Способ радиактивного каротажа и устройство для его осуществления

(71) Свердловский горный институт им,В.В.Вахрушева(56) Пруткина М,ИШашкин В.Л. Справочникпо радиометрической разведке и радиометрическому анализу, М.: Энергоатомиздат,1984, с.116-132,Инструкция по гамма-каротажу при поисках и разведке урановых месторождений.М.; Мингео СССР, 1974, с,162.Хайкевич И.М. и Шашкин В,Л, Опробование радиоактивных руд по гамма-излучению, М.; Энергоатомиздат, 1982, с.183.Давыдов Ю,Б, Определение урана в неравновесных урановых рудах по даннымкомплекса. бета- и гамма-измерений сухихскважин. - Изв.Вуз,Горный журнал, 1966, Мт8, с,8-13.Ларионов В.ВРезванов Р,А. Ядернаягеофизика и радиометрическая разведка, М.;Недра, 1988, с,51,62,Изобретение относится к области радиометрических методов каротажа и может быть использовано при поисках и разведке месторождений урановых руд,Целью изобретения является обеспечение возможности определения содержаний урана в неравновесных рудах в условиях заполненных буровым раствором скважин,На фиг,1 изображен общий вид устройства для реализации способа и геометрия измерений; на фиг.2 - поперечный разрез устройства через механизм перемещения, по линии А-А; на фиг;3 - в более крупном масштабе деталь механизма перемещения, взятая в пунктирный кружок на фиг.2; на фиг.4 - электрическая схема управления 54) СПОСОБ РАДИОАКТИВНОГО КАРОТАЖА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) 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, 1 табл., 8 ил. электромотором; на фиг,5 - график коэффиС) циента пропускания бета-излучения буровым раствором при расширенном детектореф (Пс): на фиг,б - график коэффициента гамма- Оизлучения буровым раствором при первомф измерении (Пбур); на фиг,7 - график коэффициента пропускания гамма-излучения буровым раствором при втором измерениид (Птур); 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 гаммчения стенок скважины при наличииго раствора между сцинтиллятором и стенкой скважины. (Сцинтиллятор при этом имеет цилиндрическую форму и минимальный диаметр).Если положить, что эластичная оболочка, в которой размещен жидкий сцинтиллятор, 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-излуцение 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 скважин ь 1 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 может быть записана в виде;1= Ко(Пн 1 (1-С)Ци+ Пв 1СКррЦи 1,(1) где ои - 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;По 1 - КОЭффИЦИЕНт ПРОПУСКаНИЯ ГЭММаизлучения ряда радия слоем бурового раствора;Пи 1 - такой же коэффициент для гамма- излучения урана;Ко - пересчетн ый 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 Пв 1 Пн 1. Доля гамма-излучения ряда радия С в общем излучении равновесного урана-радия для объема породы, из которого приходит гамма-излучение на детектор, расположенный вскважине, превышает С 0,995. Поэтому можно полагать 1=КоПбурКрр Ци . (2)где Пбур - средний коэффициент пропускания гамма-излучения буровым раствором.Величина коэффициента Пбур зависит отразности диаметров скважины и скважинного прибора (детектора) и определяетсяобычно по номограммам, приведенным вспециальной литературе или находитсяопытным путем,Сдавливают эластицную 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 стенкойскважины и оболочкой сцинтиллятора оказывается вытесненным и бета-излучениепроникает в сцинтиллятор.Регистрируют интенсивность суммар 20 ного гамма- и бета-излучения.2= КоПбурКррЦи+ К 1 Пс(аЦи++(1-а) Крр ои), (3)где а - доля бета-излучения ряда урана вобщем бета-излучении равновесного уранарадия;К 1 - пересчетный коэффициент детектора по бета-излучению в имп/с на единицусодержания равновесного урана;Пс - коэффициент пропускания бета-из 30 луцения буровым раствором при увеличенном диаметре сцинтилляторэ,определяемый экспериментально;Пбур - коэффициент пропускания гамма-излучения при увеличенном диаметре35 сцинтиллятора, также определяемый опыт. ным путем,Учитывая, что на долю продуктов распада урана до радия приходится примерно50% всего бета-излучения радиоактивного40 семейства урана, т.е, а = 0,5, выражение (3)упрощается до вида12= ЧиПбурКоКрр+0,5 ПсК 1(1+Крр).(4)По результатам обоих измерений 11 и 12получают формулу для расцета коэффициента радиоактивного равновесия Крр, разделив выражение(4) на (2):2 Ко Пбур ( 2 Пбур )1Пс 1 ПбурЗатем из уравнения (2) или (4) получаютформулу для расчета о. Например, из (2)следуетци -(6)Ко ПбурКррПроводят измерения на моделях пластов для определения постоянных коэффициентов, входящих в формулы (5) и (6).Модели пластов изготавливают из смеси равновесной урановой руды со скульп-;но П, стоусух- коэффициента ния буровым рас диаметре сцинт 1 бропуск вором ляторПтур - ко чения пр лятора ропускаом диа турным гипсом или цементом, Содержание Дете+ бтл - абул ураНаСи одВПОЛуЧЕННОйСМЕСИОПрЕдЕЛяЮтРсух(у+8)сух -1 усух с помощью химического или радиометриче- - пересчетного коэффициента по бета- ского анализа, )Келательно. чтобы оно удое- излучению летворяло условию 0,05 симод 0,85сук Модели имеют форму барабана с цилиндриК 1 = (10) ческим отверстием в центре, Разные моде- - пересчетного коэффициента по гаммали, а их должно быть 3 - 4 штуки, отличаются только диаметром цилиндрического отвер"цйд" "би па%10 ц хк (11) распространенным диаметрам исследуе- симоб мых буровых скважин. Высота моделей не где ефр - множитель, учитывающий осменее 0,6 м (пласт насыщенной мощности). лабление гамма-излучения слоем свинца, Модели также должны обеспечивать воз- окрухсающим сцинтиллятор и ри измерениях можность заполнения отверстия(скважины) 15 на модели; в них водой (глинистым раствором) и осво- р = 0,033 см/г - массовый коэффицибождения его от залитой жидкости. ент поглощения гамма-излучения;На каждой из моделей выполняют сле- р= 11,4 г/см - плотность свинца; дующие измерения, Ь - толщина слоя свинца, см.На "сухой" модели, т.е. без заполнения 20. Поглощение гамма-излучения в свинце скважины в ней буровым раствором, изме- при вычислении Птур и П бур неучитывается, ряют интенсивность гамма + бета-излуче- рру ния при минимальном диаметре сцинтиллятора, располагая его по высоте в нателе выражений (7) и (8) сократится, середине скважины и прижимая к одной из 25 ее стенок - ( +Р) уным на моделях с различными диаметрами ее стенок - у+р) у+р) сухотверстия, строят графики зависимости Повторяют замер при таком же распоэтих коэффициентов от диаметра скважины ложении сцинтиллятора, но закРыв его (с) Придуеры эт х граф ос, римеры этих графиков приведены на предварительно тонким, порядка 0,3-0,5 фиг,5 - 7, Уменьшение коэффициента Пбур, с мм, слоем свинца, достаточным для поглоростом диаметра скважины обьясняется . щения бета-излучения пласта, измеряя таувеличением толщины слоя бурового раским образом интенсивностьусух.твора между стенкой скважины и сцинтилРасширяют сцинтиллятор до соприкос лятором а уменьшение Пбур и П свения со стенками скважины и также производят два измерения - со слоем шением части поверхности эластичной обосвинца с х, и без оного( +,Л)4 а усух ибезоного(у+а)сух лочки, вплотную прилегающей к стенкеЗаполняют отверстие в модели(скважи- скважины. ну) стандартным буровым раствором и про- В дальнейшем графики Фиг,5 - 7 испольизводят аналогичные измерения с зуют для определения коэффициентов проминимальным диаметром сцинтиллятора и пускания, соответствующих любому40.со свинцовым экраном -гбур и без экрана фактическому диаметру исследуемой сква-(у+Р) бур и с расширенным сцинтиллято- . жинь,/Ромбур и(у+ф) бур, Способ осуществляется при помощи усПроизводят вычисления коэффициен- тройства изображенного на фиг,1. Устройство радиоактивного каротажа включает- коэффициента пропускания гамма-из- корпус, состоящий из двух цилиндрическихлучения буровым раствором при минималь- частей: верхней 1 и нижней 2. Пространство ном диаметре сцинтиллятора между частями 1 и 2 закрыто эластичнойцилиндрической оболочкой 3, например, изб резины или каучука и заполнено жидкимсцинтиллятором 4, например, раствороми ания гамма-из- терфенила в ксилоле или метилбората в толуче т при расширен- луоле, В верхней части 1 корпуса размещен ном ил а Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 5, ФоуР1 Усух (8) токатод которого отделен от жидкого сцинтиллятора слоем прочного прозрачного эффициентп ния бета-лзлу- матеРиала б, например, кварцевого стекла, и расширенн метре сцинтил- В нижней части 2 корпуса расположен электромотор 7, предназначенный для приведения 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 которогб равен диаметру корпуса устройства.Производят первое измерение при наличии бурового раствора 20 между сцинтиллятором 4 и стенками скважины. Результат первого измерения 11 характеризует интенсивность естественного гамма-излучения стенок скважины, поскольку бета-излучение 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 сцинтиллятор 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 прекрэщается, когда полый барабан 13 доходит донижнего концевого контакта 16, размыкаяего и отключая электромотор 7.После остановки электромотора произ 5 водят второе измерение уже при вытесненном буровом растворе междусцинтиллятором и стенками скважины. Результат второго измерения 2 характеризуетсумму гамма- и бета-излучения стенок сква-,10 жины.Измеренные интенсивности 1 и 12 служат для расчета содержания урана и коэффициента радиоактивного равновесиягорных пород (см. формулы 5 и 6),15 По окончании измерений электромотор7 реверсируют, Для этого жилу "б" подключают к "плюсу", а жилу "а" к "минусу" источника тока, Цепь питания электромотора 7замыкается через диод 19 и нормально зам 20 кнутый контакт 17, электромотор приходитв вращение в обратном направлении и раздвигает части 1 и 2 корпуса до тех пор, покакольцо 13 не замкнет верхний концевой контакт 17, После этого устройство готово для25 перемещения на следующую точку наблюдения.Изобретение иллюстрируется следующим примером. Для проверки способа и устройства был разработан и изготовлен30 опытный образец устройства с внешним диаметром скважинного прибора 48 мм, с эластичной оболочкой сцинтиллятора извакуумной резины толщиной 2,0 мм при общей длине контейнера 160 мм, Объем сцин 35 тилляторэ в контейнере составил 234 см,При градуировании устройства на модели рудного пласта с равновесной урановойсредой с известным содержанием урана,для сцинтилпяционного детектора получе 40 ны коэффициенты: К 0= 520 имп/с на 0,0106урана, К 1= 104 имп/с на 0,01% урана при Пс= 1 для начального диаметра скважины 48 мм, Изменение регистрируемой интенсивности бета-излучения при изменении диа метра скважины от 48 мм до. 120 мм, вотносительной форме представляющее собой изменение коэффициента Пс, приведено на фиг.5 (экспериментальные данныенанесены точками),50 На фиг.6 и 7 приведены эксперимен тальные значения коэффициентов Птур иПбур для данной конструкции прибора и сцинтилляционного детектора; определенные с заполнением скважины. водой ( р 0 = 1 55 г/см) и пересчитанные на слой буровогораствора между диаметром скважины (2 г) иначальным диаметром контейнера сцинтиллятора (2 й),С использованием приведенных градуировочных коэффициентов был проведенопытный каротак по точкам через 50 см в скважине на одном из месторождений инфильтрационного типа. При проходке этой скважины из рудного интервала был получен выход керна, близкий к 100 О, Керн был 5 подвергнут тщательному химическому и радиометрическому анализу на содержание урана и радия с последующим расчетом значения Крр, Перед проведением каротажа исследуемый интервал скважины был очищен 10 от глинистой корки металлическим ершом, скважина промыта водой; По данным кавернометрии средний диаметр скважины в рудной зоне составил 81 мм с вариацией в пределах + 5 мм, Для исключения влияния 15 статистической погрешности отсчетов измерение на каждой точке проводилось в течение 100 с, что обеспечивало статистическую погрешность отсчетов менее.1 О, Результаты измерений и обработки 20 информации приведены в таблице в сопоставлении с данными опробования керна. Как следует из данных таблицы, систематической погрешности между данными опробования практически не наблюдается, Это 25 свидетельствует о том, что способ и устройство выполняют свое целевое назначение и могут полностью заменить более дорогостоящее, .малооперативное и малопредставительное (особенно в условиях 30 ограниченного выхода) опробование керна.По данным, приведенным в таблице, на фиг.8 построены графики изменения интенсивности 31 и график содержания урана ои, рассчитанного по формуле (б) на основании 35 двойных измерений - 1 и 2.График интенсивности 1 (при наличии раствора между сцинтиллятором и стенками скважины) эквивалентен диаграмме обычного гамма-каротажа (1,2,3,5), Сопо ставление графиков 1 и цнаглядно показывает, что недоучет величины Крр или отсутствие сведений о нем, может привести к большим погрешностям в определении содержания урана по данным ГК(см. интервал 45 788,5 - 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 точность и достоверность определения содержания урана в рудах.Формула изобретения 1. Способ радиоактивного каротажа, включающий раздельное измеренйе сцинтилляционным детектором интенсивности гамма-излучения и интенсивности суммарного гамма- и бета-излучения исследуемых горных пород по разрезу. скважины с последующим определением пор совокупности двух измерений коэффициента радиоактивного равновесия и вычислением содержания урана в стенках скважины с уче- . том проведения комплекса аналогичных измерений на модельных пластах, о т л и ч а ющ и й 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 сцинтиллятора, размещенного в эластичной оболочке, причем измерение интенсивности гамма-излучения производят при наличии бурового раствора между сцинтиллятором и стенкой скважины, а измерение суммарной интенсивности гамма- и бета-излучения - после вытеснения бурового раствора жидким сцинтиллятором,2, Устройство для радиоактивного каротажа, содеркащее корпус, фотоэлектронный умножитель и сцинтилляционный детектор, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что корпус выполнен составным из верхней и них;ней цилиндрических частей, установленных соосно, на заданном расстоянии одна от другой с возмож юстыо возвратно-поступательного перемещения нижней части, верхняя и нижняя части герметично соединены эластичной цилиндрической оболочкой, заполненной жидким сцинтиллятором, при этом фотоэлектронный умножитель размещен в верхней части корпуса. а жидкий сцинтиллятор отделен от фотоэлектронного умножителя слоем кварцевого стекла.сч счо Ь с СЧсо О М СЧ ф с 1 с- ф СЧ СЧ М Сс 0 ЪСЧ О СО Со СМ й СО В О СЧ В ас О О О О О О О 1О о с Б 5 5 Е Ф 0 ъ сО 1- 1 Ф О с 1 ф 1 О М с- СЬ с- фС" М СО О) с- М СЧ 01 ф 1 й О с- СЧ Ф ф О) й й ф й 1 СС с- сСЧ ф ф О Ф 1 - С 1 1 М М й Соф С О С О й 0 СО Еф- СЧ Сф) й ф М с 1 ф фФ М с- с РР сф) сч оо й фФ м мС 3 1 (Ч с СВ с СЧ фФ О с Ю О О О О О О м Ю М с- СО ф С)с- О О О О) О ф О с. с 3 й С.1 й СО СО с- СЧ ч- О О О Ос О й О О О й О й О й ф СО 1. 1. СО СО О) .Ф О О СО ф СО ф СО СО СО СО 01 й1Г 1- 1 О й О) О) сС 1- Ф у о сС Б 1- с Ф О Е сС Х 5 Ю с 1 о с Б 5 со СО М сч сосб сч сч Ь Ь о с-й О) О ф м Г" с,3 с 4 Ь Ь ф СВ ф- СЧ ос с 1 О СЧ СЧ сч сч О Р О 0 ъ Р СЧ СЧ ф сб ) соо о Ьг а чМ О) СЧСО О) сСО Р) со Со СО СЧ1805431 оставитель И.Сковородника ехред М.Моргентал К ектор Н.Коше Редактор Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 аказ 941 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва. Ж. Раушская наб., 4/5