Промысловая геофизика (стр. 4 )

В скважинных условиях против однородного поляризующего пласта наблюдается симметричная аномалия вызванных потен­циалов, амплитуда которой зависит от мощности пласта (рис. 36). Для пластов h>12dc влиянием мощности можно пренебречь. Помимо мощности пласта на величину вызванных потенциалов оказывает влияние диаметр зоны проникновения фильтрата бурового раствора и ее удельное сопротивление..

По замеру вызванной поляризации вычисляют коэффициент вызванной электрохимической активно­сти породы Ав, который в однородном электрическом поле (лабораторные условия) равен

(1.46)

где ΔUВП - измеренная разность вызванных потенциалов, мВ; ΔUКС - разность потенциалов, наблюдаемая между электрода­ми М и N в момент протекания поляризующего тока, мВ.

Рис. 37. Зависимость приведенного коэффициента вызванной электрохими­ческой активности Ав1 от содержания глинистого и карбонатного цемента (Сгл+С) и от коэффициента проницаемости kпр девонских песчаников-кол­лекторов Татарии.

а — Ав1 = f(Сгл+С); б — Ав1 = f(kпр); 1 -проницаемые образцы; 2 - непроницаемые образцы; 3 - зависимость, построенная по данным МИНХ и ГП; 4 - то же, по данным ВНИИгеофизики

Для исключения влияния удельного сопротивления ρв насы­щающей породу жидкости на величину Ав (для песчано-глинистых коллекторов) в рассмотрение вводят приведенный коэффициент вызванной электрохимической ак­тивности

(1.47)

Опыт показывает, что в песчано-глинистом разрезе наиболь­шей вызванной активностью обладают глинистые песчаники и алевролиты. Незаглинизированные пески и песчаники имеют низкую активность (рис. 37, а). Чистые глины также имеют низ­кую вызванную активность в связи с наличием в них высоко­минерализованной воды. Против известняков и доломитов на­блюдаются обычно высокие потенциалы вызванной поляризации, обусловленные значительным удельным сопротивлением этих пород.

Кривые UВП, отражая изменение содержания глинистого минерала в породе, имеют хорошую расчленяющую способность и позволяют получить ряд дополнительных сведений о разрезе, что особенно важно в условиях относительно пресных пласто­вых вод, где метод СП не дает четких результатов.

В частности, перспективен метод ВП для выделения нефтя­ных пластов, обводнившихся в процессе разработки пресной во­дой. В некоторых районах между вызванными потенциалами и проницаемостью песчаников kпр наблюдается коррелятивная связь (рис. 37, б), которую можно использовать для приближен­ного определения коэффициента проницаемости.

Метод потенциалов вызванной поляризации используют так­же для выделения углей при изучении разрезов угольных сква­жин. Имеется положительный опыт использования метода для определения в разрезах скважин зон сульфидного оруденения.

ГлаваII.

МЕТОДЫ РАДИОМЕТРИИ

Радиометрией скважин называют совокупность методов, основанных на регистрации различных ядерных излучений, глав­ным образом гамма-квантов и нейтронов. Эти методы подраз­деляются на пассивные (методы регистрации естественных из­лучений) и активные (методы регистрации излучений, возни­кающих при облучении специальными источниками, помещен­ными в скважинном приборе).

Из пассивных методов в настоящее время используют метод естественной радиоактивности (гамма-метод). Группа активных методов включает две подгруппы — методы, основанные на об­лучении пород соответственно гамма-квантами и нейтронами. В нефтяных и газовых скважинах из методов первой подгруп­пы применяют в основном метод рассеянного гамма-излучения (гамма-гамма-метод), из второй подгруппы — нейтрон-нейтрон­ный метод и нейтронный гамма-метод, импульсные нейтронные методы и метод наведенной активности.

К радиометрии скважин иногда относят также метод ядер­ного магнитного резонанса (ядерный магнитный каротаж), хотя и не связанный с регистрацией ядерных частиц, но использую­щий некоторые ядерные свойства элементов горной породы.

Существенная особенность ядерных методов заключается в принципиальной возможности определения с их помощью кон­центрации отдельных элементов в горных породах. Важным преимуществом большинства ядерных методов является также и то, что они могут применяться как в необсаженных, так и об­саженных, скважинах. На их показания относительно слабо влияет и характер жидкости в стволе скважины.

§ 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАДИОМЕТРИИ

Ядра некоторых изотопов могут самопроизвольно превращать­ся в ядра других элементов. Этот процесс называется радио­активностью. Превращение ядра обычно происходит путем излучения альфа - или бета-частицы (α- и β-распад), реже на­блюдается захват ядром одного из электронов оболочки атома (К-захват). Каждый вид распада сопровождается испусканием гамма-квантов.

Альфа - и бета-лучи представляют собой соответственно по­ток ядер гелия (т. е. частиц, состоящих из двух протонов и двух нейтронов) и поток быстрых электронов. Проходя через вещество, они замедляются, затрачивая энергию на ионизацию атомов. Пробег бета-частиц в твердых телах и жидкостях со­ставляет обычно не более нескольких миллиметров; пробег аль­фа-частиц в несколько сот раз меньше.

Гамма-лучи представляют поток «частиц» (квантов) высоко­частотного электромагнитного излучения наподобие света, но с гораздо меньшей длиной волны, т. е. с большей энергией кван­та. Пробег гамма-квантов в веществе в несколько десятков раз больше пробега для бета-частиц той же энергии.

Энергию гамма-квантов и других ядерных частиц принято выражать в электрон-вольтах (эВ), или миллионах электрон-вольт (МэВ): 1 эВ = 1,602·10-19 Дж. Энергия альфа и бета-ча­стиц и гамма-квантов, испускаемых радиоактивными ядрами, изменяется от долей до 3 МэВ.

Число ядер радиоактивного элемента уменьшается со вре­менем экспоненциально:

(II.1)

где N0 - число ядер радиоактивного элемента в начальный мо­мент времени (t = 0); Т1/2 - период полураспада, т. е. время, в течение которого распадается в среднем половина атомов ра­диоактивного изотопа.

Количественной характеристикой радиоактивности некоторо­го вещества (препарата) является число распадов за единицу времени. Для данного радиоактивного изотопа количество рас­падов А за 1 с прямо пропорционально числу его атомов N, т. е.

. (II.2)

Коэффициент пропорциональности λ, называемый постоян­ной распада, связан с периодом полураспада соотношением

(II.3)

Таким образом, чем меньше период полураспада, тем при одинаковом количестве радиоактивного изотопа больше радио­активность препарата.

Абсолютная радиоактивность (активность) вещества опре­деляется числом распадов в 1 с (расп./с). Активность в 1 расп./с принимается за единицу радиоактивности и носит название беккерель (Бк). Существует внесистемная единица Кюри (Ки), равная активности 1 г 226Ra (1 Ки = 3,7·1010 Бк).

Поскольку энергия и количество гамма-квантов на 1 распад различны для различных радиоактивных изотопов, величина радиоактивности в беккерелях недостаточна для суждения о гамма-активности - вещества. Для ее характеристики еще недавно использовали специ­альную единицу — милли­грамм-эквивалент радия (мг·экв. Ra). Радиоактивное ве­щество имеет активность в 1 мг·экв. Ra, если его гамма-излучение обладает такой же ионизирующей способностью, что и излучение 1 мг радия (в равновесии с продуктами его распада) после прохожде­ния через платиновый фильтр толщиной 0,5 мм.

Рис. 38. Схема основных типов взаимодействия гамма-квантов с вещест­вом. а - фотоэффект; б - эффект образования пар; в - криптон-эффект; 1 - ядро; 2 - электрон; 3 - гамма-квант до взаимодействия; 4 - рассеянный гамма-квант; 5 - электрон или позитрон

Для понимания зависимо­сти показаний многих радиоак­тивных методов исследования скважин от свойств горных пород необходимо представить себе закономерности прохож­дения гамма-квантов через вещество. Для тех энергий, кото­рые встречаются при радиометрии скважин (до 10 МэВ), су­щественных три типа взаимодействия: фотоэлектрическое по­глощение, эффекты образования пар и рассеяния гамма-кван­тов (рис. 38),.

При фотоэлектрическом поглощении (фотоэф­фекте) гамма-квант исчезает вследствие передачи всей его энер­гии одному из электронов атома.

Комптоновское рассеяние (эффект Комптона) про­исходит в результате соударения кванта с одним из электронов. Гамма-квант передает часть своей энергии электрону и изме­няет направление своего движения.

Эффект образования пар сводится к исчезновению кванта с образованием пары частиц — электрона и позитрона.

Вероятность взаимодействия гамма-кванта с атомом какого-либо элемента пропорциональна числу таких атомов в единице объема вещества и так называемому поперечному сечению ато­ма для данного вида взаимодействия. Кроме порядкового; но­мера элемента и типа взаимодействия (рассеяние, фотоэффект и т. п.), поперечное сечение зависит от энергии кванта.

Вероятность того, что гамма-квант на единице длины пути испытывает взаимодействие с каким-нибудь атомом элемента, определяется произведением концентрации ni атомов этого эле­мента на сечение, σi; элемента для данного типа взаимодействия. Общая вероятность взаимодействия гамма-кванта с каким-либо из атомов на длине пути в 1 м равна сумме таких произведе­ний для всех элементов, входящих в состав данного вещества. Эта сумма называется макроскопическим сечением взаимодействия для рассматриваемого вещества или линейным коэффициентом ослабления и обозначается μ. Величина 1/μ равна среднему пути, проходимому частицей до взаимодействия с каким-либо, атомом вещества. Значения сум­марного макроскопического сечения взаимодействия гамма-кван­тов (в результате всех трех типов взаимодействия) в типичных горных породах составляют примерно 40, 15 и 6 м-1 при энер­гии гамма-квантов 0,1; 1 и 6 МэВ соответственно.

Вероятность фотоэлектрического поглощения резко возрастает с увеличением атомного номера элемента и с уменьшением энергии гамма-кванта: сечение прямо пропорционально атом­ному номеру элемента в четвертой степени и обратно про­порционально третьей — пятой степени энергии. В породах, со­стоящих из легких элементов (например, в большинстве осадоч­ных пород), сечение фотоэффекта становится пренебрежимо ма­лым уже при энергии кванта 0,2—0,3 МэВ. Для тяжелых эле­ментов фотоэффектом нельзя пренебречь даже при энергии в несколько мегаэлектрон-вольт.

В интервале энергии 0,1—10 МэВ для легких и 0,5—5 МэВ для тяжелых элементов преобладающим процессом взаимодей­ствия является комптон-эффект.

Вероятность комптоновского рассеяния не зависит от хими­ческого состава вещества. Макроскопическое сечение этого про­цесса пропорционально количеству электронов в единице объема (электронной плотности вещества) и несколько убывает с рос­том энергии кванта. Число электронов nе в единице объема ве­щества

(II.4)

где NA - число Авогадро; Z - атомный номер; М - атомная масса; δ — плотность вещества.

Для легких элементов (до кальция включительно) отношение Z/M практически одно и то же и равно 0,5. Поэтому для, боль­шинства горных пород, состоящих преимущественно из легких элементов, число электронов в единице объема, а следователь­но, и макроскопическое сечение комптоновского рассеяния (а при энергии 0,2—5 МэВ и полное сечение) оказывается про­порциональным плотности среды.

Поперечное сечение эффекта образования пар увеличивает­ся с ростом атомного номера пропорционально Z2. При энергии кванта менее 1,02 МэВ этот процесс не происходит, а при большей энергии его сечение растет с увеличением энергии. Для большинства горных пород он становится существенным лишь при энергии гамма-кванта более 5 МэВ. Часто им можно пре­небречь.

Закон ослабления плотности потока гамма-излу­чения (т. е. числа гамма-квантов, проходящих через единицу площади) от точечного источника в некоторой среде выражает­ся приближенной формулой.

(II.5)

где Ф - плотность потока гамма-квантов на расстоянии r; Q - общее число квантов, испускаемых источником; μ — суммарное макроскопическое сечение среды для всех процессов взаимо­действия гамма-излучения с веществом.

Поток гамма-квантов не является исчерпывающей характе­ристикой интенсивности поля гамма-квантов и его воздействия на вещество. Такое воздействие зависит не только от числа квантов, падающих на вещество, но и от их ионизирующей спо­собности, которая различна для квантов с различной энергией. Учитывая это, интенсивность гамма-излучения в данной точке пространства принято характеризовать величиной, называемой экспозиционной дозой (ниже просто «доза»). Единицей дозы яв­ляется кулон на килограмм (Кл/кг). Доза равна 1 Кл/кг, если в результате ионизации излучением в 1 кг абсолютно сухого воздуха образуются заряды в 1 Кл (каждого знака). Доза, со­здаваемая в единицу времени, называется мощностью до­зы. ЕЕ единица 1 А/кг. В литературе встречается также внеси­стемная единица дозы — рентген (1P = 2,58·10-4Кл/кг) и единица мощности дозы — микрорентген в час (1 мкР/ч = 71,7·10-15 А/кг). Для примера укажем, что радиевый источник активности 1 мКи на расстоянии 1 м от него создает в воздухе мощность дозы 850 мкР/ч. С изменением расстояния от источника мощность до­зы уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния.

Вторым видом ядерных частиц, имеющим важнейшее значе­ние при исследовании скважин, являются нейтроны.

В качестве источников нейтронов используют чаще всего смесь порошков бериллия с радиоактивным веществом, испус­кающим альфа-частицы (например, полоний, плутоний и др.). При бомбардировке ядер атомов бериллия альфа-частицами радиоактивного вещества происходит ядерная реакция:

,

где через обозначен нейтрон.

Такие источники, представляющие небольшие герметичес­кие ампулы и потому называемые ампульными, дают быстрые нейтроны с энергией, достигающей для полоний-бериллиевых источников 11 МэВ; максимумы распределения по энергии при­ходятся на 3 и 5 МэВ. Интенсивность таких источников при исследовании скважин, как правило, составляет не менее (3—4)·106 нейтр./с, для чего активность Ро или Ри должна быть по­рядка 1011 Бк.

Нейтронным источником другого типа, используемым при исследовании скважин, является генератор нейтронов. В нем титановая или циркониевая мишень с растворенным в ней изо­топом водорода тритием бомбардируется дейтонами (яд­рами тяжелого водорода ), ускоренными линейным ускори­телем под напряжением около 105В. По реакции

образуются нейтроны с энергией 14 МэВ. Более высокая энер­гия нейтронов и монохроматизм излучения являются преимуще­ством таких генераторов. Другое преимущество - возможность выключения источника, что повышает безопасность работ и по­зволяет доводить его интенсивность до 108-109 нейтр./с.

Источники третьего типа — некоторые изотопы трансурано­вых элементов, например, калифорния (252Cf), претерпевающие интенсивное самопроизвольное деление ядер с испусканием ней­тронов.

Будучи электрически нейтральными, нейтроны не испытыва­ют действия электронной оболочки и заряда ядра, поэтому об­ладают большой проникающей способностью. Кроме того, при соударении с ядрами они вызывают разнообразные ядерные ре­акции, что делает их весьма полезными при изучении ядерно­го, а следовательно, и химического состава горных пород. Реак­ции с участием нейтронов разделяются на две группы: рассея­ние и поглощение нейтронов. Рассеяние бывает упругое и не­упругое.

Упругое рассеяние аналогично столкновению двух идеально упругих шаров: часть кинетической энергии нейтрона передается ядру без изменения внутреннего состояния последнего. Сечение упругого рассеяния большинства ядер при Е<n·10-1 МэВ почти постоянно, а при большей энергии нейтро­нов существенно зависит от энергии последних. Из основных элементов горных пород наибольшее сечение упругого рассея­ния (20-80)·10-28 м2 характерно для водорода.

Потеря энергии нейтрона при его упругом соударении зави­сит от массы ядра. Наибольшее изменение энергии достигается при соударении с ядром водорода, масса которого наиболее близка к массе нейтрона. При столкновении с ядром водорода нейтрон в среднем уменьшает свою энергию в 2 раза, тогда как, например, для ядер кислорода и кремния это уменьшение со­ставляет всего 11 и 6%. Благодаря высокому сечению рассеяния и большой потере энергии при соударении водород является аномальным замедлителем нейтронов.

При неупругом рассеянии энергия нейтрона расходу­ется не только на создание кинетической энергии ядра, но и на его возбуждение, т. е. увеличение его внутренней энергии. Потеря энергии в среднем больше, чем при упругом рассеянии. Однако неупругое рассеяние на легких элементах происходит лишь при больших энергиях нейтронов и в радиометрии сква­жин играет меньшую роль, чем упругое рассеяние.

Поглощение нейтронов сопровождается испусканием какой-либо ядерной частицы. Это может быть протон (обозна­чается р), альфа-частица (α), один или несколько гамма-кван­тов и т. д. Соответствующие ядерные реакции принято обозна­чать (n, p), (n, α)и (n, λ). Последняя реакция с испусканием гамма-квантов называется радиационным захватом нейтрона.

Реакция радиационного захвата с заметной вероятностью происходит лишь при малой энергии нейтрона (для легких ядер менее 1—10 эВ). Сечение этой реакции убывает обратно про­порционально скорости нейтронов. Реакции (n, p) и (n, α), на­оборот, происходят обычно лишь при очень высокой энергии нейтронов (как правило, выше 5 МэВ) и при радиометрии сква­жин имеют ограниченное значение. Исключение составляет ре­акция (n, α) на некоторых легких элементах (бор, литий), ре­акция (n, p) на очень редком изотопе гелия и некоторых др. Они аналогично реакции (n, λ) наиболее интенсивно проте­кают с медленными нейтронами.

Нейтроны, испущенные источником и попавшие в горную по­роду, относительно быстро замедляются в результате упругих и частично неупругих соударений. Поэтому большинство из них избегает поглощения в области высокой энергии и захватывает­ся ядрами по реакции радиационного захвата, уже имея очень малую энергию, близкую к энергии теплового движения атомов среды (порядка 1/40 эВ). Поэтому результатом поглощения нейтронов обычно являются гамма-кванты, за исключением по­род, богатых бором и литием, где кроме гамма-квантов образу­ются также альфа-частицы.

Спектр гамма-излучения1 радиационного захвата различен для разных элементов. Это различие может быть использовано для определения элементного состава горных пород.

При поглощении нейтронов ядрами некоторых изотопов они становятся радиоактивными. Поэтому кроме гамма-излучения радиационного захвата, испускаемого практически в момент за­хвата и потому наблюдаемого лишь одновременно с облучением породы нейтронами, существует еще гамма-излучение активи­рованных ядер, которое можно наблюдать и после выключения или удаления источника нейтронов.

 

1 Под спектром излучения понимается совокупность значений энергии отдельных частиц и число частиц каждой энергии.

§ 2. МЕТОД ЕСТЕСТВЕННОЙ РАДИОАКТИВНОСТИ (ГАММА-МЕТОД)

Во всех горных породах в небольших количествах присутствуют радиоактивные элементы. Содержание радиоактивных элемен­тов в различных горных породах, а следовательно, и интенсивность испускаемых ими ядерных излучений различны. Поэтому, регистрируя их, можно судить о типе горных пород, пройденных скважиной. Метод исследования геологического разреза сква­жин, основанный на регистрации излучений, испускаемых есте­ственно радиоактивными элементами горных пород, носит назва­ние метода естественной радиоактивности. По­скольку обычно альфа - и бета-лучи, имеющие малый пробег в веществе, полностью поглощаются буровым раствором и корпу­сом скважинного снаряда, а индикатора достигают лишь гамма-лучи, этот метод называют также гамма-методом и сокращенно обозначают ГМ.

Рис. 39. Схема зондов радиометрии скважин.

1 - детекторы гамма-излучения (Г), тепловых (Т) и надтепловых (Н) нейтронов;

ис­точники: 2 - гамма-излучения; 3 - быстрых нейтронов; 4 - вещество, хорошо погло­щающее гамма-кванты (Pb, Fe и т. п.); 5 - водородсодержащее вещество, рассеи­вающее и поглощающее нейтроны (парафин, полиэтилен и т. п.); УТ - ускоритель­ная трубка генератора нейтронов; ВБ - высоковольтный блок; ЭС - электронная схема прибора

При исследовании гамма-методом в скважину опускают при­бор, который содержит детектор гамма-излучения и электрон­ную схему (рис. 39), служащую для питания индикатора, усиле­ния его сигналов и передачи их через кабель на поверхность. Часто используют многоканальные приборы, регистрирующие одновременно диаграммы гамма-метода и нейтронного гамма-метода. Точка записи ГМ совпадает с серединой детектора.

Радиоактивность горных пород обусловлена в основном при­сутствием в них урана, тория, радиоактивных продуктов их распада и, наконец, калия, один из изотопов которого 40К так­же радиоактивен.

При разработке ряда нефтяных и газовых месторождений обнаружено резкое повышение радиоактивности некоторых продуктивных пластов при их обводнении, а возможно, и по другим причинам. Этот эффект, названный радиогеохимическим, широ­ко используется при контроле разработки месторождений (см, гл. X).

Если не считать урановых и ториевых руд, наибольшей гам­ма-активностью обладают кислые изверженные породы, напри­мер граниты, а также глины. По интенсивности гамма-излуче­ния 1 г этих пород эквивалентен (4—6)·10-12 г 226Ra. Наименее активны (менее 10-12 г Ra) ультраосновные породы, а среди осадочных пород — чистые разности известняков, песчаников, большинства каменных углей и особенно гидрохимических по­род (кроме калийных солей). В осадочных породах, как прави­ло, радиоактивность тем больше, чем выше содержание глини­стой фракции. Это позволяет по кривым Iγ различать глины, глинистые и чистые разности известняков, песчаников и т. п.

Повышенная радиоактивность глинистых горных пород объ­ясняется тем, что благодаря большой удельной поверхности они в процессе осадконакопления сорбируют большее количество соединений урана и тория, чем неглинистые породы. Имеет зна­чение и калий, входящий в состав некоторых глинистых минера­лов.

Диаграммы ГМ используют также для выделения в разрезе скважин урановых и ториевых руд, калийных солей, а также других полезных ископаемых, обладающих повышенной радио­активностью (фосфориты, иногда марганцевые руды и др.). На рис. 40 показана типичная кривая, полученная гамма-методом в разрезе осадочных пород.

Применяя специальные приборы — спектрометры гамма-из­лучения, можно регистрировать вдоль скважины диаграмму из­менения интенсивности гамма-квантов с заданной энергией. Та­кой спектрометрический гамма-метод (ГМ-С) позволяет опреде­лять отдельно содержание в породе радия, тория и калия. По соотношению этих радиоактивных элементов в принципе можно определить условия образования осадков, минеральный состав глин, разделить урановые и ториевые руды, а также некоторые другие полезные ископаемые с повышенной радиоактивностью (фосфориты, бокситы и др.).

Кроме радиоактивности горных пород, на показания гамма-метода оказывают влияние: а) поглощение гамма-излучения в скважине, зависящее от диаметра скважины, плотности буро­вого раствора, наличия и толщины обсадной колонны и цемент­ного кольца; б) радиоактивность среды, заполняющей ствол скважины. Показания ГМ растут при увеличении диаметра скважины, если радиоактивность горных пород меньше радиоактив­ности среды, заполняющей скважину. При обратном соотноше­нии радиоактивностей горной породы и скважинной среды по­казания ГМ уменьшаются с ростом диаметра скважины. Обсад­ная колонна всегда уменьшает показания ГМ. При строгом уче­те влияния перечисленных факторов по результатам ГМ можно количественно определить концентрацию радиоактивных элемен­тов в горных породах.

На показания любого ядерного метода основное влияние оказывает относительно небольшая часть окружающей среды, удаленная от зонда не более чем на несколько десятков санти­метров. Влияние остальной более удаленной части среды составляет не более нескольких процентов. Радиус сферы, из ко­торого приходит 90—95% регистрируемого излучения, назы­вается радиусом зоны исследования ГМ. Считается, что радиус исследования ГМ составляет примерно 30 см.

Форма диаграмм ГМ определяется усреднением (по специ­альному закону) радиоактивности в интервале равном размеру зоны исследования; на нее оказывает влияние также инерцион­ность измерительной схемы, вносимой интегрирующей ячейкой (см. § 6). При отсутствии интегрирующей ячейки (постоянная времени интегрирующей ячейки τя=0) или при измерении на отдельных точках при нулевой скорости прибора (v = 0) кри­вая Iγ против однородного одиночного пласта симметрична (рис. 41, кривая с шифром 0). При мощности пласта h ≥ 0,8÷1 м амплитуда кривой Iγ не зависит от значения h, а границе пласта соответствует середине аномалии.

Рис. 40. Схематические диаграммы, полученные ядерными методами в раз­резе осадочных пород.

1 - каменная соль; 2 - калийная соль; 3 - глина; 4 - размытый пласт с глубокой каверной; 5 - гипс; 6 - ангидрит; 7 - известняк низкопористый; 8 - известняк вы­сокопористый; песчаник (песок); 9 - газоносный; 10 - нефтненосный; 11 - водоносный; 12 - метаморфизованная порода

При vτя = 0 кривая Iγ сдвигается по направлению движения прибора и становится асимметричной. Искажение тем сильнее, чем больше vτя. При недостаточно большой мощности пласта (h < 3vτя) происходит уменьше­ние амплитуды (тем сильнее, чем меньше h/3vτя). Границы пластов приблизительно определяют по началу подъема и снижения показаний ГМ.

Показания ГМ зависят не только от интенсивности излу­чения, но и от индивидуальных особенностей прибора (тип счетчика, его размер, толщина корпуса, режим питания и т. п.). В зависимости от не­больших изменений этих факторов чувствительность может меняться незаметных пределах даже для серийных приборов одного и того же типа. Для исключения влияния этих фак­торов осуществляют эталони­рование аппаратуры: в результате специальных измерений устанавливают график или ко­эффициенты перехода от величины отклонения пишущего уст­ройства (или от числа импульсов в единицу времени) к истин­ной интенсивности гамма-излучения, выраженной в дозовых еди­ницах (в А/кг или мкР/ч).

Рис. 41. Кривые Iγ против пластов большой (а) и малой (б) мощности. Шифр кривых - vτ, м·с/ч

Для исключения влияния рассеянного гамма-излучения при­бор при эталонировании подвешивают на высоте 2—3 м над пло­щадкой с низкоактивным грунтом. На высоте детектора на не­котором расстоянии r от него помещают радиевый эталонный источник. Показания прибора регистрируют самописцем.

Истинная интенсивность излучения в точке расположения детектора определяется по формуле.

,

где А - активность радиевого эталона; Kγ - гамма-постоянная радия, равная мощности дозы, создаваемой на расстоянии 1 м источником единичной активности; r - расстояние от эталона до детектора.

Подобные измерения и вычисления осуществляют при нес­кольких значениях r и строят эталонировочный график — зави­симость показаний прибора от Iγ.

В последние годы получает также распространение эталони­рование в специальных эталонных (метрологических) скважинах, пробуренных на исследуемой территории или вблизи гео­физической базы. В этом случае в качестве условной единицы измерений принимают различие в показаниях против двух мощ­ных опорных пластов с различной активностью или же среднеквадратические колебания показаний в некотором фиксирован­ном интервале разреза эталонной скважины.

§ 3. МЕТОД РАССЕЯННОГО ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ (ГАММА-ГАММА-МЕТОД)

В гамма-гамма-методе (ГГМ) горная порода облучается источ­ником гамма-квантов и регистрируется интенсивность гамма-излучения, достигающего индикатора излучения, расположенно­го на некотором расстоянии от источника (см. рис. 39). Это расстояние называется длиной зонда l. Точку записи однозондового ГГМ относят к середине между центрами источника и де­тектора, двухзондового ГГМ — к середине между центрами, де­текторов. Фильтр из тяжелого металла (Fe, Pb, W и др.), уста­новленный между источником и индикатором, практически пол­ностью поглощает прямое гамма-излучение источника. Поэтому измеряемое в этом методе гамма-излучение почти полностью состоит из излучения источника, претерпевшего хотя бы одна рассеяние на атомах среды, окружающей источник. Отсюда и название метода.

Когда гамма-кванты большой энергии (порядка 1 МэВ), вы­летающие из источника, претерпевают несколько актов рассея­ния и значительно уменьшают свою энергию, они поглощаются в результате фотоэффекта. Поскольку взаимодействие гамма-кванта с веществом является случайным процессом, разные кванты до своего поглощения успевают пройти различное рас­стояние от источника. По мере удаления от источника поток квантов уменьшается примерно по закону (II.5). Он убывает с расстоянием тем быстрее, чем больше коэффициент ослабле­ния μ, т. е. чем выше плотность среды и концентрация тяжелых элементов в ней. Вследствие этого поток гамма-квантов у де­тектора, располагаемого на относительно большом расстоянии от источника (более 15-20 см), уменьшается с увеличением плотности горной породы и концентрации в ней тяжелых эле­ментов. Степень влияния последнего фактора на показания ГГМ можно менять путем выбора начальной энергии гамма-квантов (выбором источника) и энергии квантов, преимущест­венно регистрируемых индикатором (выбором индикатора). В соответствии с этим существуют две модификации ГГМ: плотностной гамма-гамма-метод (ГТМ-П) и селективный (ГГМ-С).

В плотностной модификации ГГМ применяется ис­точник гамма-квантов относительно большой энергии, чаще все­го 60Со, испускающий кванты с энергией 1,17 и 1,33 МэВ. Детектор гамма-излучения размещается в толстом корпусе из тя­желого металла (железо), почти полностью поглощающем кван­ты с энергией меньше 0,15—0,2 МэВ. В результате в основном регистрируется гамма-излучение с энергией более 0,2 МэВ, а на интенсивность таких гамма-квантов не оказывает заметного влияния фотоэлектрическое поглощение, а следовательно, и хи­мический состав среды; показания метода определяются комптоновским рассеянием и зависят лишь от плотности среды, окружающей скважинный прибор: чем больше плотность среды, тем меньше показания ГГМ-П. Размер зонда при ГГМ-П обыч­но 20—40 см.

При селективной модификации ГГМ применяют источники мягкого гамма-излучения (менее 0,3—0,4 МэВ, напри­мер, радиоактивный селен-75, излучающий кванты с энергией 0,138 и 0,268 МэВ, ртуть-203 с энергией квантов 0,279 МэВ и др.). Детектор при ГГМ-С настраивается на регистрацию еще более мягкого гамма-излучения. Показания ГГМ-С зависят как от рассеяния гамма-квантов (следовательно, от плотности среды), так и в особенности от их поглощения, которое в ос­новном определяется концентрацией в породе тяжелых элемен­тов. В результате наиболее сильное влияние на показания ГГМ-С оказывают присутствующие в горной породе тяжелые элементы: чем больше содержание последних, тем меньше пока­зания метода. Размер зонда при ГГМ-С обычно 10—20 см.

Все модификации ГГМ имеют малую зону исследования (10—15 см для ГГМ-П и еще меньше для ГГМ-С), поэтому их показания в значительной степени зависят от положения прибо­ра в скважине, изменений в ближней зоне (плотности бурового раствора, толщины глинистой корки, диаметра скважины, нали­чия крепления скважины и т. п.). Поскольку плотность глини­стого раствора и глинистой корки меньше плотности горных по­род, то с увеличением толщины глинистой корки или с удале­нием прибора от стенки скважины вследствие наличия каверн уменьшается средняя плотность среды вокруг зонда ГГМ и увеличиваются показания. Это может быть ошибочно проинтер­претировано как уменьшение плотности породы. Для повыше­ния надежности интерпретации необходимо иметь кавернограмму.

Для уменьшения влияния скважины прибор прижимают к стенке скважины (см. рис. 39), а источник и индикатор экрани­руют экраном из тяжелого металла за исключением стороны, обращённой к породе. Для учета изменений толщины глинистой корки служат два детектора, расположенные на различном рас­стоянии (15 и 35 см) от источника и обеспечивающие одновре­менные измерения двумя зондами различной длины. По сово­купности показаний двух зондов против данного пласта и пока­заний в двух эталонных средах (измерение на поверхности зем­ли) находят и регистрируют некоторую величину F, являющую­ся функцией плотности горных пород. Используя эталонировочный график зависимости F от плотности δ пород, находят зна­чения последней.