基于超熱中子時間譜的瞬發中子測井及鈾礦定量技術的制作方法
【專利摘要】本發明公開一種基于超熱中子時間譜的瞬發中子測井及鈾礦定量技術，具體是指，在鉆孔中以脈沖方式向地層巖石發射快中子，即原生中子，原生中子慢化為熱中子，熱中子誘發235U裂變并放射鈾裂變瞬發中子，即二次中子。原生中子與二次中子均隨時間慢化為超熱中子與熱中子；然后記錄超熱中子時間譜，從中提取表示原生中子慢化能力和鈾裂變持續能力的兩個系數1/τ2和1/τ1，定義nE(t1)/nE(t2)為“裂變/慢化”比，并以“裂變／慢化”比構建地層巖石鈾定量算法。同時本發明公開了一種用于鈾礦脈沖中子測井的超熱中子探測器與時間譜儀，以及基于超熱中子時間譜與飽和礦層的鈾定量實時算法。
【專利說明】基于超熱中子時間譜的瞬發中子測井及鈾礦定量技術
【技術領域】
[0001]本發明涉及在鈾礦勘探鉆孔中用于地層巖石鈾定量的一種鈾裂變瞬發中子測井技術，也是一種脈沖中子測井技術。
【背景技術】
[0002]在鉆孔中開展的核輻射測量稱為核測井，是隨著當代科技發展，以及在礦產(特別是能源礦產)勘查中的應用而迅速發展起來的一項尖端技術。核測井是利用地層巖石天然產生或人工誘發的放射性射線，研究射線沿鉆孔軸線(井軸)分布規律，以此確定地層巖石是否含有某些核素(元素)、并確定元素含量的一種無損探測方法。相比地面核輻射測量，很多測量方法難以在井中實現，即核測井必須克服鉆孔空間狹小、井深加大伴隨的高溫高壓及其它條件約束。目前的核測井主要有Y測井、中子測井等，其中脈沖中子測井是利用小型可控中子發生器(氘氚或氘氘加速器制作而成)，以脈沖方式向井下地層巖石(達數千米)發射快中子，探測中子誘發的Y射線能譜、或原生中子或二次中子的時間譜，是一種定性與定量的先進核測井技術。
[0003]在鈾礦勘探領域，我國一直采用自然Y總量(或能譜)測井進行鈾定量，因鈾元素并非Y核素(而是其衰變子體)，屬于“間接測鈾”技術；須巖性取樣與化學分析求取鈾與子體(特別是鐳及子體)的放射性平衡系數，以及釷系Y核素與4ciK(鉀同位素)的Y射線份額，以此修正這些影響因素造成的鈾定量偏差。具有鉆探效率低、勘探成本高、鈾定量周期長等缺點。鈾裂變瞬發中子測井是“直接測鈾”的一種鈾礦定量測井技術，在確定地層巖石鈾含量時，甚至無需進行深部巖性取樣與實驗室化學分析。
[0004]因地層巖石鈾含量均偏低，小型中子發生器產額難以提高，使中子誘發地層巖石235U裂變的核反應率極低。因而，基于脈沖中子的鈾裂變瞬發中子(或緩發中子)測井技術現仍處于理論研究和實驗階段。目前，該測井技術無國產儀器，美歐核大國儀器產品一直限制出口我國。為此，本發明主要目的在于:自主研發鈾裂變瞬發中子測井關鍵技術、儀器部件與鈾定量方法，以便擺脫國外技術封鎖，促進我國鈾裂變瞬發中子測井盡快實用化，以替代現行鈾定量的自然Y測井技術，進而實現“直接測鈾”及鈾礦定量。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于研發了鈾裂變瞬發中子測井的超熱中子探測器結構與超熱中子時間譜儀，開發了基于飽和礦層的鈾定量實時算法。
[0006]本發明的技術方案為:一種基于超熱中子時間譜的瞬發中子測井及鈾礦定量技術，該技術由小型可控中子發生器向鉆孔周圍的地層巖石發射快中子，也稱為原生中子。原生中子被地層巖石與鉆孔介質相繼慢化為超熱中子與熱中子，熱中子誘發235U裂變并放射出鈾裂變瞬發中子，也稱為二次中子。二次中子又相繼慢化成為超熱中子與熱中子，并可再次誘發235U裂變，如此反復，將形成與鈾裂變密切相關的超熱中子隨時間的特有變化規律；其特征在于:利用超熱中子探測器沿井軸測量原生中子與二次中子慢化而來的超熱中子，由超熱中子時間譜儀將其形成為超熱中子時間譜，從該時間譜中提取表示原生中子慢化能力和鈾裂變持續能力的兩個系數I/T2和I / T1，定義nE(tl)/nE(t2)為“裂變/慢化”比，最后以“裂變/慢化”比構建基于飽和礦層的鈾定量實時算法。
[0007]選用3He正比計數管制作超熱中子探測器，其內部充氣壓力為0.6Mpa~1.2Mpa ；超熱中子探測器的正比計數管外圍包裹5mm~6mm壁厚的含氫量很高的聚乙烯中子慢化材料，慢化材料外圍再包裹0.5mm~1.5mm壁厚的金屬鎘皮，其中慢化材料用于將熱中子慢化為超熱中子，金屬鎘皮用于阻擋熱中子進入超熱中子探測器的正比計數管；超熱中子探測器的正比計數管緊靠中子發生器。
[0008]超熱中子時間譜儀內部包含3He正比計數管、包裹3He正比計數管的聚乙烯中子慢化材料、包裹在慢化材料外的0.5mm~1.5mm壁厚的金屬鎘皮、探測器高壓電源、前置放大器、成形與甄別電路，以及記錄超熱中子探測器輸出信號的脈沖計數器、時間譜分析與緩存電路；其中，探測器高壓電源與正比計數管相連，正比計數管輸出端與前置放大器相連，前置放大器輸出端與成形及甄別器相連；成形及甄別器輸出端與脈沖計數器相連，脈沖計數器輸出端連接時間譜分析與數據緩存電路；超熱中子時間譜儀可記錄快中子慢化而來的中子時間譜；超熱中子時間譜儀采用485總線與地面測井計算機進行數據傳輸。
[0009]利用已經刻度了的測井儀，該測井儀參數事先調整到固定狀態，并確定
t^40, t2，以及η、K等參數；然后在野外井中沿井軸逐點提升測量或勻速提升測量，由超熱中子時間譜儀獲得各測點的超熱中子時間譜Ne(t)，并傳送到地面測井計算機；然后采用指數函數、負指數函數的對超熱中子時間譜Ne(t)的自12至〖<4(|時段的指數規律增長段、自t<2(?至^時段的負指數規律衰減段分別進行數值擬合，求得增長速率I / T1與衰減速率I / τ2的取值，并由該時間譜乂(0求得超熱中子衰減量乂(〖<2(|(|~^和超熱中子增長量Ne(t2~t ^4tl)，由下式計算“裂變/慢化”比Nf / π(t1； t2):
【權利要求】
1.一種基于超熱中子時間譜的瞬發中子測井及鈾礦定量技術，該技術由小型可控中子發生器向鉆孔周圍的地層巖石發射快中子，該快中子被地層巖石與鉆孔介質相繼慢化為超熱中子與熱中子，熱中子誘發235U裂變并放射出鈾裂變瞬發中子，瞬發中子又相繼慢化成為超熱中子與熱中子，并可再次誘發235U裂變，如此反復，將形成與鈾裂變密切相關的超熱中子隨時間的特有變化規律；其特征在于:利用超熱中子探測器沿井軸測量由該快中子與瞬發中子慢化而來的超熱中子，由超熱中子時間譜儀將其形成為超熱中子時間譜，從該時間譜中提取表示該快中子慢化能力和鈾裂變持續能力的兩個系數I/T2和I / T1，定義HeU1) / nE(t2)為“裂變/慢化”比，最后以“裂變/慢化”比構建基于飽和礦層的鈾定量實時算法。
2.根據權利要求1所述基于超熱中子時間譜的瞬發中子測井及鈾礦定量技術，其特征在于:選用3He正比計數管制作超熱中子探測器，其內部充氣壓力為0.6Mpa~1.2Mpa ;超熱中子探測器的正比計數管外圍包裹5mm~6mm壁厚的含氫量很高的聚乙烯中子慢化材料，慢化材料外圍再包裹0.5mm~1.5mm壁厚的金屬鎘皮，其中慢化材料用于將熱中子慢化為超熱中子，金屬鎘皮用于阻擋熱中子進入超熱中子探測器的正比計數管；超熱中子探測器的正比計數管緊靠中子發生器。
3.根據權利要求1所述基于超熱中子時間譜的瞬發中子測井及鈾礦定量技術，其特征在于:超熱中子時間譜儀內部包含3He正比計數管、包裹3He正比計數管的聚乙烯中子慢化材料、包裹在慢化材料外的0.5mm~1.5mm壁厚的金屬鎘皮、探測器高壓電源、前置放大器、成形與甄別電路，以及記錄超熱中子探測器輸出信號的脈沖計數器、時間譜分析與緩存電路；其中，探測器高壓電源與正比計數管相連，正比計數管輸出端與前置放大器相連，前置放大器輸出端與成形及甄別器相連；成形及甄別器輸出端與脈沖計數器相連，脈沖計數器輸出端連接時間譜分析與數據緩存電路；超熱中子時間譜儀可記錄快中子慢化而來的中子時間譜；超熱中子時間譜儀采用485總線與地面測井計算機進行數據傳輸。
4.根據權利要求1所述基于超熱中子時間譜的瞬發中子測井及鈾礦定量技術，其步驟:利用已經刻度了的測井儀，該測井儀參數事先調整到固定狀態，并確定t<4(l、t2，以及η、Κ參數；然后在野外井中沿井軸逐點提升測量或勻速提升測量，由超熱中子時間譜儀獲得各測點的超熱中子時間譜NE(t)，并傳送到地面測井計算機；然后采用指數函數、負指數函數的對超熱中子時間譜Ne (t)的自〖2至七<4(|時段的指數規律增長段、自至h時段的負指數規律衰減段分別進行數值擬合，求得增長速率I/ τ i與衰減速率I/ τ 2的取值，并由該時間譜Ne(t)求得超熱中子衰減量乂(1<2(|(|~^和超熱中子增長量Ne(t2~t^40)，由下式計算“裂變/慢化”比Nf^ai, t2):
【文檔編號】E21B49/00GK103470252SQ201310440358
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月13日 優先權日:2013年9月13日
【發明者】湯彬, 王仁波, 周書民, 張雄杰, 王海濤, 陳銳, 劉志鋒 申請人:東華理工大學