Взаимодействие гамма-квантов с веществом может сопровождаться фотоэффектом, комптоновским рассеянием и образованием электрон позитронных пар. Вид эффекта зависит от энергии гамма-кванта: = һυ- ,где һ-постоянная Планка; υ- частота излучения; Е-энергия ионизации соответствующей атомной оболочки (энергия связи выбитого электрона из атома).

Фотоэффект возникает при относительно малых значениях энергий, и происходит на внутренних электронах атома, в основном на электронах К-оболочки. В этом случае вся энергия гамма-кванта передается орбитальному электрону и он выбивается из орбиты.

Выбитый электрон называется фотоэлектроном. Именно он может вызвать ионизацию других атомов. В результате его отрыва в атоме появляется свободный уровень, который заполняется одним из наружных электронов. При этом либо испускается вторичное мягкое характеристическое излучение (флуоресцентное излучение), либо энергия передается одному из электронов, который покидает атом. Флуоресцентное излучение наблюдают в материалах с большим атомным номером. Вероятность фотоэффекта увеличивается с ростом атомного номера материала и уменьшается с ростом энергии фотона.

Комптоновским рассеиванием называется процесс взаимодействия фотонного излучения с веществом, в котором фотон в результате упругого столкновения с орбитальным электроном теряет часть своей энергии и изменяет направление своего первоначального движения, а из атома выбивается электрон отдачи (комптоновский е). При этом частота, а следовательно, и энергия рассеянного гамма-кванта будут меньше.

Энергия комптоновского электрона равна: Е = һυ- һ

где һυ - энергия первичного фотона; һ - энергия рассеянного фотона.

Такой процесс больше всего характерен для фотонов, энергия которых значительно превышает энергию связи электронов в атоме, поэтому рассеяние происходит только на внешних (валентных) электронах.

Взаимодействие бета-излучений с веществом

Прохождение бета-частиц через вещество сопровождается упругими и неупругими соударениями с ядрами и электронами тормозящей среды.

Упругое рассеяние бета-частиц на ядрах более вероятно и осуществляется при относительно низких энергиях электронов. Упругое рассеяние бета-частиц на электронах в Z раз (Z- величина заряда ядра) менее вероятно, чем на ядрах. Теоретически возможен и сдвиг ядер атомов кристаллической решетки.

При энергии бета-частиц выше энергии связи электрона с ядром (до - 1 МэВ) основным механизмом потерь энергии является неупругое рассеяние на связанных электронах, приводящее к ионизации и возбуждению атомов.

При больших энергиях электронов главным механизмом потерь энергии является радиационное торможение при котором возникает тормозное излучение.

Таким образом, процессы взаимодействия бета-частиц со средой характеризуются радиационным торможением и относительно большой потерей энергии или значительным изменением направления их движения в элементарном акте. Вследствие этого взаимодействия интенсивность пучка бета-частиц уменьшается почти по экспоненте с ростом толщины поглощающего слоя х.

Путь бета-частиц в веществе обычно представляет ломаную линию, а пробег бета-частиц одинаковых энергий имеет значительный разброс. Это связано с тем, что масса бета-частиц крайне мала, поэтому вероятность упругого рассеяния на ядрах больше, чем у тяжелых частиц. Итак, бета-частицы не имеют точной глубины проникновения, так как обладают непрерывным энергетическим спектром. Для грубой оценки глубины пробега бет частиц пользуются приближенными формулами. Одна из них: Rср/Rвозд=ρвозд/ρср

где Rср - длина пробега в среде; Rвозд - длина пробега воздухе; ρвозд и ρср - плотность воздуха и среды соответственно; Е - энергия бета-частиц.

Известно 12 типов зваимодействия гамма-квантов с веществом, из них в энергетической области 0,05-1,5 МэВ характерны для применяемых в геофизике изотопных источников. Наиболее существенны 3: фотоэффект, комптон-эффект, образование пар электрон-позитрон.

Взаимодействие квантов с веществом = сумме сечений упромянутых выше процессов. σ=σф+σк+σп

Так же сумме соответствующих сечений = и полное макроскопическое чечение взаимодействия, которое для квантов обозначают М (мю) М=Мф+Мк+Мп

Фотоэффектом называют такое взаимодействие кванта с атомом, при котором квант поглощается, а его энергия частично расходуется на отрыв электрона и частично передается последнему в виде кинетической энергии.

Электроны окружающие ядро атома распадаются пооболочно (по орбитам), отвечающим дискретным энергетическим уровням связи электрона с ядром.

Энергия связи убывает по мере отдаления от ядра. Микроскопическое сечение фотоэффекта зависит от порядкового элемента (Z)и энергии квантов (Еγ). При энергии квантов большей чем энергия связи (Еi) гамма-квант покидает пределы ядра. Атом, потеряыший электрон в результате фотоэффекта оказывается в неустойчивом состоянии. Сразу электрон занимает оболочку с более удалённого уровня. Избыток энергии+ разности энергий этих уровней, выделяющиеся в виде квантов характеристического (рентгеновского) излучению кот. обладает определённой для этого элемента энергией. Рентгеновское излучение имеет электромагнитный характер.

Энергия связи электрона, следовательно, и энергия рентгеновского излучения растёт с увеличением Z. На энергетических спектрах, полученных при облучении пород гамма квантами выделяется максиму, соответствующие K или L линии. Поэтому излучая спектры можно обнаружить отдельные элементы и оценить их содержание. Макроскопическое сечение фотоэффекта Мф=σф*Nav. Известно, что число атомов в грамме вещества, состоящего из атомов одного вида равно числу Авогадро. Если энергия квантов известна и постоянна, то макроскопическое сечение захвата является лишь функцией от заряда ядра или плотности, то есть зависит от химического состава вещества и в меньшей степени от плотности.

Комптон эффект - упругое рассеяние гамма-квантов на электронах атомов. В результате кванты меняют направление и передают электронную часть своей энергии. При условии, что энергия гамма квантов больше энергии связи электронов в ядре атома, атомные электроны можно считать свободными и покоящимися. Их связь со атамом почти не сказывается на закономерностях рассеивания. Поэтому макросечение взаимодействия комптон эффекта пропорционально количеству электронов.

Мк (макросечение комптон эффекта) = σ (микросечение гамма квантов с атомом)* Nav(кол-во атомов в объеме)

Эффект образования пар заключается в образовании квантом пары электрон- позитрон. При этом позитрон почти мгновенно поглощается и исчезает в результате столкновения со свободными электронами вещества.

Изучение геологического разреза скважин (литолого-геологический разрез скважины)

Изучение технического состояния скважин

Контроль за разработкой месторождения нефти и газа

Проведение прострелочных и взрывных работ в скважинах

Опробование пластов и отбор образцов со стенок скважины

8. Взаимодействие гамма квантов с веществом, гамма каротаж, решаемые задачи

Радиоактивность-способность некоторых атомных ядер самопроизвольно распадаться с испусканием α, β, γ лучей, а иногда и других частиц. Гамма-лучи представляют собой электромагнитное излучение с малой длиной волны. Длина пробега γ - квантов в горных породах достигает десятков сантиметров. Благодаря высокой проникающей способности они являются основным видом излучений, регистрируемых в методе естественной радиоактивности. Энергию частиц выражают в электрон-вольтах (эВ). Воздействие гамма-излучения на среду количественно оценивается в рентгенах. Из естественных радиоактивных элементов наиболее распространены уран U238,торий Тh232 и изотоп калия К40. Радиоактивность осадочных пород, как правило, находится в прямой зависимости от содержания глинистого материала. Песчаники, известняки и доломиты имеют малую радиоактивность, наименьшую радиоактивность имеют каменная соль, ангидриты и угли. Для измерения интенсивности естественного гамма-излучения по стволу скважины пользуются скважинным прибором, содержащим индикатор γ- излучения. В качестве индикатора используют газоразрядные сцинтилляционные счетчики. Газоразрядные счетчикипредставляет собой баллон, в который помещены два электрода. Баллон наполнен смесью инертного газа с парами высокомолекулярного соединения, находящейся под низким давлением. Счетчик подключается к источнику постоянного тока высокого напряжения - порядка 900 вольт. Действие газоразрядного счетчика основано на том, что γ-кванты, попадая в него, ионизируют молекулы газового наполнителя. Это приводит к возникновению разряда в счетчике, что создаст импульс тока в цепи его питания. Гамма-каротаж. При прохождении через вещество гамма-кванты взаимодействуют с электронами и ядрами атомов. Это приводит к ослаблению интенсивности γ -излучения. Основными видами взаимодействия гамма-квантов с веществом являются образование электрон-позитронных пар, фотоэффект, эффект Комптона(γ -квант передает часть своей энергии электрону и изменяет направление движения). Электрон выбрасывается из атома. После нескольких актов рассеяния энергия кванта уменьшатся до величины, при которой он поглощается за счет фотоэффекта. Фотоэффект сводится к тому, что γ -квант передает всю свою энергию одному из электронов внутренней оболочки и поглощается, а электрон выбрасывается за пределы атома. На показания ГГК значительное влияние оказывает скважина. Она уменьшает плотность среды, окружающей зонд, и приводит к увеличению показании ГГК пропорционально диаметру. Для уменьшения влияния скважины приборы ГГС имеют прижимные устройства и экраны, защищающие индикатор от рассеянного γ -излучения бурового раствора. Облучение породы и восприятие рассеянного γ -излучения в этом случае осуществляется через небольшие отверстия в экранах, называемые коллиматорами. Характерной особенностью диаграмм метода рассеянного гамма излучения является не прямая, а обратная связь с плотностью, что обусловлено размером зонда. Если бы индикатор размещался вблизи источника, среда с повышенной плотностью отмечалась бы и высокой интенсивностью рассеянного γ -излучения.

9. Выделение интервалов перфорации по локации муфт

Метод электромагнитной локации муфт применяют:

для установления положения замковых соединений прихваченных бурильных труб;

определения положений муфтовых соединений обсадной колонны;

точной привязки показаний других приборов к положению муфт;

взаимной привязки показаний нескольких приборов;

уточнения глубины спуска насосно-компрессорных труб;

определения текущего забоя скважины;

в благоприятных условиях – для определения интервала перфорации и выявления мест нарушения (разрывы, трещины) обсадных колонн.

Физические основы метода: Метод электромагнитной локации муфт (ЛМ) основан на регистрации изменения магнитной проводимости металла бурильных труб, обсадной колонны и насосно-компрессорных труб вследствие нарушения их сплошности.

Аппаратура: Детектор (датчик) локатора муфт представляет собой дифференциальную магнитную систему, которая состоит из многослойной катушки с сердечником и двух постоянных магнитов, создающих в катушке и вокруг нее постоянное магнитное поле. При перемещении локатора вдоль колонны в местах нарушения сплошности труб происходит перераспределение магнитного потока и индуцирование ЭДС в измерительной катушке.

Активный локатор муфт содержит две катушки, каждая из которых имеет возбуждающую и приемную обмотки. Под воздействием переменного магнитного поля, генерируемого подачей переменного напряжения на возбуждающие обмотки, в приемных обмотках возникает переменное напряжение, которое зависит от магнитных свойств окружающей среды. Информативным параметром служит разность напряжений на приемных обмотках, которая зависит от сплошности среды.

Билет 4

10. Комплекс ГИС в скважине, обсаженной колонной, решаемые задачи

Предпосылкой успешного применения каротажа для изучения геологического разреза скважины является выбор надлежащего комплекса (программы) геофизических исследований. Программа должна обеспечивать решение поставленных перед нею, задач при возможно меньшем объеме измерений. С учетом сходства геологических и технических условий проведения, работ в разных районах устанавливают типовые комплексы ГИС. Типовые комплексы включают в себя общие исследования, которые выполняются по всему стволу скважины и легальные исследования перспективных на нефть и газ интервалов. В скважине, обсаженной колонной, проводятся все виды каротажа кроме микрокаротажа и БКЗ (т. к. они исп-ся в необсаженной колонной скважине, потому что эти методы определяют толщину глинистой корки).

11. Нейтронный гамма-каротаж, физические основы, кривые, решаемые задачи

Нейтронный каротаж применяются в необсаженных и обсаженных скважинах и используется для решения следующих задач:

с целью литологического расчленения разрезов;

определение положения текущего газонефтяного контакта (ГНК), интервалов прорыва газа, перетока, разгазирования нефти в пласте и оценки газонасыщенности;

определение положения водонефтяного контакта ВНК в скважинах с высокой минерализацией пластовых вод.

Нейтронное излучение обладает наибольшей проникающей способностью. Это обусловлено тем, что нейтроны являясь незаряженными частицами не взаимодействуют с электронными оболочками атомов и не отталкиваются кулоновским полем ядра. Так же как и гамма-кванты, нейтроны характеризуются энергией Е, которая в этом случае связана с их скоростью. Различают быстрые нейтроны с энергией 1-15 МэВ, промежуточные 1 МэВ - 10 эВ, медленные или надтепловые 0,1-10 эВ и тепловые нейтроны со средней энергией 0,025 эВ. Взаим-ие нейтронов с вещ-ом закл-ся в упругом столкновении с ядром с потерей части энергии, т.е. в замедлении нейтрона, и захвате нейтрона ядром. Дня нейтронов с энергией от нескольких МэВ до 0,1 эВ основным видом взаим-ия явл-ся упругое рассеяние. При упругом рассеянии нейтронов величина потерь энергии на соударение опр-ся только массой ядра: чем меньше масса ядра, тем больше потеря энергии. Наиб. потеря энергии происходит при столкновении нейтрона с ядром атома водорода. Одним из основных нейтронных параметров среды является длина замедления L3. Это среднее расстояние от места вылета нейтрона до места, где он замедлится до тепловой энергии. Замедлившиеся нейтроны продолжают двигаться и сталкиваться с ядрами элементов, но без изменения средней энергии. Этот процесс называется диффузией. Среднее расстояние, которое проходит нейтрон от точки замедления до точки захвата, называется диффузионной длиной. Диффузионная длина обычно значительно меньше длины замедления. Конечным результатом движения теплового нейтрона является поглощение его каким-либо ядром атома. При захвате нейтрона ядром выделяется энергия в виде одного или нескольких γ - квантов. Существуют следующие разновидности нейтронных методов: нейтронный гамма-метод НГМ, нейтронный метод по надтепловым нейтронам НМН, нейтронный метод по тепловым нейтронам НМТ. Они отл-ся друг от друга типом применяемых индикаторов. Импульсные нейтронные методы. Сущность импульсного нейтронного каротажа закл-ся в изучении нестационарных нейтронных полей и γ-полей, создаваемых генератором нейтронов. Генератор нейтронов работает в импульсном режиме с частотой от 10 до 500 Гц. В импульсных методах горная порода облучается кратковременными потоками быстрых нейтронов длительностью ∆t, следующими один за другим через промежутки времени t.

Отличие природы гамма-излучения от альфа- и бета-излучения (отсутствие заряда и массы покоя у гамма-квантов) приводит к принципиально другому механизму взаимодействия этого излучения с веществом. Ионизация и возбуждение среды происходит за счет вторичных ионизирующих частиц. Первичное же взаимодействие гамма-квантов с веществом сводится к трем основным процессам (механизмам взаимодействия):

Фотоэффекту;

Комптоновскому рассеянию;

Образованию пары электрон-позитрон.

Фотоэффект заключается в том, что гамма-квант, взаимодействуя с атомом (молекулой или ионом), выбивает из него электрон. При этом сам гамма-квант исчезает, а его энергия передается электрону, который становится свободным (рисунок а) и производит ионизацию и возбуждение аналогично бета-частице.

В процессе комптоновского рассеяния (эффекта Комптона, упругого рассеяния) гамма-квант также выбивает электрон из атома (молекулы или иона), но при этом передает лишь часть своей энергии электрону, а сам меняет направление движения (рассеивается) - рисунок б.

Если энергия гамма-кванта больше 1,02 МэВ, то гамма-квант может превратиться в электрон и позитрон.

Такое преобразование происходит только вблизи атомного ядра и приводит к исчезновению гамма-кванта (рисунок 6в). Образовавшийся позитрон перемещается в веществе, замедляется и взаимодействует с электроном среды. При этом электрон и позитрон исчезают (аннигилируют) с образованием электромагнитного излучения, называемого аннигиляционным.

Вероятность фотоэффекта быстро уменьшается с ростом энергии гамма-квантов. Вероятность комптоновского рассеяния также падает с ростом энергии гамма-квантов, но не так резко, как для фотоэффекта. Вероятность образования пар растет с повышением энергии, начиная с 1,02 МэВ. Можно считать, что в области «малых» энергий гамма-квантов основным механизмом взаимодействия гамма-излучения с веществом будет фотоэффект. В области «средних» энергий - эффект Комптона, а в области «высоких» - образование электрон-позитронных пар. Понятия «малые», «средние» и «высокие» энергии зависят от заряда атомов среды Z. Например, для свинца эти энергетические диапазоны разделяются значениями примерно 0,5 МэВ и 5 МэВ.

Таким образом, при взаимодействии гамма-излучения с веществом в конечном счете образуются:

а) электроны с высокой энергией, дальнейшая судьба которых принципиально не отличается от судьбы бета-частиц;

б) вторичное электромагнитное излучение - рассеянные гамма-кванты и аннигиляционное излучение.

В целом отличие физической картины взаимодействия альфа-, бета- и гамма-излучения проявляется лишь на начальной стадии, длящейся миллиардные доли секунды. Энергия, переданная частицами веществу, превращается в энергию вторичных частиц - электронов, фотонов -и электронные возбуждения, которые ведут себя подобным образом независимо от того, какая ионизирующая частица их породила. Они «разменивают» свою энергию на образование большого числа новых электронов, фотонов и электронных возбуждений с меньшей энергией (этот процесс называют «диссипацией энергии»), распространяя действие первичной частицы на некоторый объем.

Итог взаимодействия зависит от агрегатного состояния вещества. Для газов (в том числе, для воздуха) ионизация и возбуждение молекул является основным результатом действия излучения, хотя наряду с этим в большей или меньшей степени происходят химические реакции (в газах они затруднены из-за большого расстояния между молекулами), приводящие к образованию новых веществ. Для жидкостей химические реакции образовавшихся химически активных частиц (ионов, радикалов) являются уже главным эффектом влияния радиации. Действие радиации на твердые тела также часто приводит к химическим превращениям и всегда - к дефектам их кристаллической решетки (нарушениям электронной структуры, вакансиям, междоузельным атомам, дислокациям и т. д.), рождение и эволюция которых во времени и объеме вещества представляют достаточно сложную задачу.

Химические превращения, протекающие в веществе в результате воздействия излучения, изучает радиационная химия. Влияние радиации на структуру вещества и, соответственно, модификацию его свойств изучает радиационное материаловедение, имеющее, как и радиационная химия, высокую значимость и с фундаментальной (развитие естествознания), и с прикладной (развитие технологий) точки зрения.

Считается, что ядерный гамма-квант - это квант электромагнитного излучения с энергией, лежащей в диапазоне 10 КэВ - 10 МэВ, испускаемый ядром. Гамма-квант можно рассматривать как частицу без массы и заряда, перемещающуюся со скоростью света. Несмотря на отсутствие заряда, гамма-кванты способны взаимодействовать с веществом, главным образом с электронами в атомах. Существуют три вида взаимодействия гамма-квантов с электронами: фотоэффект, комптоновское рассеяние и образование электрон-позитронных пар.

Фотоэффект - взаимодействие, при котором энергия гамма-кванта полностью (исключая энергию связи электрона в атоме) переходит в кинетическую энергию электрона. При этом гамма-квант исчезает, а электрон теряет свою энергию на ионизацию атомов, образуя определенное количество свободных зарядов. Существенным является тот факт, что именно вся энергия гамма-кванта (за исключением очень малой ее части) переходит к электрону, а потом преобразуется в энергию свободных зарядов. Количество свободных зарядов пропорционально энергии электрона, а, стало быть, и гамма-кванта. Поэтому, измерив заряд, образовавшийся в веществе, можно определить энергию гамма-кванта.

К сожалению, с двумя другими типами взаимодействий дело обстоит гораздо сложнее. При комптоновском рассеянии гамма-кванта на электроне гамма-квант передает лишь часть своей энергии электрону и при этом не исчезает. Таким образом, получаются гамма-квант меньшей энергии и электрон. Часть энергии, передаваемая гамма-квантом электрону, зависит от углов разлета гамма-кванта и электрона после взаимодействия.

Это означает, что знание энергии электрона после комптоновского рассеяния не дает никакой информации о начальной энергии гамма-кванта.

Образование электрон -позитронных пар происходит, если энергия гамма-кванта превышает 1.022 Мэв. При этом образуются электрон и позитрон, а гамма-квант исчезает. Электрон затем теряет свою энергию в среде, а позитрон аннигилирует, испуская два гамма-кванта с энергией 0.511 Мэв. В свою очередь, вылетевшие гамма-кванты участвуют в процессах фотопоглощения и комптоновского рассеяния. При образовании пар, таким образом, тоже нельзя получить информацию об энергии первичного гамма-кванта.

Идеальный детектор должен преобразовывать всю энергию гамма-кванта в электрический импульс, величина которого прямо пропорциональна энергии кванта, поэтому из всех трех процессов взаимодействия гамма-квантов с веществом наиболее информативным является фотоэффект.

Для получения хороших результатов при измерении активности необходимо сделать число взаимодействий, проходящих по каналу фотоэффекта, максимальным, уменьшив число остальных двух видов, которые мешают регистрации. Поскольку вероятность фотоэффекта в зависимости от среднего заряда атомов вещества (Z) увеличивается пропорционально (Z4) - (Z5) степени, то необходимо использовать в детекторах вещества с максимальным Z.

Конечно, все процессы взаимодействия могут иметь место даже для одного гамма-кванта. Например, образовав пару, гамма-квант исчез, позитрон аннигилировал, произведя два гамма-кванта по 0.511 МэВ, из которых один комптоновски рассеялся, а другой поглотился но фотоэффекту. Если энергия гамма-кванта менее 100 КэВ, то главным процессом является фотоэффект, при энергии больше 100 КэВ доля рассеянных гамма-квантов увеличивается, а при энергии, большей 1.022 МэВ, начинает вносить вклад образование пар.

На рисунке Рис.1.6.1 представлены вероятности всех процессов в зависимости от энергии гамма-квантов для NaI - кристалла, используемого в сцинтилляционных детекторах.

Итак, для того, чтобы определить энергию гамма-кванта, необходимо измерить заряд, образующийся в детекторе при полном поглощении гамма-кванта.