Физические основы гамма-каротажа

Радиоактивностью называется способность некоторых атомных ядер самопроизвольно распадаться с испусканием лучей, а иногда и других частиц.

Альфа-лучи - это поток частиц, которые являются ядрами атомов гелия ( е ). При прохождении через вещество -частицы сильно ионизируют атомы и поэтому быстро теряют энергию. Длина их пробега в твердом веществе измеряется микронами. Бета-лучи представляют собой поток электронов, имеющих большую скорость. Проникающая способность -частиц не превышает 8-9 мм в горных породах.

Гамма-лучи представляют собой электромагнитное излучение с малой длиной волны (менее 10 см). Длина пробега -квантов в горных породах достигает десятков сантиметров. Благодаря высокой проникающей способности они являются основным видом излучений, регистрируемых в методе естественной радиоактивности.

Рис.3.2. Схема попадания

L g-квантов в прибор

Энергию частиц выражают в электрон-вольтах (эВ). Один электрон-вольт - это кинетическая энергия, которую приобретает электрон под действием разности потенциалов в 1v. Энергия -квантов обычно колеблется от долей до нескольких мега эВ (МэВ). Гамма-излучение с энергией квантов более 500 КэВ называется жестким, а с энергией менее 500 КэВ - мягким. Воздействие гамма-излучения на среду количественно оценивается в единицах дозы и мощности дозы. Доза - это количество -квантов, поглощенных облучаемым объектом. Единицей дозы является рентген. Один рентген соответствует поглощению такого количества -квантов, которое приводит к образованию в 1см сухого воздуха при t=0 С и давлении 760 мм рт.ст. ионов, несущих заряд в одну электростатическую единицу. Единицей мощности дозы является рентген в час. В практике радиоактивного каротажа обычно пользуются миллионной долей рентгена в час (мкр/ч).

Из естественных радиоактивных элементов наиболее распространены уран U , торий Th и изотоп калия K . Содержание этих элементов в разных породах неодинаково, что позволяет различать их по радиоактивности. Радиоактивность осадочных пород, как правило, находится в прямой зависимости от содержания глинистого материала. Повышенная радиоактивность глин связана с тем, что благодаря большой удельной поверхности они адсорбируют значительное количество урана и тория, большее, чем другие осадочные породы. В некоторых породах повышенная радиоактивность связана с тем, что в них наблюдается высокое содержание калия. Песчаники, известняки и доломиты имеют малую радиоактивность, наименьшую радиоактивность имеют каменная соль, ангидриты и угли.

Поскольку радиус исследования гамма-метода мал - порядка 30см, то на его показания существенное влияние оказывают размер и свойства среды, отделяющей индикатор от стенки скважины. При количественной интерпретации показания ГМ приводят к стандартным скважинным условиям, за которые принимают отсутствие влияния диаметра скважины (диаметр скважины равен диаметру скважинного прибора). Приведенные к этим условиям показания будут , где - коэффициент ослабления -излучения на интервале от стенки скважины до скважинного прибора, , - зарегистрированная интенсивность -излучения, - поправочный коэффициент за влияние ограниченной мощности пласта.

При интерпретации пользуются также относительной величиной

,

где I - показание на кривой ГМ против пласта, и I максимальное и минимальное показания в разрезе данной скважины. Эта величина не зависит от конструктивных особенностей аппаратуры и фона.

3.2. Индикаторы -излучения

Для измерения интенсивности естественного гамма-излучения по стволу скважины пользуются скважинным прибором, содержащим индикатор -излучения. В качестве индикатора используют газоразрядные и сцинтилляционные счетчики.

Газоразрядный счетчик представляет собой баллон, в котором помещены два электрода. Баллон наполнен смесью инертного газа с парами высокомолекулярного соединения, находящейся под низким давлением.

V к усилителю

Рис.3.2. Газоразрядный счетчик

Счетчик подключается к источнику постоянного тока высокого напряжения - порядка 900 вольт. Действие газоразрядного счетчика основано на том, что g-кванты, попадая в него, ионизируют молекулы газового наполнителя. Это приводит к возникновению разряда в счетчике, что создает импульс тока в цепи его питания. Гашение разряда обеспечивается тем, что многоатомные молекулы, сталкиваясь с ионами, быстро нейтрализуют их заряд. Одним из параметров счетчика является его эффективность . Это отношение числа зарегистрированных частиц к числу частиц I , прошедших за это же время через объем счетчика: . Эффективность разрядных счетчиков не превышает 2-3 %. Для достижения большей скорости счета индикатор составляют из нескольких параллельно соединенных счетчиков, подключенных к общему измерителю.

Сцинтилляционный счетчик имеет два основных элемента: сцинтиллятор, реагирующий на ядерное излучение вспышками света, и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), преобразующий эти слабые вспышки света в электрические импульсы. В аппаратуре РК в качестве сцинтиллятора обычно применяют кристалл йодистого натрия, активированного таллием - NaJ(Tl). Этот кристалл характеризуется наиболее высокой эффективностью счета. Фотоэлектронный умножитель состоит из фотокатода, анода (коллектора) и системы расположенных между ними электродов (динодов). К аноду и фотокатоду прикладывается напряжение постоянного тока 1000-1500 v. Напряжение на диноды подается с помощью делителя тока. При возникновении вспышки в сцинтилляторе фотоны, достигшие фотокатода, выбивают из него электроны. Эти электроны, ускоряясь электрическим полем, выбивают из первого динода в несколько раз большее число электронов. Процесс повторяется на последующих динодах, и в конечном счете на аноде формируется заметный импульс тока. Эффективность сцинтилляционного счетчика достигает десятков процентов.

Рис.3.3. Принципиальная схема сцинтилляционного счетчика:

1- сцинтиллятор (люминофор); 2- отражатель; 3- ФЭУ; 4- фотокатод; 5- фокусирующий динод; 6- диноды; 7- собирающий электрод (анод); 8- делитель напряжения