Гамма-Гамма каротаж в плотностной и селективной модификациях (стр. 2 из 3)

μ^∑ - имеет смысл линейного коэффициента ослабления. Для перехода к 4π пространству, введём множитель в формулу 2.1:

J =(1/4πr²) J₀exp ( - μ^∑ * r) [2.2]

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.

2.2 Аппаратура плотностной модификации. [2]

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.

Рис 4.

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 / I₀следует, что зависимость Ln(I / I₀) = f(ρ) близка к линейной при z> 20 см

Наиболее важный вывод — уменьшение влияния глинистой корки с увеличением длины зонда z.При увеличении zот 35 до 100 см влияние промежуточной среды уменьшается примерно в 2 раза, но еще остается достаточно большим (0,04—0,06 г/см³ на 1 см глинистой корки), что не позволяет отказаться от учета этого фактора и соответствующей корректировки результатов ПГГК.

Геометрическая глубинность R, увеличивается с уменьшением плотности ρ, и ростом длины зонда z, в среднем составляет около 7—12 см.

Таким образом, информация при ПГГК усредняется по достаточно

большому объему горных пород. Однако по сравнению с данными, полученными из керна, наши данные более представительны и кондиционны, т.к. получены при глубинных условиях.

Аппаратура для скважинных измерений.

Для исследования нефтяных и газовых скважин, как правило, применяются двухзондовые измерительные установки, экранированные от скважины, с азимутальной коллимацией излучения источника и регистрируемого излучения (рис. 5, а—в). Для измерения плотности углей и углевмещающих пород в скважинах малого диаметра (d_c<130 мм) используется центрированная двухзондовая измерительная установка ПГГК без азимутальной коллимации излучения (рис. 7, г). Для качественного расчленения пород по плотности на месторождениях твердых полезных ископаемых используются однозондовые измерительные установки ПГГК без коллимации излучения (рис. 7, д), длина зонда которых выбирается в зависимости от объекта исследования (30—40 см для угольных и 20—30 см для рудных скважин).

Рис.5. Конструкции измерительных установок ПГГК:

а — прибор СГП2-АГАТ; б — модуль ПГГК аппаратуры МАРК-1; в — ПГГК фирмы „Шлюмберже", г — КУРА-3, д — КУРА-2. 1 — источник гамма-квантов; 2 — детектор ближнего зонда; 3 — детектор дальнего зонда; 4 — прижимное устройство; 5 — центрирующее устройство.

Совместная обработка показаний двух зондов ПГГК в процессе каротажа позволяет ослабить влияние промежуточной среды (глинистой корки, локальных каверн) на результаты измерения плотности горных пород. Параметры зондов (длина зонда, углы коллимации излучения, пороги энергетической дискриминации) выбираются из условия разных глубинности и чувствительности зондов к изменению плотности пород и параметров промежуточной среды.

Глава 3. Селективная модификация Гамма – Гамма каротажа.

В селективной модификации применяют источники мягкого излучения, дающие поток гамма – квантов с энергией менее 0,3 – 0,4 МэВ, а детекторы регистрируют мягкую компоненту с Е < 0,2 МэВ. Применение ГГКс решает, в общем случае, задачи по изучению вещественного, элементного состава горных пород через определение эффективного атомного номера Z_эф.

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×Lпринадлежали 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).