Физические предпосылки метода

3.1. Физические предпосылки метода.

Физическая сторона метода основывается на фотоэлектрическом поглощении гамма – квантов К – электронами (далее - фотоэффект). Сам процесс рассмотрен в главе 1. Из представленной физической сущности фотоэффекта очевидно, что сечение фотоэффекта прямо пропорционально Z⁵ (в некоторой литературе [1] – Z⁴). С другой стороны – кусочно от отношения энергии электрона к энергии гамма – кванта (термин «кусочно» объясняется законом τ = f (E _γ), приведённом графически на рис 2 – б. Для микроскопического сечения формула выглядит:

τ_ф^микр = const Z⁵ ( m_e c² / E_n) (3.1)

Е_y^{к кр} зависит от элемента, у тяжёлых элементов с большим Z она выше. По группам пород Z_эф распределён следующим образом: 6,3 – 6,5 для каменного угля, до нескольких десятков для тяжёлых соединения – барит – 45,6. Для галенита – 77,6. В осадочных породах от 11,5 до 15,5, у воды – 7,5.[2]

Из формулы макроскопического сечения фотоэффекта [1.2*] видно, что кроме микроскопического сечения оно прямо зависит также от плотности. Для устранения неустойчивости (третье условие Адамара) необходимо аппаратно – методически устранить эту зависимость. Это осуществляется применением инверсионных зондов, двойных, двухлучевых и каплевидных, описание зондов ниже. Здесь отмечу, что также, как и при ГГКп необходимо априори знать интервал разброса значений плотностей в разрезе, чтобы корректно выбрать длину зонда, с тем, чтобы значения ρ_i×L принадлежали области инверсии.

Исключив, таким образом влияния плотности на макроскопическое сечения, можно утверждать, что вероятность поглощения гамма – кванта, с коррекцией на его энергию будет однозначно зависеть от Z_эф. Полевые измерения реализуются в измерении скорости счёта гамма – квантов, пришедших на детектор в инверсионной области, где скорость счёта или интенсивность J_yy функционально зависят от Z_эф среды, характер зависимости обратно пропорциональный, но осреднённому по объёму области, в котором существует поле. Функциональная связь обусловлена тем, что чем выше Z_эф (при одинаковой энергии) тем вероятнее захват гамма - кванта и ,таким образом, его «неприход» на детектор. Отмечу, что эта область осреднения не ограничивается дальней границей инверсии, так как на этих энергиях ощутимо вероятны отражения назад (рис 5).

3.2 Аппаратура селективной модификации. [2]

 Облучение исследуемой среды гамма - квантами и регистрация рассеянного гамма - излучения осуществляют с помощью зондовых устройств скважинного прибора. Зондовое устройство включает в себя источник излучения, детектор и экраны. В прижимных зондах источник и детектор помещены в экраны из тяжелого вещества (свинец, вольфрам) с ориентирован­ными коллиматорами (апертура раскрытия 20—70°), контактирующими со стенкой скважины (рис. 8). В зондах без принудительного при­жатия к стенке скважины или центрированных коллимации нет, а есть только экран между источником и детектором или имеется «кру­говая» коллимация (апертура раскрытия 360°). Прижимные зонды обычно используют в скважинах, заполненных водой или промывочной жидкостью, а зонды без прижатия или центрированные — в сухих скважинах.

В табл. приведены источники гамма - квантов, которые рекомендуется ис­пользовать при СГГК.[2]

Источники гамма - квантов для СГГК

Полезные ископаемые Z_эф Источники

Угли, вода, борное сырье и др. 6—12 ^l09Cd, ¹⁴C, ³⁵S, ^l70Tm

Руды Al, Ti, Fe, Cr, Ni, Cu 12—30 ⁷⁵Se, "Co, ^24lAm, ^l39Ba

 Руды Ba, Pb, Sb, Hg, Sm, W, Mo 20—50 ⁷⁵Se, ^l33Ba, ¹³⁷Cs и др.

Количественные определения Z_эф пород и руд осуществляют на осно­ве эталонирования аппаратуры СГГК в средах с известными значениями этого параметра и установления зависимостей.

Характеристическое излучение тяжелых элементов (Pb, W, Hg и др.), вхо­дящих в состав пород и руд в заметных количествах, вносит вклад в регистрируемую интенсивность I_y и ошибку в определение Z_эф. Поэто­му энергетический порог регистрации I_пор  должен быть установлен на уровне края поглощения гамма - квантов самого тяжелого элемента, вхо­дящего в заметных количествах (более 0,1%) в состав породы и руды.

Переменная плотность пород и руд оказывает влияние на величину I_y. Для ослабления или исключения влияния р„ на показания СГГК применяют инверсионные, двойные, двухлучевые и каплевидные зонды.

Рис 6. Зонды СГГК. а — двойной, б - двухлучевой. в — каплевидный; 1 — детектор; 2 — источник; 3 — экран; z, z₁, г₂ — длина зонда; x₁, х₂ — углы кол­лимации

Во всех этих устройствах способ уменьшения влияния ρ основан на различном использовании инверсии. Инверсионный зонд имеет один источник и детектор, расстояние между ними выбирается из соотношения  z = (p_п μ_m)^-1

Для плотностей 2,5—3,5 г/см³, источника ⁷⁵Sе, диапазона Z_эф = 12 - 22 длина инверсионного зонда находится приблизительно в пре­делах 2—5 см. Инверсионный зонд позволяет уменьшать влияние р„ на показания СГГК в небольшом диапазоне ее изменения.

В основу двойных и двухлучевых зондов положен одинаковый принцип, базирующийся на сходном характере поведения I_y в зависимо­сти как от длины зонда, так и от угла коллимации излучения источника. В этих устройствах, в отличие от инверсионного зонда, используют до - и заинверсионную области зависимости I_y (ρ_п). Если в доинверсионной области выбрать зонд z₁ (в двойном зонде, рис. 6 - а) или коллима­ционный угол x₁ (в двухлучевом зонде, рис.6 - б), а в заинверсионной области – z₂ и x₂ таким образом, чтобы величина I_y в первом случае возрастала с ростом ρ, а во втором — уменьшалась на одина­ковую величину, то, регистрируя сумму I_y, можно устранить влияние ρ. В двойном зонде это осуществляется подбором соотношения актив­ностей двух источников и их расстояний z₁ и z₂ до детектора. В двух­лучевом зонде этого достигают подбором диаметров и углов наклона коллимационных каналов излучения источника, а также некоторым из­менением z.

Каплевидные зонды предусматривают одновременное использование доинверсионной, инверсионной и заинверсионной областей зависимости I_y (ρ_п). Это достигается щелевой формой коллиматора излучения источ­ника, с помощью которого осуществляется непрерывный переход от малых углов коллимации к большим, что соответствует непрерывному переходу от доинверсионной к заинверсионной зависимости I_y (ρ_п). Каплевидные зонды позволяют исключать мешающее влияние ρ на СГТК в широком диапазоне изменения плотности среды.

При использовании спектрометров и источников жесткого гамма - излучения (¹³⁷Cs, ^б0Со) можно регистрировать одновременно I_y в областях энергий ниже и выше 200 кэВ и на основе этих измерений учитывать влияние ρ на СГГК.

На показания СГГК влияют такие факторы, как влажность, текстура пород и руд, скважинные условия измерений. Влияние этих факторов исследуют на эталонных средах и в хорошо изученных (эталонных, опорных) скважинах. По результатам измерений строят соответствующие палетки: для пород и руд различных влажности, тексту­ры, кавернозности и диаметров скважин, которые затем используют для введения поправок при определении Z_эф.

При изменении влажности пород и руд на 10% и более определяется влажность независимым методом (ННК, анализ керна) и вводится соответствующая поправка. Для каждой текстурной особенности пород и руд строится эталонировочный график. Влияние скважинных условий измерений (кавернозность, переменный диаметр скважин) сильно иска­жает данные СГГК в заполненных жидкостью скважинах.

Заключение.

Плотностная модификация ГГК. Что касается области применения, то метод входит в стандартные комплексы исследований нефтегазовых и угольных месторождений. Как один из основных решает задачи литологического расчленения разрезов скважин, данные используются при построении сейсмоакустических моделей. Реализуется на рудных месторождениях.

Селективная модификация ГГК. Метод хорошо работает на рудных скважинах, как основной ставится на угольных месторождениях. Позволяет определять зольность углей, а в комплексе с КС определять марку углей (способ Гречухина). На диаграмме 7 по определённой зольности и истинному сопротивлению угля противопоставлена его марка.

Диаграмма 7.

Каротаж Z_эф при соответствующим геолого – минералогическим обоснованием позволяет оценить содержание рудного минерала по статистической связи значения Z_эф и его концентрации.

Список литературы.

1. Новиков Г. Ф. Радиометрическая разведка. Учебник для ВУЗов.- Л.: Недра, 1989.

2. Скважинная ядерная геофизика. Справочник геофизика. – М.: Недра, 1990.

3. Знаменский В. В., Жданов М. С. и др. Геофизические методы разведки и исследования скважин. – М.: Недра, 1991.

4.Мейер В. А. Основы ядерной геофизики. Л.: Из – во Ленинградского гос. Университета. 1985.

5. Вахромеев Г. С., Ерофеев Л. Я. Петрофизика. Учебник для ВУЗов. – Томск: Из – во Томского унив – та. 1997.