Гамма-гамма каротаж плотностной

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уральский государственный горный университет»

Факультет геологии и геофизики

Кафедра геофизики

Курсовая работа

на тему: «Гамма-гамма каротаж плотностной»

Студент: Усенко А.П.

Руководитель работы: Блинкова Н.В.

Екатеринбург 2012



Оглавление

Введение

История развития метода

Гамма-гамма методы

Плотностной вариант гамма-гамма метода

Плотностной гамма-гамма каротаж (ГГК П)

Заключение

Литература



Введение

Используется в практике геологоразведочных работ в нефтяной, угольной и рудной геофизике для получения сведений о плотности горных пород по оси скважины. Сущность метода ГГК-П заключается в регистрации вдоль оси геологической скважины интенсивности рассеянного г-излучения, образующегося за счет первичных г-лучей точечного источника, находящегося на расстоянии l (длина зонда) от детектора г-квантов.



История развития метода

Метод радиоактивного каротажа, основанный на измерении интенсивности рассеянного излучения источника г-квантов, называют гамма-гамма-каротаж (ГГК). радиоактивный каротаж гамма излучение

В основу метода ГГК положено известное положение атомной физики о пропорциональности количества электронов, рассеивающих г-излучение в единице объема вещества, его плотности.

Первые заметки об этом методе появились в 1949 г. Позже Фаул и Титтл, а также Буш провели экспериментальные работы по исследованию скважин методом ГГК.

В СССР первые сведения по этому методу относятся к 1951 г. (исследования А. А. Коржева во ВНИИ Геофизике и др.).

В нефтяной промышленности метод ГГК начали применять для изучения геологических разрезов скважин и определения пористости пород.

Для уменьшения влияния факторов от скважины во ВНИИ Геофизике был сконструирован прибор, в котором счетчик г-излучения помещается в свинцовом экране и прижимается пружиной к стенке скважины.

Первая попытка выяснения пространственного распределения интенсивности рассеянного излучения источника гамма-квантов в условиях скважин была сделана И. Г. Дядькиным, который воспользовался для этой цели теорией диффузии. Однако применимость теории диффузии к расчету распределения интенсивности рассеянного гамма-излучения вызывает сомнения в связи с тем, что в данном случае длина свободного пробега является быстроменяющейся функцией энергии излучения, а число актов рассеяния, в результате которых гамма-кванты уменьшают свою энергию, невелико; так, например, как отмечает И. Г. Дядькин, для уменьшения энергии гамма-кванта от 1 Мэв до 0,1 Мэв требуется всего 5 актов рассеяния.

В 1955 г. геофизиками ГГИ УФАН (Г. М. Воскобойников и др.) плотностной вариант г-г- каротажа был впервые опробован при разведке угольных месторождений на Урале. Быстрое в дальнейшем распространение метода на угольных месторождениях объясняется сочетанием благоприятных физических предпосылок с ясно выраженной производственной потребностью.

Гамма-гамма методы

Метод радиоактивного каротажа, основанный на измерении интенсивности рассеянного излучения источника гамма-квантов с целью определения плотности горных пород, пересеченных скважиной, получил название гамма-гамма-каротажа (ГГК).

Метод ГГК основан на пропорциональности количества электронов, рассеивающих гамма-излучение в единице объема вещества, его плотности.

Теория метода ГГК должна дать ответ на следующие основные вопросы:

а) зависимость интенсивности рассеянного гамма-излучения от плотности облучаемой породы;

б) зависимость интенсивности этого излучения от длины зонда (расстояния между индикатором и источником гамма-квантов)

Для решения этих вопросов необходимо, хотя бы в первом приближении, исследовать взаимодействие излучения с веществом наблюдаемое при ГГК.

При проведении ГГК на показание индикатора гамма-квантов будет оказывать действие естественное излучение горных пород, и излучение, обусловленное источником гамма-квантов; последнее в свою очередь состоит из трех составных частей:

а) излучение, проникающее по глубинному прибору (прямое и рассеянное);

б) излучение, проникающее по скважине (рассеянное);

в) излучение, рассеиваемое горными породами.

Интенсивность естественного гамма-излучения можно либо вычесть из суммарной интенсивности по данным гамма-каротажа (ГК), либо вообще не учитывать, используя источники гамма-квантов настолько большой мощности, чтобы естественным гамма-излучением можно было пренебречь.

Из интересующего нас излучения первая часть при постоянной мощности источника (что на практике осуществляется применением источников гамма-квантов с относительно большим периодом полураспада) целиком обусловлена конструкцией глубинного прибора ГГК и в процессе замеров будет оставаться постоянной. Количество гамма-квантов второй части будет зависеть целиком от диаметра скважины и ее заполнения воздухом или буровым раствором. Для выяснения закономерностей метода ГГК необходимо исследовать вопрос об изменении интенсивности излучения, рассеиваемого горными породами, и о влиянии рассеивающего действия заполнителя скважины и изменения ее диаметра.

Гамма-гамма методы получили широкое распространение в практике геологоразведочных работ как в полевом (наземном, шпуровом), так и в скважинном вариантах. Различают следующие основные методы, входящие в группу г - г -методов:

- гамма-гамма-метод в плотностном варианте (ГГМ-П);

- гамма-гамма-метод в селективном варианте (ГГМ-С);

- гамма-абсорбционный метод (ГГМ-А);

- гамма-резонансный метод (метод ядерного г -резонанса - ЯГМ)

Плотностной вариант гамма-гамма метода

Основан на эффекте Комптона и заключается в регистрации интенсивности рассеянного г -излучения в изучаемой среде при ее облучении источником первичных г -лучей. Существует ряд разновидностей ГГМ-П

ГГМ-П в геометрии коллимированного пучка г-лучей. Используется для «просвечивания» образцов горных пород в лабораторных условиях с целью экспрессной оценки их плотности. Образцами могут быть пробы грунтов, сыпучие материалы, жидкости и т. п.

Плотность исследуемых образцов определяют через функцию пропускания г- лучей Т(х), энергия которых должна быть такова, чтобы при их переносе превалировало рассеяние над поглощением, т. е. чтобы соблюдалось неравенство у'_к >> у'_ф + у'_п (у'_к, у'_ф, у'_п- линейные коэффициенты комптоновского рассеяния, фотопоглощения и образования электрон- позитронных пар соответственно). С этой целью используются г - излучатели с энергиями первичных квантов более 300 кэВ (обычно Сs¹³⁷ - 662 кэВ или Со⁶⁰ - 1170 и 1330 кэВ). Имея в виду закон ослабления монохроматического пучка г - лучей, запишем:

с=- 1/µx-lnТ(х),

где µ - массовый коэффициент ослабления µ-лучей, который при энергии квантов Ег > 300 кэВ практически не зависит от атомного номера среды.

ГГМ-П в геометрии широкого пучка г - лучей. Используется в инженерной геологии для экспрессной оценки плотности грунтов или почв. Для этих целей применяются специальные устройства (зонды).

ГГМ-П в геометрии рассеяния г - лучей. Широко используется для определения плотности природных сред в полевых условиях на поверхности (2р-геометрия) и в скважинах. В условиях контактной геометрии измерений и широкого пучка плотность потока рассеянного излучения N' в первом приближении описывается следующим соотношением:

N'/N = сехр(-AµсR),

где R - расстояние между источником и детектором;

А - коэф. пропорц.

Зависимость имеет инверсионный характер, поскольку в предельных случаях (R - 0 и R - ) величина отношения N'/N стремится к нулю. Можно показать, что длина инверсионного зонда близка к длине свободного пробега г-квантов в среде их переноса при условии непосредственного контакта зонда с поверхностью среды, т. е. R_инв = 1/(сµ).

Плотностной гамма-гамма каротаж (ГГК-П)

Используется в практике геологоразведочных работ в нефтяной, угольной и рудной геофизике для получения сведений о плотности горных пород по оси скважины. Сущность метода ГГК-П заключается в регистрации вдоль оси геологической скважины интенсивности рассеянного г-излучения, образующегося за счет первичных г-лучей точечного источника, находящегося на расстоянии l (длина зонда) от детектора г-квантов.

Аппаратура ГГК устроена так же, как и аппаратура ГК, но скважинный снаряд дополняется источником г-квантов. В сущности прибор регистрирует интенсивность рассеянного г-излучения, образующихся за счет первичных г-лучей точечного источника. Расстояние между центрами детектора и источника называется длиной зонда. Чтобы прямое г-излучение источника не попадало на детектор, между ними помещают свинцовый экран.

Из рисунка видно, что детектор, расположенный в точке М, будет регистрировать одно- и многократно рассеянные кванты, поскольку прямое излучение поглощается свинцовым экраном Э. Поскольку вероятность комптоновского рассеяния на единице пути линейно связана с плотностью среды переноса г-квантов, то аппаратурный параметр при перемещении зондового устройства по оси скважины должен отражать распределение плотности горных пород, пройденных в процессе бурения.

Поскольку рассеянное излучение имеет более низкую энергию, чем прямое, то для уменьшения его поглощения в буровом растворе детектор г-квантов так же, как и источник, прижимают к стенке скважины. Для уменьшения влияния кавернозности скважин и детектор, и источник могут быть размещены в небольшом выносном блоке, прижимаемом к стенке скважины и способном заходить в каверны.

Основные количественные зависимости. В связи со сложностью описания процесса многократного рассеяния г-квантов в природных средах теоретическое обоснование -г-измерений в скважинах встречает серьезные математические трудности. Полную картину пространственно-энергетического распределения рассеянных квантов вокруг источника первичного излучения, находящегося в 4р-среде с учетом реальных границ раздела, можно получить, например, с помощью метода статистических испытаний (метод Монте-Карло), который позволяет прослеживать историю каждого г-кванта в среде переноса от момента его возникновения (испускания источником) до фотопоглощения. Однако ряд вопросов, необходимых для практического использования ГГК-П, был выяснен с помощью более простых методов решения, в частности, на основе диффузионного приближения и приближения однократного рассеяния.

В случае однородной безграничной среды функция распределения г- квантов для точечного источника может быть найдена путем решения стационарного дифференциального уравнения диффузии:



DДn-n/ф=0,

где n - плотность потока г-излучения;

ф - среднее время жизни г-квантов данной энергии;

D - коэффициент диффузии.

В однородной среде для сферической системы координат (случай радиальной симметрии) уравнение записывается следующим образом:

Уравнение подобного типа обычно решается с помощью введения новой переменной u=nr, преобразующей в формулу следующего вида:

Решение относительно функции n(r) выглядит следующим образом:

n(r)=L)

где Q - мощность источника;

L - длина диффузии г-квантов.

На небольших расстояниях от источника г-лучей диффузионное приближение неприменимо. В этом случае используются закономерности однократно, рассеянного г-излучения, вносящего в ближней к источнику зоне основной вклад в общее распределение рассеянных г-квантов.



На рис. приведены расчетные зависимости интенсивности рассеянного г-излучения от плотности среды для зондов 10 и 30 см. Из графика видно, что для интервала плотности 2,5-4,0 г/см³ функция Iгг = f(с) в полулогарифмическом масштабе близка к линейной. Кроме того, при увеличении длины зонда повышается чувствительность метода к изменению плотности.

На практике длину зонда выбирают возможно большего размера, но так, чтобы обеспечивалась необходимая статистическая точность при регистрации рассеянного г-излучения, величина которого должна как минимум в несколько раз превышать естественный г-фон. С увеличением мощности источника г-излучения указанные условия обеспечиваются при больших длинах зондов, однако активность источника ограничивается санитарными правилами и обычно не превышает 10 мКи. При этом длина зонда устанавливается в пределах 30-50 см.

В практике геологоразведочных работ ГГК-П нашел применение при поисках и разведке нефтяных, угольных и рудных месторождений.

В нефтяной геофизике метод ГГК-П используется для уточнения литологического разреза по скважинам (через плотность) и для оценки коэффициента пористости. Большое значение имеет принципиальная возможность выявления с помощью ГГК-П в карбонатной толще доломитовых разностей из-за различия их по плотностям. Однако наибольшую ценность метода связывают с возможностью оценки пористости пород, основанной на связи плотности пород с коэффициентом пористости K_П:

с=К_пс_ж +(1-К_п) с_ск,

где с_ск - минеральная плотность горной породы;

с_ж - плотность флюида (газа, воды, нефти), заполняющего поровое пространство.

Определив с помощью эталонной зависимости I_гг = f(с) плотность породы, можно затем рассчитать и искомое значение пористости:

К_п =

Величина с_ск для литологически однородных пород в пределах одного геологического разреза достаточно устойчива. Плотность флюида, насыщающего поровое пространство в ближней к скважине зоне, мало отличается от единицы, поскольку он связан с фильтратом бурового раствора.

ГГК-П при разведке угольных месторождений. В 1955 г. геофизиками ГГИ УФАН (Г. М. Воскобойников и др.) плотностной вариант г-г- каротажа был впервые опробован при разведке угольных месторождений на Урале. Быстрое в дальнейшем распространение метода на угольных месторождениях объясняется сочетанием благоприятных физических предпосылок с ясно выраженной производственной потребностью.

Без учета влияния скважины интенсивность рассеянного излучения может быть выражена следующей формулой:

l_гг =A сехр(µсl)

где А - некоторая постоянная величина;

Q - мощность источника г-излучения;

l - длина зонда;

с - плотность среды.

Из формулы видно, что функция I имеет сложный характер, и существует такой зонд, при котором интенсивность рассеянного излучения будет максимальна. Решая задачу на экстремум, можно получить длину инверсного зонда l_инв = (сµ)^-1. Применительно к источнику Сo⁶⁰ (µ = 0,06 см²/г) сl_инв = 16,7 г/см². При зондах l > l_инв угольные пласты выделяются на диаграммах ГГК положительными аномалиями, а для малых зондов (l < l_инв) зависимость будет обратной. Поскольку каверны в скважинах дают эффект, аналогичный углям, ГГК-П приходится комплексировать с кавернометрией и электрокаротажем. Следует учитывать и аномалии естественной радиоактивности.

Практически ГГК-П производится большими зондами (30-40 см). Среди разных конструкций каротажных зондов ГГК-П различают 2р-зонд и коллимированный зонд.

При измерениях 2р-зондом длину зонда обычно устанавливают равной нескольким длинам свободного пробега г-квантов источника в среде. В этом случае детектор регистрирует многократно рассеянные кванты. В коллимированном зонде благодаря выбранной геометрии преимущественный вклад в регистрируемый поток вносят однократно рассеянные кванты.

Спектры рассеянного г-излучения. На рис. представлены спектры рассеянного г-излучения для 2р-зонда (Сs¹³⁷) и коллимированного зонда (Аm²⁴¹)- Гамма-спектр 2р-зонда, представляющий распределение многократно рассеянных квантов, имеет форму широкого максимума, сформированного конкурирующим действием двух процессов: накопления г-квантов малых энергий за счет комптоновского рассеяния и их фотопоглощения. С ростом эффективного атомного номера среды (Z1<Z2<Z3) интегральная интенсивность рассеянного г-излучения быстро падает, а максимум, который в силикатной среде (Z=12) наблюдается вблизи 100 кэВ, смещается в сторону более высоких энергий. Смещение максимума вызвано увеличением вероятности фотопоглощения квантов с ростом Z. Спектры 2р-зондов при другой энергии источника (например Сo⁶⁰)отличаются от рассмотренных только вкладом жесткой компоненты.

Относительное спектральное распределение многократно рассеянных г-квантов в низкоэнергетической части спектров при том же составе среды практически не зависит ни от первичной энергии источника, ни от длины зонда. Это распределение может быть осложнено лишь флуоресцентным рентгеновским излучением. Флуоресценция не проявляется из-за малой энергии характеристического излучения железа (~6 кэВ), которое полностью поглощается корпусом каротажного снаряда. Пик флуоресценции, полученном в скважине с Рb-рудой.

Спектры рассеянного излучения для коллимированного зонда ГГК-П получены на углях с разной зольностью и алевролите (источник 95Аm²⁴¹ - 60 кэВ). Коллиматоры источника и детектора расположены под углом 45° (следовательно, угол рассеяния и = 90°). Максимум рассеянного излучения с энергией около 52 кэВ в данном случае обусловлен однократным рассеянием, что хорошо согласуется с формулой Комптона:

E'=

Вклад многократного рассеяния в данном случае невелик, и его выделить не удается, поскольку он сливается с основным фотопиком. Дополнительный максимум в области 23 кэВ представляет собой «пик вылета», или «пик потерь», который обусловлен неполным поглощением характеристического рентгеновского излучения вещества детектора (29 кэВ) в тонком монокристалле NaI(TI) при облучении потоком однократно рассеянных квантов с энергией 52 кэВ. Энергия пика вылета определяется разностью энергий падающих и покидающих детекторов квантов (52-29=23 кэВ).



Заключение

На основании произведенных исследований по распределению интенсивности однократно многократно рассеянного гамма-излучения в горных породах можно сделать ряд выводов, именно:

1. Доля многократно рассеянного гамма-излучения по сравнению с однократно рассеянным излучением при взаимодействии с горной породой плотности 2 -г- 3 г/см3 составляет 59 4- 35% (при использовании дюралюминиевого корпуса прибора с толщиной стенок 1 см) и 26 -т- 28% (при использовании стального корпуса прибора с толщиной стенок 1 см). Поэтому расчеты по учету однократно рассеянного гамма-излучения в первом приближении можно использовать с целью выяснения отдельных закономерностей, имеющих место при взаимодействии гамма-излучения с горными породами в скважинах.

2. Применение стального корпуса прибора с толщиной стенок 1 см приводит к тому, что гамма-излучение, рассеиваемое горными породами с энергией в среднем от 0,08 Мэв и ниже будет практически полностью поглощаться его стенками, поэтому при исследовании взаимодействия гамма-излучения с породой в этом случае можно ограничиваться учетом только одного комптон-эффекта. В случае же применения дюралюминиевого корпуса прибора с толщиной стенок 1 см и меньше, а также стальных корпусов с толщиной стенок менее 1 см при исследовании взаимодействия излучения с горной породой в скважине уже необходимо учитывать помимо комптон-эффекта также и фотоэффект.

3. Гамма-излучение кобальтового источника гамма-квантов при взаимодействии с горной породой плотности 2 4- 3 г/см3, прежде чем достичь индикатора, испытывает в среднем 10 - 8 тактов рассеяния в случае применения дюралюминиевого корпуса прибора с толщиной стенок 1 см и 8 - 6 в случае применения стального корпуса прибора с толщиной стенок 1 см.

4. Глубинность исследования породы в скважинах методом ГГК не превышает нескольких сантиметров.

5. Увеличение энергии источника гамма-квантов приводит к увеличению глубинности исследования породы, поэтому в качестве источника гамма-излучения из числа доступных изотопов необходимо использовать кобальт-60.

6. Увеличение длины зонда приводит к возрастанию зависимости интенсивности рассеянного гамма-излучения от плотности породы.

7. Применение дюралюминиевого корпуса прибора по сравнению со стальным, а также уменьшение толщины стенок корпусов глубинных приборов приводит к увеличению зависимости интенсивности рассеянного гамма-излучения от плотности породы.

8. Увеличение эффективности счетчиков гамма-квантов приводит к незначительному возрастанию зависимости интенсивности рассеянного гамма-излучения от плотности породы.

9. Па показания метода ГГК в сильной степени влияет излучение, рассеиваемое буровым раствором, поэтому при исследовании скважин методом ГГК индикатор гамма-квантов необходимо защищать от этого излучения.

11. Применение описанного мною метода вычисления интенсивности многократно рассеянного гамма-излучения может быть использовано при решении других задач, касающихся взаимодействия гамма-излучения с веществом. Например, при расчетах средств защиты от гамма-излучения как монохроматических, так и немонохроматических источников излучения и т. д.



Список литературы

1. Возжеников Г.С., Белышев Ю.Б. «Радиометрия и ядерная геофизика» - издание четвертое, исправленное, дополненное - Екатеринбург: издательство УГГУ 2011. - 418 с.

2. Дахнов В.Н. «Интерпретация результатов геофизических исследований разрезов скважин» - издание второе, переработанное. - Москва: Недра, 1982. - 448 с.

3. Сковородников И.Г. «Геофизические исследования скважин»: Курс лекций. - Екатеринбург: УГГУ, 2003. - 294 с.

Размещено на Allbest.ru