Гамма и гамма-гамма каротаж

Федеральное агентство по образованию Государственное  образовательное         учреждение  высшего профессионального  образования 

«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

НЕФТЯНОЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

Кафедра «Геофизические методы исследования» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА 

На тему: Гамма и гамма-гамма каротаж

по предмету «Геофизические методы

исследования  скважин» 
 

                                       

                                        
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                                      
 
 
 
 
 

                                                       Уфа 2010 
 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение                                                                                                                 2

1. Естественная радиоактивность горных

пород.                                                                                                                  3

2. Взаимодействие гамма-квантов с

      горными породами.                                                                                          5

3. Гамма-каротаж, физические основы,

область применения, решаемые задачи.                                                         9

4. Гамма-спектрометрический каротаж.                                                         12
5. Гамма-гамма-каротаж. Модификация

метода, решаемые задачи.                                                                             13

6. Контроль качества цементирования

методом ГГК-П.                                                                                                    19

Заключение                                                                                   24                         Список используемой литературы                                                                                     25

Практическая  часть.                                                                                              
 
 
 
 

                              
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                        Введение

      Радиоактивные методы исследования  скважин по числу методов и их модификаций, объему и важности решаемых задач на всех этапах поиска, разведки, освоения, разработки и эксплуатации месторождений нефти и газа, а также контроля технического состояния скважин занимают особое положение в комплексе методов ГИС.

Это связано  с тем, что в отличие от всех других методов ГИС ряд радиоактивных  методов относится к категории  прямых методов, т.е. их показания пропорциональны содержанию того или иного определенного породообразующего элемента (С, О, Al, Si, Са, Mg, Na, К, Fe, Th, U и др.). Неслучайно аппаратуру, используемую для реализации прямых радиоактивных (ядерных) методов исследования скважин, иногда называют петрофизической лабораторией на кабеле. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.Естественная  радиоактивность   

горных  пород

       Радиоактивностью называют процесс  самопроизвольного распада ядер некоторых изотопов с испусканием α, β и γ-излучения и превращением распадающихся ядер в ядра других элементов. Большая часть естественных радиоактивных элементов образуют радиоактивные семейства, где каждый радиоактивный элемент возникает из предыдущего и затем превращается в последующий.      Радиоактивность пород обусловлена главным образом изотопами семейства урана ²³⁸U и тория ²³²Th, а также изолированного радиоактивного изотопа ⁴⁰К. Количество атомов радиоактивного изотопа N и его активность (число распадов в единицу времени) А убывают во времени экспоненциально:

   N/N₀=А/А₀=ехр(-λt)=ехр[-t ln 2/T_1/2],                   (1)

     Энергия γ-квантов естественных радиоактивных изотопов Е_γ достигает 2,6 МэВ. Число квантов на один распад ν меняется в больших пределах. Поскольку ν и Е_γ различны для разных изотопов, интенсивность γ-излучения этих изотопов при равной активности разная. Интенсивность γ-излучения вещества при ГИС характеризуют величиной радиевого γ-эквивалента, а интенсивность γ-noля— мощностью экспозиционной дозы. Отношение дозы ко времени называется мощностью дозы. Единица мощности дозы в СИ — ампер на килограмм. Удельный радиевый γ-эквивалент для U, Th и К равен соответственно 14800, 6400 и 2,8 Бк/г. Эти величины заметно меняются в зависимости от типа детектора, а также при предварительном прохождении излучения через поглощающую среду, например при измерениях γ-активности массива горных пород. Содержание радиоактивных элементов в горных породах и удельная γ-активность минералов и пород приведены в табл. (1)

     Большинство пород нефтяных и газовых месторождений обладает относительно низкой      γ-активностью, это хемогенные породы (исключая обогащенные калием), чистые (неглинистые) кварцевые пески и песчаники, обогащенные калием, битуминозные породы и карбонаты с современными процессами доломитизации, в которых возможно вместе с магнием привнесение Ra и многократное увеличение

Таблица 1

активности  породы. Высокая активность характерна также для калиевых солей, глин, средняя активность у глинистых разностей песчано-алевритовых пород, мергелей, глинистых известняков и доломитов.

       
 

2.Взаимодействие гамма - квантов с

горными породами

      При прохождении потока гамма  – квантов сквозь среду, в  зависимости от их энергии,  протекают те или иные процессы  взаимодействия. Одной из величин,  характеризующей эти процессы  является полное сечение взаимодействия - μ^∑, которая имеет смысл полной вероятности протекания какого  - либо процесса и является суммой вероятностей (макроскопических сечений) каждого процесса в отдельности.

      Фотоэлектрическое поглощение. Фотоэффект  на К – электронах происходит при энергиях, соизмеримых с энергиями связи электронов с ядром. При этом гамма – квант передаёт свою энергию электрону. Это можно описать формулой: 
                                      Е_i = E_γ – W_i                                                                     (2) 
где: W_i  - энергия связи электрона на i – орбитали.

После этого место, освободившееся за счёт вылета электрона занимается электроном с более дальней орбитали, с испусканием характерного для данного элемента квантом характеристического излучения (рис.1–а). Вероятность протекания фотоэффекта зависит от энергии гамма – кванта и порядкового номера элемента или эффективного порядкового номера полиэлементной среды. Первая составляющая для каждого элемента своя, зависит от величин

энергий связи (рис 1 – б).  Рис.1

Вторая  составляющая очевидна из формулы:

                 τ_ф^микр = const Z⁵ (m_е c² / E_γ)                         (3)

Формула  (3) описывает вероятность фотоэффекта на К - электронах и при энергии больше энергии связи. При Е < 0,1 МэВ для большинства элементов фотоэффект резко доминирующий. Для атома фотоэффект не является законченным процессом, так как при удалении электрона с орбитали атом переходит в возбуждённое состояние.                                                                                                             

      Рассеяние  гамма – квантов. Строго говоря, в широком спектре излучения наблюдается два вида рассеяния: рассеяние на свободных электронах (некогерентное) и на связанных электронах (когерентное).

      Некогерентное (Комптоновское рассеяние).

Энергия гамма – кванта намного превышает  энергию связи. Орбитальные электроны  в данном случае можно считать  покоящимся или свободным. В акте взаимодействия квант передаёт электрону  часть своей энергии и вылетает с изменением своей первоначальной траектории. Количественно это можно  описать:

                         E_γ^* = E_γ / (1+ [ E_γ / (m_ec²)]*(1-cos θ));                                     (4)

Векторно этот процесса можно проиллюстрировать (рис 2 - а.)

       Как видно из рисунка, гамма  – квант после взаимодействия  отклоняется на некоторый угол  φ, численно описываемый:

                          tg φ = [1 / (1 + ω)] ctg (θ / 2)                                                    (5)

      С разной долей вероятности,  углы рассеяния лежат в 4π  – области. Вероятность рассеяния  на определённый угол зависит  от энергии гамма –кванта до взаимодействия. С ростом энергии вероятность обратного рассеяния уменьшается. Дифференциальное сечение Комптон – эффекта на электроне dσ_e / dΩ, отнесённое к единице телесного угла, описывается формулой Клейна – Нишины – Тамма:

dσ_к^микр / dΩ = [r_e² / 2] *[(1+cos²θ) / (1+ω(1-cos θ))²] * {1+[ω²(1- cosθ)² / 

   [(1 +cos²θ)(1+ω(1 – cosθ))]}                                                                            (6)

       Из формулы (6) видно, что при рассеянии под малыми углами потери энергии минимальны. С увеличением угла θ энергия рассеяния уменьшается и принимает минимальное значение при рассеянии назад. Полное сечение 

Рис.2

комптоновского  взаимодействия  с изменением энергии  падающего кванта меняется незначительно, плавно уменьшаясь с увеличением  энергии. В энергетическом окне 0,01 – 3 МэВ плавно падает от ≈ 0,6 до ≈ 0,12 Барн.

       В процессе комптоновского взаимодействия  гамма – квант передаёт электрону  часть своей энергии, но не  исчезает. Гамма – квант взаимодействуя с электроном поменяет свою траекторию и, тем самым, удалится из пучка, причем эти удаления будут тем чаще, чем больше рассеяний на единицу длинны пучка, что соответствует плотности вещества.