§ 3. Радиоактивные методы каротажа

Методами радиоактивного каротажа изучают процессы, происходящие в горных породах, которые обусловлены наличием естественно или искусственно вызванной радиоактивности.

Как известно, все химические элементы состоят из мельчайших частиц—атомов. По своему строению атом напоминает Солнечную систему. В центре размещено ядро, состоящее из положительно заряжен­ных протонов и нейтральных нейтронов, в нем сосредоточена основная масса атома. Вокруг ядра, подобно планетам вокруг Солнца, по замкну­тым орбитам вращаются электроны, заряд которых равен заряду ядра (их количество равно числу протонов).

Ядра некоторых элементов нестойки и способны самопроизвольно распадаться, превращаясь в ядра других более устойчивых элементов. Это явление называется радиоактивностью.

Радиоактивный распад ядер атомов сопровождается излучением а-, Р- и у-частиц. Длина пробега а-частиц в твердых и жидких веществах составляет несколько десятков микрон, Р-частиц—несколько миллимет­ров, у-частиц—30—40 см. Поэтому только у-излучение благодаря боль­шой проникающей способности может иметь практическое значение для изучения разрезов скважин.

Гамма-лучи представляют собой поток нейтральных частиц—кван­тов, имеющих ту же природу, что и свет, радиоволны, рентгеновское излучение. Скорость распространения гамма-квантов постоянна и в ва­кууме равна скорости света. Гамма-излучение способно ионизировать вещества. Количественной характеристикой воздействия гамма-излуче­ния на облучаемую среду служит экспозиционная доза, представляющая собой отношение суммы электрических зарядов (в кулонах) всех ионов одного знака, созданных в облученном веществе, к массе этого вещества. Единицей экспозиционной дозы является кулон на килограмм (Кл/кг). Мощность экспозиционной дозы излучения—это отношение экспозици­онной дозы к интервалу времени, в течение которого она получена. Единицей мощности экспозиционной дозы является ампер на килограмм (А/кг). В промысловой геофизике используется внесистемная единица экспозиционной дозы излучения—микрорентген в час (мкР/ч) равный 2,58 • 10"¹⁰ Кл/кг. Единицей энергии ионизационного излучения является джоуль (Дж). Более мелкие единицы энергии—фемтоджоуль (10“¹⁵ Дж) и аттоджоуль (10^-18 Дж).

Радиоактивные излучения регистрируют газоразрядными и сцинтил- ляционными детекторами (счетчиками). Газоразрядный счетчик (рис.

11. а) представляет собой цилиндрический стеклянный баллон 1, внут­ренние стенки которого, покрытые слоем вольфрама или меди 2, выпол­няют роль катода. Анодом является стальная или вольфрамовая нить 3. Между анодом и катодом приложена разность потенциалов. Баллон заполнен смесью газов под низким давлением. Радиоактивная частица с поверхности катода выбивает электрон, который, двигаясь к положи­тельно заряженной нити, сталкивается по пути с атомами газа, выбивает из них вторичные электроны. Вторичные электроны по пути к аноду также сталкиваются с молекулами газа и выбивают дополнительные электроны. В результате этого процесса к аноду приходит лавина элект­ронов. В счетчике возникает электрический разряд. В цепи питания детектора проходит импульс тока, вызывающий падение напряжения на резисторе R_H. Через конденсатор С импульс поступает в измерительный канал для регистрации.

Сцинтилляционный детектор (рис. 11, б) состоит из сцинтиллятора

1. и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) 2. ФЭУ представляет собой стеклянный баллон, в котором установлены фотокатод 3, промежуточ­ные электроды (диноды) 4 и собирающий электрод (анод)5. Между анодом и фотокатодом приложена разность потенциалов около 1500 В,

2. на диноды от делителя напряжения R1— R5 подается возрастающее от динода к диноду напряжение. При попадании частицы радиоактивного излучения в сцинтиллятор, в нем возникает световая вспышка. Под действием вспышки фотокатод испускает электроны, которые, ускоряясь в электрическом поле ФЭУ, устремляются к первому диноду. Каждый электрон выбивает яз динода вторичные электроны, которые в свою очередь ускоряются полем второго динода и, достигая его, также вызы­вают вторичную электронную эмиссию. Процесс повторяется на других динодах и заканчивается образованием электронной лавины, достига­ющей анода ФЭУ. В цепи питания детектора проходит импульс тока, вызывающий падение напряжения на резисторе R_H- Через конденсатор С импульс поступает в измерительный канал для регистрации.

К

а

Рис. 11. Детекторы радиоактивных излучений

аждая горная порода содержит то или иное количество радиоак­тивных элементов и их изотопов. Как правило, содержание в породе радиоактивных элементов тем больше, чем больше в них глинистого материала. Это обуславливается тем, что благодаря меньшим разме­рам, а следовательно, большей удельной поверхности, частицы глины адсорбируют значительное количество урана, тория, радия; кроме того в них больше, чем в других осадочных породах содержится радиоактив­ного изотопа калия-40. Песчаники, известняки и доломиты имеют не­большую радиоактивность. Очень низкой радиоактивностью обладают каменная соль, ангидриты и угли. Метод, основанный на измерении 26

естественной радиоактивности горных пород, называется гамма карота­жем (ГК). Исследования скважин методом ГК заключаются в регист­рации кривой изменения интенсивности естественного гамма-излучения пород по стволу скважины.

Каждый радиоактивный элемент испускает гамма-кванты определен­ных энергий. Это явление легло в основу спектрального гамма-каротажа (СГК). СГК определяют суммарную интенсивность гамма-активности породы и раздельное содержание в ней урана, тория, радия, калия. Количество этих элементов в минералах различно, а поэтому по резуль­татам СГК можно определить не только тип горных пород, но и их минеральный состав.

При исследовании разрезов скважин методом радиоактивных изо­топов в горные породы закачивается жидкость, в которую добавлены радиоактивные вещества. Активированный раствор, проникая в поровое пространство пород, повышает их радиоактивность. Характер измене­ния радиоактивности во времени и пространстве позволяет изучать динамику различных процессов, происходящих в горных породах. Это дает возможность по кривым интенсивности гамма-излучения выделять .проницаемые и пористые участки разрезов скважин, наблюдать движе­ние флюидов в продуктивных пластах в процессе разработки месторож­дений.

Методы, о которых было рассказано выше, основаны на изучении естественной радиоактивности горных пород. Зонд, применяемый для исследования естественной радиоактивности горных пород (рис. 12, а), включает в себя детектор радиоактивного излучения 1.

П ри взаимодействии гамма-излучения с горными породами проис­ходит ряд процессов. Для промысловой геофизики наибольший интерес представляют рассеяние (комптон-эффект) и поглощение (фотоэффект) гамма-квантов горными породами. При комптон-эффекте гамма-квант, взаимодействуя с электроном вещества, передает ему часть энергии (происходит рассеяние энергии). При этом направление движения рассе­янного гамма-кванта будет в общем случае отличаться от направления

Рис. 12. Зонды радиоактивного карота­жа:

’а—для ГК (СГК); б—для ГТК (с некол- лимированным излучением); в—для ГГК (с коллимированным излучением)

движения первичного гамма-кванта, излучаемого источником. Вероят­ность рассеяния гамма-кванта пропорциональна числу электронов на пути пучка гамма-квантов и убывает с увеличением энергии гамма- квантов. Рассеяние является преобладающим процессом при энергии гамма-квантов 80—500 фДж.

Исследование, при котором измеряется интенсивность рассеянного гамма-излучения, называют плотностным гамма-гамма-каротажем (ГГК—П). Зонд ГГК — П состоит го источника 3 и детектора 1 гамма- излучений (рис. 12, б). Источником гамма-излучения является радиоак­тивный препарат, помещенный в герметичную ампулу из нержавеющей стали. Расстояние между источником и детектором называется длиной зонда. Точкой записи О является середина зонда. Гамма-кванты, прони­кающие в породу, рассеиваются на электронах, входящих в состав атомов горных пород; часть из них попадает в детектор и регистрирует­ся. Чем больше электронов в единице объема вещества (чем больше плотность пород), тем меньше гамма-квантов приходит к детектору. Плотность горных пород больше плотности ПЖ, и если не принимать специальных мер, то значительная часть регистрируемого гамма-излуче­ния будет проходать к детектору по ПЖ, а не по породе. Поэтому зонд прижимается к стенке скважины и экранируется свинцовым экраном 2. Чтобы улучшить параметры измерительной установки в некоторых приборах излучение коллимируется (рис. 12, в), т. е. направляется от источника в породу и из нее к детектору под заданным углом с помощью свинцовых экранов с соответствующим образом расположенными ок­нами 4. Применяют также двухзондовые измерительные установки, имеющие два детектора, размещенные на разном расстоянии от источ­ника. Использование двухзондовой установки позволяет уменьшить вли­яние условий измерения на результаты исследований.

ГГК—П позволяет проводить литологическое расчленение разрезов скважин, выделять угольные пласты, руды тяжелых металлов, коллек­торы нефти и газа, оценивать плотность и пористость пород.

Фотоэффект характерен для гамма-квантов с энергиями менее 80 фДж. При фотоэффекте энергия гамма-кванта полностью передается одному из электронов атома. Метод, основанный на регистрации рассе­янного гамма-излучения малых энергий, называется селективным гамма- гамма-каротажем (ГГК—С). Величина наблюдаемого излучения опре­деляется атомным номером элемента и в значительно меньшей степени зависит от плотности вещества. Зонд ГГК—С состоит из источника гамма-квантов и детектора, разделенных экраном с коллимационными окнами (см. рис. 12, в). Во время измерений зонд прижимается к стенке скважины. Метод применяется для выделения углей и руд тяжелых металлов, определения содержания элементов в однокомпонентных ру­дах и зольности угольных пластов.

При взаимодействии гамма-излучения с электронами глубоких ор­бит атом возбуждается. Возвращение атома к стабильному состоянию сопровождается заполнением внутренних электронных оболочек элект­ронами внешних орбит. При переходе электронов с орбиты на орбиту 28 возникает радиоактивное излучение, называемое характеристическим рентгеновским излучением. Каждый элемент имеет определенный спектр характеристического излучения, поэтому изучая спектр можно опреде­лять количество того или иного элемента в породе. Метод исследования, при котором регистрируется характеристическое рентгеновское излуче­ние, называется рентгенорадиометрическим каротажем (РРК). РРК при­меняется при поисках рудных полезных ископаемых.

Нейтронными методами каротажа (НК) изучают процессы, проис­ходящие в горных породах при их облучении потоком нейтронов. Источ­ники нейтронов представляют собой смесь вещества, излучающего ас- частицы (обычно плутония), с порошком бериллия или бора, помещен­ную в герметично запаянную ампулу. Образование нейтронов проис­ходит в результате реакции a-излучения с бериллием (бором).

Нейтроны, являясь электрически нейтральными, свободно проника­ют сквозь электронные оболочки атомов и взаимодействуют с ядрами, в результате чего теряют энергию. Различают быстрые нейтроны (с энергией более 80 фДж), промежуточные (80—0,16 фДж), медленные (0,16 фДж—0,16 аДж) и тепловые (0,004 аДж). Основными видами взаимодействия нейтронов с ядрами вещества являются их рассеяние и захват. Различают два вида рассеяния: неупругое и упругое. Неупругое рассеяние характерно для быстрых нейтронов, которые, сталкиваясь с ядрами элементов, теряют значительное количество энергии, расходу­емой на возбуждение ядер. Переход ядра из возбужденного состояния в нормальное сопровождается выделением гамма-квантов.

У нейтронов с энергией менее 16 фДж основным видом взаимодейст­вия с горными породами является упругое рассеяние, играющее наибо­лее существенную роль в процессе замедления нейтронов. Сталкиваясь С ядром, нейтрон теряет энергию, скорость его движения уменьшается, а направление—изменяется. При этом величий потерь энергии опреде­ляется только массой ядра: чем меньше ядро, тем больше теряется энергии. Поэтому наиболее сильное уменьшение энергии происходит в момент столкновения нейтрона с ядром водорода, масса которого почти равна массе нейтрона. Столкновение с ядрами других элементов, составляющих горные породы, приводит к значительно меньшим поте­рям энергии.

Эффективность, с которой горные породы снижают скорость нейтро­нов, (иначе она называется замедляющей способностью) зависит от энергии, которую теряют электроны, количества ядер в единице объема вещества (плотности), размеров ядер. Замедляющая способность опре­деляется главным образом водородосодержанием (содержанием водоро­да в единице объема) пород; это связано с тем, что при столкновении с ядром водорода наблюдаются наибольшие потери энергии. Некото­рую роль играют и другие элементы, что позволяет различать породы различного литологического состава по их замедляющей способности. Характерной величиной, определяющей замедляющие свойства среды, является длина замедления быстрых нейтронов—расстояние от источ­ника нейтронов до точки, где он становится тепловым.

Став тепловым, нейтрон будет продолжать движение, сталкиваясь⁵ с ядрами элементов до тех пор, пока не поглотится ядром элемента. При| захвате нейтрона в ядре получается некоторый излишек энергии и оно| переходит в возбужденное состояние. Время, в течение которого тепло-! вой нейтрон существует, называется средним временем его жизни. Плот-1 ность тепловых нейтронов определяется числом нейтроном, замедлив-! шихся до тепловых скоростей, а также поглотившихся в исследуемой среде. С увеличением водородосодержания, повышением концентрации в горных породах элементов, обладающих повышенной способностью к поглощению нейтронов, плотность тепловых нейтронов уменьшается.

Вероятность захвата теплового нейтрона ядрами характеризуется сечением захвата, представляющим собой отношение числа атомов, способных захватить нейтрон на единице длины его пути, к концент­рации ядер элементов в единице объема вещества. Поглощающая спо­собность породы тем больше, чем больше атомов водорода. Для мало­пористых пород (пород с низким водородосодержанием) заметную роль начинает играть элементный состав пород. Это создает возможности для определения типов пород по их поглощающей способности.

Нейтроны, являясь электрически нейтральными частицами, не ионизи­руют газ в газоразрядном счетчике, поэтому их регистрируют косвенным путем по ионизационному эффекту заряженных частиц, образующихся при ядерных реакциях, происходящих под действием нейтронов. Поразрядный детектор нейтронного излучения заполнен газом, в состав которого входит бор или литий. Взаимодействие нейтронов с бором (литием) происходит с образованием а-частиц, вызывающих ионизационный эффект. В сцинтил- ляционном счетчике литий (бор) является составной частью вещества сцинтиллятора; в нем а-частицы вызывают вспышку света. Эти же детекторы применяют и для регистрации надтепловых нейтронов, которые предварительно замедляют до тепловых, окружая детектор экраном из двух слоев: вещества с большим сечением захвата (бор или кадмий) и какого-либо замедлителя (парафин, пластмасса). Тепловые нейтроны поглощаются бором или кадмием, а надтепловые, проходя через этот слой, замедляются во втором до тепловых и регистрируются индикатором.

В зависимости от типа исследуемых частиц различают несколько видов нейтронного каротажа. Метод, заключающийся в облучении гор­ных пород потоком быстрых нейтронов и регистрации вторичного гам­ма-излучения, возникающего в момент захвата нейтронов атомами эле­ментов, слагающих горные породы, называют нейтронным гамма-каро­тажем (НГК). Метод, при котором измеряется плотность надтепловых нейтронов,— нейтронным каротажем по надтепловым нейтронам (ННК — Н), тепловых нейтронов — нейтронным каротажем по тепловым нейтро­нам (ННК—Т). Общее название двух последних методов—нейтрон- нейтронный каротаж (ННК).

Зонды методов НК однотипны и состоят из источника и детектора, между которыми помещен экран. Длиной зонда является расстояние между центрами источника и детектора. Длина зонда НГК обычно составляет 60 см, зонда ННК — Н — 30—50 см, ННК—Т—40—50 см.

30

Применяют также многозондовые (чаще всего двухзондовые) установки ННК. В них детекторы удалены от источника на расстояние 60—70 см (большой зонд) и 30—40 см (малый зонд).

Методы нейтронного каротажа находят широкое применение при изучении разрезов скважин. Метод НГК используется для выделения в разрезах скважин нефтегазонасыщенных коллекторов (благодаря высо­кой гамма-активности водорода, входящего в состав нефти и газа), хлоридов (каменная соль, сильвин и др.) и пород, насыщенных минера­лизованной водой (благодаря высокой гамма-активности хлора, входя­щего в состав солей). Литологическое расчленение разреза по данным НГК основано на различии интенсивности захвата нейтронов породами с разным водородо- и хлоросодержанием. По данным метода определя­ют пористость, положение ГЖК и ВНК. НГК также применяют для выделения в разрезах скважин некоторых пород и руд, содержащих элементы с большим сечением захвата нейтронов (бор, железо, марганец и др.).

Как уже говорилось, переход ядра элемента из возбужденного в устойчивое состояние сопровождается излучением гамма-лучей. При этом энергия гамма-квантов зависит от того, какому элементу принад­лежит ядро. Исследуя спектр энергий можно определять элементный состав горных пород. Метод, в основе которого лежит изучение спектра энергий, называют спектральным нейтронным гамма-каротажем (СНГК). СНГК применяется при разведке залежей рудных полезных ископаемых.

ННК—Н применяется для литологического расчленения геологичес­кого разреза, определения пористости пород, определения положения ВНК и ГЖК. В рудной геологии ННК—Н применяется для выделения пород с высоким содержанием бора.

ННК — Т применяется для литологаческого расчленения разрезов сувянгин определения пористости, уточнения положения ВНК и ГЖК, имгтрпр.ния в разрезах скважин элементов, хорошо поглощающих тепло­вые нейтроны, таких как хлор, бор, кадмий и некоторых других.

При облучении нейтронами некоторые вещества становятся радиоак­тивными. Полученная таким образом радиоактивность является наве­денной или искусственной. Ее образование связано с тем, что при захвате нейтронов ядра некоторых элементов становятся радиоактив­ными, образуются радиоактивные изотопы элементов. При переходе в более устойчивое состояние они излучают гамма-кванты с периодом полураспада, присущим полученным изотопам. Это явление легло в ос­нову нейтронного активационного каротажа (НАК).

При НАК проводятся измерения в отдельных точках скважины. На глубину исследования устанавливают источник нейтронов и после некоторого промежутка времени, достаточного для образования изо­топов, удаляют источник. На это же место помещают детектор гамма- квантов и наблюдают изменение во времени интенсивности гамма-из- лучения, возникшего при облучении горных пород нейтронами. После окончания измерения на одной глубине переходят на другую точку. Метод применяется для выделения полезных ископаемых (алюминия,

31

меди, марганца) и для установления положения ВНК в обсаженных скважинах. Для выделения залежей алюминиевых руд достаточно из­учать породу в течение нескольких минут, марганца—около часа, на­трия—около 20 ч.

Если облучать породы гамма-квантами с энергией 250 фДж и более, то с увеличением энергии все с большей вероятностью будут проис­ходить реакции с выделением нейтронов. Это явление легко в основу гамма-нейтронного каротажа (ГНК). При ГНК измеряется интенсивность потока образовавшихся нейтронов. Энергия связи нейтронов в ядре для подавляющего большинства элементов составляет 650—3200 фДж, в то время как мощность источников, применяемых при геофизических ис­следованиях, не превышает 500 фДж; поэтому ГНК в основном исполь­зуется для обнаружения в разрезах скважин бериллия (энергия связи нейтронов в его ядре равна 266 фДж) и определения его содержания.

Изучая непрерывные потоки гамма-квантов и нейтронов нельзя про­следить характер ослабления потока частиц и изменение их энергии во времени. Между тем, исследование этих процессов может быть исполь­зовано для определения элементного состава исследуемой среды. Метод, предназначенный для изучения разрезов скважин по данным анализа прохождения во времени процесса замедления и поглощения нейтронов средой, называется импульсным нейтронным каротажем (ИНК).

Источником нейтронов высоких энергий является генератор нейтро­нов, испускающий поток быстрых нейтронов с энергией 2250 фДж. Генератор нейтронов (рис. 13) представляет собой вакуумированную ускорительную трубку 4, заполненную изотопом водорода—дейтерием. Электроны, испускаемые раскаленным катодом 6, ускоряются разно­стью потенциалов в несколько сотен вольт, приложенной между като­дом и анодом 2. Магнитное поле, создаваемое током катушки 3, застав­ляет электроны двигаться по спирали, увеличивая длину их пробега. На высоковольтный электрод 1, в котором установлена мишень 7, насыщен­ная тяжелым изотопом водорода—тритием, подается переменное сину­соидальное напряжение. При отрицательном потенциале на электроде ускоренные электроды начинают осциллировать (совершать колебатель­ные движения) между электродом 1 и катодом, ионизируя нейтральные молекулы дейтерия. Образовавшиеся при этом положительные ионы дейтерия ускоряются электрическим полем электрода 1 и, бомбардируя мишень, генерируют быстрые нейтроны. Расход дейтерия в ускоритель­ной трубке восполняется с помощью натекателя 5, представляющего собой спираль из титановой проволоки, насыщенной дейтерием. При работе генератора натекатель нагревается током, и сорбированный про­волокой дейтерий поступает в объем трубки. Генератор нейтронов рабо­тает в импульсном режиме с частотой следования импульсов от 10 до 500 Гц.

Различают импульсный нейтрон-нейтронный каротаж (ИННК) и им­пульсный нейтронный гамма-каротаж (ИНГК). Схема, поясняющая прин­цип измерений методами ИНК, показана на рис. 14. Горные породы облучаются потоками нейтронов длительностью t_H, следующими один

32

Рис. 13. Схема ускорительной трубки гене- Рис. 14. Схема, поясняющая при- ратора нейтронов нцип измерений методами ИНК

за другим через определенные промежутки времени. По истечению времени /, (время задержки) в интервале времени Д/ измеряется плот­ность тепловых нейтронов или интенсивность излучения гамма-квантов радиационного захвата. Последовательно изменяя при неизменном At, получают зависимость плотности нейтронов или интенсивности гамма- излучения от времени после окончания импульса быстрых нейтронов (кривая спада). По кривой спада определяют среднее время жизни нейтронов в пласте, которое зависит от поглощающих свойств горных пород, в первую очередь от содержания элементов с аномально высоким сечением захвата.

Результаты ИНК позволяют оценить содержание в породах сильных поглотителей: хлора, бора и некоторых других. В нефтяных скважинах ИНК предназначается для определения ВНК в перекрытых обсадной колонной пластах. Новой областью применения импульсного генерато­ра нейтронов является кислородный каротаж, заключающийся в изуче­нии спектра гамма-излучения, возникающего в результате активации ядер кислорода быстрыми нейтронами. Метод дает хорошие результаты при разделении насыщенных слабоминерализованной водой и нефтена­сыщенных коллекторов (в этих условиях другие методы малоинфор­мативны).