Взаимодействие ионизационных излучений с окружающей средой

При облучении среды потоками ионизационных излучений, созданными радиоактивными источниками, происходят различные сложные физико-химические ядерные явления и процессы.

Альфа- и бета-частицы вызывают в основном ионизацию окружающей среды, т.е. образование положительных ионов и свободных электронов вследствие вырывания электронов из внешних оболочек атомов.

При прохождении гамма-квантов через вещество разного химического состава наблюдаются следующие ядерные процессы.

 Фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), происходящее при взаимодействии гамма-квантов малых энергий (мягкое гамма-излучение с энергией меньше 0,5 МэВ) с атомами плотного вещества. В результате из атомов выбиваются электроны, а среда ионизируется. Атом, потерявший электрон, оказывается в возбужденном состоянии и способен заполнять освободившийся уровень одним из электронов внешней оболочки. Это сопровождается испусканием кванта характеристического (рентгеновского) излучения. В целом поглощение гамма-квантов на единице длины пути пробега можно выразить через коэффициент поглощения (), называемый также макроскопическим сечением фотоэффекта.

 Комптоновское взаимодействие (рассеяние) гамма-квантов повышенных энергий (> 0,5 МэВ) наблюдается с атомами легкого вещества. В результате гамма-квант передает часть энергии электрону, отклоняется от своей прямолинейной траектории распространения и происходит так называемое неупругое рассеяние, сопровождающееся поглощением. Его можно охарактеризовать коэффициентом поглощения , или макроскопическим сечением комптоновского взаимодействия.

 Образование электронно-позитронных пар происходит при взаимодействии гамма-квантов высоких энергий (> 1 МэВ) с полем ядра атомов. При этом гамма-квант отдает энергию и поглощается. Коэффициент такого поглощения () называется макроскопическим сечением образования пар. Все рассмотренные процессы в горных породах при облучении их γ -квантами искусственного источника происходят не по отдельности, а совместно.

Быстрые γ -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 γ -квантов и свойств горной породы - ее плотности и эффективного номера

Фотоэффект наблюдается при самых малых энергиях γ-квантов. Условно можно считать Е γ<0,5 МэВ. Вероятность поглощения при фотоэффекте сложным образом зависит от энергии у-кванта Еу и химического состава вещества.

Комптон-эффект зависит от плотности вещества

2. Измерение гамма-излучения в скважине. Гамма – метод (ГМ). Физические основы метода, область применения, решаемые задачи.

Метод исследования геологического разреза скважин, основанный на реги­страции излучений, испускаемых естественно радиоактивными эле­ментами горных пород, носит название метода естественной радиоактивности. Поскольку обычно альфа- и бета-лучи, име­ющие малый пробег в веществе полностью поглощаются буровым ра­створом и корпусом скважинного снаряда, а индикатора достигают лишь гамма-лучи, этот метод называют также гамма-методом и со­кращенно обозначают ГМ. Существуют интегральные методы, при которых регистрируется общая интенсивность излучения, и их спектральные модификации, с помощью которых исследуют энергетические спектры излучений и оценивают содержание в горных породах отдельных элементов.

Методы естественной радиоактивности делятся на: интегральный (ГМ) и спектральный (ГМ-С). При исследовании гамма-методом в скважину опускают прибор, который содержит детектор излучения и электронную схему (рис. 43), служащую для питания индикатора, усиления его сигналов и передачи их через кабель на поверхность. Часто используют мно­гоканальные приборы, регистрирующие одновременно диаграммы гамма-метода и нейтронного гамма-метода. Точка записи ГМ совпа­дает с серединой детектора.

Если не считать урановых и ториевых руд, наибольшей гамма-активностью обладают кислые изверженные породы, например граниты, а также глины.

По интенсивности гамма-излучения 1 г этих пород эквивалентен 10-12 г 226Ra.

Наименее активны (менее10-12 г Ra) ультраосновные породы, среди осадочных пород – чистые разности известняков, песчаников, большинства каменных углей и особенно гидрохимических пород (кроме калийных солей).

В осадочных породах, как правило, радиоактивность тем больше, чем выше содержание глинистой фракции.

Это позволяет по кривым ГК различать глины, глинистые и чистые разности известняков, песчаников и т. п.

Повышенная радиоактивность глинистых пород объясняется тем, что благодаря большой удельной поверхности они в процессе осадконакопления сорбируют большее количество соединений урана и тория, чем неглинистые породы. Имеет значение и калий, входящий в состав некоторых глинистых минералов.

определяется спектральным гамма-методом (ГМ-С), позволяющим дифференцированно оценить содержание урана, тория и калия.

Спектрометрия естественного гамма-излучения (ГМ-С) заключается в регистрации не интенсивности гамма-излучений, а спектров (энергии) гамма-излучения горных пород трех или многоканальным (256 или 1024 канала) специальным прибором, который называется спектрометр.

По результатам ГМ-С

Повышенное содержание урана в карбонатах указывает на наличие радиоактивных пластовых вод, органики или фосфатных веществ.

Повышенное содержание тория и калия — на глинистость карбонатов.

В энергетическом спектре излучения песчаников, содержащих радиоактивные минералы, как правило, превалирует ториевая составляющая.

ГМ применяют для решения следующих задач:

Расчленения и корреляции осадочных толщ по степени их глинистости;

Выделения коллекторов нефти, газа и пресных вод, залегающих среди глинистых вмещающих пород;

Оценки коллекторских свойств, зависящих от глинистости пород.

ГМ-С применяют для корреляции «немых» толщ, а также для детального литологического расчленения осадочных пород в тех случаях, когда их радиоактивность не связана с глинистостью.

ГМ применяют для решения следующих задач: расчленения и корреляции осадочных толщ по степени их глинистости; выделения полезных ископаемых (урановых, марганцевых, свинцовых руд, бокситов, апатитов, фосфоритов и т. д.); выделения коллекторов нефти, газа и пресных вод, залегающих среди глинистых вмещающих пород; оценки коллекторских свойств (глинистости).

Кроме радиоактивности горных пород, на показания гамма-ме­тода оказывают влияние: а) поглощение гамма-излучения в сква­жине, зависящее от диаметра скважины, плотности бурового ра­створа, наличия и толщины обсадной колонны и цементного коль­ца; б) радиоактивность среды, заполняющей ствол скважины. Показания ГМ растут при увеличении диаметра скважины, если радиоактивность горных пород меньше радиоактивности среды, заполняющей скважину. При обратном соотношении радиоактивностей горной породы и скважинной среды показания ГМ умень­шаются с ростом диаметра скважины. Обсадная колонна всегда уменьшает показания ГМ.

3. Кавернометрия и профилеметрия скважин. Выделение пластов - коллекторов.

Кавернометрия (КМ) заключается в измерении среднего диаметра буровой скважины.

Дело в том, что фактический диаметр скважины не всегда определяется диаметром бурового наконечника (долота). Так, на хрупких породах (ископаемых углях, например), в зонах дробления диаметр скважин увеличивается по сравнению с номинальным dH; из-за выкрашивания и вывалов пород в скважине образуются каверны. Каверны образуются и в глинистых пластах из-за размывания глин в процессе бурения. Уменьшение диаметра по сравнению с номинальным наблюдается обычно против пластов-коллекторов. Благодаря хорошей проницаемости в них залавливается буровой раствор. Из-за малого диаметра пор в пласт проникает только фильтрат (жидкая основа) бурового раствора, а глина оседает на стенках скважины, образуя глинистую корку, которая уменьшает диаметр скважины Знание диаметра скважины необходимо для решения как технических, так и геологических задач.
Так, например, знать диаметр скважины нужно для того, чтобы правильно установить обсадную трубу в
скважине,рассчитать объем цемента, необходимого для закрепления обсадных колонн, правильно выбрать скважинные приборы для каротажа.

Знание диаметра скважины необходимо при количественной интерпретации результатов таких методов, как КС, БКЗ, БК, ИК, ГК, НГК и др., а также для литологического расчленения разреза

Приборы для измерения диаметра скважины называются каверномерами. Они бывают различными по конструкции: рычажными, фонарными, управляемыми и неуправляемыми. В любом случае в них имеется какой-то следящий механизм, скользящий по стенке скважины, и преобразователь положения этого механизма в электрический сигнал, чаще всего, посредством изменения активного сопротивления электрической цепи.

Профилеметрия - это измерение сразу нескольких диаметров в одном поперечном сечении скважины. Необходимость в таких измерениях возникает потому, что скважины не всегда имеют сечение круговой формы. На глинах, алевролитах и др. непрочных породах часто образуются так называемые "желоба" со стороны висячего бока наклонной скважины -трубы бурового набора, имеющие диаметр меньший, чем буровой наконечник, проделывают углубление в стенке скважины - желоб. Такие же углубления может образовывать и каротажный кабель при подъеме скважинного прибора Эти желоба создают опасность "прихвата" бурового снаряда или скважинного прибора при их подъеме. Возможно также изменение сечения обсаженной скважины из-за неравномерного действия горного давления и сжатия обсадных труб.

При профилеметрии обычно измеряют 2 взаимно перпендикулярных диаметра с помощью 2 пар рычагов, каждый из которых управляет своим реостатным (или индуктивным) преобразователем, вырабатывающим электрический сигнал, пропорциональный отклонению рычагов от корпуса СП.Применение: уточнение геологического разрезра, получение прямых и качественных признаков проницаемости интервалов, определение фактического объема ствола скважины, выбор интервалов для установки различного технологического оборудования, учет диаметра скважины при интерпретации данных БКЗ, БК, ГК, ННК и др.

№16

Распространение нейтронов в горных породах, процессы замедления и поглощения нейтронов. Методы, при которых горная порода облучается нейтронами, носят название нейтронных. Нейтронные методы различаются видом регистрируемого вторичного излучения, вызванного воздействием на породу первичных нейтронов источника, а также режимом источника. Источник может быть импульсным, т. е. испускать нейтроны в течение небольших интервалов времени, между которыми источник выключен, или же стационарным, т.е. излучать нейтроны практически непрерывно. Соответственно говорят об импульсных (ИНМ) и стационарных нейтронных методах (СНМ).

Испускаемые источником быстрые нейтроны с энергией в несколько мегаэлектрон-вольт в результате многочисленных соударений с ядрами атомов окружающей среды уменьшают свою энергию до величины порядка энергии теплового движения атомов (при комнатной температуре в среднем 0,025 эВ).

Дальнейшие столкновения нейтрона с ядрами могут привести как к уменьшению, так и к росту энергии нейтрона, но в среднем она остается вблизи указанной величины средней энергии теплового движения атомов.

Поэтому такие нейтроны называют тепловыми, а процесс их распространения в среде – диффузией тепловых нейтронов.

Часть истории нейтрона от момента вылета из источника до достижения тепловой энергии называется процессом замедления нейтронов.

Диффузия тепловых нейтронов заканчивается поглощением последних каким-либо ядром и испусканием гамма-квантов радиационного захвата

Дата добавления: 2015-05-10