Гамма-гамма-каротаж

    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 = J₀ exp ( - 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) J₀ exp ( - 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.

    Как было показано в главе 1, рис 3 - б при  рассеянии гамма – кванты меняют свою первоначальную траекторию на некоторый угол θ, с вероятностью, зависящей от энергии. В интервале рабочих энергий углы рассеяния лежат в области 2π, причем отражения на угол более 90 становятся вероятнее с снижением энергии, таким образом накапливаются. Распределение плотности гамма – квантов зависит от двух параметров  - плотности и расстояния от источника.

      Существует окно значений, в котором  изменения ρ * r не ведёт к изменению плотности гамма – квантов, эту область называют инверсионной. Она образуется из – за возврата гамма – квантов. Она представляет в однородной, изотропной среде область, ограниченную сферами, радиусы которых зависят от плотности изменяются с её изменением, т. е. эта область сужается в среде с большей плотностью и наоборот. Совершенно понятно, что данные, полученные из инверсионной области для данной модификации некондиционны. Поэтому перед проведением каротажа плотностей необходимо априори иметь представление об величинах плотностей в разрезе для корректного выбора типоразмера зонда. При бурении скважин стенки скважины и около скважинное пространство испытывают различные измерения, обусловленные размывами, обрушениями, сальниками, проникновением бурового раствора, воздействием ПРИ.  Это главная и безусловная помеха. Данные, полученные из доинверсионной области будут характеризовать плотность близ стеночного пространства, с искажённой плотностью. Поэтому, для повышения глубинности снятия информации используются заинверсионные зонды.

 

    Зонды и аппаратура

      Для плотностной модификации  ГГК применяют  зонды различного  аппаратно – технологического  решения, но объединённые одной характеристикой – длинной зонда, т. е. расстоянием между приёмником и источником.

    От  длины зонда зависит относительная  интенсивность регистрируемых гамма  – квантов, рис 4. Из этих графиков видно, что по мере роста длинны зонда  при одинаковых значениях плотности, различия в скорости счета то же увеличивается. Т. о. разрешающая способность растёт по мере увеличения длинны зонда.

      

    Для экранированного от скважины прибора относительная дифференциация, за которую принято отношение показаний I против пласта с плотностью 2 или 2,325 г/см³  к значению J₀  в пласте с плотностью 2,65 г/см³, растет с увеличением длины зонда z. Из сопоставления I / I₀ и I₂ /  I₀ следует, что зависимость Ln(I / I₀) = f(ρ) близка к линейной при z> 20 см