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 s_к1 и s_к2

s_к1=s-кs₂ и s_к2=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.