Гамма-гамма метод: физические основы, применяемые модификации, принцип измерения в скважинах, область применения

Порода облучается гамма-квантами и регистрируется интенсивность гамма-излучения, достигающего индикатора излучения, расположенного на некотором расстоянии (длиной зонда L = 15-20 см) от источника. Точка записи однозондового ГГМ - середина между центрами источника и детектора; двухзондового ГГМ — середина между центрами детекторов. Фильтр из тяжелого металла (Fe, Pb, W) между источником и индикатором - поглощает прямое гамма-излучение источника. Измеряемое гамма-излучение состоит из излучения источника, претерпевшего хотя бы одно рассеяние на атомах среды.

Когда гамма-кванты большой энергии (порядка 1 МэВ) претерпевают несколько актов рассеяния и значительно уменьшают свою энергию, они поглощаются в результате фотоэффекта. Взаимодействие гамма-кванта с веществом является случайным процессом - разные кванты до своего поглощения успевают пройти различное расстояние от источника. Поток квантов от источника уменьшается примерно по закону .Он убывает тем быстрее, чем больше коэффициент ослабления μ, т.е. чем выше плотность среды. Вследствие этого поток гамма-квантов у детектора уменьшается с увеличением плотности породы и концентрации в ней тяжелых элементов. Степень влияния последнего фактора можно менять путем выбора начальной энергии гамма-квантов и энергии квантов, преимущественно регистрируемых индикатором. В соответствии с этим существуют две модификации ГГМ: плотностной гамма-гамма-метод (ГГМ-П) и селективный (ГГМ-С).

В плотностной модификации ГГМ применяется источник гамма-квантов относительно большой энергии, чаще всего ⁶⁰Co, испускающий кванты с энергией 1,17 и 1,33 МэВ. Детектор гамма-излучения размещается в толстом корпусе из железа, 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. 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.

Измеряемой величиной в ГГМ-С является скорость счета в энергетических окнах. Интерпретационный параметр метода — индекс фотоэлектрического поглощения Р_е [барн/электрон]. Гамма-излучение в низкоэнергетической области пропорционально электронной плотности и зависит от фотоэлектрической адсорбции. В нефтяных скважинах ГГМ-С применяют в основном для разделения песчаников, известняков и доломитов. Индекс фотоэлектрического поглощения Р_е доломита выше, чем у песчаника, но ниже, чем у известняка (доломит — 3,14 барн/электрон, кварц — 1,81 барн/электрон, кальцит — 5,08 барн/электрон). Соответственно на диаграммах ГГМ-С при равной плотности показания против песчаников наибольшие, против известняков наименьшие, против доломитов — промежуточные. Оценка литологического состава по данным ГГМ-С в комплексе методов радиометрии позволяет определить емкостные свойства отложений с учетом состава матрицы породы. 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.

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, а источник и индикатор экранируют экраном из тяжелого металла за исключением стороны, обращенной 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 σ пород или аналитическую зависимость, находят значения последней. В качестве эталонных сред для эталонирования прибора ГГМ-П используют блоки из материалов различной плотности (алюминий, бетон), 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, для выделения руд с большой плотностью (хромитовые, марганцевые, железные), каменных углей (имеющих малую плотность по сравнению со вмещающими породами), для определения плотности и пористости пород, а также для определения литологического состава пород в комплексе с другими методами ГИС.

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_П требует знания плотности δ_М минерального скелета породы и плотности δ_Ж жидкости, заполняющей ее поры. Названные величины связаны соотношением: δ_П = δ_М(1-k_П) + δ_Жk_П, откуда получаем следующую формулу для определения пористости: k_П = (δ_М - δ_П) / (δ_М - δ_Ж). Из-за малой зоны исследования метод ГГМ для изучения геологического разреза обычно применяют в необсаженных скважинах.