Ренгенрадиометрический каротаж (РРК)

РРК применяется для элементного и анализа горных пород и руд. В настоящее время, как основной, используется флуоресцентный анализ (су­ще­ствует еще абсорбцион­ный анализ).

Флуоресцентный РРК основан на возбуждении нуклидным источником (или рентгеновским излучением) характеристического излучения элементов, и последующим анализе этого вторичного излучения. Характеристическое излучение элемента имеет определенный спектр фотонов, следовательно, спектр фотонов вторичного излучения свидетельствует об элементном составе породы, а интенсивность характеристического излучения каждого элемента связано с концентрацией данного элемента в породе. Нижний предел определения концентрации элемента зависит от условий проведения анализа, аппаратуры, порядкового номера определяемого элемента (Z), от состава породы и от применяемой методики измерений. Верхний предел определения концентраций не ограничен.

Физические основы. Основные процессы взаимодействия γ-излучения с веществом в интер­вале энергий до первых сотен кэВ – это рассеяние и фо­то­электрическое по­глощение на внутренних электронах атома (фотоэффект).

Рассеяние бывает двух видов: некогерентное (комптоновское) и коге­рентное (томпсоновское). Некогерентное рассеяние наиболее вероятно в том случае, когда энергия γ-кванта значительно больше энергии связи электрона. Наибольшая энергия связи у электронов К-оболочки, для породообразую­щих элементов (Ca, Si и др) с Z_эфф ≈ 20 Е_св ≈ 15 кэВ, для тяжелых элементов с Z > 50 Е_св > 50 кэВ. Следовательно, комптоновское рассеяние будет преобла­даю­щим при энергии γ-квантов выше 100 – 150 кэВ. Для фотонов рентгенов­ского излучения с энергией Е < 30 – 50 кэВ, которое используется в качестве первичного излучения в РРК, наиболее вероятно когерентное рассеяние (без потери энергии γ-кванта).

Фотоэффект сводится к такому взаимодействию γ-кванта с одним из электронов атома, при котором γ-квант целиком поглощается атомом, а его энергия расходуется на преодоление энергии связи электрона E_q и передачи ему кинетической энергии E_k:

E = E_q + E_k (1)

Фотоэффект происходит только на внутренних (не валентных) электро­нах. Если энергия γ-кванта больше энергии связи электрона, то фотоэффект может происходить на любой электронной оболочке атома. Максимальная вероятность поглоще­ния γ-кванта имеют наиболее связанные электроны К-оболочки. В результате приобре­тения кинетической энергии, электрон покидает атом, образуется электрон­ная вакансия, атом находится в возбужденном состоянии. Это возбуждение понижается тем, что с более удаленных оболочек (L или M) электроны запол­няют вакансию на К-оболочке. Разность энергий между K и L оболочками (или K и M оболочками) высвобождается в виде кванта электромагнитной энергии. Так как энергия электронных уровней в каждом веществе строго определена, то и высвобождаемый квант имеет для каждого вещества строго определенную (характерную) энергию. Поэтому излучение, возникающее в результате фотоэффекта, называется характеристическим.

Рис.1. Зависимость вероятности фотоэффекта от энергии γ-кванта. I_M, I_L и I_K – потенциалы ионизации электрона для M, L и K-оболочек элемента.

 

 

В зависимости от того, с какой оболочки (L или М) или электронного уровня (2р^1-2 [m_l=-1], 2р^5-6 [m_l = +1] для L-уровня, 3р^1-2, 3р^5-6, 3d^1-2 и т.д. для M-уровня) пришел электрон для заполнения вакансии на К-уровне (1s²), различают К-серии (L-серии) характеристического излучения.

Наблюдается резкая зависи­мость вероятности фотоэффекта от энергии гамма-квантов:

τ = k₁E^-n (2)

где: к₁ и n – постоянные величины для данного элемента и данного ин­те­р­вала энергий. Для гамма-кван­тов с энергией менее 100 кэВ n ≈ 3.

На рисунке 1 показана зависимость вероятности фотоэффекта от энергии γ-кванта. I_M, I_L и I_K – потенциалы ионизации электрона для M, L и K-оболочек элемента, характеризует энергию связи электрона в атоме.

При больших энергиях γ-квантов Еγ вероятность фотоэффекта ничтож­на, с уменьшением энергии τ растет. Однако при уменьшении Еγ до энергии, равной энергии связи электрона К-уровня, имеет место скачкообразное умень­­шение τ – К-скачок поглощения:

S_K = τ’/τ” (3)

где τ’ – значение до скачка; τ” – значение после скачка.

Для элементов с небольшими порядковыми номерами (Z < 20) S_K ≈ 10-13. C увеличением порядкового номера, величина S_K уменьшается и для тяжелых элементов S_K приблизительно равно 3 – 5. Вероятность фотоэффекта при малых энергиях гамма-квантов целиком определяет поглощающие свойства среды (нет конкурирующих процессов). Зависимость массового коэффициента поглощения от атомного номера, при Еγ<120кэВ, описывается формулой:

τ = k₂Z⁴/A (4)

где к₂ – постоянная величина, А – атомная масса вещества, Z – порядковый номер.

На рисунке 2 показана схема проведения флуо­рес­центного анализа. Первичное излучение от источника I₀ попадает на поверхность пробы. Часть излучения после рассеяния на пробе по­ступает в детектор (I_рас), другая часть

 

первичного излучения поглощается про­бой, возбуждает характеристическое излучение, часть которого также попадает в детектор (I_х.и.).

 

 

Рис.2. Схема проведения флуоресцентного анализа.

 

Таким образом, в детекторе регистрируются рас­сеянное излучение, энергия которого близка к энергии первичного излуче­ния, потому что для увеличения вероятности фотоэффекта необходимо иметь энергию, близкую к энергии потенциала ионизации К-оболочки. При таких эне­ргиях наиболее вероятно томсоновское рассеяние гамма-квантов.

 

Рис.3. Спектр вторичного излучения при флуоресцентном анализе.

I_х.и и I_рас – зарегистрирован­ные детектором интенсивно­сти характеристического и рассеянного излучений. Е₀ и Е_х.и. – энергии первичного (от источника) и характеристи­чес­ко­го излучений.

 

Таким образом, анализируя энергию характеристического излуче­ния мы можем определить элемент, а интенсивность Iх.и. дает информацию о содержании этого элемента в пробе.

Взаимное расположение источника, пробы и детектора в приборе РРК называется геометрией измерения. Максимальная эффективность возбужде­ния и регистрации характеристического излучения достигается созданием наиболее компактной геометрии измерений с сочетанием условий защиты оператора и экранировки детектора от первичного излучения источника.

Если исследуемую пробу, взятую в виде плоскопараллельного слоя площадью S (см2) с поверхностной плотностью m (г/см2) облучать потоком Iγ рентгеновского излучения с энергией Еγ, то поток фотонов вторичного (характеристического) излучения на расстоянии R от пробы определяется:

(5)

где: μ_iпр – массовый коэффициент поглощения вторичного излучения самой пробой; С_i – концентрация определяемого элемента в пробе. Индекс i отно­сится к определяемому элементу.

(6)

где S_q – скачок поглощения q-уровня; w_q – коэффициент выхода характерис­тического излучения (х.и.) при возбуждении атома определяемого элемента на q-уровень; p_i – вероятность перехода атома, возбужденного на q-уровень с излучением х.и.; τ_i – массовый коэффициент фотоэффекта, I₀ – плотность потока первичного излучения.

Коэффициент k_i не зависит от концентрации определяемого элемента С_i, ни от состава исследуемой пробы μ_iпр, при неизменных геометрических параметрах установки и плотности потока первичного излучения I₀, является постоянным. Точное аналитическое значение k_i рассчитать не возможно, при проведении РРК k_i определяется экспериментально при градуировке.

Как следует из выражения (5), плотность потока аналитической линии I_i зависит от поверхностной плотности m и коэффициента поглощения μ_iпр пробы. Коэффициент поглощения μ_iпр, в свою очередь, зависит от энергии фотонов характеристического излучения Е_хи. При значениях Е_хи < 20кэВ реализуется ситуация насыщенного слоя - толщина анализируемого слоя мала, потому что вторичное излучение (х.и.) интенсивно поглощается самой пробой. В этом случае μ_iпрm > 5, exp(-μ_iпрm)<<1 и выражение (5) преобразуется в . (7)

При Е_хи > 100кэВ реализуется ситуация тонкого слоя - толщина анали­зируемого слоя значительно больше, потому что вторичное излучение (х.и.) менее интенсивно поглощается самой пробой. Для тонкого слоя μ_iпрm < 0.5, можно принять exp(-μ_iпрm) ≈ 1 - μ_iпрm, и выражение (5) преобразуется:

(8)

Если пробу представить в виде наполнителя (рудовмещающая порода) с поглощающими свойствами μ_н и руды, соответственно μ_р, то μ_iпр будет зависеть от концентрации рудного элемента. μ_н < μ_р, потому что рудовме­щающая порода обладает значительно меньшей плотностью и Z_эфф, чем руда. Однако концентрация рудного элемента в породе, для большинства руд, незначительна – не более единиц процентов. Поэтому значение m будет определяться, в основном, свойствами наполнителя. В отношении μ_iпр: вклад μ_р будет зависеть от типа рудного элемента – если Z и ρ мало, то поглощаю­щие свойства пробы будут определяться наполнителем; если Z и ρ рудного элемента велико (например свинец), то вклад μ_р в μ_iпр будет значителен даже при малых содержаниях.

Для большинства определяемых рудных элементов реализуется ситуа­ция насыщенного слоя, т.е. . Теперь представим, что при пос­то­янном содержании рудного элемента и неизменной геометрии измере­ний (т.е. C_i и k_i постоянны) изменился литологический состав рудовмещаю­щей породы. Следовательно, изменится величина μ_iпр, что приведет к измене­нию I_i, т.е. мы будем это интерпретировать это как увеличение (уменьшение) кон­центрации рудного элемента. Такой эффект называется матричным – т.е. из­ме­нение интенсивности х.и. за счет свойств наполнителя. При больших зна­че­ниях C_i этот эффект незначителен – относительная погрешность измере­ний не превысит допустимых значений. А вот при малых концентрациях руд­ного элемента относительная погрешность определения C_i может достигать 100%.

Мешающие излучения. Помимо характеристического излучения в детектор могут попасть раз­личные мешающие излучения. Природа мешающих излучений:

1. Фоновое излучение

2. Рассеянные от первичного и вторичного излучений

3. Характеристическое излучение от других элементов, полностью не разрешенное данным спектрометром

1. Фоновое излучение I_ф обусловлено, в основном, рассеянием излучения от источника в воздухе или на стенках камеры блока возбуждения. I_ф дает не­большой вклад в измеряемые потоки фотонов. При постоянных геомет­ричес­ких условиях измерений значение этой компоненты не зависит от состава исследуемой пробы. Учет фонового значения проводится доста­точно точно при эталонировке прибора.

2. Рассеянное излучение пробой обусловлено наложением когерентного и некогерентного рассеянного излучений источника на аналитическую линию определяемого элемента. Интенсивность рассеянного излучения не является постоянным и зависит от поглощающих свойств элементов, вхо­дя­щих в пробу. Значение вклада рассеянного излучения можно опреде­лить по кривой, которая определяется по результатам анализа проб, раз­личающихся по составу (литологии), но не содержащих анализируемого элемента. Компенсация (учет) вклада рассеянного излучения проводится выбором методик измерения.

3. Наибольшую сложность при проведении анализа представляет учет меша­ю­щего излучения, обусловленного наложением на аналитическую линию определяемого элемента характеристического излучения других элемен­тов, присутствующих в пробе. Вклад этого мешающего излучения зависит от содержания «мешающего» элемента и степени перекрытия спектра «мешающего» и определяемого элементов. К мешающим элементам, при проведении анализа по К-серии характеристического излучения с пропор­ци­ональным или сцинтилляционными счетчиками, относятся элементы, различающиеся по Z меньше чем на 5-7 единиц. Типичным примером является пара железо (Z =26) и медь (Z=28) при анализе сульфидных медных месторождений, где основным минералом является халькопирит (FeCuS₂). Кроме того, мешающее влияние могут оказывать более тяжелые элементы, если анализ по ним ведется по L-серии. При работе на свин­цо­во-цинковые руды (галенит PbS – сфалерит ZnS) с источником Cd¹⁰⁹ (Е₀ = 22.5 кэВ) анализ цинка ведется по его К-серии (Е_хи = 8.6 кэВ), определение содержания свинца – по L-серии (Е_хи = 11.6 кэВ). При работе с пропорцио­нальными счетчиками эти аналитические линии полностью не разрешают­ся, поэтому при определении цинка мешающим является линия свинца и наоборот. Число мешающих элементов уменьшается при работе с аппара­турой, имеющей более высокое разрешение. Например, при работе с полу­проводниковым детектором, который разрешает характеристические излу­чения соседних элементов, мешающее излучение отсутствует.

Методики проведения РРК. Существуют множество методик поведения РРК. Наиболее распространенные следующие:

1. Способ интенсивности (способ спектральной разности).

2. Способ спектральных отношений

Способ интенсивности. В данном способе измеряется интенсивность аналитической линии, из значения которого может вычитаться фоновое значение (способ спектраль­ной разности). Способ интенсивности используется при работе в насыщен­ных и промежуточных слоях, т.е. в области малых энергий характеристи­ческого излучения Е_хи <30 кэВ. Из выражения (7) следует, что I_i = кС/μ_iпр, откуда следует С = I_iμ_iпр/к. При использовании эталонов определяемое содержание будет рассчитываться из выражения:

(9)

В случае, когда μ_пр ≈ μ_эт ≈ const для различных типов пород или изменения­ми поглощающих свойств можно пренебречь, тогда C_i = kI_i. Однако даже при неизменном составе наполнителя проб значение μ_пр зависит от Сi, поэтому линейная зависимость будет только в ограниченном интервале малых содер­жаний. Такая методика измерений применяется при анализе руд, характери­зу­ю­щихся постоянным составом и при определении низких концентраций элемента.

Способ спектральных отношений. Поглощающие свойства породы μ_пр определяют интенсивность анали­ти­ческой линии определяемого элемента Ii, но μ_пр определяет и интенсив­ность рассеянного излучения I_рас. На рисунке представлены спектры характе­ри­стического и рассеянного излучений при различных содержаниях элемен­та. Пунктирная линия – нуле­вое содержание элемента, 0 < С_i1 < C_i2.

С увеличением содержания элемента интен­сивность характеристи­ческого излучения растет, а интенсив­ность рассеянного излучения умень­шается. Объяснить это просто – с увеличением содер­жания элемента растет вероятность фотоэффекта, следовательно, уменьшает­ся доля рассеянного излучения и растет интен­си­вность характеристического излучения.

 

Рис.4. Изменение спектров втори­чного излучения при различных со­держаниях определяемого эле­ме­нта.

0 – пустая порода; 1 – малое соде­р­жание; 2 – большое содержание определяемого элемента. Iхи – интенсивность характеристичес­кого излучения; Iрас – рассеян­ного излучения.

 

 

Однако при оди­наковом содержании элемен­та, но при изменении состава породы, картина иная: рассея­нное излучение на изменение состава породы практически не реагирует, а I_хи, благодаря матричному эффекту, изме­няется значительно.

В способе отноше­ний к рассе­янному излучению вычисляется отноше­ние η = I_хи/I_рас, что в значительной степени компенсирует влияние изменения состава пробы на точность измере­ний. Однако способ отношений не полностью устраняет влияние матрицы, он используется только при определении относительно низких концентраций элементов и при небольших вариациях состава проб. Определение концен­тра­ций по парамет­ру η осуществляется через градуировочный график (по эталонам с известным содержанием элемента).

Одной из модификаций способа отношений является способ спектраль­ных отношений, который отличается от способа отношений:

1. В данном способе параметр η определяется отношением I_хи не к макси­мальному значению I_рас, а к рассеянному излучению I’_рас, определяемо­му в интервале Е1 – Е2. Энергетический интервал рассеянного излуче­ния определяется экспериментально, чтобы максимально учесть влияя­ние состава породы.

2. Содержание определяемого элемента находят по градуировочной зависимости С = f(η_i/η₀) где ηi – отношение I_i/I’_рас при Сi > 0, η0 – отношение I_i/I’_рас при Сi = 0.

Помимо более точного учета матричного эффекта, способ спектраль­ных отношений позволяет привести к общему эталонировочному графику при измерении с различной геометрией, а также уменьшить влияние аппа­ратурных эффектов.

Критерии оценки анализа РРК. Основные критерии:

1. Чувствительность измерений (основной параметр) ε_i = dI_i/dC_i

2. Для оценки условий проведения анализа, с точки зрения вклада меша­ю­ще­го излучения в аналитическую линию определяемого элемента, ис­пользу­ет­ся параметр приведенной контрасности аналитической линии: F_п = ε_i/I_м. При заданной относительной точности учета мешающего из­лу­­чения δ абсолютная погрешность анализа ΔС_i определяется значе­ни­ем приведен­ной контрастности ΔС_i = δ/F_п. Например, при относитель­ной точности уче­та мешающего излучения δ = ±10% абсолютная погре­шность анализа ΔС_i находится в пределах ±0.01% при значении F_п = 10. Значение F_п, в основном, определяется энергетическим разрешением аппаратуры: для сцинтилляционной аппаратуры F_п не более первых единиц, для пропор­ционального детектора F_п достигает 100 – 200.

3. По точности измерений анализ РРК оценивается как химанализ 3 класса. По­э­тому методика оценки относительной погрешности РРК взята из хим­анализа. Например, для полиметаллических руд (цинк-свинцовое орудене­ние) вес интервал содержаний разбит на классы, в каждом классе содержа­ний свои допустимые относительные погрешности определения: С_i (0–2)% → δ<60%; (2–5)% → δ<10%; (5-15)% → δ<5%; >15% → δ<1%. Для каждо­го элемента (или типа руд) – индивидуальные допустимые относительные погрешности определения.

Влияние промежуточной среды при проведении РРК. Наряду с вли­я­нием вещественного состава и неоднородности распре­деления анали­зи­руемого и мешающих элементов на результат анализа, в сква­жинах сущест­венно влияют непостоянство геометрии измерений, обус­ло­вленное кавер­на­ми в стенке скважины, и особенно наличие промежуточ­ной среды между рабочей поверхностью каротажного зонда и стенкой сква­жи­ны. Влияние про­межуточной среды будет больше, чем меньше энергия втори­чного излу­чения (растет поглощение).

Промежуточная среда, находящаяся между зондовым устройством и стенкой скважины, может быть: защитный кожух из беррилия (Z=4), на­де­вае­мый на входное окно зондового устройства и обеспечивающий его герметичность; промывочная жидкость; глинистая корка; антивибрационная смазка и другие вещества, которые могут на­капливаться в кавернах или покрывать стенки скважины.

Так как измере­ния при проведении РРК в обводненных скважинах проводятся в геометрии прямой видимости, входное окно зондового уст­рой­ства прижимается к стенке скважины, то бериллий также располага­ется в зоне прямой видимости. В этом случае рассеяние бериллием излучения создает дополнительный фон во вторичном спектре. При Е_i >50 кэВ этот фон незначителен и составляет первые про­центы от плотности потока N_s рассеянного излучения. С уменьшением Е_i, фон от бериллиевой вставки уве­личивается и в длинноволновой области спектра (Е_i <20 кэВ) со­ставляет 100 % и более.

Рис.5.Схема геометрии зондового устрой­ства РРК: AB – поверх­ность скважин­ного прибора; CD – поверхность стен­ки скважины, находящейся на рассто­я­нии h от поверхности прибора; L – расстоя­ние между источником (И) и дете­ктором (Д); l – расстояние вдоль поверхности скважинного прибо­ра между внутренними образую­щи­ми коллимационных каналов.

 

 

При исследовании скважин, не заполненных промывочной жид­костью, уменьшения фона от бериллиевой вставки можно до­биться путем увеличения расстояния между коллиматорами источника и детектора l. Эксперименты с показывают, что при увеличении l от 1 до 3 мм фон уменьшается примерно в 5 раз. При дальнейшем увеличении l фон практически не меняется. Однако при увеличении l происходит смещение максимума инверсии в сторону больших h. По­этому для обеспечения измерений в геометрии прямой видимо­сти в области максимума инверсионной зависимости необходимо создать определенный отрыв рабочей поверхности бериллиевой вставки от стенки скважины. Величину этого отрыва находят пу­тем определения максимума на кривой зависимости плотности потока характеристического рентгеновского излучения, снятой на образце, содержащем анализируемый элемент. Для стан­дартных зондовых устройств, используемых в скважинных прибо­рах типа ПС-РРК-П, отрыв составляет обычно 5—7 мм при l = 4 мм. В этом случае выполняются два условия: достигается минимальный уровень фонового излучения на бериллии; измере­ния осуществляются в области максимума инверсии.

В отличие от защитной вставки, являющейся частью конструк­ции скважинного прибора, и создающей постоянный фон рассеян­ного излучения который можно учесть, влияние на плотность потока вторичного излучения промежуточной среды, характерной для каждой отдельной скважины и зависящей от ее технического состояния, носит случайный характер. Толщи­на слоя такой среды определяется, как правило, размерами каверн в стенках скважины, и соответственно эта среда в большей или меньшей степени искажает поток первичного и вторичного излучения. Характер искажений потоков характеристического рентге­новского Ni и рассеянного Ns излучения различен, что требует раздельного их изучения. Поток Ni ослабляется проме­жу­точной средой, и степень его ослабления зависит как от состава и толщи­ны промежуточного слоя, так и от энергий первичного и флуоресцентного излучения.

Рис.6. Рассчитанные зависимости плотности потоков Ni от из­менения толщины h проме­жуточного слоя воды. Жир­ная кривая - вода в проме­жу­точном слое отсутствует.

 

Видно, что слой воды существенно искажает характер инверсионной зави­симости и значительно ослабляет плотность потока флуоресцентного излуче­ния, особенно при Ei <20 кэВ, где инверсия по оси h исчезает и ослаб­ление происходит по закону, близкому к экспоненциальному. В связи с этим неров­ности стенок скважин, заполненных про­мывочной жидкостью, могут вносить наибольшие искажения в ре­зультаты РРК при измерениях в длинно­волновой области спектра, так как здесь полная потеря сигнала рентгенов­ской флуоре­с­цен­ции происходит уже при h= 1- 2 мм. При анализе в средне- и коротково­л­­­новой областях энергий, где проникающая способность излуче­ния выше, мо­­жно использовать инверсионный характер кривой Ni(h), расширив облас­ти сохранения полезного сигнала, уменьшить тем самым погрешности РРК.

Вклад рассеянного промежуточной средой излучения Nsпза­висит от соот­ношения атомных номеров и плотностей промежу­точной и исследуе­мых сред, от толщины слоя промежуточной среды и энергии первичного излучения.

Рис.7. Зависимости плотности по­токов Ns рассеянного излу­чения от толщины промежу­точного слоя воды h(см) между поверхностями датчика и среды.

Nsu – рассеянное излучение от породы;

Nsп – рассеянное излучение от промежуточной среды (буровой раствор);

Ns – суммарное рассеянное излучение

 

 

Как видно из рисунка 7, основную роль в формировании потока рассеян­ного излучения при Eо = 25 кэВ играет рассеянное излу­чение от воды Nsп.

Если между поверхностями зондового устройства и стенки скважины находится промежуточная среда с большим атомным номером и большей плотностью, чем вода (например, промывоч­ная жидкость, глинистая корка или антивибрационная смазка), то влияние ее на формирование плотности потока вторичного из­лучения будет иметь тот же характер, как и для воды, но прояв­ляться гораздо сильнее. Кроме того, в промежуточной среде может накапливаться рудный шлам, что приводит к появлению лож­ных аномалий на диаграммах РРК. Поэтому при поста­новке и проведении РРК особенно важно иметь досто­верную информацию о техническом состоянии скважины.

Таким образом, промежуточная среда оказывает существенное влияние на формирование плотности потока вторичного излуче­ния. Для учета влия­ния промежуточной среды на результаты РРК необходима разработка спосо­бов контроля расстоя­ния между рабочей поверхностью зонда и стенкой скважины не­посредственно в процессе проведения каротажа.

Зондовые устройства рентгенрадиометрического каротажа. На рис.8. показаны зондовые устройства скважинных приборов.

Рис.8. Зондовые устройства скважинных приборов со сцинтилляционным де­тек­то­ром (ПС-РРК-С) (а) и пропорциональным счетчиком (ПС-РРК-П) (б)

1 - бериллиевый цилиндр; 2- источник гамма-квантов; 3 - спектрометрический кристалл

Nal(Tl) с фотоумножителем ФЭУ-67Б; 4 - свинцовый защитный экран; 5 - слоистая защита из кадмия или меди; 6 – пропорциональный счетчик; 7 – входное окно счетчика; 8 - кор­пус скважинного прибора; 9 - уплотнительные кольца.

Теоретические и экспериментальные исследования по изуче­нию пове­дения основных измеряемых параметров РР-каротажа с моделированием различных условий технического состояния скважин позволили выработать основные требования по оптими­зации конструкции зондовых устройств и скважинных приборов. Однако небольшой диаметр скважинных приборов (36 - 42 мм) и значительные размеры детекторов позволяют лишь частично реали­зовать эти требования в конструкциях зондовых устройств РРК.

На рисунке показаны зондовые устройства со сцинтилляционным (а) и пропорциональным (б) счетчиками, применяемые в скважинных приборах аппаратуры РАГ-М-101. Угол между кол­лиматорами в зондовом устройстве со сцинтилляционным счетчи­ком выбран возможно наименьшим исходя из необходимой тол­щины свинцового защитного слоя между источником и дете­кто­ром (1,5—2 см); этот угол составляет примерно 60°. Внутренние образующие коллимационных каналов пересекаются на поверх­ности сква­жин­ного прибора, что создает условия измерений в доинверсионной геомет­рии, обеспечивающие оптимальную помехоустойчивость в скважинах, запол­ненных промывочной жидкостью. В скважинах без промывочной жидкости зонд отжимается от стенки скважины на необходимое начальное расстояние hо с по­мощью специального поворотного прижимного устройства.

Сравнительно большой диаметр пропорциональных счетчиков (~20 мм) не позволяет создавать коллимированную геометрию зондового устрой­ства, и измерения в ПС-РРК-П проводятся в условиях частичной коллимации детектора. В зависимости от технического состояния стенок скважины источ­ник излучения рас­полагается ближе к коллиматору детектора или дальше от него. В скважинах без промывочной жидкости необходимый отрыв со­здается также с помощью поворотного прижимного устройства. В скважинах, запол­нен­ных промывочной жидкостью, необходим плотный прижим рабочей пове­р­хности зонда к стенке скважины. В промыш­ленной аппаратуре РРК прижим зонда к стенке сква­жины осуществляется с помощью рессорных или рычажно-рессорных устройств.

 

Способы реализации РРК. При реализации метода РРК в первую очередь необхо­димо обеспечить наибольшую чувствительность к концен­трации определяемого элемента и свести к минимуму влияние таких фак­торов, как состав и плотность иссле­ду­е­мой среды, геометрические условия измерений, промежуточная среда между поверхностью окна зондового устройства и стенкой скважины и т. п.

Если в качестве измеряемого параметра в РРК Ni - характеристическое излучение анализируемого элемента (способ спектральной интенсивности), то чувствительность РРК тем лучше, чем меньше фоновое значение N’s, зависящее от рассеянного излучения Ns, и выше сигнал Ni при содержании анализируемого элемента С = 0,01 (1 %).

Плотность потока рассеянного гамма-излучения Ns в первом прибли­жении пропорциональна эффективному объему рассеяния в среде и обратно пропорциональна массовому коэффициенту ос­лабления гамма-излучения в среде (при постоянных геометрических условиях измерений). При увеличе­нии энергии первичного излуче­ния Eо глубинность исследований возрастает, а коэффициент ослаб­ления уменьшается и, таким образом, плотность потока рассеян­ного излучения Ns увеличивается так, что при изменении Eо от 15 до 120 кэВ плотность потока Ns возра­стает примерно в 30 раз, что приводит к такому же росту N’s и соответственно ухудшает чувствительность анализа по способу спектральной интенсивности в коротковолновой области спектра.

Кроме того, чувствительность зависит от эффективности воз­буждения рентгеновской флуоресценции Ni первичным излуче­нием. При увеличении Eо от 15 до 120 кэВ плотность по­тока Ni уменьшается примерно в 5 раз (за счет уменьшения вероятности фотоэффекта), в связи с чем контраст­ность ухудшается как вследствие увеличения Ns, так и в результате уменьшения Ni с ростом Eo.

Важным параметром в РРК является диапазон ко­лебаний фоновых зна­че­ний N’s при изменении состава наполни­теля (матричный эффект). Если оце­­­нить контрастность параметра Ni в еди­ницах возможных колебаний фона только вследствие изменения состава наполнителя, т. е. K = Ni/ΔN’s, то это соотношение будет значительно выше в длинноволновой области спектра. Ра­­с­че­ты K(Eo) показывают, что наибольшая контрастность наблюдается при Eo < 25 кэВ. В области 40 кэВ эта величина уменьшается на порядок, а в обла­­­с­ти Eo > 100 кэВ - на два по­рядка. Таким образом, способ спектральной интенсивности в пол­ной мере может быть реализован только в длинновол­но­вой обла­сти спектра, т. е. при Eo < 25 кэВ. В других областях энергий реа­ли­зация этого способа практически невозможна, так как параметр Ni будет ре­ги­­­с­трироваться на относительно большом фоне N’s, колебания которого при изменении состава наполнителя могут быть соизмеримы с величиной Ni.

Для выделения сигнала флуоресценции N на фоне помех (фоновое рас­сеяние N’s и матричный эффект) и для снижения влияния промежуточ­ного слоя на ре­зультаты РРК применяют способы спектральной разно­сти или спек­тральных отношений.

Определение элементов с Z ≈ 70. Особенности определения элеме­н­тов с большим Z (по К-серии) видны из спектров, измеренных с источником ⁷⁶Se и сцинтилляционным детектором при разных содержаниях свинца (рис.9).

Угол между коллиматорами зонда РРК составлял 90° (геометрия 90°), следовательно, угол рассеяния θ также был равен 90°. В спектрах рас­сеянных фотонов в данном случае видны два четких максимума, вызва­н­ных рассеянием под углом π/2 кван­тов основных линий источника ⁷⁵Se с энергией 136 и 256 кэВ. На левом склоне максимума от линии 136 кэВ заметен прилив, обусловленный наложением на спектр однократного рассеяния непрерывного распределения многократно рассеянных фотонов, которое в этой области имеет экстремум.

В присутствии свинца в спектрах примерно на 75 кэВ появ­ляется пик, отвечающий К-серии характеристического излуче­ния РЬ. Амплитуда этого пика с возрастанием содержания свин­ца увеличивается. Одновременно интенсивность рассеянного из­лучения падает в связи с вызванным свинцом повышением эф­фективного атомного номера среды. При qРb= 20 % максимум от линии 136 кэВ уменьшается настолько, что почти сли­ вается с фотопиком РbКα. При больших содержаниях свин­ца слева от фотопика РbКαвозникает пик вылета.

 

 

Рис.9. Спектры вторичного излу­чения свинцовой руды (сцинтилля­ционный счетчик, источник ⁷⁵Se). Шифр кривых – содержание свинца в %. Пояснения в тексте.

 

 

Уточнение определения способа спектральных отношений. Спектры, изобра­женные на рис.9, показывают, что харак­теристическое излучение наблюда­ется на некотором фоне I’_s рассеянных лучей. Следовательно, интенсив­ность, измеряемая в области фотопика определяемого элемента, выража­ет­ся сум­мой

I_xи = I_i + I’_s (10)

Поэтому формулу, которая является определением способа спектральных отношений РРК, правильнее записать в следую­щем виде:

η = (I_i + I’_s)/ I_s (11)

Поскольку при q_Pb = 0 «нулевое» спектральное отношение со­ставит

η₀ = I’_s/ I_s (12)

получим

η = η₀ + kq_Pb (13)

где множитель kпропорционален отношению массовых эффек­тивных коэф­фициентов ослабления рассеянных и характеристи­ческих лучей:

k = const (μ^эф_s/μ^эф_i) (14)

Участок спектра рассеянного излучения, используемый в ка­честве стандарта-фона, можно подобрать так, чтобы μ^эф_s ≈ μ^эф_i. Тогда

Δ η = η – η₀ ≈ const q_Pb (15)

Таким образом, при равенстве коэффициентов ослабления μ^эф_s и μ^эф_i приращение спектрального отношения Δ η является линей­ной функцией содержания определяемого элемента и не зави­сит от вещественного сос­тава среды. Приближеннаяформула (15)справедлива при не очень больших изменениях состава наполнителя, т. е. вещественного состава руд. Практика показывает, что этим приближением можно пользоваться, когда свинцовые руды, на­пример, содержат переменные количества пирита или при не­силь­ной баритизации этих руд. Погрешности за счет неодина­кового ослабле­ния характеристических и рассеянных лучей в таких случаях невелики, и ими можно пренебречь.

Способ нормирования спектральных отношений. Рассмотрим возмож­ность более полного исключения влияния матрицы, по­скольку от этого зависит точность количественных определений.

Типичными объектами, на которых необходимы дополни­тельные меры по учету матричного эффекта, являются свинцово-баритовые место­рождения. Из-за больших колебаний количества барита спектральные отношения η_Pb в свинцово-баритовых рудах при одном и том же содержа­нии свинца могут из­меняться в 1,5—2 раза, а погрешности количественных опреде­лений РЬ по К-серии могут достигать 50 - 100 %. В этих случаях положение исправляет способ нормирования спектральных от­ношений к значениям их во вмещающих породах. Физический смысл нормирования заключается в следующем.

Нулевые спектральные отношения равны I’_s/I_sи, следова­тельно, пропорциональны отношению эффективных коэффици­ентов ослабления рассеянного излучения в наполнителе η₀ ~ ^нμ^эф_s/ ^нμ’^эф_s.

Коэффициент пропорциональности при q_Pbв формуле (13) зависит от отношения μ^эф_s/μ^эф_i. Поскольку I_i и I’_sизмеряются в одной и той же обла­сти энергий, то ^нμ^эф_s ≈ ^нμ’^эф_s . Деление η на η₀, т.е. переход к нормиро­ван­ным спектральным отношениям η’, позволяет исключить влияние измене­ния состава напол­нителя:

η’ = 1 + kq_Pb (16)

Эффективность учета влияния матрицы с помощью способа нормиро­ва­ния иллюстрирует рис.10, на котором величины η’_Pb сравниваются с дан­ными химических анализов керна скважин.

 

Рис.10. Применение нормиро­вания спектральных отноше­ний в РРК для учета изменения вещественного состава руд при определениях свинца. Значения η_Pb: а –ненормиро­ва­н­ные; б - нормированные к η₀. Данные РРК по месторождени­ям: 1- свинцово-мышьяковому; 2 - с баритизацией пород;

3 - типичному свинцово-бари­то­вому.

 

 

Различные значки здесь отно­сятся к месторождениям с разны­ми типами руд — от монометальных свин­цо­вых, залегающих в силикатных породах, до типичных свинцово-барито­вых, на ко­торых минералы свинца встречаются в виде вкрапленности в почти сплошном барите. Рисунок показывает, что при опреде­лениях свинца по К-серии данные РРК без нормирования не­возможно использовать для количественных подсчетов. Способ нормирования приводит измерения в рудах разного состава к единому графику. Разброс точек на графике η/ η₀ в этом случае не выходит за пределы погрешностей геологического опробова­ния.

Затруднения в практической реализации способа нормирова­ния для учета матричного эффекта состоят в том, что величины нулевых спектра­льных отношений, найденные по диаграммам РРК во вмещающих породах, могут не вполне соответствовать значениям η₀в самой рудной зоне. При обработке данных РРК, приведенных на рис.10, для определения η₀ были использо­ваны диаграммы РРК на барий и вспомогательный график η₀ (РЬ) = f(η_Ba), который был получен по измерениям в опорных скважинах. Сход­ные принципы могут быть положены в основу определения нулевых спектральных отношений и в других ана­логичных случаях.

Детальное исследование способа нормирования показывает, что на­ря­ду с возможностью учета матричного эффекта этот способ позволяет привести к общему эталонировочному гра­фику измерения при раз­ной геометрии, отличающейся углом рассеяния θ, а также уменьшить влияние аппаратурных фак­торов. Поэтому результаты измерений в РРК обычно пред­ставляют в виде нормированных спектральных отно­ше­ний.

Наиболее благоприятны для учета эффекта матрицы по спо­собу нормирования в РРК условия определения элементов с Z ~ 70 в связи с применением источников относительно жестких фотонов и заметным вкладом многократного рассеяния.

Определение элементов с Z ~ 50. С уменьшением энергии излучения источника до 40—50 кэВ, что оптимально при определении элементов средней части Пе­риодической таблицы, использование способа нормирования осложняется. Особенности учета матрицы при определении эле­ментов с Z ~50 рассмотрим на примере олова.

Двухступенчатое возбуждение. В связи с необходимостью определения небольших содержаний Sn при геологоразведочных работах энергию возбуждающих фотонов выгодно по возможно­сти приблизить к К-краю поглощения Sn (Е_{К Sn} ≈ 29 кэВ). Наряду с использованием пока еще дефицитного источника ¹⁵³Gd применяют так называемое двухступен­ча­тое возбужде­ние, при котором лучи радиоизотопного источника прохо­дят че­рез мишень, изготовленную из элемента, характеристический спектр которого наилучшим образом возбуждает флуоресцен­цию определяемого элемента. Применительно к РРК двухсту­пенчатое возбуждение можно осуществить, помещая радиоизо­топный источник внутри цилиндрической мишени и экранируя его собственное излучение со стороны выходного отве­рстия кол­лиматора с помощью защиты из материала с большим атом­ным номером, например из вольфрама. Спектр такого комбиниро­ванного источника в значительной мере «очищен» от побочного излучения и содер­жит главным образом характеристические линии элемента-мишени.

При определениях олова со сцинтилляционным счетчиком, имеющим в области аналитической «линии» олова разрешение порядка 25 - 30%, эффективна мишень из самария (Z = 62), кванты характеристического излучения K-серии которого обладают энергией около 40 кэВ.

Условия определения Sn с источником ^17OTm(Sm) видны из рис.11. Отношение «полезного сигнала» к фону, т. е. интен­сивности флуоресцен­ции олова при содержании его q_Sn = 1 % к интенсивности рассеянного излучения на 25 кэВ в наполни­теле из А1, в данном случае достигает десяти. Для сравнения укажем, что при прямом возбуждении характеристи­ческого из­лучения олова с помощью ¹⁷⁰Тт это отношение не превышает единицы. Высокая контрастность характеристических спектров с ^17OTm(Sm) позволяет увеличить чувствительность определений олова по сравнению с источником ¹⁷⁰Тт не менее чем в 5 раз.

 

Рис.11. Рис. 139. Спектры при определении олова по РРК с исто­чником ¹⁷⁰Tm(Sm).

1, 2 —при q_Sn = 1% (1- в алюми­нии; 2 - в среде из 0,5Al + 0.5Fe);

3, 4 - при q_Sn = 0%, (3 - в А1, 4 - в среде из 0,5Al + 0.5Fe).

 

При исследовании руд олова на месторождениях касситерито-квар­це­вой формации проблемы учета эффекта матрицы не возникает, поскольку руды имеют силикатную основу и напол­нитель представлен окислами алюминия и кремния с неболь­шим количеством сульфидов железа. Слож­нее обстоит дело с применением РРК на месторождениях касситерито-суль­фи­д­ной формации. Типичные касситерито-сульфидные руды представ­ляют тонкую вкрапленность касситерита с размером зерен 0,1— 0,2 мм в основе, которая обычно сложена сульфидами тяжелых металлов. Из-за сильного пог­ло­щения флуоресценции Sn на­полнителем с большим Z_эфф чувствитель­ность РРК резко сни­жается.

Влияние тяжелой матрицы показано на том же рис.11, где спектр 1 отвечает определению олова в наполнителе из алюминия (Z = 13), а спектр 2 - из 0,5А1 + 0,5Fe (Z_эфф = 22). Спектры нормированы по максимуму одно­кра­тного рассеяния на 38 кэВ, поэтому снижение контрастности и уменьшение чув­ствительности в тяжелом наполнителе непосредственно устанав­ливаются из сравнения спектров.

В реальных рудах месторождений касситерито-сульфидной формации наряду с сульфидами железа (пиритом, пирротином) могут присутствовать сульфиды свинца (до 3%), цинка (до 8%), меди (до 3%) и мышьяка (до 3%). В некоторых случаях руды бывают комплексными олово-вольфрамовыми. При указанных содержаниях цинка и свинца влияние матрицы может сказываться сильнее, чем на рис.11. Учет влияния мат­рицы в этих условиях приобретает принципиальное значение.

 

Рис.12. Применение РРК для выделения оловянных руд на месторожде­нии касситерито-сульфидной формации.

1- колонка скважины по данным бурения; 2 - интервалы оловянного оруденения, уточнен­ные по данным РРК; 3 - выход керна, %; 4 - содержание Sn по данным химических анализов керна. Диаграммы: 5 - РРК с источником ¹⁷⁰Tm (Sm); 6 - РРК по способу двух пучков; 7 - интенсивности рассеянного излучения Is при уровне дискриминации 20 кэВ. Породы и руды: 8 - песчано-глинистые сланцы с лимонитовыми, карбонатными и сульфидными про­жилками; 9 - касситерито-сульфидные руды; 10 - песчаник.

 

Примером резкого снижения спектральных отношений РРК при большом Z_эфф наполнителя могут служить результаты, пред­ставленные на рис.12. Из рисунка видно, что на диаграмме 5 спектральных отношений η_Sn, даже при двухступенчатом воз­буждении, в сплошных сульфидах на глубине 96,6—99,3 м со­держания Sn порядка 0,4 % с помощью стандартной методики РРК не отмечаются. О непосредственной связи амплитуды аномалий РРК с Z_эфф руд свидетельствует диаграмма 7 интеграль­ной интенсивности рассеян­ного излу­чения, измеренная с тем же зондом РРК, на которой резкому умень­шению η_Sn отвечают наиболее глубокие аномалии ГГК.

Определение элементов с Z ~ 30 Выделение этой группы вызвано прежде всего тем, что сцинтилляционная аппаратура в данном случае неэффективна и не позволяет, за редким исключением, вести даже одно­эле­ментные определения. Дело в том, что с уменьшением Z ха­рактеристиче­ские спектры элементов по энергии все более сбли­жаются. Кроме того, в этой же области (~10 кэВ) лежат линии L-серий тяжелых элементов (свинца, вольфрама и др.). Поэтому энергетического разрешения сцинтил­ля­ционных детек­торов (~50%) здесь становится явно недостаточно. Особен­ность определения элементов с Z ~ 30 состоит также в ничтож­ной глубинности исследования, что накладывает отпечаток и на решение других методических проблем.

Начнем с первого вопроса. Для улучшения условий опреде­ления элемен­тов с Z ~ 30 в аппаратуре РРК вместо сцинтилляционных применя­ют пропорциональные счетчики. Главное преимущество пропорциональ­ных счетчиков перед сцинтилляционными заключается в лучшем энергети­че­ском раз­решении, примерно в 3,5 раза. Реально в области 6 кэВ можно получить разрешение порядка 15 %, что значительно улучшает условия определения ряда элементов, в частности меди и цинка.

Двухкомпонентные определения. Датчики с пропор­циона­ль­ными счет­чиками представляют большой интерес для определения цинка, кото­рый непосредственно не может быть определен никакими другими ядерно-геофизическими методами. При энергии квантов источника боль­ше 15 кэВ наряду с К-се­рией цинка (Е_{Zn Kα} ~8,5 кэВ) возбуждается L-серия его обыч­ного спутника - свинца. Аппаратура с пропорциональ­ными счетчи­ками позволяет определять цинк и свинец одновременно.

Рис.13. Спектр вторичного излу­чения РРК с пропорцио­нальным счетчиком и исто­ч­ником ¹⁰⁹Cd в свинцово-цинковом оруденении.

 

 

На рис.13показано амплитудное распределение импуль­сов, наблюда­е­мое при использовании зонда РРК с пропорцио­нальным счетчиком и исто­ч­ником ¹⁰⁹Cd в скважине, пересекаю­щей сульфидную свинцово-цинковую руду. Несмотря на доволь­но хорошее разрешение счетчика (около 16 % по линии 5,9 кэВ источника ⁵⁵Fe), линии железа K_α,β, цинка K_α,βи L_α -линия свинца все же накладываются друг на друга. По­этому окно спектромет­ра для регистрации Zn K_αприходится смещать вправо от соответствующего максимума, а при опре­делениях свинца использовать не всю L-серию, а только один пик Pb L_β. Кроме того, стандарт-фон для η_Zn необходимо вы­брать в области 15 кэВ. Измерение спектрального отношения

η_Zn = I_{9 - 10}/I_{15 - 16} позволяет исключить влияние наложения аппаратурных спект­ров цинка и свинца. Определение РЬ ведет­ся по величине спектрального отношения η_Pb = I_{11,5 - 14}/I_{18 – 20,5}, т. е. в данном случае в качестве стандарта-фона служит одно­кратно рассеянное излучение источника. Области спек­тра, используемые при определениях РЬ и Zn, на рисунке заштри­хованы. Пределы обнаружения этих элементов по дан­ной методике составляют ~0,2 % Pb и 0,1% Zn.

Особенности количественных определений в РРК при малой энергии фотонов. При малой энергии первич­ного и вторичного излучения и исс­ледовании крупнозернистых агрегатов, каковыми являются контрастные свинцово-цинковые и богатые медные руды, длина пробега квантов ис­то­чника настолько мала, что проблема учета поглощения первич­ных и характеристических лучей в наполнителе может сниматься. Интенси­в­ность характеристи­ческого излучения в этих условиях пропорциональна суммарной площади вскрытых скважи­ной рудных зерен и практически не зависит от состава наполнителя. Таким образом, малая глубин­ность иссле­до­вания, которая обычно считается недостатком, в данном случае переходит в положительное качество. Измерения интенсивности харак­те­ристического излучения в гетерогенных средах должны давать не массо­вое, а «площадное» или объемное содержание опреде­ляемого элемента. Это подтверждается теорией. Исследование модели неоднородной среды, представленной одинаковыми изо­метрическими зернами рудного и неруд­ного минералов, приводит к следующему асимптотическому выражению для I_i:

(17)

В формуле (17) q_a - массовая доля определяемого элемента в среде. Безразмерный параметр ξ_в для рудного включения представляет произве­дение μ^эф_вρ_вD, где р_в – плотность, D - линейный размер включения, μ^эф_в - эффективный массовый коэффициент ослабления в нем первичного и хара­к­те­ристического излучения. Коэффициенты Р_i и Р_j означают вероятности пропускания пер­вичного и флуоресцентного излучения слоем среды толщи­ной D. Если размер рудного включения D > 3l, т. е. больше утроен­ной дли­ны пробега квантов характеристического излучения определяемого элемен­та в зернах нерудного минерала, экспо­ненты в числителе и знаменателе формулы (17) обращаются в нуль и она переходит в следующее равенство:

Ii = const q_a^V (18)

где q_a^V – объемное содержание включений анализируемого элемента.

Между аномалиями на диаграммах η и I_i может наблюдаться прямая корреляция, так как при малых величинах массовые q^a и объемные q_a^V соде­ржания примерно равны.

Если определяемый элемент представлен только одним руд­ным мине­ралом, измерения I_i можно использовать для подсчета запасов:

P = k_pI’_iV (19)

где V - объем рудного тела, I’_i - усредненная интенсивность характеристи­ческого излучения по всем исследованным сече­ниям, k_p – коэффициент пропорциональности, определяемый по опорным скважинам.

При исследовании типичных полиминеральных руд предпо­чтительнее пользоваться способом спектральных отношений как более универсальным, позволяющим наряду с другими факто­рами учесть и влияние минералогического эффекта.

 

Поделиться:

Читайте также:

Гамма-каротаж (ГК).
Нейтрон-нейтронный каротаж по тепловым нейтронам (ННК-Т)
Плотностной гамма-гамма каротаж
Прибор радиоактивного каротажа РК2М-60

Воспользуйтесь поиском по сайту: