Материал: Области применения ГГМ-П

1.3 Схема реализации зондового устройства

Для плотностной модификации ГГК применяют зонды различного аппаратно - технологического решения, но объединённые одной характеристикой - длинной зонда, т. е. расстоянием между приёмником и источником.

От длины зонда зависит относительная интенсивность регистрируемых гамма - квантов, рисунок 1.1. Из этих графиков видно, что по мере роста длинны зонда при одинаковых значениях плотности, различия в скорости счета то же увеличивается. Т. о. разрешающая способность растёт по мере увеличения длинны зонда.

Рисунок 1.1- График регистрируемых гамма квантов.

излучение зондовый геофизический разведка

Для экранированного от скважины прибора относительная дифференциация, за которую принято отношение показаний I против пласта с плотностью 2 или 2,325 г/см³ к значению J₀ в пласте с плотностью 2,65 г/см³, растет с увеличением длины зонда z. Из сопоставления I / I₀ и I₂ / I₀ следует, что зависимость Ln(I / I₀) = f(ρ) близка к линейной при z> 20 см

Геометрическая глубинность R, увеличивается с уменьшением плотности ρ, и ростом длины зонда z, в среднем составляет около 7-12 см.Таким образом, информация при ПГГК усредняется по достаточно большому объему горных пород. Однако по сравнению с данными, полученными из керна, наши данные более представительны и кондиционны, т.к. получены при глубинных условиях.

.4 Схемы измерения плотности и конструкции зондов

Зонды различных конструкций, применяемые для изучения скважин и поверхности методом рассеянного γ-излучения, показаны на рисунке - 2.5;

Зонд типа а используют для изучения скважин малого (30-60 мм) диаметра при инженерно-геологических изысканиях и почвенных исследованиях. Это так называемый 4 π-зонд с симметричным испусканием и регистрацией γ-квантов [4, 6].

Рисунок 2.5- Схемы зондов метода рассеянного γ-излучения:

-источник v-излучения; 2 - детектор; 3 - свинцовый экран

Зонд типа б применяют на рудных и угольных месторождениях для изучения скважин диаметром от 59 до 110 мм. Он относится к 2π-зондам с односторонним испусканием и регистрацией γ-излучения. Пружина, прижимающая зонд к стенке скважины, и свинцовые экраны, закрывающие источник и детектор со стороны бурового раствора, исключают влияние переменного диаметра скважины и больших каверн.

В зонде типа в, который используется для изучения скважин большего диаметра (более 150-200 мм) на нефтяных месторождениях, имеются коллиматоры испускаемого и регистрируемого γ-излучения. Кроме того, с помощью фильтров или пороговой дискриминации отсе-кается длинноволновое у-излучение, что в сочетании с коллимацией обеспечивает регистрацию однократно рассеянного γ-излучения. При измерениях по этой схеме увеличивается глубинность исследования и уменьшаются помехи, вызываемые мелкими кавернами и глинистой коркой. Недостаток зонда-большой диаметр и низкая скорость счета по сравнению с другими схемами.

Зонд типа г применяют для изучения наклонных скважин большого диаметра (на нефтяных и газовых месторождениях). Источник и детектор вращаются вокруг эксцентричной оси. Зонд обладает лучшей проходимостью в скважине, чем зонд с фонарем.

Схему д используют в приставных плотномерах, применяемых для изучения поверхностных слоев пород и руд.

Основной геометрической характеристикой зонда является его длина R, равная расстоянию между центрами источника и детектора. В методе рассеянного у-излучения оптимальный размер зонда, выраженный в массовых единицах, равен рR - 40-f-100 г/см², так что в зависимости от плотности пород следует менять длину зонда R. Зонды указанной длины обеспечивают использование нисходящей (заинверсионной) части графика основной зависимости, расположенной справа от максимума.

Длина свинцового экрана должна быть не менее 5-7 см, если применяется источник ¹³⁷Cs, и 10-12 см для источника ⁶⁰Со. Длина экрана может быть меньше расстояния между источником и детектором. В таком случае его следует разделить на две части и приблизить их к источнику (1/3) и детектору (2/3 длины экрана), оставив между ними промежуток.

В методе рассеянного излучения интенсивность регистрируемого у-излучения при одинаковом источнике примерно на порядок меньше, чем в методе широкого пучка. Так как использование мощных источников нежелательно по соображениям безопасности работ, рекомендуется применять источники ¹³⁷Cs и ⁶⁰Со активностью 1-5 мг-экв. Ra и сцинтилляционные счетчики с кристаллом Nal (Т1).

. Методика и техника работ

.1 Метод просвечивания узким пучком γ-излучения

Схема установки, используемой для измерения плотности образцов методом просвечивания узким пучком, показана на рисунок 1.2. Узкий пучок γ-излучения создают свинцовым коллиматором. Оптимальные размеры коллимационного канала: диаметр 5-10 мм, общая длина 6-7 см для ¹³⁷Cs и 10-15 см для ⁸⁰Со. Примерно ²/₃ общей длины приходится на коллиматор, расположенный перед детектором. Расстояние между источником и детектором равно 20-50 см в зависимости от размеров образцов.

В установках с коллиматорами можно использовать как газоразрядные, так и сцинтилляционные счетчики. Предпочтение заслуживают последние из-за высокой эффективности регистрации γ-излучения.

Основная зависимость, используемая в методе узкого пучка:

₀/A = ехр (-η k₀рd),       (1.6)

где η - поправка на неполную коллимацию. Произведение ηk₀= с₀ называют массовым эффективным коэффициентом ослабления первичного γ-излучения. Поправка обычно равна 0,8-0,9.

Она слабо зависит от Z_эфф среды. Например, для источника ¹³⁷Cs и детектора NaI (Тl) при работе на установке со свинцовыми коллиматорами (диаметр коллимационного отверстия   10 мм) получены следующие данные:

Рекомендуется для той или иной аппаратуры определять поправку η экспериментально с помощью образцов, плотность которых известна.

Нормальный цикл операций при измерении плотности образцов следующий. После включения радиометра и его настройки измеряют фон I_ф, удалив источник. Интенсивность А измеряют в отсутствие образца. Затем помещают образец, измеряют его толщину d по оси коллимационного канала и ослабленную интенсивность I₀. I_ф можно не учитывать, если

I_ф < 0,01 I₀

Предложена методика ускоренного анализа с помощью эталонов плотности. Эталонами служат пять-десять железных и свинцовых пластинок толщиной 3-5 г/см² каждая. Выполнив определение η и нормальный цикл измерений, определяют X_әi - массовую толщину каждой пластинки. При этом из-за различия в вещественном составе горных пород и материала эталонов значения X_әi отличаются от про-изведения плотности эталонов на их толщину. С помощью эталонов получают зависимость

N = φ (X), (1.7).

где N - показания радиометра; Х=ƩX_әi - толщина эталонов. Для определения плотности образцов измеряют только N и толщину d, при этом I_ф и А остаются постоянными и на результаты определения плотности не влияют. Измерения эталонов периодически повторяют, чтобы исключить влияние нестабильной работы аппаратуры.

2.2 Обработка измерений и вычисление плотности

Плотность вычисляют по формуле

р = [1/(η k₀d)] LnK, (1.8)

где К = (А - I_ф)/(I_о - I_ф).

Если канал регистрации γ-излучения не линеен, то значения I₀, А,I_Ф предварительно выражают с помощью обычного градуировочного графика в условных единицах. Значения коэффициентов k₀, нормированных на m_γ = 1, приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1 Нормированные значения массовых коэффициентов ослабления γ-излучения к₀, г^-1,см³

Чтобы вычислить k₀ по данным табл. 2.1, необходимо знать коэффициент электронной плотности m_γ. Таким образом, в методе узкого пучка, как и в общем случае поля многократно рассеянного γ-излучения, вещественный состав учитывают по известным значениям Z_эфф и m_γ.

При использовании эталонов плотности для k₀ = const и η = const строят график зависимости (2.7) и по измеренному N определяют с помощью графика толщину образца X. Плотность равна р = X/d.

2.3 Метод просвечивания широким пучком γ- излучения Измерение плотности поверхностных слоев

В инженерно-геологических исследованиях применяют метод про- свечивания широким пучком для определения плотности рыхлых сред (почв, грунтов и т. д.) в поверхностных слоях мощностью до 50 см.

этих целей служат зонды, схемы которых показаны на рис. 1.3. Вилочный зонд а применяют в тех случаях, когда необходимо измерить плотность на некоторой глубине, исключив самый верхний слой. Из трех схем (б, в, г) с размещением детектора на поверхности среды наиболее удобен штыревой зонд b, в котором длину стержня с радионуклидом можно менять в некоторых пределах.

Экспериментально доказано [ l ], что угол между линией источник - детектор и перпендикуляром к поверхности среды не влияет на результаты измерений, если он не превышает 60°, поэтому измерения плотности можно выполнять при наклонном положении стержня с источником. Неоднородность среды (слоистость, мелкие включения материала повышенной плотности) не влияют на правильное определение средней плотности).

Оптимальная толщина просвечиваемого слоя равна pd = 40/80 гсм². Рекомендуется использовать интегральные радиометры на газоразрядных счетчика типа СТС и источники ⁶⁰Со и ¹³⁷Сs активностью 0,5- 1,5мг-экв Ra. Поскольку серийные плотномеры промышленностью в настоящее время не выпускаются, зонды обычно изготовляются, используя радиометры общего назначения. Для вычисления плотности по зависимости (1.3) необходимо знать I, А и d. Жесткая конструкция зонда обеспечивает постоянное расстояние между источником и детектором и, следовательно, интенсивность излучения при отсутствии поглощающей среды А ~ const и толщина поглощающего слоя d - const, поэтому достаточно определить ослабленное γ-из- лучение I. Фон I_ф может влиять на определение плотности. Так как он обычно мало меняется в пределах конкретного участка, его принимают постоянным, определяя по нескольким измерениям. Чтобы учесть нелинейность канала регистрации радиометра и устранить аппаратурные погрешности, радиометр градуируют с помощью того же источника, который используют при измерении плотности ,мощность источника принимают равной S = - 1000 усл. ед.

Рисунок 1.3- Схемы измерения плотности поверхностных слоев методом широкого пучка

I - источник γ- излучения 2 - детектор

При измерении плотности штыревым или другим зондом можно применить систему контроля и воспроизводства основной зависимости (1.3) с помощью эталонов плотности аналогично тому, как это делается в методе узкого пучка. Для этого зонд помещают в контейнер-калибратор, где источник и детектор закрыты свинцом, в котором имеется коллимационный канал. Последовательно перекрывая канал эталонами (пластинки железа или свинца различной толщины), можно воспроизвести зависимость

I - f (р)        (1.9)

в заданном диапазоне р. Номинальные значения плотности р_эi ( эталона устанавливаются с помощью известной зависимости (1.3) по величинам I_эi выраженным в условных единицах. В дальнейшем, когда р_эi,( определены, зависимость (1.9) строят для значений I , выраженных в делениях шкалы стрелочного индикатора или в импульсах в 1 мин. Номинальные значения р_эi, эталонов справедливы только для определенной толщины d просвечиваемого слоя и расстояния r между центрами источника и детектора. При изменении параметров зонда их определяют заново.

.4 Измерение плотности слоев на большой глубине

Рисунок 1.4- Схема измерений в параллельных шпурах (скважинах):

γ-излучения:

2 - детектор; 3 - гильза радиометра;       

- держатель источника

Плотность пород и руд в горных выработках и на поверхности в целиках размером до 2м определяют методом широкого пучка, выполняя измерения в параллельных шпурах (скважинах). Хотя шпуры проходят, используя кондукторы (в виде двух жестко соединенных параллельных труб), шпуры получаются не строго параллельные. В полевые измерения входят определение ослабленной интенсивности γ-излучения I, фона I_ф и геометрические измерения для определения расстояния r между центрами источника и детектора (рис. 1.4). Рассмотрим подробнее учет непараллельности шпуров.

Обычно перекос скважин не превышает 1-2°. В этом случае для его учета измеряют расстояния a₁ и а₀ между осями двух шаблонов, вставленных в шпуры, и, зная базисное расстояние b, рассчитывают r на глубине h₀:

r = а₀ + (а₀ - a₁,) (h₀/b). (1.10)

Толщина поглощающего слоя

d = r - D,    (1.11)

если при бурении шпура весь материал из его объема удаляется. Если же во время проходки происходит уплотнение стенок шпура (например, ломиком), то для правильного определения плотности следует принимать

d = r. (1.12)

Более общий случай перекоса шпуров в нескольких плоскостях на большие углы рассматривается в работе [l].

Диаметр шпуров обычно равен 30-50 мм. Расстояние между центрами шпуров выбирают такое, чтобы pd = 504-100 г/см² (это оптимальная толщина поглощающего слоя). Плотность определяют вдоль оси шпуров в отдельных точках с шагом 10-20 см. При определении плотности руд для использования в подсчете запасов шпуры располагают группами: один центральный и четыре - шесть шпуров вокруг него.

.5 Методы регистрации γ-излучения

В ядерной геофизике применяют ионизационные детекторы γ-излучения (ионизационные камеры, газоразрядные счетчики, полупроводниковые счетчики) и сцинтилляционные (сцинтилляционные счетчики). Наиболее широкое применение находят газонаполненные ионизационные детекторы и сцинтилляционные счетчики.

Рисунок 1.3- Схема счетчика γ-квантов:

- анод; 2 - катод; 3 - стеклянный баллон.

Рисунок 1.4 - Зависимость эффективности газоразрядных счетчиков от энергии γ-квантов.

Счетчики Гейгера - Мюллера. Газоразрядные счетчики Гейгера - Мюллера являются широко распространенным видом детекторов у-излучения. Они обладают высокой чувствительностью. Благодаря большому значению выходного сигнала (1-10 В) радиотехническая схема, в которую включается счетчик, отличается простотой и надежностью. Недостаток счетчиков Гейгера - Мюллера в том, что их нельзя применить для измерения энергии частиц.

Схема газоразрядного счетчика показана на рисунке 1.3. Материалом катода служат медь, вольфрам, сталь, алюминий или графит. Анод делают из вольфрама. Обычно счетчик заполнен инертным газом (аргон, неон, гелий) под давлением 0,009-0,026 МПа.

На рисунке 1.4 показана зависимость эффективности

£₀ = Р₁Р₂                           (1.24)

газоразрядных счетчиков от энергии регистрируемого γ-излучения (Р₁- вероятность взаимодействия у-кванта с катодом; Р₂ - вероятность выхода вторичного электрона из катода в объем счетчика).