基于超热中子时间谱的瞬发中子测井及铀矿定量技术.pdf

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摘要
申请专利号:

CN201310440358.1

申请日:

2013.09.13

公开号:

CN103470252A

公开日:

2013.12.25

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情:

授权|||实质审查的生效IPC(主分类):E21B 49/00申请日:20130913|||公开

IPC分类号:

E21B49/00

主分类号:

E21B49/00

申请人:

东华理工大学

发明人:

汤彬; 王仁波; 周书民; 张雄杰; 王海涛; 陈锐; 刘志锋

地址:

344000 江西省抚州市环城西路14号

优先权:

专利代理机构:

江西省专利事务所 36100

代理人:

胡里程

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内容摘要

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技术,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nE(t1)/nE(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。

权利要求书

1.  一种基于超热中子时间谱的瞬发中子测井及铀矿定量技术,该技术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,该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该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,从该时间谱中提取表示该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nE(t1)/nE(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。

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技术,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的正比计数管;超热中子探测器的正比计数管紧靠中子发生器。

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技术,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,脉冲计数器输出端连接时间谱分析与数据缓存电路;超热中子时间谱仪可记录快中子慢化而来的中子时间谱;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技术, 其步骤:利用已经刻度了的测井仪,该测井仪参数事先调整到固定状态,并确定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NE(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NE(t)的自t2至t≤40时段的指数规律增长段、自t≤200至t1时段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NE(t)求得超热中子衰减量NE(t≤200~t1)和超热中子增长量NE(t2~t≤40),由下式计算“裂变/慢化”比Nf/m(t1,t2):
Nf/m(t1,t2)=τ2·(1-e-(t40-t2)/τ2)τ1·(1-e-(t1-t200)/τ1)·NE(t200~t1)NE(t2~t40)]]>
最后以井轴为纵坐标,以Nf/m(t1,t2)-η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:
qu=Nf/m(t1,t2)-ηK]]>
其中,本底干扰η、换算系数K,以及超热中子时间谱NE(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时间点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qu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NE(t),通过超热中子时间谱NE(t)中的指数规律增长段、负指数规律衰减段的指数函数、负指数函数拟合,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Nf/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。

说明书

基于超热中子时间谱的瞬发中子测井及铀矿定量技术
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技术,该技术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nE(t1)/nE(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。
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的正比计数管;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,脉冲计数器输出端连接时间谱分析与数据缓存电路;超热中子时间谱仪可记录快中子慢化而来的中子时间谱;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传输。
利用已经刻度了的测井仪,该测井仪参数事先调整到固定状态,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,由超热中子时间谱仪获得各测点的超热中子时间谱NE(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NE(t)的自t2至t≤40时段的指数规律增长段、自t≤200至t1时段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NE(t)求得超热中子衰减量NE(t≤200~t1)和超热中子增长量NE(t2~t≤40),由下式 计算“裂变/慢化”比Nf/m(t1,t2):
Nf/m(t1,t2)=τ2·(1-e-(t40-t2)/τ2)τ1·(1-e-(t1-t200)/τ1)·NE(t200~t1)NE(t2~t40)]]>
最后以井轴为纵坐标,以Nf/m(t1,t2)-η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:
qu=Nf/m(t1,t2)-ηK]]>
其中,本底干扰η、换算系数K,以及超热中子时间谱NE(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时间点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qu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NE(t),通过超热中子时间谱NE(t)中的指数规律增长段、负指数规律衰减段的指数函数、负指数函数拟合,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Nf/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无入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:n+B10→α+Li7+2.792MeV(6.1%)α+Li*7+2.31MeV(93.9%)σ0=3837±9b]]>
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,0)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,脉冲计数器输出端连接时间谱分析与数据缓存电路。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nE(t1)正比于铀(235U)含量qu,也正比于该时刻现存的热中子总量nT(t1):
nE(t1)∝nT(t1)·qu
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nE(t2)正比于t1时刻现存的热中子总量nT(t1),则上式变为:
nE(t1)∝nE(t2)·qunE(t1)nE(t2)=KU·qu---(1)]]> 式中,
nE(t1)=nE(t200)·e-(t1-t200)/τ1nE(t2)=nE(t40)·e-(t40-t2)/τ2---(2)]]>
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nE(t1)/nE(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nf/m(t1,t2);KU表示“裂变/慢化”比nf/m(t1,t2)与铀含量qu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NE(t),NE(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NE(t≤200~t1),自t2至t≤40时刻的超热中子增长量NE(t2~t≤40),即:
NE(t200~t1)=η1·nE(t200~t1)=η1·∫t200t1nE(t)dt=η1·τ1·nE(t200)·(1-e-(t1-t200)/τ1)NE(t2~t40)=η2·nE(t2-t40)=η2·∫t2t40nE(t)dt=η2·τ2·nE(t40)·(1-e-(t40-t2)/τ2)---(3)]]>
为此可构建新的“裂变/慢化”比(f/m比),记为Nf/m(t1,t2):
Nf/m(t1,t2)=τ2·(1-e-(t40-t2)/τ2)τ1·(1-e-(t1-t200)/τ1)·NE(t200~t1)NE(t2~t40)---(4)]]>
显然,按(1)式的正比关系,可推导出Nf/m(t1,t2)同样正比于地层岩石铀含量qu,即:
Nf/m(t1,t2)=K·qu      (5)式中,
K=η2η1·KU---(6)]]>
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NE(t≤200~t1)与地层岩石中实际的超热中子衰减量nE(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NE(t2~t≤40)与地层岩石中实际的超热中子增长量nE(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Nf/m(t1,t2)与铀含量qu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:
Nf/m(t1,t2)-η=K·qu         (7)
对于野外生产测井,通常将(7)式中的K、η作为已知量,Nf/m(t1,t2)作为测量量,qu作为待求量;而对于模型刻度测井,则K、η为待求量,qu为已知量,Nf/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qu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Nf/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qu。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Nf/m(t1,t2)达到稳定值,即中心点的Nf/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qu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、时间谱分析与缓存电路,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连接时间谱分析与缓存电路,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Φ32mm×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DC24V,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qu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NE(t),以此求得超热中子衰减量NE(t≤200~t1)和超热中子增长量NE(t2~t≤40),按(4)式构建“裂变/慢化”比Nf/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NE(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Nf/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NE(t),并累计自t2至t≤40时刻的超热中子计数NE(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NE(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Nf/m(t1,t2),以井轴为纵坐标,绘制Nf/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Nf/m(t1,t2)-η的平均值,则该矿层的平均铀含量可由(7)式求得。

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1、10申请公布号CN103470252A43申请公布日20131225CN103470252ACN103470252A21申请号201310440358122申请日20130913E21B49/0020060171申请人东华理工大学地址344000江西省抚州市环城西路14号72发明人汤彬王仁波周书民张雄杰王海涛陈锐刘志锋74专利代理机构江西省专利事务所36100代理人胡里程54发明名称基于超热中子时间谱的瞬发中子测井及铀矿定量技术57摘要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技术,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23。

2、5U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1/2和1/1,定义NET1/NET2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。51INTCL权利要求书2页说明书7页附图3页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书7页附图3页10申请公布号CN103470252ACN103470252A1/2页21一种基于超热。

3、中子时间谱的瞬发中子测井及铀矿定量技术,该技术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,该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该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,从该时间谱中提取表示该快中子慢化能力和铀裂变持续能力的两个系数1/2和11,定义NET1NET2为“裂变慢化”比,最后以“裂变/慢化”比构建基于饱和。

4、矿层的铀定量实时算法。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技术,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06MPA12MPA;超热中子探测器的正比计数管外围包裹5MM6MM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05MM15MM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的正比计数管;超热中子探测器的正比计数管紧靠中子发生器。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技术,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。

5、慢化材料、包裹在慢化材料外的05MM15MM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,脉冲计数器输出端连接时间谱分析与数据缓存电路;超热中子时间谱仪可记录快中子慢化而来的中子时间谱;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技术,其步骤利用已经刻度了的测井仪,该测井仪参数事先调整到固定状态,。

6、并确定T200、T1、T40、T2,以及、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NET,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NET的自T2至T40时段的指数规律增长段、自T200至T1时段的负指数规律衰减段分别进行数值拟合,求得增长速率1/1与衰减速率1/2的取值,并由该时间谱NET求得超热中子衰减量NET200T1和超热中子增长量NET2T40,由下式计算“裂变慢化”比NF/MT1,T2最后以井轴为纵坐标,以NFMT1,T2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。

7、矿层铀含量的平均效应,即饱和矿层铀含量的计算公式为权利要求书CN103470252A2/2页3其中,本底干扰、换算系数K,以及超热中子时间谱NET的指数规律增长段的时间点T2和T40、负指数规律衰减段的时间点T200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QU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NET,通过超热中子时间谱NET中的指数规律增长段、负指数规律衰减段的指数函数、负指数函数拟合,选择拟合函数的相关系数尽量高,一般达到095以上的T200、T1、T40、T2参数,并根据这些拟合函数求。

8、得1、2的取值,然后计算“裂变慢化”比NFMT1,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,求得与K的取值。权利要求书CN103470252A1/7页4基于超热中子时间谱的瞬发中子测井及铀矿定量技术技术领域0001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0002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。

9、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。0003在铀矿勘探领域,我国一直采用自然总量或能谱测井进行铀定量,因铀元素并非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,以及钍系核素与40K钾同位素的射线份额,。

10、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。0004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,。

11、以替代现行铀定量的自然测井技术,进而实现“直接测铀”及铀矿定量。发明内容0005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。0006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技术,该技术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。

12、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,说明书CN103470252A2/7页5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1/2和11,定义NET1/NET2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。0007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06MPA12MPA;超热中子探测器的正比计数管外围包裹5MM6MM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05MM15MM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。

13、挡热中子进入超热中子探测器的正比计数管;超热中子探测器的正比计数管紧靠中子发生器。0008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05MM15MM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,脉冲计数器输出端连接时间谱分析与数据缓存电路;超热中子时间谱仪可记录快中子慢化而来的中子时间谱;超热中子时间谱仪采用485。

14、总线与地面测井计算机进行数据传输。0009利用已经刻度了的测井仪,该测井仪参数事先调整到固定状态,并确定T200、T1、T40、T2,以及、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NET,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NET的自T2至T40时段的指数规律增长段、自T200至T1时段的负指数规律衰减段分别进行数值拟合,求得增长速率11与衰减速率12的取值,并由该时间谱NET求得超热中子衰减量NET200T1和超热中子增长量NET2T40,由下式计算“裂变慢化”比NFMT1,T200100011最。

15、后以井轴为纵坐标,以NFMT1,T2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00120013其中,本底干扰、换算系数K,以及超热中子时间谱NET的指数规律增长段的时间点T2和T40、负指数规律衰减段的时间点T200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QU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NET,通过超热中子时间谱NET中的指数规律增长段、负指数规律衰减段的指数函数、负指数函数拟合,选择拟合函数的相关系。

16、数尽量高,一般达到095以上的T200、T1、T40、T2等参数,并根据这些拟合函数求得1、2的取值,然后计算“裂变/慢化”比NF/MT1,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,求得与K的取值。0014具体为说明书CN103470252A3/7页600151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无入3HE氦同位素气体,利用3HEN,PT或10BN,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0016N,P核反应N3HEPT0765MEV053337B0017N,核反应0018其中,0为热中子与3HE或10。

17、B的核反应截面,单位为靶1B1024CM2。0019因N,P核反应释放质子1H,记为P及氚核3H,记为T,N,0核反应释放粒子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。00202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3HEN,PT或10BN,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。

18、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5MM6MM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05MM15MM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。0021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。

19、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,脉冲计数器输出端连接时间谱分析与数据缓存电路。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。0022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。00233构建基于超热中子时间谱的“裂。

20、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5000S,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。0024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说明书CN103470252A4/7页7200S,记为T200时刻的任意T1时刻T1T200,现存的超热中子总量NE。

21、T1正比于铀235U含量QU,也正比于该时刻现存的热中子总量NTT10025NET1NTT1QU0026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40S,记为T40时刻的任意T2时刻T2T40,现存的超热中子总量NET2正比于T1时刻现存的热中子总量NTT1,则上式变为0027NET1NET2QU或式中,00280029由2式可知,均匀介质地层岩石中,发射快中子约200S之后,现存的超热中子总量自T200至T1时刻按负指数规律衰减,衰减速率由1/1描述;发射快中子后的40S之前,现存的超热中子总量自T2至T40时刻以指数规律增长,增长速率由12描述;显然1、2的取值与地层岩。

22、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NET1/NET2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FM比,记为NF/MT1,T2;KU表示“裂变/慢化”比NF/MT1,T2与铀含量QU的正比系数。00304研发基于饱和矿层及超热中子时间谱的铀定量实时算法。0031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NET,NET的实测曲线如图3所示。按时间谱可求得自T200至T1时刻的超热中子衰减量NET200T1,自T2至T40时刻的超热中子增长量NET2T40,即00320033为此可构建新的。

23、“裂变慢化”比FM比,记为NFMT1,T200340035显然,按1式的正比关系,可推导出NFMT1,T2同样正比于地层岩石铀含量QU,即0036NFMT1,T2KQU5式中,00370038在36式中,1反映铀裂变持续能力的探测效率,表示自T200至T1时刻测量的超热中子衰减量NET200T1与地层岩石中实际的超热中子衰减量NET200T1说明书CN103470252A5/7页8之比;2反映中子慢化能力的探测效率,自T2至T40时刻测量的超热中子增长量NET2T40与地层岩石中实际的超热中子增长量NET2T40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。

24、F/MT1,T2与铀含量QU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。0039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,则4式可改写为0040NF/MT1,T2KQU70041对于野外生产测井,通常将7式中的K、作为已知量,NFMT1,T2作为测量量,QU作为待求量;而对于模型刻度测井,则K、为待求量,QU为已知量,NF/MT1,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T200、T1、T40、T2到合适的固定值,然后通过测量两个以上的模型井铀。

25、含量QU已知,但取值不同,以此求得K、的取值。在野外生产测井时,因K、为已知量,通过测量量NFMT1,T2按7式就能方便地求得野外井中的地层岩石铀含量QU。图4是按“裂变慢化”比数据绘制的野外井的测井曲线。0042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NF/MT1,T2达到稳定值,即中心点的NF/MT1,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QU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,。

26、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。0043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0044图1为铀裂变瞬发中子测井仪及井下探管的结构示意图;0045图2为超热中子探测器及时间谱仪的结构示意图;0046图3为超热中子时间谱的实测曲线;0047图4为“裂变慢化”比的测井曲线。具体实施方式0048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。

27、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。00491制作基于3HE正比计数管的超热中子探测器及时间谱仪。00503HE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说明书CN103470252A6/7页9探测器。也就是,在正比计数管外围包裹约5MM6MM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05MM15MM壁厚的金属镉皮以便阻挡热中子进入慢化材料及正。

28、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。0051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、时间谱分析与缓存电路,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。

29、别器电路滤除噪声后,成形为宽度约为1S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连接时间谱分析与缓存电路,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。0052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。0053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2S128S连续调整;脉冲响应时间约12S;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200。

30、0H。0054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。0055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FWHM15,本底计数率10CPM,工作电压9001500V可调,坪长200V,最大坪斜13100V,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32MM230MM灵敏区长度约为200MM,充气压力10MPA,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。

31、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。0056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。0057探测器高压电源系统将24V直流电源转换为1200V1800V直流高压,用于正比计数管电场加速极,该高压电源采用了1800V100A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DC24V,最大输出电压与电流1800V100A,纹波性能好于100MV,工作温度20150,连续工作时间200H,机械尺寸19。

32、100MM。00582基于饱和矿层与超热中子时间谱的铀定量实时算法。0059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说明书CN103470252A7/7页10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。0060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。

33、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T200、T1、T40、T2选定相同值,由刻度测井求取本底干扰值和换算系数K值,并应用于生产测井求取铀含量。0061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QU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NET,以此求得超热中子衰减量NET200T1和超热中子增长量NET2T40,按4式构建“裂变/慢化”比NFMT1,T2。应当注意,应采用数值拟合方法,针对超热中子时间谱NET中的指数规律增长段自T2至T40时刻进行指数函数拟合,负指数规律衰减段。

34、自T200至T1时刻进行负指数函数拟合,并调整T200、T1、T40、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095以上,并根据这些拟合函数求得1、2的取值,由按4式计算“裂变慢化”比NF/MT1,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099以上,并以此求得本底干扰值、换算系数K值的最佳解。0062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T200、T1、T40、T2,以及、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NET,并累计自T2至T40时刻的超热中子。

35、计数NET2T40,同时以指数函数拟合方法求得2值,以及累计自T200至T1时刻的超热中子计数NET200T1,同时以负指数函数拟合方法求得1值;最后按4式计算“裂变慢化”比NF/MT1,T2,以井轴为纵坐标,绘制NF/MT1,T2的测井曲线称为“裂变慢化”比测井曲线。0063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NF/MT1,T2的平均值,则该矿层的平均铀含量可由7式求得。说明书CN103470252A101/3页11图1说明书附图CN103470252A112/3页12图2图3说明书附图CN103470252A123/3页13图4说明书附图CN103470252A13。

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