Области применения ГГМ-П

Размещено на http://www.allbest.ru/

35

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Физические основы метода

1.1 Сущность метода и его физические основы

1.2 Процессы взаимодействия излучения

1.3 Схема реализации зондового устройства

1.4 Схемы измерения плотности и конструкции зондов

2. Методика и техника работ

2.1 Метод просвечивания узким пучком ?-излучения

2.2 Обработка измерений и вычисление плотности

2.3 Метод просвечивания широким пучком ?- излучения. Измерение плотности поверхностных слоев

2.4 Измерение плотности слоев на большой глубине

2.5 Методы регистрации ?-излучения

2.6 Аппаратура применяемая при реализации метода

3. Применение метода

3.1 Области применения ГГМ-П

3.2 Другие возможности применения ГГМ-П

Заключение

Список использованной литературы



Введение

Ядерно-геофизические методы разведки являются средством анализа горных пород и руд в широком смысле этого слова. С их помощью можно определить вещественный состав горных пород и полезных ископаемых, а также такие свойства, как плотность, влажность, пористость и некоторые другие. Ядерно-геофизические методы применяют при поисках и разведке самых различных полезных ископаемых. По своей сути они являются составной частью геохимических методов разведки, так как их применение и интерпретация результатов базируются на закономерностях распределения и миграции элементов в земной коре.

Ядерно-геофизические методы обладают небольшим радиусом действия (глубинностью) -- не более нескольких десятков сантиметров. Эта особенность во многом определяет их возможность и место в геологораз-ведочном производстве: исследование поверхности горных пород, анализ пород в горных выработках и скважинах. Существенное достоинство ядерно-геофизических методов состоит в том, что они являются в большинстве случаев прямыми методами определения тех или иных полезных ископаемых или физических свойств пород.

Ядерно-геофизические методы разведки основаны на использовании излучений естественных и искусственных радиоактивных элементов.

Методы изучения естественной радиоактивности -- радиометрия -- исторически развивались обособленно и в настоящее время разработаны более детально, чем методы искусственной радиоактивности. Обычно под ядер но-геофизической разведкой понимают методы, основанные на использовании искусственных источников ионизирующего излучения. Методы, основанные на изучении естественной радиоактивности, в на-стоящей книге не рассматриваются.

Существует несколько десятков ядерно-геофизических методов, но на практике применяются не все. Они условно делятся на две группы: гамма-методы, основанные на использовании источников у-излучения и изучении у-полей, и нейтронные методы, в которых изучают поля нейтронов или связанное с нейтронным полем у-излучение. Классификация ядерно-геофизических методов окончательно не разработана, поэтому нередко встречаются различные названия одного метода. Общепризнанной считается классификация, но которой название метода включает обозначение первичного ионизирующего излучения, воздействующего на горную породу, и вторичного излучения, которое испускается горной породой и анализируется детектором: например гамма-гамма-метод (ГГМ), нейтрон-нейтронный метод (НИМ), нейтронный гамма-метод (НГМ).

Важный метод изучения радиоактивных руд и геологического разреза -- гамма-каротаж (ГК) -- предложили и осуществили в1934 г Г. В. Горшков, Л. М. Курбатов и В. А. Шпак. В 1937 г. Г. В. Горшков обосновал гамма-нейтронный метод анализа бериллиевых руд. В 1941 г. родился еще один метод ядерно-геофизической разведки -- нейтронный гамма-каротаж (НГК), предложенный Б. М. Понтекорво. В 1946 г. Г. В. Горшков и Н. М. Лятковская опубликовали статью, в которой были изложены результаты проведенных в 1942--1944 гг. работ по обоснованию нейтрон-нейтронного каротажа (ННК) и соответствующей каротажной аппаратуры. Позже ННК нашел применение как способ определения влажности грунтов (Белчер Д. Дж. и др., 1950). В 1950 г. Бердан, Бернард и Белчер применили гамма-гамма- метод (ГГМ-П) для измерения плотности почв и грунтов. Плотностной гамма-гамма-каротаж на угольных и рудных месторождениях осуществлен в 1954--1957 гг. советскими учеными (Ю. П. Булашевичем, Г. М. Воскобойниковым, А. П. Очкуром, Е. М. Филипповым). Один из важных методов ядер но-геофизической разведки -- активационный (AM) -- предложил в 1940 г. Фирон; в развитие метода внесли большой вклад советские ученые, работающие над AM с 1950--1953 гг. под руководством Г. Н. Флёрова и Ф. А. Алексеева. В 1957 г. Г. М. Воскобойников предложил гамма-гамма-метод опробования руд тяжелых элементов (селективный гамма-гамма-каротаж -- ГГК-С), получивший в последующие годы широкое применение. Советские ученые обосновали и применили импульсный нейтрон-нейтронный каротаж(ИННК), разработка которого начиная с 1958 г. выполнялась под руководством Г. Н. Флёрова. Следует отметить быстро прогрессирующий изотопный рентгеноспектральный (рентгенорадиометрический) метод анализа руд, создание которого связано с именем А. Л. Якубовича (1958 г.).

Советские ученые внесли большой вклад в развитие теории ядерно-геофизических методов. Основополагающими явились работы В. И. Баранова, Ю. П. Булашевича, Г. В. Горшкова, А. Г. Грамматикова. Теория нейтронных методов формировалась в работах С. А. Кантора, Д. А. Кожевникова, А. Л. Поляченко и др. Развитие теории гамма-методов связано с именами Г. М. Воскобойникова, И. Г. Дядьнна, Е. М. Филиппова и др. Из зарубежных исследователей следует отметить Титмана, Колдуэла, Титла.

В СССР сформировались и успешно работают научные коллективы, которые разрабатывают ядерно-геофизические методы. Одной из старейших является лаборатория ядерной геофизики Московского института нефтехимической и газовой промышленности им. И. М. Губкина (В. Н. Дахнов, А. И. Холин), которая занимается разработкой нейтронных методов применительно к разведке нефтяных и рудных месторождений. Здесь же разрабатывался гамма-каротаж как метод исследования осадочного разреза (В. В. Ларионов). На Урале в Институте геофизики УФ АН СССР выполнены работы по развитию гамма-методов ядерной геофизики (Ю. П. Булашевич, Г. М. Воско- бойников). Обширные исследования выполнены во Всесоюзном научно-исследовательском институте ядерной геофизики и геохимии (ВНИИЯГГ) по развитию многих ядерно-геофизических методов (Д. И. Лейпунская, В. М. Запорожец, И. И. Фельдман и др.). Разработка ядерно-геофизических методов применительно к опробованию рудных месторождений проводится во Всесоюзном институте разведочной геофизики (М. М. Соколов, А. П. Очкур). Вопросы применения ядерно-геофизических методов на нефтяных и газовых месторождениях успешно разрабатывались в Волго-Уральском филиале ВНИИ - Геофизики (Ю. А. Гулин и др.). Обширная программа исследований по нейтронным и гамма-методам ядерной геофизики выполнена в Институте геофизики СО АН СССР (Е. М. Филиппов, Е. Б. Бланков, Т. Н. Бланкова) и в Казахском филиале Всесоюзного института разведочной геофизики (И. П. Кошелев). Исследовательские ядерно- геофизические группы имеются в Сверллоеском горном институте (Г. С. Возженников), Ленинградском горном институте (В. А. Арцыбашев), Ленинградском университете (В. А. Мейер) и др.

Ядерно-геофизические методы в настоящее время широко применяются при разведке угольных, нефтяных и рудных месторождений. Особо следует отметить эффективнее применение ядерно-геофизических методов опробования на рудниках черных и цветных металлов, где их внедрение позволяет коренным образом усовершенствовать технологические процессы добычи полезных ископаемых. Применение ядерно- геофизических методов дает ежегодно большой экономический эффект, улучшает качество, повышает темпы геологоразведочных работ.



1. Физические основы метода

1.1 Сущность метода и его физические основы

Изучение плотности пород и руд гамма-гамма-методом (ГГМ-П) выполняют, помещая в среду или на поверхность среды источник ?-излучения и детектор, регистрирующий ?-поле на небольших расстояниях от источника ( до 50--70 см). При некоторых условиях поглощение и рассеяние ?-квантов, испускаемых источником, зависит только от плотности среды, поэтому измерение ослабленного ?-излучения позволяет определять плотность.

Существует три модификации ГГМ-П: метод просвечивания узким пучком ?-излучения, или метод первичного ?-излучения; метод просвечивания широким пучком, или метод широкого пучка, и метод регистрации рассеянного ?-излучения.

В методе узкого пучка с помощью свинцовых диафрагм или радио-техническим путем выделяют первичное ?-излучение источника, проходящее через образец или слой горной породы. Метод применяют главным образом в лабораторных условиях.

В методе широкого пучка источник и детектор, не имеющие коллиматоров, помещают в две параллельные скважины и просвечивают слой породы между ними. При этом детектор регистрирует как первичное, так и многократно рассеянное ?-излучение.

В методе рассеянного ?-излучения детектор и источник соединены в единую конструкцию (зонд). Между ними находится свинцовый экран, поглощающий первичное ?-излучение источника. Зонд помещают в скважину или на поверхность горной породы и регистрируют только ?-излучение, рассеянное породой.

С помощью ГГМ-П определяют абсолютные значения плотности пород и руд в лаборатории, в полевых условиях и в скважинах. Точность измерений высокая (погрешность 1--3%), что достаточно при использовании ГГМ-П для изучения плотности горных пород в процессе геофизических исследований (методами гравиразведки и сейсморазведки), при расчленении геологического разреза и идентификации пород, а также для использования значений плотности руд при подсчете запасов полезных ископаемых.

1.2 Процессы взаимодействия ?-излучения с веществом

Существуют 3 основных процесса, которые носят названия фотопоглощения, комптоновского рассеяния и образования пар.

Фотопоглощение (фотоэффект) заключается в поглощении ?-кванта атомом вещества, его энергия уходит на отрыв от атома электрона и сообщение последнему импульса энергии. Атом остается возбужденным и переходит в нормальное состояние, испуская фотон рентгеновского излучения.

Фотоэффект наблюдается при самых малых энергиях ?-квантов. Вероятность поглощения ?ф, при фотоэффекте сложным образом зависит от энергии ?-кванта Е? и химического состава вещества.

Комптоновское рассеяние - это неупругое рассеяние ?-квантов на электронах вещества, в результате которого ?-квант теряет часть своей энергии и меняет направление движения. Наблюдается комптон-эффект при более высоких энергиях, условно можно считать Е? > 0,5 МэВ.

Вероятность комптон-эффекта ?? зависит от сечения комптоновского рассеяния ?к, которое, в свою очередь, является функцией энергии и атомного номера элемента, и от числа электронов в единице объема вещества пe.



Рисунок 1- Виды взаимодействия гамма-квантов с веществом:

Фотоэффект (а), комптоновское рассеяние (б), образование пар (в), ядерный фотоэффект (г) .

Образование пар - происходит при взаимодействии ?-кванта с полем ядра атома, ?-квант прекращает свое существование, вместо него образуется пара: электрон и позитрон. Вероятность этого процесса невелика, во-первых, потому, что ядро занимает лишь небольшую часть объема всего атома и, во-вторых, потому, что энергия ?-кванта должна быть достаточной для этой реакции (E? > 1,02 МэВ).

Процесс образования пар в ядерно-геофизических методах пока не используют.

Ядерный фотоэффект заключается в поглощении ?-кванта ядром атома, после чего ядро становится возбужденным и переходит в нормальное состояние через испускание нейтрона. Нейтрон имеет тепловую энергию. Эта реакция пороговая - энергия ?-кванта должна быть больше энергии связи нейтрона в ядре, а она зависит от массы последнего.

Все рассмотренные процессы в горных породах при облучении их ?-квантами искусственного источника происходят не по отдельности, а совместно. Быстрые ?-кванты исчезают в результате образования пар и замедляются в результате комптоновского рассеяния, рассеянные поглощаются в результате фотоэффекта. Преобладание того или иного процесса зависит от энергии ?-квантов и свойств горной породы - ее плотности и эффективного номера.

В зависимости от того, какой из процессов подвергается исследованию, в ГГК выделяют 2 основные разновидности метода: плотностной и селективный ?-?-каротаж.

Для узкого пучка гамма - квантов суммарное сечение взаимодействия с веществом:

J = J₀ exp ( - ?^? * r) [1.1]

где, ?^? = ?_ф^макр + ?_эп^макр + ?_к^макр

?^? - имеет смысл линейного коэффициента ослабления. Для перехода к 4? пространству, введём множитель в формулу 2.1:

J =(1/4?r²) J₀ exp ( - ?^? * r) [1.2]

Из приведённых в главе формул микроскопических сечений взаимодействия можно сделать вывод, о том, что только сечения Комптон - эффекта однозначно зависит от плотности среды. Действительно, отношение Z / A_m для породообразующих минералов стабилен и равен 0,5, для водорода = 1, для тяжёлых элементов >0,5, но малое их содержание вносит погрешность, на мой взгляд, меньший, чем погрешность измерений, и ими мы пренебрегаем. Другими словами, сечение Комптон - эффекта пропорционально плотности среды через некоторую const.

Эффект Комптоновского рассеяния имеет смысл некогерентного (рис 3). В среде также возможно упругое (когерентное) рассеяние. Но когерентное рассеяние начинает происходить при энергиях гамма - кванта менее приблизительно 50 кэВ, а гамма - кванты с такой энергией фильтруются.

Из вышесказанного понятно, что для определения плотности информация, полученная в процессе искажения первичного потока гамма - квантов другими видами взаимодействий, является помехой. Для решения этой задачи рассмотрим вероятности протекания различных видов взаимодействий в зависимости от энергии гамма - квантов.

Взаимодействие с образованием электронно - позитронных пар происходит при энергиях больше 1,022 МэВ. Вероятность фотоэффекта дискретна и растёт с коротковолровой стороны, начиная с энергий около 0,2 МэВ. Сечение Комптон - эффекта в энергетическом окне 0,2 , 1 МэВ практически постоянно, и в этом окне крайне мало вероятны другие взаимодействия. Сделаем вывод, что если снимать информацию с гамма - квантов этого энергетического окна, то она будет характеризовать только плотность среды или горной породы. Информация носит характер ослабления потока гамма - квантов, испускаемых источником, в процессе некогерентного Комптоновского рассеяния на электронах среды. Полевые измерения реализуются в измерении скорости счёта гамма - квантов J_yy [имп /сек], пришедших на детектор, но осреднённому по объёму области, в котором существует поле, где изменение скорости счёта происходит прямо пропорционально изменению плотности среды.

Как было показано в главе 1, рис 3 - б при рассеянии гамма - кванты меняют свою первоначальную траекторию на некоторый угол ?, с вероятностью, зависящей от энергии. В интервале рабочих энергий углы рассеяния лежат в области 2?, причем отражения на угол более 90 становятся вероятнее с снижением энергии, таким образом накапливаются. Распределение плотности гамма - квантов зависит от двух параметров - плотности и расстояния от источника.

Существует окно значений, в котором изменения ? * r не ведёт к изменению плотности гамма - квантов, эту область называют инверсионной. Она образуется из - за возврата гамма - квантов. Она представляет в однородной, изотропной среде область, ограниченную сферами, радиусы которых зависят от плотности изменяются с её изменением, т. е. эта область сужается в среде с большей плотностью и наоборот. Совершенно понятно, что данные, полученные из инверсионной области для данной модификации некондиционны. Поэтому перед проведением каротажа плотностей необходимо априори иметь представление об величинах плотностей в разрезе для корректного выбора типоразмера зонда. При бурении скважин стенки скважины и около скважинное пространство испытывают различные измерения, обусловленные размывами, обрушениями, сальниками, проникновением бурового раствора, воздействием ПРИ. Это главная и безусловная помеха. Данные, полученные из доинверсионной области будут характеризовать плотность близ стеночного пространства, с искажённой плотностью. Поэтому, для повышения глубинности снятия информации используются заинверсионные зонды.

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(?) близка к линейной при z> 20 см

Наиболее важный вывод -- уменьшение влияния глинистой корки с увеличением длины зонда z. При увеличении z от 35 до 100 см влияние промежуточной среды уменьшается примерно в 2 раза, но еще остается достаточно большим (0,04--0,06 г/см³ на 1 см глинистой корки), что не позволяет отказаться от учета этого фактора и соответствующей корректировки результатов ПГГК.

Геометрическая глубинность R, увеличивается с уменьшением плотности ?, 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.



1.4 Схемы измерения плотности и конструкции зондов

Зонды различных конструкций, применяемые для изучения скважин и поверхности методом рассеянного ?-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 ?-зонд с симметричным испусканием и регистрацией ?-квантов [4, 6].

Рисунок 2.5- Схемы зондов метода рассеянного ?-излучения:

1 --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 2?-зондам с односторонним испусканием и регистрацией ?-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 ?-излучения. Кроме того, с помощью фильтров или пороговой дискриминации отсе-кается длинноволновое у-излучение, что в сочетании с коллимацией обеспечивает регистрацию однократно рассеянного ?-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).



2. Методика и техника работ

2.1 Метод просвечивания узким пучком ?-излучения

Схема установки, используемой для измерения плотности образцов методом просвечивания узким пучком, показана на рисунок 1.2. Узкий пучок ?-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 ?-излучения.

Основная зависимость, используемая в методе узкого пучка:

I₀/A = ехр (--? k₀рd), (1.6)

где ? -- поправка на неполную коллимацию. Произведение ?k₀= с₀ называют массовым эффективным коэффициентом ослабления первичного ?-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:



Размещено на http://www.allbest.ru/

35

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

35

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рекомендуется для той или иной аппаратуры определять поправку ? 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 ? и нормальный цикл измерений, определяют X_?i -- массовую толщину каждой пластинки. При этом из-за различия в вещественном составе горных пород и материала эталонов значения X_?i отличаются от про-изведения плотности эталонов на их толщину. С помощью эталонов получают зависимость

N = ? (X), (1.7).

где N -- показания радиометра; Х=?X_?i - 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/(? k₀d)] LnK, (1.8)

где К = (А - I_ф)/(I_о - I_ф).

Если канал регистрации ?-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_? = 1, приведены в табл. 2.1.

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

Источник	Zэфф среды
	8	1 4	26	47	74	82
137Cs 60Со	0,078 0,057	0,078 0,057	0,0785 0,0575	0,086 0,065	0,122 0,073	0,135 0,076



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

При использовании эталонов плотности для k₀ = const и ? = 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 ?- 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 ?-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 ?- 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.

2.4 Измерение плотности слоев на большой глубине

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



1 -- источник

?-излучения:

2 -- детектор; 3 -- гильза радиометра;

4 -- 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 ?-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.

2.5 Методы регистрации ?-излучения

В ядерной геофизике применяют ионизационные детекторы ?-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 ?-квантов:

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



Рисунок 1.4 - Зависимость эффективности газоразрядных счетчиков от энергии ?-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 ?-излучения (Р₁-- вероятность взаимодействия у-кванта с катодом; Р₂ -- вероятность выхода вторичного электрона из катода в объем счетчика).?

Промышленностью выпускается несколько серий счетчиков. Современные галогенные счетчики (типа СТС) отличаются низким рабочим напряжением (350--400 В), широким температурным диапазоном работы (от - 40 до +80° С) и продолжительным сроком службы.

2.6 Аппаратура применяемая при реализации метода

Современная аппаратура

Для измерения плотности методом рассеянного ?-излучения обычно используют интегрирующую аппаратуру, преимущественно на сцин- тилляционных счетчиках.

Приставные плотномеры. Для измерения плотности поверхностных слоев при инженерно-геологических изысканиях, а также в строительстве и мелиорации разработаны и выпускаются промышленностью некоторых стран (СССР, ПНР, США, Франция, ФРГ и др.) приставные плотномеры или плотномеры-влагомеры [3, 4, 6, 8].

Основной тип выпускаемого в СССР плотномера -- ПГП-1. Прибор состоит из датчика-зонда, пульта и контрольно-защитного устройства. Масса комплекта аппаратуры 20 кг. Пределы измерения плотности 1,0--2,3 г/см³ при погрешности ±0,1 г/см³. В качестве источника используется ¹³⁷Cs активностью 5--10 мКи, а детектором служат восемь газоразрядных счетчиков типа СТС-5.

Прибор ПГП-1 по некоторым показателям не соответствует уровню современных методических разработок ГГМ-П. Более совершенный плотномер ПГГП-1 (сцинтилляционный детектор, источник ¹³⁷Cs активностью 0,24 мКи, диапазон измерения плотности 1,3--3,5 г/см³, погрешностью ±0,02--0,03 г/см³, масса 5,3 кг) создан в Институте геологии и геофизики СО АН СССР [7].

Аппаратура ГГК-П. Для каротажа неглубоких скважин при инженерно-геологических исследованиях в ряде стран изготавливают комплекты переносной аппаратуры [4, 61. В СССР выпускают аппаратуру типа ГГП-1, имеющую такие же технические показатели, как у приставного плотномера ПГП-1. Скважинный снаряд представляет собой 4 л-зонд. Длина кабеля 7 м.

Для каротажа короткометражных скважин подземного бурения можно использовать комплект переносной аппаратуры РСР-2, предназначенный для проведения селективного ГТК. Зонд РСР-2 снабжен прижимной пружиной (2л,-зонд). В нем имеется сцинтилляционный детектор. Длину зонда можно регулировать. Для проведения ГГК-П необходимо использовать источник ¹³⁷Cs или ⁶⁰Со и закрыть детектор дополнительным фильтром.

Для ГГК-П глубоких скважин на нефтяных и газовых месторождениях наша промышленность выпускает комплексную аппаратуру радиоактивного каротажа типа НГГК (на газоразрядных счетчиках) и ДРСТ (на сцинтилляционных счетчиках). Аппаратура состоит из наземной панели и скважинного снаряда с симметричным 4 л-зондом (диаметр 90--95 и 102 мм). Длину зонда можно изменять в пределах от 20 до 60--70 см. Отсутствие прижимных устройств и сильное влияние скважинных условий не позволяют проводить с указанной аппаратурой количественные измерения плотности.

В США налажен промышленный выпуск аппаратуры ГГК-П для исследования нефтяных и газовых скважин, в которую входят скважинные 2л -зонды с прижимными устройствами. Выпуском такой аппаратуры занимаются три фирмы -- «Шлюмберже», «Лейн уэлс» и «Мак-Каллоу» [5].

Для изучения угольных и рудных скважин методом ГГК-П служит аппаратура ДРСТ-2 (диаметр скважинных снарядов 80 и 60 мм). РСК-М (диаметр 48 мм) и ДРСА (диаметр 36 мм).

Все типы аппаратуры имеют скважинные снаряды с 4л-зондами, сцинтилляционные детекторы и допускают использование источников ⁶⁰Со и ¹³⁷ Cs активностью до 3--5 мг-экв. Ra. В комплект аппаратуры ДРСА входит съемное прижимное устройство, с помощью которого скважинный снаряд работает в геометрии 2я-зонда.

В настоящее время аппаратура ГГК-П модернизируется (переход к 2я-зондам, снабженным контрольно-калибровочными устройствами многопозиционного действия [2]).

Аппаратура для скважинных измерений. Для исследования нефтяных и газовых скважин, как правило, применяются двухзондовые измерительные установки, экранированные от скважины, с азимутальной коллимацией излучения источника и регистрируемого излучения (рисунок 5, а--в). Для измерения плотности углей и углевмещающих пород в скважинах малого диаметра (d_c<130 мм) используется центрированная двухзондовая измерительная установка ПГГК без азимутальной коллимации излучения (рис. 7, г). Для качественного расчленения пород по плотности на месторождениях твердых полезных ископаемых используются однозондовые измерительные установки ПГГК без коллимации излучения (рис. 7, д), длина зонда которых выбирается в зависимости от объекта исследования (30--40 см для угольных и 20--30 см для рудных скважин).

Совместная обработка показаний двух зондов ПГГК в процессе каротажа позволяет ослабить влияние промежуточной среды (глинистой корки, локальных каверн) на результаты измерения плотности горных пород. Параметры зондов (длина зонда, углы коллимации излучения, пороги энергетической дискриминации) выбираются из условия разных глубинности и чувствительности зондов к изменению плотности пород и параметров промежуточной среды.



Рисунок 1.2 - Конструкции измерительных установок ПГГК:

а -- прибор СГП2-АГАТ; б -- модуль ПГГК аппаратуры МАРК-1; в -- ПГГК фирмы „Шлюмберже", г -- КУРА-3, д -- КУРА-2. 1 -- источник гамма-квантов; 2 -- детектор ближнего зонда; 3 -- детектор дальнего зонда; 4 -- прижимное устройство; 5 -- центрирующее устройство.



3. Применение метода

3.1 Области применения ГГМ-П

Плотность горных пород и полезных ископаемых является важным параметром, .который либо непосредственно используется для изучения геологической разреза и подсчета запасов полезного ископаемого, либо необходим для интерпретации других методов геофизики (в том числе ядерной геофизики). Важное значение имеют сведения о плотности для инженерно-геологического изучения свойств грунтов и оснований сооружений. Остановимся более подробно на применении ГГМ-П для решения различных задач.

Определение плотности горных пород и руд при подсчете запасов полезных ископаемых

Основными параметрами, характеризующими разведанные запасы, являются геометрические размеры рудного тела, плотность (объемная масса) руды в естественном залегании и содержание полезного компонента. Плотность руд изучается на всех стадиях разведки по образцам керна, полученного из буровых скважин, по образцам руды, отобранным в горных выработках, и, наконец, с помощью валовых проб (целиков), отбираемых в горных выработках. Весовые методы определения плотности отличаются трудоемкостью или имеют другие недостатки и в большинстве случаев могут быть с успехом заменены ГГМ-П.

Применение метода узкого пучка следует рекомендовать при массовых измерениях плотности образцов горных пород и керна в случае трещиноватых или пористых руд.

Наиболее ответственные определения плотности, используемые при Подсчете запасов высоких категорий, проводят в горных выработках. Применение ГГМ-П в модификации просвечивания широким пучком у-излучения при системе измерения абсолютных значений плотности полностью решает задачу. Наряду с экспрессностью и высокой представительностью ГГМ-П обеспечивает учет всех особенностей руд в массиве-- пористости, естественной влажности, микро-и макротрещино- ватости и др.

При буровой разведке низкая представительность или плохой выход керна по рудному интервалу затрудняют изучение руд по образцам. В этих условиях применение ГГК-П дает неоспоримые преимущества. Во-первых, достигается большая представительность определений плотности благодаря непрерывным измерениям по всему разрезу рудного тела. Во-вторых, учитываются макротрещиноватость и другие особенности руд непосредственно в естественном залегании без нарушения структуры.

ГГМ-П обеспечивает измерение плотности руд с точностью ±1--3%.

3.2 Другие возможности применения ГГМ-П

Широкое использование геофизических методов при решении разнообразных геологических задач вызывает необходимость систематического изучения физических свойств горных пород, в частности такого важного параметра, как плотность. Изучение плотности на воздушно-сухих образцах имеет некоторые недостатки. Применение приставных гамма-плотномеров для изучения плотности в коренных выходах горных пород и в горных выработках и особенно ГГК-П скважин полностью решает задачу.

ГГК-П находит широкое применение на нефтяных и газовых месторождениях для изучения пористости пород (по изменению плотности) и на угольных месторождениях для выделения угольных пластов и определениях их мощности и строения.

Почти на всех месторождениях целесообразно применение ГГК-П с целью расчленения геологического разреза по плотности (в комплексе с другими видами каротажа). Успех обеспечивается при высокой точности измерений (±1--2%) благодаря тому, что плотность является весьма стабильным параметром горной породы, так что породы различаются по диаграммам ГГК-П при небольшой (0,1--0,005 г/см⁸) разнице в плотности.



Заключение

Плотностной гамма-гамма-каротаж (ГГК-П) основан на изучении комптоновского рассеяния ?-квантов в горных породах. Поскольку этот эффект наблюдается при достаточно высокой энергии ?-квантов, то в ГГК-П используют источники с энергией Е? > 0,5 МэВ. Такими источниками являются искусственные изотопы Со60, Сs137 и естественный ЕРЭ - Rа226, который дает целый спектр ?-квантов с энергиями от 0,35 до 1,76 МэВ. Длина зондов от 20 до 50 см.

Область применения. ГГК-П находит применение при исследовании нефтяных и газовых, углеразведочных и рудных скважин. На нефтяных и газовых месторождениях ГГК-П применяют для дифференциации разрезов скважин по плотности и для определения Гористости пород-коллекторов. Плотность породы в целом о,, определяют по результатам плотностного ГГК. При этом аппаратуру градуируют на эталонных образцах с известной плотностью. Современная аппаратура позволяет получать диаграммы ГГК-П, масштаб которых сразу разбит в единицах плотности. Выражение для Кп получают из уравнения.

ГГК-П применяют также при цементометрии эксплуатационных скважин для определения высоты подъема и наличия пустот в цементном камне, поскольку плотность цементного камня 2,2 г/см3 а жидкости, заполняющей пустоты в нем, 1,0-1,2 г/см3. На месторождениях ископаемых углей ГГК-П применяют для выделения угольных интервалов. Поскольку плотность углей (?у =1,15-1,75) г/см3 намного меньше, чем плотность песчано-глинистых вмещающих пород (?вм = 2,5-2,7) г/см3, то над угольными интервалами интенсивность рассеянного ?-излучения значительно повышается.



Список использованной литературы

1. Арцыбашев В.А. «Ядерно - геофизическая разведка», Москва «Атомиздат» 1980г.

2. Ларионов В.В, Резванов Р.А. «Ядерная геофизика и радиометрическая разведка», Москва «Недра» 1988г.

Размещено на Allbest.ru