Гамма и гамма-гамма каротаж (стр. 1 из 4)

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

Группа радиоактивности	Важнейшие минералы	Эγ Бк/г)
		Пределы	Среднее
Низкая	Кварц, кальцит, доломит, ангидрит, галит, гипс (алебастр)	(1-6)*10-8	2.5*10-3
Средняя	Гипс, лимонит, магнетит, хлорит, роговая обманка, барит	0,003- 0,07	0,02
Повышенная	Серицит, апатит, микроклин, ортоклаз	0.03-0.3	0.1
Высокая Очень высокая	Ортит, циркон Монацит	7-8 280-400	7.5 350

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.

σ_к^макрос = σ_к^микр * ρ А_ав * [Z / A] (7)

Рассеяние на связанных электронах (Рэлеевское).

Данный вид рассеяния наблюдается при энергиях гамма – квантов менее 20 – 50 кэВ. Сечение взаимодействия прямо зависит от Z_эф среды. Преобладает над некогерентным в полосе энергий меньше 20 кэВ. Не регистрируется при ГГКп.

Образование электронно-позитронных пар.

Это пороговая реакция, которая возможна при E > 1,02 МэВ – при энергиях, превышающих энергию покоя электрона и позитрона, γ-квант большой энергии взаимодействует с ядром, при этом образуется пара электрон-позитрон. Для соблюдения закона сохранения импульса этот процесс должен идти в присутствии третьего тела, роль которого играет ядро атома. При этом часть энергии γ-кванта передается ядру. В течение очень короткого времени электрон и позитрон аннигилируют с образованием двух γ-квантов с энергией Е = 0,51 МэВ:

e^- + e ⁺= 2·γ. (8)

Процесс образования пар даже в тяжелых средах возможен лишь при Е >12 МэВ. Даже если источником γ-квантов является ⁶⁰Со, Е =1,17-1,33 МэВ преобладают другие реакции.