Гамма – каротаж. Физические основы метода

Министерство Образования  РФ 
 

          Уфимский Государственный Нефтяной  Технический Университет 
 
 

                                      Кафедра геофизики 
 
 

                               Курсовая работа 
 

            На тему “Гамма – каротаж.  Физические основы метода”. 
 
 

Выполнил : Адиятов А.Н. 
 

Проверил : Бурков В.Г. 
 
 

                                  Уфа 2002

                 Геофизик - это субъект, способный  с бодрой силой духа

                 выворачивать бесконечные ряды  непостижимых формул,

                 выведенных с микроскопической точностью, исходя из

                 неопределенных предположений, основанных  на спорных данных,

                 полученных из неубедительных  экспериментов, выполненных с

                 неконтролируемой аппаратурой лицами  подозрительной

                 надежности и сомнительных умственных  способностей. И все

                 это - с открыто признаваемой  целью раздражать и путать

                 химерическую группу фанатиков,  известных под именем

                 геологов, которые, в свою очередь,  являются паразитическим

                 наслоением, окружающим честно и  тяжело работающих

                 буровиков.

                                       Journal of Petroleum Technology. 1957 

      Ядерные  методы исследования скважин 

      Ядерные  исследования скважин подразделяются  на методы изучения

естественной радиоактивности (гамма-методы) и искусственно вызванной

радиоактивности, называемые ядерно-физическими или ядерно-геофизическими

(гамма-гамма и  нейтронные методы). 

      Методы  изучения естественной радиоактивности  горных пород в скважинах. 

      На  изучении естественной радиоактивности  горных пород основан гамма-

каротаж или гамма-метод (ГМ). Это аналог радиометрии.

      Работы  проводят с помощью скважинных  радиометров разных марок.

Электрические сигналы, пропорциональные интенсивности гамма-излучения,

передаются с них  по кабелю в обычную каротажную станцию, где и

осуществляется их автоматическая регистрация.

      В  результате гамма-каротажа записывается непрерывная кривая, или

диаграмма, интенсивности  гамма-излучения . Величина [pic]измеряется в

импульсах за минуту или в микрорентгенах в час (гаммах). Поскольку распад

ядер является случайным  процессом, то интенсивность гамма-излучения

колеблется около  среднего уровня, испытывая статистические флуктуации. Для

их учета применяются  повторные записи с меньшей скоростью  проведения

наблюдений. Так как  гамма-лучи почти полностью поглощаются  слоем породы

толщиной 1 - 2 м, а  до 30 % ядерной энергии не пропускается обсадными

трубами, то скважинный радиометр может фиксировать  гамма-излучение пород,

расположенных в  радиусе, не превышающем 0,5 м от оси  скважины. Увеличение

диаметра скважины и наличие воды или бурового раствора в ней еще больше

снижают радиус обследования.

      На  диаграммах гамма-каротажа выявляются пласты с разной степенью

радиоактивности. Максимумами  выделяются породы и руды, содержащие уран,

радий, торий, калий-40 и другие радиоактивные элементы, а также граниты,

глины; минимумами - песчаные и карбонатные породы.

      Спектрометрия  естественного гамма-излучения,  т.е. определение энергии

гамма-лучей, служит для выделения в разрезах скважин  пород и руд,

содержащих определенные элементы, например, калий, торий, уран, фосфор и

др. 
 
 

1. Естественная радиоактивность  горных пород. 

      Среди  других радиометрических методов   исследования  скважин  наиболее

распространенным  является метод естественной  радиоактивности  горных  пород

или, как его чаще называют, гамма –  метод.  В  его  основе  лежит  изучение

закономерностей  изменения  естественной   радиоактивности   горных   пород,

обусловленной присутствием  главным образом урана и тория с продуктами

распада, а также  радиоактивного изотопа калия К40.  остальные  радиоактивные

элементы (Rb87, Zr96, La138, Sm147  и  т.д.)  имеют  столь  большие  периоды

полураспада,  что  при  существующей  распространенности   в   земной   коре

заметного вклада в  суммарную радиоактивность внести не могут.

      Радиоактивностью  основных  минералов,  входящих  в  состав  осадочных

горных пород, колеблется в весьма широких  пределах  –  от  сотых  долей  до

нескольких тысяч  пг-экв Ra/г. Все эти минералы  по  радиоактивности могут

быть разбиты на четыре группы.

      Соотношение  вклада радиоактивных элементов  в общую гамма-активность

пород различно. Основной вклад в гамма-активность известняков и особенно

доломитов дают Ra (соответственно 64% и 75%), вклад Ra, Th, K в

радиоактивность песчаников примерно одинаков (Ra 23-26%, Th 40%, K 35%). В

связи с этим спектр естественного гамма-излучения терригенных и карбонатных

пород различен.

      В  первую группу,  характеризующуюся   низкой  радиоактивностью,  входят

основные составляющие осадочных горных пород минералы :

      -) кварц

      -) доломит

      -) ангидрит

      -) гипс

      -) кальцит

      -) сидерит

      -) каменная  соль.

      Вторая  группа  минералов  со  средней   радиоактивностью  представлена

отдельными минеральными разностями типа :

      -) лимонит

      -) магнетит

      -)турмалин

      -) корунд

      -) барит

      -) олигоклаз

      -) роговая  обманка и др.

      К  третьей группе минералов относятся :

      -) глины

      -) слюды

      -) полевые  шпаты

      -) калийные  соли,  характеризующиеся  повышенной  радиоактивностью,  и

некоторые другие минералы.

      В   четвертую  группу  входят  акцессорные  минералы,   радиоактивность

которых более чем  в 1000  раз  превышает  радиоактивность  минералов  первой

группы.

      В  гамма  – методе  исследования  скважин о величине   естественной

радиоактивности горных пород судят по интенсивности I( их  естественного  (-

излучения, регистрируемой радиометром, движущимся по стволу скважины.

      Гамма  – излучение 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. 
 

      2. Гамма  – каротаж. 

      Измерение интенсивности I(  естественного (-излучения пород вдоль

ствола скважины называется гамма – каротажем (ГК).

|[pic]                                  |

|Рис.Схема зонда гамма-каротажа.        | 
 

      1 - точка записи результатов измерений.

      2 - детектор гамма-излучения.

      Условно  считают, 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. Увеличение dс из-за размыва стенки скважины и образования

каверн (обычно в  глинистых породах) сопровождается уменьшением показаний

гамма – каротажа. Цементное кольцо в большинстве  случаев также влияет на

величину регистрируемого (-излучения, уменьшая ее. Для определения (-

активности пласта при количественной интерпретации  данные гамма – каротажа

приводят к стандартным  условиям.

      Интенсивность  радиоактивного излучения пород  в скважине измеряют при

помощи индикатора (-излучения, расположенного в глубинном  приборе.

Регистрация осуществляется в процессе взаимодействия гамма  – излучения с

атомами и молекулами вещества, наполняющего индикатор. В  качестве

индикатора используют счетчики Гейгера – Мюллера или  более эффективные,

лучше расчленяющие разрез сцинтилляционные счетчики. 

      2.1 Счетчик Гейгера – Мюллера. 

      В  этом счетчике один из электродов (анод) под напряжением 800 – 1000 В

помещен в камеру, заполненную ионизирующим газом  под низким давлением ((

0.01 ат). Часть гамма – квантов, проходя через камеру, не взаимодействует

на своем пути с молекулами газа, что снижает  эффективность счетчика. Другие

гамма – кванты вызывают ионизацию нескольких молекул газа.

      Каждый  зарегистрированный счетчиком гамма  – квант вызывает в цепи

питания счетчика импульс  тока. 

      2.2 Сцентилляционный счетчик. 

      Индикатором  гамма – излучения является  прозрачный кристалл, молекулы

которого обладают свойством сцентилляции – испускания фотонов света при

воздействии гамма – квантов. Фотоны отмечаются фотоумножителем и вызывают

поток электронов к  аноду (ток).

      Большим  преимуществом сцентиллятора является высокая эфективность

счета (регистрируется до 50 – 60% гамма – квантов, проходящих через

кристалл) по сравнению  с другими типами счетчиков, эффективность  которых 1

– 5%. Это позволяет  уменьшить длину счетчиков с 90 до 10 см, улучшить

вертикальное расчленение  и обеспечить малую статическую  флуктуацию. 

      2.4 Статистические флуктуации. 

      Радиоактивный  распад непостоянен во времени,  поэтому для получения

стабильных значений радиоактивности берется значение показаний за

достаточно продолжительный  промежуток времени. Так как этот период не может

быть весьма большим, то измеренная радиоактивность не является постоянной

даже в том случае, если глубинный прибор находится  в скважине без движения.