Каротаж при изучении и освоении месторождений урана

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ  

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования  

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»  

 
 
 
 
 
 
И.М. Хайкович, В.Г. Язиков  
 
 
 
 
 
КАРОТАЖ ПРИ ИЗУЧЕНИИ И ОСВОЕНИИ 
МЕСТОРОЖДЕНИЙ УРАНА 
 
 
Рекомендовано в качестве учебного пособия  
Редакционно-издательским советом 
Томского политехнического университета  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Издательство 
Томского политехнического университета  
2015 
 

УДК 553.495:550.832(075.8)  
ББК 26.341.5я73 
 
Х15 
 
Хайкович И.М. 
Х15  
Каротаж при изучении и освоении месторождений урана : 
учебное пособие / И.М. Хайкович, В.Г. Язиков ; Томский политехнический университет. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2015. – 158 с. 
 
 
Пособие к курсу лекций по методам каротажа при изучении и освоении 
месторождений урана составлено в соответствии с программой подготовки 
специалистов-геологов и отражает современное состояние основных методов 
каротажа, которые используются для своевременного решения текущих задач 
на различных этапах разведки и эксплуатации месторождений урановых руд. 
При подготовке учебного пособия авторы использовали научно-технические 
разработки и опыт работ последних лет при разведке и освоении месторождений урана различных генетических типов.  
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 05.03.01 
«Геология», а также специальностям 21.05.02 «Прикладная геология» и 
21.05.03 «Технология геологической разведки».  
 
УДК 553.495:550.832(075.8)  
ББК  26.341.5я73 
 

 

Рецензенты  
 
Доктор геолого-минералогических наук, профессор  
Национального минерально-сырьевого университета «Горный» 
Е.И. Крапивский 
 
Доктор технических наук 
заместитель директора по науке ФГУ НПП «Геологоразведка» 
Н.А. Мац 
 
 
 
 
© ФГАОУ ВО НИ ТПУ, 2015 
© Хайкович И.М., Язиков В.Г., 2015 
© Оформление. Издательство Томского  
политехнического университета, 2015

Оглавление 

 
Термины и определения ................................................................................. 5 

Список основных сокращений и условных обозначений ........................... 8 

1. Введение ...................................................................................................... 9 

2. Ионизирующее излучение, его источники и свойства ......................... 12 

2.1. Основные типы ядерных реакций ..................................................... 12 

2.2. Свойства радиоактивного распада .................................................... 16 

2.3. Характеристики величин и единиц в области 
ионизирующих излучений ........................................................................ 17 

2.4. Взаимодействие гамма-излучения с веществом .............................. 19 

2.5. Взаимодействие нейтронного излучения с веществом .................. 21 

2.6. Естественные источники ионизирующих излучений ..................... 24 

3. Краткая характеристика геологических особенностей 
месторождений урана ............................................................................... 30 

3.1. Общие сведения .................................................................................. 30 

3.2. Особенности формирования месторождений урана 
песчаникового типа ................................................................................... 33 

4. Основные методы каротажа скважин  на месторождениях 
урана ........................................................................................................... 37 

4.1. Гамма-каротаж .................................................................................... 37 

4.2. Методы стандартного электрокаротажа ........................................... 70 

4.3. Каротаж методом мгновенных нейтронов деления (КНД-М) ....... 82 

4.4. Кавернометрия .................................................................................... 96 

4.5. Инклинометрия ................................................................................... 99 

4.6. Индукционный каротаж (ИК) .......................................................... 100 

4.7. Термокаротаж .................................................................................... 102 

4.8. Расходометрия (РХ) .......................................................................... 103 

5. Комплексы каротажных методов на различных этапах работ ........... 107 

5.1. Эксплуатационная разведка ............................................................ 108 

5.2. Подготовка участка к эксплуатации ............................................... 110 

5.3. Эксплуатация участка ...................................................................... 112 

5.4. Ликвидация участка.......................................................................... 114 

6. Контроль результатов измерений и вычислений ................................ 116 

6.1. Моделирование процесса измерений ............................................. 116 

6.2. Статистические приемы оценки качества и достоверности 
каротажных материалов .......................................................................... 121 

7. Основные принципы организации радиационной безопасности ...... 126 

Список литературы ..................................................................................... 149 

Приложение 1. Стандартный образец состава уранового 
рудного тела, пересеченного скважиной  (СО СУРТ) ......................... 151 

Приложение 2. Функция нормального распределения ........................ 155 

Приложение 3. Процентные точки распределения Стьюдента .......... 156 

Приложение 4. Процентные точки статистики Смирнова .................. 157 

 

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 

Время термализации – интервал времени, в течение которого 
быстрые нейтроны генератора (нейтроны с энергией 14 МэВ) достигнут 
энергий равновесного спектра тепловых нейтронов (~ 0,025 эВ). 
Градуировка средств измерений – определение градуировочной характеристики средства измерений. 
Градуировочная характеристика – зависимость между значениями 
величин на входе и выходе средства измерений, полученная экспериментально. 
Гамма-каротаж – метод каротажа, основанный на регистрации 
естественного гамма-излучения горных пород и руд. Гамма-каротаж 
представляет собой скважинный вариант радиометрического метода, 
основанный на измерении вдоль ствола скважины характеристик полей 
гамма-излучения, сопровождающего распад естественных радионуклидов (ЕРН): урана/радия, тория и калия. 
Диапазон измерений – область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерений. Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу 
и сверху, называют соответственно нижним пределом измерений или 
верхним пределом измерений. 
Калибровка средств измерений – совокупность операций, устанавливающих соотношение между значением величины, полученным с помощью данного средства измерений, и соответствующим значением величины, определенным с помощью эталона с целью определения 
действительных метрологических характеристик этого средства измерений. 
Каротаж – метод исследования состава и свойств горных пород и 
руд в околоскважинном пространстве, основанный на измерении геофизическими методами параметров естественных или искусственно созданных физических (электрических, магнитных, радиоактивных, ядернофизических и т. п.) полей специальными детекторами в процессе их 
перемещения по стволу скважины. По характеру измеряемых параметров геофизического поля различают электрический каротаж, магнитный каротаж, радиоактивный каротаж, гамма-каротаж, акустический каротаж и т. д. 
Каротаж методом мгновенных нейтронов деления – метод радиоактивного каротажа скважин, основанный на регистрации характеристик поля надтепловых нейтронов, порождаемых мгновенными нейтронами деления ядер 235U, которые образуются в горной породе (руде) при 
ее облучении импульсным потоком быстрых нейтронов. Применяют на 

месторождениях с нарушенным радиоактивным равновесием для определения мощности рудных по урану интервалов и массовой доли в них 
урана. 
Массовая доля урана – отношение массы урана в образце к массе 
образца, сотые доли процента. 
Методика (метод) измерений – совокупность конкретно описанных операций, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с установленными показателями точности. 
Метрологическое обеспечение – обобщенное понятие, означающее, 
что принятый метод обеспечен средствами измерений и нормативнотехнической документацией, которые гарантируют обеспечение единства и требуемой точности результатов измерений. 
Метропроцент – произведение средней массовой доли (в процентах) в рудном интервале на его мощность (в метрах). 
Мощность рудного интервала – длина интервала в пересечении 
рудного тела скважиной (в метрах), в пределах которого массовая доля 
урана больше заданной бортовой массовой доли. 
Мощность рудного пересечения – длина интервала в пересечении 
рудного тела скважиной (в метрах), состоящего из отдельных рудных и 
безрудных интервалов, объединенных с учетом требований кондиций. 
Поверка средств измерений – установление органом государственной метрологической службы (или другим официально уполномоченным органом, организацией) пригодности средства измерений к применению на основании экспериментально определяемых метрологических 
характеристик и подтверждения их соответствия установленным обязательным требованиям. 
Порог чувствительности средства измерений – характеристика 
средства измерений в виде наименьшего значения изменения физической величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение 
данным средством. 
Программное обеспечение средств измерений – компьютерная программа или совокупность программ сбора, передачи, обработки, хранения и представления измерительной информации, а также программные 
документы, необходимые для функционирования этих программ. 
Радиометр – прибор, предназначенный для получения информации о параметрах, характеризующих источники и/или поля ионизирующих излучений. В зависимости от назначения различают радиометры 
активности (для измерения активностей источников ионизирующих излучений) и радиометры плотности потока и/или потока ионизирующих 
частиц или квантов.  

Радионуклид – природный или техногенный нуклид (ядро атома 
химического элемента с данным числом протонов и нейтронов), обладающий свойством самопроизвольного (радиоактивного) распада.  
Рудный интервал – интервал в пересечении рудного тела скважиной, в пределах которого массовая доля урана больше заданной бортовой массовой доли. 
Рудное пересечение – интервал в пересечении рудного тела скважиной, состоящий из отдельных рудных и безрудных интервалов, объединенных с учетом требований кондиций. 
Средство измерений – техническое средство, предназначенное для 
измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, 
воспроизводящее и/или хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. 
Стандартный образец (СО) – образец вещества (материала) с 
установленными по результатам испытаний значениями одной или более величин, характеризующих состав или свойство этого вещества (материала). По уровню признания СО подразделяют на Межгосударственные (МСО), Государственные (ГСО), отраслевые (ОСО) и образцы 
предприятий (СОП). 
Утверждение типа средств измерений – решение (уполномоченного на это государственного органа управления) о признании типа 
средств измерений узаконенным для применения на основании результатов их испытаний Государственным научным метрологическим центром или другой специализированной организацией, аккредитованной 
органами Ростехрегулирования страны. 
Чувствительность средства измерений – свойство средства измерений, определяемое отношением изменения выходного сигнала этого 
средства к вызывающему его изменению измеряемой величины. 
Эталон (эталон единицы физической величины) – средство измерений или комплекс средств измерений, предназначенные для воспроизведения и хранения единицы и передачи ее размера нижестоящим в поверочной схеме средствам измерений и утвержденные в качестве 
эталона в установленном порядке. По своим метрологическим характеристикам и задачам эталоны делят на первичные (обеспечивающие 
наивысшую в стране точность), вторичные, рабочие и т. д. 

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ  
И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 

ГК 
– гамма-каротаж 
ГПИ 
– генератор парных импульсов 
ГСО 
– государственный стандартный образец 
ЕРН  
– естественный радионуклид (естественные радионуклиды)
ЗПО 
– зона пластового окисления 
ИИИ 
– источник (источники) ионизирующего излучения 
КНД-М 
– каротаж методом мгновенных нейтронов деления  
КПС 
– контрольно-поверочная скважина 
Крр 
– коэффициент нарушения радиоактивного равновесия 
МНД 
– мгновенные нейтроны деления 
МО 
– метрологическое обеспечение 
МЭД 
– мощность экспозиционной дозы 
ПК 
– персональный компьютер 
ПО 
– программное обеспечение 
ПСВ 
– подземное скважинное выщелачивание 
СИ 
– средство измерений 
СО 
– стандартный образец 
СО СУРТ 
– стандартный образец состава уранового рудного тела, 
пересеченного скважиной 
СО 
СОСВУРТ 
– стандартный образец состава и свойств уранового 
рудного тела, пересеченного скважиной 
СП 
– скважинный прибор 
 
 
 
 

1. ВВЕДЕНИЕ 

Уран в настоящее время – один из важнейших энергоносителей. 
Основной источник урана для обеспечения растущих потребностей 
ядерной энергетики – урановые месторождения – природные скопления урановых руд в таких содержаниях, количествах и минеральных формах, при которых их промышленная добыча урана экономически целесообразна.  
Методы каротажа на урановых месторождениях в условиях, когда 
трудно осуществить кондиционный выход керна при бурении скважин, 
являются практически основными поставщиками измерительной информации о составе и свойствах пород продуктивного горизонта и о параметрах рудных по урану интервалов. К месторождениям, бурение которых с кондиционным выходом керна сопряжено с техническими 
трудностями и требует больших материальных затрат, относятся в 
первую очередь месторождения песчаникового типа, предназначенные 
для отработки подземным скважинным выщелачиваем (ПСВ).  
Работы на месторождениях урана обычно состоят из следующих 
этапов: 
 поиски и разведка; 
 эксплуатационная разведка; 
 подготовка участка к эксплуатации; 
 эксплуатация участка; 
 ликвидация участка. 
Виды и периодичность каротажа скважин зависят от задач, которые 
необходимо решать на каждом этапе работ, а также от условий их проведения. 
Геофизические исследования скважин привлекают для решения 
следующих задач: 
1. Геотехнологические: 
 определение параметров рудных пересечений (мощность, содержание); 
 определение глубины залегания рудных тел; 
 литолого-фациальное расчленение разреза; 
 определение эффективной мощности проницаемых пород продуктивного горизонта; 
 определение коэффициентов фильтрации рудовмещающего горизонта; 
 изучение распространения технологических растворов в разрезе 
скважины и в плане; 
 изучение динамики выщелачивания урана в процессе отработки. 

2. Технические: 
 
определение азимутальных отклонений и углов наклона скважины; 
 определение истинного диаметра скважины; 
 определение целостности обсадных колонн; 
 определение интервала размещения фильтров и контроль правильности их установки; 
 изучение приемистости фильтров; 
 контроль цементации и качества гидроизоляции рудовмещающего горизонта; 
 определение границ и качества гравийной обсыпки фильтровой 
зоны; 
 оценка расхода технологических растворов в местах нарушения 
обсадной колонны. 
3. Экологические: 
 контроль над растеканием растворов в вышележащие водоносные горизонты; 
 изучение динамики восстановления среды после завершения 
процесса отработки. 
Комплекс основных методов каротажа, которые используют для 
геофизического обеспечения работ на всех этапах поисков, разведки и 
эксплуатации месторождений урановых руд, можно условно разделить 
на количественные и качественные.  
К числу «количественных» методов можно отнести те методы, которые поставляют измерительную информацию о параметрах рудных 
интервалов с точностью, регламентируемой требованиями ГКЗ. Это в 
первую очередь радиометрические методы, основанные на измерении 
характеристик полей ионизирующих излучений, сопровождающих ядерные реакции радиоактивного распада или деления – гамма-каротаж 
(ГК) и каротаж мгновенных нейтронов деления (КНД-М).  
Что касается «качественных» методов (в дальнейшем будем их 
обозначать термином общие методы), то их набор зависит от типа месторождения и включает такие методы, как электрокаротаж методами 
кажущегося сопротивления и собственной поляризации (КС+ПС), кавернометрия (КМ), инклинометрия (ИМ), термометрия (ТМ), токовый 
каротаж (ТК), индукционный каротаж (ИК), каротаж расходометрии 
(КР). Отличительная особенность этих методов в том, что поставляемая 
ими измерительная информация строго не регламентирована нормативными документами по точности и (при необходимости) подлежит оценке в каждом конкретном случае. Но это отнюдь не означает, что к «качественным» методам следует относиться как к второстепенным. 

Несколько, быть может, забегая вперед, остановимся вкратце на 
методах каротажа, которые используют на различных этапах работ при 
поисках и освоении месторождений песчаникового типа. Детальному 
описанию каждого из методов и задачам, которые они призваны решать, 
будут посвящены специальные разделы. 
Поиски и разведку обычно проводят по определенной, установленной проектом, сети разведочных геологических скважин.  
Эксплуатационная разведка выполняется по сгущенной сети разведочных геологических скважин и дополнительного бурения скважин 
по периферии рудных тел – для проектирования мест расположения 
технологических скважин. На этих стадиях для решения геологических 
задач обычно привлекают следующий комплекс стандартных методов 
каротажа:  
 гамма-каротаж; 
 каротаж методом мгновенных нейтронов деления; 
 электрокаротаж (КС, ПС); 
 инклинометрия; 
 кавернометрия. 
После сооружения и освоения скважин проводят обычно каротаж 
следующим комплексом геофизических методов: 
 токовый каротаж (ТК) или КС-каротаж в обсадной колонне; 
 индукционный каротаж (ИК); 
 термометрия (ТМ); 
 расходометрия. 
На этапе эксплуатации участка в каротажный комплекс входят: 
 гамма-каротаж; 
 каротаж методом мгновенных нейтронов деления; 
 токовый каротаж или КС-каротаж в обсадной колонне; 
 индукционный каротаж; 
 термометрия; 
 расходометрия. 
На этапе ликвидации участка решаются геологические и экологические задачи следующим каротажным комплексом: 
 гамма-каротаж; 
 каротаж методом мгновенных нейтронов деления; 
 индукционный каротаж; 
 расходометрия. 
Более подробно о комплексировании каротажных методов на различных этапах работ будет сказано в разделе 5, после знакомства с конкретными методами каротажа. 
 

2. ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, ЕГО ИСТОЧНИКИ  
И СВОЙСТВА  

Поскольку основными поставщиками «количественной информации» являются радиометрические методы, основанные на регистрации 
характеристик полей ионизирующих излучений, сопровождающих 
ядерные реакции, остановимся вкратце на основных источниках этого 
излучения и его свойствах, которые понадобятся при описании радиометрических методов каротажа. 
Под термином ионизирующее излучение понимают любое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию ионов 
различных знаков. Это излучение обычно делят на два класса: непосредственно ионизирующее излучение (заряженные частицы – электроны, позитроны, протоны, -частицы и т. д.) и косвенно ионизирующее 
излучение (излучение, состоящее из незаряженных частиц – нейтроны, 
фотоны и др.). 
Источники ионизирующего излучения делят на радиоактивные и 
радиационные, но часто эти термины употребляют как взаимозаменяемые. На самом деле радиационными источниками являются различного вида рентгеновские установки, ускорители частиц, которые генерируют излучение в процессе работы, и их излучательские свойства 
исчезают с отключением электропитания.  
Радиоактивные источники содержат радиоактивные материалы 
(радионуклиды), которые сами генерируют излучение, возникающее в 
результате ядерных реакций. 

2.1. Основные типы ядерных реакций 

Все вещества (элементы) в природе состоят из атомов. По современным представлениям атом состоит из ядра и электронных слоев, число 
которых растет по мере роста атомного номера Z. Атомы тяжелых элементов имеют 7 слоев (К, L, M, N, O, P, Q) и в каждом слое от 1 до 4 
электронных оболочек с максимальным числом электронов 2, 6, 10, 14. 
Ядра атомов состоят из протонов р (положительно заряженных частиц) 
и нейтронов n, число которых равно соответственно атомному номеру Z 
и разности А – Z, где А массовое число, равное сумме протонов и 
нейтронов. Соответственно атомная оболочка содержит Z электронов. 
В ядре возможны переходы п → р и р → п, и потому нейтроны и 
протоны можно рассматривать как различное состояние одних и тех же 
частиц – нуклонов. Поскольку система 2n  2p является соединением,