CN103470252B - 基于超热中子时间谱的瞬发中子测井及铀矿定量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于超热中子时间谱的瞬发中子测井及铀矿定量方法，具体是指，在钻孔中以脉冲方式向地层岩石发射快中子，即原生中子，原生中子慢化为热中子，热中子诱发²³⁵U裂变并放射铀裂变瞬发中子，即二次中子。原生中子与二次中子均随时间慢化为超热中子与热中子；然后记录超热中子时间谱，从中提取表示原生中子慢化能力和铀裂变持续能力的两个系数1/τ₂和1/τ₁，定义n_E(t₁)/n_E(t₂)为“裂变/慢化”比，并以“裂变/慢化”比构建地层岩石铀定量算法。同时本发明公开了一种用于铀矿脉冲中子测井的超热中子探测器与时间谱仪，以及基于超热中子时间谱与饱和矿层的铀定量实时算法。

Description

基于超热中子时间谱的瞬发中子测井及铀矿定量方法

技术领域

本发明涉及在铀矿勘探钻孔中用于地层岩石铀定量的一种铀裂变瞬发中子测井技术，也是一种脉冲中子测井技术。

背景技术

在钻孔中开展的核辐射测量称为核测井，是随着当代科技发展，以及在矿产(特别是能源矿产)勘查中的应用而迅速发展起来的一项尖端技术。核测井是利用地层岩石天然产生或人工诱发的放射性射线，研究射线沿钻孔轴线(井轴)分布规律，以此确定地层岩石是否含有某些核素(元素)、并确定元素含量的一种无损探测方法。相比地面核辐射测量，很多测量方法难以在井中实现，即核测井必须克服钻孔空间狭小、井深加大伴随的高温高压及其它条件约束。目前的核测井主要有γ测井、中子测井等，其中脉冲中子测井是利用小型可控中子发生器(氘氚或氘氘加速器制作而成)，以脉冲方式向井下地层岩石(达数千米)发射快中子，探测中子诱发的γ射线能谱、或原生中子或二次中子的时间谱，是一种定性与定量的先进核测井技术。

在铀矿勘探领域，我国一直采用自然γ总量(或能谱)测井进行铀定量，因铀元素并非γ核素(而是其衰变子体)，属于“间接测铀”技术；须岩性取样与化学分析求取铀与子体(特别是镭及子体)的放射性平衡系数，以及钍系γ核素与⁴⁰K(钾同位素)的γ射线份额，以此修正这些影响因素造成的铀定量偏差。具有钻探效率低、勘探成本高、铀定量周期长等缺点。铀裂变瞬发中子测井是“直接测铀”的一种铀矿定量测井技术，在确定地层岩石铀含量时，甚至无需进行深部岩性取样与实验室化学分析。

因地层岩石铀含量均偏低，小型中子发生器产额难以提高，使中子诱发地层岩石²³⁵U裂变的核反应率极低。因而，基于脉冲中子的铀裂变瞬发中子(或缓发中子)测井技术现仍处于理论研究和实验阶段。目前，该测井技术无国产仪器，美欧核大国仪器产品一直限制出口我国。为此，本发明主要目的在于：自主研发铀裂变瞬发中子测井关键技术、仪器部件与铀定量方法，以便摆脱国外技术封锁，促进我国铀裂变瞬发中子测井尽快实用化，以替代现行铀定量的自然γ测井技术，进而实现“直接测铀”及铀矿定量。

发明内容

本发明的目的在于研发了铀裂变瞬发中子测井的超热中子探测器结构与超热中子时间谱仪，开发了基于饱和矿层的铀定量实时算法。

本发明的技术方案为：一种基于超热中子时间谱的瞬发中子测井及铀矿定量方法，该方法由小型可控中子发生器向钻孔周围的地层岩石发射快中子，也称为原生中子。原生中子被地层岩石与钻孔介质相继慢化为超热中子与热中子，热中子诱发²³⁵U裂变并放射出铀裂变瞬发中子，也称为二次中子。二次中子又相继慢化成为超热中子与热中子，并可再次诱发²³⁵U裂变，如此反复，将形成与铀裂变密切相关的超热中子随时间的特有变化规律；其特征在于：利用超热中子探测器沿井轴测量原生中子与二次中子慢化而来的超热中子，由超热中子时间谱仪将其形成为超热中子时间谱，从该时间谱中提取表示原生中子慢化能力和铀裂变持续能力的两个系数1/τ₂和1/τ₁，定义n_E(t₁)/n_E(t₂)为“裂变/慢化”比，最后以“裂变/慢化”比构建基于饱和矿层的铀定量实时算法。

超热中子探测器选用³He的正比计数管制作超热中子探测器，其内部充气压力为0.6Mpa～1.2Mpa；超热中子探测器的正比计数管外围包裹5mm～6mm壁厚的含氢量很高的聚乙烯中子慢化材料，慢化材料外围再包裹0.5mm～1.5mm壁厚的金属镉皮，其中慢化材料用于将热中子慢化为超热中子，金属镉皮用于阻挡热中子进入超热中子探测器；超热中子探测器的正比计数管紧靠中子发生器。

超热中子时间谱仪内部包含³He正比计数管、包裹³He正比计数管的聚乙烯中子慢化材料、包裹在慢化材料外的0.5mm～1.5mm壁厚的金属镉皮、探测器高压电源、前置放大器、成形与甄别电路，以及记录超热中子探测器输出信号的脉冲计数器、时间谱分析与缓存电路。其中，探测器高压电源与正比计数管相连，正比计数管输出端与的前置放大器相连，前置放大器输出端与成形及甄别器相连；成形及甄别器输出端与脉冲计数器相连，脉冲计数器输出端与时间谱分析器及数据缓存电路相连；超热中子时间谱仪可记录原生中子和二次中子的慢化中子时间谱。超热中子时间谱仪采用485总线与地面测井计算机进行数据通信与数据传输。

利用已经刻度好的测井仪，该测井仪参数事先调整到固定状态，并确定号t_≤200、t₁、t_≤40、t₂，以及η、K等参数。然后在野外井中沿井轴逐点提升测量或匀速提升测量，由超热中子时间谱仪获得各测点的超热中子时间谱N_E(t)，并传送到地面测井计算机；然后采用指数函数、负指数函数的对超热中子时间谱N_E(t)的自t₂至t_≤40时刻的指数规律增长段、自t_≤200至t₁时刻的负指数规律衰减段分别进行数值拟合，求得增长速率1/τ₁与衰减速率1/τ₂的取值，并由该时间谱N_E(t)求得超热中子衰减量N_E(t_≤200～t₁)和超热中子增长量N_E(t₂～t_≤40)，由下式计算“裂变/慢化”比N_f/m(t₁,t₂)：

$N_{f/m}(t_1,t_2)=\frac{{\mathrm{\τ}}_2\·(1-e^{-(t_{\≤40}-t_2)/{\mathrm{\τ}}_2})}{{\mathrm{\τ}}_1\·(1-e^{-(t_1-t_{\≤200})/{\mathrm{\τ}}_1})}\·\frac{N_E(t_{\≤200}~t_1)}{N_E(t_1~t_{\≤40})}$

最后以井轴为纵坐标，绘制N_f/m(t₁,t₂)-η的测井曲线，该曲线称为“裂变/慢化”比测井曲线。采用平均含量法求得矿层铀含量的平均效应，即饱和矿层铀含量的计算公式为：

$q_u=\frac{N_{f/m}(t_1,t_2)-\mathrm{\η}}{K}$

其中，本底干扰η、换算系数K，以及超热中子时间谱N_E(t)的指数规律增长段的时间点t₂和t_≤40、负指数规律衰减段的t_≤200与t₁均在模型井中进行刻度测井来求得。也就是，刻度测井应至少具备两个以上的模型井，这些模型井铀含量q_u已知，但取值不同。在模型井的饱和矿层中部进行精细测量，获得“标准”的超热中子时间谱N_E(t)，通过超热中子时间谱N_E(t)中的指数规律增长段、负指数规律衰减段的指数函数、指数函数拟合，选择拟合函数的相关系数尽量高，一般达到0.95以上的t_≤200、t₁、t_≤40、t₂等参数，并根据这些拟合函数求得τ₁、τ₂的取值，然后计算“裂变/慢化”比N_f/m(t₁,t₂)，代入饱和矿层铀含量的计算公式，通过解方程组或线性拟合，求得η与K的取值。

具体为：

(1)研制在钻孔中探测超热中子的³He正比计数管。也就是在正比计数管中充入³He(氦同位素)气体，利用³He(n,p)T或¹⁰B(n,α)⁷Li中子核反应可探测热中子，即利用热中子(n)轰击³He核或¹⁰B核，发生如下两种核反应：

(n，p)核反应：n+³He→p+T+0.765MeV σ₀＝5333±7b

(n，α)核反应：

其中，σ₀为热中子与³He或¹⁰B的核反应截面，单位为靶(1b＝10^－24cm²)。

因(n，p)核反应释放质子(¹H，记为p)及氚核(³H，记为T)，(n，α)核反应释放α粒子(⁴He)及锂核(⁷Li)，它们均为带电粒子，可使³He气体分子电离，并形成“电子—离子对”，在外加高压电场作用下，电子与离子向电极漂移再获增新能量，它们又可产生新的电离作用，如此反复，将形成所谓的“气体放大”效应，在引出端产生一定幅度的可供后续电路采集的电脉冲信号，从而可记录入射到该正比计数管内的每个热中子。

(2)研制基于正比计数管的井下超热中子探测器及时间谱仪。超热中子发生³He(n,p)T或¹⁰B(n,α)⁷Li核反应的截面很低，甚至无法记录到超热中子的核反应，应先将超热中子慢化为热中子。为此，超热中子探测器采用圆柱状³He正比计数管，并且在正比计数管外围包裹5mm～6mm厚的含氢量很高的中子慢化材料(聚乙烯，将超热中子慢化为热中子)，慢化材料外围再包裹0.5mm～1.5mm厚的金属镉皮(阻挡热中子射入慢化材料及正比计数管)；为提高超热中子计数率，应选用核反应截面较高的³He正比计数管，且充气压力应尽量高(≥1MPa)，同时正比计数管应紧靠中子发生器(与发射中心的距离尽量短)。其结构如图1所示。

基于正比计数管的井下超热中子探测器及时间谱仪内部包含正比计数管(含超热中子探测器的包裹材料)、探测器高压电源、前置放大器、成形与甄别电路，以及记录超热中子探测器输出信号的脉冲计数器、时间谱分析与缓存电路。其中，探测器高压电源与正比计数管相连，正比计数管输出端与前置放大器相连，前置放大器输出端与成形及甄别器相连；成形及甄别器输出端与脉冲计数器相连，脉冲计数器输出端与时间谱分析器及数据缓存电路相连。该时间谱仪采用长电缆以485总线方式与地面测井计算机进行数据通信(向地面测井计算机传输数据、接收控制指令等)。

此外，电源部分包括探管低压电源与探测器高压电源电路。探管低压电源将地面送来的交流电，经稳压和滤波转换为各电路模块所需的直流电；探管高压电源将直流低压转换为直流高压，用于正比计数管的电场加速极。基于正比计数管的井下超热中子探测器及时间谱仪结构如图2所示。

(3)构建基于超热中子时间谱的“裂变/慢化”比理论。具体包括：以脉冲方式向地层岩石发射快中子(原生中子)，快中子与物质原子核发生弹性散射、非弹性散射等核相互作用，迅速慢化(减速)为超热中子，继而迅速慢化为热中子，热中子在地层岩石以“热运动”方式停留较长时间(≤5000μs)，期间与物质原子核发生辐射俘获、裂变等核相互作用，被物质原子核吸收殆尽。在中子生命周期内，热中子易于²³⁵U裂变，并产生铀裂变瞬发中子，从而延长了超热中子消逝时间，是探测铀裂变与铀定量的物理依据。

按铀裂变理论，均匀介质(饱和矿层)中，原生中子慢化为热中子之后(≤200μs，记为t_≤200时刻)的任意t₁时刻(t₁≥t_≤200)，现存的超热中子总量n_E(t₁)正比于铀(²³⁵U)含量q_u，也正比于该时刻现存的热中子总量n_T(t₁)：

n_E(t₁)∝n_T(t₁)·q_u

因原生中子先慢化为超热中子，再慢化为热中子，在慢化为热中子之前(≤40μs，记为t_≤40时刻)的任意t₂时刻(t₂≤t_≤40)，现存的超热中子总量n_E(t₂)正比于t₁时刻现存的热中子总量n_T(t₁)，则上式变为：

n_E(t₁)∝n_E(t₂)·q_u或

式中，

$\left\{\begin{array}{c}{n}_E\left(t_1\right)=n_E\left(t_{\≤200}\right)\·e^{-(t_1-t_{\≤200})/{\mathrm{\τ}}_1}\\ n_E\left(t_2\right)=n_E\left(t_{\≤40}\right)\·e^{-(t_{\≤40}-t_2)/{\mathrm{\τ}}_2}\end{array}\right.---\left(2\right)$

由(2)式可知，均匀介质(地层岩石)中，发射快中子约200μs之后，现存的超热中子总量自t_≤200至t₁时刻按负指数规律衰减，衰减速率由1/τ₁描述；发射快中子后的40μs之前，现存的超热中子总量自t₂至t_≤40时刻以指数规律增长，增长速率由1/τ₂描述；显然τ₁、τ₂的取值与地层岩石及钻孔介质对中子的相互作用能力密切相关，前者反映了热中子诱发铀裂变的能力，后者了反映快中子慢化为热中子的能力，比值n_E(t₁)/n_E(t₂)反映了铀裂变持续能力与中子慢化能力之比，简称“裂变/慢化”比(f/m比)，记为n_f/m(t₁,t₂)；K_U表示“裂变/慢化”比n_f/m(t₁,t₂)与铀含量q_u的正比系数。

(4)研发基于饱和矿层及超热中子时间谱的铀定量实时算法。

本发明公开的测井装置可沿井轴测量某区域内的超热中子时间谱N_E(t)，N_E(t)的实测曲线如图3所示。按时间谱可求得自t_≤200至t₁时刻的超热中子衰减量N_E(t_≤200～t₁)，自t₂至t_≤40时刻的超热中子增长量N_E(t₂～t_≤40)，即：

$\left\{\begin{array}{c}{N}_E(t_{\≤200}~t_1)={\mathrm{\η}}_1\·{\mathrm{\η}}_E(t_{\≤200}~t_1)={\mathrm{\η}}_1\·{\∫}_{t_{\≤200}}^{t_1}{n}_E\left(t\right)dt={\mathrm{\η}}_1\·{\mathrm{\τ}}_1\·n_E\left(t_{\≤200}\right)\·(1-e^{-(t_1-t_{\≤200})/{\mathrm{\τ}}_1})\\ N_E(t_2~t_{\≤40})={\mathrm{\η}}_2\·{\mathrm{\η}}_E(t_2~t_{\≤40})={\mathrm{\η}}_2\·{\∫}_{t_2}^{t_{\≤40}}{n}_E\left(t\right)dt={\mathrm{\η}}_2\·{\mathrm{\τ}}_2\·n_E\left(t_{\≤40}\right)\·(1-e^{-(t_{\≤40}-t_2)/{\mathrm{\τ}}_2})\end{array}\right.---\left(3\right)$

为此可构建新的“裂变/慢化”比(f/m比)，记为N_f/m(t₁,t₂)：

$N_{f/m}(t_1,t_2)=\frac{{\mathrm{\τ}}_2\·(1-e^{-(t_{\≤40}-t_2)/{\mathrm{\τ}}_2})}{{\mathrm{\τ}}_1\·(1-e^{-(t_1-t_{\≤200})/{\mathrm{\τ}}_1})}\·\frac{N_E(t_{\≤200}~t_1)}{N_E(t_2~t_{\≤40})}---\left(4\right)$

显然，按(1)式的正比关系，可推导出N_f/m(t₁,t₂)同样正比于地层岩石铀含量q_u，即：

N_f/m(t₁,t₂)＝K·q_u (5)

式中，

$K=\frac{{\mathrm{\η}}_2}{{\mathrm{\η}}_1}\·K_U---\left(6\right)$

在(3)～(6)式中，η₁反映铀裂变持续能力的探测效率，表示自t_≤200至t₁时刻测量的超热中子衰减量N_E(t_≤200～t₁)与地层岩石中实际的超热中子衰减量n_E(t_≤200～t₁)之比；η₂反映中子慢化能力的探测效率，自t₂至t_≤40时刻测量的超热中子增长量N_E(t₂～t_≤40)与地层岩石中实际的超热中子增长量n_E(t₂～t_≤40)之比，两者取值与测井仪器及测点位置等因素相关；K是换算系数，表示“裂变/慢化”比N_f/m(t₁,t₂)与铀含量q_u的正比系数，取值与测井仪器、地层岩石、钻孔介质等因素相关。

实际应用中，超热中子探测器存在本底干扰(包括漏入少量的热中子)，该本底干扰值记为η，则(4)式可改写为：

N_f/m(t₁,t₂)-η＝K·q_u (7)

对于野外生产测井，通常将(7)式中的K、η作为已知量，N_f/m(t₁,t₂)作为测量量，q_u作为待求量；而对于模型刻度测井，则K、η为待求量，q_u为已知量，N_f/m(t₁,t₂)仍为测量量。为此，必须选择合适的模型井，使模型井的地层岩性、物质成分、井中介质等条件与野外井基本相近，并采用同一测井仪(参数调至相同，并确定t_≤200、t₁、t_≤40、t₂到合适的固定值)，然后通过测量两个以上的模型井(铀含量q_u已知，但取值不同)，以此求得K、η的取值。在野外生产测井时，因K、η为已知量，通过测量量N_f/m(t₁,t₂)按(7)式就能方便地求得野外井中的地层岩石铀含量q_u。图4是按“裂变/慢化”比数据绘制的野外井的测井曲线。

应当注意，上述模型井为饱和矿层(指均匀铀含量的矿层，其中心部位相邻测点的“裂变/慢化”比N_f/m(t₁,t₂)达到稳定值，即中心点的N_f/m(t₁,t₂)不随矿层厚度而变化)，但野外井很难为饱和矿层，因而所求得的铀含量q_u仅表示矿层铀含量的平均效应，此时可采用平均含量法求得矿层铀含量的平均效应(可参见伽马测井定量解释的相关资料)。此外，模型井与野外井的地层岩性、物质成分、井中介质等条件也很难完全一致，此时必须引入参数修正技术，将野外井修正到模型井相一致的测井条件中。

本发明的优点在于：本发明通过分析原生中子与二次中子随时间的慢化规律及消逝规律，并从超热中子时间谱提取地层岩石对原生中子的慢化能力，原生中子与二次中子诱发铀裂变的持续能力，以此构建“裂变/慢化”比及铀定量实时算法，实现了“直接测铀”及铀矿定量的铀裂变瞬发中子测井。

附图说明

图1为铀裂变瞬发中子测井仪及井下探管的结构示意图；

图2为超热中子探测器及时间谱仪的结构示意图；

图3为超热中子时间谱的实测曲线；

图4为“裂变/慢化”比的测井曲线。

具体实施方式

本发明公开的铀裂变瞬发中子测井的超热中子时间谱仪包括超热中子探测器、前置放大器、成形与甄别器、时间谱分析与缓存电路，以及探测器高压电源电路、探管低压电源电路等部件。其结构如图2所示。

(1)制作基于³He正比计数管的超热中子探测器及时间谱仪。

³He正比计数管具有很高的热中子探测效率，其中³He正比计数管的热中子探测效率更高。为此，先采用圆柱形的³He正比计数管制作热中子探测器，并将其改造为超热中子探测器。也就是，在正比计数管外围包裹约5mm～6mm壁厚的含氢量很高的中子慢化材料(聚乙烯，以便将超热中子慢化为热中子)，再在慢化材料外围还须包裹0.5mm～1.5mm壁厚的金属镉皮(以便阻挡热中子进入慢化材料及正比计数管)。为提高地层岩石铀含量的纵向分辨能力以及超热中子计数率，须尽可能缩短超热中子探测器与中子发生器之间的距离，减小正比计数管的长度，加大正比计数管的有效体积和³He气体压力。其结构如图1所示。

超热中子时间谱仪内的电路包含与超热中子探测器连接的前置放大器、成形与甄别器、脉冲计数器、时间谱分析与缓存，以及探测器高压电源电路、探管低压电源电路、485通讯电路等。如图2所示。其中，探测器高压电源与正比计数管连接，为正比计数管提供电场加速极高压；正比计数管输出与前置放大器连接，前置放大器设计成高输入阻抗低噪声型，以利于脉冲信号的耦合与高速放大；前置放大器输出端与成形及甄别器电路连接，经甄别器电路滤除噪声后，成形为宽度约为1μs的电脉冲信号输出。超热中子探测器的输出端与脉冲计数器连接，将电脉冲信号转换为一定时间间隔(时间道宽)的中子计数，并将该计数数据输出端与时间谱分析及缓存电路连接，即可获得超热中子时间谱，进而构成井下超热中子时间谱仪。

为满足井下高温工作的环境要求，应选用耐高温的符合军用标准的电子元器件，以此制作符合井下温度要求的超热中子时间谱仪电路。

本实施方式公开的超热中子探测器及时间谱仪具有如下主要技术性能指标：时间谱道数128道；时间谱道宽调整范围2μs～128μs(连续调整)；脉冲响应时间约1.2μs；死时间比率最大约12％；最高工作温度+120℃(连续工作4h)，无故障工作时间≥2000h。

此外，超热中子时间谱仪采用485总线与地面计算机进行数据通信，将每道的超热中子时间谱的测量数据实时发送到地面测井计算机，同时还可接收地面测井计算机发送的控制指令。

本实施方式公开的超热中子探测器具有如下主要技术性能指标：能量分辨率(FWHM)≤15％，本底计数率≤10cpm，工作电压900～1500V(可调)，坪长≥200V，最大坪斜1％～3％/100V，最高工作温度+120℃(连续工作4h)，无故障工作时间≥2000h。阴级材料为不锈钢。其中，超热中子探测器的³He正比计数管尺寸为Ф32mm×230mm(灵敏区长度约为200mm)，充气压力1.0Mpa，该正比计数管外包裹厚度为5mm中子慢化材料(聚乙烯)，慢化材料外再包裹厚度为1mm的金属镉皮；超热中子探测器的灵敏中心与可控脉冲中子源的发射中心相距300mm。

探管低压电源系统负责将地面送来的AC200V交流电源，经稳压和滤波转换为各电路模块所需的±24V、±5V直流电源。

探测器高压电源系统将+24V直流电源转换为+1200V～+1800V直流高压，用于正比计数管电场加速极，该高压电源采用了1800V/100μA模块化电源电路设计，热中子探测器与超热中子探测器的工作高压差别由串联电阻调节，该模块化高压电源系统的主要技术性能指标为：输入电压DC 24V，最大输出电压与电流1800V/100μA，纹波性能好于100mV，工作温度-20℃～+150℃，连续工作时间≥200h，机械尺寸Φ19×100mm。

(2)基于饱和矿层与超热中子时间谱的铀定量实时算法。

本发明提出的基于饱和矿层与超热中子时间谱的铀定量实时算法包括在模型井中进行的刻度测井与测井仪参数确定方法，以及在野外井中进行的生产测井与铀定量实时算法。其中，在模型井中通过刻度测井获得的超热中子时间谱的实测曲线如图3所示，在野外井中通过生产测井获得的“裂变/慢化”比的测井曲线如图4所示。

在实际应用中，须针对野外生产测井所使用的中子测井仪在模型井中进行刻度测井，也就是将野外生产测井与模型刻度测井的测井仪参数调至到固定状态，且模型井与野外井的地层岩性、物质成分、井中介质等条件基本相近，利用“相对测量法”进行铀定量，即刻度测井和生产测井采用相同的定量公式(包括t_≤200、t₁、t_≤40、t₂选定相同值)，由刻度测井求取本底干扰η值和换算系数K值，并应用于生产测井求取铀含量。

由饱和矿层铀含量公式(7)可知，刻度测井应至少具备两个以上的模型井(铀含量q_u已知，取值不同)，并在模型井的饱和矿层中部进行精细测量，获得“标准”的超热中子时间谱N_E(t)，以此求得超热中子衰减量N_E(t_≤200～t₁)和超热中子增长量N_E(t₂～t_≤40)，按(4)式构建“裂变/慢化”比N_f/m(t₁,t₂)。应当注意，应采用数值拟合方法，针对超热中子时间谱N_E(t)中的指数规律增长段(自t₂至t_≤40时刻)进行指数函数拟合，负指数规律衰减段(自t_≤200至t₁时刻)进行负指数函数拟合，并调整t_≤200、t₁、t_≤40、t₂等参数(即选择合适的时间道)，使拟合函数的相关系数尽量高(达0.95以上)，并根据这些拟合函数求得τ₁、τ₂的取值，由按(4)式计算“裂变/慢化”比N_f/m(t₁,t₂)。还应注意，应尽量采用多个模型井进行刻度测井，按(7)式进行线性函数拟合，使拟合函数的相关系数尽量高达0.99以上，并以此求得本底干扰η值、换算系数K值的最佳解。

野外生产测井应采用已经刻度好的测井仪(参数调至到固定状态，并确定t_≤200、t₁、t_≤40、t₂，以及η、K等参数)，然后在野外井中沿井轴逐点提升测量(或匀速提升测量)各测点的超热中子时间谱N_E(t)，并累计自t₂至t_≤40时刻的超热中子计数N_E(t₂～t_≤40)，同时以指数函数拟合方法求得τ₂值，以及累计自t_≤200至t₁时刻的超热中子计数N_E(t_≤200～t₁)，同时以负指数函数拟合方法求得τ₁值；最后按(4)式计算“裂变/慢化”比N_f/m(t₁,t₂)，以井轴为纵坐标，绘制N_f/m(t₁,t₂)-η的测井曲线(称为“裂变/慢化”比测井曲线)。

对于“裂变/慢化”比测井曲线，可采用平均含量法求得矿层铀含量的平均效应(详细情况参见伽马测井定量解释的相关资料)。也就是，以该测井曲线的半极值高度的纵坐标位置确定矿层上边界和下边界(薄矿层应进行边界位置修正)，以该测井曲线下的面积与矿层厚度之比估算N_f/m(t₁,t₂)-η的平均值，则该矿层的平均铀含量可由(7)式求得。

Claims (4)

1.一种基于超热中子时间谱的瞬发中子测井及铀矿定量方法，该方法由小型可控中子发生器向钻孔周围的地层岩石发射快中子，快中子被地层岩石与钻孔介质相继慢化为超热中子与热中子，热中子诱发²³⁵U裂变并放射出铀裂变瞬发中子，瞬发中子又相继慢化成为超热中子与热中子，并可再次诱发²³⁵U裂变，如此反复，将形成与铀裂变密切相关的超热中子随时间的特有变化规律；其特征在于：利用超热中子探测器沿井轴测量由快中子与瞬发中子慢化而来的超热中子，由超热中子时间谱仪将其形成为超热中子时间谱，从该超热中子时间谱中提取表示快中子慢化能力和铀裂变持续能力的两个系数1/τ₂和1/τ₁，定义n_E(t₁)/n_E(t₂)为“裂变/慢化”比，最后以“裂变/慢化”比构建基于饱和矿层的铀定量实时算法；

其中，

$\left\{\begin{array}{c}{n}_E\left(t_1\right)=n_E\left(t_{\≤200}\right)\·e^{-(t_1-t_{\≤200})/{\mathrm{\τ}}_1}\\ n_E\left(t_2\right)=n_E\left(t_{\≤40}\right)\·e^{-(t_{\≤40}-t_2)/{\mathrm{\τ}}_2}\end{array}\right.$

式中，

t_≤40、t_≤200分别表示原生中子被地层岩石慢化为超热中子、热中子的时长；通常，慢化为超热中子的时长不超过40μs，故将其记为t_≤40；慢化为热中子的时长不超过200μs，故将其记为t_≤200，具体取值与地层岩石密切相关；

t₁、t₂分别表示原生中子被地层慢化为热中子之后的任意时刻、慢化为超热中子之前的任意时刻；这里以原生中子的发射时刻为起始时刻，则t₁≥t_≤200、t₂≤t_≤40；

n_E(t₂)、n_E(t_≤40)、n_E(t₁)、n_E(t_≤200)分别表示t₂、t_≤40、t₁、t_≤200时刻，地层中现存的超热中子总量；

1/τ₁表示自t_≤200至t₁时刻，地层中现存的超热中子总量将按上式前一公式的负指数规律衰减，其衰减速率采用1/τ₁表示；也就是，衰减速率1/τ₁反映了地层中的铀裂变由强变弱的变化规律，表征了地层铀裂变的持续能力；

1/τ₂表示自t₂至t_≤40时刻，地层中现存的超热中子总量将按上式后一公式表示的负指数规律增长，其增长速率采用1/τ₂表示；也就是，增长速率1/τ₂反映了地层中的超热中子由少积多的变化规律，表征了地层将原生中子慢化为超热中子的慢化能力。

2.根据权利要求1所述基于超热中子时间谱的瞬发中子测井及铀矿定量方法，其特征在于：选用³He正比计数管制作超热中子探测器，其内部充气压力为0.6Mpa～1.2Mpa；超热中子探测器的³He正比计数管外围包裹5mm～6mm壁厚的含氢量很高的聚乙烯中子慢化材料，聚乙烯中子慢化材料外围再包裹0.5mm～1.5mm壁厚的金属镉皮，其中聚乙烯中子慢化材料用于将超热中子慢化为热中子，金属镉皮用于阻挡热中子进入超热中子探测器的³He正比计数管；超热中子探测器的³He正比计数管紧靠小型可控中子发生器。

3.根据权利要求1所述基于超热中子时间谱的瞬发中子测井及铀矿定量方法，其特征在于：超热中子时间谱仪内部包含³He正比计数管、包裹³He正比计数管的聚乙烯中子慢化材料、包裹在聚乙烯中子慢化材料外的0.5mm～1.5mm壁厚的金属镉皮、探测器高压电源、前置放大器、成形与甄别电路，以及记录超热中子探测器输出信号的脉冲计数器、时间谱分析与缓存电路；其中，探测器高压电源与³He正比计数管相连，³He正比计数管输出端与前置放大器相连，前置放大器输出端与成形与甄别电路相连；成形与甄别电路输出端与脉冲计数器相连，脉冲计数器输出端与时间谱分析器及数据缓存电路相连；超热中子时间谱仪记录快中子和瞬发中子慢化而来的超热中子时间谱；超热中子时间谱仪采用485总线与地面测井计算机进行数据通信与数据传输。

4.根据权利要求1所述基于超热中子时间谱的瞬发中子测井及铀矿定量方法，其步骤为：利用已经刻度好的测井仪，该测井仪参数事先调整到固定状态，并确定好t_≤200、t₁、t_≤40、t₂，以及η、K参数；然后在野外井中沿井轴逐点提升测量或匀速提升测量，由超热中子时间谱仪获得各测点的超热中子时间谱N_E(t)，并传送到地面测井计算机；然后采用指数函数、负指数函数对超热中子时间谱N_E(t)的自t₂至t_≤40时刻的指数规律增长段、自t_≤200至t₁时刻的负指数规律衰减段分别进行数值拟合，求得增长速率1/τ₁与衰减速率1/τ₂的取值，并由该超热中子时间谱N_E(t)求得超热中子衰减量N_E(t_≤200～t₁)和超热中子增长量N_E(t₂～t_≤40)，由下式计算“裂变/慢化”比N_f/m(t₁,t₂)：

$N_{f/m}(t_1,t_2)=\frac{{\mathrm{\τ}}_2\·(1-e^{-(t_{\≤40}-t_2)/{\mathrm{\τ}}_2})}{{\mathrm{\τ}}_1\·(1-e^{-(t_1-t_{\≤200})/{\mathrm{\τ}}_1})}\·\frac{N_E(t_{\≤200}~t_1)}{N_E(t_2~t_{\≤40})}$

最后以井轴为纵坐标，以N_f/m(t₁,t₂)-η为横坐标，绘制测井曲线，该曲线称为“裂变/慢化”比测井曲线；采用平均含量法求得矿层铀含量的平均效应，即饱和矿层铀含量的计算公式为：

$q_u=\frac{N_{f/m}(t_1,t_2)-\mathrm{\η}}{K}$

其中，本底干扰η、换算系数K，以及超热中子时间谱N_E(t)的指数规律增长段的时间点t₂和t_≤40、负指数规律衰减段的t_≤200与t₁均在模型井中进行刻度测井来求得；也就是，刻度测井应至少具备两个以上的模型井，这些模型井铀含量q_u已知，但取值不同；在模型井的饱和矿层中部进行精细测量，获得“标准”的超热中子时间谱N_E(t)，通过该“标准”的超热中子时间谱N_E(t)中的指数规律增长段、负指数规律衰减段的指数函数、指数函数拟合，选择拟合函数的相关系数尽量高并达到0.95以上的t_≤200、t₁、t_≤40、t₂参数，并根据这些拟合函数求得τ₁、τ₂的取值，然后计算“裂变/慢化”比N_f/m(t₁,t₂)，代入饱和矿层铀含量的计算公式，通过解方程组或线性拟合，求得η与K的取值。