WO2023031465A1 - Procédé d'évaluation de la teneur en uranium par spectrométrie gamma dans un forage et dispositif associé - Google Patents

Procédé d'évaluation de la teneur en uranium par spectrométrie gamma dans un forage et dispositif associé Download PDF

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WO2023031465A1
WO2023031465A1 PCT/EP2022/074644 EP2022074644W WO2023031465A1 WO 2023031465 A1 WO2023031465 A1 WO 2023031465A1 EP 2022074644 W EP2022074644 W EP 2022074644W WO 2023031465 A1 WO2023031465 A1 WO 2023031465A1
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WO
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calibration
region
energy band
uranium
energy
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/074644
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English (en)
Inventor
Thomas Marchais
Bertrand Perot
Pierre-Guy ALLINEI
Hervé TOUBON
Youcef BENSEDIK
Original Assignee
Orano Mining
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V5/00—Prospecting or detecting by the use of ionising radiation, e.g. of natural or induced radioactivity
    • G01V5/04—Prospecting or detecting by the use of ionising radiation, e.g. of natural or induced radioactivity specially adapted for well-logging
    • G01V5/06—Prospecting or detecting by the use of ionising radiation, e.g. of natural or induced radioactivity specially adapted for well-logging for detecting naturally radioactive minerals
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/24—Earth materials

Definitions

  • TITLE Method for evaluating the uranium content by gamma spectrometry in a borehole and associated device
  • the present invention relates first of all to a method for evaluating a uranium content of at least one region of interest of a subsoil by gamma spectrometry, the region of interest being crossed by a borehole.
  • the invention also relates to a device for evaluating the uranium content of an associated region of interest.
  • Uranium occurs naturally in the form of three isotopes: 238 U, 235 U and 234 U, the latter being derived from the decay chain of
  • each disintegration is most often accompanied by the emission of high energy photons also called X or gamma radiation whose energy spectrum is typically between a few tens of keV and more than 2000 keV.
  • the unit of measurement of radiation is expressed in counts per unit of time, for example in counts per second.
  • the total gamma radiation is measured over the entire energy spectrum, in the form of a total count, all along the drilling by moving a scintillator detector.
  • the scintillator detector comprises, for example, a crystal of sodium iodide (Nal).
  • Na sodium iodide
  • This method works relatively well when there is a balance between the different chains of uranium parentage.
  • the total gamma radiation is roughly proportional to the uranium content of the formation.
  • a calibration coefficient, specific to the gamma radiation detector links the total radiation measured and the uranium content of the formation. The coefficient of calibration is obtained by simulation or even experimentally from standard samples.
  • the disadvantage of this method is that the measurement carried out does not make it possible to characterize the whole of the mineralized zone (typically several tens of meters) but only the extracted core. As a result, the true grade of the deposit may be biased. In addition, the extraction of the core, then its measurement in situ or even its sending to a laboratory make the measurement longer and more expensive than a measurement in a borehole.
  • the measurement of the 1001 keV line characteristic of uranium alone requires several hours of acquisition in the event of a low uranium content (less than 1000 ppm) and the measurement of the 234 Th line (top of the chain), faster, may however be subject to significant attenuation phenomena in the case of a uranium nugget.
  • Patent FR 3 088 445 presents a method for quantifying the imbalance and the uranium content of a sample by measuring two specific energy bands on a gamma radiation energy spectrum.
  • the first energy band includes a signal characteristic of uranium and radium, the second energy band being almost exclusively characteristic of radium.
  • the object of the invention is to overcome these drawbacks, by proposing a method for evaluating the uranium content of at least one region of interest of a subsoil traversed by a borehole which makes it possible to obtain values of precise uranium content, even when the latter are low and the radioactive imbalance of uranium is important.
  • the invention relates to a method for evaluating a uranium content of at least one region of interest of a subsoil by gamma spectrometry, the region of interest being crossed by a borehole, the method comprising the following steps: a) acquiring at least one energy spectrum of gamma radiation associated with the region of interest, the energy spectrum comprising at least a low energy band, a high energy band, a contribution of the auto phenomenon -attenuation of uranium in the low energy band being greater than a contribution of the self-attenuation phenomenon of uranium in the high energy band, b) evaluating the uranium content of the region of interest using the area of the low energy band, the area of the high energy band of the energy spectrum acquired in the region of interest and at least two calibration coefficients.
  • the method according to the invention makes it possible to reliably evaluate low uranium contents in the formations of the subsoil during drilling, in particular in the presence of strong radioactive imbalances of uranium, typically much less than 1, and including for low uranium contents.
  • the method comprises one or more of the following characteristics, taken in isolation or according to all technically possible combinations:
  • the low-energy band comprises a lower limit and an upper limit, the lower limit being greater than 98 keV to avoid a contribution from uranium fluorescence X-radiation in the low-energy band;
  • the low energy band is substantially between 120 keV and 170 keV and the high energy band is substantially between 960 keV and 1046 keV;
  • the method comprises a step of determining the calibration coefficients by modeling or using calibration blocks; - the method comprises a step of determining the calibration coefficients in the borehole, the subsoil comprising at least a first calibration region and a second calibration region traversed by the borehole, said determination step comprising:
  • each of the calibration energy spectra comprising at least a low energy band, a high energy band, and a energy centered on an energy line at 1001 keV of 234m Pa,
  • the invention also relates to a device for evaluating a uranium content of a region of interest of a subsoil by gamma spectrometry, the region of interest being crossed by a borehole, the device comprising:
  • spectrometric probe comprising a scintillator detector
  • an acquisition module connected to the spectrometric probe, the acquisition module being configured to acquire at least one energy spectrum of gamma radiation associated with the region of interest, the energy spectrum comprising at least one low energy band, one high energy band, a contribution of the self-attenuation phenomenon of uranium in the low energy band being greater than a contribution of the self-attenuation phenomenon of uranium in the high energy band,
  • a uranium content evaluation module configured to evaluate the uranium content of the region of interest using the area of the low energy band, the area of the high energy band of the energy spectrum acquired in the region of interest and at least two calibration coefficients.
  • the device further comprises a module for determining the calibration coefficients configured to determine the coefficients calibration, the subsoil comprising at least a first calibration region and a second calibration region crossed by the borehole, the acquisition module being configured to acquire at least a first energy spectrum of calibration gamma radiation associated with the first calibration region, a second calibration spectrum associated with the second calibration region and a gamma radiation energy spectrum associated with the region of interest comprising at least a low energy band and a high energy band, each of the calibration spectra comprising at least the low energy band, the high energy band, and an energy band centered on an energy line at 1001 keV of 234 m Pa, the module for determining the calibration coefficients comprising:
  • a first calculation sub-module for calculating a first uranium content of the first calibration region and a second uranium content of the second calibration region using respectively the energy band centered on the energy line at 1001 keV of 234 m Pa the first calibration gamma radiation energy spectrum and the second calibration gamma radiation energy spectrum,
  • a second calculation sub-module for calculating at least a first ratio and a second ratio between the area of the low energy band and the area of the high energy band respectively of the first calibration energy spectrum and of the second spectrum calibration energy
  • a third calculation sub-module for calculating the calibration coefficients from the at least first and second uranium contents and from the at least first ratio and second ratio.
  • Figure 1 is a schematic representation of a borehole and a device according to a first embodiment of the invention
  • Figure 2 is an example of a gamma radiation spectrum acquired by the acquisition module of the device in Figure 1,
  • Figure 3 is a schematic representation of a method according to a first embodiment of the invention.
  • Figure 4 represents the relationship between the C BE /C HE ratio and the uranium content for different imbalances and an enlargement is inserted for contents between 0 and 3000 ppm.
  • mass content In the rest of the description, the terms “mass content”, “mass concentration”, and “content” are considered to be synonyms. Likewise, the terms “line”, “energy line”, “peak”, “energy peak” are also considered synonyms.
  • a device 100 for evaluating the uranium content of at least one region of interest 10 of a subsoil 11 traversed by a borehole 12 according to a first embodiment is represented schematically in FIG.
  • the borehole 12 is represented in FIG. 1 vertically, that is to say with a dip equal to 90°.
  • the borehole 12 is not vertical and has any dip and azimuth.
  • the drilling 12 is carried out through a plurality of geological formations 14. For example, the drilling 12 is carried out for exploration purposes to search for a possible deposit of uranium 16. Alternatively, the drilling 12 is carried out at purposes of developing an identified deposit. The information collected in borehole 12 is then used to estimate the uranium reserves of deposit 16.
  • the borehole 12 notably passes through at least a first region 18, called the first calibration region, and a second region 20, called the second calibration region.
  • Borehole 12 also passes through at least one reference region 21, for example located above first calibration region 18.
  • the reference region 21 is an unmineralized region. “Non-mineralized region” means a region in which the uranium content is low, below a reference threshold.
  • the reference threshold is for example between 10 ppm and 50 ppm.
  • the first calibration region 18 has a first uranium content Cm U1 .
  • the second calibration region 20 has a second uranium content Cm U2 .
  • the first calibration region 18 and the second calibration region 20 are mineralized regions.
  • mineralized region is meant a region in which the uranium content is greater than the reference threshold, preferably greater than a multiple of the reference threshold.
  • the multiple is for example equal to 2, 3, 4 or 5.
  • the device 100 comprises a spectrometric probe 102 arranged to be inserted into the borehole 12 and a surface installation 104 making it possible to move the spectrometric probe 102 along the borehole 12 upwards and downwards according to the direction of the borehole.
  • the surface installation 104 comprises a winch 106 and a device 108 adapted to know the position of the spectrometric probe inside the borehole 12, for example an encoder wheel.
  • the spectrometric probe 102 is connected by a cable 110 to the surface installation 104.
  • the cable 110 allows both the displacement of the spectrometric probe 102 inside the borehole 12, the power supply of the spectrometric probe 102 and the transfer of the measurements made by the spectrometric probe 102.
  • the spectrometric probe 102 comprises a scintillator detector suitable for acquiring an energy spectrum as represented in FIG. 2.
  • the scintillator detector comprises for example a lanthanum bromide (LaBr 3 ) crystal.
  • the device 100 comprises a computer 112 for evaluating the uranium content of the region of interest 10 of the borehole 12, a display unit 114 connected to the computer 112 to display the results provided by the computer and a man-machine interface 116 to control device 100.
  • the computer 112 includes for example a database 118.
  • the database 118 is intended for example to record the results provided by the computer 112.
  • the computer comprises a processor 120 and a memory 122 receiving software modules.
  • the processor 120 is capable of executing the software modules received in the memory 122 to calculate the uranium content of the region of interest 10.
  • the memory includes a 124 acquisition module and a uranium 132 content evaluation module.
  • the memory 122 further comprises a module 125 for determining the calibration coefficients.
  • Said module 125 comprises a first calculation sub-module 126, a second calculation sub-module 128 and a third sub-module calculation 130.
  • the acquisition module 124 is configured to acquire at least a first radiation energy spectrum. More particularly, by using the surface installation 104, the acquisition module 124 makes it possible to acquire a radiation energy spectrum of the region of interest 10 of the borehole 12. In the first embodiment, the acquisition module 124 is further configured to acquire a radiation energy spectrum of the first calibration region 18 and of the second calibration region 20 .
  • the spectrometric probe 102 is connected to the acquisition module 124 by the cable 110.
  • FIG. 2 presents an example of an energy spectrum 200 acquired by the acquisition module 124.
  • the energy spectrum 200 represents the gamma count as a function of the energy of the radiation.
  • Gamma counting is usually expressed in counts per second.
  • Radiation energy is usually expressed in kilo-electron-volts (keV).
  • Each energy spectrum 200 includes at least a low energy band 202 and a high energy band 204.
  • the low energy band 202 is a band strongly impacted by the self-attenuation phenomenon of uranium unlike the high energy band 204 which is little or not impacted by the self-attenuation phenomenon. In other words, the contribution of the self-attenuation phenomenon of uranium in the low energy band 202 is greater than the contribution of the self-attenuation phenomenon of uranium in the high energy band 204.
  • the phenomenon of self-attenuation of uranium of interest for the present invention occurs when a photon emitted by uranium or one of its descendants interacts by Compton scattering in the own matrix of the material by which it is emitted then is absorbed by the photoelectric effect. The photon interacts with the atoms that are in its path. The scattered photon is then absorbed even before reaching the scintillator detector.
  • the low energy band 202 is chosen so that the contribution of the self-attenuation phenomenon of uranium in the considered energy band is the main contribution.
  • the contribution of the uranium self-attenuation phenomenon in the second high energy band 204 is substantially zero.
  • substantially zero is meant preferably less than 1%, for example less than 0.2%.
  • the low energy band 202 includes a lower bound and an upper bound.
  • the lower limit is greater than 98 keV to avoid a contribution from uranium fluorescence X-rays in the low energy band 202 which would compensate for the uranium self-absorption phenomenon described above.
  • Fluorescence X-radiation from uranium corresponds to the emission of a fluorescence photon which occurs as a result of a reorganization of the electronic procession of an atom when the latter completely absorbs an incident photon.
  • the energy ranges of the low energy 202 and high energy 204 bands are chosen so that the ratio between the area of the low energy band C BE and the area of the high energy band HE , called the indicator K APC is as independent as possible of the uranium imbalance.
  • radioactive imbalance of uranium refers to the average imbalance observed on the one hand between radon 222 Rn and uranium 238 U due to the volatility of radon, and on the other hand between radium 226 Ra (father of radon 222 Rn) and uranium 238 U due to differential leaching between uranium and radium.
  • the low energy band 202 is substantially between 120 keV and 170 keV and the high energy band 204 is substantially between 960 keV and 1046 keV.
  • substantially it is meant that the lower and upper limits of the energy bands 202, 204 can vary according to the resolution of the scintillator detector which influences the width at mid-height of the peaks. The variation is for example +/- 1 keV.
  • the K APC indicator is defined as follows:
  • C BE is the area of the low energy band 202.
  • CHE is the area of the high energy band 204.
  • the areas of the low energy band C BE and of the high energy band C HE correspond to the raw areas without correction of the continuous Compton background.
  • At least the energy spectrum of radiation in the first region 18 of calibration, and the energy spectrum of radiation in the second region 20 of calibration comprise an energy band 206 centered on an energy line at 1001 keV of 234 m Pa.
  • each energy spectrum, including the radiation spectrum of the region of interest 10 comprises the energy band 206 centered on the energy line at 1001 keV of 234 m Pa.
  • This line at 1001 keV has the advantage of being located at the top of the chain of 238 U, and therefore to be independent of the imbalance of the chain. Nevertheless, the emission intensity of this radiation is 0.83%, which, in the case of U/Ra imbalance and low uranium content, may require a long counting time, eg several tens of minutes or a few hours, in order to be detected.
  • the uranium-132 content evaluation module is configured to evaluate the uranium content of the region of interest 10 using the area C BE of the low energy band 202, the area C HE of the high energy 204 of the spectrum acquired in the region of interest and at least two calibration coefficients, as we will see later in the description.
  • the module for determining the calibration coefficients 125 is configured to determine the calibration coefficients.
  • the first calculation sub-module 126 is configured to calculate a first uranium content Cm U1 of the first calibration region 18 and a second uranium content Cm U2 of the second calibration region 20 by using the energy band 206 centered on the energy line at 1001 keV of 234 m Pa of the first calibration gamma radiation energy spectrum and of the second calibration gamma radiation energy spectrum respectively.
  • the second calculation sub-module 128 is configured to calculate at least a first ratio C BE1 /C HE1 and a second ratio C BE2 /C HE2 between the area of the low energy band C BE1 , C BE2 and the area of the high energy band C HE1 , C HE2 respectively of the first calibration energy spectrum and of the second calibration energy spectrum.
  • the third calculation sub-module 130 is configured to calculate a first coefficient a and a second coefficient ⁇ from the at least first and second uranium contents Cm U1 , Cm U2 and from the at least first ratio C BE1 /C HE1 and second ratio
  • the modules and sub-modules 124, 125, 126, 128, 130, 132 are programmed to implement the method according to the invention, described below.
  • FIG. 3 presents the steps of a method 300 for evaluating the uranium content of at least one region of interest 10 of a subsoil 11 by a borehole 12 according to a first embodiment of the invention .
  • the method 300 includes a step 350 of acquiring at least one energy spectrum of gamma radiation associated with the region of interest 10.
  • the energy spectrum includes at least the low energy band 202 and the high energy band 204.
  • the low energy 202 and high energy 204 bands are chosen as explained above.
  • method 300 includes acquiring 350 a plurality of gamma radiation energy spectra along borehole 12.
  • method 300 includes acquiring an energy spectrum in a plurality of regions of interest 10 spaced by a predetermined pitch.
  • the predetermined pitch is for example between 50 cm and 2 m.
  • the method then comprises a step of evaluating 360 the uranium content of the region of interest 10 using the area of the low energy band 202, the area of the band of high energy 204 of the energy spectrum acquired in the region of interest 10 and at least two calibration coefficients.
  • the method 300 includes a step 370 of determining the calibration coefficients.
  • the step of determining the coefficients 370 is carried out before the step of acquiring 350 the energy spectrum in the region of interest 10.
  • the step of determining the coefficients 370 can be performed after the step 350 of acquiring the energy spectrum in the region of interest 10.
  • the step of determining the calibration coefficients 370 is performed in the borehole and in particular in the borehole 12 crossing the region of interest 10.
  • the step of determining the calibration coefficients 370 comprises first of all a step of acquisition 310 using the installation 104 and the acquisition module 124 of at least a first and a second spectra energetic calibration gamma radiation respectively in the first and second calibration regions 18, 20 of the borehole 12.
  • Each of the first and second energy spectra of calibration gamma radiation comprises at least the low energy band 202, the high energy band 204, and the energy band 206 centered on the energy line at 1001 keV, as represented for example on the figure 2.
  • the low energy 202 and high energy 204 bands are chosen as explained above.
  • the acquisition time of the first and second energy spectra is between a few tens of minutes and several hours, for example, depending on the uranium content and the time required to detect the line at 1001 keV.
  • the first and second calibration regions 18, 20 are identified during a preliminary step of identifying the first and second calibration regions 18, 20.
  • the method 300 includes a preliminary step of identification by measuring the total count of gamma radiation along the borehole 12. To do this, a radiometric probe for measuring by total counting of the gamma radiation is moved in the borehole 12.
  • this preliminary step comprises the identification of a non-mineralized reference region 21 having a uranium content lower than the reference threshold.
  • Reference region 21 has a reference gamma count.
  • the first calibration region 18 and the second calibration region 20 are then identified as regions having a gamma count rate significantly higher than the reference gamma count, that is to say higher than a multiple of the reference gamma count.
  • the first calibration region 18 and the second calibration region 20 are preferably chosen so that they have a different indicator K APC , that is to say a different ratio between the area C BE of the band low energy 202 and the area C HE of the high energy band 204.
  • the step of determining the coefficients then comprises a step 320 of calculating a first uranium content Cm U1 of the first calibration region 18 and a second uranium content Cm U2 of the second calibration region 20 using the energy band centered 206 on the energy line at 1001 keV of 234 m Pa of the first energy spectrum of calibration gamma radiation and of the second energy spectrum of calibration gamma radiation acquired respectively in the first and second calibration regions 18, 20.
  • the uranium content denoted Cm U
  • S 1001 the net area of the line at 1001 keV
  • K 1001 is a calibration coefficient allowing to go from a net air value at 1001 keV to the uranium content. It depends in particular on the scintillator detector and is obtained by digital simulation, experimentally using standard blocks or in reference wells.
  • ⁇ a is Avogadro's constant.
  • E ⁇ 1001keV is the efficiency of the scintillator detector at 1001 keV. is the emission intensity of 234m Pa at 1001 keV.
  • Tc is the counting time.
  • M ech is the mass of the sample.
  • the net areas are obtained after subtraction of the continuous Compton background, for example carried out using software for processing energy spectra.
  • the step of determining the calibration coefficients 370 then comprises the calculation 330 of at least a first ratio C BE1 /C HE1 and a second ratio C BE2 /C HE2 between the area C BE1 , C BE2 of the low energy band 202 and the area C HE1 , C HE2 of the high energy band 204 respectively of the first calibration energy spectrum and of the second calibration energy spectrum.
  • Figure 4 shows a model of the variation of the C BE /C HE ratio as a function of the uranium content Cm U , and for different imbalances. It can be seen that the ratio is independent of the imbalance. Consequently, for uranium contents lower than 5000 ppm, the uranium content is related to the ratio between the area of the low energy band and the area of the high energy band by a polynomial equation of the first degree of the following form: ⁇ and ⁇ are two calibration coefficients.
  • the step of determining the calibration coefficients 370 consists, on the basis of the areas C BE and C HE of each of the first and second energy spectra and of the corresponding uranium contents Cm U1 and Cm U2 calculated previously, in calculating 340 the values of the coefficients ⁇ and ⁇ .
  • the uranium content Cm U in the region of interest 10 is calculated using the area C BE of the low energy band 202 and the area C HE of the high energy band 204 of the energy spectrum acquired in the region d interest 10, the first and second calculated coefficients ⁇ , ⁇ .
  • the uranium content Cm B is calculated in particular with the equation: with
  • the method 300 comprises the acquisition of a third energy spectrum of gamma radiation in a third calibration region 22 of the borehole 12.
  • the third calibration region 22 is a mineralized region distinct from the first calibration region 18 and from the second calibration region 20 .
  • the third calibration region 22 is preferably selected similarly to the first calibration region 18 and to the second calibration region 20 .
  • the first calibration region 18 is located above the second calibration region 20 along the direction of the borehole 12.
  • the third calibration region 22 is located below the second calibration region 20 .
  • the method 300 then comprises the acquisition of a third energy spectrum of gamma radiation in the third region 22 of calibration and the calculation of the uranium content Cm U3 in this third region 22 by using the net area of the energy band 206 centered on the 1001 keV energy line of the 234 m Pa spectrum, as explained above.
  • the method 300 then also includes the calculation of at least a third ratio C BE3 /C HE3 between the area C BE3 of the low energy band 202 and the area C HE3 of the high energy band 204 of the third energy spectrum calibration.
  • the coefficients ⁇ and ⁇ are calculated.
  • the first coefficient ⁇ and the second coefficient ⁇ are calculated by linear regression of the at least first, second and third calculated ratios C BE1 / C HE1 , C BE2 / C HE2 , C BE3 / C HE3 and of the at least first, second and third calculated uranium contents Cm U1 , Cm U2 , Cm U3 .
  • the method 300 includes acquiring calibration energy spectra in any number of calibration regions.
  • a plurality of calibration energy spectra are acquired and steps 320 and 330 are performed on each of said calibration spectra.
  • C BE /C HE ⁇ ' x C mU 2 - ⁇ ' x C mU + ⁇ '.
  • a deviation from linearity is observed which can be modeled by a quadratic equation.
  • the calibration coefficients ⁇ ', ⁇ ' and ⁇ ' are for example determined from energy spectra acquired in at least three calibration regions 18, 20, 22 and by polynomial regression.
  • the step of determining the calibration coefficients 370 is carried out by modeling using for example a code modeling the interactions between matter and different radiation.
  • the code used is for example the Monte-Carlo N-Particle (MCNP) code [MCNP6TM, User’s manual - Version 1.0 - LA-CP-13-00634, Rev. 0 - May 2013 - Denise B. Pelowitz, editor Los Alamos National Laboratory],
  • the step of determining the calibration coefficients 370 is carried out using calibration blocks.
  • Calibration blocks are blocks, for example concrete blocks, whose uranium content is known.
  • the spectrometric probe 102 is inserted into different calibration blocks, at least one energy spectrum of gamma radiation is acquired in each of the calibration blocks and the calibration coefficients are determined in a manner similar to what is made in the first embodiment.
  • the method 300 according to the invention makes it possible to reliably evaluate low uranium contents in the formations of the subsoil while drilling, in particular in the presence of strong U/Ra radioactive imbalances of the uranium, typically much lower than 1.

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Abstract

L'invention concerne un procédé d'évaluation d'une teneur en uranium d'une région d'intérêt (10) d'un sous-sol (11) par spectrométrie gamma, le procédé comprenant les étapes suivantes : a) acquérir au moins un spectre énergétique de rayonnement gamma associé à la région d'intérêt (10), le spectre énergétique comprenant au moins une bande de basse énergie, une bande de haute énergie, une contribution du phénomène d'auto-atténuation de l'uranium dans la bande de basse énergie étant supérieure à une contribution du phénomène d'auto-atténuation de l'uranium dans la bande de haute énergie, b) évaluer la teneur en uranium de la région d'intérêt (10) en utilisant l'aire de la bande de basse énergie, l'aire de la bande de haute énergie du spectre énergétique acquis dans la région d'intérêt et au moins deux coefficients de calibration.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Procédé d’évaluation de la teneur en uranium par spectrométrie gamma dans un forage et dispositif associé
La présente invention concerne tout d’abord un procédé d’évaluation d’une teneur en uranium d’au moins une région d’intérêt d’un sous-sol par spectrométrie gamma, la région d’intérêt étant traversée par un forage.
L’invention concerne également un dispositif d’évaluation de la teneur en uranium d’une région d’intérêt associé.
L’uranium est présent naturellement sous la forme de trois isotopes : l’238U, l’235U et l’234U , ce dernier étant issu de la chaîne de désintégration de |’238U. L’238U est très largement majoritaire et représente plus de 99,3 % en fraction massique de l’uranium total.
L’238U et l’235U se désintègrent successivement en différents éléments chimiques appelés éléments fils jusqu’à ce que l’élément chimique obtenu soit stable. Chaque désintégration s’accompagne le plus souvent de l’émission de photons de haute énergie encore appelés rayonnements X ou gamma dont le spectre énergétique est typiquement compris entre quelques dizaines de keV et plus de 2000 keV. L’unité de mesure du rayonnement s’exprime en coups par unité de temps, par exemple en coups par seconde.
En exploration minière, il est connu d’utiliser le rayonnement gamma émis par les formations géologiques pour caractériser ces dernières et plus particulièrement la teneur en uranium des formations géologiques du sous-sol. Ce type de mesures est réalisé notamment en forage. Ces mesures permettent typiquement de caractériser le potentiel uranifère d’une région. Lorsqu’un gisement est découvert, les mesures de rayonnement gamma en forage sont également utilisées pour l’estimation des réserves en uranium du gisement. La précision de ces mesures et le traitement qui est fait pour obtenir les teneurs en uranium associées sont par conséquent critiques.
Classiquement, en forage, on mesure le rayonnement gamma total sur l’ensemble du spectre énergétique, sous la forme d’un comptage total, tout le long du forage en déplaçant un détecteur scintillateur. Le détecteur scintillateur comprend, par un exemple un cristal d’iodure de sodium (Nal). Cette méthode fonctionne relativement bien lorsqu’il existe un équilibre entre les différentes chaînes de filiation de l’uranium. Dans ce cas, le rayonnement gamma total est sensiblement proportionnel à la teneur en uranium de la formation. Un coefficient d’étalonnage, propre au détecteur de rayonnement gamma, relie le rayonnement total mesuré et la teneur en uranium de la formation. Le coefficient de calibration est obtenu par simulation ou encore expérimentalement à partir d’échantillons étalons.
Néanmoins, dans le cas d’un déséquilibre des chaînes de filiation de l’uranium, cette méthode conduit à sous-estimer ou à surestimer la teneur en uranium dans les formations géologiques. Un tel déséquilibre est généralement constaté pour les gisements de faible teneur en uranium sujet à des phénomènes de lixiviation différentielle (e.g. gisement d’uranium de type « roll fronts ») entre les groupes « uranium » (haut de la chaine radioactive naturelle de l’238U) et radium (bas de cette même chaine) qui constituent une part importante des gisements d’uranium exploités dans le monde.
Au lieu d’effectuer une mesure in situ en forage, il est possible d’extraire une carotte de minerai pour quantifier la teneur et le déséquilibre des zones minéralisées en spectrométrie gamma classique. Une mesure de spectrométrie gamma haute résolution est alors effectuée sur la carotte.
L’inconvénient de cette méthode est que la mesure réalisée ne permet pas de caractériser l’ensemble de la zone minéralisée (typiquement plusieurs dizaines de mètres) mais uniquement la carotte extraite. De ce fait, la véritable teneur du gisement peut être biaisée. De plus, l’extraction de la carotte, puis sa mesure in situ voire son envoi dans un laboratoire rendent la mesure plus longue et plus coûteuse qu’une mesure en forage. La mesure de la raie à 1001 keV caractéristique de l’uranium nécessite à elle seule plusieurs heures d’acquisition en cas de faible teneur en uranium (moins de 1000 ppm) et la mesure de la raie du 234Th (haut de chaîne), plus rapide, peut cependant être sujette à des phénomènes d’atténuation importants en cas de pépite d’uranium.
Le brevet FR 3 088 445 présente une méthode permettant de quantifier le déséquilibre et la teneur d’un échantillon en uranium par la mesure de deux bandes d’énergie spécifiques sur un spectre énergétique de rayonnement gamma. La première bande d’énergie comprend un signal caractéristique de l’uranium et du radium, la seconde bande d’énergie étant quasiment exclusivement caractéristique du radium.
Cependant, cette méthode ne permet pas de caractériser toutes les teneurs en uranium pour n’importe quel déséquilibre. En effet, pour de très forts déséquilibres, le signal de l’uranium est noyé dans le signal du radium, ce qui rend son extraction difficile.
L’invention a pour but de pallier ces inconvénients, en proposant un procédé d’évaluation de la teneur en uranium d’au moins une région d’intérêt d’un sous-sol traversé par un forage qui permet d’obtenir des valeurs de teneur en uranium précises, même lorsque ces dernières sont faibles et que le déséquilibre radioactif de l’uranium est important. À cet effet, l’invention concerne un procédé d’évaluation d’une teneur en uranium d’au moins une région d’intérêt d’un sous-sol par spectrométrie gamma, la région d’intérêt étant traversée par un forage, le procédé comprenant les étapes suivantes : a) acquérir au moins un spectre énergétique de rayonnement gamma associé à la région d’intérêt, le spectre énergétique comprenant au moins une bande de basse énergie, une bande de haute énergie, une contribution du phénomène d’auto-atténuation de l’uranium dans la bande de basse énergie étant supérieure à une contribution du phénomène d’auto-atténuation de l’uranium dans la bande de haute énergie, b) évaluer la teneur en uranium de la région d’intérêt en utilisant l’aire de la bande de basse énergie, l’aire de la bande de haute énergie du spectre énergétique acquis dans la région d’intérêt et au moins deux coefficients de calibration.
Ainsi, le procédé selon l’invention permet d’évaluer de faibles teneurs en uranium des formations du sous-sol en forage de manière fiable notamment en présence de forts déséquilibres radioactifs de l’uranium, typiquement très inférieurs à 1 , et y compris pour des teneurs en uranium faibles.
Suivant des modes de réalisation particuliers, le procédé comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- la contribution du phénomène d’auto-atténuation de l’uranium dans la bande de basse énergie est la contribution principale dans ladite bande de basse énergie ;
- la contribution du phénomène d’auto-atténuation de l’uranium dans la bande de haute énergie est sensiblement nulle ;
- la bande de basse énergie comprend une borne inférieure et une borne supérieure, la borne inférieure étant supérieure à 98 keV pour éviter une contribution du rayonnement X de fluorescence de l’uranium dans la bande de basse énergie ;
- la bande de basse énergie est sensiblement comprise entre 120 keV et 170 keV et la bande de haute énergie est sensiblement comprise entre 960 keV et 1046 keV ;
- la teneur en uranium de la région d’intérêt est reliée au ratio entre l’aire de la bande de basse énergie et l’aire de la bande de haute énergie par une équation polynomiale du premier degré de la forme CBE/CHE = β - α x CmU ou par une équation polynomiale du deuxième degré de la forme CBE/CHE = α' x CmU 2 β' x mU + γ', CBE étant l’aire de la bande de basse énergie du spectre énergétique, CHE étant l’aire de la bande de haute énergie du spectre énergétique, CmU étant la teneur en uranium, α, β, α', β', γ' étant les coefficients de calibration ;
- le procédé comprend une étape de détermination des coefficients de calibration par modélisation ou à l’aide de blocs d’étalonnage ; - le procédé comprend une étape de détermination des coefficients de calibration en forage, le sous-sol comprenant au moins une première région de calibration et une deuxième région de calibration traversées par le forage, ladite étape de détermination comprenant :
- acquérir au moins un premier et un deuxième spectres énergétiques de rayonnement gamma de calibration respectivement dans les première et deuxième régions de calibration, chacun des spectres énergétiques de calibration comprenant au moins une bande de basse énergie, une bande de haute énergie, et une bande énergétique centrée sur une raie énergétique à 1001 keV du 234mPa,
- calculer une première teneur en uranium de la première région de calibration et une deuxième teneur en uranium de la deuxième région de calibration en utilisant la bande énergétique centrée sur la raie énergétique à 1001 keV du 234mPa du premier spectre énergétique de rayonnement gamma de calibration et du deuxième spectre énergétique de rayonnement gamma de calibration respectivement,
- calculer au moins un premier ratio et un deuxième ratio entre l’aire de la bande de basse énergie et l’aire de la bande de haute énergie du premier spectre énergétique de calibration et du deuxième spectre énergétique de calibration respectivement, et
- calculer les coefficients de calibration à partir des au moins première et deuxième teneurs en uranium calculées et des au moins premier et deuxième ratios calculés.
L’invention concerne également un dispositif d’évaluation d’une teneur en uranium d’une région d’intérêt d’un sous-sol par spectrométrie gamma, la région d’intérêt étant traversée par un forage, le dispositif comprenant :
- une sonde spectrométrique comportant un détecteur scintillateur,
- un module d’acquisition connecté à la sonde spectrométrique, le module d’acquisition étant configuré pour acquérir au moins un spectre énergétique de rayonnement gamma associé à la région d’intérêt, le spectre énergétique comprenant au moins une bande de basse énergie, une bande de haute énergie, une contribution du phénomène d’auto-atténuation de l’uranium dans la bande de basse énergie étant supérieure à une contribution du phénomène d’auto-atténuation de l’uranium dans la bande de haute énergie,
- un module d’évaluation de la teneur en uranium configuré pour évaluer la teneur en uranium de la région d’intérêt en utilisant l’aire de la bande de basse énergie, l’aire de la bande de haute énergie du spectre énergétique acquis dans la région d’intérêt et au moins deux coefficients de calibration.
Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif comprend en outre un module de détermination des coefficients de calibration configuré pour déterminer les coefficients de calibration, le sous-sol comprenant au moins une première région de calibration et une deuxième région de calibration traversées par le forage, le module d’acquisition étant configuré pour acquérir au moins un premier spectre énergétique de rayonnement gamma de calibration associé à la première région de calibration, un deuxième spectre de calibration associé à la deuxième région de calibration et un spectre énergétique de rayonnement gamma associé à la région d’intérêt comprenant au moins une bande de basse énergie et une bande de haute énergie, chacun des spectres de calibration comprenant au moins la bande de basse énergie, la bande de haute énergie, et une bande énergétique centrée sur une raie énergétique à 1001 keV du 234mPa, le module de détermination des coefficients de calibration comprenant :
- un premier sous-module de calcul pour calculer une première teneur en uranium de la première région de calibration et une deuxième teneur en uranium de la deuxième région de calibration en utilisant respectivement la bande énergétique centrée sur la raie énergétique à 1001 keV du 234mPa du premier spectre énergétique de rayonnement gamma de calibration et du deuxième spectre énergétique de rayonnement gamma de calibration,
- un deuxième sous-module de calcul pour calculer au moins un premier ratio et un deuxième ratio entre l’aire de la bande de basse énergie et l’aire de la bande de haute énergie respectivement du premier spectre énergétique de calibration et du deuxième spectre énergétique de calibration,
- un troisième sous-module de calcul pour calculer les coefficients de calibration à partir des au moins première et deuxième teneurs en uranium et des au moins premier ratio et deuxième ratio.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple, et faite, en référence aux dessins parmi lesquels :
- [Fig 1] la figure 1 est une représentation schématique d’un forage et d’un dispositif selon un premier mode de réalisation de l’invention,
- [Fig 2] la figure 2 est un exemple de spectre de rayonnement gamma acquis par le module d’acquisition du dispositif de la figure 1 ,
- [Fig 3] la figure 3 est une représentation schématique d’un procédé selon un premier mode de réalisation de l’invention, et
- [Fig 4] la figure 4 représente la relation entre le ratio CBE/CHE et la teneur en uranium pour différents déséquilibres et en insert un agrandissement pour des teneurs comprises entre 0 et 3000 ppm.
Dans la suite de la description, les termes « teneur massique », « concentration massique », et « teneur » sont considérés comme synonymes. De même, les termes « raie », « raie énergétique », « pic », « pic énergétique » sont également considérés comme synonymes.
Un dispositif 100 d’évaluation de la teneur en uranium d’au moins une région d’intérêt 10 d’un sous-sol 11 traversée par un forage 12 selon un premier mode de réalisation est représenté de manière schématique sur la figure 1 .
Par souci de simplification, le forage 12 est représenté sur la figure 1 vertical, c’est- à-dire avec un pendage égal à 90°. En variante, le forage 12 n’est pas vertical et présente un pendage et un azimut quelconques.
Le forage 12 est réalisé au travers d’une pluralité de formations géologiques 14. Par exemple, le forage 12 est réalisé à des fins d’exploration pour rechercher un éventuel gisement d’uranium 16. En variante, le forage 12 est réalisé à des fins de développement d’un gisement identifié. Les informations collectées dans le forage 12 sont alors utilisées pour l’estimation des réserves d’uranium du gisement 16.
En référence à la figure 1 , le forage 12 traverse notamment au moins une première région 18, appelée première région de calibration, et une deuxième région 20, appelée deuxième région de calibration.
Le forage 12 traverse également au moins une région de référence 21 , par exemple située au-dessus de la première région de calibration 18.
La région de référence 21 est une région non minéralisée. Par « région non minéralisée », on entend une région dans laquelle la teneur en uranium est faible, inférieure à un seuil de référence.
Le seuil de référence est par exemple compris entre 10 ppm et 50 ppm.
La première région de calibration 18 présente une première teneur en uranium CmU1. La deuxième région de calibration 20 présente une deuxième teneur en uranium CmU2.
De préférence, la première région de calibration 18 et la deuxième région de calibration 20 sont des régions minéralisées. Par « région minéralisée », on entend une région dans laquelle la teneur en uranium est supérieure au seuil de référence, de préférence supérieure à un multiple du seuil de référence.
Le multiple est par exemple égal à 2, 3, 4 ou 5.
Dans la suite de la description, il est entendu que les teneurs des différentes régions de calibration 18, 20 et/ou région d’intérêt 10 correspondent à des teneurs moyennes en uranium pour lesdites régions considérées.
Le dispositif 100 comprend une sonde spectrométrique 102 agencée pour être insérée dans le forage 12 et une installation 104 de surface permettant de déplacer la sonde spectrométrique 102 le long du forage 12 vers le haut et vers le bas selon la direction du forage. Par exemple, l’installation de surface 104 comprend un treuil 106 et un dispositif 108 adapté pour connaître la position de la sonde spectrométrique à l’intérieur du forage 12, par exemple une roue codeuse. La sonde spectrométrique 102 est reliée par un câble 110 à l’installation de surface 104. Le câble 110 permet à la fois le déplacement de la sonde spectrométrique 102 à l’intérieur du forage 12, l’alimentation électrique de la sonde spectrométrique 102 et le transfert des mesures réalisées par la sonde spectrométrique 102.
La sonde spectrométrique 102 comprend un détecteur scintillateur adapté pour acquérir un spectre énergétique tel que représenté sur la figure 2. Le détecteur scintillateur comprend par exemple un cristal à bromure de lanthane (LaBr3).
Le dispositif 100 comprend un calculateur 112 pour l’évaluation de la teneur en uranium de la région d’intérêt 10 du forage 12, une unité d’affichage 114 connectée au calculateur 112 pour afficher les résultats fournis par le calculateur et une interface homme machine 116 pour contrôler le dispositif 100.
Le calculateur 112 comprend par exemple une base de données 118.
La base de données 118 est destinée par exemple à enregistrer les résultats fournis par le calculateur 112.
Le calculateur comprend un processeur 120 et une mémoire 122 recevant des modules logiciels. Le processeur 120 est capable d’exécuter les modules logiciels reçus dans la mémoire 122 pour calculer la teneur en uranium de la région d’intérêt 10.
La mémoire comprend un module d’acquisition 124 et un module d’évaluation de la teneur en uranium 132.
Dans le premier mode de réalisation, la mémoire 122 comprend en outre un module de détermination des coefficients de calibration 125. Ledit module 125 comprend un premier sous-module de calcul 126, un deuxième sous-module de calcul 128 et un troisième sous-module de calcul 130.
Le module d’acquisition 124 est configuré pour acquérir au moins un premier spectre énergétique de rayonnement. Plus particulièrement, en utilisant l’installation de surface 104, le module d’acquisition 124 permet d’acquérir un spectre énergétique de rayonnement de la région d’intérêt 10 du forage 12. Dans le premier mode de réalisation, le module d’acquisition 124 est en outre configuré pour acquérir un spectre énergétique de rayonnement de la première région 18 de calibration et de la deuxième région 20 de calibration.
La sonde spectrométrique 102 est connectée au module d’acquisition 124 par le câble 110.
La figure 2 présente un exemple de spectre énergétique 200 acquis par le module d’acquisition 124. Le spectre énergétique 200 représente le comptage gamma en fonction de l’énergie du rayonnement. Le comptage gamma s’exprime généralement en coups par seconde. L’énergie du rayonnement s’exprime généralement en kilo-électron-volts (keV).
Chaque spectre énergétique 200 comprend au moins une bande de basse énergie 202 et une bande de haute énergie 204.
La bande de basse énergie 202 est une bande fortement impactée par le phénomène d’auto-atténuation de l’uranium contrairement à la bande de haute énergie 204 qui est peu ou pas impactée par le phénomène d’auto-atténuation. Dit autrement, la contribution du phénomène d’auto-atténuation de l’uranium dans la bande de basse énergie 202 est supérieure à la contribution du phénomène d’auto-atténuation de l’uranium dans la bande de haute énergie 204.
Le phénomène d’auto-atténuation de l’uranium d’intérêt pour la présente invention se produit lorsqu’un photon émis par l’uranium ou un ses descendants interagit par diffusion Compton dans la propre matrice du matériau par lequel il est émis puis y est absorbé par effet photoélectrique. Le photon interagit avec les atomes qui se trouvent sur sa trajectoire. Le photon diffusé est alors absorbé avant même d’atteindre le détecteur scintillateur.
De préférence, la bande de basse énergie 202 est choisie de sorte que la contribution du phénomène d’auto-atténuation de l’uranium dans la bande d’énergie considérée soit la contribution principale.
De préférence, la contribution du phénomène d’auto-atténuation de l’uranium dans la deuxième bande de haute énergie 204 est sensiblement nulle. Par « sensiblement nulle », on entend de préférence inférieure à 1%, par exemple inférieure à 0,2%.
La bande de basse énergie 202 comprend une borne inférieure et une borne supérieure. La borne inférieure est supérieure à 98 keV pour éviter une contribution du rayonnement X de fluorescence de l’uranium dans la bande de basse énergie 202 qui viendrait compenser le phénomène d’auto-absorption de l’uranium décrit ci-dessus.
Le rayonnement X de fluorescence de l’uranium correspond à l’émission d’un photon de fluorescence qui se produit à la faveur d’une réorganisation du cortège électronique d’un atome lorsque ce dernier absorbe totalement un photon incident.
Avantageusement, les plages d’énergie des bandes de basse énergie 202 et de haute énergie 204 sont choisies afin que le ratio entre l’aire de la bande de basse énergie CBE et l’aire de la bande de haute énergie HE, dénommé indicateur KAPC soit le plus indépendant possible du déséquilibre de l’uranium.
Il est rappelé que l’équilibre séculaire est une situation où l’activité d’un radio-isotope reste constante du fait que son taux de production (dû à la désintégration d’un isotopeparent) est égal à son taux de désintégration. Dans le cas contraire, on parle de déséquilibre radioactif. Dans la présente demande, le déséquilibre radioactif de l’uranium fait référence au déséquilibre moyen observé d’une part entre le radon 222Rn et l’uranium 238U en raison de la volatilité du radon, et d’autre part entre le radium 226Ra (père du radon 222Rn) et l’uranium 238U dû à la lixiviation différentielle entre l’uranium et le radium.
Par modélisation, les inventeurs ont identifié deux plages d’énergies optimales pour lesquelles la contribution du groupe uranium est identique.
Ainsi, avantageusement, la bande de basse énergie 202 est sensiblement comprise entre 120 keV et 170 keV et la bande de haute énergie 204 est sensiblement comprise entre 960 keV et 1046 keV. Par « sensiblement », on entend que les bornes inférieures et supérieures des bandes d’énergie 202, 204 peuvent varier en fonction de la résolution du détecteur scintillateur qui influence la largeur à mi-hauteur des pics. La variation est par exemple de +/- 1 keV. Dans la suite de la description, l’indicateur KAPC est défini comme suit :
Figure imgf000011_0001
CBE est l’aire de la bande de basse énergie 202.
CHE est l’aire de la bande de haute énergie 204.
Les aires de la bande de basse énergie CBE et de la bande de haute énergie CHE correspondent aux aires brutes sans correction du fond continu Compton.
De préférence, au moins le spectre énergétique de rayonnement dans la première région 18 de calibration, et le spectre énergétique de rayonnement dans la deuxième région 20 de calibration comprennent une bande énergétique 206 centrée sur une raie énergétique à 1001 keV du 234mPa. De préférence, chaque spectre énergétique, y compris le spectre de rayonnement de la région d’intérêt 10 comprend la bande énergétique 206 centrée sur la raie énergétique à 1001 keV du 234mPa. Cette raie à 1001 keV a l’avantage d’être située en haut de la chaine de l’238U, et par conséquent d’être indépendante du déséquilibre de la chaine. Néanmoins, l’intensité d’émission de ce rayonnement est de 0,83 %, ce qui, dans les cas de déséquilibre U/Ra et de teneur en uranium faible, peut nécessiter un temps de comptage important, e.g. plusieurs dizaines de minutes ou quelques heures, afin d’être détectée.
Le module d’évaluation de la teneur en uranium 132 est configuré pour évaluer la teneur en uranium de la région d’intérêt 10 en utilisant l’aire CBE de la bande de basse énergie 202, l’aire CHE de la bande de haute énergie 204 du spectre acquis dans la région d’intérêt et au moins deux coefficients de calibration, comme nous le verrons plus loin dans la description. Le module de détermination des coefficients de calibration 125 est configuré pour déterminer les coefficients de calibration.
Le premier sous-module de calcul 126 est configuré pour calculer une première teneur en uranium CmU1 de la première région de calibration 18 et une deuxième teneur en uranium CmU2 de la deuxième région de calibration 20 en utilisant la bande énergétique 206 centrée sur la raie énergétique à 1001 keV du 234mPa du premier spectre énergétique de rayonnement gamma de calibration et du deuxième spectre énergétique de rayonnement gamma de calibration respectivement.
Le deuxième sous-module de calcul 128 est configuré pour calculer au moins un premier ratio CBE1/CHE1 et un deuxième ratio CBE2/CHE2 entre l’aire de la bande de basse énergie CBE1, CBE2 et l’aire de la bande de haute énergie CHE1, CHE2 respectivement du premier spectre énergétique de calibration et du deuxième spectre énergétique de calibration.
Le troisième sous-module de calcul 130 est configuré pour calculer un premier coefficient a et un deuxième coefficient β à partir des au moins première et deuxième teneurs en uranium CmU1, CmU2 et des au moins premier ratio CBE1/CHE1 et deuxième ratio
CBE2/CHE2.
Les modules et sous-modules 124, 125, 126, 128, 130, 132 sont programmés pour mettre en oeuvre le procédé selon l’invention, décrit dans ce qui suit.
La figure 3 présente les étapes d’un procédé d’évaluation 300 de la teneur en uranium d’au moins une région d’intérêt 10 d’un sous-sol 11 par un forage 12 selon un premier mode de réalisation de l’invention.
Le procédée 300 comprend une étape d’acquisition 350 d’au moins un spectre énergétique de rayonnement gamma associé à la région d’intérêt 10. Le spectre énergétique comprend au moins la bande de basse énergie 202 et la bande de haute énergie 204.
Les bandes de basse énergie 202 et de haute énergie 204 sont choisies comme expliquées plus haut.
De préférence, le procédé 300 comprend l’acquisition 350 d’une pluralité de spectres énergétiques de rayonnement gamma tout le long du forage 12. Par exemple, le procédé 300 comprend l’acquisition d’un spectre énergétique dans une pluralité de régions d’intérêt 10 espacées par un pas prédéterminé. Le pas prédéterminé est par exemple compris entre 50 cm et 2 m.
Le procédé comprend ensuite une étape d’évaluation 360 de la teneur en uranium de la région d’intérêt 10 en utilisant l’aire de la bande de basse énergie 202, l’aire de la bande de haute énergie 204 du spectre énergétique acquis dans la région d’intérêt 10 et au moins deux coefficients de calibration.
De préférence, le procédé 300 comprend une étape 370 de détermination des coefficients de calibration.
Dans l’exemple de la figure 3, l’étape de détermination des coefficients 370 est effectuée avant l’étape d’acquisition 350 du spectre énergétique dans la région d’intérêt 10. Cependant, en variante, l’étape de détermination des coefficients 370 peut être effectuée après l’étape d’acquisition 350 du spectre énergétique dans la région d’intérêt 10.
Dans le premier mode de réalisation, l’étape de détermination des coefficients de calibration 370 s’effectue en forage et en particulier dans le forage 12 traversant la région d’intérêt 10.
Dans l’exemple illustré, l’étape de détermination des coefficients de calibration 370 comprend tout d’abord une étape d’acquisition 310 en utilisant l’installation 104 et le module d’acquisition 124 d’au moins un premier et un deuxième spectres énergétiques de rayonnement gamma de calibration respectivement dans la première et la deuxième régions 18, 20 de calibration du forage 12.
Chacun des premier et deuxième spectres énergétiques de rayonnement gamma de calibration comprend au moins la bande de basse énergie 202, la bande de haute énergie 204, et la bande énergétique 206 centrée sur la raie énergétique à 1001 keV, telles que représentées par exemple sur la figure 2.
Les bandes de basse énergie 202 et de haute énergie 204 sont choisies comme expliquées plus haut.
De préférence, le temps d’acquisition du premier et du deuxième spectres énergétiques est compris entre quelques dizaines de minutes et plusieurs heures, par exemple, selon la teneur en uranium et le temps nécessaire pour détecter la raie à 1001 keV.
Avantageusement, les première et deuxième régions 18, 20 de calibration sont identifiées lors d’une étape préliminaire d’identification des première et deuxième région 18, 20 de calibration.
Par exemple, le procédé 300 comprend une étape préliminaire d’identification par mesure du comptage total de rayonnement gamma le long du forage 12. Pour ce faire, une sonde radiométrique de mesure par comptage total du rayonnement gamma est déplacé dans le forage 12.
Plus particulièrement, cette étape préliminaire comprend l’identification d’une région de référence 21 non minéralisée présentant un teneur en uranium inférieure au seuil de référence. La région de référence 21 présente un comptage gamma de référence. La première région 18 de calibration et la deuxième région 20 de calibration sont ensuite identifiées comme des régions présentant un taux de comptage gamma significativement supérieur au comptage gamma de référence, c’est-à-dire supérieur à un multiple du comptage gamma de référence.
La première région 18 de calibration et la deuxième région 20 de calibration sont de préférence choisies de manière à ce qu’elles présentent un indicateur KAPC différent, c’est- à-dire un ratio différent entre l’aire CBE de la bande basse énergie 202 et l’aire CHE de la bande de haute énergie 204.
L’étape de détermination des coefficients comprend ensuite une étape 320 de calcul d’une première teneur en uranium CmU1 de la première région de calibration 18 et d’une deuxième teneur en uranium CmU2 de la deuxième région de calibration 20 en utilisant la bande énergétique centrée 206 sur la raie énergétique à 1001 keV du 234mPa du premier spectre énergétique de rayonnement gamma de calibration et du deuxième spectre énergétique de rayonnement gamma de calibration acquis respectivement dans les première et deuxième régions de calibration 18, 20.
En particulier, la teneur en uranium, notée CmU, est exprimée à partir de l’aire nette de la raie à 1001 keV, notée S1001 par l’équation suivante :
Figure imgf000014_0001
K1001 est un coefficient d’étalonnage permettant de passer d’une valeur d’air nette à 1001 keV à la teneur en uranium. Il dépend notamment du détecteur scintillateur et est obtenu par simulation numérique, expérimentalement en utilisant des blocs étalons ou en puits de référence. η est la fraction massique 235U/238U dans l’uranium naturel (=0,72). est la masse molaire de l’238U. est la période radioactive de l’238U.
Figure imgf000014_0002
Ɲa est la constante d’Avogadro.
Eƒƒ1001keV est l’efficacité du détecteur scintillateur à 1001 keV. est l’intensité d’émission du 234mPa à 1001 keV.
Figure imgf000014_0003
Tc est le temps de comptage.
Mech est la masse de l’échantillon.
Les aires nettes sont obtenues après soustraction du fond continu Compton, par exemple effectuée en utilisant un logiciel de traitement de spectres énergétiques.
L’étape de détermination des coefficients de calibration 370 comprend alors le calcul 330 d’au moins un premier ratio CBE1/CHE1 et un deuxième ratio CBE2/CHE2 entre l’aire CBE1, CBE2 de la bande de basse énergie 202 et l’aire CHE1, CHE2 de la bande de haute énergie 204 respectivement du premier spectre énergétique de calibration et du deuxième spectre énergétique de calibration.
La figure 4 montre une modélisation de la variation du ratio CBE/CHE en fonction de la teneur en uranium CmU, et pour différents déséquilibres. On constate que le ratio est indépendant du déséquilibre. Dès lors, pour des teneurs en uranium inférieures à 5000 ppm, la teneur en uranium est reliée au ratio entre l’aire de la bande de basse énergie et l’aire de la bande de haute énergie par une équation polynomiale du premier degré de la forme suivante :
Figure imgf000015_0001
α et β sont deux coefficients de calibration.
Ainsi, l’étape de détermination des coefficients de calibration 370 consiste à partir des aires CBE et CHE de chacun des premier et deuxième spectres énergétiques et des teneurs en uranium correspondantes CmU1 et CmU2 calculées précédemment, à calculer 340 les valeurs des coefficients α et β.
Dans l’exemple, cela conduit à résoudre un système de deux équations à deux inconnues α et β.
La teneur en uranium CmU dans la région d’intérêt 10 est calculée en utilisant l’aire CBE de la bande de basse énergie 202 et l’aire CHE de la bande de haute énergie 204 du spectre énergétique acquis dans la région d’intérêt 10, le premier et le deuxième coefficients calculés α, β. La teneur en uranium CmB est calculée en particulier avec l’équation :
Figure imgf000015_0002
avec
Figure imgf000015_0003
Selon un mode de réalisation particulier, le procédé 300 comprend l’acquisition d’un troisième spectre énergétique de rayonnement gamma dans une troisième région 22 de calibration du forage 12.
Par exemple, la troisième région 22 de calibration est une région minéralisée distincte de la première région 18 de calibration et de la deuxième région 20 de calibration.
La troisième région 22 de calibration est de préférence sélectionnée de manière similaire à la première région 18 de calibration et à la deuxième région 20 de calibration. Par exemple, la première région 18 de calibration est située au-dessus de la deuxième région 20 de calibration selon la direction du forage 12. La troisième région 22 de calibration est située en-dessous de la deuxième région 20 de calibration.
Le procédé 300 comprend alors l’acquisition d’un troisième spectre énergétique de rayonnement gamma dans la troisième région 22 de calibration et le calcul de la teneur en uranium CmU3 dans cette troisième région 22 en utilisant l’aire nette de la bande énergétique 206 centrée sur la raie énergétique à 1001 keV du 234mPa du spectre, comme expliqué plus haut.
Le procédé 300 comprend alors également le calcul d’au moins un troisième ratio CBE3/CHE3 entre l’aire CBE3 de la bande de basse énergie 202 et l’aire CHE3 de la bande de haute énergie 204 du troisième spectre énergétique de calibration.
A partir des teneurs en uranium calculées CmU1, CmU2, CmU3 pour chacune des régions de calibration 18, 20, 22 et des aires CBE1, CBE2, CBE3 des bandes de basse énergie 202 et de haute énergie 204, et en particulier des ratios CBE1/CHE1, CBE2/CHE2, CBE3/CHE3 de chacun des premier, deuxième et troisième spectres énergétiques, les coefficients α et β sont calculés.
De préférence, le premier coefficient α et le deuxième coefficient β sont calculés par régression linéaire des au moins premier, deuxième et troisième ratios calculés CBE1/CHE1, CBE2/CHE2 , CBE3/CHE3 et des au moins premier, deuxième et troisième teneurs en uranium calculées CmU1, CmU2, CmU3.
En variante encore, le procédé 300 comprend l’acquisition de spectres énergétiques de calibration dans un nombre quelconque de régions de calibration.
En complément ou en variante, dans chacune des régions de calibration 18, 20, 22, une pluralité de spectres énergétiques de calibration est acquise et les étapes 320 et 330 sont effectuées sur chacun desdits spectres de calibration.
Ceci permet d’évaluer une incertitude associée à la ou les teneurs en uranium dans la ou les régions d’intérêt par le procédé 300 en traçant une courbe d’étalonnage représentant les multiples couples (Ci ; CBEi CHEi) à partir desquels il est possible d’estimer l’incertitude sur les coefficients a et p de la régression linéaire.
En variante, la teneur en uranium de la région d’intérêt 10 est reliée au ratio entre l’aire de la bande de basse énergie 202 et l’aire de la bande de haute énergie 204 par une équation polynomiale du deuxième degré de la forme CBE/CHE = α' x CmU 2 - β' x CmU + γ'. En effet, sur la figure 4, on observe pour des teneurs en uranium supérieures à 5000 ppm un écart à la linéarité qui peut être modélisé par une équation du deuxième degré. Les coefficients de calibration α', β' et γ' sont par exemple déterminés à partir de spectres énergétiques acquis dans au moins trois régions de calibration 18, 20 ,22 et par régression polynomiale.
Selon un deuxième mode de réalisation (non représenté), l’étape de détermination des coefficients de calibration 370 (équation polynomiale du premier ou du deuxième ordre) s’effectue par modélisation en utilisant par exemple un code modélisant les interactions entre la matière et les différents rayonnements. Le code utilisé est par exemple le code Monte-Carlo N-Particle (MCNP) [MCNP6TM, User’s manual - Version 1.0 - LA-CP-13- 00634, Rev. 0 - May 2013 - Denise B. Pelowitz, editor Los Alamos National Laboratory],
En variante, l’étape de détermination des coefficients de calibration 370 s’effectue en utilisant des blocs d’étalonnage. Les blocs d’étalonnage sont des blocs, par exemple des blocs de béton, dont la teneur en uranium est connue. Pour déterminer les coefficients de calibration, on insère la sonde spectrométrique 102 dans différents blocs d’étalonnage, on acquiert au moins un spectre énergétique de rayonnement gamma dans chacun des blocs d’étalonnage et on détermine les coefficients de calibration de manière similaire à ce qui est fait dans le premier mode de réalisation.
Ainsi, le procédé 300 selon l’invention permet d’évaluer de faibles teneurs en uranium des formations du sous-sol en forage de manière fiable notamment en présence de forts déséquilibres radioactifs U/Ra de l’uranium, typiquement très inférieurs à 1.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé (300) d’évaluation d’une teneur en uranium d’au moins une région d’intérêt (10) d’un sous-sol (11) par spectrométrie gamma, la région d’intérêt (10) étant traversée par un forage (12), le procédé (300) comprenant les étapes suivantes : a) acquérir (350) au moins un spectre énergétique de rayonnement gamma associé à la région d’intérêt (10), le spectre énergétique comprenant au moins une bande de basse énergie (202), une bande de haute énergie (204), une contribution du phénomène d’autoatténuation de l’uranium dans la bande de basse énergie (202) étant supérieure à une contribution du phénomène d’auto-atténuation de l’uranium dans la bande de haute énergie (204), b) évaluer (320) la teneur en uranium ( CmU) de la région d’intérêt (10) en utilisant l’aire (CBE) de la bande de basse énergie (202), l’aire (CHE) de la bande de haute énergie (204) du spectre énergétique acquis dans la région d’intérêt (10) et au moins deux coefficients de calibration.
2. Procédé (300) selon la revendication 1 , dans lequel la contribution du phénomène d’auto-atténuation de l’uranium dans la bande de basse énergie (202) est la contribution principale dans ladite bande de basse énergie (202).
3. Procédé (300) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la contribution du phénomène d’auto-atténuation de l’uranium dans la bande de haute énergie (202) est sensiblement nulle.
4. Procédé (300) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la bande de basse énergie (202) comprend une borne inférieure et une borne supérieure, la borne inférieure étant supérieure à 98 keV pour éviter une contribution du rayonnement X de fluorescence de l’uranium dans la bande de basse énergie (202).
5. Procédé (300) selon l’une quelconque des revendication 1 à 4, dans lequel la bande de basse énergie (202) est sensiblement comprise entre 120 keV et 170 keV et la bande de haute énergie (204) est sensiblement comprise entre 960 keV et 1046 keV.
6. Procédé (300) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la teneur en uranium de la région d’intérêt est reliée au ratio entre l’aire de la bande de basse énergie et l’aire de la bande de haute énergie par une équation polynomiale du premier degré de la forme CBE/CHE = β - α x CmU ou par une équation polynomiale du deuxième degré de la forme CBE/CHE = α' x CmU 2 - β' x CmU + γ', CBE étant l’aire de la bande de basse énergie (202) du spectre énergétique, CHE étant l’aire de la bande de haute énergie (204) du spectre énergétique, CmU étant la teneur en uranium, α, β, α', β', γ' étant les coefficients de calibration.
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant une étape (370) de détermination des coefficients de calibration par modélisation ou à l’aide de blocs d’étalonnage.
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant une étape (370) de détermination des coefficients de calibration en forage, le sous-sol (11) comprenant au moins une première région de calibration (18) et une deuxième région de calibration (20) traversées par le forage (12), ladite étape de détermination comprenant :
- acquérir (310) au moins un premier et un deuxième spectres énergétiques de rayonnement gamma de calibration respectivement dans les première et deuxième régions de calibration (18, 20), chacun des spectres énergétiques de calibration comprenant au moins une bande de basse énergie (202), une bande de haute énergie (204), et une bande énergétique (206) centrée sur une raie énergétique à 1001 keV du 234mPa,
- calculer (320) une première teneur en uranium (CmU1) de la première région de calibration (18) et une deuxième teneur en uranium (CmU2) de la deuxième région de calibration (20) en utilisant la bande énergétique (206) centrée sur la raie énergétique à 1001 keV du 234mPa du premier spectre énergétique de rayonnement gamma de calibration et du deuxième spectre énergétique de rayonnement gamma de calibration respectivement,
- calculer (330) au moins un premier ratio (CBE1/CHE1) et un deuxième ratio (CBE2/CHE2) entre l’aire de la bande de basse énergie (202) et l’aire de la bande de haute énergie (204) du premier spectre énergétique de calibration et du deuxième spectre énergétique de calibration respectivement, et
- calculer (340) les coefficients de calibration à partir des au moins première et deuxième teneurs en uranium (CmU1, CmU2) calculées et des au moins premier et deuxième ratios (CBE1/CHE1, CBE2/CHE2) calculés.
9. Dispositif (100) d’évaluation d’une teneur en uranium d’une région d’intérêt (10) d’un sous-sol (11) par spectrométrie gamma, la région d’intérêt (10) étant traversée par un forage (12), le dispositif comprenant :
- une sonde spectrométrique (102) comportant un détecteur scintillateur,
- un module d’acquisition (124) connecté à la sonde spectrométrique (102), le module d’acquisition (124) étant configuré pour acquérir (350) au moins un spectre énergétique de rayonnement gamma associé à la région d’intérêt (10), le spectre énergétique comprenant au moins une bande de basse énergie (202), une bande de haute énergie (204), une contribution du phénomène d’auto-atténuation de l’uranium dans la bande de basse énergie (202) étant supérieure à une contribution du phénomène d’autoatténuation de l’uranium dans la bande de haute énergie (204), - un module d’évaluation (132) de la teneur en uranium configuré pour évaluer la teneur en uranium de la région d’intérêt (10) en utilisant l’aire (CBE) de la bande de basse énergie (202), l’aire (CHE) de la bande de haute énergie (204) du spectre énergétique acquis dans la région d’intérêt (10) et au moins deux coefficients de calibration.
10. Dispositif (100) selon la revendication 9, comprenant en outre un module de détermination (125) des coefficients de calibration configuré pour déterminer les coefficients de calibration, le sous-sol (11 ) comprenant au moins une première région de calibration (18) et une deuxième région de calibration (20) traversées par le forage (12), le module d’acquisition (124) étant configuré pour acquérir au moins un premier spectre énergétique de rayonnement gamma de calibration associé à la première région de calibration (18), un deuxième spectre de calibration associé à la deuxième région de calibration (20) et un spectre énergétique de rayonnement gamma associé à la région d’intérêt (10) comprenant au moins une bande de basse énergie (202) et une bande de haute énergie (204), chacun des spectres de calibration comprenant au moins la bande de basse énergie (202), la bande de haute énergie (204), et une bande énergétique (206) centrée sur une raie énergétique à 1001 keV du 234mPa, le module de détermination (125) des coefficients de calibration comprenant :
- un premier sous-module de calcul (126) pour calculer une première teneur en uranium (CmU1) de la première région de calibration (18) et une deuxième teneur en uranium (CmU2) de la deuxième région de calibration (20) en utilisant respectivement la bande énergétique (206) centrée sur la raie énergétique à 1001 keV du 234mPa du premier spectre énergétique de rayonnement gamma de calibration et du deuxième spectre énergétique de rayonnement gamma de calibration,
- un deuxième sous-module de calcul (128) pour calculer au moins un premier ratio (CBE1/CHE1) et un deuxième ratio (CBE2/CHE2) entre l’aire de la bande de basse énergie (202) et l’aire de la bande de haute énergie (204) respectivement du premier spectre énergétique de calibration et du deuxième spectre énergétique de calibration,
- un troisième sous-module de calcul (130) pour calculer les coefficients de calibration à partir des au moins première et deuxième teneurs en uranium (CmU1, CmU2) et des au moins premier ratio et deuxième ratio (CBE1/CHE1, CBE2/CHE2).
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WO2021122772A1 (fr) * 2019-12-17 2021-06-24 Orano Mining Procédé d'évaluation de la teneur en uranium par spectrométrie gamma dans un puits de forage et dispositif associé

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