СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМНОЙ ПЛОТНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД Российский патент 1995 года по МПК G01V5/12 

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
ρ alnN_i/N_эт, где ρ объемная плотность;
а постоянный коэффициент;
N_i, N_эт 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 К2ΣP_iZ_i/P_iA_i, где P_i содержание i-го элемента в исследуемой среде с атомным номером Z_i и атомным весом A_i.

Величина Z_i/A_i 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 ρ= f(N_i) определяют объемную плотность (ρ) дополнительно определяют эффективный атомный номер (Zэф.) среды, например, путем регистрации мягкой компоненты рассеянного гамма-излучения, устанавливают корреляционную связь между величиной Zэф. и параметром К 2ΣP_iZ_i/A_iP_i. характеризующим изменение электронной плотности исследуемой среды, где P_i содержание в среде i-го элемента с атомным номером Z_i и атомным весом Ai, на стандартных образцах с известными значениями электронной плотности ρ_энаходят градуировочную зависимость ρ_э= f(N_i), а объемную плотность i-й среды рассчитывают из соотношения ρ_i ρ_iэ/k, где ρ_iэ 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:
μ_к= Nδ_к·ρ·2Σ P_i где N число Авогадро; A_i и Z_i атомный вес и порядковый номер i-го элемента вещества;
P_i весовое содержание i-го элемента в веществе;
δ_к сечение комптоновского рассеяния, рассчитанное на один электрон.

Для большинства элементов Z_i/A_i 0,5. Для водорода это отношение достигает максимального значения единицы. Напротив, для элементов среднего атомного номера и тяжелых (Z_i > 20) величина Z_i/A_i составляет менее 0,5. Поэтому линейный коэффициент комптоновского рассеяния μ_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 ρ_э= ρ·ΣP_i 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 Κ 2Σ P_i 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 ρ 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(Z_эф.).

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 Z_эф. 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 Z_эф. 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 Z_эф. осуществляют по градуировочной зависимости Z_эф. f(lnN_i/N_эт), где N_i и N_эт интенсивности потоков мягкого гамма-излучения (менее 150-200 кэВ), зарегистрированные соответственно в i-й среде и на эталоне (стандартном образце Z_эф., опорном пласте).

Электронная плотность ρ_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 lnN_i/N_эт., в двухзондовом lnN_бз/N_мз- где N_i и N_эт- потоки рассеянного излучения с энергией более 200-300 кэВ в i-й и эталонных средах; N_бз и N_мз потоки рассеянного гамма-излучения, регистрируемые большим и малым зондами. Для определения электронной плотности используют градуировочную зависимость, получаемую по стандартным образцам плотности с известными значениями ρ_э.

Определив по зависимости ρ_iэ f(lnN_i/N_эт) или ρ_iэ= fln электронную плотность, а по зависимости K f(Z_эф.) значения поправки за изменение элементного состава, объемную плотность в i-м интервале легко определить из соотношения ρ_i ρ_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 ρ= 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.

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 (N_i) в области энергий 0,2 1 МэВ. По отношению интенсивностей указанных энергий по градуировочной зависимости ρ = f(N_i) определяют объемную плотность. Дополнительно определяют эффективный атомный номер (Z_эф) среды путем регистрации мягкой компоненты рассеянного гамма-излучения в области энергии менее 200 кэВ. Определение Z_эф ведут методом селективного гамма-гамма-каротажа. Затем устанавливают корреляционную связь между величиной Z_эф и параметром k/2 Σ F_iZ_i/P_iA_i, характеризующим изменение элемента с атомным номером Z_i и атомным весом A_i. На стандартных образцах плотности осуществляют градуировку приборов в единицах электронной плотности ρ_э= f(N_i). Объемную плотность рассчитывают по соотношению ρ = ρ_э/k. 2 табл. 2 ил.

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 N_i 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 Z_эф, например, путем регистрации мягкой компоненты рассеянного гамма-излучения в области энергий менее 200 кэВ, априорно устанавливают корреляционную зависимость между Z_эф и параметром K=2ΣP_iZ_i/A_i, где P_i массовое содержание в горной породе элемента с атомным номером Z_i и атомным весом A_i, для чего отбирают, проводят анализ и определяют массовое содержание каждого элемента и Z_эф для образцов разных типов горных пород, предварительно на стандартных образцах с известной электронной плотностью осуществляют градуировку прибора в единицах электронной плотности ρ_э=f)Ni), при регистрации интенсивностей N_i потоков рассеянного гамма-излучения в области энергий 0,2 1,0 МэВ определяют с учетом их соотношения величину ρ_э исследуемой горной породы, по найденному для исследуемой горной породы значению Z_эф и зависимости K f (Z_эф) определяют соответствующую ему величину K, а объемную плотность ρ исследуемой горной породы рассчитывают по соотношению r=ρ_э/K.