Гамма–каротаж. Физические основы метода

Общие положения

Геофизические методы изучения геологического разреза скважин, основанные на измерении характеристик полей ионизирующих излучений (естественных и искусственно вызванных), происходящих в ядрах атомов элементов, называют радиоактивным каротажем (РК). Наиболее широкое распространение получили следующие виды радиоактивного каротажа: гамма–каротаж, предназначенный для изучения естественного γ–излучения горных пород и нейтронный каротаж, основанный на эффекте взаимодействия с горной породой источников γ–излучения и нейтронов.

Радиоактивность – самопроизвольное превращение ядер изотопов в ядра других элементов. Превращение ядра обычно происходит путем излучения альфа– или бета–частицы (α– и β–распад), реже наблюдается захват ядром одного из электронов оболочки атома (К–захват). Каждый вид распада сопровождается испусканием гамма–квантов. α– и β–лучи – соответственно поток ядер гелия (₂⁴He) и быстрых электронов. Они замедляются при проходе через вещество, затрачивая энергию на ионизацию атомов. Пробег бета–частиц – не более нескольких миллиметров. Пробег альфа–частиц – в несколько раз меньше.

Гамма–лучи представляют поток «частиц» (квантов) высокочастотного электромагнитного излучения наподобие света, но с гораздо меньшей длиной волны, т.е. с большей энергией кванта. Пробег гамма–квантов в веществе – в несколько десятков раз больше пробега для бета–частиц той же энергии.

Энергия гамма–квантов и других ядерных частиц выражается в электрон–вольтах (эВ): 1эВ=1,602·10^–19Дж. Энергия α– и β–частиц и гамма–квантов изменяется от долей до 3 МэВ.Так, для урана U²²⁶ (и образующегося из него Ra) энергия гамма–квантов – E=1.76 МэВ, для тория Th²³² – E=2.62 МэВ, а для K⁴⁰ – E=1.46 МэВ.

Период полураспада – Т_1/2 – это время, за которое количество радиоактивных изотопов уменьшится в два раза.

Т_1/2 ^U238 = 4.5·10⁹ лет;

Т_1/2^U235 = 0.713·10⁹ лет;

Т_1/2^Th232 = 13.9·10⁹ лет;

Т_1/2^К40 = 1.31·10⁹ лет;

Т_1/2^Ra226 =1617 лет;

Т_1/2^Rn = 3.85 дня.

 

Число ядеррадиоактивных элементов уменьшается по закону:

,                                          (1)

 

где N₀ – число ядер радиоактивного элемента в начальный момент времени, Т_1/2– период полураспада.

Количественная характеристика радиоактивности вещества – число распадов за единицу времени. Для данного радиоактивного изотопа количество распадов Аза 1 с прямо пропорционально числу его атомов N:

A = λN, где λ – постоянная распада (λ=0.693/T_1/2). Чем меньше T_1/2, тем больше радиоактивность вещества.

Абсолютная радиоактивность (активность) вещества – число распадов в 1 секунду (расп/с). Активность в 1 расп./с носит название беккерель (Бк). Существует внесистемная единица Кюри (Ки), равная активности 1 г ²²⁶Ra (1Ки = 3,7·10¹⁰ Бк). Энергия и количество гамма–квантов на 1 распад различны для различных изотопов – поэтому величина радиоактивности в беккерелях недостаточна для суждения о гамма–активности вещества. Для ее характеристики еще недавно использовали специальную единицу – миллиграмм – эквивалент радия (мг·экв. Ra). Вещество имеет активность в 1 мг·экв. Ra, если его гамма–излучение обладает такой же ионизирующей способностью, что и излучение 1 мг радия после прохождения через платиновый фильтр толщиной 0.5 мм.

 

Единицы радиоактивности:

1 грамм эквивалента Ra/г = 3.7×10¹⁰ распад/с = 3.7×10¹⁰ Бк (Беккерель),

1 Кu (Кюри) = 3.7×10¹⁰ Бк.

Ренген – такое количество рентгеновского или гамма–излучения, приводящее к образованию в 1 см³ сухого воздуха при нормальных условиях 2,083*10⁹ пар ионов обоих знаков (1 Р = 2.083×10⁹; 1 Р/с = 2,08×10^–4 А/кг.

Закон ослабления плотности потока гамма–излучения от точечного источника выражается:

 

,                                          (2)

где Ф — плотность потока гамма–квантов на расстоянии r; Q — общее число квантов, испускаемых источником; μ — суммарное макроскопическое сечение среды для всех процессов взаимодействия гамма–излучения с веществом.

Воздействие гамма–квантов на вещество зависит от их ионизирующей способности. Учитывая это, интенсивность гамма–излучения в данной точке пространства принято характеризовать величиной, называемой доза. Единица дозы – кулон на килограмм (Кл/кг). Доза равна 1 Кл/кг, если в результате ионизации излучением в 1 кг абсолютно сухого воздуха образуются заряды в 1 Кл (каждого знака). Доза, создаваемая в единицу времени, называется мощностью дозы. Ее единица 1 А/кг. Внесистемная единица дозы — рентген (1P=2×58·10^–4 Кл/кг) и единица мощности дозы – микрорентген в час (1 мкР/ч=71.7×10^–15 А/кг). (Для примера, радиевый источник активности 1 мКи на расстоянии 1 м от него создает в воздухе мощность дозы 850 мкР/ч).

Радиоактивность горных пород обусловлена в основном присутствием в них урана, тория, радиоактивных продуктов их распада и, наконец, калия, один из изотопов которого ⁴⁰К также радиоактивен.

Если не считать урановых и ториевых руд, наибольшей гамма–активностью обладают кислые изверженные породы, например граниты, а также глины. По интенсивности гамма–излучения 1 г этих пород эквивалентен (4 – 6)·10^–12 г ²²⁶Ra. Наименее активны (менее 10^–12 г Ra) ультраосновные породы, а среди осадочных пород – чистые разности известняков, песчаников, большинства каменных углей и особенно гидрохимических пород (кроме калийных солей). В осадочных породах, как правило, радиоактивность тем больше, чем выше содержание глинистой фракции. Это позволяет по кривым I_γ различать глины, глинистые и чистые разности известняков, песчаников. (Повышенная радиоактивность глинистых пород объясняется тем, что благодаря большой удельной поверхности они в процессе осадконакопления сорбируют большее количество соединений урана и тория, чем неглинистые породы. Имеет значение и калий, входящий в состав некоторых глинистых минералов).

 

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).