Гамма-гамма-каротаж (стр. 1 из 3)

Введение:

ГГКП основан на измерении жесткой составляющей рассеянного гамма-излучения, применяется для измерения плотности горных пород в разрезах скважин.

В качестве источника гамма-излучения при ГГКП используют изотоп цезия (¹³⁷Сб) с периодом полураспада 26 лет и энергией у-квантов 0,662 МэВ. Для регистрации излучения применяются в основном сцинтилляционные детекторы. Источник и индикатор расположены на одной стороне исследуемого объекта (см. рис. 64, б). Индикатор заключен в стальную гильзу, поглощающую мягкую компоненту (до 200 кэВ) гамма-излучения, которая не достигает индикатора. В этом случае регистрируется жесткая компонента рассеянного гамма-излучения. Расстояние между серединой источника и серединой индикатора называют длиной зонда Ь. Оптимальная длина зонда 30—50 см. Для указанных расстояний зависимости логарифма интенсивности гамма-излучения I от плотности 6 в основном линейны ^/ = /(6). В породах с малой плотностью при небольшой длине зонда линейность нарушается. Для снижения влияния скважины на показания ГГКП источник и индикатор прижимаются к стенке скважины и экранируются от нее свинцом. Однако наличие между прибором и стенкой скважины промежуточного слоя (ПЖ, воздуха, глинистой корки, железной колонны) приводит к изменению средней плотности исследуемой среды. Глинистая корка и неровности стенки скважины вызывают увеличение показаний ГГКП.

Из расчетов следует, что увеличение толщины промежуточного слоя между прибором и пластом всего на 1 см изменяет кажущуюся плотность пород по ГГКП на 0,12—0,3 г/см³, что снижает точность определения плотности пород, несмотря на наличие прижимного устройства. Сильное влияние промежуточной среды объясняется малой глубинностью ГГКП; при длине зонда /, = 30 см 90% регистрируемого излучения поступает от слоя пород толщиной 10—12 см, а при /,= 12-М5 см — от слоя пород толщиной всего 6—7 см. Минерализация промывочной жидкости и пластовой воды мало сказывается на показаниях ГГКП.

Физические основы метода

Гамма-гамма-каротаж (ГГК) основан на измерении характеристик рассеянного гамма-излучения, возникающего при облучении горных пород внешним источником гамма-излучения. Главными во взаимодействии гамма-излучения с веществом являются образования электрон-позитронных пар, фотоэффект и комптон-эффект.

Электрон-позитронные пары образуются при взаимодействии у-квантов очень высокой энергии (более 5—10 МэВ) с ядром атома. При этом у-квант исчезает, и в электрическом поле ядер образуются пары электрон-позитрон.

При фотоэффекте происходит поглощение у-кванта одним из электронов атома, причем энергия у-кванта преобразуется в кинетическую энергию электрона, вылетающего за пределы атома (гамма-квант передает всю свою энергию одному из электронов внутренней оболочки). Вероятность фотоэффекта резко увеличивается с увеличением 1 и уменьшением энергии излучения. В веществах, содержащих элементы с 2<20, для гамма-излучения с £>200 кэВ влияние фотоэффекта мало.

При комптон-эффекте в отличие от фотоэффекта у- квант не исчезает, а лишь передает часть энергии одному из электронов атома (становится менее жестким) и меняет направление движения (рассеивается). Этот вид взаимодействия является основным в среде, содержащей легкие (2<20) элементы, для излучений с энергией 0,5—1 МэВ. В процессе рассеяния энергия кванта уменьшается до величины, при которой он поглощается в результате фотоэффекта. Для квантов с начальной энергией £ = 0,5-М МэВ число актов рассеяния до поглощения в горной породе составляет в среднем 6—8. Интенсивность комптоновского рассеяния пропорциональна числу электронов в единице объема вещества, и поэтому вероятность этого процесса пропорциональна атомному номеру вещества.

Вероятность комптоновского взаимодействия испускаемых источником ^-квантов пропорциональна числу электронов Ы_е в единице объема вещества (электронной плотности), которое связано с объемной плотностью (плотностью вещества б) соотношением

и_е=ы_кгыА_у , (1У.З)

или

N, = N6 2ЗД/М, (1У.4)

где Л^а=6,02- 10²³ моль^-1 —число Авогадро; 1 — атомный номер элемента, входящего в состав вещества; А — атомная масса; М — молекулярная масса; щ — число атомов с атомным номером в молекуле.

Для элементов, составляющих горные породы ^<20), отношения 1!А и достаточно постоянны и близки к 0,5. В соответствии с этим величина гамма-излучения определяется в основном

электронной (кажущейся) плотностью среды, окружающей прибор, пропорциональной объемной плотности, и не зависит от изменений ее вещественного состава.

В действительности кажущаяся плотность б_п.к, зависящая от числа электронов в единице объема пород, отличается от истинной плотности породы 6п на

Аб_п - т5—г/А)/0,5]. 100. (1У.5)

Погрешности Дбп для разных пород различны и могут достигать 3 %.

В методе ГГК различают две основные модификации: плот- ностной гамма-гамма-каротаж (ГГКП) и селективный гамма- гамма-каротаж (ГГКС).

Процессы взаимодействия γ-излучения с веществом

Существуют 3 основных процесса, которые носят названия фотопоглощения, комптоновского рассеяния и образования пар.

Фотопоглощение (фотоэффект) заключается в поглощении γ-кванта атомом вещества, его энергия уходит на отрыв от атома электрона и сообщение последнему импульса энергии. Атом остается возбужденным и переходит в нормальное состояние, испуская фотон рентгеновского излучения.

Фотоэффект наблюдается при самых малых энергиях γ-квантов. Вероятность поглощения τф, при фотоэффекте сложным образом зависит от энергии γ-кванта Еγ и химического состава вещества.

Комптоновское рассеяние - это неупругое рассеяние γ-квантов на электронах вещества, в результате которого γ-квант теряет часть своей энергии и меняет направление движения. Наблюдается комптон-эффект при более высоких энергиях, условно можно считать Еγ > 0,5 МэВ.

Вероятность комптон-эффекта τγ зависит от сечения комптоновского рассеяния σк, которое, в свою очередь, является функцией энергии и атомного номера элемента, и от числа электронов в единице объема вещества пe.

Рис. 5.2. Виды взаимодействия гамма-квантов с веществом:

Фотоэффект (а), комптоновское рассеяние (б), образование пар (в),

ядерный фотоэффект (в)

Образование пар - происходит при взаимодействии γ-кванта с полем ядра атома, γ-квант прекращает свое существование, вместо него образуется пара: электрон и позитрон. Вероятность этого процесса невелика, во-первых, потому, что ядро занимает лишь небольшую часть объема всего атома и, во-вторых, потому, что энергия γ-кванта должна быть достаточной для этой реакции (Eγ > 1,02 МэВ).

Процесс образования пар в ядерно-геофизических методах пока не используют.

Ядерный фотоэффект заключается в поглощении γ-кванта ядром атома, после чего ядро становится возбужденным и переходит в нормальное состояние через испускание нейтрона. Нейтрон имеет тепловую энергию. Эта реакция пороговая - энергия γ-кванта должна быть больше энергии связи нейтрона в ядре, а она зависит от массы последнего.

Все рассмотренные процессы в горных породах при облучении их γ-квантами искусственного источника происходят не по отдельности, а совместно. Быстрые γ-кванты исчезают в результате образования пар и замедляются в результате комптоновского рассеяния, рассеянные поглощаются в результате фотоэффекта. Преобладание того или иного процесса зависит от энергии γ-квантов и свойств горной породы - ее плотности и эффективного номера.

В зависимости от того, какой из процессов подвергается исследованию, в ГГК выделяют 2 основные разновидности метода: плотностной и селективный γ-γ-каротаж.

Для узкого пучка гамма – квантов суммарное сечение взаимодействия с веществом:

J = J₀exp ( - μ^∑ * r) [1.1]

где, μ^∑ = τ_ф^макр + τ_эп^макр + σ_к^макр

μ^∑ - имеет смысл линейного коэффициента ослабления. Для перехода к 4π пространству, введём множитель в формулу 2.1:

J =(1/4πr²) J₀exp ( - μ^∑ * r) [1.2]

Из приведённых в главе формул микроскопических сечений взаимодействия можно сделать вывод, о том, что только сечения Комптон – эффекта однозначно зависит от плотности среды. Действительно, отношение Z / A_m для породообразующих минералов стабилен и равен 0,5, для водорода = 1, для тяжёлых элементов >0,5, но малое их содержание вносит погрешность, на мой взгляд, меньший, чем погрешность измерений, и ими мы пренебрегаем. Другими словами, сечение Комптон – эффекта пропорционально плотности среды через некоторую const.

Эффект Комптоновского рассеяния имеет смысл некогерентного (рис 3). В среде также возможно упругое (когерентное) рассеяние. Но когерентное рассеяние начинает происходить при энергиях гамма – кванта менее приблизительно 50 кэВ, а гамма – кванты с такой энергией фильтруются.

Из вышесказанного понятно, что для определения плотности информация, полученная в процессе искажения первичного потока гамма – квантов другими видами взаимодействий, является помехой. Для решения этой задачи рассмотрим вероятности протекания различных видов взаимодействий в зависимости от энергии гамма – квантов.

Взаимодействие с образованием электронно – позитронных пар происходит при энергиях больше 1,022 МэВ. Вероятность фотоэффекта дискретна и растёт с коротковолровой стороны, начиная с энергий около 0,2 МэВ. Сечение Комптон – эффекта в энергетическом окне 0,2 , 1 МэВ практически постоянно, и в этом окне крайне мало вероятны другие взаимодействия. Сделаем вывод, что если снимать информацию с гамма – квантов этого энергетического окна, то она будет характеризовать только плотность среды или горной породы. Информация носит характер ослабления потока гамма – квантов, испускаемых источником, в процессе некогерентного Комптоновского рассеяния на электронах среды. Полевые измерения реализуются в измерении скорости счёта гамма – квантов J_yy[имп /сек], пришедших на детектор, но осреднённому по объёму области, в котором существует поле, где изменение скорости счёта происходит прямо пропорционально изменению плотности среды.