γ γ γ γ γ - TU Freiberg

Gamma-Gamma-Verfahren (aktives Messverfahren)
Gamma-Strahlungsquelle γ 0 ,
Atomphysikalische Wechselwirkungsprozesse Gammastrahlung – Materie,
Messung der Streustrahlung (Reststrahlung) γ x am Detektor.
Wechselwirkungsprozesse = f (Energie der γ -Strahlung; mittlere
Kernladungszahl Z der Formation).
Photoeffekt,
COMPTON-Effekt,
Paarbildungseffekt.
Energieabsorption der Strahlung
γ0 → γ x
Absorptionsgesetz für γ -Strahlung (monoenergetisches, paralleles Bündel):
I x = I 0 e − µi x
I 0 - Intensität der Quellstrahlung γ 0 ,
I x - Intensität der Reststrahlung γ x nach passieren des Absorbers (Gestein)
x - Weglänge,
µ i - Absorptionskoeffizient des Absorbers für den jeweiligen Effekt.
Gamma-Gamma-Messungen: Wechselwirkungsprozesse und Strahlungsquellen
Verfahren
GammaGammaDichtemessung
GammaGammaPe-Messung
WW - Effekt
Quelle
Nuklid
Eγ in MeV
Halbwertszeit
in a
Compton
60
27 Co
137
55 Cs
1.173
5.27
0.662
30.2
Photo
241
95 Am
0.059
432.6
Aussagen von Gamma-Gamma-Messungen
Gamma-Gamma-Verfahren liefern „mittlere bzw. wirksame“
atomphysikalische Kennwerte,
Gewichteter Beitrag aller am Gesteinsaufbau beteiligten Elemente,
Gesteinsspezifische Kennwerte:
Gamma-Gamma-Dichte (Elektronendichte) dGG ,
Pe-Wirkungsquerschnitt Pe .
Röntgenfluoreszenzanalyse und Gamma-Neutronmessungen liefern
bei Bestrahlung von Materie mit Gammastrahlung eine
elementspezifische Reststrahlung
Gehaltsbestimmung bestimmter Elemente.
Gamma-Gamma-Dichtemessung
Übung Sondierungsbohrung: s. Anleitung
„Dichtebestimmung nach der Gamma-Gamma-Methode“
COMTON-Effekt:
Streuung einer monoenergetischen Gammastrahlung (elektromagnetische
Welle) an Hüllenelektronen e − ,
Energieabsorption und Vergrößerung der Wellenlänge der
Gammastrahlung:
∆λ =
h
(1 − cos ϕ )
me c
ϕ
- Streuwinkel, h - PLANCKsches Wirkungsquantum, c - Lichtgeschwindigkeit,
me - Masse des Elektrons.
COMPTON-Wellenlänge des Elektrons:
Λ=
h
me c
COMTON-Effekt:
Gammaquant γ0
E0 = hν0
e-
E1 = E0 - B = hν1
B - Bindungsenergie des e-
gestreutes
Gammaquant γ1
ϕ
E1 < E0
ν1 < ν0
elastischer
Stoßprozess
Hüllenelektronen
e-
Atomkern
γ0
γx
Detektor
γx = f (e- ) = f ( Zeff )
Atomhülle
Compton-Effekt
Weglänge x
Quelle
Cs-137
Absorptionsgesetz für Gammastrahlung durch den COMPTON-Effekt:
I x = I 0 e − µC x
COMPTON-Absorptionskoeffizient des Absorbers:
µC ∼ dGG ( Z / A )
dGG - Gamma-Gamma-Dichte (Elektronendichte), Z - Kernladungszahl,
A - Atommassenzahl.
Für die meisten gesteinsbildenden Elemente mit Z < 20 gilt:
Z / A ≈ 0.5
Direkter Zusammenhang zwischen der gemessenen Intensität I x der
Reststrahlung und der Gesteinsdichte d (Quotient aus Masse und
Volumen):
dGG = d
Wasserstoff: Z / A = 1 → dGG ≠ d
Lithologiekorrektur für wasserstoffreiche Formationen.
Effektive Ordnungszahl
Z eff , effektives Verhältnis ( Z / A)eff , Massendichte d,
Gamma-Gamma-Dichte
dGG (Elektronendichte)
Mineral
Poreninhalt
Z eff
( Z / A)eff
d (g/cm3 )
Quarz
11.8
0.499
2.654
2.650
Calzit
15.7
0.500
2.710
2.708
Dolomit
13.7
0.499
2.850
2.864
Anhydrit
15.6
0.499
2.960
2.957
Gips
16.4
0.511
2.320
2.372
Halit
14.0
0.479
2.165
2.074
Montmorillonit
12.2
0.500
2.120
2.120
Illit
14.2
0.496
2.650
2.630
Kaolinit
11.9
0.500
2.440
2.440
Barit
47.0
0.446
4.500
4.010
Wasser
7.5
0.555
1.000
1.110
Salzwasser
120000 ppm
9.4
0.545
1.086
1.185
Öl
5.5
0.558
0.850
0.948
dGG (g/cm3 )
Sondenaufbau und Kalibrierungskurve
Andruckarm, definierte Lage von Quelle und Detektor,
Kalibermessung.
Gammaquelle (Cs - 137, Co - 60) mit Bleiabschirmung zur Unterdrückung
der Direktstrahlung Quelle – Detektor und Kollimator (gerichtetes,
paralleles Gamma-Strahlungsbündel),
Robertson Geologging: Sonde FDGS
Formation Density Gamma Sonde
Quelle: Cs - 137;
Aktivität (1995): I 0 = 3.7 GBq = 3.7 ⋅109 s −1 .
Gammadetektoren, FDGS: 2 Szintillationszähler
High Resolution Detektor HRD
Abstand Quelle – Detektor, Spacing L = 24 cm,
Hohe Schichtauflösung, Lithologie,
Korrektur von bohrlochnahen Einflüssen (Kaliberausbrüche,
Filterkuchen).
Long Spacing Detektor LSD, L = 48 cm,
Größere radiale Wirkungstiefe,
Kennwertermittlung (Kalibrierungskurve): Dichte.
Kalibrierung einer Gamma-Gamma-Sonde
(Erstkalibrierung Sondenhersteller)
I x = I 0 e − µC x
µC ∼ dGG ( Z / A )
I x = f (dGG ; x)
Messung der Reststrahlung I x an Kalibriermodellen mit bekannten
Dichtewerten d und variablem Bohrlochkaliber D ,
Zylindermodelle: Dimension = Simulation Vollraum (radiale Wirkungstiefe),
FDGS: Kalibrierung nur für LSD.
Formation Density Gamma Sonde FDGS
Gamma-Tiefensonde S-24.2
(Ingenieurgeophysik)
Filterkuchen
Relief der
Bohrlochwand
Kalibrierungskurve
für zwei spacings L
Impulszähler
Wasser
1.11
GR
Sand
1.65
Sandstein
2.05
Granit
2.60
L1
Führungsrohr
(Eisen)
LSD
L2
Detektor (Zählrohr)
Spacing L = 20cm
HRD
L1
L2
Quelle Cs-137
A = 185 MBq
D
Quelle
Kollimator
gerichtetes
Strahlenbündel
Kalibriermodell
d - bekannt
Kalibrierfunktion: Logarithmischer Zusammenhang
d = dGG = A ⋅ ln I GG + B
→ ( Z / A = 0.5)
A, B – Koeffizienten,
Bestimmung von A, B durch Regressionsanalyse aus den Wertepaaren
(dGG ; I GG ) der Kalibriermodelle.
FDGS:
Kaliberkompensierte Dichte für den Long Spacing Detektor LSD:
d = dGG = j ln I GG + (1.1 − 9.306 j )
1
j=
0.001063D 2 + 0.02753D − 2.511
d – Dichte in g/cm³, I GG - Impulsrate in cps, D – Kaliber in inch.
Praktikumsbohrung
diskrete Messung: dt = 1min, dz = 0.2 m
1.7
Kalibrierungskurve: Gamma-Gamma-Tiefensonde S-24.2
28 mm-Gestänge, August 2001, dt = 1 min
d GG in g/cm3
1.8 1.9
2
2.1
2.2
0
-0.2
2.8
2.6
Vierpunkt-Kalibrierung
Granodiorit: dGG = 2.70 g/cm3
Sandstein:
2.10
Sand:
1.60
Wasser:
1.11
Festgestein
2.4
2
-0.6
-0.8
-1
dGG = -1.40 ln(IGG) + 14.1
n=4
R2 = 0.999
dGG in g/cm3, IGG in cpm
Lockergestein
1.8
1.6
-1.2
1.4
1.2
Wasserpunkt 08.2001: 11025 cpm,
Überprüfung I0(t)
1
2000
4000
6000
8000
IGG in cpm
10000
12000
A
-1.4
z in m
dGG in g/cm3
2.2
LG
wV
dGG
-0.4
-1.6
-1.8
-2
-2.2
-2.4
-2.6
Gnw
-2.8
-3
-3.2
-3.4
0.2
0.25
0.3
wV
0.35
0.4
LG - Lockergestein, A - Auffüllung;
Gnw - Gneis, verwittert, Gn frisch: d = 2.7 g/cm3
Hochwasserdamm bei Speyer / Rhein
WV
0
0.2
d (g/cm³)
0.4
1.2
1.6
2
Wasserseite
97
96.5
96
95.5
95
94.5
Dammfuß
94
93.5
93
92.5
92
91.5
GW-Spiegel
91
90.5
dTr
90
d = (1- Φ ) dF + wV dW
dTr = (1- Φ ) dF
Sondierungsgestänge
Bohrung FREIBERG 3
Sonde: FDGS
Cal (inch)
2.5
3.5
4.5
N (cps)
5.5
800 1600 2400
KL (%)
2.45 2.55 2.65
0
0
0
0
0
2
2
2
2
4
4
4
4
6
6
6
6
8
8
8
8
10
10
10
10
12
12
12
14
14
14
16
16
16
18
18
18
20
20
20
20
22
22
22
22
24
24
24
24
26
26
26
26
28
28
28
28
30
30
30
30
32
32
32
32
34
34
34
34
36
36
36
36
38
38
38
38
40
40
40
40
42
42
42
42
44
44
44
44
46
46
46
46
48
48
48
48
12
14
16
18
z in m
0
Dichte (g/cm³)
3ACS
MCAL
Dichte
LSD
Lithologie
HRD
dF = 2.7 g/cm³
4
8
12 16
VR
Gn
stkl
KL-SHNO
KL
Gn
swkl
KL-Dichte
Radiale Eindringtiefe ist abhängig:
Spacing L,
Strahlungsenergie Eγ der Quelle (Cs-137, Co-60),
Formationsdichte d,
Detektoreigenschaften.
Eindringtiefe = Materialdicke, die 90% der Impulsrate des unendlich
ausgedehnten Absorbers erzeugt.
Orientierungswerte
Quelle
d in g/cm³
Eindringtiefe in cm
Cs-137
2.6 (FG)
5
Cs-137
1.8 (LG)
6
Co-60
12
Korrekturen
Absorptionskorrektur: Spülungs- und Kalibereinfluss,
Eingangsgrößen: Dichte des Bohrlochinhaltes, Kaliber.
Ausbaukorrektur:
Eingangsgrößen: Dichte und Abmessungen des Ausbaus,
(Verrohrung, Zementation).
Z/A – Korrektur (Lithologiekorrektur)
Formationen, wo Z/A = 0.5 nicht gilt:
Gips, Steinsalz, stark wasserführende Gesteine.
dGG
 0.5 
≠ d → d = dGG 

Z
A
(
/
)
eff 

Anwendungen
Bestimmung der Formationsdichte und Ableitung der Porosität/Klüftigkeit,
Lithologische Profilgliederung v. a. in porenfreien (dichten) Gesteinen mit
deutlichen Dichteunterschieden (Salinar),
Tiefenlage und Mächtigkeit von Kohleflözen und Aschegehaltsbestimmung.
Mittlere Dichtewerte von Sedimentiten, Sedimenten
Gestein
d (g/cm³)
Dolomit
1.9 … 3.0
Kalkstein
1.8 … 2.9
Sandstein
1.7 … 2.8
Geschiebemergel
2.0 … 2.3
Ton
1.2 … 2.3
Sand/Kies
1.6 … 2.3
Braunkohle
1.0 … 1.25
Steinkohle
1.35 … 1.65
Torf
1.05
Φ − Einfluss
Porositätsbestimmung mit der Dichtemittelgleichung (Mehrphasensystem)
n V
i
Dichte Festsubstanz, Matrixdichte: d F = ∑ di
i =1 V
d −d
Wassergesättigtes, tonfreies Gestein: d = (1 − Φ )d F + ΦdW → Φ = F
d F − dW
VT = 0
SW = 1
Teilgesättigtes, tonfreies Gestein: d = (1 − Φ )d F + ΦSW dW → Φ =
SW < 1
VT = 0
dF − d
d F − SW dW
Teilgesättigtes (kohlenwasserstoffführendes), tonfreies Gesteine:
SW = 1 − S KW
VT = 0
d = (1 − Φ − VKW )d F + ΦdW + S KW d KW
Φ=
Gesättigte, tonige Gesteine:
SW = 1
VT > 0
( d − d KW )
dF − d
− (1 − SW ) F
d F − dW
d F − dW
d = (1 − Φ − VT )d F + ΦdW + VT dT
Φ to =
d F − d VT (d F − dT )
−
d F − dW
d F − dW
Φ - totale Porosität,
Plattenmodell nach WYLLIE
Mehrphasensystem Gestein
Φ to - tonkorrigierte Porosität,
d - gemessene Dichte,
d F - Dichte der tonfreien Festsubstanz,
dF
F
V
d
d KW - Dichte der Kohlenwasserstoffe (Öl, Gas),
1 - Φ = VF / V
dW
P
Φ = VP / V
dF
F
1 - Φ = VF / V
dW - Dichte des Porenwassers,
dT - Dichte des Tones,
VT - Tongehalt,
SW - Wassersättigung des Porenraumes,
S KW - Kohlenwasserstoffsättigung des Porenraumes
V
d
dKW KW
P
dW W
Φ = VP / V
SW = VW / VP
Gamma-Gamma-Messung auf der Basis des Photoeffektes
Quelle: Niederenergetische Gammastrahlungquelle (Am - 241) mit
Eγ = 0.04 ... 0.12 MeV,
Geringe Eindringtiefe (mm – cm).
Energieabsorption der Gammastrahlung durch Photoeffekt:
I x = I 0e− µP x
µ P ∼ Z 4.6
Absorptionskoeffizient für den Photoeffekt µ P wird von der
Kernladungszahl des Mediums bestimmt.
Beschreibung der element- bzw. gesteinsspezifischen Eigenschaften
durch Wirkungsquerschnitte:
Photoabsorptions-Index (Mikroskopischer Wirkungsquerschnitt)
Z
Pe =  
 10 
in barn/electron: 1 barn = 10−28 m 2
3.6
Mineral
Poreninhalt
Z eff
Quarz
11.8
1.81
Calzit
15.7
5.08
elastischer
Stoßprozess
e-
Dolomit
13.7
3.14
Gammaquant γ0
Anhydrit
15.6
5.05
Gips
16.4
3.42
Halit
14.0
4.65
Montmorillonit
12.2
2.04
Illit
14.2
3.55
Kaolinit
11.9
1.84
Barit
47.0
267
Wasser
7.5
0.35
Salzwasser
120000 ppm
9.4
0.81
Öl
5.5
0.12
Pe
Photoeffekt
(barn/electron)
E0 < 0.1 MeV
Messergebnis
Impulsrate der Gamma-Reststrahlung I x ,
Abhängig von der mittleren Kernladungszahl Z eff des Gesteins,
Unterscheidung von Gesteinen nach ihrem Elementbestand,
Kombination mit Gamma-Gamma-Dichtemessung: Litho – Density – Log.
Detektor
Pe : groß
Pe : klein
Ix : klein
Ix : groß
Atomhülle
Atomkern
e- Hüllenelektronen
I0
Photoeffekt
Ix = f (e- ; Zeff ; Pe)
I0
Quelle, Am-241
Reststrahlung Ix
Sandstein
Φ = 40%
11
Dolomit
Kalkstein
0%
12
13
14
Mittlere Kernladungszahl Z
15
Röntgenfluoreszenzanalyse
Bestrahlung von Materie mit niederenergetischer Gammastrahlung
(z.B. Samarium, 0.038 MeV),
Bei „schweren Elementen“ ( Z > 26): Emission einer elementspezifischen
Röntgenstrahlung („weiche“ Gammastrahlung mit einigen 0.01 MeV),
Extrem geringe Reichweite im µm....mm - Bereich,
Element- und Gehaltsbestimmung: Ni, Cu, Zn, As, Sr, Zr, Nb, Ag, Sn, Sb,
Ba, W, Hg, Pb, Bi,
Einsatz: Trockene Bohrungen mit glatter Wand.