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.

В качестве эталонных сред для эталонирования прибора ГГМ-П используют блоки из материалов различной плотности (алюминий, бетон и т. п.), имеющие полуцилиндрические выем­ки для размещения там зондовой части прибора (с направлени­ем коллимационных окон к блоку).

При ГГМ кроме рассеянного излучения источника индика­тор регистрирует также гамма-излучение естественной радиоак­тивности горных пород, однако, выбрав достаточную активность источника [(2 - 4)·10⁹ Бк], можно добиться, чтобы интенсив­ность рассеянного излучения была намного больше интенсив­ности естественного.

Плотностную модификацию ГГМ применяют для разделения в разрезе скважин пород с различной плотностью, например, для расчленения гидрохимических пород (см. рис. 40), для вы­деления руд с большой плотностью (хромитовые, марганцевые, железные и др.), каменных углей (имеющих малую плотность по сравнению со вмещающими породами), а также для опре­деления плотности и пористости пород.

Непосредственно по показаниям ГГМ-П получают плотность горной породы. Предварительно для данного типа приборов ГГМ на основании результатов измерений на нескольких моде­лях пластов с известной плотностью строят кривые зависимости показаний от плотности горной породы. Определение коэффици­ента пористости k_п по плотности породы δ_птребует знания плот­ности δ_м минерального скелета породы и плотности δ_ж жидко­сти, заполняющей ее поры. Названные величины связаны соот­ношением

,                                                     (II.6)

откуда получаем следующую формулу для определения пори­стости:

       .                                                (II.7)

Селективную модификацию гамма-гамма-метода используют для выделения пород, обогащенных тяжелыми элементами (сви­нец, ртуть, вольфрам и др.), и количественного определения концентрации последних. Поскольку показания ГГМ-С зависят и от плотности горных пород, для повышения надежности ин­терпретации его результаты необходимо рассматривать совмест­но с диаграммой ГГМ-П. В нефтяных скважинах ГГМ-С (обо­значаемый часто также ГГМ-М, т. е. ГГМ по мягкой компо­ненте) применяют в основном для разделения песчаников, из­вестняков и доломитов. Средний эффективный атомный номер доломита выше, чем у песчаника, но ниже, чем у известняка. Соответственно на диаграммах ГГМ-М при равной плотности показания против песчаников наибольшие, против известняков наименьшие, против доломитов — промежуточные. Зонды

ГГМ-П и ГГМ-М обычно компонуют совместно в одном при­боре.

Из-за малой зоны исследования метод ГГМ для изучения геологического разреза обычно применяют в необсаженных скважинах. В обсаженных скважинах показания ГГМ в зави­симости от типа источника и конструкции зонда определяются в основном толщиной и плотностью цементного камня, толщиной или внутренним диаметром обсадной колонны, и потому метод применяется для определения качества цементирования, толщины и внутреннего диаметра колонны (см. гл. VIII, § 3). Точку записи кривых ГГМ относят к середине между источником и де­тектором; форма кривой ГГМ близка к форме диаграмм ГМ.

НЕЙТРОННЫЕ МЕТОДЫ

Методы, при которых горная порода облучается нейтронами, но­сят название нейтронных. Нейтронные методы различаются видом регистрируемого вторичного излучения, вызванного воз­действием на породу первичных нейтронов источника, а также режимом источника. Источник может быть импульсным, т. е. испускать нейтроны в течение небольших интервалов времени, между которыми источник выключен, или же стационарным, т. е. излучать нейтроны практически непрерывно. Соответственно го­ворят об импульсных (ИНМ) и стационарных нейтронных ме­тодах (СНМ).

В различных методах могут регистрироваться либо нейтро­ны, рассеянные ядрами атомов горной породы (нейтрон-ней­тронный метод), либо гамма-излучение радиационного захвата нейтронов (нейтронный гамма-метод), или, наконец, гамма-из­лучение искусственных радиоактивных изотопов, образующих­ся при поглощении нейтронов ядрами (нейтронный активационный метод). Ради краткости слово «стационарный» в названии метода обычно опускают и говорят, например, нейтронный гамма-метод вместо стационарный нейтронный гамма-метод.

Установка для любого нейтронного метода содержит источ­ник нейтронов и соответствующий детектор нейтронов или гам­ма-квантов (в зависимости от метода), расположенный на неко­тором расстоянии от источника, называемом размером (длиной) зонда. Между источником и детектором размещается фильтр, задерживающий прямое излучение от источника (см. рис. 39).

Наиболее массовое применение в настоящее время имеют нейтрон-нейтронный и нейтронный гамма-методы, менее широ­кое — импульсный нейтрон-нейтронный метод. Остальные моди­фикации используются еще реже.