5.2.3. Каротаж методами штучного опромінювання гірських порід

У штучних методах ядерного каротажу вивчаються явище поглинання, уповільнення, розсіяння гамма-променів і нейтронів, а також викликане, вторинне радіоактивне випромінювання. Для цього у свердловину опускається джерело гамма-променів або нейтронів опромінюючий гірські породи. В цій же свердловині за екраном (свинець, парафін і інші матеріали), який перешкоджає прямій дії опромінювань, поміщається реєстра­тор гамма-променів або нейтронів.

Використовується декілька методів штучного радіоактивного каротажу. Три найпоширеніших: гамма-гамма-каротаж, нейтрон - нейтронний каро­таж, нейтронний гамма-каротаж.

При гамма-гамма-каротажі (ГГК) вимірюється розсіяне гам­ма-випромінювання, що є результатом опромінювання порід джерелом гамма-променів (наприклад, радіоактивним кобальтом, сурмою). При взаємодії гамма-квантів з атомами гірської породи відбувається ряд процесів, серед яких основним є фотоелектричне поглинання гамма-квантів атома­ми речовини. Чим більше густина породи тим буде більшим поглинання і меншим інтенсивність розсіяння випромінювання. Навпаки, проти пористих порід з малою густиною спостерігаються максимуми на діаграмах гамма-гамма-каротажу. Тому основною областю застосування гамма-гамма-каротажу є розчленовування порід по їх густині і пористості.

У нейтронних методах каротажу вивчаються ядерні процеси, що відбуваються при опромінюванні порід швидкими нейтронами, тобто нейтронами з високими енергіями і швидкостями. Як джерело, що створює безперервний потік нейтронів часто застосовується суміш полонія і берилія. Безпечними в обігу при значно більшій потужності випромінювання є імпульс­ні електронні генератори нейтронів.

Опромінювання породи швидкими нейтронами супроводиться розсіянням і захопленням нейтронів ядрами атомів. При зіткненні з ядрами важких елементів нейтрони відхиляються від первинного напряму, що приводить до їх розсіяння. Після певного числа зіткнень швидкі нейтрони поступово втрачають свою енергію, сповільнюються і перетворюються на теплові, тобто їх енергія падає до рівня середньої кінетичної енергії молекул. Велику уповільнюючу дію на нейтрони надають ядра лег­ких елементів (в першу чергу - водню).

Теплові нейтрони поглинаються ядрами елементів, відбувається їх радіаційне захоплення, яке супроводиться гамма-випромінюванням. Таким чином, якщо порода містить велику кількість водню (вода, нафта, газ) то швидкі нейтрони перетворюється у теплові після невеликих шляхів пробігу (до 30 см), тобто поблизу джерела. На великих відстанях (понад 40 см) густина теплових нейтронів буде меншою. Оскільки теплові нейтрони схильні радіаційному за­хвату з супроводжуючим його вторинним гамма-випромінюванням, то поблизу джерела, де теплових нейтронів більше, буде спостерігатися збільшення гамма-випромінювання, а на великих відстанях де теплових нейтронів мало, гамма-випромінювання буде слабим.

Інша картина спостерігається при опромінюванні нейтронами породи з малим змістом водню. Відстань, пробігу нейтро­нами до придбання теплових швидкостей, буде в цьому випадку великою (понад 40 см). Тому поблизу від джерела кількість теплових нейтронів, а значить і вторинне гамма-випромінювання, буде малою, а на великій відстані кількість теплових нейтронів і супроводжуюче їх гамма-випромінювання збільшиться. У нейтрон-нейтронному каротажі (ННК) вимірюється густина теплових нейтронів, їх інтенсивність на відстанях 40 - 60 см від джерела нейтронів, так званими зондами більшо­го розміру. В нейтрон-гамма каротажі (НГК) вимірюється інтенсивність вторинного гамма-випромінювання, що виникає при радіаційному захопленні теплових нейтронів ядрами елементів гірської породи. Спостереження гамма-променів, як правило, ведеться зондами великого розміру. В обох нейтронних методах каротажу (ННК і НГК) вивчаються реакції нейтронів з ядрами елементів породи, які залежно від хімічного складу володіють різ­ною здібністю до захоплення нейтронів. З поширених елементів з підви­щеною здібністю до захоплення нейтронів володіє водень. Однак є деякі інші елементи - такі, як сіра, кальцій і особливо хлор, які також здатні захоплювати нейтрони. Присутність таких порід (і особливо широко поширеного водню) у розрізах свердловин встановлюється по мінімумах на діаграмах ННК і НКГ, отриманих великим зондом. Нейтронним методом каротажу підвищеними значеннями наголошуються щільні вапняки, доломіт, пісковики, багато вивержених і метаморфічних порід. Зниженими свідченнями виділяють­ся високопористі (вода, нафта, газ) породи. Зниженими значеннями характеризуються породи, насичені високо мінералізованими хлоридними водами, багато руд кольорових і рідкісних елементів.

Нейтронні методи каротажу (ННК і НГК) застосовуються для розчленовування геологічних розрізів і особливо для виявлення водновміщуючих, а також хлор вміщуючих порід.