基于脉冲中子源的金属矿产测井设备与方法

2335 编辑：中冶有色技术网来源：兰州大学

2021-12-08 15:31:02

权利要求

1.基于脉冲中子源的金属矿产测井设备，包括外壳，其特征在于，外壳内部自下至上设置有接口、脉冲中子源、中子源屏蔽体、探测器屏蔽体、X射线探测器、伽马探测器和电子控制单元，探测器屏蔽体用于将X射线探测器、伽马探测器与脉冲中子源部分屏蔽开，使中子通过地层作用后产生的射线进入伽马探测器或X射线探测器；X射线探测器对应外壳处设有窗口，有利于探测特征X射线，窗口处由高强度低密度物质填充，电子控制单元包括能谱采集部、多道分析部和供电控制部。

2.如权利要求1所述的基于脉冲中子源的金属矿产测井设备，其特征在于，外壳呈圆筒状，采用不锈钢材料制成，厚度为5mm～11mm。

3.如权利要求1所述的基于脉冲中子源的金属矿产测井设备，其特征在于，X射线探测器为半导体探测器，记录的射线能量为0.01～0.145MeV，伽马探测器为晶体探测器，记录射线能量为1～10MeV，伽马探测器和脉冲中子源之间的距离为45～65cm。

4.如权利要求1所述的基于脉冲中子源的金属矿产测井设备，其特征在于，中子源屏蔽体由钢制成。

5.如权利要求1所述的基于脉冲中子源的金属矿产测井设备，其特征在于，探测器屏蔽体是由碳化硼、铅、钼、聚乙烯组成的复合材料。

6.如权利要求1所述的基于脉冲中子源的金属矿产测井设备，其特征在于，脉冲中子源为D-T中子源。

7.基于脉冲中子源的金属矿产测井方法，采用如权利要求1-6任一所述的设备，其特征在于，测量过程为：

利用中子与地层作用产生次生伽马射线，次生伽马射线与矿产元素作用激发出特征X射线，将设备贴近井壁测量，根据设备记录的不同深度处的特征X射线能谱得到井下矿产元素的种类和含量信息；

次生伽马射线是高能中子与地层发生非弹性散射和中子俘获反应并释放的次生伽马射线；

矿产元素是天然矿物或岩石资源所包含的有用元素；

贴近井壁测量是指采用推靠臂使设备与井壁之间的距离小于5mm，测量是通过井上动力装置上提仪器进行测量，为点测或匀速测量；

井下矿产元素的种类和含量信息是通过能谱处理和能谱解析方法获取，X射线探测器通过记录的能谱中特征X射线的峰位置确定矿产元素的种类，特征峰的强度确定矿产元素的含量，能谱处理是指利用对原始测量进行寻峰、稳谱、谱平滑；能谱解析方法为利用最小二乘法得到所测地层中目标矿物元素含量与特征X射线计数之关系。

说明书

技术领域

本发明涉及石油及天然气勘探领域，具体涉及基于脉冲中子源的金属矿产测井设备与方法。

背景技术

随着矿产资源勘探开发的不断深入，找矿难度不断加大，如何有效的提高勘查的深度、精度和分辨能力，对于促进资源勘探产业发展，实现找矿突破，缓解经济社会发展的资源供需矛盾，保障资源能源安全具有重大意义。钻探是地质普查工作的重要手段，而目前钻探结果主要依赖于岩心取样化学分析方法来获取，其任务量大、经济性差、耗时长。基于中子活化(PGNAA)的脉冲中子测井技术(CN 201710615018.6)，通过采集中子与金属元素作用产生的伽马射线，不仅可以实现近井眼矿物元素种类和含量的原位定量评价，还可以在钻孔测井条件下计算矿层品位，确定矿层厚度，实时提供测量结果。

基于中子活化分析的金属矿产测井技术，通过测量中子与地层元素作用产生的俘获伽马射线，可以测量铁、铜、钨、金等矿藏。与岩心取样化学分析方法结果相比，井下脉冲中子测井基本能够实现半定量评价矿产品位。但是存在探测下限高，对于含量的较低的金属元素无法识别的问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足，提出了通过增设X射线探测器采集中子与地层作用产生的次生低能伽马射线激发的特征X射线谱，通过X射线能谱分析，降低金属矿产的探测下限的金属矿产测井设备与方法。

本发明具体采用如下技术方案：

一种基于脉冲中子源的金属矿产测井设备，包括外壳，外壳内部自下至上设置有接口、脉冲中子源、中子源屏蔽体、探测器屏蔽体、X射线探测器、伽马探测器和电子控制单元，探测器屏蔽体用于将X射线探测器、伽马探测器与脉冲中子源部分屏蔽开，使中子通过地层作用后产生的射线进入伽马探测器或X射线探测器；X射线探测器对应外壳处设有窗口，有利于探测特征X射线，窗口处由高强度低密度物质填充，电子控制单元包括能谱采集部、多道分析部和供电控制部。

优选地，外壳呈圆筒状，采用不锈钢材料制成，厚度为5mm～11mm。

优选地，X射线探测器为半导体探测器，记录的射线能量为0.01～0.145MeV，伽马探测器为晶体探测器，记录射线能量为1～10MeV，伽马探测器和脉冲中子源之间的距离为45～65cm。

优选地，中子源屏蔽体由钢制成。

优选地，探测器屏蔽体是由碳化硼、铅、钼、聚乙烯组成的复合材料。

优选地，脉冲中子源为D-T中子源。

一种基于脉冲中子源的金属矿产测井方法，采用如上所述的设备，测量过程为：

利用中子与地层作用释放次生伽马射线，而次生伽马射线与矿产元素作用激发出特征X 射线，将设备贴近井壁测量，根据设备记录的不同深度处的特征X射线能谱得到井下矿产元素的种类和含量信息；

次生伽马射线是高能中子与地层发生非弹性散射和中子俘获反应并释放的次生伽马射线；

矿产元素是天然矿物或岩石资源所包含的有用元素；

贴近井壁测量是指采用推靠臂使设备与井壁之间的距离小于5mm，测量是通过井上动力装置上提仪器进行测量，为点测或匀速测量；

井下矿产元素的种类和含量信息是通过能谱处理和能谱解析方法获取，X射线探测器通过记录的能谱中特征X射线峰位置确定矿产元素的种类，特征峰的强度确定矿产元素的含量，能谱处理是指利用对原始测量进行寻峰、稳谱、谱平滑；能谱解析方法为利用最小二乘法得到所测地层中目标矿物元素含量与特征X射线计数之关系。

本发明具有如下有益效果：

本发明在传统脉冲中子测井技术上增加X射线探测器，测量低能次生伽马射线与地层元素作用产生的X特征射线，用于确定地层矿产元素的种类及含量，降低金属元素探测下限，从而提高了矿产元素测量精度。

附图说明

图1为基于脉冲中子源的金属矿产测井设备的一种实施方式的结构示意图；

图2为中子与金属Au作用产生伽马射线能量预期对应强度示意图；

图3为本方案评价金属矿产Au含量的方法流程图；

图4为实施例条件下次生伽马激发特征X射线计数与Au含量关系示意图；

图5为实施例条件下传统脉冲中子测井技术测量Au俘获伽马计数与Au含量关系示意图。

其中，1为脉冲中子源，2为中子源屏蔽体，3为窗口，4为X射线探测器，5为伽马探测器，6为光电倍增管，7为外壳。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

结合图1，一种基于脉冲中子源的金属矿产测井设备，包括外壳7，外壳呈圆筒状，采用不锈钢材料制成，厚度为5mm～11mm，外壳内部自下到上设置有接口、脉冲中子源1、中子源屏蔽体2、探测器屏蔽体、X射线探测器4、伽马探测器5和电子控制单元，伽马探测器5的后部设设置光电倍增管6，接口用于与井下其他设备相连，脉冲中子源可以为D-T中子源，探测器屏蔽体用于将X射线探测器、伽马探测器与脉冲中子源部分屏蔽开，使中子通过地层作用后产生的射线进入伽马探测器或是X射线探测器；X射线探测器对应外壳处设有窗口，有利于探测特征X射线，窗口处由高强度低密度物质填充，优选金属铍，电子控制单元包括能谱采集部、多道分析部和供电控制部。

脉冲中子源放出的高能中子轰击地层释放次生伽马射线，而次生伽马射线与矿产元素作用可以激发出特征X射线；通过能谱处理和能谱解析技术，X射线探测器记录的能谱中特征峰位置可以确定矿产元素的种类，特征峰的强度可以确定矿产元素的含量，从而建立特征荧光射线计数与地层目标矿物元素含量直接的关系。

X射线探测器为半导体探测器，记录的射线能量为0.01～0.145MeV，伽马探测器为晶体探测器，记录射线能量为1～10MeV，伽马探测器和脉冲中子源之间的距离为45～65cm。

中子源屏蔽体可以由钢制成；探测器屏蔽体是由碳化硼、铅、钼、聚乙烯组成的复合材料。

一种基于脉冲中子源的金属矿产测井方法，采用如上所述的设备，测量过程为：

次生伽马射线是高能中子与地层发生非弹性散射和中子俘获反应并释放的次生伽马射线；特征X射线由次生伽马射线激发产生。

矿产元素是天然矿物或岩石资源所包含的有用元素；

贴近井壁测量是指采用推靠臂使设备与井壁之间的距离小于5mm，测量是通过井上动力装置上提仪器进行测量，为点测或匀速测量；

采用本发明提供的技术方案，本实例在不同品位的金矿地层中进行测量为例。已知金矿地层中Au元素的含量分别为0.036％、0.073％、0.109％、0.145％、0.725％，设备X射线探测器收集Au元素特征荧光射线计数，图4为得到的地层中金元素含量与钨元素特征X射线计数关系(具体流程如图2)。可以看出，次生伽马激发的矿物元素特征X射线计数与矿物元素含量的线性相关性较好。图5为传统脉冲中子金属矿产测井技术测量得到Au特征俘获伽马计数与Au元素含量关系，两者的线性关系较差(采用的特征俘获伽马射线能量为1.693MeV，如图3中所示)；可以看出当金属元素含量较低时，传统的脉冲中子测井方法很难进行金属矿产含量与品位的评价。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。