Интерпретация данных гамма-каротажа
Радиоактивность горных пород связана с присутствием в них тория, урана, актиноурана и их продуктов распада, а также радиоактивных изотопов калия 40К (в природной смеси изотопов калия его содержится 0,012%). Каждый из этих элементов излучает γ-лучи с определенной энергией.
На рис. 65 приведены спектры γ-лучей радиоактивных минералов; калий 40К излучает γ-лучи с одной и той же энергией, равной 1,46 МэВ; радиоактивные ряды тория и урана — радия— множество γ-лучей с различной энергией.
В общем случае интенсивность гамма-излучения приблизительно пропорциональна гамма-активности пород. Однако при одинаковой гамма-активности породы с большей плотностью отмечаются меньшими показаниями ГК из-за более интенсивного поглощения ими γ-лучей. Средняя глубина проникновения γ-лучей в осадочных породах около 30 см, что соответствует радиусу сферы исследования, из которой поступает 90 % регистрируемого излучения. Общая концентрация различных радиоактивных элементов в. горных породах (абсолютная радиоактивность) измеряется числом распадов в 1 с. За единицу радиоактивности, называемую беккерелем (Бк), принимается активность вещества, в котором происходит 1 расп./с. Внесистемная единица кюри (Ки) равна 3,7-1010 Бк, т. е. числу распадов в1г226 Ra.
По величине естественной радиоактивности осадочные породы разделяются на три группы.
Породы высокой радиоактивности. К ним относятся глубоководные глинистые осадки — глобигериновые и радиоляриевые илы, черные битуминозные глины, аргиллиты и глинистые сланцы, калийные соли, калиевые полевые шпаты. Гамма-активность в этих породах может достигать 1—3 Бк на 1 г породы.
Породы низкой радиоактивности. Минимальное содержание радиоактивных веществ содержится в натриевой соли (галите), ангидрите, гипсе, известняке, крупнозернистом кварцевом песчанике, доломите, в подавляющей части каменных углей. Их гамма-активность всего лишь 0,04 Бк на 1 г породы.
Породы средней радиоактивности. Повышение радиоактивности происходит вследствие обогащения скелета породы пелитовыми и алевритовыми кварцевыми частицами, содержания калия в полевошпатовых песчаниках, а также вследствие вторичных процессов доломитизации карбонатных отложений. В некоторых случаях повышение радиоактивности горных пород связано с содержанием монацитовых и карнотитовых песков, скоплений урано-ванадиевых и других минералов. Радиоактивные элементы содержатся иногда в тяжелых минералах песков и песчаников. Гамма-активность таких пород изменяется в диапазоне 0,1—1 Бк на 1 г породы.
Повышенная радиоактивность глинистых пород по сравнению с другими породами осадочного комплекса объясняется их большой удельной поверхностью и способностью к адсорбции радиоактивных элементов, длительностью накопления пелитового материала, обеспечивающего увеличение содержания урана, тория и калия в осадке. Этому же способствует селективная сорбция ионов калия и органических остатков в процессе накопления глин (согласно данным А. Е. Ферсмана, содержание радия в остатках животных и растительных организмов, а следовательно, их радиоактивность намного выше, чем в окружающей среде). Накоплению радиоактивных элементов в битуминозных тонкодисперсных отложениях способствует богатство этой среды коллоидными осадками (включая органические коллоиды), адсорбирующими многовалентные ионы урана, тория и актиноурана. Это подтверждается появлением максимумов на кривой ГК против темных битуминозных сланцев и пластов глин, богатых органическими, в частности рыбными, остатками. Известна также способность тяжелых окисленных нефтей, в том числе и асфальтоподобных органических веществ, обогащаться ураном за счет извлечения его из подземных вод. Легкие нефти и угли этим качеством не обладают.
На основании многочисленных радиохимических исследований установлено: а) радиоактивность морских осадков определяется главным образом содержанием в них урановых соединений; б) наиболее интенсивная адсорбция урана коллоидными частицами происходит тогда, когда концентрация водородных ионов рН раствора меньше 7,5, а окислительно-восстановительный потенциал еН меньше —0,1 В; в этих условиях уран океанического вида восстанавливается с шестивалентного до четырехвалентного и переходит в донные осадки.
В сероводородной (сульфидной) и сульфидно-сидеритовой геохимических фациях имеются условия для интенсивной адсорбции урана. Следовательно, на величину естественной радиоактивности горных пород существенное влияние оказывают и физико-химические условия накопления осадков.
Интенсивность радиоактивного излучения горных пород зависит также от степени радиоактивности насыщающих их вод. Радиоактивность природных вод определяется содержанием в них калийных солей, эманации радия, тория — радона и торона. Наибольшую радиоактивность имеют высокоминерализованные глубинные хлоркальциевые воды (от 1,4 до 0,4 Бк на 1 л воды и ниже), которые благодаря своему составу способствуют выщелачиванию радия и его изотопов из породы. Минимальной естественной радиоактивностью обладают пресные поверхностные питьевые воды (0,02 Бк на 1 л воды).
Кислородные (атмосферные) воды, поступая из области инфильтрации в глубоко погруженные слои, встречаясь с окисленной нефтью, сероводородом и свободной углекислотой повышенной концентрации, обогащаются углеводородами, сероводородом и увеличивают свою минерализацию. При этом окислительно-восстановительный потенциал еН резко снижается до отрицательных величин, что вызывает осаждение урана даже при малом его содержании в воде.
Показания ГК являются функцией не только радиоактивности и плотности пород, но и условий измерений в скважине (диаметр скважины, плотность промывочной жидкости и др.). Для исключения влияния условий измерений при оценке интенсивности естественного гамма-излучения часто используется безразмерный двойной разностный параметр
где Iγ— калиброванные значения, отсчитанные по кривой ГК против исследуемого пласта, представляют собой сумму излучений пласта, промывочной жидкости и собственного фона прибора; Iγmin—минимальное значение ГК по всему разрезу, для которого излучение пласта принимается равным нулю, а регистрируемые значения ГК вызваны суммой излучения ПЖ и фона прибора (наиболее надежными опорными пластами c Iγmin являются неглинистые известняки, доломиты, ангидрит, песчаник); Iγmах — максимальные значения ГК по разрезу, отвечающие пласту чистых глин. Если допустить, что на величины Iγ исследуемого пласта и Iγmin, Iγmах опорных пластов ПЖ сказывается одинаково, то параметр Iγ свободен от влияния ПЖ и фона прибора и характеризует глинистость пласта.
Гамма-каротаж повсеместно входит в обязательный комплекс ГИС. Он находит широкое применение для литологического расчленения разреза, оценки глинистости терригенных и карбонатных пород, выявления в разрезе радиоактивных урановых и ториевых руд. Ряд полезных ископаемых имеет также более высокую радиоактивность, чем вмещающая среда, и четко выделяется на кривой ГК. К ним относятся фосфориты, флюориты, редкоземельные элементы и др. В хемогенно-карбонатном разрезе ГК полезен для выделения калийных солей по повышенной радиоактивности, ангидритов, гипсов и натриевой соли по пониженной радиоактивности. Для пород отдельных типов характерна выдержанность радиоактивных свойств на больших площадях, что способствует региональной корреляции разрезов скважин.
Прибор для регистрации ГК может быть совмещен со стреляющим перфоратором и локатором муфт. Одновременная запись гамма-каротажа и локатора муфт позволяет установить стреляющий перфоратор в нужном интервале с высокой точностью. ГК применяется также для взаимной увязки по глубине измерений, выполненных в обсаженных и необсаженных скважинах.