Радиоактивные методы

Ряд радиоактивных методов относится к категории прямых методов, т.е. их показания пропорциональны содержанию того или иного определённого породообразующего элемента (C, O, Al, Si, Ca, Mg, Na, K, Fe, Th, U и др.). Неслучайно аппаратуру, используемую для реализации прямых радиоактивных (ядерных) методов исследования скважин, иногда называют петрофизической лабораторией на кабеле.

Важным преимуществом радиоактивных методов (в отличие от электрических) является то, что практически все они могут проводиться в обсаженных скважинах. Это связано с тем, что используемые в нефтегазовой геофизике радиоактивные методы ГИС основаны на регистрации нейтронного и гамма излучения, а, как известно, электроны и гамма-кванты являются электрически нейтральными частицами и поэтому обладают высокой проникающей способностью.

Радиоактивностью называют процесс самопроизвольного распада ядер некоторых изотопов с испусканием α, β и γ-излучения и превращением распадающихся ядер в ядра других элементов. Большая часть естественных радиоактивных элементов образуют радиоактивные семейства, где каждый радиоактивный элемент возникает из предыдущего и затем превращается в последующий. Процесс радиоактивных превращений продолжается до тех пор, пока не образуется устойчивый изотоп элемента. Для количественной оценки радиоактивности применяют различные единицы радиоактивности. За единицу радиоактивности, которая называется беккерель (Бк), принята активность вещества, в котором происходит один распад в секунду: 1 Бк = 1 расп/с. На практике при измерении естественной радиоактивности горных пород пользуются внесистемной единицей микрорентген в час (мкР/ч).

В нефтегазовой геологии и геофизике используются следующие три механизма взаимодействия гамма-квантов с веществом: фотоэлектрический эффект, комптон-эффект и эффект образования пары электрон-позитрон.

При фотоэлектрическом поглощении (фотоэффекте) гамма-квант передаёт полностью свою энергию одному из орбитальных электронов атома, вырывая его и передавая электрону оставшуюся часть своей кинетической энергии. В результате процесса взаимодействия сам гамма-квант перестаёт существовать (аннигилирует).

Особенностью комптон-эффекта является то, что, в отличие от фотоэффекта, первичный гамма-квант не исчезает, а теряет часть своей энергии, передавая её электрону, на котором произошло рассеяние. Сам же он продолжает своё движение, отклонившись от первоначальной (до соударения с электроном) траектории.

Эффект образования пары электрон-позитрон происходит при условии, что энергия гамма-кванта превышает суммарную энергию покоя электрона и позитрона (или удвоенную энергию покоя электрона).

Гамма-метод

Гамма-метод или метод естественной радиоактивности горных пород основан на регистрации естественного (самопроизвольного) гамма-излучения. Это излучение обусловлено самопроизвольным распадом радиоактивных элементов (радионуклидов) уранового, ториевого и актиноуранового рядов. Практический интерес представляют ²³⁸U (и прежде всего продукт его распада ²²⁶Ra), ²³²Th и ⁴⁰K, так как именно эти радионуклиды определяют естественную радиоактивность горных пород.

Естественная радиоактивность горных пород прямо пропорциональна содержанию в них указанных радиоактивных элементов. Кроме этого, установлено, что осадочные породы, образовавшиеся в различных условиях осадконакопления, содержат различные концентрации урана, тория и калия. Это служит петрофизической основой качественного литологического расчленения разреза осадочных пород по величине их естественной радиоактивности.

Кроме этого, измеряя изменение естественной радиоактивности по стволу скважины, можно определять глубину залегания пластов, выделять коллекторы и флюидоупоры.