Фізична основа природної радіоактивності осадових порід

Відомо більше 230 радіоактивних ізотопів різних елементів, званих радіоактивними нуклідами (радіонуклідами). В цілому в земній корі підвищені концентрації наступних трьох радіоактивних елементів: урану (2,5*10^-4 %), торія (1,3*10^-3 %) і калія-40 (2,5 %). Тому в радіометрії вивчають тільки ці елементи. Вони знаходяться в гірських породах в розсіяному стані у вигляді ізоморфних домішок і самостійних мінералів.

Кількість радіоактивних елементів у гірській породі залежить від фізико-хімічних умовах її формування. Із магматичних порід більш радіоактивні кислі породи, гамма-активність яких досягає 50 . Основні породи менш радіоактивні, найменшу радіоактивність мають ультраосновні породи. Із осадових порід високою радіацією володіють глибоководні мули, глини, гамма-активність глибоководних осадів досягає 60 ; піски, пісковики, вапняки і доломіти мають гамма-активність у межах (0,1...5) ; найбільш низьку гамма-активність мають гідрохімічні осади (за виключенням калійних солей) і кам’яне вугілля. Так як більшість глин володіють підвищеною радіоактивністю, природна радіоактивність осадових гірських порід пропорційна вмісту в них більш активної глинистої фракції. Це дозволяє диференціювати розріз за глинистістю порід.

Радіоактивність порід і руд по еквівалентному процентному вмісту урану прийнято поділяти на наступні групи:

* породи практично нерадіоактивні ( 10^-6 %);

* породи середньої радіоактивності ( 10^-4 %);

* високорадіоактивні породи і бідні руди ( 10^-3 %);

* бідні радіоактивні руди ( 10^-2 %);

* рядові і багаті радіоактивні руди ( 0,1 %).

До практично нерадіоактивних відносяться такі осадкові породи, як ангідрит, гіпс, кам'яна сіль, вапняк, доломіт, кварцовий пісок і ін., а також ультраосновні, основні і середні породи. Середньою радіоактивністю відрізняються кислі вивержені породи, а з осадових – пісковик, глина і особливо тонкодисперсний морський мул, що має здатність адсорбувати радіоактивні елементи, розчинені у воді.

З радіоактивністю гірських порід тісно пов'язана радіоактивність природних вод і газів. В цілому в гідросфері і атмосфері вміст радіоактивних елементів надзвичайно малий. Підземні води можуть мати різну радіоактивність. Особливо велика вона у підземних вод радіоактивних родовищ і вод сульфідно-барієвого і хлоридно-кальциевого типів.

В ході поглинання альфа-, бета-, гамма-променів гірськими породами відбувається їх нагрів. Найпоширеніші радіоактивні мінерали (уран, торій, калій-40) мають період напіврозпаду, порівнянний з віком Землі, тому вони є основними джерелами радіогенного тепла у минулому, сьогоденні і майбутньому.

Гамма каротаж (ГК)

Визначення зміни інтенсивності природного гамма-випромінювання вздовж стовбуру свердловини називається гамма-каротажем (ГК). (Гамма-каротаж – метод дослідження розрізів свердловин, заснований на реєстрації природного гамма-випромінювання гірських порід). Уперше запропонований і розроблений в 1933 р Принципова схема гамма-методу показана на рис.8.1, а відповідна крива за глибиною свердловини – на рис.8.2.

Рис.8.1. Схема пристрою глибинного приладу для штучного ядерного каротажу: 1 – джерело гамма-променів або нейтронів; 2 – умовні шляхи рухів гамма-променів або нейтронів; 3 – екран; 4 – лічильник; 5 – блок живлення; 6 – попередній підсилювач; 7 – кабель; 8 – підсилювач; 9 – реєстратор; 10 – глина; 11 – вапняки; 12 – піски

Рис.8.2. Крива ГК у осадових породах: 1 – глини; 2 – глини глибоководні; 3 – піски; 4 – пісковики; 5 – вапняки; 6 – вапняки глинисті; 7 – галіт, калійні солі; 8 – солі, які містять бор

Вимірюють гамма-випромінювання гірських порід за допомогою свердловинного приладу, який має розрядний або люмінесцентний лічильник гамма-квантів. Для його живлення у приладі встановлено генератор високої напруги. Електричні імпульси, які створюють у лічильнику при проходженні крізь нього гамма-квантів, підсилюються і передаються на поверхню, де інтегруються і реєструються. Показники вимірного приладу пропорційні інтенсивності природного гамма-випромінювання. На діаграмі ГК зміни інтенсивності природної радіоактивності гірських порід записуються в умовних одиницях – імпульсах в хвилину або, при градуюванні приладу, у мікрорентгенах за годину.

Так як більшість порід мають близьку гамма-активність, однозначне визначення порід взагалі за даними ГК у більшості випадків неможливе. Для вирішення цієї задачі діаграми ГК інтерпретують у комплексі з діаграмами інших геофізичних методів дослідження свердловин. Іноді діаграми гамма-методу у загальних рисах повторюють діаграму самочинної поляризації порід. Однак у деталях суттєво доповнюють. Так, наприклад, потенціали U_ПС для дуже глинистих вапняків, глин і доломітів звичайно близькі. Навпаки, ці породи часто суттєво відрізняються за гамма-активністю.

Діаграми гамма-методу іноді дозволяють розділити однорідні за іншими параметрами глинисті товщі на шари підвищеної гама-активності, які не фіксуються іншими радіоактивними методами.

Як правило, каротажні радіометри є двохканальними і, окрім каналу ГК, містять ще один канал, призначений для одночасного запису ще однієї діаграми, наприклад НГК.

Сучасні каротажні радіометри забезпечують можливість не тільки визначення інтегральної інтенсивності гама випромінювання, але і можливість спектрометрії, тобто визначення енергії -квантів, що поступають на детектор, що дозволяє визначити, з яким радіоактивним елементом пов'язана радіоактивність гірської породи. Для цього один канал радіометра настроюють на енергію основної лінії - випромінювання Ra₂₂₆ - 1,76 МеВ, інший - на основну лінію Th₂₃₂ - 2,6 МеВ і третій - на енергію - випромінювання K₄₀ - 1,46 МеВ.

При виконанні ГК важливим моментом є дотримання оптимальної швидкості руху свердловинного приладу. Оскільки всі радіометри володіють певними постійними часу інтегруючої чарунки (ячейки - рус.) то швидкість каротажу повинна бути такою, щоб при русі детектора проти пласта мінімальної потужності h покази радіометра, встигли досягти максимальних значень. При вищій швидкості, як це показано на рис. 8.3., аномалія ГК виходить меншій інтенсивності і розтягнутою по глибині. У загальному випадку швидкість ГК не повинна перевищувати 360-400 м/година.

Гамма-гамма каротаж (ГГК)

Гамма-гамма каротаж – метод дослідження розрізів бурових свердловин, що полягає в опромінюванні гірських порід γ -квантами штучного джерела і вимірюванні розсіяного γ – випромінювання. Запропонований Ф. Халленбахом (ФРН) у 1947 р. Використовується для поділу розрізу свердловини за щільністю, виділення пористих порід як можливих колекторів нафти і газу, детального вивчення вугленосних товщ, кількісної оцінки зольності і теплотворної здатності вугілля, виявлення рудних тіл (залізняку) і скупчень важких елементів.

Рис. 8.3. Залежність конфігурації аномалії гамма-каротажа над пластом підвищеної радіоактивності від швидкості каротажа.

Як джерело гамма-випромінювання звичайно використовується радіоактивний ізотоп . Від прямого випромінювання індикатор екрановано свинцево-залізним фільтром так, що на нього попадає переважно розсіяне гірською породою випромінювання. Від цього виникла назва методу. Відстань між індикатором і джерелом L_ggназивають довжиною зонда. Точку запису інтенсивності І_gg розсіяного гамма-випромінювання при звичайних зондах відносять до центру відстані між джерелом і індикатором.

Процеси взаємодії γ – випромінювання з речовиною

Існують 3 основних процеси, які носять назви фотопоглинання, комптонівського розсіяння і утворення пар.

Фотопоглинання (фотоефект) полягає в поглинанні γ -кванта атомом речовини, його енергія йде на відрив від атома електрона і наданні останньому імпульсу енергії (рис. 8.4, а). Атом залишається збудженим і переходить в нормальний стан, випускаючи фотон рентгенівського випромінювання.

Фотоефект спостерігається при найменших енергіях γ-квантів. Умовно можна рахувати Ег <0,5 МеВ.

На фотопоглинання дуже сильно впливає навіть невелика домішка в середовищі елементів з великим атомним номером.

Комптонівське розсіяння (комптон-ефект) – це непружне розсіяння γ-квантів на електронах речовини, в результаті якого γ -квант втрачає частину своєї енергії і міняє напрям руху (мал. 8.4,б). Спостерігається комптон-ефект при вищих енергіях, умовно можна рахувати Еу > 0,5 МеВ.

Вірогідність комптон-ефекта залежить від перетину комптонівського розсіяння, яке, у свою чергу, є функцією енергії і атомного номера елементу, і від числа електронів в одиниці об'єму речовини:

(8.2)

де No - число Авогадро (No= 6,02-10^-23 моль^-1 ); ρ - щільність речовини.

Таким чином, комптон-ефект залежить від щільності речовини.

Утворення пар (народження пар) – відбувається при взаємодії γ -кванта з полем ядра атома, γ -квант припиняє своє існування, замість нього утворюється пара: електрон і позитрон (мал. 8.4, в). Вірогідність цього процесу невелика, по-перше, тому, що ядро займає лише невелику частину об'єму всього атома і, по-друге, тому, що енергія γ-кванта повинна бути достатньою для цієї реакції ( Ег > 1,02 МеВ). (Процес утворення пар в ядерно-геофізичних методах поки не використовують).

Рис. 8.4. Види взаємодії гамма-квантів з речовиною: фотоефект (а); комптонівське розсіяння (б); утворення пар (в); ядерний фотоефект (г).

Окрім трьох основних видів взаємодії з речовиною, γ -кванти викликають ще декілька реакцій в результаті яких викликається вторинне випромінювання. Найцікавішим з цих реакцій є ядерний фотоефект.

Ядерний фотоефект полягає в поглинанні γ -кванта ядром атома, після чого ядро стає збудженим і переходить в нормальний стан через випускання нейтрона (див. мал. 8.4, г). Нейтрон має теплову енергію. Ця реакція порогова – енергія γ -кванта повинна бути більше енергії зв'язку нейтрона в ядрі, а вона залежить від маси останнього.

Всі розглянуті процеси в гірських породах при опромінюванні їх γ -квантами штучного джерела відбуваються не окремо, а спільно. Швидкі γ-кванти зникають в результаті утворення пар і сповільнюються в результаті комптонівського розсіяння, розсіяні поглинаються в результаті фотоефекту. Переважання того або іншого процесу залежить від енергії γ -квантів і властивостей гірської породи – її щільності і ефективного номера, як це показано на рис. 8.6.

Гамма-кванти великої енергії (порядку 1 МеВ) вилітають із джерела і розсіюються у породі, при цьому значно зменшують свою енергію. Потім вони поглинаються індикатором внаслідок фотоефекту. Так як взаємодія гамма-квантів із речовиною є випадковим процесом, різні кванти до свого поглинання проходять різну відстань від джерела. Зменшення потоку квантів з відстанню пропорційно щільності породи і концентрації у ній важких елементів. Розділяти ці два фактори можливо шляхом вибору джерела випромінювання і індикатора. Відповідно до цього існують дві модифікації метода ГГК: гамма-гамма каротаж за щільністю (ГГК-Щ) і селективний (ГГК-С).

Щільністний гамма-гамма-каротаж (ГГК-Щ) заснований на вивченні комптонівського розсіяння γ-квантів в гірських породах. У ГГК-Щ як джерело квантів використовуються штучні ізотопи (з енергією Еу = 1,17 МеВ і 1,33 МэВ), Cs137 (з енергією Ey = 0,66 МеВ) і природний Ra226, який дає цілий спектр γ-квантів з енергіями від 0,35 до 1,76 МеВ. Детектор гамма-випромінювання розміщується у масивному корпусі із важкого металу (залізо), який повністю поглинає кванти з енергією менше 0,2 МеВ. Показники метода залежать лише від щільності середовища, який оточує свердловинний прилад. Чим більша щільність середовища тим менші показники ГГК-Щ. Розмір зонду при цьому складає 20 – 50 см. На нафтових і газових родовищах ГГК-Щ застосовують для диференціації розрізів свердловин по щільності і для визначення пористості порід-колекторів.

Рис. 8.6. Ймовірність різних видів взаємодії γ – випромінювання з речовиною в залежності від його енергії і ефективного атомного номера речовини, який випромінює кванти 1,17 і 1,33 МеВ (виділена штрихуванням зона умовно відповідає осадовим породам)

При селективній модифікації ГГК-С (іноді його називають ГГК-М – м’який) використовують джерела м’якого гамма-випромінювання (менше ніж 0,3-0,4 МеВ). Такі, як радіоактивний Se⁷⁵ (селен 75) з енергією квантів 0,138 і 0,268 МеВ чи Hg²⁰³ (ртуть 203) з енергією квантів 0,279 МеВ та ін. ГГК-С заснований на вивченні фотопоглинання γ-квантов в гірських породах. Детектор ГГК-С настроюють на ще менше випромінювання. Показники ГГК-С залежать як від розсіювання гамма квантів, так і від особливостей їх поглинання, яке визначається концентрацією у породі важких елементів. Чим більше у породі важких елементів, тим менші показники ГГК-С. Розмір зонду при ГГК-С звичайно 10 – 20 см. ГГК-С застосовується, головним чином, на вугільних і рудних родовищах.

Усі модифікації ГГК мають малу зону дослідження (10 – 15 см для ГГК-Щ і ще меншу для ГГК-С), тому їх показники значною мірою залежать від положення приладу у свердловині, змін у ближній зоні (щільності бурового розчину, товщини глинистої кірки, діаметра свердловини, наявності кріплення свердловини тощо). Розчин і кірка мають щільність меншу ніж гірські породи, тому із збільшенням товщини кірки і віддаленням приладу від стінки свердловини внаслідок наявності каверн зменшується загальна щільність середовища, у якому знаходиться зонд. Відповідно збільшуються показники детектора. Це може бути помилково інтерпретовано, як зменшення щільності породи. Тому, при інтерпретації даних ГГК необхідно мати кавернограму (для корекції результатів).

Оскільки розсіяне випромінювання має нижчу енергію, ніж пряме, то для зменшення його поглинання в буровому розчині детектор γ-квантов так само, як і джерело, притискують до стінки свердловини. Для зменшення впливу кавернозності свердловин і детектор, і джерело можуть бути розміщені в невеликому виносному блоці, що притискується до стінки свердловини і здатному заходити в каверни (рис. 8.7.) .

Рис. 8.7. Будова свердловинних снарядів для гама-гама каротажа

При ГГК реєструється також природне випромінювання. Для нейтралізації цього явища слід вибирати джерело із достатньо великою активністю, щоб розсіяне випромінювання було набагато більше ніж природне.

Безпосередньо за даними ГГК-Щ одержують щільність гірської породи. Попередньо, для даного типу приладу ГГК на підставі результатів вимірів на кількох моделях пластів з відомою щільністю, будують залежності показника ГГК від щільності породи. Визначення коефіцієнту пористості за щільністю породи потребує знання щільності мінерального скелету породи і рідини, яка заповнює її пори .

Через малу зону дослідження метод ГГК використовується для вивчення геологічного розрізу у необсаджених свердловинах. В обсаджених свердловинах метод використовують для визначення якості цементування свердловини, товщини стінок колони.