§39. Классификация радиоактивных методов

По виду первичного (возмущающего) радиоактивного излу­чения все радиоактивные методы подразделяются на две боль­шие группы: гамма-методы и нейтронные методы (табл. 4). В первую группу входят методы естественного гамма-поля и ис­кусственного стационарного пли переменного (импульсного) гамма-поля (ИГГМ). Нейтронные методы изучают искусствен­ные нейтронные поля и по частоте возмущающего поля делятся на методы стационарного нейтронного ноля и методы перемен­ного (импульсного) нейтронного поля. Метод меченых атомов (ММА) может быть отнесен к обеим группам в зависимости от применяемой модификации.

Кроме основных методов радиометрии скважин, основанных на регистрации интегральной интенсивности гамма-излучения или нейтронного излучения, широко используются их спектраль­ные модификации, с помощью которых исследуются не только интенсивность излучения, но и его энергетический спектр — спектрометрия естественного, нейтронного и рассеянного гамма- излучения.

3

f

Vj*

о

t

о

5

я

2	X	=
Ö	о о.	О
	&о	X £12
А	■V J«
	X <-.	Р
	С-4	X
и	■S5.	то
	§ <?	И
	50	о
»M	С. л	£
:л	Ö то	i
	Я я	то
: :	ö í	X
О _ С^ < ■SU	а. то 6Í о -.гг	g ж
<У »r«	63	^.с

2

rí

I

1. 5

3 7j¡

Cu TO f.

£ йЬ

2. То

и^и

: X -

J O

cí í’³

2 ; я ¿Гъ*8

<■ X X

Целесообразность применения каждого метода и его моди­фикации вытекает из конкретных решаемых геологических задач и геологических особенностей месторождения.

Глава X

МЕТОДЫ ЕСТЕСТВЕННОЙ ГАММА-АКТИВНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД

§ 40. Физические основы методов естественного радиоактивного поля

Из методов, основанных на изучении естественного радиоак­тивного поля, получили распространение гамма-метод (ГМ) и спектральный гамма-метод (ГМ-С). Применение этих методов для изучения геологических разрезов скважин базируется на дифференциации горных пород и полезных ископаемых по их естественной гамма-активности. Сущность ГМ и ГМ-С заклю­чается в изучении естественного гамма-поля по стволу сква­жины путем регистрации интегральной и дифференциальной ин­тенсивности гамма-излучения, возникающего при самопро­извольном распаде радиоактивных элементов в горных по­родах.

Таким образом, предмет исследования в естественных гам­ма-методах— естественная радиоактивность горных пород, вскрытых скважиной. Остальные составляющие общей радио­активности, регистрируемой в скважине, являются помехами и в общем случае связаны с фоновыми значениями гамма-излу­чения промывочной жидкости, обсадной колонны и цементного камня.

Естественная радиоактивность горных пород в основном обусловлена присутствием в них естественных радиоактивных элементов — урана 92^ н продукта его распада радия 8$Ка, тория ^оТИ и радиоактивного изотопа калия }?К. Остальные радиоактивные элементы (рубидий 'ЙИЬ, самарий ‘¿Йт, лан­тан ‘^Ьа, лютеций *ЯЬи и др.) характеризуются большими периодами полураспада и малыми концентрациями в горных породах, поэтому заметного вклада в суммарную естественную радиоактивность не вносят.

Содержание урана, тория и калия определяется физико-хи­мической обстановкой, в которой формировались горные по­роды, а также вторичными процессами выщелачивания и пере­носа изотопов. Так, наиболее высокой радиоактивностью отли­чаются магматические породы, самой низкой — осадочные, промежуточной — метаморфические. Содержание радиоактив­ных элементов в магматических породах закономерно связано с количеством кремнекнелоты (основностью). Наиболее радио­активны кислые разности пород, минимальная радиоактивность у ультраосновных пород. Колебания концентрации некоторых радиоактивных элементов в магматических породах могут до­стигать двух-трех порядков. Радиоактивность осадочных пород в первую очередь определяется радиоактивностью породообра­зующих минералов.

Все породообразующие минералы по радиоактивности (в расп./с-г) разбиты на четыре класса: 1) низкой радиоактив­ности [(0,037—0,555) 10⁴], основные породообразующие мине­ралы — кварц, кальцит, доломит, сидерит, ангидрит, гипс, ка­менная соль; 2) средней радиоактивности [(0,388—8,5) 10⁴], по­родообразующие минералы — лимонит, магнетит, турмалин, ко­рунд, роговая обманка, барит; 3) повышенной радиоактивности [(5,55—37) 10⁴], породообразующие минералы — глины, слюды, полевые шпаты, калийные соли; 4) высокой радиоактивности [(0,037—37) • 10⁷], породообразующие минералы — циркон, ор­тит, монацит.

Породообразующие минералы обусловливают радиоактив­ность осадочных горных пород. Среди осадочных пород пони­женной радиоактивностью [3,7(10³—10²) расп./с-г] характери­зуются хемогенные отложения (ангидриты, гипсы, каменная соль), а также чистые пески, песчаники, известняки и доло­миты. Максимальной радиоактивностью [(3,7—5,55) 10⁵ раси./ с-г] обладают глины, глинистые и битуминозные сланцы, фос­фориты, а также калийные соли. Радиоактивность других оса­дочных пород находится в прямой зависимости от степени их заглинизированности, а карбонатных отложений — от содержа­ния терригенного материала (нерастворимого осадка). За- глинизированные пески, песчаники, известняки и доломиты, а также алевролиты и мергели характеризуются значениями ра­диоактивности, промежуточными между радиоактивностью чи­стых пород и глин. Радиоактивность карбонатных отложений, как правило, ниже и изменяется в меньших пределах, чем у пес- чано-глиннстых пород.

Высокоактивные разности встречаются и среди чистых пес­ков, песчаников и известняков, если они обогащены монацнто- вымн, карнотитовыми, глауконитовыми и другими уранонос­ными или полевошпатовыми минералами. В ряде случаев ра­диоактивность горных пород повышается за счет насыщения их пластовыми водами, обогащенными ураном и радием. Концен­трация урана и тория в пластовых водах в 10³—10⁴ раз меньше, чем в изверженных горных породах, и их радиоактивность со­ставляет около 1.11 - 104 расп./с-г. Однако в замкнутых водое­мах при дефиците атмосферных осадков радиоактивность вод может достигать 3,7-10⁵ расп./с-г. Таким образом, пластовая вода в общем случае не может оказать заметного влияния на естественную радиоактивность горных пород, которая в основ­ном зависит только от минерального состава скелета и цемента пород.

Естественная радиоактивность горных пород в скважине из­меряется специальным измерительным прибором — скважин­ным радиометром. Скважинный радиометр перемещается по стволу скважины обычно снизу вверх, как в большинстве гео­физических методов исследовании скважин, регистрируя изме­нение радиоактивности горных пород, слагающих разрез сква­жины. При этом индикатор гамма-излучения в общем случае регистрирует интенсивность гамма-поля /_урег, обусловленную радиоактивностью горных пород, против которых находится ра­диометр, промывочной жидкости, стальной колонны и цемента. Выражая эти составляющие через их интенсивности гамма-из­лучения, можно записать

^у реч ⁼ п "Ь^^ур'Ь Vу к у ц*

где /г_1? /?г, &з и — эффективности индикатора для спектров энергий гамма-излучения соответственно горной породы, про­мывочной жидкости, колонны и цемента. Так как интенсивность гамма-излучений промывочной жидкости, стальной колонны и цемента небольшая и изменяется в нешироких пределах по сравнению с интенсивностью гамма-излучения горных пород,то в общем случае регистрируемая интенсивность естественной гамма-активности прямо пропорциональна радиоактивности гор­ных пород, пройденных скважиной.

Аппаратура и методика исследований ГМ

Для исследования разрезов скважин методами радиометрии применяется одноканальная н двухканальная аппаратура. Двух­канальная аппаратура позволяет регистрировать одновременно по две кривые — ГМ н ПГМ, ГМ и ННМ-Т или ГМ н ННМ-НТ, одноканальиая — только кривую гамма-метода.

Одноканальная аппаратура гамма-метода (ГМ) состоит из скважинного прибора, соединенного через электрическую линию геофизического кабеля с наземной панелью и источником пита­ния (рис. 85).

Электронная схема скважинного прибора находится в сталь­ной гильзе. Источником высокого напряжения служит высоко­вольтный генератор, который состоит из электронного генера­тора, повышающего трансформатора, выпрямителя и стабили­затора. Стабилизированное высокое напряжение постоянного тока подается на индикатор.

Импульсы тока, возникающие в датчике при регистрации гамма-квантов, подаются на выходной усилитель и формиро­ватель, позволяющие повысить их уровень до величины, обеспе­чивающей возможность надежной передачи по линии кабеля к наземной панели. Передача импульсов от скважинного при­бора па вход наземной панели и питание электронной схемы

'.ПК

Вгт

Рис. 85. Блох-схсма од- нокакальяой аппара­туры гамма-метода со сциитилляциоиным счет­чиком.

С

Л-Г

ВУ

дн

1_Х С*

П — скважинный прибор: И — сцинтиллячиоиный ин­дикатор гаммз-кваптов: Си — сцинтиллятор; ФЭУ — Фотоэлектронный укаожи- тсль: ДН — делитель на­пряжения: ЗУ — входной усилитель: УМ — усилитель мощности: Тр — выходной трансформатор; Эг — элек­тронный генератор: Вп -- импрямитель высокого на­пряжения; Ст — стабили­затор пмеокого напряже­ния: ЛК — линия кабеля: НП — наземная панель: ИТ — источник тока: Р — резистор регулировки тока питания СП; Фл — фильтр: ВУ — входной усилитель: Дс — дискриминатор: Ф — формирователь импульсов: ВС.— выходная ступень: И К — интегрирующий кон­тур; Кл — калибратор: СУ — счетное устройство: РП — регметри р у’к> щ и й прибор

скважинного прибора осуществляются по одной и той же линии кабеля. Для разделения импульсов и постоянного тока питания скважинного прибора используются фильтры.

Импульсы, пришедшие по кабелю до наземной панели и от­фильтрованные. дополнительно усиливаются и подаются на дискриминатор, который из поступающих и усиленных импуль-

Рис. 86. Принципиальная схема устройства и включения газоразрядных счетчиков.

/ - стеклянный баллон: 2— металлический цилиндр или металлическое покрытие (ка­тод): Л — нить (анод); ■/ — контакты и изоляторы. С — емкость; К — сопротивление; ИТ источник постоянного тока

сов отбирает лишь те, амплитуда которых превышает заданное значение порога срабатывания дискриминатора. Регулирование уровня дискриминации сигналов обеспечивает регистрацию гамма-квантов от какой-то выбранной энергии и выше.

Отобранные дискриминатором импульсы поступают на фор­мирователь, где они стандартизуются по амплитуде и длитель­ности, а затем подаются на интегрирующий контур. Интегри­рующий контур преобразует последовательные импульсы то"ка, пропорциональные скорости счета, в постоянный ток, который фиксируется регистрирующим прибором. Предусматривается также возможность вести счет числа импульсов электромеха­ническим счетчиком или декатронами.

В наземной радиометрической панели имеется калибра­тор-устройство, позволяющее подавать на вход измеритель­ного канала панели импульсы с заданной скоростью счета. Ка­либратор используется для установления масштаба записи кривой ГМ (в импульсах в минуту на сантиметр шкалы или в других единицах).

В скважинной аппаратуре в качестве датчиков могут, быть использованы газоразрядные, сцинтилляцнонныс и полупровод­никовые счетчики.

Газоразрядные счетчики. Газоразрядный счетчик представ­ляет собой газонаполненный прибор, поставленный в режим ра­боты и обеспечивающий регистрацию интенсивности ядерных частиц по возникновению газового разряда. Газовым раз­рядом называют явление протекания ионизационного тока через газы.

Газоразрядный счетчик —это своеобразный конденсатор. Одним электродом (анодом) в нем служит тонкая нить из вольфрама, железа пли другого металла диаметром 0,1—0,5 мм, натянутая вдоль оси стеклянного цилиндра диаметром 1—3 см, вторым электродом (катодом) является внутреннее металличе­ское покрытие этого цилиндра (рис. 86). Роль диэлектрика вы­полняет смесь газов, заполняющая под давлением 1,33- 10* Па

пространство между электродами. К j электродам приложена достаточно высо­кая разность потенциалов электриче­ского поля.

О бразование ионов и электронов в заполняющем газе происходит иод дей­ствием попавших в счетчик движущихся ядерных частиц или квантов электромаг­нитных излучений. В общем случае ве­личина тока в газе, хотя и зависит от приложенного к счетчику напряжения (рис. 87), но не пропорциональна ему.

С

чины приложенного напряжения.

/ — для альфа-частицы; 2 — для бета-частицы

ложная зависимость силы тока от на- р,_1С & Графики зави- пряження связана с особенностью физи- снмости амплитуды им- ческих процессов, протекающих в газе пульса I и газоразряд- прн движении ионов в межэлектродном ^{ных счстчиках от вслн}' пространстве.

На графике зависимости силы тока в газе от приложенного напряжения (вольтамперная характеристика) в газо­разрядном счетчике выделяют шесть областей (см. рис. 87): / — действия закона Ома, // — ионизационной камеры (тока насыщения), /// —^пропорциональности, IV — ограниченной пропорциональности, V — Гейгера—Мюллера, VI — самостоя­тельных разрядов (непрерывного счета). Областью Гейгера — Мюллера называется область, где импульс тока на выходе ин­дикатора зависит лишь от напряжения на нем, но не зависит от первичного заряда.

Для регистрации гамма-квантов в радиометрии скважин ис­пользуют газоразрядные счетчики, работающие в области Гей­гера — Мюллера, не чувствительной к интенсивности первичной ионизации исследуемых частиц. Счетчики, работающие в таком режиме, называются счетчиками Гейгера — Мюллера. Их осо­бенностью является большая величина выходного сигнала, до­стигающая единиц и даже первых десятков вольт, и, как след­ствие, простота последующей измерительной схемы аппара­туры.

В области Гейгера — Мюллера напряжение на электродах не так велико, чтобы происходил разряд самостоятельно. Необ­ходим внешний ионизатор — воздействие реактивного излуче­ния (гамма-кванта), создающего первичную ионизацию (хотя бы одну пару нонов), из которых развивается первая лавнна ионов — начало непрерывного (сплошного) разряда. Самостоя­тельный разряд поддерживается в счетчике Гейгера — Мюл­лера следующими двумя процессами: 1) молекулы, возбуж­денные соударениями, освобождаются от избыточной энергии, испуская фотоны ультрафиолетового излучения, и переходят в нормальное состояние; фотоны поглощаются практически по всей поверхности катода и благодаря фотоэффекту вырывают

Недостатки сцинтилляционных счетчиков: 1) высокая чув­ствительность к изменению температуры окружающей среды; 2) повышенные требования к стабильности питающего напря­жения; 3) большой разброс параметров фотоумножителей и из­менение характеристик и параметров фотоумножителей в про­цессе их работы.

Полупроводниковые счетчики. В последнее время для ре­гистрации гамма-квантов начинают применять полупроводнико­вые счетчики, в которых используется свойство детекторов—од­носторонняя проводимость электрического тока. Для этого создают некоторый слой, называемый р—«-переходом и обла­дающий высоким удельным сопротивлением. Две пластинки по­лупроводника, одна с электронной проводимостью, а другая — с дырочной, приводят в тесное соприкосновение. В местах их соприкосновения происходит диффузия электронов, которая нейтрализует часть дырок в тонком граничном слое с дырочной проводимостью, и этот слой заряжается отрицательно. Анало­гично тонкий граничный слой с электронной проводимостью за­ряжается положительно. В результате создастся переход р—п, препятствующий дальнейшей диффузии носителей заряда. Та­кой переход р—п обладает свойствами детектора. Если пла­стинку с электронной проводимостью присоединить к катоду, а пластинку с дырочном проводимостью - к аноду, то через пе­реход течет ток. При обратной полярности толщина перехода р—п растет, и система не проводит тока.

При прохождении ионизирующей частицы через чувстви­тельный слой в нем происходит ионизация и образуются сво­бодные носители заряда, которые под действием электрического ноля дрейфуют к соответствующим электродам, т. е. появляется импульс электрического тока.

Для регистрации гамма-квантов необходимы полупроводни­ковые счетчики с большой толщиной чувствительного (запор­ного) слоя. Это достигается внедрением лития, обладающего высоким коэффициентом диффузии, в один из торцов полупро­водника с дырочной проводимостью. В результате получается трехслойный детектор с р—'ь—«-переходом (рис. 89). В слое р, куда не проникали атомы лития, сохраняется дырочная прово­димость. Тонкий слой п. в котором преобладает «донор» (ли­тий), приобретает электронную проводимость. В промежуточ­ном слое I концентрации «доноров» и акцепторов равны. Этот слой нс имеет примесной проводимости и обладает высоким удельным сопротивлением. Толщину /-слоя в отдельных случаях удается довести до 8 мм, что достаточно для получения хоро­шего энергетического разрешения и неплохой эффективности (до 10%) полупроводникового счетчика гамма-квантов.

Полупроводниковые детекторы отличаются экономичностью питания, компактностью, нечувствительностью к магнитному полю (в отличие от ФЭУ), а также амплитудным разрешением, в 20—30 раз лучшим, чем у сцинтилляционных счетчиков. Од-

Рис. 89. Схема полупроводни­	' "Г
кового детектора	' ! £ Iя
	-1

иако их применение ограничивается сравнительно небольшими размерами полупроводниковых детекторов и нестабильной ра­ботой при повышенных температурах.

Стандартизация и калибровка аппаратуры. В гамма-методе переход от результатов скважинных измерений гамма-излуче­ния горных пород к оценке их радиоактивности осуществляется с использованием градуировочных зависимостей, полученных с использованием эталонных источников гамма-излучения.

Интенсивность гамма-излучения, измеряемая в скважинах, зависит от интегральной чувствительности детекторов, линейно­сти шкал пишущего устройства, начального порога регистрации гамма-квантов, величины фонового излучения и других факто­ров даже при работе с однотипными приборами с одинаковыми датчиками и тем более с различными радиометрами и детек­торами.

Для исключения или уменьшения влияния указанных фак­торов и обеспечения возможности сопоставления результатов, полученных различными радиометрами, измерения естествен­ной гамма-активности горных пород, слагающих разрезы сква­жин, должны проводиться стандартизованной и калиброванной аппаратурой.

Стандартизация измерительной аппаратуры предусматри­вает разделение аппаратуры на типы по чувствительности ее к гамма-излучению, проверку соответствия каждого экземпляра радиометра данного типа эталонному прибору, для которого по­лучена градуировочная зависимость результатов измерения ГМ от исследуемой гамма-активности горных пород. При этом вно­сят необходимые коррективы в аппаратуру в случае устрани­мого несоответствия, проверяют правильность корректировки и при положительных результатах получают поправочные коэф­фициенты или зависимости, стандартизирующие показания дан­ного экземпляра аппаратуры.

Стандартизация проводится перед использованием каждого радиометра и повторяется ежегодно, а также после каждого ре­монта радиометра, поскольку замена отдельных элементов или узлов схемы может вызвать нарушение стандартизации.

В настоящее время широко применяются два способа стан­дартизации аппаратуры ГМ: способ радиевых эталонов и спо­соб эталонных скважин.

Способ радиевых эталонов. Для стандартизации аппаратуры ГМ необходим набор сред (не менее 5) различной мощности экспозиционной дозы поглощения гамма-излучения, который охватывает весь диапазон изменения радиоактивности горных пород, слагающих разрез скважины.

Перед стандартизацией аппаратуру тщательно проверяют и регулируют, устанавливают масштаб записи в имп/мин-см. На специальной площадке эталонный и стандартизуемый прибор располагают на высоте не менее 2 м канала ГМ от поверхности земли и на расстоянии 4 м от посторонних предметов. От сере­дины детектора ГМ горизонтально протягивают трос для под­вески источника гамма-излучения. Измерения интенсивности гамма-излучения /_у проводят не менее чем в шести положениях при расстоянии г источника от индикатора 0,5—4 м; кроме того, регистрируют без источника натуральный фон гамма-излучения /уф. В каждом положении источника ведется запись величины 1_у не менее 1,0—1,5 мин при максимальной постоянной времени интегрирующей ячейки т_я. После этого устанавливают зависи­мость между показаниями /_у—/уф стандартизуемого и эталон­ного приборов путем сопоставления их показаний (в имп/мин) при одних и тех же г. Пользуясь этой зависимостью, показания стандартизуемого прибора приводят к масштабу градуировоч­ной зависимости, полученной эталонным прибором.

В случае нспользоваиня эталонного радиевого источника гамма-излучения стандартизация является градуированием ап­паратуры ГМ. В результате градуирования определяют пере­ходные коэффициенты К_у между интенсивностью счета и экс­позиционной дозой поглощения гамма-излучения для эталон­ного и стандартизуемого прибора по формуле

л:_? . Д/_у/Да,

где Д/у — разность между двумя интенсивностями (в имп/мин); Да — разность между соответствующими мощностями дозы (в А/кг). Мощности дозы гамма-излучения при градуировании задаются равными (35,83; 71,66; 114,65; 143,32; 214,98; 358,3; 501,62; 716,6) 10^-14 А/кг. Для создания этих мощностей дозы по­глощения гамма-излучения расстояния г от центра детектора до эталона рассчитываются по формуле

Г = УЖ, (114)

где /4 = 840 а_р — мощности дозы на расстоянии 1 м (а_р—актив­ность эталона); а — заданная мощность дозы (в А/кг).

По полученным значениям зарегистрированных /_у для каж­дого положения эталонного гамма-источника строят градуиро­вочные графики, представляющие собой зависимости величины интенсивности от задаваемых мощностей экспозиционной дозы поглощения гамма-нзлучення (рис. 90). Для определения нату­рального фона гамма-излучеиия градуировочную кривую экстраполируют до пересечения с осыо мощностей дозы и затем шкалу мощностей дозы смещают влево на величину натураль­ного фона /у*. Затем по градуировочному графику определяют перссчстнын коэффициент К_у.

Однако регистрируемая аппаратурой гамма-метода естест­венная радиоактивность горных пород зависит не только от нн-

тенсивности гамма-излучения по стволу скважины, но и от его энергетического (спектра­льного) состава, а также от интенсивности и энергии соб­ственного гамма-излучения ра­диометра. Энергетический спектр гамма-излучения эта­лонных источников отличается от энергетического состава гамма-излучения в скважине, поэтому показания радио­метра в единицах интенсивно­сти излучения, полученные при градуировании способом радиевых эталонов, приводят к существенным погрешностям изменения гамма-излучения в Рис. 90. Эталонировочный график скважине. Этот недостаток мо- однокапальмой аппаратуры гамма- жно устранить с помощью ^мст°Д^а-

*

0 71.66 М,32 21^,38 т,бЬ-!0-^г Ч_г.А/к Г

^г I — отклонение регистратора

стандартизации радиометриче­ской аппаратуры в эталонных скважинах.

Способ эталонных скважин. Стандартизация аппа­ратуры гамма-метода в эталонных скважинах, в которых раз­рез отложений и условия измерения такие же, как и в иссле­дуемых скважинах, сводит к минимуму или полностью ис­ключает искажающие факторы: интегральную чувствительность детектора, линейность шкал пишущего устройства, начальный порог регистрации гамма-квантов, величину фонового излуче­ния радиометра, индивидуальные особенности аппаратуры гам­ма-метода и др.

В этом способе обсаженная скважина, вскрывшая разрез отложений, по радиоактивности типичный для данного региона, и обеспечивающая такие же условия измерения, как в иссле­дуемых скважинах, закрепляется за геофизической организа­цией для стандартизации радиометрической аппаратуры.

С

-V-

ущность способа состоит в том, что кривые ГМ эталон­ного и стандартизируемого приборов при различных условиях их записи приводятся к условиям измерений в эталонной скважине. Для этой цели в эталонной скважине измеряют ес­тественную радиоактивность эталонным и стандартизуемым ра­диометрами. На кривых гамма-метода выделяют пласты мощностью более 2 м и для интенсивностей излучений 1_у{, за­регистрированных против них, определяют среднее квадратиче­ское отклонение:

(/у— ^уср)^а 2л,

где «/ — число значений /у, в общем количестве интервалов на которые разбивается разрез эталонной скважины.

За эталонную единицу, так называемую вероятную норма­лизованную единицу |A/_v!_BCp, принимается удвоенная вели­чина среднего квадратического отклонения о интенсивности /_у1- зарегистрированная в эталонной среде, от ее среднего значения /уср. Показания против исследуемых пластов 1_ух перечисля­ются в относительные единицы /_vx/2сг.

Если эталонные скважины пробурены с полным отбором керна, который проанализирован в лабораторных условиях на радиоактивность, то результаты проведенных измерений гамма- методом можно выражать в единицах радиоактивности горных пород. В этом случае стандартизация является градуированием аппаратуры ГМ. Таким образом, появляется возможность ко­личественно оценивать радиоактивность горных пород, вскры­тых скважинами. Однако в способе эталонных скважин плохо сопоставимы данные измерений /_у аппаратурой, стандартизо­ванной в разных скважинах, которые вскрыли разрез горных пород с различной закономерностью изменения естественной ра­диоактивности.

Калибровка аппаратуры ГМ осуществляется после ее стан­дартизации, а также на скважине перед проведением и после проведения исследовании гамма-методом. Калибровка заклю­чается в проверке соответствия чувствительности канала ГМ к гамма-излучению, замеряемому в скважине, и от контроль­ного гамма-источника, используемого при стандартизации или градуировании, т. с. в определении погрешностей измерений. Для этой цели до и после исследования гамма-методом на сква­жине проводят измерения интенсивности гамма-излучения кос­мического фона и от контрольного гамма-источника, который прикладывают к кожуху точно против детектора. Разность этих интенсивностей не должна отличаться более чем на ±10% от разности Д/у —/_v—/уф, полученной при стандартизации.

Методика проведения измерения ГМ. Получение качествен­ных результатов исследований разрезов скважин гамма-мето­дом решаюшнм образом зависит от выбора методики измере­ний. При выборе методики исходят из геолого-геофнзичсских условий, предполагаемой интенсивности гамма-нзлучення, мощ­ностей пластов, имеющейся аппаратуры, требуемой точности из­мерений и т. д.

Особое значение имеет выбор оптимальной скорости v пе­ремещения скважинного радиометра и постоянной времени т_я интегратора. При слишком больших ихя амплитуды аномалий ГМ уменьшаются и становятся асимметричными, точки кривых, соответствующие границам пластов, смешаются в сторону дви­жения радиометра, фиктивная мощность пласта увеличивается, не исключен пропуск пластов малой мощности (рис.91). Умень­шение их* приводит к искажению кривых ГМ за счет статисти­ческих флуктуаций, в результате чего они становятся слишком изрезанными, отсутствует их повторяемость.

Оптимальное значение т_я рассчитывают по формуле

т_я = 1/2е²/_уср,

г

и

Е

'о

а

6

II

Рис. 91. Конфигурация кривых /у|» против пластов большой (а) и малой (б) мощности.

Шифр кривых — са_я в м/ч-с

де е — относительная статистическая погрешность измерений, принимаемая в нефтяных, газовых и рудных сква­жинах при поисковых исследованиях равной 0,05 и нрн детальных — 0,03, в угольных скважинах — 0,1. Значе­ние т_м для данного типа радиометра устанавливают ближайшее к расчет­ному.

Оптимальную скорость подъема скважинного радиометра определяют по формуле 1800/1/тя, руководст­вуясь при этом условием, что детек­тор гамма-излучения должен нахо­диться против пласта минимальной мощности в течение времени Зт_п. При поисковых исследованиях нефтяных и газовых скважин V~ 300400 м/ч, а т„^3~:-6 с. При выборе масштаба записи кривых гамма-ме­тода руководствуются следующим условием: обеспечить доста­точную дифференциацию изучаемого разреза. Этому условию для карбонатного разреза и полимнктовых песчаников соответ­ствуют масштаб записи кривых ГМ 3,583-10 ¹⁴ или 5.374Х ХЮ ¹⁴ А/кг*см, для песчано-глинистых пород при кварцевом составе песчаников и карбонатных пород с гамма-активностью глин более 71,66* 10 ^м А/кг —масштаб 7,166* 10“^м А/кг*см [20]. Если при таких масштабах вся кривая ГМ имеет большие отклонения от нулевой линии, то часть регистрируемой интен­сивности /_уР компенсируется компенсатором поляризации, чтобы кривая ГМ укладывалась на рабочую часть регистра­тора.

Масштаб записи устанавливают регулированием отклонения / пишущего устройства от известного числа импульсов калибра­тора /V« и выбранного масштаба записи п_у:

1. = /п_у\х,

где ц — пересчетный коэффициент, показывающий, сколько им­пульсов в минуту соответствуют 7,166- 10 ^м А/кг.

Масштаб глубин диаграмм ГМ устанавливают 1 : 500 или

1. : 200 при поисковых и 1 :50 или 1 : 20 при детальных исследо­ваниях. Выбор масштабов глубин и определение глубин при применении гамма-метода производятся так же, как и при элек­трометрии скважин.

Кривые ГМ

Интерпретация диаграмм гамма-метода начинается с рас­членения разреза и выделения пород различной радиоактивно­сти. Поскольку величина радиоактивности пород осадочного

комплекса хорошо коррелируется с их глинистостью, то в пес­чано-глинистом разрезе по диаграммам метода естественного гамма-излучения можно выделять пласты с различным содер­жанием глинистого материала.

Конфигурации кривых /у, зарегистрированных радиометром по стволу скважины, искажаются из-за наличия интегрирую­щей ячейки, вызывающей инерционность аппаратуры. Вслед­ствие этого кривые 1_у на диаграммах ГМ получаются асиммет­ричными относительно середины пласта и сдвигаются по на­правлению движения прибора, а максимальная интенсивность занижается, особенно в пластах ограниченной мощности (см. рис. 91).

Границы пласта повышенной радиоактивности можно опре­делять с достаточной для практики точностью по точкам, соот­ветствующим началу подъема кривой ГМ в подошве пласта н началу ее спада в его кровле (рис. 92).

Зарегистрированные амплитуды гамма-излучения против пла­стов ограниченной мощности исправляют за искажающее влия­ние инерционности аппаратуры. С этой целыо измеренное мак­симальное значение естественного гамма-излучения против пласта /ушах приводят к величине /у*> для пласта неограни­ченной мощности, используя отношение

Д^уоо — Д/

где — поправочный коэффициент за влияние ограниченной мощности пласта; он находится в сложной зависимости от ско­рости перемещения радиометра V по стволу скважины, постоян­ной интегрирующей ячейки т_я и мощности пласта А.

Поскольку радиус исследования ГМ мал (около 40 см), то /у зависит от диаметра скважины и положения прибора отно­сительно стенки скважины, радиоактивности и плотности про­мывочной жидкости, а в случае закрепленной скважины — от толщины колонны н цементного камня.

Кривые гамма-метода, зарегистрированные в скважинах с различными условиями измерений, несопоставимы и при ко­личественной их интерпретации показания ГМ должны приво­диться к стандартным скважинным условиям — отсутствие влияния диаметра скважины (диаметр скважины равен диа­метру скважинного радиометра), толщины стенок обсадной ко­лонны и цементного камня. Приведенные к этим условиям по­казания ГМ выражаются формулой

/у прив ⁼ "Чу^у³⁰*

где 1]у — коэффициент ослабления гамма-излучения в интер­вале между стенкой скважины и радиометром; /^с —интенсив­ность гамма-излучения, зарегистрированная против изучаемого пласта и приведенная к неограниченной мощности.

Коэффициент ослабления в общем случае зависит от плот­ностей промывочной жидкости, обсадной колонны, цементного камня и их толщин.

Рис. 92. Пример расчленения разреза по водородоеодержанню и глниистост» пород, определения границ пластов и выбора опорных пластов по диаграм мам ГМ и IIГМ в комплексе с электрическими методами.

/ песчаник нс-фтопосиыП: 2- глина; 5- иэйсстияк глннисгыП: 4 известняк чистый í точки, сооткстсгвукнцнс границам пластов ил кривых ГМ н 11ГМ

С целыо исключения погрешностей, связанных со скважин нымн условиями, при интерпретации кривых ГМ используют не абсолютные значения /_v, а относительные: относительную едп ницу, единицу двойного разностного параметра и вероятное! ную нормализованную единицу.

1. Относительная единица

Jу~ /y//yon>

где/уоп —интенсивности гамма-излучения в изучаемом и опорном пластах.

Относительная единица не свободна от влияния фона и ис­пользуется в тех случаях, когда фон на одпн-два порядка меньше фиксируемой интенсивности ГМ.

2. Единица двойного разностного параметра

А I _ ^/V~^/VOn ⁷ yon 'yon

^{где 7}уоп ^{и ;}уоп — интенсивности гамма-излучения в двух опор­ных пластах (см. рис. 92), в которых уровни естественной ра­диоактивности постоянны.

Параметр А 1_у не зависит от конструктивных особенностей аппаратуры и наличия фона в том случае, если спектральные характеристики измеряемого излучения в изучаемой и опорных средах одинаковы.

3. Вероятностную нормализованную единицу |Д/у|₈ср см. в «Способе эталонных скважин».

Практическое использование того или иного относительного параметра при интерпретации ГМ зависит от геологических особенностей изучаемого разреза месторождений и способов градуировки измерительной аппаратуры.

Области применения ГМ и решаемые им геологические задачи

Кривая ГМ характеризует естественную гамма-активность пересеченных скважиной горных пород. Концентрация радиоак­тивных элементов в определенных литологических разностях из­меняется в нешироком диапазоне, что позволяет по показаниям интенсивности гамма-излучения проводить литологическое рас­членение разрезов скважин.

Породы, содержащие промышленные скопления минералов урана и тория, отмечаются на кривой ГМ очень высокими по­казаниями. Из осадочных пород, типичных для нефтяных и га­зовых месторождении, наиболее радиоактивны чистые глины, высокая интенсивность гамма-излучения которых фиксируется на диаграммах гамма-метода. Менее радиоактивны песчаные и извсстковистыс глины, за ними идут глинистые пески, песчаники, чистые пески и карбонатные породы. Наименьшую радиоактив­ность имеют гидрохимические осадки (за исключением калий­ных солей) и большая часть каменных углей. Но такая законо­мерность не всегда выдерживается. Встречаются песчаные (гла­уконитовые, монацнтовыс и полевошпатовые пески) и карбонат­ные породы, обогащенные радиоактивными веществами. Радио-

активность различных глин также неодинакова, что определя­ется физико-химической обстановкой, в которой они образова­лись и переносились. Б связи с этим интерпретацию диаграмм гамма-метода следует проводить с учетом геологических осо­бенностей разреза.

В комплексе с материалами других методов промысловой геофизики данные исследования скважин гамма-методом ис­пользуются для решения следующих геологических задач: ли­тологического расчленения разреза; корреляции геологического разреза; выделения полезных ископаемых (урановых, торцевых, марганцевых, железных и свинцовых руд, бокситов, апатитов, фосфоритов, кварцевых жил, зон окварцевания, антрацитов и др.); выделения пород-коллекторов; оценки глинистости по­род; косвенного определения при благоприятных условиях по­ристости, остаточной водонасыщенностн и проницаемости по­род-коллекторов. Подсчет запасов урановых и торневых место­рождений основан на данных гамма-метода.