CN1175689A - 伽马吸收法测量岩样光电吸收截面指数的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种测量岩样光电吸收截面指数(Pe值)的测量装置及方法,用于测量小岩样Pe值。其特征在一个平直的机械导轨上,顺序安装有源灌、岩样支架、准直器、带薄铍窗的NaI(T1)组合探测器、各组件可自由调节。然后连接对探测器信号进行接受处理的线性放大器、微机多道谱仪而组成。测量²⁴¹Am同位素源伽马射线经准直后照射岩样前后的59.5Kev能量射线通量,由标样刻度测量确定理论计算公式系数,计算出其Pe值。

Description

伽马吸收法测量岩样光电吸收截面指数的装置和方法

本发明涉及一种测量岩样光电吸收截面指数(Pe值)的测量装置及方法。

光电吸收截面指数(Pe值)是石油测井行业中用确定地层岩性的有效参数之一。迄今为止，只见到散射伽马法测量全直径(直径大于6CM)岩心Pe值的专利报到，而对于非全直径的小岩样(包括不成形的松散岩样)其Pe值的测量方法还未见报到。本发明的目的在于解决小岩样Pe值的测量方法。本发明采用与测量全直径岩心不同的伽马吸收法来测量小岩样的(Pe值)。本发明不仅适合用于石油地质行业的岩石样品测量，对于其它样品如金属样品也同样适用。

经国际联机检索和湖北省专利局、湖北省科学技术情报所查新的报告证明：查到有关文献十八篇。其中文献[1]用伽马-伽马测井技术确定岩心参数(英国专利、专利号GB2236177A发布日期为1991年3月27日)，描述了用散射伽马测量全直径岩心Pe的方法，未见关于用透射伽马或伽马吸收法测量岩样的光电吸收截面指数Pe的文献报道。

由此可见，目前在国外，只有英国研制出一种测量全直径岩心Pe值的方法，还未发现用透射伽马或伽马吸收法测量岩样的光电吸收截面指数Pe的方法报道。

本项发明的目的是要提供一种可精确测量岩样光电吸收截面指数Pe值的装置及方法，用于岩样的岩性确定及与其它岩样物性参数综合确定岩样的矿物成份、孔隙度等参数的研究；还用于检验测井曲线质量及岩样的综合测量分析。

本发明是以如下方式完成的：首先将源灌、岩样支架、准直器、NaI(Tl)组合探测器、其各部位安装在可自由调节的导轨上。然后依次连接线性放大器、微机多道谱仪和电源开关。在测量岩样时，要调整机械导轨上的准直器，使准直器孔道与源罐的射线出射孔成一直线，且与导轨平行，调整样品架及NaI(Tl)探测器以使经准直的伽马射线垂直照射在样品及探测器的中心部位，然后放置²⁴¹Am同位素源，通过由高压供电、NaI(Tl)探测器、线性放大器、微机多道谱仪等组成测量系统，测量²⁴¹Am同位素源对应59.5Kev能量伽马射线照射岩样前后通量，由通量及岩样厚度计算出岩样的线性吸收系数μ，再除以岩样的体积密度得出岩样的质量吸收系数μm，将μm代入由理论推导及标样刻度测量定出系数的计算公式，计算求出岩样的光电吸收截面指数Pe值。

1.伽马吸收法岩样光电吸收截面指数测量方法

当窄束伽马射线穿过物质时，由于伽马射线与物质相互作用，产生电子对效应，康普顿效应以及光电效应，它的强度将随着通过物质的厚度增加而减弱。

对于均匀介质  Nx＝N_oe^-μx               (1)

式中Nx为伽马射线穿过厚度为X的物质后的剩余通量，N_o为伽马射线初始通量，μ为线性吸收系数，它包括光电吸收系数τ，康普顿减弱系数δ和电子对效应吸收系数X。即

μ＝τ+δ+X                (2)

在光电吸收截面指数Pe测量时，一般采用低能伽马射线源，如²⁴¹AM光子源，主要伽马射线的能量为59.5Kev。，代入(1)后，两边取对数整理而得： $\mathrm{\μ}=\frac{1}{X}\·1n\frac{N_O}{\mathrm{Nx}}---\left(3\right)$

若只考虑到光电效应，则μ＝τ

τ是伽马射线穿过厚度1厘米的吸收物质时产生光电效应的几率，也是一个伽马光电子与1立方厘米物质产生光电效应的几率，即光电吸收宏观截面。

通过测定岩样吸收厚度X，及其透射岩样前后的伽马射线通量(强度)，根据(3)式就可求得光电吸收宏观截面τ。

由Pe与线性光申吸收系数τ的关系：

Pe＝τ/Ne    ...(4)

式中Ne表示电子密度：岩样的电子密度定义为每立方厘米岩样内的电子数，即 $N_e=\frac{N_A\·\mathrm{\ρb}}{M}({\mathrm{\Σn}}_i\·Z_i)---\left(5\right)$

由岩样的电子密度指数定义为 $\mathrm{\ρe}=\frac{2\·n_e}{\mathrm{NA}}=\frac{2\mathrm{\Σ}{n}_i\·Z_i}{M}\·\mathrm{\ρb}---\left(6\right)$

岩样的光电吸收截面指数定义为一个电子的平均光电吸收截面，即： $\mathrm{Pe}=\frac{\mathrm{\τ}}{n_e}=\frac{2}{N_A}\·\frac{\mathrm{\τ}}{\mathrm{\ρe}}---\left(7\right)$

由于ρb≈ρe，故： $\mathrm{Pe}=\frac{2}{N_A}\·\frac{\mathrm{\τ}}{\mathrm{\ρe}}=A\·\frac{\mathrm{\τ}}{\mathrm{\ρb}}---\left(8\right)$

式中NA为阿佛加德罗常数，由此可知，Pe与τ/ρe或τ/ρb成线性关系。在实际测量岩样时，对于59.5Kev能量的伽马射线，所测量到的吸收截面是总吸收截面μ，它是光电吸收截面与康普顿吸收截面之和：

μ＝τ+μP    (9)所以

τ＝μ-μP    (10)

(10)式代入(8)式： $\mathrm{Pe}=A\·\frac{\mathrm{\μ}-\mathrm{\μP}}{\mathrm{\ρb}}$

＝A·μ/ρ b-A·μP/ρb    (11)从理论分析A·μP/ρb一项近似为常数，设以B表示，因此：

Pe＝A·μ/ρb-B        (12)式中μ/ρb以μm代，μm为质量吸收指数值，则：

Pe＝A·μm-B           (13)式中A、B常数用标样刻度得出，在实验室用伽马射线透射法测定出μ，将μ、ρb代入(12)式，即可求得岩样的Pe值。

2.测量装置测量方法

2.1测量装置

测量装置主要包括下列几部分：

1)激发源：241Am 30mCi，T_1/2＝433Y，Er＝59.5Kev；

2)探测器：采用带薄铍窗的Na(Tl)晶体组合探测器，晶体尺寸为Φ50×3mm；

3)机械装置：准直器、滑动导轨、样品支架、源罐和屏蔽体等；

4)数据获取和处理装置：486微机多道谱仪、打印机；

5)电子仪器：高压电源、线性放大器等。

2.2测量方法

1)标准岩样的制备和参数定值

为了对测量系统进行刻度和标定，采集了一批纯度较高的矿物和金属样品，有镁、铝、生铁、砂岩、石灰岩和白云岩六种。加工成不同厚度的长方体。其化学成份和密度经过精确化验和测量，然后根据矿物百分含量计算Pe值，其理论计算公式如下：

单一化合物分子组成的矿物 $\mathrm{Pe}=\frac{\mathrm{\τ}}{n_e}=\frac{\left({10}^{-3.6}\right){\mathrm{\Σn}}_i\·Z_i^{4.6}}{{\mathrm{\Σn}}_i\·Z_i}----\left(14\right)$

式中ni为第i种原子序数为Zi的原子数目；

∑_NiZi为一个分子的电子数。多种化合物分子组成的矿物

先计算出矿物的体积光电吸收截面指数U和电子密度指数ρe。 $U=\underset{i}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{U}_i\·V_i=\underset{i}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{ei}}\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ei}}\·V_i---\left(15\right)$ $\mathrm{\ρe}=\underset{i}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ei}}\·V_i---\left(16\right)$ 式中U_i为第I种化合物的体积光电吸收截面指数；

P_ei为第I种化合物的光电吸收截面指数；

ρ_ei为第I种化合物的电子密度；

V_i为第I种化合物的体积百分比。则矿物的光电吸收截面指数 $\mathrm{Pe}=\frac{U}{\mathrm{\ρe}}---\left(17\right)$

2.2光电吸收截面指数测量

1)标样刻度

将标样分别放置在样品加架上，选举定测量时间，用微机多道谱仪测量无样及放置样品时²⁴¹Am伽马射线源能量为59.5Kev的能峰的计数，将计数值N0、Nx及样品厚度代入(3)中求得标样的μ值，以μ除以ρb得μm，对六个标样的μm及理论Pe值按(13)式所确定的关系用最小二乘法进行拟合得出关系式中的系数：

B＝-4.5476 A＝25.4193 r＝0.9999

Pe＝-4.5476+25.4193μm        (18)

2)岩样测量

按1)中所述方法测量得出岩样的μm，代入(18)中即得出岩样的Pe值。以下将结合附图对发明作进一步的详细描述。

图1为测量装置的机械构造图。

图2为确定理论公式系数的标样刻度测量的拟合关系图。

参照图1，在一个平直的机械导轨上，其自左到右，顺序连接安装有源灌，岩样支架、准直器、NaI(Tl)组合探测器、其各部位可在导轨上自由调节。然后通过线性放大器、微机多道谱仪而组成。[1]为30mCi的241Am同位素放射源，[2]为测量岩样[3]准直器，用铁壳中灌铅制成，准直器准直孔及源罐伽马射线出射孔的直径为8cm，[4]为NaI(Tl)组合探测器，[5]为滑动导轨[6]为源罐，制成与[3]同，[7]为支架，可上下左右以螺纹旋进方式调节，[8]为NaI(Tl)探测器高压供电电路，[9]为对NaI(Tl)探测器信号进行放大的线性放大器部分，[10]为由ADC转换器其接口板与486微机组成的微机多道谱仪。

参照图2，图2是测量标样得出的μm与其理论Pe值拟合的线性关系图，图中纵坐标是标样的理论Pe值，横坐标是标样测量所确定的μm值，岩样Pe值就是由测量所确定的μm值，代入图2所表示的关系式(18)计算得出。

岩样Pe值的测量范围及精度如下：

范围    1-10(巴/电子)

误差    ＜±0.2(巴/电子)

厚度    0.5--4cm

Claims (5)

1.一种测量岩样光电吸收截面指数Pe值的测量装置，其特征在一个平直的机械导轨上，其自左到右，顺序连接安装有源灌，岩样支架、准直器、NaI(Tl)组合探测器、其各部位可在导轨上自由调节。然后通过线性放大器、微机多道谱仪而组成。

2.一种测量岩样光电吸收截面指数Pe值的测量方法，首先调整准直器使准直器孔道与源罐的射线出射孔成一直线，且与导轨平行，调整样品架及NaI(Tl)探测器以使经准直的伽马射线垂直照射在样品及探测器的中心部位，将岩样放在装置的岩样架上，然后放置²⁴¹Am同位素源，通过由高压供电、带薄铍窗的NaI(Tl)探测器、线性放大器、微机多道谱仪等组成测量系统，测量²⁴¹Am同位素源对应59.5Kev能量伽马射线照射岩样前后通量，通过理论及标样刻度测量所确定的计算公式，计算求出岩样的光电吸收截面指数Pe值。

3.根据权利要求1或2所述的装置其特征是：岩样支架、准直器、NaI(Tl)组合探测器设计安装有上下调节螺杆。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于源灌和准直器的材料为铅，其外包装有铁壳。

5.根据权利要求2所述的测量方法，其特征是Pe值由测量的μm值应用拟合线性关系图版而计算得出。