我国铀矿勘查测井仪校准装置的研究现状和展望

管少斌 唐晓川 高国林

（核工业航测遥感中心）

铀矿勘查综合测井的目的是获取地层含铀性、物性及钻孔几何状态等信息，在评价铀矿层的边界位置、品位和厚度的同时，还能获取成矿环境信息、围岩物性参数及资源储量估算参数等信息［1～13］。 随着我国铀矿勘查主攻方向转向北方可地浸砂岩型铀矿和对勘查工作降本增效要求的提出，铀矿勘查深度大幅度增加和矿床开采方式创新转变，传统的综合测井和数据解释，对探测下限、精度和测量速度，以及井径、井斜、电阻率、自然电位、密度及声波等辅助测井参数指标都提出了更高要求，研制集多参数为一体的铀矿勘查综合测井仪， 兼顾成矿环境探查的磁性、电性、弹性、密度及放射性等参数的综合测井，必将发挥更大的作用［14，15］。 这也促使综合测井仪器向着一次测井，可同步获取定量γ、自然γ、井斜、电阻率、自然电位、井径、密度及声波等多参数的一体化测井仪方向发展［16～20］。 先进的测井技术装备必须要有先进的计量技术作为保障，才能发挥其高效、先进的作用。 目前我国应用于铀矿勘查的放射性测井计量标准在技术水平、规模建制上已经 居 于 世 界 先 进 水 平［21，22］，填 补 了 国 内 一 系 列 空白，但声波、电法等辅助测井参数缺乏统一计量标准，在多井孔数据的联合解释中会带来较大的不确定度，一体化铀矿勘查综合测井技术和仪器设备可以大幅提高测井效率，砂岩型铀矿测井模型体系化能有效提高测井下限和解释精度。 但囿于专业领域限制，对保障铀矿勘查综合测井中的声测井、井径测井、磁测井、电测井、井温测井及砂岩型铀矿测井模型等检定装置尚有欠缺，逐步研制完善铀矿勘查综合测井装置标准并建立相关校准技术具有重要意义。

1 铀矿勘查综合测井概述

集电法、磁法及声波等一体化测井技术和仪器设备在石油天然气、煤炭等勘探领域已十分成熟。 经过多年的技术研究，集多测量参数为一体的综合测井技术以及适合铀矿勘查钻孔孔径的综合测井仪器设备已逐步成熟［20］。 铀矿勘查中，综合测井主要包括核测井技术、 井径测井技术、井斜测井技术、电法测井技术和声波测井技术。

1.1 核测井技术

核测井技术也被称为放射性测井技术，可以简单分为两类，包括γ 测井和中子测井。γ 测井分为定量γ 测井、自然γ 测井、自然γ 能谱测井和γ-γ 密度测井（简称密度测井）；中子测井分为裂变中子测井、中子寿命测井和中子-γ 测井。

在铀矿勘查中，定量γ 测井结果是可以直接用来估算铀资源量的测井技术，也是固体矿产中唯一用于资源量估算的技术［13］。 与自然γ 测井相比，最主要的区别是两者测量的能量起始阈值不同， 定量γ 测井的晶体组件外包裹1 mm 厚的铅锡屏蔽套，可以屏蔽钻孔内能量在400 keV 以下的低能散射影响［23］。 为此，EJ/T 611—2005《γ 测井规范》中，明确规定了FD-3019 和HD-4002 型γ 测井仪可用于定量γ 测井。

密度测井主要用来确定地层的体积密度和孔隙度，以及结合电阻率、声波曲线划分岩性。 测井探管加装γ 源（137Cs），通过测量地层的散射γ 强度来计算地层密度。 通常采用两个不同源距的探测器，求得在泥饼影响条件下岩石的体积密度值。

1.2 井径测井技术

井径仪是测量钻孔直径的仪器。 常见的井径仪有单臂、三臂或四臂。 铀矿勘查中往往使用密度探管的推臂器来测量井径。

井径参数主要用来了解钻孔直径的变化情况，辅助其他测井资料判断地层岩性，以及对测井解释环境影响校正。 铀矿勘查中利用井径参数获得井液厚度，对γ 测井进行修正后确定矿段层位和定量计算矿段品位。

1.3 井斜测井技术

井斜测井主要测量钻孔的顶角和方位角。 分为普通测斜仪和陀螺测斜仪。 普通测斜仪是借助地磁参数测量的， 只能在没有铁套管时测量；陀螺测斜仪是借助重力的机械测量方式，可以在钻杆内测量，测量时更加安全、准确。

井斜测井用来计算目的层垂深和各方向的位移，确定目的层在构造上的高度和位置，将γ测井计算的铀矿层视厚度修正为真厚度。

1.4 电法测井技术

电法测井包括三侧向电阻率测井、电阻率测井和自然电位测井。

电法测井主要用来划分岩性剖面和确定地层界面，以及计算地层的真电阻率。

1.5 声波测井技术

声波测井，通常指声波速度测井。 主要是根据岩石或流体的声速不同， 测得声波反射时差，即声波时差，是介质的弹性、密度和状态的一个综合反映。

其他包括声波幅度测井、 声波变密度测井、全波列测井、环形声波测井、声波电视测井及声波成像测井等。

声波测井主要用来确定地层岩性和计算孔隙度。

2 综合测井仪现行检定/刻度技术

检定/校准是目前通用的计量术语，刻度是在过去自然形成的一个校正仪器术语。 本着尊重原文的原则，对于仪器说明书中仍然沿用刻度一词的说法，不做改变。

铀矿勘查中使用的综合测井参数， 只有定量γ 测井和γ-γ 密度测井可以在核工业放射性勘查计量站进行检定获得， 其他测井参数目前尚未建立统一的计量标准， 只能采用生产厂家提供的刻度器进行刻度，这是产生量值不统一的主要原因。

2.1 γ 测井仪的检定

核工业放射性勘查计量站自1978 年建站开始，研建了γ 测井模型标准装置（国防区域最高标准——〔2001〕国防计标区域证G2575 号，国家专项计量授权标准——〔2005〕 国量标核证字第004 号），如图1 所示，实现了γ 测井仪测量对象由照射量率 （C/（kg·h）） 向含量单位 （μg/g，原ppm）的转换，显著提高了仪器的校准精度和勘探效率，降低了勘探成本［21］。 “十二五”期间，将模型铀含量的上限由1%拓展到了5%，形成了完整的计量标准体系， 现有的标准含量范围eU 为2.0×10-6～5.1×10-2g/g，eTh 为2.0×10-6～1.5×10-2g/g，K为2.0×10-3～6.0×10-2g/g，并据此形成了相应计量技术规范，现行标准为JJG（军工） 27—2012《 γ 测井仪检定规程》［23］。

图1 γ 测井模型标准装置

2019～2021 年，在铀矿勘查用γ 测井仪检定过程中， 检出不合格仪器数量占比约12.2%［24］。通过仪器检定，有效控制了计量性能不合格仪器进入生产和科研环节，降低了仪器带来的不确定性。

2.2 密度测井仪的检定

密度测井仪的一级刻度（校准）在岩石模型上进行，二级刻度通常选择有机玻璃模块（密度1.18 g/cm3）和铝模块（密度2.78 g/cm3）进行刻度。

石油工业测井计量站建有完整的密度孔隙度刻度井群，共有22 个密度模块，井径ϕ150 mm、ϕ250 mm。 我国砂岩型铀矿勘查钻孔井径通常为ϕ110 mm，2002 年核工业放射性勘查计量站建立了适用于砂岩型铀矿测井的密度孔隙度测井模型标准（国防区域最高标准——〔2017〕国防计标证3264 号），该标准采用的是天然砂岩，密度范围2.138～2.494 g/cm3，模拟钻孔井径90 mm［25］，如图2 所示。

图2 密度孔隙度测井模型标准装置

用密度孔隙度测井模型标准对243-1#和243-2#密度测井仪进行校准后， 验证的测量结果见表1。结果表明，两套密度测井仪测量结果与模型标称值的相对偏差不超过2%， 密度孔隙度测井模型标准完全适合于砂岩型铀矿勘探用密度测井仪的校准。

表1 密度测井仪验证测量结果

2.3 中子测井仪的检定

瞬发裂变中子测井（PFN）目前在我国已开展了多年的研究，虽尚未在铀矿勘查中开展大规模应用，但研究结果表明瞬发裂变中子测井在砂岩型铀矿勘查领域拥有巨大的发展潜力。

为了开展前瞻性技术研究，2002 年核工业放射性勘查计量站建立了适用于瞬发裂变中子测井和γ 测井的砂岩型铀矿测井模型标准装置（国防区域最高标准——〔2018〕 国防计标区域证G2850 号），铀含量范围（281～983）×10-6g/g，如图3 所示，并据此编制了国防计量技术规范，现行规范为JJG（军工） 151—2017《裂变中子测井仪检定规程》［26］。

图3 砂岩型铀矿测井模型标准装置

2.4 井径仪的刻度

井径仪的刻度通常采用生产厂家配备的不同尺寸的井径环或井径规（图4），在ϕ60 ～ϕ300 mm 范围内采用至少两个测量点，通常选取仪器测量的最大井径和最小井径刻度，线性拟合得到刻度方程。

图4 单臂井径测井仪刻度器

井径仪检查的允许误差为5 mm［27］。

2.5 井斜仪的刻度

井斜仪的刻度通常采用生产厂家配备的井斜方位校验台。 顶角和方位角的刻度方法与仪器类型有关。

井斜仪检查顶角范围选择0～15°， 方位角范围选择0～360°，每隔45°测量一组。顶角绝对偏差最大不超过0.5°，方位角绝对偏差最大不超过5°［27］。

目前正在进行磁三分量校准装置研建和校准技术研究，将解决借助地磁参数测量井斜的仪器计量问题。

2.6 电法测井仪的刻度

电法测井仪的刻度通常采用生产厂家配备的多挡位标准电阻率-自然电位刻度器， 电阻率和自然电位测井仪可以共用一套刻度器模拟地层电阻率来刻度测井仪。 通常采样两个测量点线性拟合得到刻度方程。

电阻率检查允许误差不大于5%［27］。

2.7 声波测井仪的刻度

声波测井仪校准装置用来校准声波测井仪，可以是固定的，或是不固定的设备。 一般用高、低声阻抗的材料制成，或者用实际的岩块制成。 声波测井仪校准装置模拟实际钻孔岩层的声学特性。 要求其声阻抗等物理特性长期稳定不变，材料应不渗水、不溶解、低孔隙度。

选择的两个声波刻度器，分别为钢筒和塑料筒，给定的声波时差范围分别是（187±5） μs/m 和（550±10） μs/m。 刻度器尺寸一般内径ϕ110 mm、外径ϕ120 mm、长1.5 m。

声波测井仪器校准装置安装和检定好后，就可以对声波测井仪器进行校准刻度。 声波测井仪器在不同声阻抗模拟孔内测得不同的响应数据，测量数据和模拟装置的示值数据进行刻度即可得到各测井仪器的刻度系数。

3 综合测井仪校准装置设计和展望

3.1 井径测井仪校准装置

由于井径环或井径规的厚度有限，刻度时受到井径测井仪姿态位置的影响较大，设计将井径校准与γ 测井校准融于一体（图5），保证井径测井仪校准时，探管姿态能够完全模拟实际测井环境，通过对铀矿勘探孔井径的测量，实现对γ 测井数据的修正，提高对不同尺寸铀矿勘探孔铀矿资源储量的估算准确度。

图5 井径-γ 测井校准装置示意图

3.2 电法测井校准装置

地层电阻率与地层的岩性及孔、渗、饱参数的关系具有多解性，因此，不能指望仅仅依靠地层电阻率来确定地层的岩性及孔、渗、饱参数。 同样，也无法通过人为制造不同的岩性及孔、渗、饱模拟参数，来获得实际地层的标准电阻率参数。

唯一可行的选择方案是用电阻率不同的水溶液代替地层，保证水溶液的电阻率是可准确测量和己知的基本要点。 对于砂岩型铀矿来说，泥岩-砂岩-砂砾岩-砾岩的电阻率逐渐增高， 地层电阻率的变化主要由地层孔隙度和孔隙中的流体导电性决定。 纯净水是不导电的，在纯净水中溶解了一些诸如NaCl、KCl 等盐类后， 引起了流体导电性的变化， 也相应的具有了不同的电阻率，在这个意义上用电阻率不同的水溶液模拟地层，物理意义是相通的。

电法测井仪校准装置主体结构是圆柱形容器，包括内部中心一个可拆卸的内桶（模拟侵入带），底部有进水管、进气管（均匀性搅拌），在预调桶内配置好的盐水经循环泵到标准井中，并配置高精度电导率测量仪监测盐水溶液电阻率，如图6 所示。

图6 电阻率测井校准装置示意图

配置两个不同电阻率值的溶液，通过线性拟合得到电阻率和自然电位的刻度方程，进而对电法测井仪进行校准。

3.3 声波测井仪校准装置

同电法与地层一样， 声波同样具有多解性，钢质或塑料材质与实际测量对象 （野外钻孔岩石）差别较大，岩石的密度、孔隙度等岩性对声波测井的影响无法有效模拟和开展影响因素试验研究，因此采用该方法制作标准装置不合适。

图7 所示为设计的声波测井仪校准装置，首先建造标准井的储存池， 采用水泥混凝土浇筑，在底部安装标准井的正下方打一延伸孔，孔可以保证测井探管测量到标准井的全部。 为保证标准井岩石内孔隙流体参数的稳定不变，池内充装淡水。3 个标准井井孔对齐安装在池内中部，从底部按砂岩标准井→白云岩标准井→砂岩标准井的顺序依次安装。

图7 声波测井校准装置示意图

3.4 砂岩型铀矿测井模型

现有砂岩型铀矿测井模型标准装置含有4个模型，模型铀含量仅为（281～983）×10-6g/g，不能覆盖我国北方可地浸砂岩型铀矿的最低可采品位10-4g/g，也不能满足高铀含量砂岩型铀矿的计量需求。

通过调研矿石原材料，按照工艺试验确定的配比，分层浇注不同铀含量的测井模型，扩展现有砂岩型铀矿测井模型量值范围 （50～10 000）×10-6g/g， 使其基本覆盖我国砂岩铀矿铀含量范围，为砂岩型铀矿勘查提供计量保障。

4 结束语

γ 测井和地球物理综合测井在铀矿勘查中发挥了重要作用，在其基础上利用现代电子集成技术，将中子、密度、井斜、井径、电法及声波等辅助铀矿勘查仪器集为一体的综合测井技术和仪器将是重要的发展方向。 在现有核测井计量标准基础之上，通过对未来发展趋势的展望，设计了井径、电法、声波等测井装置及砂岩型铀矿测井模型研制方法和检定技术，有望在近期研制较完善的铀矿勘查综合测井仪计量装置和建立系列计量标准， 解决刻度器量值溯源不统一的弊端，减少综合测井仪校准结果的不确定度，提高铀矿勘查测井效率和准确度，更好地服务于铀矿勘查。