Методы радиометрии

МЕТОД ЕСТЕСТВЕННОЙ РАДИОАКТИВНОСТИ (ГАММА-МЕТОД)
Метод исследования геологического разреза скважин, основанный на регистрации излучений, испускаемых естественно радиоактивными элементами горных пород, носит название метода естественной радиоактивности.
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.

.
Естественная радиоактивность слагается из способности горных пород испускать альфа (положительно заряженные частицы) - , бета (поток быстро летящих электронов)- и гамма (короткие электромагнитные волны) -излучение. Глубина проникновения альфа-излучения в горных породах составляет первые десятки микрон, бета-излучения – первые миллиметры, а гамма-излучения – от 30 до 40 см. Следовательно, с точки зрения изучения разрезов скважин только гамма-излучение представляет практический интерес.
У магматических пород максимальной активностью отличаются кислые породы (в основном, из-за повышенного содержания калия, в котором содержится около 0,7% радиоактивного изотопа К40), минимальной -ультраосновные породы.
Самую высокую радиоактивность среди осадочных горных пород имеют глубоководные илы, черные битуминозные глины, аргиллиты, глинистые сланцы, калийные соли.
Средняя радиоактивность характерна для неглубоководных и континентальных глин, глинистых песчаников, мергелей глинистых известняков и доломитов.
К породам с низкой радиоактивностью относятся ангидриты, гипсы, каменная соль, песчаники, пески, доломиты, угли

Аппаратура ГК имеет, в принципе, такое же устройство, как и полевые радиометры.
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.
В отдельных случаях ГМ не может дать правильного представления о литологии пород, обладающих повышенной радиоактивностью. Например, чистые песчаники, в том числе коллекторы нефти или газа, могут быть приняты за глинистые или за породы с повышенным содержанием глины, если они обогащены ураноносными или ториеносными минералами.
Иногда радиоактивность горных пород повышается за счет насыщения их ураносодержащими водами, органическими или фосфатными веществами. В этих случаях литологическая характеристика определяется спектральным гамма-методом (ГМ-С), - измеряет число гамма-квантов и уровень энергии каждого гамма-кванта и дает возможность определить концентрацию радиоактивных калия, тория и урана в породах пластов.
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.

На показания гамма-метода оказывают влияние:
поглощение гамма-излучения в скважине, зависящее от диаметра скважины, плотности бурового раствора, наличия и толщины обсадной колонны и цементного кольца;
радиоактивность среды, заполняющей ствол скважины.
Показания ГМ растут при увеличении диаметра скважины, если радиоактивность горных пород меньше радиоактивности среды, заполняющей скважину.
При обратном соотношении радиоактивностей горной породы и скважинной среды показания ГМ уменьшаются с ростом диаметра скважины.
Обсадная колонна всегда уменьшает показания ГМ.
При строгом учете влияния перечисленных факторов по результатам ГМ можно количественно определить общую массовую радиоактивность пород.
радиус исследования ГМ составляет примерно 30 см

Оптимальная скорость движения
скважинного снаряда
При выполнении ГК важным моментом является соблюдение оптимальной скорости движения скважинного снаряда.
Скорость каротажа должна быть такой, чтобы при движении детектора против пласта минимальной интересующей исследователя мощности h показания радиометра успели достичь максимальных значений Iγпл. При более высокой скорости, аномалия ГК получается меньшей интенсивности и растянутой по глубине. Оптимальную скорость каротажа вычисляют, исходя из мощности пластов h в метрах и постоянной времени τя в секундах по формуле:
В общем случае скорость ГК не должна превышать 360-400 м/час.

при измерении на отдельных точках при нулевой скорости прибора кривая Ir против однородного одиночного пласта симметрична При мощности пласта h>0, 8-1м амплитуда кривой Ir не зависит от значения h, а границе пласта соответствует середина аномалии.
При увеличении скорости прибора кривая /у сдвигается по направлению движения прибора и становится асимметричной. Искажение тем сильнее, чем больше скорость. При недостаточно большой мощности пласта происходит уменьшение амплитуды (тем сильнее, чем меньше мощность пласта). Границы пластов приблизительно определяют по началу подъема и снижения показаний ГМ.
Зависимость конфигурации аномалии гамма-каротажа над пластом повышенной радиоактивности от скорости каротажа

Определение мощности. Для определения мощности рудного интервала используют способ 1/2 Iγmax (если h>40 cм), 4/5 Iγmax (h<40 cм) заданной интенсивности и др.
Введение поправок. При определении содержаний ЕРЭ необходимо учитывать, что какая-то часть γ -излучения поглощается в буровом растворе и обсадных трубах (если они есть). Поправка на поглощение в буровом растворе Пбр и обсадных трубах определяется по одной и той же номограмме на которой нанесено 2 кривых: одна - для раствора (воды), другая - для железа (обсадных труб).
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 Iγ от этих линий на исследуемом пласте полагают линейно связанной с глинистостью коллектора Сгл.
Определение контактов пласта большой мощности
и расчет площади аномалии по диаграмме ГК

С удовлетворительной для практики точностью определение границ можно делать точкам, соответствующим началу подъема и началу спада кривой против пласта повышенной интенсивности излучения GR
Разрешающая способность метода:
глубинность - 15см.
вертикальное разрешение – 30см.
Скорость подъема прибора должна быть порядка 400 м/ч.
Определение границ пласта

Методы ГК и СГК
Естественная гамма-активность пород обусловлена содержанием в них изотопов радиоактивных элементов

Гамма-каротаж
Глины
Песчаник
Песчаник
Глины
Глины

ГМ применяют для решения следующих задач:
Расчленения и корреляции осадочных толщ по степени их глинистости;
Выделения коллекторов нефти, газа и пресных вод, залегающих среди глинистых вмещающих пород;
Оценки коллекторских свойств, зависящих от глинистости пород.
ГМ-С применяют для корреляции «немых» толщ, а также для детального литологического расчленения осадочных пород в тех случаях, когда их радиоактивность не связана с глинистостью.

Резюме: ГК
Естественная гамма-активность связана с содержанием U, Th, K.
U, Th, K сконцентрированы в глинах
Показания в глинах увеличиваются, в песчаниках – уменьшаются
Лучший индикатор глинистости
ГК спектрометрический выделяет из общего сигнала отдельные вклады U, Th, K. Улучшает оценку глинистости
Глубинность - 10-15 см.
ГК измеряет естественную радиоактивность и линеен для каждого радиоактивного минерала. Криволинейные связи с другим индикатором глинистости Vshale является показателем наличия как минимум двух радиоактивных минералов в пласте в различных пропорциях.
Th/K (торий/калиевое) отношение гамма-спектрометрического каротажа (NGT) является индикатором наличия глин и минеральных изменений в пласте, но не является абсолютным показателем типа глин.

1-каменная соль; 2 - калийная соль; 3 - размытый пласт с глубокой каверной; 5 - гипс; 6 - ангидрит; 7 - известняк низкопористый; 8—известняк высокопористый; песчаник (песок): 9 — газоносный; 10 — нефтеносный; 11-водоносный; 12-метаморфизо-ванная порода

Гамма-гамма-каротаж
Гамма-гамма-каротаж (ГГК) заключается в облучении горных пород γ -квантами искусственного источника и измерении рассеянного γ -излучения.
Аппаратура ГГК устроена так же, как и аппаратура ГК, но скважинный снаряд дополняется источником γ-квантов.
Расстояние между центрами детектора и источника называется длиной зонда.
Чтобы прямое γ -излучение источника не попадало на детектор, между ними помещают свинцовый экран.
Поскольку рассеянное излучение имеет более низкую энергию, чем прямое, то для уменьшения его поглощения в буровом растворе детектор γ -квантов так же, как и источник, прижимают к стенке скважины.
Для уменьшения влияния кавернозности скважин и детектор, и источник могут быть размещены в небольшом выносном блоке, прижимаемом к стенке скважины и способном заходить в каверны.

Устройство скважинных снарядов для гамма-гамма-каротажа

Существует три типа взаимодействия гамма-квантов с веществом (горными породами)
фотоэлектрическое поглощение,
рассеяние гамма-квантов (эффект Комптона)
эффекты образования пар;

Фотоэффект —гамма-квант передает всю энергию электрону атома. При этом, если электрон получает энергию, большую, чем энергия связи его в атоме, то он вылетает из атома.
Комптон-эффект — гамма- квант передает электрону не всю энергию, а только ее часть, гамма-квант меняет траекторию движения (при этом образуется новый гамма-квант, меньшей энергии), что также сопровождается высвобождением электрона и ионизацией атома. Эффект образования пар — гамма-квант в поле ядра превращается в электрон и позитрон.

Для производства работ применяется двухзондовая аппаратура ГГК-П(рис.)
Дальний зонд
Ближний зонд
экран
Источник гамма - излучения
Наличие двух зондов продиктовано тем, что при подобной регистрации рассеянного гамма - излучения малый зонд позволяет более точно учесть влияние ближней зоны скважины (глинистой корки, бурового раствора), а дальний зонд регистрирует рассеянное гамма - излучение от горной породы. При производстве работ, с целью устранения влияния скважины на результаты измерения зондовая часть прибора в обязательном порядке прижимается к стенке скважины прижимным устройством.
Метод ГГК-П позволяет выполнять литологическое расчленение разреза, выделять пласты – коллектора и рассчитывать коэффициент пористости Кп.
Зависимость вторичной интенсивности Iуу от плотности σ породы – обратная. Чем больше σ, тем меньше Iуу
Схема зонда для регистрации ГГК-П

Резюме: ГГК-П
Регистрирует плотность породы
Глубинность – 15 см; вертикальное разрешение – 30 см; скорость каротажа – 400 м/час
Формула перевода плотности в пористость точная; необходимо знание типа матрицы и плотности флюида
Преимущества:
- лучший метод пористости в неуплотненных породах;
- может работать в «сухой» скважине
Недостатки:
- должен иметь низкую скорость каротажа
- тяжелые минералы (пирит) – причина высоких показаний плотности