м. При этом, в первых 40 см (отрезок 2а) преобладало содержание вольфрама (в пересчете на чистый металл оно составило 4% весовых) при содержании молибдена (также в пересчете на чистый металл) - 2%. В следующих 60 см (отрезок 26) соотношение содержаний этих металлов было противоположным - 2% W и 4% Мо.

Толщина слоя руды составляла 25 см (сделать ее больше оказалось невозможным по техническим причинам).

Измерения выполнялись аппаратурой СГСЛ-2 (скважинный гамма-спектрометр) к скважинному снаряду которого был прикреплен Ро-Ве источник нейтронов на расстоянии 50 см от детектора γ-квантов. Между нижним концом снаряда и источником нейтронов был расположен свинцовый экран толщиной 23 см для поглощения γ-излучения источника нейтронов.

Один канал гамма-спектрометра был настроен на 0,57 МэВ (энергия ГИНР вольфрама), второй - на 1,44 МэВ (энергия ГИНР молибдена). Выбраны наиболее жесткие линии в спектрах каждого из элементов, чтобы обеспечить наибольшую глубинность определений. Линия 0,76 МэВ в спектре вольфрама не использована из-за наличия близкой линии 0,73 МэВ в спектре молибдена. Точки измерения располагались на расстоянии 5 см одна от другой по оси модели скважины.

Результаты измерений представлены на рисунке (фиг. 2). Результаты измерений относились к средней точке детектора γ-квантов.

Как видно по рисунку фиг. 2, рудный интервал выделяется повышением интенсивности измеренного γ-излучения до 15-35 имп/мин при показаниях 4-7 имп/мин над «вмещающими породами».

При этом содержанию в 1% вольфрама соответствует повышение интенсивности γ-излучения на ≈ 7 имп/мин, а на 1% Мо - на ≈ 2,5 имп/мин.

Таким образом, полученные результаты показывают, что предложенный способ дает возможность раздельного определения содержаний W и Мо в комплексных рудах. Естественно, что при измерениях в скважинах пересчетный коэффициент для перехода от измерений интенсивности ГИНР к содержанию определяемых элементов будет иным, чем при измерениях на моделях, в первую очередь из-за большой толщины исследуемого слоя руды.

Указанное сочетание отличительных признаков заявленного способа не встречено в известных технических решениях, это позволяет считать, что объект изобретения удовлетворяет критерию «существенные отличия».