Способ прямого помехоустойчивого определения содержания урана при каротаже по мгновенным нейтронам деления

(51) 01 5/10 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ Технический результат достигается способом прямого помехоустойчивого определения содержания урана при каротаже по мгновенным нейтронам деления, включающий циклическое облучение рудовмещающих пород импульсами генератора быстрых нейтронов при непрерывном перемещении скважинного прибора с заданным шагом квантования по глубине, измерение монитором величины выхода потока нейтронов генератора, измерения интегрального временного спектра надтепловых мгновенных нейтронов деления на ближнем зонде(МНД) и асимптотического декремента затухания тепловых нейтронов генератора на дальнем зонде (ТН),определение концентрации урана и времени жизни мгновенных нейтронов деления мнд, оценку влияния влажности рудовмещающих пород на определение концентрации урана,по асимптотическому декременту затухания тепловых нейтронов генератора на дальнем зонде (ТН). Согласно изобретению, измерения интегрального временного спектра надтепловых мгновенных нейтронов деления на ближнем зонде(МНД) и асимптотического декремента затухания тепловых нейтронов генератора на дальнем зонде (ТН) проводят на зондах, значения длин которых для ближнего (мнд) и дальнего (тн) зондов, а также значения временных отсечек регистрации на ближнем (Тмнд) и дальнем (Ттн) зондах,оптимизированы по критерию- минимального влияния помех от влажности руд и диаметра необсаженной скважины на измеряемые концентрации урана. Концентрацию урана определяют, используя функционал, выраженный отношением интегральных временных спектров на обоих зондах МТМНД(мнд,Тмнд)/ТН(тн,Ттн),а время жизни надтепловых нейтронов деления мнд, на ближнем зонде определяют путем пересчета из величины пластового декремента затухания тепловых нейтронов генератора.(72) Поляченко Анатолий ЛьвовичКаменев Леонид ИртаевичМолдакулов Нуржан ЗиябековичКошевой Олег ГригорьевичЕфремов Александр Михайлович(56) Комплекс ядерно-геофизической аппаратуры нового поколения для разведки и эксплуатации урановых месторождений. Сборник докладов международной научно-техн. конф. Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе(54) СПОСОБ ПРЯМОГО ПОМЕХОУСТОЙЧИВОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ УРАНА ПРИ КАРОТАЖЕ ПО МГНОВЕННЫМ НЕЙТРОНАМ ДЕЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к способам прямого помехоустойчивого определения содержания урана при каротаже по мгновенным нейтронам деления(далее - КНД-м), используемых для обнаружения и оценки содержания и линейных запасов урана при поисках, разведке и эксплуатации урановых месторождений, прежде всего при отработке месторождений гидрогенного типа методом скважинного подземного выщелачивания. Задачей предложенного способа является повышение точности определения концентрации урана и его линейных запасов (вдоль оси скважины) в рудных на уран интервалах геологического разреза путем снижения (или полного исключения) влияния помех на определяемый параметр - С. Технический результат заключается в обеспечении нормативной точности при количественном определении содержания урана С по КНД-м, контроль величины погрешности С. Изобретение относится к рудной скважинной ядерной геофизике, а более конкретно - к области измерений и исследований нестационарных полей нейтронов деления и тепловых нейтронов от импульсного генератора при каротаже на уран. В частности, к способам прямого помехоустойчивого определения содержания урана при каротаже по мгновенным нейтронам деления (далее - КНД-м),используемых для обнаружения и оценки содержания и линейных запасов урана при поисках,разведке и эксплуатации урановых месторождений,прежде всего при отработке месторождений гидрогенного типа методом скважинного подземного выщелачивания. Известен способ однозондового импульсного нейтронного каротажа на уран по данным измерений интегрального временного спектра мгновенных надтепловых нейтронов деления (МНД) изотопа 235 с отсечкой по времени задержки 150 мкс, нормированному на монитор (МОН), МНД(150)/МН и, измеряемого на ближнем зонде МНД, времени жизни нейтронов - мнд, который реализован в ряде российских приборов, в т.ч. в наиболее массовой и ныне действующей аппаратуре АИНК-60 Аппаратура импульсного нейтронного каротажа АИНК-60. Руководство по эксплуатации. ВНИИ Автоматики, Москва, 1999 г. Аппаратура импульсного нейтронного каротажа для определения содержания урана в скважинах на месторождениях,отрабатываемых способом подземного выщелачивания. Вопросы атомной науки и техники, сер. Ядерное приборостроение,вып. 1 (19), 2001. Авт. Боголюбов Е.П., Титов И.А. и др. (значение величины времени отсечки 150 мкс выбирается равным величине максимального значения времени термализации нейтронов генератора в рудных по урану породах). Способ имеет ряд недостатков- в способе отсутствуют средства подавления или учета влияния вариаций влажности руд ,- в способе также отсутствуют средства подавления или учета влияния вариаций диаметра необсаженной скважины ,- оценка среднего времени жизни тепловых нейтронов в породе , используемая в данном способе при определениях урана, производится по данным измерения временного спада сигнала мгновенных нейтронов деления урана на ближнем зонде МНД, из-за чегосильно зависит от распределения концентрации урана (С) по разрезу даже в однородных поинтервалах, что является физически некорректным и приводит к дополнительным, неконтролируемым ошибкам определения С- по этой же причине при данном способе тмнд измеряется в бедных урановых рудах с недопустимо большой статистической погрешностью, либо приходится проводить каротаж на слишком малой скорости вплоть до поточечных замеров неподвижным скважинным прибором. Известен способ двухзондового импульсного нейтронного каротажа на уран, когда на обоих зондах измеряются интегральные временные 2 спектры надтепловых МНД с отсечкой по времени 150 мкс и по показаниям ближнего зонда,нормированным на монитор - МНД(150)/МОН,оценивается содержание урана С а отношение показаний на обоих зондах предназначено для оценки влажностипород с целью ее учета при определении урана. Этот способ реализован в российской аппаратуре ТСКУ-111 в двухзондовом варианте ТСП-111 Методические рекомендации для проведения каротажа по мгновенным нейтронам деления с аппаратурой ТСКУ 91 (Импульс). ВИРГ, Мин-во геологии СССР. Сост. Ганичев Г.И.,Макаров Н.А. и др. - Д., 1980 Данный способ имеет ряд недостатков- поскольку распределения урана С и влажностипо глубине независимы по геохимическим позициям, а сигналы МНД на обоих зондах пропорциональны локальным значениям С то определениевозможно только в интервалах достаточной мощности (1 м), однородных по величинам С и поодновременно, что существенно ограничивает область применимости этого способа на гидрогенных месторождениях,которые обычно представлены весьма неоднородными геологическим отложениями- оценка мнд, используемая в способе при определении С, производится по временному затуханию сигнала МНД на ближнем зонде, из-за чего она оказывается зависящей от распределения урана по глубине даже в однородных поинтервалах, что физически некорректно и приводит к дополнительным, неконтролируемым ошибкам определения С- в рядовых и, тем более, в бедных рудах, по той же причине, мнд измеряется с недопустимо большой статистической погрешностью, а влажностьнаходится с использованием сигнала МНД на дальнем зонде, интенсивность которого очень мала и обуславливает значительные статистические ошибки определения . В итоге оба эти фактора приводят к недопустимо большим погрешностям определения урана, превышающим нормативные,особенно в бедных рудах. Известен способ импульсного нейтронного каротажа на уран с двухзондово-совмещенной системой регистрацией надтепловых МНД и тепловых нейтронов(ТН) генератора на соответствующих зондах,пространственно совмещенных в одной физической точке (длины обоих зондов равны). Для определения урана использован более помехоустойчивый интерпретационный функционал - отношения интегральных показаний обоих детекторов МНД/ТН. (, ), , ...302,1983-04-01,где пространственное совмещение обоих детекторов ближнего МНД и дальнего ТН зондов и принятый интерпретационный функционал исключили необходимость монитора выхода потока нейтронов генератора, т.к. отношение МНД/ТН не зависит от этой величины. Данный способ имеет следующие недостатки- основной интерпретационный параметр на уран, отношение МНД/ТН, измеряется на одинаковых расстояниях детекторов ближнего МНД и дальнего ТН зондов от мишени генератора. Такое соотношение длин зондов обоих детекторов не является оптимальным, и потому зависимости МНД/ТН от переменных геолого-технических помех, ,хотя и ослабевают, но остаются еще существенными. Таким образом, указанные помехи не подавляются полностью, однако никак и не учитываются, что не позволяет определять концентрацию урана с нормативной точностью- для частичного учета влияния переменных помех , ,в способе предусматривается применение экспериментальных поправочных функций, измеряемых на весьма ограниченном числе натурных физических моделей урановых пластов. Такой подход обеспечивает решение проблемы лишь для узкой области моделируемых геолого-технических условий- в способе возможно только определение С т.е. метод КНД-м реализуется как однопараметрический, и, в принципе, не может стать комплексным и высокоинформативным, т.к. использование высокочастотного генератора нейтронов и отсутствие монитора потока нейтронов генератора исключает возможность определения других геологических параметров пород (влажности, времени жизни тепловых нейтронови др.),знание которых необходимо как для определений содержаний урана с требуемой точностью, так и для построения фильтрационной модели рудной на уран залежи при решении задач технологии подземного скважинного выщелачивания урана. Наиболее близким к предлагаемому способу аналогом(прототипом) является способ двухзондового импульсного нейтронного каротажа на уран Комплекс ядерно-геофизической аппаратуры нового поколения для разведки и эксплуатации урановых месторождений. Сборник докладов международной научно-техн. конф. Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе (Москва, 22-26 октября 2012). Авторы Боголюбов Е.П.,Клигер К.Г.,Обручков А.И., Титов И.А. и др. М., ВНИИА им. Н.Л.Духова,2012,с.266-269,включающий циклическое облучение рудовмещающих пород импульсами генератора быстрых нейтронов при непрерывном перемещении скважинного прибора с заданным шагом квантования по глубине, измерение монитором величины выхода потока нейтронов генератора, измерения на ближнем зонде (МНД) интегрального временного спектра мгновенных надтепловых нейтронов деления с отсечкой по времени задержки 160 мкс- МНД(160) и времени жизни мгновенных нейтронов деления - мнд,измерение асимптотического декремента затухания тепловых нейтронов генератора на дальнем зонде(ТН). Для определения концентрации урана С используют отношение МНД(160)/МОН и значение мнд,для оценки влияния влажности рудовмещающих пород используют значение асимптотического декремента затухания тепловых нейтронов генератора на дальнем зонде (ТН) Данный способ реализован в российском приборе АИНК-48. Указанный способ имеет следующие недостатки- при определении длин зондов МНД и ТН и их временных режимов измерений не учтены переменные помехи , , , которые значительно влияют на показания КНД-м и способ отличается не достаточной помехоустойчивостью- в нем для определения двух неизвестных параметров породыи , в большей степени влияющих на основной сигнал МНД в качестве помех,фактически измеряется лишь асимптотический декремент затухания г 1/ на дальнем зонде ТН, что дает всего одно уравнение,приводя к неоднозначности решения и значительной погрешности определений содержания урана- оценка мнд, используемая в способе при определениях урана, производится по временному затуханию сигнала МНД от 235, в связи с чем,величина мнд оказывается зависящей от распределения урана по разрезу даже в однородных поинтервалах, что является физически некорректным и приводит к дополнительным неконтролируемым ошибкам определения С- по этой же причине, измерения мнд этим способом в бедных рудах выполняются с большой статистической погрешностью, приводящей к невозможности достижения нормативной точности определений урана в бедных рудах (либо нужно использовать слишком малую скорость каротажа вплоть до поточечных замеров неподвижным скважинным прибором). Задачей предложенного способа является повышение точности определения концентрации урана и его линейных запасов (вдоль оси скважины) в рудных на уран интервалах геологического разреза путем снижения (или полного исключения) влияния помех на определяемый параметр - С. Точность определенияпри КНД-м зависит как от влияния помех при выполнении измерений в скважине, так и от принятой методики интерпретации первичных каротажных данных. Наиболее сильной помехой на определяемую величинуявляется влажность руд на гидрогенных месторождениях урана, которая меняется в широких пределах от (8-10) до(25-30). Второй по силе влияния помехой на точность определения необходимых параметров при КНД-м является вариабельность диаметра необсаженной скважиныиз-за наличия в ней каверн, которые в рыхлых породах инфильтрационных месторождений урана могут достигать 3 значительных размеров. Необходимость учета колебанийвынуждает усложнять комплекс геофизических методов исследований урановых скважин добавлением в него метода кавернометрии для измерения . Предлагаемый способ прямого помехоустойчивого определения содержания урана при каротаже по мгновенным нейтронам деления позволяет повысить точность определения концентраций и линейных запасов урана при поисках, разведке и эксплуатации урановых месторождений, прежде всего при отработке месторождений гидрогенного типа методом скважинного подземного выщелачивания, за счет минимизации степени влияния помех от влажности и диаметра необсаженной скважины на измеряемые концентрации урана. Технический результат заключается в обеспечении нормативной точности при количественном определении содержания уранапо КНД-м, контроль величины погрешности ,возможность применения способа на более бедные руды. Технический результат достигается способом прямого помехоустойчивого определения содержания урана при каротаже по мгновенным нейтронам деления, включающий циклическое облучение рудовмещающих пород импульсами генератора быстрых нейтронов при непрерывном перемещении скважинного прибора с заданным шагом квантования по глубине, измерение монитором величины выхода потока нейтронов генератора, измерения интегрального временного спектра надтепловых мгновенных нейтронов деления на ближнем зонде(МНД) и асимптотического декремента затухания тепловых нейтронов генератора на дальнем зонде (ТН),определение концентрации урана и времени жизни мгновенных нейтронов деления мнд, оценку влияния влажности рудовмещающих пород на определение концентрации урана,по асимптотическому декременту затухания тепловых нейтронов генератора на дальнем зонде (ТН). Согласно изобретению, измерения интегрального временного спектра надтепловых мгновенных нейтронов деления на ближнем зонде(МНД) и асимптотического декремента затухания тепловых нейтронов генератора на дальнем зонде (ТН) проводят на зондах, значения длин которых для ближнего (мнд) и дальнего (тн) зондов, а также значения временных отсечек регистрации на ближнем (Тмнд) и дальнем (Ттн) зондах,оптимизированы по критерию- минимального влияния помех от влажности руд и диаметра необсаженной скважины на измеряемые концентрации урана. Концентрацию урана определяют, используя функционал, выраженный отношением интегральных временных спектров на обоих зондах МТМНД(мнд,Тмнд)/ТН(тн,Ттн),а время жизни надтепловых нейтронов деления тмнд, на ближнем зонде определяют путем пересчета из величины пластового декремента затухания тепловых нейтронов генератора. Предлагаемый способ поясняется следующими фигурами Фиг.1 - Графики зависимостей показателя(относительной погрешности , определенияпо функционалу МТ) от значений влажностии времени отсечки Ттн для различных значений времени отсечки Тмнд. Фиг.2 - Графики зависимостей показателя(относительной погрешности , определения С по функционалу МТ) от значений влажностии длины зонда тепловых нейтронов тн для различных значений времени отсечки Ттн. Фиг.3 - Графики сопоставления зависимостей от значений влажности измеряемых интерпретационных параметров (функционалов) кривые 1,3 - для прототипа - МНД/МОН кривые 2,4 - для предлагаемого способа - по функционалу МТ. Фиг.4 - Графики сопоставления зависимостей от значений диаметра скважиныизмеряемых интерпретационных параметров (функционалов) кривая 1 - для прототипа - МНД/МОН кривая 2 для предлагаемого способа- по функционалу МТ. Способ осуществляется следующим образом Проводят циклическое облучение ураносодержащих пород импульсами быстрых нейтронов (начальная энергия - 14,1 МэВ),создаваемых генератором нейтронов,при непрерывном перемещении скважинного прибора в скважине с заданным шагом квантования по глубине. В течение пауз между нейтронными импульсами генератора измеряют количество(интегральный временной спектр) надтепловых мгновенных нейтронов деления (МНД) урана(изотоп 235), возникающие при его облучении нейтронами генератора, а также асимптотический декремент затухания первичных тепловых нейтронов генератора (ТН). Контроль величины потока нейтронов генератора во время каротажа осуществляется (измеряется) монитором (МОН). Измерение интегрального временного спектра мгновенных нейтронов деления выполняется на первом (ближнем к мишени генератора нейтронов) зонде детекторе МНД. Измерение асимптотического декремента затухания первичных тепловых нейтронов генератора выполняется на втором (дальнем по отношению к мишени генератора нейтронов) зонде - детекторе ТН. Оптимизацию по критерию минимального влияния помех- от влажности руд и диаметра необсаженной скважины на измеряемые концентрации урана осуществляется следующим образом 1. для выполнения измерений применяют зонды МНД и ТН, значения длины которых, как для ближнего - мнд, так и для дальнего - тн зондов и временные режимы регистрации на них - значения временных отсечек для ближнего Тмнд и дальнего Тнт, соответствуют оптимальным величинам, при которых влияние помех от влажности руд и диаметра скважины на определяемую величину концентрации урана С практически не существенно либо минимально. Оптимальные значения длины мнд и времени отсечки на Тмнд на ближнем зонде и оптимальные величины длины тн и времени отсечки на Ттн на дальнем зонде определяют известными численными методами математического моделирования /./--7396-, .2, 1986 Поляченко А.Л. Метод теоретико-экспериментальных палеток ядерного каротажа (ТЭП ЯК) / Ядерная геофизика при подсчете запасов нефти и газа. М.ВНИИЯГГ, 1980,с.77-82. Метод и технология беспоправочной интерпретации данных ядерного каротажа. Труды Междунар.научно-практической конф. Технологии и аппаратура для геофизических исследований в скважинах для решения актуальных задач разведки и разработки месторождений нефти, газа, твердых полезных ископаемых (4-5 октября 2006 г., г. Октябрьский, Башкортостан, РФ). Изд. ВНИИГИСЯГО, 2006, с.7-14 На фиг.1 показаны полученные результаты по определению областей минимальных значений-критерия в зависимости от Ттн для семейства кривых, соответствующих различным значениям Тмнд, мкс кривая 1-64, кривая 2-96,кривая 3-128, кривая 4-160,кривая 5-192. для диапазона- (10-25). Из фиг.1 видно, что минимум погрешностиза счет помехи от , т.е. максимальная помехоустойчивость КНД-м,достигается при следующих оптимальных значениях обоих времен отсечки Ттн 25050 мкс Тмнд. опт 96 мкс (расчет методом Монте-Карло для длины зонда тн 42 см). На фиг.2 показаны полученные результаты по определению областей минимальных значений-критерия в зависимости от тн для семейства кривых, соответствующих различным значениям временных отсечек Ттн, мкс кривая 1 - 192, кривая 2 - 224, кривая 3 - 288, кривая 4 - 352. Из фиг.2 видно, что минимум погрешностиза счет помехи от , т.е. максимальная помехоустойчивость КНД-м, достигается при оптимальном значении длины зонда ТН, тн, в интервале 41-49 см (расчет методом Монте-Карло для отсечки Тмнд 160 мкс). 2. для определения урана используют функционал, выраженный отношением величин интегральных временных спектров, измеряемых на обоих зондах МТМНД(мнд,Тмнд)/ТН(тн,Ттн),С учетом оптимизированных значений мнд,тн, Тмнд и Тнт величина МТ является помехоустойчивым к вариациям влажности руд и прямо пропорциональной содержанию урана в породе. Для определения степени помехоустойчивости к вариациям влажности произвели сопоставление зависимостей двух измеряемых интерпретационных параметров КНД-м на уран от основной помехи от влажности руд(фиг.3). Были построены кривые 1,3 - с использованием способа по прототипу МНД/МОН, кривые 2,4 получены с использованием функционала МТ в предложенном способе. Кривые 1,2 получены при диаметре необсаженной скважины 110 мм и кривые 3,4 получены при диаметре необсаженной скважины 210 мм (расчет методом Монте-Карло для оптимальных отсечек Тмнд 128 мкс, Тнт 288 мкс). Анализ распределения кривых на фиг.3 показывает, что использование предложенного функционала МТ в предлагаемом способе многократно помехоустойчивее к вариациям влажности(меняется на 3-5), чем известный из прототипа способ (изменения более 100). Для определения степени помехоустойчивости к вариациям от изменения диаметра необсаженной скважины произвели сопоставление зависимостей двух измеряемых интерпретационных параметров КНД-м на уран от основной помехи от влажности рудв способе по прототипу и в предлагаемом способе (фиг.4). При использовании способа по прототипу была получена кривая 1, кривые 2 получена при использовании функционала по предложенном способе МТ (расчет методом МонтеКарло для оптимальных отсечек Тмнд 128 мкс,Тнт 288 мкс и длины зонда тн 42 см). Анализ распределения кривых показывает, что чувствительность предложенного функционала на уран МТ к изменению диаметра скважинытакже существенно снижается по сравнению с известным способом. Так,при изменении диаметра необсаженной скважиныс 110 мм до 210 мм параметр МНД/МОН (по прототипу) уменьшается на 60, в то время как параметр МТ по предлагаемому способу падает всего на 17, т.е. в 3.5 раза меньше. Такого снижения чувствительности к помехамдостаточно, чтобы типичные вариациипо данным кавернометрии можно было также не учитывать, что позволяет упростить требуемый комплекс геофизических исследований скважин. 3. для определения времени жизни надтепловых нейтронов деления мнд используют значение величины пластового декремента затухания первичных тепловых нейтронов генератора т 1/,измеряемого с малой статистической погрешностью на зонде ТН, а затем пересчитывают, без потери точности,в тмнд с применением аппроксимирующего линейного соотношения между декрементами т и мнд. Данное преимущество в помехоустойчивости распространяется на все геолого-технические условия,встречающихся на гидрогенных месторождениях урана. Установленного резкого уменьшения чувствительности МТ к помехам отдостаточно, чтобы не только типичные вариациив рудных по урану интервалах, но и максимально возможные колебанияпо месторождению можно было не учитывать при интерпретации, т.е. сделать метод КНД-м абсолютно помехоустойчивым относительно вариаций влажности. В результате решения поставленной задачи достигается помехоустойчивость и нормативная точность способа количественного определения содержания урана (С) по КНД-м, контроль его 5 погрешности, расширение области применимости способа на более бедные руды, повышение информативности КНД-м за счет определения комплекса геологических параметров, важных для технологии подземного выщелачивания. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ прямого помехоустойчивого определения содержания урана при каротаже по мгновенным нейтронам деления, включающий циклическое облучение рудовмещающих пород импульсами генератора быстрых нейтронов при непрерывном перемещении скважинного прибора с заданным шагом квантования по глубине, измерение монитором величины выхода потока нейтронов генератора, измерения интегрального временного спектра надтепловых мгновенных нейтронов деления на ближнем зонде(МНД) и асимптотического декремента затухания тепловых нейтронов генератора на дальнем зонде (ТН),определение концентрации урана и времени жизни мгновенных нейтронов деления мнд, оценку влияния влажности рудовмещающих пород на определение концентрации урана по асимптотическому декременту затухания тепловых нейтронов генератора на дальнем зонде (ТН) отличающийся тем, что измерения интегрального спектра надтепловых мгновенных нейтронов деления на ближнем зонде (МНД) и асимптотического декремента затухания тепловых нейтронов генератора на дальнем зонде (ТН) проводят на зондах, значения длин которых для ближнего(мнд) и дальнего (тн) зондов, а также значения временных отсечек регистрации на ближнем (Тмнд) и дальнем (Ттн) зондах, оптимизированы по критерию- минимального влияния помех от влажности руд и диаметра необсаженной скважины на измеряемые концентрации урана концентрацию урана определяют,используя функционал,выраженный отношением интегральных временных спектров на обоих зондах МТМНД( мнд,Тмнд)/ТН( тн,Ттн),а время жизни надтепловых нейтронов деления мнд, на ближнем зонде определяют путем пересчета из величины пластового декремента затухания тепловых нейтронов генератора.