Гамма-гамма каротаж

При прохождении через вещество гамма-кванты взаимодействуют с электронами и ядрами атомов. Это приводит к ослаблению интенсивности -излучения.

Основными видами взаимодействия гамма-квантов с веществом являются образование электрон-позитронных пар, фотоэффект, эффект Комптона. Эффект образования пар проявляется при очень больших энергиях -квантов (выше 5 МэВ) для атомов горных пород. При этом гамма-квант, взаимодействуя с ядром атома, исчезает, образуя электрон и позитрон.

Эффект Комптона (или рассеяние-кванта) преобладает в области энергий от 0,5 до 5 МэВ. При этом эффекте -квант передает часть своей энергии электрону и изменяет направление движения.

 

h

фотоэффект

h h

образование пар эффект Комптона

Рис.3.4. Виды взаимодействия гамма-квантов с веществом

Электрон выбрасывается из атома. После нескольких актов рассеяния энергия кванта уменьшается до величины, при которой он поглощается за счет фотоэффекта. Фотоэффект сводится к тому, что -квант передает всю свою энергию одному из электронов внутренней оболочки и поглощается, а электрон выбрасывается за пределы атома. Этот процесс преобладает в области низких энергий -квантов - менее 0,5 МэВ и для элементов с высокими атомными номерами (свинец, ртуть, железо и т.д.).

Гамма-гамма метод применяют в двух модификациях: в плотностном варианте - ГГК-П и селективном - ГГК-С.

При плотностном гамма-гамма каротаже применяется источник, испускающий -лучи сравнительно большой энергии - от 0,5 до 2 МэВ. Индикатор экранируется слоем свинца, который поглощает рассеянное гамма-излучение с энергией менее 200 КэВ. При взаимодействии с горной породой жестких квантов основную роль играет комптоновское рассеяние. Вероятность комптоновского рассеяния пропорциональна количеству электронов в единице объема среды, равному , где N - число Авогадро, z - заряд ядра, A - атомный вес, - плотность вещества. В горных породах, представленных в основном легкими элементами / s<20/, отношение z/A практически постоянно и равно 0,5, за исключением водорода, для которого z/A=1. Поэтому число электронов в единице объема породы оказывается пропорциональным его плотности. Благодаря этому, регистрируя рассеянные гамма-кванты высокой энергии, получают плотностную характеристику горной породы. Против плотных пород наблюдается минимум на кривой ГГК-П, а против пористых - максимум.

При селективном гамма-гамма каротаже (ГГК-С) применяется источник -излучения малой энергии. При облучении горной породы гамма-квантами, в основном происходит фотоэлектрическое поглощение, наряду с комптоновским рассеянием. Вследствие этого, интенсивность рассеянного гамма-излучения зависит как от плотности, так и, особенно, от присутствия элементов с большими атомными номерами. Поэтому метод ГГК-С используют при поисках рудных залежей.

Радиус исследования при ГГК мал и не превышает 10 см. На показания ГГК значительное влияние оказывает скважина. Она уменьшает плотность среды, окружающей зонд, и приводит к увеличению показаний ГГК пропорционально диаметру. Для уменьшения влияния скважины приборы ГГК имеют прижимные устройства и экраны, защищающие индикатор от рассеянного -излучения бурового раствора. Облучение породы и восприятие рассеянного -излучения в этом случае осуществляется через небольшие отверстия в экранах, называемые коллиматорами. Основным недостатком такой установки является искажение результатов, возникающее при наличии между прибором и стенкой скважины промежуточной среды, например, глинистой корки или слоя промывочной жидкости в каверновой части ствола. Поэтому количественные определения плотности методом ГГК осуществляются двухзондовыми установками, имеющими два индикатора g-излучения, находящимися на разных расстояниях от источника - обычно 15 и 35 см.