Каротаж на основе полей естественной и наведенной (искусственной) радиоактивностей

Радиоактивный каротаж (РК) – совокупность методов, основанных на изучении распространения естественного или наведенного (искусственного) радиоактивного поля в разрезах скважин и околоскважинном пространстве.

На основе поля естественной радиоактивности создан метод гамма-каротажа (ГК), а на основе наведенной радиоактивности методы гамма-гамма-каротажа (ГГК) и методы нейтронного каротажа (НК).

Краткая характеристика естественной и наведенной радиоактивности

Естественная радиоактивность I_γ – самопроизвольный распад неустойчивых ядер атомов, подчиненный определенному статистическому закону. При естественной радиоактивности:

1. Изменяются характерные признаки:

а) строение, состав, энергия ядер;

б) происходит испускание - и - частиц или захват электрона K- или L- оболочки коротковолновым излучением электромагнитной природы ( - излучение)

2. Происходит выделение радиогенного тепла, ионизация газов жидкостей и твердых тел.

3. Отмечается спонтанное деление тяжелых ядер (урана, тория) на осколки и изомерные тренды.

Академик В.И.Вернадский отмечал: «Открытие явления радиоактивности не только открытие физическое, но и открытие геологическое …»

Основные ядерно-физические свойства элементов, используемые при геологических, геохимических и геофизических исследованиях приведены в таблице 4.

Таблица 4

Основные ядерно-физические свойства элементов

Закон радиоактивного распада и радиоактивное равновесие

При радиоактивном распаде, связанном с перестройкой ядер элементов, происходит излучение  - и  - частиц и  - лучей.

 - частица имеет положительный заряд и представляет собой ядро гелия, состоит из двух протонов и двух нейтронов; при - распаде элемента его атомный номер уменьшается на 2, атомная масса – на 4 единицы.

- частица – электрон или позитрон.

 - излучению приписывают волновые и корпускулярные свойства.

Скорость  - квантов равна скорости света и энергия Eγ определяется формулой:

E·γ =h ν,

где h – постоянная Планка, равная 6,6262*10 Дж*с, ν – частота электромагнитных колебаний.

Закон радиоактивного распада (Э. Резерфорд, Ф. Содди, 1902 год), характеризуется зависимостью:

(*),

где dN – число распадающихся ядер из общего количества N за время dt; λ – постоянная, характеризующая скорость распада; - активность (число распадов в единицу времени).

После интегрирования выражения (*) получаем:

=>, , и при t=0:

=>,

, или ,

где N_o - начальное число атомов.

В ядерной физике для изучения радиоактивного распада вводится единица Т_1/2 – период полураспада (абсолютная мера длительности геологических процессов):

В результате α- и β- распада основные радиоактивные элементы образуют радиоактивные ряды, включающие до 15 – 18 изотопов.

Остальные радиоактивные элементы и другие обладают одноактным распадом и рядов не образуют.

При распаде элементов в радиоактивных рядах возникает состояние радиоактивного равновесия:

λ₁N₁= λ₂N₂=…=λ_nN_n

Типы взаимодействия γ – квантов с веществом

Поскольку α- и β- частицы в веществе испытывают сильное кулоновское взаимодействие и обладают очень малой проникающей способностью, в радиометрии, в основном, используется γ- излучение.

γ- излучение ослабляется в породах вследствие процессов, именуемых фотоэффектом, комптоновским эффектом, эффектом образования электрон-позитронных пар, фотоядерными взаимодействиями.

Фотоэффект – процесс, когда γ – кванты взаимодействуют с электронной оболочкой атома:

E = hν – E₀,

где h = постоянная Планка, ν – частота электромагнитных колебаний,

E₀ – энергия связи электрона в атоме

Процесс фотоэффекта протекает при Е < 0,5 МэВ; отмечается сильная зависимость от порядкового номера элементов (Z).

Комптоновский эффект – процесс, когда γ- кванты взаимодействуют с электронами, передавая им часть энергии, а затем испытывают многократное рассеяние. Процесс идет в основном при 0,2< Е< 3 МэВ, именно в области спектра первичного излучения естественно-радиоактивных элементов.

Процесс образования электронно-позитронных пар – процесс, когда эти пары возникают из фотонов в поле ядер атомов. Процесс идет при Е > 1,02 МэВ.

Таким образом, при различных энергиях γ- кванты взаимодействуют преимущественно с различными мишенями: атомами, электронами, атомными ядрами.

Спектр многократно рассеянного γ- излучения в породах различного состава можно отобразить графически (рис. 57).

Для моноэлементной среды справедлива зависимость:

,

где n_e – число электронов в единице объема; NA – число Авогадро; A – массовое число; Ζ – порядковый номер; δ – плотность.

Рис. 57. Спектр многократно рассеянного гамма-излучения в породах различного минерального состава

Условие устойчивости атомных ядер требует, чтобы:

А = N + p = N + Ζ = 2Ζ , где

N и p – число нейтронов и протонов в ядре. Значит:

, и тогда:

Таким образом, при взаимодействии γ-квантов с веществом имеет место его жёсткая связь с плотностью.

Энергетический спектр γ – излучения

Естественное γ–излучение горных пород в основном определяется содержанием в них элементов К, U, Th (рис. 58) при в большинстве случаев их следующем процентном распределении:

К=60%

U=30%

Th=10% .

Массовые содержания K, U, Th можно выделить из суммарно γ–излучения, поскольку указанные элементы имеют неодинаковые энергии излучения.

Существуют аппаратурные решения. Способ получил название гамма – спектрометрия, где спектр горных пород выражается нисходящей по энергии кривой с всплесками (аномалиями) против K, U, Th:

Рис. 58. Энергетический спектр гамма-излучения

Калий образуется преимущественно из силикатов магматических пород, полевых шпатов, слюд, которые преобразуются в различные глинистые минералы. Большая часть калия поступает в породы из водных растворов.

Уран, как и калий, образуется из силикатов магматических пород. Отмечается его высокая миграционная способность благодаря образованию хорошо растворимого уран – иона (урания-иона) ИО .

Торий, как и калий и уран - продукт силикатов магматических пород. Соединения Th нерастворимы, при выветривании они концентрируются в бокситах, тяжелых и глинистых минералах.

Единицы измерения радиоактивности

1. Беккерель 1Бк = 1 , 1Бк = 0,27*10 Ки (Кюри), где Ки – внесистемная единица, равная 3,7*10 , столько же, сколько у 1 г Ra;

2) Удельная массовая активность: ;

3) Удельная объемная активность: ;

4. Мощность экспозиционной дозы: - системная единица (ампер на килограмм);

5. - внесистемная единица, соотносимая с мощностью экспозиционной дозы как 1 = 0,0717*10 = 7,2*10 .

Твердая фаза

Породообразующие и акцессорные минералы главных типов магматических, метаморфических и осадочных пород по степени радиоактивности объединяются в 4 группы.

1 ) Слаборадиоактивные кварц, калиевые полевые

(салические минералы) шпаты, плагиоклаз, нефелин

2 ) Нормальнорадиоактивные биотит,

(меланократовые минералы) амфиболы,

пироксены

3 ) Повышеннорадио- апатит, эвдиалит,

активные (акцессорные и флюорит, ильменит,

рудные минералы) магнетит и др.

4 ) Высокорадиоактивные сфен, ортит, монацит,

(редкие акцессорные циркон, лопарит и др.

минералы)

Тенденция изменения естественной радиоактивности (I_γ) для основных групп минералов следующая):

Увеличение I_γ

минералы минералы минералы минералы минералы

углистой силикатной карбонатной глинистой рудной

группы группы группы группы группы

Жидкая фаза

Воды поверхностные и подземные, а также нефть в их естественном состоянии характеризуются низкой радиоактивностью. Исключение составляют подземные воды, циркулирующие в зонах урановых месторождений, поскольку урановые соединения, в отличие от ториевых, хорошо растворяются в воде. Для таких вод характерно выделение эманаций радона (Rn), период распада которого T=3,8 дня.

Газовая фаза

Природные газы и воздух, как атмосферный, так и почвенный, не содержат в своем составе радиоактивных элементов. Их естественная радиоактивность может создаваться за счет эманаций радона, образующихся над урановыми месторождениями и от радиоактивных элементов, содержащихся в окружающей среде.

Магматические породы

Радиоактивность этих пород, в основном связана с присутствием акцессорных уран- и торий содержащих минералов.

Содержание U и Th возрастает с повышением кремнекислоты и калия, что приводит к повышению γ–активности с ростом К и SiO2.

Радиоактивность интрузивных и эффузивных пород известково-щелочной серии возрастает от ультраосновных пород к основным, средним и далее к кислым пропорционально увеличению содержания в них кремнезема и калия (рис.59).

Рис. 59. Тенденция изменения естественной радиоактивности в щелочноземельном ряду магматических пород

Интрузивные и эффузивные породы с повышенной щелочностью отличаются более значительной радиоактивностью, чем близкие по кислотности породы известково-щелочной серии. Максимальные концентрации радиоактивных элементов приурочиваются к краевым частям крупных интрузивных тел.

Урановый эквивалент eU изменяется от 3 – 9 до 20 – 30%.

Метаморфические породы

Метаморфические породы в среднем имеют радиоактивность близкую к магматическим породам среднего, основного и ультраосновного составов с eU=2 – 10%. В амфиболитовой стадии eU увеличивается до 15 – 16%. То есть чем больше степень метаморфизма массивов, тем меньше средняя концентрация в них урана и тория.

Необходимо выделить породы пневматолитовых и гидротермальных жил. К последним приурочены многие виды и разновидности уран- и торий содержащих минералов.

Влияние метаморфизма на концентрацию урана и тория можно проследить от эпидот – амфиболитовой до гранулитовой стадий. Зависимость показана на рис. 60.

Рис. 60. Процентное соотношение уран-ториевых компонентов в зависимости от стадий метаморфизма пород

Осадочные породы

Радиоактивность осадочных пород связана с наличием в их составе уран- и торий содержащих минералов, а также адсорбированных радиоактивных элементов.

По степени радиоактивности эти породы можно разделить на 3 группы:

Низкая радиоактивность: кварцевые пески, известняки,

доломиты, каменная соль

ангидриты, гипсы, угли,

нефтенасыщенные породы.

Повышенная радиоактивность: глинистые разности, всех

терригенных пород.

Высокая радиоактивность: калийные соли, монацитовые и

ортитовые пески, глубоководные

и красные глины.

Содержание U, Th, К в осадочных породах зависит от условий их образования. Для песчано-глинистых пород наблюдается зависимость γ-активности от глинистости (рис. 61).

Рис. 62. График изменения радиоактивности в терригенных породах в зависимости от степени их глинистости

Для одноименных стадий преобразования осадочных пород тенденция изменения естественной радиоактивности следующая:

Увеличение I_γ

породы породы породы породы породы

у глистой силикатной карбонатной глинистой рудной

группы группы группы группы группы

Процесс окаменения пород влияет на изменение естественной радиоактивности в основном у глинистых разностей, так как песчаные являются низко радиоактивными (рис.63).

Рис. 63. Тенденция изменения гамма-активности глинистых пород (аргиллитов) в зависимости от стадий их преобразования

Средние значения содержания I_γ и eU для основных групп пород.

С одержание I_γ в отн. Ед (Th/U). Содержание eU*10⁴,%

Магматические породы I_γ=4 – 2,5 отн. ед. 0,03 – 4,7

Метаморфические породы I_γ=4 – 2,5 отн. ед. 0,6 – 3,0

Осадочные породы I_γ=3,5 – 0,5 отн. ед. 1,7 – 5,0

Воды I_γ=0 отн. ед. 1*10^-3 – 6*10^-3

Метод гамма-каротажа (ГК)

При каротаже ГК измеряют естественную радиоактивность (J_γ) в скважине с помощью специального скважинного прибора, содержащего электронную схему и индикатор гамма-излучения. В современных комплексных приборах радиоактивного каротажа каналы ГК выполнены отдельными автономными модулями. Кроме того, канал ГК может быть частью любого комплексного прибора ГИС. В качестве индикаторов гамма излучения используется газоразрядные и сцинтилляционные счетчики. В качестве сцинтилляторов применяют монокристаллы йодистого натрия NaJ или йодистого цезия СsJ, активированные для увеличения световыхода таллием Tl. Световая вспышка (сцинтилляция) преобразуется в электрический импульс и усиливается в 10⁵-10⁶ раз с помощью фотоэлектронных умножителей. Последний подключается к электронной схеме. Сигналы со скважинного прибора передаются по кабелю в наземную панель и регистрируется либо в цифровом, либо в аналоговом виде.

ГК является основным методом в стандартном комплексе ГИС и эффективно используется совместно с методами КС и ПС для литологического расчленения разрезов. ГК имеет преимущество перед ПС в случае соленых буровых растворов, а также при равенстве УЭС бурового раствора (ρ_с) и фильтрата глинистого раствора (ρ_ф).

Спектрометрическая модификация ГК имеет название спектрометрического гамма-каротажа (СГК). Аппаратура СГК, как правило, имеет четыре канала: три дифференциальные для регистрации раздельного содержания урана, тория и калия и один интегральный для регистрации суммарного излучения J_γ (канал ГК). Приборы СГК, как и приборы ГК эталонируют в специальных устройствах, заполненных эталонными средами с известковой концентрацией U, Th, K. По полученным эталонным значениям формируют шкалу записи каротажных диаграмм. То есть при регистрации диаграмм выбирают оптимальный масштаб напряжений. В пластах с пониженной гамма активностью скорость подъема скважинного прибора снижают до 20-50 м/час, а в случаях очень низкой гамма-активности выполняют точечные наблюдения.

Метод гамма-гамма каротажа (ГГК)

ГГК или плотностной гамма-гамма метод (ГГК-П) создан на основе комптон-эффекта. Второй процесс взаимодействия γ-квантов с веществом – фотоэффект положен в основу метода гамма-гамма селективного каротажа (ГГК-С).

При ГГК-П используются «жесткие» источники гамма-квантов. Cо⁶⁰, Cs¹³⁷, а при ГГК-С мягкие источники гамма-квантов Тm¹⁷⁰, Se¹²⁴. ГГК-П в нефтегазоразведочных скважинах применяют для определения плотности горных пород и оценки качества крепления скважин (гамма-гамма-плотномеры и гамма-гамма цементомеры). Скважинный прибор или модуль ГГК в комплексном приборе включает зонд ГГК-П, состоящий из источника и индикатора гамма-квантов (рис. 64).

Рис. 64. Схема зонда ГГК

Источник помещается в прибор только во время каротажа, а в остальное время перевозится или хранится в специальном контейнере. Для уменьшения влияния скважины прибор снабжается прижимным устройством. Обязателен свинцовый экран, который с одной стороны защищает индикатор от прямого «первичного» гамма-излучения, а с другой снижает действия гамма-излучения промывочной жидкости.

Следует отметить, что имеется аппаратура ГГК в которой на основе источников жесткого гамма-излучения осуществляется разделение гамма квантов низкой и высокой энергий за счет спектрометрии. При этом логарифм отношения скоростей счета мягкой и жесткой компонент однозначно связан с содержанием тяжелых элементов.