3.1 Естественная радиоактивность горных пород. Гамма-каротаж, физические свойства, область применения, решаемые задачи.

Естественной радиоактивностью называется самопроизвольное превращение ядер неустойчивых изотопов одного химического элемента в ядра других химических элементов. Естественная радиоактивность сопровождается испусканием определенных частиц: альфа-, бета- излучений, антинейтрино, а также электромагнитного излучения (гамма-излучение). Естественная радиоактивность наблюдается у тяжелых ядер элементов, располагающихся в периодической системе Д.И.Менделеева за свинцом.

Гамма каротаж

Радиоактивные элементы чрезвычайно рассеяны в природе и содержатся в малых количествах (порядка 10^-6 урана, 10^-13 радия, 10^-5  тория) во всех веществах, в частности в горных породах.

Измеряя радиоактивность путем регистрации гамма-излучения по стволу скважины, можно расчленять разрез на отдельные пласты и классифицировать их по этому признаку. На этом основан ГК скважин.

При проведении ГК в скважину опускаются детектор гамма-излучения и преобразователь информации для передачи ее на поверхность. В качестве детектора используют либо разрядные счетчики, либо сцинтилляционные кристаллы с фотоэлектронным умножителем.

Для проведения каротажа в скважину опускают детектор γ- излучения. В качестве детектора используют сцинтилляционный счетчик.

1-γ-детектор,2-фотокотод,3-система динодов,4-выходной анод.

γ-квант попадая на детектор 1 вызывает световую вспышку, которая передается на фотокотод 2, где выделяются свободные электроны, которые притягиваются к диноду.(1000Вт напряжение динода). На динодах происходит умножение электронного потока, т.е. каждый первичный электрон в процессе бомбардировки выбивает 8-10 вторичных электронов. Завершающим электродом является выходной анод 4.Каждый счетчик соединяет обычно 6-8 динодов. Для регистрации излучения используется специальный детектор (NaJ).

При спектральном гамма-каротаже определяют суммарную естественную радиоактивность породы и раздельное содержание в ней калия, урана и тория. Для чистых карбонатных пород характерно низкое содержание К, U и Th и соответственно низкая гамма-активность. Обогащение карбонатных пород глинистым материалом отмечается спектральным гамма-каротажем максимумом на кривой ГК и увеличением содержания К, U и Th. В отдельных случаях против карбонатных пород наблюдается повышенная гамма- активность по ГК при низком содержании К и Th, но высокой концентрации U. Эти интервалы совпадают с трещиноватыми и высокопродуктивными зонами карбонатных отложений. Соединения тория труднорастворимы в воде и являются малоподвижными в процессе выветривания горных пород. Поэтому в осадочных породах торий концентрируется в основном в глинистых и некоторых тяжелых минералах, калий же встречается как во многих горных породах, так и пластовых водах. На содержание калия влияют процессы выветривания и диагенеза. Соединения урана обладают высокой подвижностью. Поэтому на характер его накопления в пластах осадочных горных пород оказывает влияние взаимодействий физических, химико-минералогических и гидрогеологических факторов. В результате окислительно-восстановительных реакций, происходящих при движении пластовых вод, ионы урана растворяются в пластовых водах и в присутствии органического вещества или других минералов выпадают в осадок. Поэтому скопления урана обнаруживаются вдоль плоскости геологических нарушений, в зонах естественной трещиноватости или раздробленности пород.

Гамма-каротаж применяют для решения задач: выделения в разрезах скважин местоположения полезных ископаемых, отличающихся пониженной или повышенной гамма-активностью; литологического расчленения и корреляции разрезов осадочных пород; выделения коллекторов; оценки глинистости пород; массовых поисков радиоактивного сырья. В обсаженных скважинах ГК применяют для выявления радиогеохимических аномалий, образующихся в процессе вытеснения нефти водой. С использованием ГК решают технологическую задачу — увязку по глубине данных всех видов ГИС в открытом и обсаженном стволе.

Область применения метода 

В комплексе с данными других методов промысловой геофизики результаты гамма – метода исследования скважин используются для литологического расчленения разрезов скважин, для их корреляции и для выделения в них полезных ископаемых. В осадочных отложениях они являются наиболее надежным геофизическим критерием степени глинистости горных пород.

Выделение полезных ископаемых

Среди полезных ископаемых, однозначно выделяемых по данным гамма – метода, в первую очередь следует назвать радиоактивные руды (уран, радий и торий), а также калийные соли.

В скважинах, бурящихся с целью поисков и разведки месторождений радиоактивных руд, гамма – метод является основным геофизическим методом исследования, на основании данных которого осуществляется не только выделение в разрезе рудных пластов и пропластков, но и количественная оценка содержания в этих рудах радиоактивных элементов. Эти данные широко используются при подсчете месторождений радиоактивных руд.

Оценка глинистости

Основная ценность гамма – метода при исследовании осадочных горных пород заключается в возможности количественных определений по его данным глинистости С_гл горных пород или содержания в карбонатных породах нерастворимого остатка С_по – параметров, знание которых необходимо при оценке коллекторских свойств горных пород, а также при количественной интерпретации данных других методов промысловой геофизики.

В основе количественных определений лежит корреляционная связь радиоактивности q_п горных пород с содержанием в них глинистого материала С_гл и нерастворимого остатка С_по, характеризующихся повышенной радиоактивностью.

Физические основы гамма-каротажа

Радиоактивностью называется способность некоторых атомных ядер самопроизвольно распадаться с испусканием α-, β-, γ-лучей, а иногда и других частиц. Альфа-лучи - это поток частиц, которые являются ядрами атомов гелия (2Не4 ). При прохождении через вещество α-частицы сильно ио­низируют атомы и поэтому быстро теряют энергию. Длина их пробега в твердом веществе измеряется микронами. Бета-лучи представляют собой поток электронов, имеющих большую скорость. Проникающая способность β-частиц не превышает 8-9 мм в горных породах.

Гамма-лучи представляют собой электромагнитное излучение с малой длиной волны (менее 10 см). Длина пробега γ-квантов в горных породах достигает десятков сантиметров. Благодаря высокой прони­кающей способности они являются основным видом излучений, реги­стрируемых в методе естественной радиоактивности.

Энергию частиц выражают в электрон вольтах (эВ). Один электрон­ вольт - это кинетическая энергия, которую приобретает электрон под действием разности потенциалов в 1 У. Энергия γ-квантов обычно ко­леблется от долей до нескольких мега электрон вольт (МэВ). Гамма­ излучение с энергией квантов более 500 КэВ называется жестким, а с энергией менее 500 КэВ - мягким. Воздействие гамма-излучения на среду количественно оценивается в единицах дозы и мощности дозы. Доза - это количество γ-квантов, поглощенных облучаемым объектом. Единицей дозы является рентген. Один рентген соответствует погло­щению такого количества γ-квантов, которое при водит к образованию в 1 см³ сухого воздуха при t = 0 ⁰С И давлении 760 мм рт. СТ. ионов, не­сущих заряд в одну электростатическую единицу. Единицей мощно­сти дозы является рентген в час. В практике радиоактивного каротажа обычно пользуются миллионной долей рентгена в час (мкр/ч). Из естественных радиоактивных элементов наиболее распространены уран U²³⁸, торий Th²³² и изотоп калия К⁴⁰. Содержание этих эле­ментов в разных породах неодинаково, что позволяет различать их по радиоактивности. Радиоактивность осадочных пород, как правило, находится в прямой зависимости от содержания глинистого материала. Повышенная радиоактивность глин связана с тем, что благодаря боль­шой удельной поверхности они адсорбируют значительное количество урана и тория, большее, чем другие осадочные породы. В некоторых породах повышенная радиоактивность связана с тем, что в них наблюдается высокое содержание калия. Песчаники, известняки и доломиты имеют малую радиоактивность, наименьшую радиоактивность имеют каменная соль, ангидриты и угли. Поскольку радиус исследования гамма-метода мал - около 30 см, то на его показания существенное влияние оказывают размер и свойства среды, отделяющей индикатор от стенки скважины. При количествен­ной интерпретации показания ГМ приводят к стандартным скважин­ным условиям, за которые принимают отсутствие влияния диаметра скважины (диаметр скважины равен диаметру скважинного прибора).