3.3.1 Гамма–каротаж
Физические основы метода
Гамма–каротаж (ГК) заключается в измерении γ–излучения естественных радиоактивных элементов (ЕРЭ), содержащихся в горных породах, пересеченных скважиной. Наиболее распространенными ЕРЭ являются: U (и образующийся из него Ra), Тh и К.
У магматических пород максимальной активностью отличаются кислые породы (в основном, из–за повышенного содержания калия, в котором содержится около 0,7% радиоактивного изотопа К40).
Среди осадочных пород наиболее активны глины, обладающие высокой адсорбционной способностью, менее активны песчаники и, наконец, наименьшей активностью обладают известняки и доломиты, а также гидрохимические осадки (гипс, ангидрит, каменная соль). Исключение представляют только калийные соли, отличающиеся повышенной активностью, благодаря содержащемуся в них К.
Гамма–излучение, измеряемое при гамма–каротаже, включает также и так называемое фоновое излучение (фон). Фоновое излучение вызвано загрязнением радиоактивными веществами материалов, из которых изготовлен глубинный прибор, и космическим излучением. Влияние космического излучения резко снижается с глубиной и на глубине нескольких десятков метров на результатах измерений уже не сказывается.
Влияние скважины на показания ГК проявляется:
– в повышении интенсивности γ–излучения за счет естественной радиоактивности колонн, промывочной жидкости и цемента;
– в ослаблении γ–излучения горных пород вследствие поглощения γ–лучей колонной, промывочной жидкостью и цементом.
В связи с преобладающим значением второго процесса влияние скважины сказывается главным образом в поглощении γ–лучей горных пород. Это приводит к тому, что при выходе глубинного скважинного снаряда из жидкости наблюдается увеличение γ–излучения. При переходе его из необсаженной части скважины в обсаженную отмечается снижение интенсивности естественных γ–излучений, что вызывает смещение кривых и уменьшение дифференцированности диаграммы.
Считается, что эффективный радиус действия установки гамма–каротажа (радиус сферы, из которой исходит 90 % излучений, воспринимаемых индикатором) соответствует приблизительно 30 см; излучение от более удаленных участков породы поглощается окружающей средой, не достигнув индикатора.
Современные каротажные радиометры обеспечивают возможность не только определения интегральной интенсивности Iγ, но и возможность спектрометрии, т.е. определения энергии поступающих на детектор γ–квантов, что позволяет определить, с каким ЕРЭ связана радиоактивность горной породы. Для этого один канал радиометра настраивают на энергию основной линии γ–излучения Ra226 – 1,76 МэВ, другой – на основную линию Тh232 – 2,6 МэВ и третий – на энергию γ–излучения К40 – 1,46 МэВ.
При выполнении ГК важным моментом является соблюдение оптимальной скорости движения скважинного прибора. Скорость каротажа должна быть такой, чтобы при движении детектора против пласта минимальной мощности h показания радиометра успели достичь максимальных значений Iγпл. При более высокой скорости аномалия ГК получается меньшей интенсивности и растянутой по глубине. (В общем случае скорость ГК не должна превышать 360–400 м/час).
Прибор для регистрации ГК может быть совмещен с локатором муфт и стреляющим перфоратором. (Одновременная запись гамма–каротажа и локатора муфт позволяет установить стреляющий перфоратор в нужном интервале с высокой точностью).
Аппаратура и методика гамма каротажа
Как правило, каротажные радиометры являются двухканальными и, кроме канала ГК, содержат еще один канал, предназначенный для одновременной записи еще одной диаграммы – НГК, ГГК или ГНК. Запись показаний производится в единицах мощности экспозиционной дозы излучения (МЭД), выраженных в мкР/час. Схема построения различных скважинных приборов радиоактивного каротажа приведена на рис. 3.24.
Рисунок 3.24 – Схема скважинных приборов радиоактивного каротажа, где:
а – ГК; б – ГГК; в – НГК; г – НК (НК–Н или НК–Т); д – АГК; 1– стальной экран; 2 – свинцовый экран; 3 – парафин (или другой материал с высоким водородосодержанием); L3 – длина зонда; О – точка записи результатов измерений; I – индикатор γ – излучения; II – источник γ – излучения; III – индикатор плотности нейтронов; IV – источник нейтронов.
Аппаратура для различных радиоактивных методов исследования имеет много общего. Её основная функция – измерение интенсивности нейтронов или гамма–квантов, и потому она содержит электронные схемы для различных методов исследования, базирующиеся, в общем, на одних и тех же принципах. Главные отличия аппаратуры для различных методов связаны с конструкцией зондов, источника, фильтров и детекторов излучения.
Детекторы излучения – важнейшие элементы радиометров. В качестве детекторов излучения в, скважинной аппаратуре применяют газоразрядные или сцинтилляционные счетчики.
Газоразрядные счетчики конструктивно представляют собой цилиндрический баллон, по оси которого натянута металлическая нить, служащая анодом (рис. 3.25). Металлическая боковая поверхность баллона служит катодом. Между катодом и анодом подается постоянное напряжение, равное для разных типов счетчиков от 300 — 400 В до 2 – 3 кВ.
Рисунок 3.25 – Устройство и схема включения газоразрядного счетчика, где:
1 – анод, 2 – катод, 3 – изолятор,4 – стеклянный баллон, 5 – электрический вывод катода.
Счетчики для регистрации гамма–квантов заполняются смесью инертного газа с парами высокомолекулярных органических соединений или с галогенами. При взаимодействии гамма–излучения с катодом из него выбивается электрон. Электрон, попадающий в заполненный газом объем счетчика, осуществляет ионизацию газа, т. е., в свою очередь, вырывает электроны из атомов газа, превращая их в положительно заряженные ионы. Эти электроны, называемые первичными, ускоренные электрическим полем, по пути к аноду вызывают вторичную ионизацию и т. д. В результате число электронов лавинообразно возрастает, превышая число первичных электронов в тысячи и сотни тысяч раз – в счетчике возникает разряд. При относительно небольшом напряжении общее число электронов пропорционально числу первичных электронов, а, следовательно, энергии ядерной частицы, регистрируемой счетчиком – такие счётчики называются пропорциональными. При большом напряжении между анодом и катодом общее число электронов перестает зависеть от числа первичных электронов и от энергии регистрируемой частицы – такие называют счетчиками Гейгера–Мюллера. Преимущество счетчиков Гейгера–Мюллера — большая термостойкость, надежность в работе, менее жесткие требования к стабильности питающего напряжения.
Сцинтилляционный детектор (СД) состоит из сцинтиллятора, сопряженного с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) (рис.3.26). При падении гамма–кванта в сцинтиллятор происходит возбуждение атомов последнего. Возбужденные атомы испускают электромагнитное излучение, часть которого лежит в световой области. Кванты света от сцинтиллятора попадают на фотокатод ФЭУ и выбивают из него электроны.
Рисунок 3.26 – Схема сцинтилляционного детектора; где:
1 – сцинтиллятор, 2 – корпус, 3 – отражатель, 4 – фотон, 5 – корпус ФЭУ, 6 – фотокатод, 7 – фокусирующий электрод, 8 – диноды, 9 – собирающий электрод (анод), R1–RN – делитель напряжения.
Фотоэлектронный умножитель кроме фотокатода содержит анод и систему электродов (динодов), размещенную между анодом и катодом. На диноды подается положительное (относительно катода) напряжение от делителя напряжения Rl – RN, при этом чем дальше анод от катода, тем его потенциал выше. В результате электроны, испускаемые фотокатодом при попадании на него света, ускоряются, бомбардируют первый из динодов и выбивают из него вторичные электроны. В дальнейшем эти электроны ускоряются под действием разности потенциалов, приложенной между первым и вторым динодами, бомбардируют второй динод и выбивают из него «третичные» электроны. Так происходит на каждом из динодов, вследствие чего общее количество электронов возрастает в геометрической прогрессии. Общее усиление потока в ФЭУ может достигать 106 раз и более. Таким образом, при попадании вспышки света на фотокатод на входе ФЭУ образуется импульс напряжения, через емкость С подаваемый на вход усилителя.
В качестве сцинтилляторов для регистрации гамма–квантов в скважиной аппаратуре используют кристаллы йодистого натрия.
Сцинтилляционный детектор (счетчик) гамма–квантов имеет ряд преимуществ перед разрядным: обладает высокой эффективностью, т. е. регистрирует больше гамма–квантов, проходящих через счетчик (для сцинтилляционного 60 – 70 % и менее 1 – 2% для разрядных счетчиков). Сцинтилляционные счетчики также позволяют определять энергию регистрируемых гамма–квантов. Последнее обусловлено тем, что интенсивность световой вспышки люминофора пропорциональна энергии кванта. Их недостатком является низкий диапазон температур (не выше 1000 С), поэтому в глубоких скважинах необходимо из термостатирование.
Интерпретация результатов
Качественная интерпретация диаграмм ГК заключается в литологическом расчленении разреза, которое основано на различии горных пород по их радиоактивности. В общем случае однозначное определение пород по одним лишь диаграммам ГК невозможно и решать эту задачу следует при комплексном использовании диаграмм всех видов каротажа (КС, ПС, НГК, АК и др.).
При количественной интерпретации диаграмм ГК получают исходные данные (мощность рудных интервалов и содержание радионуклида) для подсчета запасов радиоактивных руд. Количественная интерпретация диаграмм ГК основывается на зависимости площади аномалии S от мощности радиоактивного интервала h и содержания в нем радиоактивного элемента q, выражаемой уравнением:
S = K0∙q∙h, (3.11)
где: Ко – коэффициент пропорциональности, определяющий интенсивность γ – излучения пласта. (Величина Ко зависит от типа и размеров детектора, а также от плотности и zэф руды. Поскольку учесть все эти факторы аналитически весьма сложно, то величину Ко определяют экспериментально по измерениям на моделях пластов с известным содержанием радионуклида. Например, для урановых руд гидрогенного типа и счетчика МС–13 К0 = 115 мкР/час на 0,01% U). Значение площади S в см*мкР/час определяется по замкнутому контуру, ограниченному кривой ГК, осью глубин и контактами пласта.
Определение мощности. Для определения мощности рудного интервала используют способ 1/2∙Iγmax, 4/5∙Iγmax заданной интенсивности и др. Выбор способа зависит от мощности рудного подсечения, равномерности оруденения и некоторых других факторов.
Определение содержаний естественных радиоактивных элементов (ЕРЭ) производится по формуле:
q = S/(100∙K0∙h )∙%, (3.12)
где h – мощность интервала, м.
Введение поправок. При определении содержаний ЕРЭ необходимо учитывать, что какая–то часть γ–излучения поглощается в буровом растворе и обсадных трубах. Поправка на поглощение в буровом растворе Пб.р и обсадных трубах Пт.р определяется по одной и той же номограмме, на которой нанесено 2 кривых: одна – для раствора (воды), другая – для железа (обсадных труб).
При определении по ГК содержания U необходимо вводить еще поправку на состояние радиоактивного равновесия между ураном и радием, поскольку сам уран γ – квантов практически не дает, а все γ –излучение идет от радия и продуктов его распада. Состояние радиоактивного равновесия определяют по содержанию в руде U и Ra, которые находят по лабораторным анализам керна.
В скважинах нефтяных и газовых месторождений по диаграммам ГК определяют глинистость коллекторов. На диаграммах ГК проводят одну линию, соответствующую глинам, другую – соответствующую чистым кварцевым пескам. Величину отклонения 1γ от этих линий на исследуемом пласте полагают линейно связанной с глинистостью коллектора Сгл.