CN112523741A - 一种基于能谱测井交叉谱段的铀矿定量刻度系数求法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于能谱测井交叉谱段的铀矿定量刻度系数求法。该方法是以自然伽马能谱曲线中钍、铀‑镭、钾元素所对应的特征峰为对象，将自然伽马能谱曲线划分为多个相互交叉的特征谱段，所述刻度系数表示在饱和矿层中刻度出来的由测井仪响应的一个常数，表征饱和矿层中单位含量的某种放射性元素所放出的全部伽马射线在各个特征谱段响应的计数率。本发明所述基于能谱测井交叉谱段的铀矿定量刻度系数求法，可在确保钍、铀‑镭、钾三种自然伽马放射性元素含量解析精度的同时，使自然伽马能谱测井的速度达到与自然伽马总量测井相当的水平。

Description

一种基于能谱测井交叉谱段的铀矿定量刻度系数求法

技术领域

本发明属于核辐射探测领域，应用该方法可在铀矿探采行业中通过快速的自然伽马能谱测井实现放射性元素定量，特别适用于铀钍混合型或铀钍钾混合型矿产。

背景技术

自然伽马测井是一种常见的钻井地球物理方法，也是铀矿勘探的基本方法。它是通过探测天然衰变系(铀系、钍系、锕铀系等)和钾(⁴⁰K)的伽马射线总量或能谱计数率(它们均正比于衰变率)，以此推算地层岩石中由起始核素表征的铀、钍或钾元素的含量。自然伽马测井是将伽马总量测井仪或者伽马能谱测井仪放置到钻孔中，测量井壁岩矿石的天然伽马照射量率，并根据沿井深的伽马照射量率曲线确定钻孔所穿过的放射性地层位置、厚度，以及放射性元素(铀、钍、钾)含量。目前，在铀矿床、铀钍混合矿床的勘探中，伽马测井已成为储量计算的主要方法，特别是在钻孔中的岩芯采取率不高时，基于定量放射性元素的伽马测井显得尤为重要。中国的《γ测井规范》仅要求采用技术成熟的自然伽马总量测井方法，以此作为地层岩石中铀定量的主要依据。

自然界中的铀系和钍系在放射性平衡状态下，系内核素的原子核数的比例关系是确定的，因此不同能量伽马射线的相对强度也是确定的，可以分别在两个系中选出某种核素的特征核素伽马射线的能量来识别铀和钍。特征核素所发射的伽马射线的能量称为特征能量，在自然伽马能谱测井中，如选用铀系中的²¹⁴Bi发射的1.76MeV的伽马射线来识别铀，选用钍系中的²⁰⁸Tl发射的2.62MeV的伽马射线来识别钍，用1.46MeV的伽马射线来识别钾。如果把伽马射线按所选定的特征能量分别计数，即为测谱。把这些粒子发射的伽马射线的能量画在坐标系中，横坐标表示为伽马射线的能量，纵坐标表示为相应的该能量的伽马射线的强度，就得到了伽马射线的能量和强度的关系图，这个图称为自然伽马射线的能谱图或能谱曲线图。因而将测得的自然伽马能谱转换成地层的铀、钍、钾的含量，并以连续测井曲线的形式输出，就是自然伽马能谱测井。

与自然伽马总量测井相比，自然伽马能谱测井不仅可以实现总量测井的功能，而且可以获取更多的有用信息，确定地层中铀、钍、钾的含量，以便更详细地划分地层和研究与放射性元素分布有关的多种地质问题。

相比于自然伽马总量测井，自然伽马能谱测井的相对计数率(铀、钍、钾计数率)低，放射性统计涨落误差大，为了提高曲线质量，必须加大伽马射线探测器(晶体)体积、降低测速，这往往又与实际生产要求相冲突。而且由于地层中铀、钍、钾的含量不同，导致铀、钍、钾曲线的质量也不同。自然伽马能谱测井曲线的质量不但取决于测井仪本身的性能及技术水平，而且还受测井环境(井眼和地层)、测速、采样间隔等因素的影响。

目前急需研究一种新的铀矿领域的快速自然伽马能谱测井方法，可在确保放射性元素含量解释精度的同时，使自然伽马能谱的测井速度达到与自然伽马总量测井相当的水平，满足生产应用要求。基于交叉谱段法的自然伽马能谱测井方法有望解决这一问题，本发明所述的一种基于能谱测井交叉谱段的铀矿定量刻度系数求法是实现快速自然伽马能谱测井方法的关键。迄今为止，尚未见到将该项方法直接应用于铀矿自然能谱测井的报道。

发明内容

本发明的目的是为了解决在铀矿探采行业中通过快速的自然伽马能谱测井实现放射性元素定量，而提出的一种基于能谱测井交叉谱段的铀矿定量刻度系数求法。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

(1)根据不同放射性元素的特征峰所在位置，将自然伽马能谱曲线其划分为m个相互交叉的特征谱段，分别为：选取钍系的i个特征峰将其扩展成i个对应的钍系特征谱段，选取铀-镭系的j个特征峰将其扩展成j个对应的钍系特征谱段，选取钾的k个特征峰将其扩展成k个对应的钍系特征谱段，其中m＝i+j+k。具体方法为：

1)选取钍系的i个特征峰，划分为对应的i个钍系特征谱段，每个特征谱段的伽马射线能量范围均从400keV起至对应的特征峰为止，且至少有一个特征谱段应包含从400keV至能量为2.62MeV的钍系特征峰，

2)选取铀-镭系的j个特征峰，划分为对应的j个铀-镭系特征谱段，每个特征谱段的伽马射线能量范围均从400keV起至对应的特征峰为止，且至少有一个特征谱段应包含400keV至能量为1.76MeV的铀-镭系特征峰，

3)选取钾系的k个特征峰，划分为对应的k个钾系特征谱段，每个特征谱段的伽马射线能量范围均从400keV起至对应的特征峰为止，且至少有一个特征谱段应包含400keV至能量为1.46MeV的钾系特征峰；

(2)在自然伽马放射性本底标准模型上求取m个相互交叉的特征谱段的计数率

分别在钍元素、铀-镭元素和钾元素的自然伽马放射性标准模型上求取对应的m个特征谱段的计数率

其中x表示自然伽马放射性元素钍、铀-镭、钾中的一种。具体方法为：

1)在自然伽马放射性本底标准模型上求取钍系特征谱段的计数率

铀-镭系特征谱段的计数率

钾特征谱段的计数率

2)在标称含量为Q_Th的自然伽马放射性钍元素标准模型上求取钍元素所对应的各个特征谱段的计数率

在标称含量为Q_Th的自然伽马放射性钍元素标准模型上求取铀-镭元素所对应的各个特征谱段的计数率

在标称含量为Q_Th的自然伽马放射性钍元素标准模型上求取钾元素所对应的各个特征谱段的计数率

3)在标称含量为Q_U的自然伽马放射性铀元素标准模型上求取钍元素所对应的各个特征谱段的计数率

在标称含量为Q_U的自然伽马放射性铀元素标准模型上求取铀-镭元素所对应的各个特征谱段的计数率

在标称含量为Q_U的自然伽马放射性铀元素标准模型上求取钾元素所对应的各个特征谱段的计数率

4)在标称含量为Q_K的自然伽马放射性钾元素标准模型上求取钍元素所对应的各个特征谱段的计数率

在标称含量为Q_K的自然伽马放射性钾元素标准模型上求取铀-镭元素所对应的各个特征谱段的计数率

在标称含量为Q_K的自然伽马放射性钾元素标准模型上求取钾元素所对应的各个特征谱段的计数率

(3)求取基于能谱测井交叉谱段的铀矿定量能谱剥离系数，元素x对元素y在特征谱段m上的剥离系数可表示为：

其中x、y表示任意的自然伽马放射性元素，x/y表示元素x对元素y，Q_x表示放射性标准模型元素x的标称含量，m表示各个特征谱段，m＝i+j+k，m∈y。

具体过程为：

1)钍元素对自身各个特征谱段的剥离系数

均为1、铀-镭元素对自身各个特征谱段的剥离系数

均为1、钾元素对自身各个特征谱段的剥离系数

均为1；

2)利用自然伽马放射性本底标准模型、标称含量为Q_Th的自然伽马放射性钍元素标准模型和标称含量为Q_U的自然伽马放射性铀元素标准模型，求取铀-镭元素对钍元素i个特征谱段的剥离系数：

3)利用自然伽马放射性本底标准模型、标称含量为Q_Th的自然伽马放射性钍元素标准模型和标称含量为Q_K的自然伽马放射性钾元素标准模型，求取钾元素对钍元素i个特征谱段的剥离系数：

4)利用自然伽马放射性本底标准模型、标称含量为Q_U的自然伽马放射性铀元素标准模型和标称含量为Q_Th的自然伽马放射性钍元素标准模型，求取钍元素对铀-镭元素j个特征谱段的剥离系数：

5)利用自然伽马放射性本底标准模型、标称含量为Q_U的自然伽马放射性铀-镭元素标准模型和标称含量为Q_K的自然伽马放射性钾元素标准模型，求取钾元素对铀-镭元素j个特征谱段的剥离系数：

6)利用自然伽马放射性本底标准模型、标称含量为Q_K的自然伽马放射性钾元素标准模型和标称含量为Q_Th的自然伽马放射性钍元素标准模型，求取钍元素对钾元素k个特征谱段的剥离系数：

7)利用自然伽马放射性本底标准模型、标称含量为Q_K的自然伽马放射性钾元素标准模型和标称含量为Q_U的自然伽马放射性铀-镭元素标准模型，求取铀-镭元素对钾元素k个特征谱段的剥离系数：

8)综合步骤(3)中的步骤1)-7)，求得基于交叉谱段的自然伽马能谱剥离系数：

可用公式表示为：

(4)求取基于能谱测井交叉谱段的铀矿定量换算系数，元素y在特征谱段m上的换算系数可表示为：

其中y表示任意的自然伽马放射性元素，Q_y表示放射性标准模型元素y的标称含量，m表示各个特征谱段，m＝i+j+k，m∈y；

具体步骤为：

1)利用自然伽马放射性本底标准模型、标称含量为Q_Th的自然伽马放射性钍元素标准模型，求取钍元素对应各个特征谱段的换算系数：

2)利用自然伽马放射性本底标准模型、标称含量为Q_U的自然伽马放射性铀-镭元素标准模型，求取铀-镭元素对应各个特征谱段的换算系数：

3)利用自然伽马放射性本底标准模型、标称含量为Q_K的自然伽马放射性钾元素标准模型，求取钾元素对应各个特征谱段的换算系数：

可用矩阵方式可表示为：

(5)求取基于能谱测井交叉谱段的铀矿定量刻度系数：

其中n、x、y表示任意的自然伽马放射性元素，n＝x+y，m表示各个特征谱段，m＝i+j+k，m∈y。

可用矩阵方式可表示为：

本发明的优点在于：利用基于能谱测井交叉谱段的铀矿定量刻度系数求法，能够在进行某种放射性元素含量解析过程中，剥离其他自然伽马放射性元素的影响，实现钍、铀-镭、钾等放射性元素的准确定量；同时由于采用交叉谱段法，有效利用了自然伽马能谱曲线的测量计数率，相对提高了自然伽马能谱曲线的信噪比，进而可提高自然伽马能谱测量的速度。若应用到铀矿自然伽马能谱测井过程中，可在确保放射性元素含量解释精度的同时，使自然伽马能谱测井的速度达到与自然伽马总量测井相同的水平，满足生产应用要求。

附图说明

图1为本发明实施例1的刻度系数求取流程图；

图2为本发明实施例1的含有钍、铀-镭、钾放射性元素自然伽马能谱曲线的交叉谱段划分方法示例；

图3为本发明实施例1的针对铀矿测井中钍、铀-镭、钾放射性元素定量过程示意图；

图4为本发明实施例1的在同一个井孔中不同测井速度下的铀-镭含量解释结果对比图；

图5为本发明实施例1的在铀含量为800ppm的模型井中采用自然伽马总量测井和自然伽马能谱测井时的铀-镭含量解释结果对比图。

图中：1-自然伽马能谱测井曲线，2-根据特征峰划分相互交叉的特征谱段，3-选取本底模型和已知含量的钍、铀、钾模型，4-各模型所测自然伽马能谱曲线数据，5-各交叉谱段的计数率，6-剥离系数，7-换算系数，8-刻度系数。

具体实施方式

下面通过附图和具体实施方式对本发明作更为详细的描述。

本发明的基本思想是以自然伽马能谱曲线中钍、铀-镭、钾元素所对应的特征峰为对象，将自然伽马能谱曲线划分为多个相互交叉的特征谱段，刻度系数表示在饱和矿层中刻度出来的由测井仪响应的一个常数，表征饱和矿层中单位含量的某种放射性元素所放出的全部伽马射线在各个特征谱段响应的计数率。

本发明所述的基于能谱测井交叉谱段的铀矿定量刻度系数求法，步骤如下：

(1)根据不同放射性元素的特征峰所在位置，将自然伽马能谱曲线其划分为m个相互交叉的特征谱段，分别为：选取钍系的i个特征峰将其扩展成i个对应的钍系特征谱段，选取铀-镭系的j个特征峰将其扩展成j个对应的钍系特征谱段，选取钾的k个特征峰将其扩展成k个对应的钍系特征谱段，其中m＝i+j+k。具体方法为：

1)选取钍系的i个特征峰，划分为对应的i个钍系特征谱段，每个特征谱段的伽马射线能量范围均从400keV起至对应的特征峰为止，且至少有一个特征谱段应包含从400keV至能量为2.62MeV的钍系特征峰，

2)选取铀-镭系的j个特征峰，划分为对应的j个铀-镭系特征谱段，每个特征谱段的伽马射线能量范围均从400keV起至对应的特征峰为止，且至少有一个特征谱段应包含400keV至能量为1.76MeV的铀-镭系特征峰，

3)选取钾系的k个特征峰，划分为对应的k个钾系特征谱段，每个特征谱段的伽马射线能量范围均从400keV起至对应的特征峰为止，且至少有一个特征谱段应包含400keV至能量为1.46MeV的钾系特征峰；

(2)在自然伽马放射性本底标准模型上求取m个相互交叉的特征谱段的计数率

分别在钍元素、铀-镭元素和钾元素的自然伽马放射性标准模型上求取对应的m个特征谱段的计数率

其中x表示自然伽马放射性元素钍、铀-镭、钾中的一种。具体方法为：

1)在自然伽马放射性本底标准模型上求取钍系特征谱段的计数率

铀-镭系特征谱段的计数率

钾特征谱段的计数率

2)在标称含量为Q_Th的自然伽马放射性钍元素标准模型上求取钍元素所对应的各个特征谱段的计数率

在标称含量为Q_Th的自然伽马放射性钍元素标准模型上求取铀-镭元素所对应的各个特征谱段的计数率

在标称含量为Q_Th的自然伽马放射性钍元素标准模型上求取钾元素所对应的各个特征谱段的计数率

3)在标称含量为Q_U的自然伽马放射性铀元素标准模型上求取钍元素所对应的各个特征谱段的计数率

在标称含量为Q_U的自然伽马放射性铀元素标准模型上求取铀-镭元素所对应的各个特征谱段的计数率

在标称含量为Q_U的自然伽马放射性铀元素标准模型上求取钾元素所对应的各个特征谱段的计数率

4)在标称含量为Q_K的自然伽马放射性钾元素标准模型上求取钍元素所对应的各个特征谱段的计数率

在标称含量为Q_K的自然伽马放射性钾元素标准模型上求取铀-镭元素所对应的各个特征谱段的计数率

在标称含量为Q_K的自然伽马放射性钾元素标准模型上求取钾元素所对应的各个特征谱段的计数率

(3)求取基于能谱测井交叉谱段的铀矿定量能谱剥离系数，元素x对元素y在特征谱段m上的剥离系数可表示为：

其中x、y表示任意的自然伽马放射性元素，x/y表示元素x对元素y，Q_x表示放射性标准模型元素x的标称含量，m表示各个特征谱段，m＝i+j+k，m∈y。

具体过程为：

1)钍元素对自身各个特征谱段的剥离系数

均为1、铀-镭元素对自身各个特征谱段的剥离系数

均为1、钾元素对自身各个特征谱段的剥离系数

均为1；

2)利用自然伽马放射性本底标准模型、标称含量为Q_Th的自然伽马放射性钍元素标准模型和标称含量为Q_U的自然伽马放射性铀元素标准模型，求取铀-镭元素对钍元素i个特征谱段的剥离系数：

3)利用自然伽马放射性本底标准模型、标称含量为Q_Th的自然伽马放射性钍元素标准模型和标称含量为Q_K的自然伽马放射性钾元素标准模型，求取钾元素对钍元素i个特征谱段的剥离系数：

4)利用自然伽马放射性本底标准模型、标称含量为Q_U的自然伽马放射性铀元素标准模型和标称含量为Q_Th的自然伽马放射性钍元素标准模型，求取钍元素对铀-镭元素j个特征谱段的剥离系数：

5)利用自然伽马放射性本底标准模型、标称含量为Q_U的自然伽马放射性铀-镭元素标准模型和标称含量为Q_K的自然伽马放射性钾元素标准模型，求取钾元素对铀-镭元素j个特征谱段的剥离系数：

6)利用自然伽马放射性本底标准模型、标称含量为Q_K的自然伽马放射性钾元素标准模型和标称含量为Q_Th的自然伽马放射性钍元素标准模型，求取钍元素对钾元素k个特征谱段的剥离系数：

7)利用自然伽马放射性本底标准模型、标称含量为Q_K的自然伽马放射性钾元素标准模型和标称含量为Q_U的自然伽马放射性铀-镭元素标准模型，求取铀-镭元素对钾元素k个特征谱段的剥离系数：

8)综合步骤(3)中的步骤1)-7)，求得基于交叉谱段的自然伽马能谱剥离系数：

可用公式表示为：

(4)求取基于能谱测井交叉谱段的铀矿定量换算系数，元素y在特征谱段m上的换算系数可表示为：

其中y表示任意的自然伽马放射性元素，Q_y表示放射性标准模型元素y的标称含量，m表示各个特征谱段，m＝i+j+k，m∈y；

具体步骤为：

1)利用自然伽马放射性本底标准模型、标称含量为Q_Th的自然伽马放射性钍元素标准模型，求取钍元素对应各个特征谱段的换算系数：

2)利用自然伽马放射性本底标准模型、标称含量为Q_U的自然伽马放射性铀-镭元素标准模型，求取铀-镭元素对应各个特征谱段的换算系数：

3)利用自然伽马放射性本底标准模型、标称含量为Q_K的自然伽马放射性钾元素标准模型，求取钾元素对应各个特征谱段的换算系数：

可用矩阵方式可表示为：

(5)根据步骤(1)-(4)，求取基于能谱测井交叉谱段的铀矿定量刻度系数，用矩阵方式可表示为：

用公式统一表示为：

其中n、x、y表示任意的自然伽马放射性元素，n＝x+y，m表示各个特征谱段，m＝i+j+k，m∈y。

(6)根据如下公式求取放射性元素的含量q_x：

可用公式表示为：

其中x、y表示任意的自然伽马放射性元素(分别为钍、铀-镭和钾)，x/y表示元素x对元素y，m表示各个特征谱段，m＝i+j+k，m∈y。

若i、j、k都为1，则钍元素、铀-镭元素、钾元素都选用一个特征谱段，由实施例1的图3所示过程完成自然伽马能谱测井并求得钍、铀-镭、钾的放射性元素含量，得到在同一井孔中不同测井速度情况下的铀-镭放射性元素解释含量对比，效果如图4所示。并通过在模型井中分别进行自然伽马总量测井和基于交叉谱段法的自然伽马能谱测井，得到总量测井解释结果和能谱测井解释结果中钍、铀-镭、钾的放射性元素含量对比，效果如图5所示。从图4、图5的对比效果可看出，通过利用基于能谱测井交叉谱段的铀矿定量刻度参数求法，当自然伽马能谱测井速度达到6m/min时，仍可实现钍、铀-镭、钾等放射性元素的准确定量，满足生产应用要求。

表1.天然放射性衰变的伽马核素数据表(仅列出放射几率与能量均较高的特征伽马射线)

注：仅仅放射几率>0.001(指单次放射性衰变的放射几率)、能量>0.4MeV的钍系、铀-镭系和钾放出的特征伽马射线及其伽马核素的数据被列于表中。

Claims (1)

1.一种基于能谱测井交叉谱段的铀矿定量刻度系数求法，步骤如下：

(1)根据不同放射性元素的特征峰所在位置，将自然伽马能谱曲线其划分为m个相互交叉的特征谱段，分别为：选取钍系的i个特征峰将其扩展成i个对应的钍系特征谱段，选取铀-镭系的j个特征峰将其扩展成j个对应的钍系特征谱段，选取钾的k个特征峰将其扩展成k个对应的钍系特征谱段，其中m＝i+j+k；

(2)在自然伽马放射性本底标准模型上求取m个相互交叉的特征谱段的计数率

分别在钍元素、铀-镭元素和钾元素的自然伽马放射性标准模型上求取对应的m个特征谱段的计数率

其中x表示自然伽马放射性元素钍、铀-镭、钾中的一种；

(3)求取基于能谱测井交叉谱段的铀矿定量能谱剥离系数，元素x对元素y在特征谱段m上的剥离系数可表示为：

其中x、y表示任意的自然伽马放射性元素，x/y表示元素x对元素y，Q_x表示放射性标准模型元素x的标称含量，m表示各个特征谱段，m＝i+j+k，m∈y；

(4)求取基于能谱测井交叉谱段的铀矿定量换算系数，元素y在特征谱段m上的换算系数可表示为：

其中y表示任意的自然伽马放射性元素，Q_y表示放射性标准模型元素y的标称含量，m表示各个特征谱段，m＝i+j+k，m∈y；

(5)求取基于能谱测井交叉谱段的铀矿定量刻度系数：

其中n、x、y表示任意的自然伽马放射性元素，n＝x+y，m表示各个特征谱段，m＝i+j+k，m∈y。

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