郝金龍，鄧洪澤，陳寧

（中廣核鈾業(yè)發(fā)展有限公司，北京 100029）

1948 年Doll H.G.為了在石油測井中解決淡水泥漿和油基泥漿井的地層電阻率測量問題，提出了感應測井理論，1949 年為描述地層各部分對測量信號的貢獻，他又提出了幾何因子理論［1］。20 世紀50 年代初誕生了感應測井儀［2］。1962 年在普通感應測井技術的基礎上研制出了雙感應測井儀器。此后感應測井成為重要的電測井方法［3］。

隨著石油工業(yè)的迅速發(fā)展以及科學技術的進步，感應測井發(fā)展進入了陣列感應時代，1990 年斯倫貝謝公司研制出陣列感應測井儀器（AIT），之后阿特拉斯（Atlas）公司和哈里伯頓（Halliburton）公司又相繼推出了高分辨率陣列感應測井儀器［3］。

國內20 世紀90 年代中期，勝利油田測井公司參考哈里伯頓公司的高分辨率感應測井儀器（HRI），率先研制高分辨率感應測井儀器，并于2002 年投入商用。2008 年中國石油測井有限公司（CPL）成功研制出陣列感應成像測井儀器（MIT），類似于西方的陣列感應測井儀器，使中國測井進入感應成像新時代，該方法在國內外油田領域應用比較廣泛［3-4］。

20 世紀70 年代末，感應測井逐漸應用于地浸鈾礦勘探和開發(fā)過程中，因為在很多情況下通過電測井的傳統視電阻方法對鉆孔剖面進行巖性-巖層劃分是比較困難的，特別在低電阻率巖層、鉆探液滲透帶直徑較大、巖層厚度較薄、干孔以及鉆孔安裝有絕緣套管等情況下所獲得的結果不太可靠。恰恰這種情況推動了感應測井在鈾礦領域的應用和發(fā)展，并在層間滲入型鈾礦床的工業(yè)開采中找到了用武之地［5］。

感應測井于1978 年首次用于哈薩克斯坦蒙庫克杜克（Мынкудук）礦床東段（ПВ-19）地浸采鈾工藝，當時該礦床正處于現場地浸試驗階段。通過與視電阻率標準測井結果以及巖心對比，證實了感應測井解釋結果具有較高的可靠性和真實性［5］。

在獨聯體國家，感應測井是一種快速測量鈾礦地浸工藝參數的有效手段，并確立了其在綜合測井中的重要地位，而在國內未見相關報道，因此，值得借鑒推廣。

1 感應測井的基本原理

感應測井是基于電磁感應原理的一種重要電阻率測井方法，其原理可用最簡單的雙線圈系感應測井儀來說明，其探管的主要組成部分為發(fā)射線圈和接收線圈即所謂的雙線圈系，兩線圈位于同一軸心且彼此相隔一定距離（L），該距離遠大于線圈的尺寸（圖1）。

圖1 感應測井原理示意圖（據參考文獻［5］）Fig.1 Schematic diagram of induction logging method（after reference［5］）

感應測井是測量鉆孔所揭穿巖石的電導率，此方法不需要電極只是借助于感應電流。該測井方法所獲得的信息以及相應的地質效果主要取決于鉆孔剖面巖石的電導率差異程度。

通過發(fā)射線圈可以產生穩(wěn)定的超聲頻率為100～200 kHz 的交變電流。發(fā)射線圈的交變磁場在周圍巖石中感應渦流，渦流又產生二次磁場，該磁場在測量線圈中產生感應電動勢，在空氣中感應電動勢比發(fā)射線圈中的電流相位超前π/2 的角度，并被稱為直流場電動勢，此電動勢是有用信號，將其傳輸到地表并進行記錄［6-7］。

Doll H.G.在分析雙線圈系的特性時發(fā)現測量結果受鉆探泥漿和圍巖影響較大，于是提出了一種利用輔助線圈形成聚焦場來改善雙線圈系特性的方法，因此，自20 世紀50 年代末，開始使用多線圈系，其中除了兩個主要線圈外，還包括一些輔助線圈（亦稱聚焦線圈）［5］。

現代感應測井儀器一般為多線圈系，最簡單的多線圈系是三線圈系。在鉆孔地浸采鈾中通常所用的感應測井儀就是三線圈系，包括兩個主線圈和一個聚焦線圈［8］。

聚焦感應線圈系的核心在于向兩個主線圈附加引入另外的發(fā)射和接收線圈，也稱為聚焦線圈。位于主線圈之間的聚焦線圈可以使探測深度增加，而置于主線圈外側的聚焦線圈可以使圍巖的影響減小。因此，這樣配置能夠增大徑向探測深度和提高垂向分辨率［9］。

當導電性較小時，有效信號實際上與介質的導電性成正比，當導電性較大時，有效信號比介質的導電性增加得慢，該現象與渦流的相互作用有關，通常稱為趨膚效應。

感應測井數據解釋時必須進行以下影響因素校正［10］：

1）趨膚效應；

2）鉆孔填充液的導電率；

3）導電沖洗帶；

4）有限厚層與圍巖的電導率；

5）鉆孔套管安裝的金屬部件。

其中趨膚效應校正是最重要的修正，如果不校正，則會導致感應測井數據及其解釋結果產生較大的失真［11-12］。

不同線圈系視電導率與視電阻率之間的關系可以表示為σa=f（ρa）。即在低電導率情況下視電導率σa等于巖石真電導率值（σg），即σa=σg=1/ρg，在高電導率情況下，不同線圈系獲得的視電導率σa與真電導率值σg有偏差（圖2）。

圖2 感應測井的巖石電導率σa與其電阻率ρa的關系曲線（據參考文獻［5］修改）Fig.2 Relationship between rock conductivity σa and resistivity ρa of induction logging（modified after reference［5］）

電導率的單位是西門子每米（Sm·m-1）——歐姆米（Ω·m）的倒數，在實踐中常用千分制單位：毫西門子每米（mSm·m-1）。多線圈系用符號（比如：4F 0.75）表示：前面的數字表示線圈數量，F 表示聚焦線圈，后面的數字表示主線圈距（單位：m）。

2 感應測井的特征優(yōu)勢

2.1 對低電阻率巖層靈敏

感應測井是基于電磁感應原理測量地層介質電導率的一種方法，通常電導率（即電阻率的倒數）高的巖層對測量結果貢獻大，亦即感應測井對低電阻率巖層反應靈敏［13-14］。

感應測井時電阻率測量范圍一般會受到限制，在介質電阻率較小情況下明顯受渦旋電流作用——趨膚效應的影響，在電阻率較大情況下信號較弱并且在不同場背景下是不同的。

有利于感應測井的條件是低電阻率（低于50 Ω·m）巖層以及中等或弱礦化度的鉆井液。感應測井對較低電阻率巖層（低于10 Ω·m）的測量結果能夠達到較高精度，當其超過200 Ω·m時，該方法對巖層電阻率的變化不敏感。

從感應測井曲線可以看出，不同電導率巖層的曲線響應不同，該曲線類似于視電阻率曲線的“反轉”并與視電阻率曲線組成近似的鏡像對稱曲線，總的來說其特點類似于自然電位曲線（圖3）。

圖3 標準電測井（ρa，SP）曲線與感應測井（IL）曲線對比（據參考文獻［5］修改）Fig.3 Comparison of standard electrical logging（ρa，SP）curve and induction logging（IL）curve（modified after reference［5］）

對應于低電阻率巖層，感應測井曲線和視電阻率曲線差異較大。在低電阻率區(qū)，感應測井曲線幅度拉得比較高，而在高電阻率區(qū)，與通常的電阻率曲線比較該曲線卻受到了抑制。因此，感應測井曲線能夠很好地區(qū)分低電阻率巖層。

2.2 工藝液pH 值、SO42-濃度及總礦化度與電導率的關系

在采用硫酸法地浸時，含硫酸溶浸液注入地下含礦層中，逐漸在巖礦石孔隙中擴散，并與巖礦石固體礦物骨架發(fā)生化學反應，使巖石的電導率發(fā)生變化，巖石的電導率主要取決于溶液的電性，即巖石孔隙中所充填溶液的電導率，這種關系可表示為：

式中，σg—巖石的電導率，Sm·m-1；σs—孔隙中溶液的電導率，Sm·m-1；Rr—相對電阻，無量綱。通常取決于溶液和固體礦物骨架的性質，以及巖石組成系統中各種介質的相互關系和相互作用。

如果每種類型巖石的參數Rr已知，那么只要根據感應測井確定了巖石的電導率σg，就可以根據公式（1）很容易地計算出溶液的電導率σs值，再根據電導率σs值可確定溶液的pH 值、SO42-濃度以及總礦化M，這些都是表征工藝液性能的主要指標。

根據感應測井數據確定pH值、SO42-濃度以及總礦化M 是基于它們與工藝液電導率（σs）之間的相關性，并可繪制σs=f（pH），σs=f（SO42-），σs=f（M）相關曲線，必須對所取工藝液樣品測量其σs值并據此來確定工藝液性能。此外，根據巖石和孔隙液的電導率測量結果，可以利用公式（1）確定不同巖層的相對電阻。如果圖形上的點陣均勻覆蓋所求參數的整個范圍并且不少于150～200個樣，則認為所構建的關系曲線是可靠的［5］。

工藝液pH 值與參數σsa的相關性解析式可以表示為：

式中，pH—酸化后工藝液的pH 值；pH0—溶浸液的pH 值；σ0s—天然條件下層間水的電導率，即酸化前孔隙液的電導率，Sm·m-1；σas—酸化后層間水的電導率，即酸化后孔隙液的電導率，Sm·m-1。

工藝液SO42-濃度與參數σsa的相關性可用以下公式表示：

式中，C—工藝液SO42-濃度，g/L；a1、b1、k1—回歸方程系數；σ0s—天然條件下層間水的電導率，即酸化前孔隙液的電導率，Sm·m-1；σas—酸化后層間水的電導率，即酸化后孔隙液的電導率，Sm·m-1。

工藝液總礦化度M與參數σsa的相關性可用以下公式表示：

式中，M—工藝液的總礦化度值，g/L；a2、b2、k2—回歸方程系數；σ0s—天然條件下層間水的電導率，即酸化前孔隙液的電導率，Sm·m-1；σas—酸化后層間水的電導率，即酸化后孔隙液的電導率，Sm·m-1。

3 應用效果

在礦山地浸開采準備工作過程中，利用感應測井曲線可以檢測工藝孔過濾器位置，識別溶浸液在含礦層中的酸化范圍。在開采運營過程中，運用感應測井數據可以定量計算工藝溶液酸度指標。

3.1 識別溶浸液酸化范圍

以哈薩克斯坦謝米茲拜伊地浸鈾礦工藝孔ZK52-20-3 為例，所采用的感應測井儀為ПИК-50 型儀器。在地浸開拓階段該工藝孔的第一次（酸化前）感應測井曲線IL1形態(tài)及幅度變化主要是鉆孔巖層剖面電導率的響應，一般來說感應測井曲線低幅值是砂質巖類的響應，高幅值是泥質巖類的響應，酸化前感應測井曲線形態(tài)與視電阻率測井曲線形態(tài)呈對稱狀分布，結合視電阻率測井曲線可以解釋鉆孔剖面巖性，大致劃分滲透巖層和非滲透巖層。

該工藝孔經過一年地浸開采后，第二次（酸化后）感應測井曲線IL2含礦巖層所對應的電導率幅度顯著增高，這是含礦層被酸化的結果，其實，曲線IL2是含礦巖層酸化后孔隙液電導率的反映，因此，通過對比含礦層酸化前和酸化后感應測井曲線形態(tài)的變化可以在垂向上有效地確定巖礦層酸化范圍（圖4）［15］。

此外，通過對地浸開采區(qū)塊上大量工藝孔感應測井曲線的分析研究，可以在水平方向上判別溶浸液酸化分布范圍。

3.2 檢測過濾器安裝位置

在地浸礦山開采準備工作階段，工藝鉆孔在成井后未酸化前進行第一次感應測井，其曲線IL1下端出現一高幅狹窄的峰值，這是金屬部件的響應，因為在過濾器下端安裝有托盤，而托盤是用金屬箍圈固定的。因此，利用感應測井可以準確定位過濾器的實際安裝位置。

經過一年地浸開采運營之后，又進行了第二次感應測井，第二次感應測井曲線IL2并沒有出現高幅窄峰，這說明固定托盤的金屬箍圈已經完全被硫酸溶液溶蝕掉了。

3.3 定量確定地浸工藝參數

依據工藝液指標pH、SO42-和總礦化度M與工藝液電導率（σs）之間的相關性，分別繪制σs=f（pH），σs=f（SO42-），σs=f（M）曲線，回歸方程系數ai、bi、ci、ki（i=1 表示用于計算SO42-濃度，i=2 表示用于計算總礦化度M）取哈薩克斯坦楚-薩雷蘇鈾成礦省礦床系數分布范圍的中值（表1）［5］。

表1 楚-薩雷蘇鈾成礦省鈾礦床工藝液酸度和礦化度的回歸方程系數及其他相關參數［5］Table 1 Regression equation coefficients and other relevant parameters for the acidity and salinity of the process fluid from some uranium deposits in Chu-Sarysu uranium metallogenic province

不同的層間滲入型鈾礦，回歸方程系數是不同的，同一鈾成礦省內的礦床其值相差不大，而不同鈾成礦省內的礦床可能相差較大。

依據公式（2）繪制的工藝液pH 值與電導率σsa的相關曲線如圖5 所示，pH 值與電導率呈非線性負相關關系（圖5）。

圖5 楚-薩雷蘇鈾成礦省鈾礦工藝液pH 值與其電導率σs關系曲線（據參考文獻［5］修改）Fig.5 Relationship between pH value of process solution and its conductivity σs from some uranium mines in the Chu-Sarysu uranium metallogenic province（modified after reference［5］）

根據楚-薩雷蘇鈾成礦省礦床的經驗，當pH≥2 時，其均方差為13%～25%；當pH＜2 時，其均方差為6%～13%。

依據公式（3）繪制的工藝液SO42-濃度與電導率σsa的相關曲線如圖6 所示，SO42-濃度與電導率呈非線性正相關關系（圖6）。

圖6 楚-薩雷蘇鈾成礦省鈾礦工藝液SO42-濃度與其電導率σs關系曲線（據參考文獻［5］修改）Fig.6 The relationship between the concentration of SO42- in the process solution and its conductivity σs from some uranium mines in the Chu-Sarysu uranium metallogenic province（modified after reference［5］）

依據公式（4）繪制的工藝液總礦化度M與電導率σsa的相關曲線如圖7 所示，總礦化度M與電導率呈非線性正相關關系（圖7）。

圖7 楚-薩雷蘇鈾成礦省鈾礦工藝液總礦化度M 與其電導率σs關系曲線（據參考文獻［5］修改）Fig.7 The relationship between the total salinity M of the process fluid and its electrical conductivity σs from some uranium mines in the Chu-Sarysu uranium metallogenic province（modified after reference［5］）

根據楚-薩雷蘇鈾成礦省礦床的經驗，對于工藝液SO42-濃度，其均方差不超過15%～45%。對于工藝液總礦化度M，其均方差為15%～35%。

4 結論

1）酸化前感應測井曲線可以有效識別鉆孔剖面上的低阻巖層。

2）酸化后感應測井曲線能夠識別鉆孔剖面上酸化分布范圍，并初步確定其在鉆孔地浸過程中的酸化情況。

3）利用感應測井對低阻層靈敏并且其測井曲線幅度拉得比較高的特點，可以準確定位鉆孔地浸采鈾工藝鉆孔中所安裝過濾器位置，有利于指導工藝孔的合理安裝。

4）通過建立工藝液酸度和礦化度指標與測井電導率之間的回歸方程，可以定量解釋工藝溶液的pH 值、SO42-濃度以及總礦化度M，有助于開采現場快速了解工藝液的酸化程度以及礦化度指標。