[发明专利]基于超热中子与热中子比值的铀裂变瞬发中子测井技术

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于铀矿勘探钻孔的脉冲中子测井技术，也是一种基于超热中子与热中子比值的“铀裂变瞬发中子测井”技术。

背景技术

核测井是在钻孔中开展的核辐射测量，是随着当代科技的发展，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，进而确定地层岩石中是否含有某些核素(元素)，并确定元素含量的一种无损探测方法。相比地面开展的核辐射测量，很多常规测量方法难以在井中实现。核测井必须克服钻孔空间狭小、随井深加大所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能谱、或原生中子或二次中子的时间谱，是一种先进的核测井技术。

在铀矿勘探领域，我国一直采用自然γ测井(总量型或能谱型)进行铀矿定量，因铀元素并非γ核素(而是其衰变子体)，属于“间接测铀”技术；须经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；因而具有钻探效率低、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，在确定深部地层岩石的铀含量时，甚至无需岩性取样与化学分析。

因地层岩石的含铀量较低，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，探测铀裂变瞬发中子(或缓发中子)的脉冲中子测井技术现仍处于理论研究和实验阶段。目前，铀裂变瞬发中子(或缓发中子)测井还没有研制国产仪器，美欧核大国的仪器产品一直限制出口我国。为此，本发明的主要目的在于：自主研发铀裂变瞬发中子测井技术、仪器关键部件与铀矿定量方法，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，以替代现行铀矿定量的自然γ测井技术，进而实现“直接测铀”及铀矿定量解释。

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双中子探测器与双时间谱仪，并依据饱和矿层的双中子时间谱，设计了铀定量实时算法。

本发明的技术方案为：一种基于超热中子与热中子比值的铀裂变瞬发中子测井技术，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，从而由铀裂变瞬发中子延长了超热中子消逝时间。当原生中子慢化为热中子后的任意t时刻，地层岩石中现存的超热中子总量n_E(t)正比于现存的热中子总量n_T(t)与铀含量q_u，即n_E(t)∝n_T(t)·q_u。利用本发明公开的双中子探测器和双时间谱仪，自原生中子慢化为热中子所对应的t_≤200时刻到任意t时刻，测量超热中子、热中子的时间谱，并定义该时段的超热中子、热中子的衰减量比值为“E/T”比，最后以“E/T”比构建基于饱和矿层的铀定量实时算法。

在钻孔中探测超热中子、热中子的双中子探测器和双中子时间谱仪内部包含两组正比计数管、包裹超热中子探测器的聚乙烯中子慢化材料、包裹在慢化材料外的金属镉皮、探测器高压电源、前置放大器、成形与甄别电路，以及记录双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，探测器高压电源与两组正比计数管相连，两组正比计数管输出端分别与对应的前置放大器相连，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；双中子时间谱仪可分别记录快中子和瞬发中子慢化而来的超热中子和热中子，也就是超热中子和热中子的时间谱；双中子时间谱仪采用485总线与地面测井计算机进行数据通信。