Апаратура і методика проведення густинного гамма-гамма-каротажу

Для реєстрації розсіяного гамма-випромінювання в свердловину опускають вимірювальну установку (Рис.3.9), яка відрізняється від свердловинного приладу гамма-каротажу присутністю в зондовому пристрої джерела гамма-випромінювання

В якості джерела гамма-випромінювання використовують радіоактивний ізотоп кобальту-60 (Т=5,27 роки, Е_g=1,33 і 1,17 МеВ). Відстань від середини індикатора гамма-випромінювання до центра джерела гамма-квантів називається довжиною зонда. Зондовий пристрій має екран, який послаблює пряме випромінювання джерела в тій частині приладу, де знаходиться індикатор гамма-випромінювання. В якості екрану використовують речовину з великими порядковими номерами, найчастіше – свинець або вольфрам.

Інтенсивність розсіяного гамма-випромінювання, яке реєструється індикатором, залежить від густини породи, довжини зонда, активності та природи первинного гамма-випромінювання. Із збільшенням густини середовища інтенсивність гамма-випромінювання, що розсіюється, спочатку зростає, досягаючи максимуму, а потім спадає (Рис. 3.10). Підвищення інтенсивності випромінювання, яке реєструється в області малих густин обумовлено збільшенням кількості розсіяних гамма-квантів у зв’язку з ростом числа електронів в одиниці об’єму породи, і як наслідок, її густини. Наступне зменшення інтенсивності гамма-випромінювання пов’язане з поглинанням речовиною частини розсіяних гамма-квантів внаслідок фотоефекту.

1 – притискуючий пристрій; 2 – кабель; 3 – електронна схема;

4 – свинцевий екран; 5 – детектори гамма-променів; 6 – коліматори випромінювання; 7 – джерело гамма-випромінювання

Рисунок 3.9 – Схематичне зображення свердловинного приладу РГП-2

Рисунок 3.10 – Загальний вигляд залежності інтенсивності розсіяного гамма-випромінювання від густини гірської породи

Положення максимуму на кривій (Рис. 3.10) залежить від довжини зонда і початкової енергії гамма-квантів. З підвищенням енергій первинного випромінювання і зменшення довжини зонда максимум зміщується вправо. Так як більша частина гірських порід має густину вище 2·10³ кг/м³, то вимірювання проводять за спадаючою частиною кривої, тобто із збільшенням густини порід інтенсивність розсіяного гамма-випромінювання спадає.

Глибинність дослідження густинного методу розсіяного гамма-випромінювання мала (близько 10-15 см) і залежить від довжини зонда, потужності джерела, енергії первинних гамма-квантів, густини гірських порід.

Із збільшенням довжини зонда збільшується глибинність дослідження густинного гамма-гамма-каротажу. Але при цьому збільшується статична похибка реєстрації розсіяних гамма-квантів, що вимагає необхідність використання більш потужніших джерел. Встановлено, що для дослідження залізних руд оптимальними є зонди довжиною 30-50 см, руд тяжких елементів – зонди довжиною 20-40 см, для визначення пористості осадових гірських порід – зонди довжиною 40 см.

Потужність джерела вибирається такою, щоб розсіяне гамма-випромінювання перевищувало природне гамма-випромінювання порід в декілька раз і цим самим забезпечувало малу статистичну похибку реєстрації, але не перевищувало б допустиму дозу гамма-випромінювання обслуговуючого персоналу. Як правило застосовують джерела гамма-випромінювання активністю від 0,37·10⁴ до 1,85·10⁴ розп./с.

Збільшення початкової енергії гамма-квантів викликає збільшення їх проникаючої властивості та, внаслідок чого, глибинність дослідження методу. З цієї точки зору переважно використовують джерело ⁶⁰Co.

Радіус дослідження ГГК-Г обернено-пропорційно залежить від числа електронів в одиниці об’єму гірської породи, а значить від її густини.

Внаслідок малої глибинності ГГК-Г на достовірність його показів великий вплив має зміна діаметра свердловини, фізичні властивості рідини, яка заповнює свердловину, товщина глинистої кірки, а також присутність або відсутність обсадних колон і т.д.

З метою зменшення впливу свердловинних умов на результати досліджень ГГК-Г використовують зонди великих розмірів і свердловинні прилади спеціальної конструкції (див.рис. 3.9). Особливий пристрій притискає прилад до стінки свердловини стороною, на якій змонтовані колімаційні вікна для джерела і індикатора ГГК-Г. Завдяки цьому зменшується вплив діаметру свердловини і шару рідини, яка заповнює свердловину та відділяє прилад від об’єкту дослідження. Для зменшення ймовірності попадання на індикатор прямого гамма-випромінювання від джерела і гамма-випромінювання, розсіяного рідиною, яка заповнює свердловину, джерело та індикатор часто екрануються із сторони свердловини. Опромінення породи і сприйняття розсіяного гамма-випромінення в цьому випадку відбувається через невеликі отвори в екранах (коліматори), які розміщені в частині приладу, притисненої до стінки свердловини.

Якщо присутня глиниста кірка, то густина досліджуваного середовища знижується, а покази ГГК-Г підвищуються. Вплив глинистої кірки на інтенсивність розсіяних гамма-квантів враховується з допомогою спеціальних палеток.

Результати вимірювань ГГК-Г виражаються в імпульсах на хвилину або в умовних одиницях. За умовну одиницю приймаються покази радіометра, які відповідають показам у воді (середовище з густиною 10³ кг/м) або алюмінію (середовище з густиною 2,65·10³ кг/м). Умовну одиницю отримують за результатами вимірювань в баці з водою або алюмінієвому блоці. Вона дорівнює різниці показів при вимірюваннях з джерелом гамма-випромінювання і без нього.

Точку запису ГГК-Г відносять до середини відстані між джерелом і індикатором.

Густинний гамма-гамма-каротаж дозволяє вирішувати наступні задачі:

- проводити літологічне розчленування розрізів свердловин;

- визначати густину гірських порід, визначати пористість гірських порід;

- встановлювати потужність і будову вугільних пластів, а при сприятливих умовах визначати їх зольність;

- виділяти хромітові руди, колчеданові руди, марганцеві руди, боксити, флюорити, поліметалічні руди, калійні солі;

- проводити контроль технічного стану свердловини: відбивати глибину цементування та муфт на обсадних колонах, якість зчеплення цементного каменю з колоною та породою.

Гамма-гамма-каротаж селективний (ГГК-С)

Селективний гамма-гамма-каротаж базується на реєстрації по стовбурі свердловини розсіяного гамма-випромінювання від джерела м’яких гамма-квантів.

Заснований на використанні такої взаємодії γ-квантів з речовиною як фотоефект (фотоелектричне поглинання). При фотоефекті γ-квант взаємодіє з цілим атомом і передає всю свою енергію одному з електронів його оболонки. Виникаючий при цьому фотоелектрон відносить частину енергії γ-кванта. Найінтенсивніший прояв фотоефекту спостерігається в речовинах, що містять важкі елементи та при опромінені їх γ-квантами з малою енергією ( близькою до енергії зв’язку електрона з ядром атома).

Радіометр, який використовується при ГГК-С, аналогічний радіометру ГГК-Г. Він відрізняється тільки тим, що при дослідженні глибоких свердловин використовується гільза із алюмінію, а при роботі на малих глибинах – із плексигласу. Крім того, в ГГК-С використовуються джерела м’якого гамма-випромінювання – радіоактивні ізотопи ⁷⁵Se (селен), ¹⁷⁰Tu (тулій), ¹¹³Sn (станум), ¹²³Te (телур), ¹³³Ba (барій), ²⁰³Hg (меркурій), ¹³⁷Cs (цезій).

У загальному випадку залежність між інтенсивністю розсіяного м’якого гамма-випромінювання та ефективним порядковим номером z_еф середовища відмінна від лінійної. Однак для руд певного речовинного складу та енергії опромінюючих гамма-квантів можна підібрати такі джерела м’якого гамма-випромінювання, які забезпечать максимальну чутливість методу та лінійність зв’язку I_gg=f(z_еф).

Впливу густини на покази ГГК-С можна позбутись наступним чином. Необхідно підібрати зонди таких розмірів, при яких на інтенсивність розсіяного гамма-випромінювання не впливає густина середовища. Переважно це зонди малої довжини, які мають малу глибинність дослідження. Однак при їх використанні на результати ГГК-С сильно впливають свердловинні умови вимірювання.

За звичний варіант ГГК-С застосовують для виділення руд важких елементів і кількісного визначення вмісту руд одного важкого елементу в більш легкій вміщуючій породі. Для інтерпретації даних ГГК-С використовують градуювальні графіки зв’язків показів методу від еквівалентної концентрації, одержані на моделях пластів або в свердловинах, де концентрація елементів у ряді пластів визначається за даними аналізу керна.

Метод ГГК-С застосовують для виділення скупчень важких елементів в породах і рудах, що слабо розрізняються за густиною.

Добрі результати метод ГГК-С дає при вивченні розрізів свердловин вугільних родовищ. Це витікає з того, що вугільні пласти мають порядковий номер Z=7, а вміщуючі породи Z=12-13. За даними ГГК-С вугільні пласти відмічаються максимумами. Градуювання апаратури ГГК-С проводяться на моделях пластів з відомим вмістом шуканого елементу.