Способ радиактивного каротажа и устройство для его осуществления

 

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 гаммаизлучения 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s G 01 V 5/04

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОЛИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕ.ПЬСТВУ

С)

:Од ,> (21) 4749743/25 (22) 17.10,89 (46) 30,03,93. Бюл, N 12 (71) Свердловский горный институт им, В.В. Вахрушева (72) А.В.Давыдов и И,Г.Сковородников (56) Пруткина М.И„Шашкин В.Л. Справочник по 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 данным комплекса. бета- и гамма-измерений сухих скважин. — Изв.Вуз,Горный журнал, 1966, N.

8, с.8-13. Ларионов В.В., Резванов P.À. Ядерная геофизика 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

«50„„1805431 А1 (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 коэффициента пропускания бета-излучения буровым раствором при расширенном детекторе (Пс); на фиг.б — график коэффициента гаммаизлучения буровым раствором при первом измерении (Птур); 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-.

1805431 го 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-излучение 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 может быть записана в виде; !

1 = Ко(Пн1 (1-С)Ци+ П» С Крр Ци), (1) где q> — процентное содержание урана в горной породе:

Крр — коэффициент радиоактивного равновесия между ураном и радием;

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

Пва — коэффициент пропускания гэммаизлучения ряда радия слоем бурового раствора;

Пи1 — такой же коэффициент для гаммаизлучения урана;

Kp — 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 собстаенно 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 Пы»Пи . 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 С>0,995. Поэтому можно полагать!

1= Kp Пбур Kpp Ци, . (2) где Пбур средний коэффициент пропускания гамма-излучения буровым раствором.

Величина коэффициента Пбур зависит от разности диаметров скважины и скважинного 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 в сцинтиллятор.

Регистрируют интенсивность суммарного гамма- и бета-излучения. (2 = Kp Пбур Kpp Ци+ К1 Пс (a Ци+

+(1-а) . Крр ци), (3) где а — доля бета-излучения ряда урана в общем бета-излучении равновесного уранарадия;

К1 — пересчетный коэффициент детектора по бета-излучению в имп/с на единицу содержания равновесного урана;

Пс — коэффициент пропускания бета- из30 лучения буровым раствором при увеличенном диаметре сцинтилляторэ, определяемый экспериментально;

Пбур коэффициент пропускания гамма-излучения при увеличенном диаметре

35 сцинтиллятора, также определяемый опытным путем, Учитывая, что на долю продуктов распада урана до радия приходится примерно

50% всего бета-излучения радиоактивного

40 семейства урана, т.е. а = 0,5, выражение (3) упрощается до вида

lZ = Ци(Пбур Kp * Крр + 0,5Пс К1(1+Крр)). (4)

По результатам обоих измерений 11 и Iz получают формулу для расчета коэффициента радиоактивного равновесия Крр, разделив выражение (4) на (2):

Ф вЂ” 1

Ко Пбур (2 Пбур ) 1 ) (5)

50 К" Пс I) Пбур

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

Чи... (6)

Kp Пбур Крр

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-;

1805431 турным гипсом или цементом. Содержание урана

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 (пласт 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 — (y+P) cyx

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 l ycyx

Расширяют сцинтиллятор до соприкосновения со стенками скважины и также производят два измерения — со слоем свинца! у ух . и без оногol (y +P) су<

Заполняют отверстие в модели (скважину) стандартным буровым раствором и производят аналогичные измерения с минимальным диаметром сцинтиллятора и со свинцовым экраном — l гбур и без экрана ! (y+p) бур и с расширенным сцинтиллятоpaM ySyp и l (y+/3) бур, Производят вычисления коэффициентов: — коэффициента пропускания гамма-излучения буровым раствором при минимальном диаметре сцинтиллятора

Пбур = б (7)

l ycyx — коэффициента пропускания гамма-излучения буровым раствором при расширенном диаметре сцинтиллятора

I пбур .— Д вЂ”.. (8)

l y cyx — коэффициентапропускания бета-излучения при расширенном диаметре сцинтиллятора

П - Д бУР < + бУР Д УР ;(9)

Pcyx (y+P) сух > сух — пересчетного коэффициента по бетаизлучению ( — пересчетного коэффициента по гаммаизлучению х —— (11)

h — толщина слоя свинца, см.

Поглощение гамма-излучения в свинце пРи вычислении Пбур и П бур не УчитываетсЯ, т.к, множитель е йр! в числителе и знаменателе выражений (7) и (8) сократится, 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

30 фиг.5 — 7. Уменьшение коэффициента Пбур. С ростом диаметра скважины объясняется . увеличением толщины слоя бурового раствора между стенкой скважины и сцинтиллятором, а уменьшение П бур и Пс с увеличением диаметра скважины — уменьшением части поверхности эластичной оболочки, вплотную прилегающей к стенке скважины.

В дальнейшем графики фиг,5 — 7 исполь4 зуют для определения коэффициентов пропускания, соответствующих любому фактическому диаметру исследуемой скважины, Способ осуществляется при помощи устройства, изображенного на фиг.1. Устройство радиоактивного каротажа включает корпус, состоящий из двух цилиндрических частей: верхней l и нижней 2. Пространство между частями 1 и 2 закрыто эластичной цилиндрической оболочкой 3, например, из резины или каучука и заполнено жидким сцинтиллятором 4, например, раствором терфенила в ксилоле или метилбората в толуоле, В верхней части 1 корпуса размещен фотоэлектронный умно>китель (ФЭУ) 5, фотокатод которого отделен от жидкого сцинтиллятора слоем прочного прозрачного материала б, например, кварцевого стекла.

В нижней части 2 корпуса расположен электромотор 7, предназначенный для приведе1805431 ния 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 I > 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 прекращается, когда полый барабан 13 доходит до нижнего концевого контакта 16, размыкая его и отключая электромотор 7.

После остановки электромотора произ5 водят второе измерение уже при вытесненном буровом растворе между сцинтиллятором и стенками скважины. Результат второго измерения Iz характеризует сумму гамма- и бета-излучения стенок сква- .

10 жины.

Измеренные интенсивности 1> и 1 служат для расчета содержания урана и коэффициента радиоактивного равновесия горных пород (см. формулы 5 и 6).

15 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 зам20 кнутый 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

25 перемещения на следующую точку наблюдения.

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

30 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 сцин35 тиллятора в контейнере составил 234 см, При градуировании устройства на модели рудного пласта с равновесной урановой средой с известным содержанием урана, для сцинтилляционного детектора получе40 ны коэффициенты; К> = 520 имп/с на 0,01 g, урана, K> = 104 имп/с на 0,017 урана при П

= 1 для начального диаметра скважины 48 мм, Изменение регистрируемой интенсивности бета-излучения при изменении диа45 метра скважины от 48 мм до. 120 мм, в относительной форме представляющее собой изменение коэффициента П, приведено на фиг.5 (экспериментальные данные нанесены точками), 50 На фиг.6 и 7 приведены эксперимен тальные значения коэффициентов Птур и

П еур для данной конструкции прибора и сцинтилляционного детектора; определенные с заполнением скважины. водой (р = 1

55 г/см ) и пересчитанные на слой бурового раствора между диаметром скважины (2г) и начальным диаметром контейнера сцинтиллятора (2R), С использованием приведенных градуировочных коэффициентов был проведен

1805431

10 опытный карота>к 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, 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 ме. нее-1, 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 l< и график содержания урана q, рассчитанного по формуле (6) на основании 35 двойных измерений — 1 и Ь.

График интенсивности l< (при наличии раствора между сцинтиллятором и стенками скважины) эквивалентен диаграмме обычного гамма-каротажа (1,2,3,5), Сопо- 40 ставление графиков l1 и ц„наглядно показывает, что недоучет величины Крр или отсутствие сведений о нем, может привести к большим погрешностям в определении содержания урана поданным 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 юшийся 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 гаммаи бета-излучения — после вытеснения бурового раствора жидким сцинтиллятором, 2. Устройство для радиоактивного каротажа, содер>кащее 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.

1805431 1

«О С 4 ж

I

М Î Q «D Cb

СП СО

CO СЧ ««

1 I,Оллgg

Л СО Ф М

«D W n Ю

% 1 1 C

0Ъ

«О

О х

О о

О д

LA

О с

LA oo л о

О м. с4 о

IA l»

1 ц> «D л

О

«О

М LA «д

r)

LA

Сб (") YJ О О О

% %

М Cb СЧ

СО Cb

СО СЧ N

СЧ СЧ О О

«D ct

СЧ hl

М С. CO Е «D СЧ N М Е 0Ъ

СЧ О СО CD М М LA СО СП О СЧ В

«- О О О О О О О « 1» О Я

Б

Ф

Cb СО I Л Cb О CI CO t О М «- СЬ

rt М CO Cb «- С Ъ СЧ Cb «О I» LA О

СЧ с3 СО О) LA LA СО LA

Сч Со «D О Cb t» Cr Л М М и CO

О О Э Л О Л О LA В СО

N М LA CO С > O «D Ф М

С9 СО

С9 С

СЧ СЧ о о

«й Ф м м

cl л

СЧ

О) с

Ф

О с

Ю

О О О О О м

«D М «- СО «D С ) О О О

О) О Ф О Ф Л

С"3 LA CO СО «- СМ

О О О О

О LA О О О и О IA О СО

СО «D I Л СО CO О) .Cb О О

СО СО СО СО СО CO СО CO 01 Cb

l I t» 1 t I t» I» t Л

О Ю

Cb Cb

I t

LA «D Л CO ««I

«»

Ф у и

«It

IС

Ф

Е

«С

Х

«D. с

» с

Х

СЧ о

» с

S со О О

Ф %

CO М

N CD м

С9 СЧ СЧ O О О

Ф ° %

LA Cb О

«D М Л

СЧ

С,«СЧ О О

CD СВ

СЧ

СЧ СЧ Ф О

СЧ СЧ О Р

О Cb л cv

C4

С ) СО

I СО

СО СЧ

4") Ф

СС

О а.

СЧ О

1805431

1805431, У.

Б ГЛ (r-Р), cw

08

„с,(г-ф

8/й;1

1805431

Составитель И.Сковородников

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Н.Кошеля

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 941 Тираж Подписное

BHNNflN Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35. Раушская наб., 4/5