 |
Гамма-гамма-метод (плотностной и селективный)
|
|
|
|
Гамма-гамма-метод (ГГМ) заключается в облучении горных пород γ - квантами искусственного источника и измерении рассеянного γ - излучения.
В зависимости от преобладающей энергии гамма - квантов, излучаемых источником и регистрируемых детектором, используют 2 модификации ГГМ: плотностной Гамма-гамма метод (ГГМ-П) и селективный (ГГМ-С).
Взаимодействие гамма - кванта с веществом:
Существуют 3 основных процесса, которые носят названия фотоэффект, комптоновского рассеяния и образования пар. 
1. Фотоэффект.
При фотоэлектрическом поглощении гамма-квант передает полностью свою энергию одному из орбитальных электронов атома, вырывая его и предавая электрону оставшуюся часть своей кинетической энергии. В результате процесса взаимодействия сам гамма-квант перестает существовать (аннигилирует).
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.
2. Комптоновское рассеяние.
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.
3. 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).
|
|
|
В зависимости от того, какой из процессов подвергается исследованию, в ГГМ выделяют 2 основные разновидности метода: плотностной и селективный гамма – гамма - метод.
Плотностной гамма-гамма-метод.
Плотностной гамма-гамма-метод (ГГМ-П) основан на изучении комптоновского рассеяния γ - квантов в горных породах. Поскольку этот эффект наблюдается при достаточно высокой энергии γ - квантов, то в ГГМ-П используют источники с энергией Еγ > 0,5 МэВ. Такими источниками являются искусственные изотопы Со60 ,испускающий кванты с энергией 1,17 и 1,33 МэВ, Сs137 с Еγ =0,661 Мэв и естественный ЕРЭ - Rа226, который дает целый спектр γ - квантов с энергиями от 0,35 до 1,76 МэВ. Длина зондов от 20 до 40 см.
Область применения. ГГМ-П находит применение при исследовании нефтяных и газовых, углеразведочных и рудных скважин.
На нефтяных и газовых месторождениях ГГМ-П применяют для дифференциации разрезов скважин по плотности и для определения пористости пород-коллекторов.
Плотность породы в целом определяют по результатам плотностного ГГМ. При этом аппаратуру градуируют на эталонных образцах с известной плотностью. Современная аппаратура позволяет получать диаграммы ГГМ-П, масштаб которых сразу разбит в единицах плотности. Выражение для Кп получают из уравнения:
Кп=(σск-σп)/(σск-σфл)
ГГМ-П применяют также при цементометрии эксплуатационныхскважин для определения высоты подъема и наличия пустот в цементном камне, поскольку плотность цементного камня 2,2 г/см3, а жидкости, заполняющей пустоты в нем, 1,0-1,2 г/см3.
Селективный гамма-гамма-метод.
Селективный гамма-гамма-метод (ГГМ-С) основан наизучении фотопоглощения γ - квантов в горных породах. Поскольку фотоэффект превалирует при низкой энергии γ - квантов, в ГГК-С используют источники с энергией Еγ < 0,5 МэВ. Такими источниками являются искусственные радионуклиды: Sе75 Еγ=0,138 и 0,268 Мэв,Hg203с Еγ=0,279 МэВ. Длина зонда 10-20 см.
|
|
|
Задачи, решаемые по данным селективной модификации гамма-гамма метода, используют в рудной геофизике для выделения зон оруднения с высоким значением атомного номера (Pb,W,Hg,Sn,Sb,Ba и др.)
На нефтяных и газовых месторождениях метод ГГМ-С находит применение при исследовании необсаженных скважин для литологического расчленения осадочных пород. Результативность решения этой задачи можно улучшить, если регистрировать интенсивность рассеянного гамма – излучения в двух областях – малых и высоких энергий, и использовать отношение этих интенсивностей в качестве интерпретационного параметра. Также метод используется при дефектометрии обсадных колонн.
Аппаратура ГГМ
Аппаратура ГГК устроена так же, как и аппаратура ГК, но скважинный снаряд дополняется источником γ - квантов. Расстояние между центрами детектора и источника называется длиной зонда.
Данные ГГМ характеризуются небольшим радиусом исследования, не более 12-15 см. Поэтому показания метода зависят от положения скважинного прибора относительно оси скважины, ее диаметра, плотности ПЖ, толщины глинистой корки, особенно при использовании утяжеленных баритом гематитом буровых раствором, изменения диаметров скважины.
Для уменьшения влияния указанных факторов на показания скважинный прибор прижимают к стенке скважин с помощью специальной рессоры, источник и детектор окружают экраном из тяжелого металла (W,Pb), при этом гамма-излучение от источника направляют в скважину через коллимационные каналы, сделанные в экране.
Влияние переменной толщины глинистой корки исключают путем использования двухзондового скважинного прибора. Для этого измерения проводят одновременно двумя зондами с размерами (расстояние источник-детектор) 15 и 35 см. Замеры на двух зондах позволяют определить некоторую функцию F против исследуемого пласта. Используя эталонировочную зависимость функции F от плотности, построенную по замерам на моделях пластов различной известной плотности, определяют неизвестную плотность пласта в скважине.
Детекторы гамма квантов
1. Газоразрядные детекторы (счетчики Гейгера – Мюллера).
|
|
|
Представляют собой размещенные в стеклянном цилиндрическом баллоне катод и анод. Катод выполнен в виде металлизированной внутренней поверхности стеклянного цилиндрического баллона, по оси которого натянута металлическая нить, выполняющая функцию анода, который изолирован от катода. Стеклянный баллон заполнен инертным газом (аргоном, гелием или другим) и небольшим количеством многоатомного газа или галогенов. Заполняющая стеклянный баллон газовая смесь выполняет двойную функцию:
а) Служит усилителем первоначально заряженных частиц (электронов), которые возникают при взаимодействии гамма – квантов с металлом катода.
б) Молекулы многоатомного газа управляют лавинообразно развивающимся процессом образования заряженных частиц (при столкновении с ионами основного газа детектора молекулы многоатомного газа отдают ему электроны и нейтрализуют; детектор снова готов к регистрации гамма - квантов).
Преимуществом газоразрядных счетчиков является их простота, надежность и термостойкость, а недостатком – низкая эффективность (1–2 %). Эффективность равна выраженному в процентах отношению числа зарегистрированных детектором частиц к общему числу частиц, попавших в объем детектора. Еще одним недостатком газоразрядных детекторов гамма – излучения является то, что амплитуда выходного сигнала не зависит от энергии гамма – кванта и не может быть использована для спектрометрии. Этого недостатка лишены сцинтилляционные детекторы гамма – излучения.
2. Сцинтилляционные детекторы.
Рис.4 Схема сцинтилляторного детектора.
Сцинтилляционные детекторы представляют собой работающие совместно сцинтиллятор и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ).
Регистрация гамма – квантов происходит следующим образом: попадающий в объем сцинтиллятора гамма – квант выбивает в нем заряженные частицы – электроны и позитроны. Последние, обладая энергией, сообщенной им гамма – квантом, перемещаются в прозрачном материале сцинтиллятора, возбуждая на своем пути его атомы и молекулы. Возбужденные атомы возвращаются в свое основное состояние, испуская электромагнитное излучение, спектр которого лежит частично в световом диапазоне, т.е. вспышки света (сцинтилляции). Эти вспышки с помощью фотоэлектронного умножителя преобразуются в электрический импульс, и усиливаются в 100000-1000000 раз. Амплитуда электрического импульса на выходе пропорциональна энергии γ кванта.
|
|
|
Достоинством сцинтилляционных детекторов является возможность спектрометрии гамма – излучения и высокая эффективность его регистрации – более 60%. К недостаткам относятся сильная зависимость показаний от температуры окружающей среды, высокие требования к стабильности питания и стабильности калибровки энергетической шкалы.
3. Полупроводниковые детекторы.
Работа полупроводниковых детекторов основана на формировании свободных зарядов в кристалле полупроводника, изготовленного из кремния или германия с областью, называемой p-n переходом, которая обладает большим удельным электрическим сопротивлением. При прохождении гамма – кванта через p-n переход в нем образуются электроны и позитроны, перемещающиеся соответственно к аноду и катоду. В результате формируется выходной импульс с амплитудой, пропорциональной количеству электронов и позитронов, т.е. энергии гамма - кванта.
Преимуществом полупроводникового детектора является компактность, нечувствительность к внешнему магнитному полю, небольшая потребляемая мощность питания, высокое амплитудное разрешение. Основной недостаток полупроводниковых детекторов связан с необходимостью его охлаждения жидким азотом, имеющим температуру -196ْ С. При температуре окружающей среды +18ْ С фоновый (собственный) ток детектора настолько велик, что не позволяет регистрировать более слабый электрический ток, образующийся при прохождении гамма – квантов через детектор.
Методика калибровки
Калибровка аппаратуры осуществляется аккредитованными метрологическими службами геофизического предприятия в соответствии с прилагаемой к комплекту аппаратуры инструкцией, в которой регламентированы условия, средства и операции калибровки, описана методика определения метрологических параметров аппаратуры.
Калибровка осуществляется при вводе аппаратуры в эксплуатацию и периодически один раз в квартал в процессе эксплуатации, а также после смены детектора гамма-излучения или ремонта механических узлов зондового устройства аппаратуры. Данные калибровки являются основанием для оценки качества и проведения количественной интерпретации результатов каротажа.
Сопроводительная документация на аппаратуру должна содержать сведения о первичной калибровке.
|
|
|
