Лекция 10 Радиоактивный каротаж
Гамма-каротаж основан на измерении по стволу скважины гамма-излучения, вызванного естественной радиоактивностью горных пород.
Из естественных радиоактивных элементов наиболее распространены уран 238U , торий 232Th и изотоп калия 40K. Уран и торий с продуктами распада образуют ряды из нескольких (порядка 10) радиоактивных элементов. Эти элементы последовательно распадаются, последний из продуктов распада превращается в свинец Pb. Каждый элемент при распаде наряду с заряженными a и b-частицами излучает g-кванты с присущей ему энергией Е.
Элементы ряда урана излучают g-кванты с энергией от 0,05 до 2,45 МэВ, а ряда тория – от 0,1 до 2062 МэВ. Спектр 40К имеет одну линию 1,46 МэВ.
Радиоактивные элементы чрезвычайно рассеяны в природе и содержаться в очень малых количествах (порядка 10-6 урана, 10-12 радия, 10-5 тория).
Содержание этих элементов в разных породах неодинаково, что позволяет различать породы по радиоактивности.
Основными видами взаимодействия гамма-излучения с веществом является образование электрон-позитронных пар, фотоэффект и эффект Комитона.
Гамма-гамма-каротаж (ГГК) исследует особенности прохождения через породы гамма-излучения от специального источника гамма-квантов.
При проведении ГГК в скважину опускается измерительная установка, состоящая из источника и детектора гамма-излучения, разделенных свинцовым экраном. Экраном поглощаются те g-кванты, которые распространяются по прямой линии от источника до детектора. Гамма-кванты, проникающие в породу, рассеиваются на электронах, входящих в состав атомов пород, часть из них после нескольких актов рассеяния попадает в детектор и регистрируется. Чем больше плотность горных пород, тем меньше g-квантов проходит в детектор.
Плотность горных пород в разрезах нефтяных и газовых скважин изменяется от 2 до 3 г/см3, а плотность ПЖ – от 1 до 1,5 г/см3.
Если не принимать специальных мер, большая часть гамма-излучения будет проходить по стволу скважины. Поэтому источник и детектор прижимаются к стенке скважины.
В качестве источника g-излучения в приборах используется 137Cs (период полураспада – 36 лет, энергия 0,662 МэВ). Активность применяемых источников 0,5-2×1010 расп/с, т.е. 50-200 мг экв радия.
При регистрации жесткой составляющей каротаж называют плотностным (ГГКП).
Расстояние между серединой источника и серединой индикатора в приборе называют длиной зонда L. В коллимированных системах вводится длина зонда L1 равная расстоянию между ближайшими сторонами коллимационных окон источника и индикатора.
Оптимальная длина зонда – 30¸50 см. Для исключения влияния ПЖ применяют двухзондовые установки. Измеряются sк1 и sк2
sк1=s-кs2 и sк2=s-s2
Решая эти уравнения относительно s, получим:
Нейтронный каротаж базируется на исследовании поля медленных нейтронов и гамма квантов, создаваемого источника быстрых нейтронов, находящимся в скважинном приборе. Быстрые нейтроны имеют энергию 1–15 МэВ, промежуточные 1 МэВ¸10 эВ, медленные или надтепловые 10-0,1 эВ и тепловые нейтроны со средней энергией 0,025 эВ.
На основе реакций, происходящих при облучении бериллия a-частицами (Po–Be и Pu-Be источники) получаются нейтроны широкого спектра – от 1 до 10 МэВ, в среднем4-5 МэВ.
Нейтроны, излучаемые ускорительной трубкой импульсного генератора имеют энергию 14 МэВ.
При упругом столкновении двух тел передача энергии от одного тела к другому тем больше, чем они ближе по массе. Масса ядра водорода (протон) близка к массе нейтрона, поэтому водород лучше остальных замедляет нейтроны.
Длиной замедления нейтронов называется среднее расстояние по прямой линии от места вылета нейтрона до места, где он замедлится до тепловой энергии.