Способ определения объемной плотности горных пород

 

Использование: в геологии, геофизике, металлургии, в частности в процессах геофизических исследований скважин. Сущность изобретения: способ предусматривает облучение исследуемой среды потоком гамма-квантом и регистрацию на одном или нескольких расстояниях от источника потоков рассеянного гамма-излучения (Ni) в области энергий 0,2 1 МэВ. По отношению интенсивностей указанных энергий по градуировочной зависимости = f(Ni) определяют объемную плотность. Дополнительно определяют эффективный атомный номер (Zэф) среды путем регистрации мягкой компоненты рассеянного гамма-излучения в области энергии менее 200 кэВ. Определение Zэф ведут методом селективного гамма-гамма-каротажа. Затем устанавливают корреляционную связь между величиной Zэф и параметром k/2 FiZi/PiAi, характеризующим изменение элемента с атомным номером Zi и атомным весом Ai. На стандартных образцах плотности осуществляют градуировку приборов в единицах электронной плотности э= f(Ni). Объемную плотность рассчитывают по соотношению = э/k. 2 табл. 2 ил.

Изобретение относится к ядерной геофизике, а более конкретно к методам определения плотности горных пород с использованием ядерных излучений, и может быть использовано в геологии, геофизике, горной и металлургической промышленности и других областях народного хозяйства.

Известен способ определения объемной плотности методом взвешивания с определением объема исследуемого вещества путем вытеснения жидкости денситометрический способ [1] Способ обеспечивает высокоточное определение объемной плотности, но применим только для небольших образцов. Это исключает его применение при недеструктивных определениях, например, в естественном залегании.

Известен также способ определения плотности горных пород по кернам, штуфам горных пород или руд путем просвечивания образцов определенной формы потоком гамма-квантов с энергией 300 кэВ. Объемную плотность определяют по ослаблению излучения в образце, используя для этого зависимости типа alnNi/Nэт, где объемная плотность; а постоянный коэффициент; Ni, Nэт потоки рассеянного гамма-излучения на i-м и эталонном образцах [2] Основным недостатком этого аналога также является невозможность его применения в естественном залегании, а тем более в скважинах.

Наиболее близким к изобретению по техническому решению является способ определения объемной плотности, основанный на облучении среды потоком жестких гамма-квантов и регистрации на одном или нескольких расстояниях от источника диффузно рассеянных потоков гамма-квантов [3] В качестве аналитического параметра при определении объемной плотности используется либо относительная интенсивность многократно рассеянных гамма-квантов, либо отношение потоков, регистрируемых соответственно на одном и двух расстояниях от источника гамма-квантов. Предельная погрешность определения объемной плотности этим способом определяется устойчивостью параметра К2PiZi/PiAi, где Pi содержание i-го элемента в исследуемой среде с атомным номером Zi и атомным весом Ai.

Величина Zi/Ai в различных горных породах не остается постоянной, а варьирует в пределах 0,5 0,05 ед. т.е. в пределах 10% Поэтому точность определения объемной плотности по прототипу (плотностным гамма-гамма методом) в общем случае имеет тот же порядок, т.е. в пределах 10% Снижение погрешности определения объемной плотности до 3-5% достигают за счет градуирования измерительной аппаратуры на моделях горных пород и руд, близких по вещественному составу к исследуемым. Однако достаточно удовлетворительные результаты в этом способе достигаются только для осадочных пород, объемная плотность которых определяется пористостью и функционально связана с последней. Тем не менее, если поры не полностью заполнены водой, также существует неопределенность из-за изменения Z/A. Для водорода значение Z/A 1, тогда как для всех прочих элементов составляет 0,5 10% Именно это является основным недостатком прототипа, существенно снижающим точность определения объемной плотности в условиях естественного залегания горных пород и в скважинах.

Задача, на решение которой направлено изобретение, обеспечение высокой точности определения объемной плотности в условиях естественного залегания горных пород и в скважинах.

Поставленная задача выполняется облучением исследуемой среды потоком гамма-квантов и регистрацией на одном или нескольких расстояниях от источника потоков рассеянного гамма-излучения (Ni), по соотношению интенсивностей которых по градуировочной зависимости = f(Ni) определяют объемную плотность () дополнительно определяют эффективный атомный номер (Zэф.) среды, например, путем регистрации мягкой компоненты рассеянного гамма-излучения, устанавливают корреляционную связь между величиной Zэф. и параметром К 2PiZi/AiPi. характеризующим изменение электронной плотности исследуемой среды, где Pi содержание в среде i-го элемента с атомным номером Zi и атомным весом Ai, на стандартных образцах с известными значениями электронной плотности энаходят градуировочную зависимость э= f(Ni), а объемную плотность i-й среды рассчитывают из соотношения i /k, где электронная плотность в i-й точке исследуемой среды.

Указанные отличительные признаки не встречены в известных технических решениях, поэтому объект изобретения удовлетворяет критерию "существенные отличия".

Сущность способа заключается в следующем.

Известно, что рассеяние гамма-квантов с энергией 0,3-1 мэВ главным образом определяется эффектом Комптона, вероятность которого прямо пропорциональна числу электронов в единице объема: к= Nк2 Pi где N число Авогадро; Ai и Zi атомный вес и порядковый номер i-го элемента вещества; Pi весовое содержание i-го элемента в веществе; к сечение комптоновского рассеяния, рассчитанное на один электрон.

Для большинства элементов Zi/Ai 0,5. Для водорода это отношение достигает максимального значения единицы. Напротив, для элементов среднего атомного номера и тяжелых (Zi > 20) величина Zi/Ai составляет менее 0,5. Поэтому линейный коэффициент комптоновского рассеяния к в области энергии гамма-квантов, регистрируемых в прототипе, зависит не только от объемной плотности среды, но и вещественного состава руд и горных пород. Величину э= Pi называют электронной плотностью. Именно это значение измеряется по интенсивности рассеянного гамма-излучения во втором аналоге и прототипе.

Объемная плотность с высокой точностью может быть определена при неизменной величине 2 Pi либо если значение последнего заранее известно.

В табл.1 приведены значения параметра К для различных горных пород, руд и минералов. Из таблицы следует, что диапазон изменения К в тяжелых средах составляет 0,9-1 ед. а в ворородсодержащих горных породах величина его возрастает до 1,10 ед. Такие вариации параметра К приводят к значительному снижению точности определения объемной плотности. Градуировка приборов на стандартных образцах плотности, близких по вещественному составу к исследуемым горным породам, позволяет снизить погрешность до 2-3 отн. Однако полностью исключить влияние вариаций параметра К не представляется возможным. При этом всегда существует неопределенность в оценке из-за существенных отличий в элементном составе реальных горных пород и стандартных образцах плотности.

Эффективный способ определения объемной плотности может быть разработан на основе независимого определения параметра К. Проведенный анализ многочисленных данных о вещественном составе руд и горных пород позволяет для определения параметра К предложить использование корреляционной связи К f(Zэф.).

На фиг. 1 и 2 приведены такие связи для горных пород и руд медноколчеданных месторождений Урала (фиг.1) и железорудных месторождений Кривого Рога и КМА (фиг.2). Данные статистической обработки приведены в табл.2.

Как видно из приведенных графиков, между Zэф. и параметром К прослеживается сильная обратная корреляционная связь, позволяющая даже по обобщенной зависимости определять значения К с относительной ошибкой 1% Следовательно, по сравнению с прототипом, предложенный способ позволяет повысить точность определения объемной плотности в 5-10 раз. Эффективный атомный номер легко определить известными способами по поглощению гамма-квантов малой энергии, альбедо гамма-излучения и др. Определения Zэф. в условиях скважины обычно осуществляется методом селективного гамма-каротажа (ГГК-С), основанного на облучении исследуемой среды потоком мягких гамма-квантов и регистрации в геометрии диффузионного прохождения потока вторичного, многократно рассеянного гамма-излучения. Непосредственное определение величины Zэф. осуществляют по градуировочной зависимости Zэф. f(lnNi/Nэт), где Ni и Nэт интенсивности потоков мягкого гамма-излучения (менее 150-200 кэВ), зарегистрированные соответственно в i-й среде и на эталоне (стандартном образце Zэф., опорном пласте).

Электронная плотность э определяется непосредственно по данным гамма-гамма-метода путем регистрации одного либо двух потоков рассеянного гамма-излучения с энергией более 200-300 кэВ соответственно на одном и двух расстояниях от источника гамма-квантов. В качестве аналитического параметра в однозондовом плотностном гамма-гамма-каротаже используют параметр lnNi/Nэт., в двухзондовом lnNбз/Nмз- где Ni и Nэт- потоки рассеянного излучения с энергией более 200-300 кэВ в i-й и эталонных средах; Nбз и Nмз потоки рассеянного гамма-излучения, регистрируемые большим и малым зондами. Для определения электронной плотности используют градуировочную зависимость, получаемую по стандартным образцам плотности с известными значениями э.

Определив по зависимости f(lnNi/Nэт) или = fln электронную плотность, а по зависимости K f(Zэф.) значения поправки за изменение элементного состава, объемную плотность в i-м интервале легко определить из соотношения i iэ./k.

Реальные возможности способа оценены на стандартных образцах плотности и эффективного атомного номера, а также в условиях скважин. Среднеквадратическая относительная ошибка определения объемной плотности по прототипу даже в стандартных образцах составила 2% При плотности образцов от 2,6 до 4,9 г/см3 абсолютная погрешность соответственно изменяется от 0,05 до 0,1 г/см3.

Среднеквадратическая погрешность определения объемной плотности предложенным способом на стандартных образцах составила 0,5% а абсолютное расхождение объемной плотности и истинной даже при = 4,9 г/см3 не превышает 0,02 г/см3.

Аналогичные оценки точностных характеристик прототипа и предложенного способа в условиях скважин в сопоставлении с объемной плотностью, определенной по керну денситометрическим методом, показывают, что в среднем расхождения несколько выше и составляют 2,5-3% для прототипа и 0,7-1% для предложенного способа.

Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает повышение точности определения объемной плотности в 3-4 раза. Практическая реализация способа легко может быть осуществлена в любой серийной аппаратурой плотностного и селективного каротажа (Кура-3, РУР-2, ГГК-ПС, ПАРК и др.). Экономический эффект от предложенного технического решения по сравнению с базовым объектом может быть получен за счет повышения точности определения объемной плотности. Это, в частности, открывает возможность использования данных ГГК-П для подсчета запасов полезных ископаемых, где требуется точность не хуже 0,01 г/см3. В этом случае отпадает необходимость в трудоемких измерениях объемной плотности руд по кернам с использованием денситометрического метода.


Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМНОЙ ПЛОТНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД, включающий облучение исследуемой горной породы потоком гамма-квантов источника и регистрацию на одном или нескольких расстояниях от источника интенсивностей Ni потоков рассеянного гамма-излучения в области энергий 0,2 1,0 МэВ, проведение градуировки и определение объемной плотности с учетом соотношения интенсивностей потоков рассеянного гамма-излучения, отличающийся тем, что дополнительно для исследуемой горной породы определяют эффективный атомный номер Zэф, например, путем регистрации мягкой компоненты рассеянного гамма-излучения в области энергий менее 200 кэВ, априорно устанавливают корреляционную зависимость между Zэф и параметром K=2PiZi/Ai, где Pi массовое содержание в горной породе элемента с атомным номером Zi и атомным весом Ai, для чего отбирают, проводят анализ и определяют массовое содержание каждого элемента и Zэф для образцов разных типов горных пород, предварительно на стандартных образцах с известной электронной плотностью осуществляют градуировку прибора в единицах электронной плотности э=f)Ni), при регистрации интенсивностей Ni потоков рассеянного гамма-излучения в области энергий 0,2 1,0 МэВ определяют с учетом их соотношения величину э исследуемой горной породы, по найденному для исследуемой горной породы значению Zэф и зависимости K f (Zэф) определяют соответствующую ему величину K, а объемную плотность исследуемой горной породы рассчитывают по соотношению r=э/K.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано в устройствах рентгенорадиометрического каротажа

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано при гамма-гамма каротаже, в частности при гамма-гамма опробования карьерных взрывных скважин

Изобретение относится к измерениям параметров геологических образований и может быть использовано при коррекции погрешности, вызванной присутствием барита в пробу- s ренных скважинах

Изобретение относится к геофизическому приборостроению, в частности к средствам гамма-гамма каротажа

Изобретение относится к неразрушающим методам анализа состава материалов с регистрацией флуоресцентного рентгеновского излучения и может быть использовано в любой области науки и техники, где требуется качественное и количественное определение содержания химических элементов

Изобретение относится к геофизике, в частности к способам определения основ строения микро- и макрокомпонентов земной коры

Изобретение относится к спектрометрическим измерениям гамма-излучения, используемым для количественного определения содержания радиоактивных элементов в горных породах

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано для контроля качества цементирования обсадных колонн

Изобретение относится к геофизическому приборостроению, в частности к средствам гамма-гамма каротажа

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано для контроля качества цементирования обсадных колонн в нефтяной и газовой промышленности методом рассеянного гамма-излучения

Изобретение относится к способам локации целей в облаке пассивных помех

Изобретение относится к способам локации целей в облаке пассивных помех и может найти применение в локаторах
Наверх