Физические основы метода ГК

Гамма-каротаж (ГК) основан на измерении естественной гамма-активности горных пород. Самопроизвольный распад атомных ядер в естественных условиях (проявление радиоактивности) сопровождается альфа-, бета- и гамма-излучением. Все виды этих излучений, попадая в материальную среду, в той или иной мере испытывают поглощение. Наибольшему ослаблению под­вержены α-лучи, обладающие большой ионизирующей способ­ностью. Поток α-лучей почти полностью поглощается даже ли­стом бумаги и слоем пород толщиной в несколько микрометров.

Поток β-лучей обладает большей проникающей способностью и полностью поглощается слоем алюминия толщиной до 8 мм или слоем породы в несколько миллиметров. Гамма-излучение пред­ставляет собой высокочастотное коротковолновое электромаг­нитное излучение, граничащее с жестким рентгеновским излуче­нием с энергией, измеряемой в мегаэлектронвольтах (МэВ). (В системе СИ энергия измеряется в джоулях 1МэВ =1,602 10^-13Дж.) Оно возникает в результате ядерных про­цессов и рассматривается как поток дискретных частиц γ-квантов. Благодаря своей высокой проникающей способности гамма-излучение имеет практическое значение при исследовании раз­резов скважин (γ-лучи полностью поглощаются лишь слоем пород толщиной около 1 м); наличие обсадной колонны не явля­ется препятствием для проведения измерений. При прохожде­нии γ-лучей через слой вещества интенсивность излучения снижается до величины которая может быть рассчитана по формуле

(1)

где —первоначальная интенсивность гамма-излучения;

— толщина слоя;

— плотность вещества;

— массовый коэффи­циент поглощения гамма-излучений.

Интенсивность радиоактивного излучения пород в скважине измеряют с помощью индикатора гамма-излучения, расположен­ного в глубинном приборе. В качестве индикатора используют счетчики Гейгера— Мюллера или более эффектив­ные, лучше расчленяющие разрез сцинтилляционные счетчики. Полученная в результате замера кривая, характеризующая ин­тенсивность гамма-излучения пластов вдоль ствола скважины, называется гамма-каротажной кривой. Интенсивность радиоак­тивного излучения определяется как систематическая закономер­ность, обусловленная наличием многочисленных однородных яв­лений, претерпевающих непрерывное изменение при неизмен­ных условиях, колеблясь около некоторой средней величины. Это явление носит название статистической флуктуа­ции (или просто флуктуации).

Благодаря статистическим флуктуациям кривая радиоактив­ного каротажа может иметь отклонения, не связанные с изме­нением физических свойств пластов (погрешности измерений). Погрешность, связанная с флуктуацией, тем больше, чем меньше импульсов, испускаемых в единицу времени (скорость счета). Уменьшить погрешность от флуктуации можно путем усреднения наблюдений за некоторый интервал времени (выбор значе­ний постоянной времени производится с помощью входящей в измерительную схему интегрирующей ячейки, включающей конденсатор емкостью Си сопротивление R, = RC).

Гамма-излучение, измеряемое при гамма-каротаже, вклю­чает также и так называемое фоновое излучение (фон). Фоно­вое излучение вызвано загрязнением радиоактивными вещест­вами материалов, из которых изготовлен глубинный прибор, и космическим излучением. Влияние космического излучения резко снижается с глубиной и на глубине нескольких десятков метров на результатах измерений уже не сказывается.

Основным измеряемым параметром при ГК является мощ­ность экспозиционной дозы гамма-излучения, создаваемая в единицу времени. Мощность дозы в СИ измеряется в амперах на килограмм (А/кг).

На практике при регистрации кривой ГК используется мень­шая единица — 0,72-10¹⁴ А/кг. Для калибровки каналов ГК используются радиевые источники (эталоны), являющиеся носителями единицы дозы гамма-излучения, создаваемой на за­данном интервале. Все приборы в данном районе калибруются относительно одного эталонного источника. Это создает благо­приятные условия для сопоставления кривых, замеренных в раз­ных скважинах. При этом точность сопоставления определяется только погрешностями аппаратуры и геолого-техническими при­чинами.

Счетчик Гейгера – Мюллера.

В этом счетчике один из электродов (анод) под напряжением 800 – 1000 В помещен в камеру, заполненную ионизирующим газом под низким давлением (» 0.01 ат). Часть гамма – квантов, проходя через камеру, не взаимодействует на своем пути с молекулами газа, что снижает эффективность счетчика. Другие гамма – кванты вызывают ионизацию нескольких молекул газа.

Каждый зарегистрированный счетчиком гамма – квант вызывает в цепи питания счетчика импульс тока.

Сцентилляционный счетчик.

Индикатором гамма – излучения является прозрачный кристалл, молекулы которого обладают свойством сцентилляции – испускания фотонов света при воздействии гамма – квантов. Фотоны отмечаются фотоумножителем и вызывают поток электронов к аноду (ток).

Рис. 4. Принципиальная схема сцинтиллядионного счетчика.

1. сцинтиллятор (люминофор); 2. отражатель; 3. ФЭУ; 4. фотокатод;

5. фокусирующий динод; 6. диноды; 7. собирающий электрод (анод); 8. делитель напряжения

Большим преимуществом сцентиллятора является высокая эфективность счета (регистрируется до 50 – 60% гамма – квантов, проходящих через кристалл) по сравнению с другими типами счетчиков, эффективность которых 1 – 5%. Это позволяет уменьшить длину счетчиков с 90 до 10 см, улучшить вертикальное расчленение и обеспечить малую статическую флуктуацию.