30 Вопрос

Спектрометрическая модификация ГК

Гамма-каротаж спектрометрический (СГК) позволяет получить сведения о раздельном содержании в разрезе урана, тория и калия. Эта информация представляет интерес при оценке равновесных урано-ториевых руд, расчленении и корреляции немых толщ, при поисках и разведке месторождений бокситов, фосфоритов, редких земель и золота, где уран и торий накапливаются вместе с основными элементами и играют роль геохими-

ческих индикаторов.

Важную роль СГК может играть при поисках и разведке нефтегазовых месторождений. Он позволяет оценить глинистость полимиктовых отложений, идентифицировать коллек-

торы, сложенные моноцитовыми и глауконитовыми песчаниками, которые по интегральному ГК часто ошибочно относят к сильно глинистым разностям, отличить глинистые карбонаты от карбонатов, радиоактивность которых обусловлена битуминозностью, определить минеральный состав глин, количественно оценить глинистость и параметры коллекторов, фильтрационноемкостные свойства которых зависят от типа и степени глинистости.

Современная скважинная -спектрометрическая аппаратура имеет как правило четыре канала: три — дифференциальные, один — интегральный. Дифференциальный i-й канал предназначен для регистрации излучений от j-го ЕРЭ, интегральный — для регистрации суммарного излучения (аналог интегрального ГК). Обычно принимают для калия i=l, j=1, для урана i = 2, j = 2, для тория i = 3, j = 3.

Из сказанного следует, что для каждого дифференциального канала должно выполняться условие i=j. На практике, однако, в i-и канал наряду с нерассеянным -излучением ЕРЭ,

для которого i = j, попадает некоторое количество претерпевших рассеяние и потерявших при этом часть энергии квантов, излученных ЕРЭ с j>i. К аналогичному явлению приводит недостаточное энергетическое разрешение сцинтилляционных детекторов. В результате излучение тория влияет на показания уранового и калиевого каналов, а излучение урана — на показания калиевого и ториевого. В этой связи вводят коэффициенты концентрационной чувствительности Сij характеризующие

влияние j-го излучателя на i-й канал.

Для однородной среды показания I1, I2, I3, дифференциальных каналов связаны с удельными массовыми концентрациями q1, q2, q3, соответственно калия, урана и тория очевидными соотношениями:

Коэффициенты Cij находят путем поочередных измерений в трех эталонных средах, для одной из которых q1 известно, а q2~q3~0, для другой q2 известно, a q1~q3~O, для третьей q3известно, a q1~q2~0. Удельные массовые концентрации для исследуемых пластов при известных значениях коэффициентов определяют, решая систему, представленную выше

Для определения концентрации ЕРЭ в пласте, являющемся областью кусочно-однородной среды, необходимо знание удельных массовых концентраций в промежуточных зонах, а также геометрических факторов промежуточных зон и пласта.

Вопрос 31

Ядерно-физические исследования скважин — радиоактивный каротаж — совокупность методов, основанных на изучении полей нейтронов, гамма- и рентгеновских квантов в скважине и околоскважинном пространстве.

Важнейшие отличительные особенности ядерно-физических методов (ЯФМ), определяющие их роль и место в комплексе ГИС, заключаются в следующем: большинство ЯФМ применимо как в открытом стволе, так и в обсаженных скважинах, в связи с чем их используют на всех этапах горно-геологического процесса; показания ЯФМ обусловлены в основном элементным составом горных пород, что позволяет в ряде случаев осуществить литологическое расчленение пород, а также поиск и разведку полезных ископаемых на основе прямых признаков; показания ЯФМ практически не зависят от текстуры и структуры среды, что упрощает изучение вещественного состава пород и, в принципе, дает возможность, комплексируя ЯФМ с методами, чувствительными к текстурно-структурным свойствам, оценить тип порового пространства.

Основные определения

Поток микрочастиц, возникающий в результате ядерных реакций, или самопроизвольного распада ядер, называют ядерным излучением.

Ядерной реакцией в широком смысле называют любой процесс взаимодействия (столкновения) простой или сложной микрочастицы с ядром или другой микрочастицей. Реакция, в которой налетающая частица а взаимодействует с ядром мишени

Х образуя ядро Y и частицу b, имеет три вида записи:

Основные виды излучения связаны с образованием нейтронов (n), протонов (р), - и -частиц, гамма () и рентгеновских (х) квантов.

Излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрических зарядов, называют ионизирующими. Взаимодействие заряженных частиц (,, р) со средой приводит к непосредственной ионизации атомов или молекул, незаряженных частиц (, х, п) — к ионизации среды заряженными частицами (,, р), возникающими в процессе ядерных реакций.

В результате взаимодействия со средой излучение рассеивается и (или) поглощается.

Рассеяние излучения — процесс взаимодействия, в результате которого меняется направление и (или) энергия частиц. Поглощение излучения — процесс, при котором частицы прекращают свое существование.

Радиоактивность — самопроизвольный распад ядра с испусканием одной или нескольких частиц. Ее можно трактовать как распад ранее возбужденного долгоживущего ядра, т. е. как частный случай ядерной реакции. Обычно радиоактивность проявляется в а- или -излучении (а- или -распаде), -излучении, возникающем в результате а- и -распада, х-излучении, возникающем в результате электронного захвата, и л-излучении при

делении тяжелых ядер.

Закон радиоактивного распада имеет форму записи:

Поля излучений характеризуются плотностью частиц, плотностью потока частиц, их энергией и интенсивностью. Плотность частиц n — количество частиц, находящихся в данный момент времени в единице объема. Плотность потока Ф пучка частиц — их число, падающее в одну секунду на единичную площадку, перпендикулярную к пучку. Очевидно, что:

где v — скорость частиц в направлении, перпендикулярном к площадке.

Энергию частиц Е измеряют в электрон-вольтах (эВ). Электрон-вольт— энергия, приобретаемая электроном под воздействием разности потенциалов в один вольт. Применяют также единицы килоэлектрон-вольты (кэВ) и мегаэлектронвольты

(МэВ) (.1 МэВ=103 кэВ=106эВ).

Интенсивность J — поток энергии излучения, падающего в единицу времени на единичную площадку. Для моноэнергетического пучка частиц с энергией Е

Взаимодействие гамма-квантов с веществом.

Известно 12 типов взаимодействия у-квантов с веществом. Из них в энергетической области 0,05-5-1,5 МэВ, характерной для применяемых в геофизике изотопных источников, существенны три: фотоэффект, комптон-эффект и образование пар.

П олное микроскопическое сечение взаимодействия квантов с веществом равно сумме сечений перечисленных процессов:

Фотоэффектом (фотоэлектрическим поглощением) называют такое взаимодействие кванта с атомом, при котором квант поглощается, а его энергия частично расходуется на отрыв электрона, частично же передается последнему в виде кинетической энергии.

Атом, потерявший в результате фотоэффекта электрон, оказывается в неустойчивом состоянии. Почти мгновенно освободившуюся оболочку заполняет электрон с более удаленного уровня. Избыток энергии, равный разности энергий этих уровней, выделяется в виде квантов характеристического — обладающего определенной для данного элемента энергией — рентгеновского излучения.

Комптон-эффектом называют упругое рассеяние у~квантов на электронах атомов. В результате кванты меняют направление и передают электронам часть энергии. При E>Ei атомные электроны можно считать свободными и покоящимися. Их связь с атомом практически не сказывается на закономерностях рассеяния.

(E-энергия гамма-квантов, Ei-энергия итого электрона, Z порядковый номер элемента).

Эффект образования пар заключается в образовании квантом электрона и позитрона при энергии, равной сумме энергий покоя этих частиц = 1,02 МэВ.

Позитрон практически мгновенно аннигилирует в результате столкновения со свободным электроном вещества. При этом образуются два -кванта с энергией 0,51 МэВ.

Источники гамма-квантов и нейтронов являются важнейшими элементами скважинной аппаратуры радиоактивного каротажа. Если изменение плотности потока изучаемых частиц во времени связано только со статистическими флуктуациями, источник называют стационарным. Если же изменение вызвано не только статистическими флуктуациями, источник называют нестационарным. Обычно нестационарные источники работают

в импульсном режиме.

Флуктуа́ция - Случайное отклонение физической величины от её среднего значения; цикличные колебания, нестабильность.

Источники -квантов представляют собой металлические ампулы, содержащие, как правило, (-активные препараты. В результате -распада возникает -излучение. Излучение -частиц гасится в корпусе ампулы или с помощью специальных филь-

тров. Тип препарата, обусловливающий - активность, энергию излучения и другие параметры источника, зависит от рода решаемой задачи (табл. 3). Ампульные источники являются стационарными.

Детекторы излучения подразделяют на газонаполненные, сцинтилляционные и полупроводниковые. Принцип их работы основан на регистрации электронов и ионов или световых фотонов, возникающих в результате взаимодействия излучений с веществом.

Газонаполненные детекторы представляют собой стеклянную или металлическую трубку, наполненную инертным газом и имеющую два электрода. В отсутствии ионизирующего излучения ток между электродами не протекает. Гамма-кванты поглощаются в газе с образованием электронов, нейтроны — с образованием а-частиц и протонов. Заряженные частицы ионизируют газ, в результате чего возникают импульсы электрического тока.

Сцинтилляционные счетчики изготовляют из оптически активных веществ — сцинтилляторов. При взаимодействии ионизирующих излучений с оптически активным веществом происходит возбуждение атомов и молекул, от которого они освобождаются, излучая фотоны. При регистрации квантов в качестве сцинтилляторов применяют монокристаллы йодистого натрия NaJ или йодистого цезия CsJ, активированные для увеличения световыхода таллием Т1. Для регистрации тепловых нейтронов

применяют кристаллы йодистого лития, активированные европием [LiJ(Eu)], обогащенные изотопом 6Li, или кристаллы на основе сернистого цинка активированные серебром [ZnS(Ag)].

Полупроводниковые детекторы основаны на генерации свободных носителей заряда в твердом теле под влиянием ионизирующих излучений. Пробег частиц в твердом теле приблизительно в 103 раз меньше, чем в газе, и вероятность ионизации

много выше.

Полупроводниковый детектор (ППД) представляет собой кристалл полупроводникового кремниевого или германиевого материала с малыми р- и n-областями, отличающимися высокой концентрацией примесей, и расположенной между ними протяженной беспримесной областью L Ширину области i удается довести до 8—12 мм с помощью компенсации примесей ионами лития. Поэтому существующие ППД обычно кремние-литиевые или германиелитиевые. При ионизации i-области воз-

никает импульс тока, сила которого пропорциональна энергии

ионизирующей частицы.

Применяют ППД главным образом для регистрации квантов. Сравнительно малый рабочий объем приводит к тому, что эффективность ППД невысока — большинство квантов проходит его, избежав поглощения.