Глава 4. Радиоактивный каротаж

Геофизические методы изучения геологического разреза скважин, основанные на измерении характеристик полей ионизи- рующих излучений (естественных и искусственно вызванных), происходящих в ядрах атомов элементов, называют радиоактив- ным каротажем (РК) [18, 19, 28, 31]. Наиболее широкое распро- странение получили следующие виды радиоактивного каротажа: гамма-каротаж, предназначенный для изучения естественного γ- излучения горных пород; гамма-гамма-каротаж и нейтронный ка- ротаж, основанный на эффекте взаимодействия с горной породой источников γ-излучения и нейтронов (рис. 31).

Радиоактивностью называется способность неустойчивых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в более устойчивые ядра других элементов, испуская альфа-бета-гамма- лучи и элементарные частицы (электроны, нейтроны, протоны, по- зитроны и нуклоны). Радиоактивность атомных ядер, находящихся в естественных условиях, получила название естественной радиоак- тивности, а радиоактивный распад атомных ядер при их бомбар- дировке элементарными частицами (электронами, протонами, нейтронами, γ-частицами и др.) – искусственной радиоактивно- сти. Однако эти названия отражают лишь способ получения радио- активного изотопа, а радиоактивность в обоих случаях определяется свойствами атомных ядер переходить из одного состояния в дру- гое, более устойчивое, с иными физическими и химическими свой- ствами. Процесс превращения одного изотопа химического эле- мента в другой называется радиоактивным распадом, который обусловлен внутренним состоянием атомного ядра, поэтому на скорость радиоактивного распада не оказывает влияния темпера- тура и давление, электрическое и магнитное поле, вид химиче- ского соединения данного радиоактивного элемента и его агре- гатное состояние.

Рис. 31. Схема установки радиоактивного каротажа:

а – ГК; б – ГГК; в – НГК; г – НК (НК-т или НК-н); д – АГК; 1 – стальной экран; 2 – свинцовый экран; 3 – парафин (или другой материал

с высоким водородосодержанием); L – длина зонда; O – точка записи измерений; I – индикатор g -излучений; II – источник g -излучения; III – индикатор плотности нейтронов; IV – источник нейтронов

Гамма-каротаж (ГК)

Измерение интенсивности естественного γ-излучения пород вдоль ствола скважины называется гамма-каротажем (ГК). Интен- сивность радиоактивного излучения пород в скважине измеряют при помощи индикатора γ-излучения, расположенного в глубинном приборе (рис. 31, а). В качестве индикатора используют счетчики Гейгера–Мюллера или более эффективные, лучше расчленяющие разрез сцинтилляционные счетчики (рис. 32). Полученная в результа-

те замера кривая, характеризующая интенсивность γ-излучения пла- стов вдоль ствола скважины, называется гамма-каротажной кривой ГК (рис. 33).

Рис. 32. Принципиальная схема сцинтилляционного счетчика: 1 – сцинтиллятор (люминофор); 2 – отражатель; 3 – ФЭУ;

4 – фотокатод; 5 – фокусирующий диод; 6 – диоды;

7 – собирающий электрод (анод); 8 – делитель напряжения

Гамма-излучение, измеряемое при гамма-каротаже, вклю- чает и так называемое фоновое излучение (фон), которое вызва- но загрязнением радиоактивными веществами материалов, из которых изготовлен глубинный прибор, и космическим излуче- нием. Влияние последнего резко снижается с глубиной и на глубине нескольких десятков метров на результатах измерений уже не сказывается.

Благодаря статистическим флуктуациям – колебаниям интен- сивности излучения вокруг некоторой средней величины в одних и тех же условиях – кривая ГК имеет отклонения, не связанные с изменением физических свойств пластов (погрешности изме- рений). Погрешности, связанные с флуктуацией, тем больше, чем меньше импульсов, испускаемых в единицу времени (ско- рость счета). В общем случае интенсивность γ-излучения пла- стов, вскрываемых скважиной, приблизительно пропорциональ- на γ-активности пород. Однако при одинаковой γ-активности

породы с большей плотностью отмечаются меньшими показа- ниями ГК из-за более интенсивного поглощения γ-лучей. Пока- зания ГК являются функцией не только радиоактивности и плотно- сти пород, но и условий измерений в скважине (диаметр сква- жины, плотность промывочной жидкости и др.).

Влияние скважины на показания ГК проявляется в повыше- нии интенсивности γ-излучения за счет естественной радиоак- тивности колонн, промывочной жидкости и цемента и в ослаб- лении γ-излучения горных пород вследствие поглощения γ-лучей колонной, промывочной жидкостью и цементом. В связи с пре- обладающим значением второго процесса влияние скважины сказывается главным образом в поглощении γ-лучей горных по- род. Это приводит к тому, что при выходе глубинного скважин- ного снаряда из жидкости наблюдается увеличение γ-излучения. При переходе его из необсаженной части скважины в обсажен- ную отмечается снижение интенсивности естественных γ-излу- чений, что вызывает смещение кривых и уменьшение диффе- ренцированности диаграммы ГК. Такое же явление наблюдается при переходе глубинного прибора из одноколонной части сква- жины в двухколонную.

Условно считают, что эффективный радиус действия уста- новки гамма-каротажа (радиус сферы, из которой исходит 90 % излучений, воспринимаемых индикатором) соответствует при- близительно 30 см; излучение от более удаленных участков по- роды поглощается окружающей средой, не достигнув индикато- ра. Увеличение d _с из-за размыва стенки скважины и образования каверн (обычно в глинистых породах) сопровождается умень- шением показаний ГК. Цементное кольцо в большинстве случа- ев также влияет на величину регистрируемого γ-излучения, уменьшая ее. Для определения γ-активности пласта при количе- ственной интерпретации данные гамма-каротажа приводятся к стандартным условиям.

Рис. 33. Расчленение разреза по водородосодержанию пород по диграм- мам ГК, НГК и электрометрии: 1 – песчаник нефтеносный; 2 – глина; 3 – известняк глинистый; 4 – известняк; 5 – алевролит глинистый;

6 – точки, соответствующие границам пластов на кривых ГИС

ГК находит широкое применение для изучения литологии по- род, выделения глинистых и продуктивных пластов, качественной и количественной оценки их глинистости, а иногда и пористости коллекторов, при корреляции разрезов скважин, в том числе и об- саженных колонной. ГК проводится во всех случаях, когда кривая ПС является слабодифференцированной (если скважина заполнена соленым раствором).