Среди 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.
Из радиоактивных изотопов элементов, входящих в ряды урана и тория, геологическую историю существования имеют только наиболее долгоживущие родоначальники этих семейств: уран (T1/2 = 4,49·109 лет) и торий (T1/2 = 1,31·109 лет), а также продукт распада урана – радий (T1/2 = 1950 лет). Остальные короткоживущие элементы – продукты распада U и Th постоянно сопровождают последние, но сами заметных перераспределений за относительно короткий срок своей жизни не претерпевают.
На разных стадиях формирования горных пород наибольшей радиоактивностью характеризуются изверженные горные породы, наименьшей – осадочные и промежуточной – метаморфические.
Среди изверженных горных пород наибольшей радиоактивностью обладают кислые разности (граниты).
Радиоактивность основных минералов, входящих в состав осадочных горных пород, колеблется в весьма широких пределах – от сотых долей до нескольких тысяч nг-эквRа/г. Все эти минералы по радиоактивности могут быть разбиты на четыре группы.
В первую группу, характеризующуюся низкой радиоактивностью, входят основные составляющие осадочных горных пород минералы: кварц, кальцит, доломит, сидерит, ангидрит, гипс, каменная соль. Вторая группа минералов со средней радиоактивностью представлена отдельными минеральными разностями типа лимонит, магнетит, турмалин, корунд, роговая обманка, барит, олигоклаз 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.
Обычно пониженной радиоактивностью (десятые и даже сотые доли единицы пг-экв Ra/г) характеризуются хемогенные отложения (ангидриты, гипсы, каменная соль), а также чистые пески, песчаники, известняки и доломиты. Максимальной радиоактивностью (до 10-15 пг-экв Ra/г) среди осадочных пород с кларковыми содержаниями радиоактивных элементов обладают глины, глинистые и битуминозные сланцы, фосфориты, а также калийные соли.
Радиоактивность заглинизированных разностей песков, песчаников, известняков и доломитов, а также алевролитов и мергелей имеет промежуточные значения и закономерно изменяется, увеличиваясь с повышением степени их заглинизированности, а в случае карбонатных отложений – с повышением содержания терригенного материала. В целом радиоактивность карбонатных отложений, как правило, ниже и изменяется в меньших пределах, чем у песчано-глинистых пород.
В природных системах уран, торий и калий ассоциируют с целым рядом редких элементов. Урановые руды часто являются комплексными, кроме урана они могут содержать такие элементы, как золото, бериллий, литий, цезий, тантал и т. д. С другой стороны, уран и торий оказываются элементами-спутниками редких металлов на месторождениях последних. В этом случае радиоактивные элементы играют роль важных индикаторов, и раздельное определение U, Тh и К по их γ – излучению приобретает особое значение. По результатам γ – спектрометрии естественных ядерных излучений открыт ряд месторождений редких и цветных металлов. Гамма-спектральные исследования проводятся также при поисках месторождений нефти и газа. Гамма-спектрометрия применяется и в космических исследованиях, она открывает широкие перспективы картирования планет.
Излучение любого радиоактивного элемента прямо пропорционально его содержанию в объекте. Если распад данного элемента сопровождается испусканием разных по типу излучений (α- и β – частиц, γ – квантов), то для измерения содержания можно в принципе регистрировать любой тип излучения. Однако возможности аналитических методов, связанных с регистрацией α – и β – частиц, резко ограничены. У α-частиц очень мала проникающая способность, измерять их интенсивность удается, когда приготовлены специальные (тонкие и измельченные) пробы. Бета-излучение характеризуется сплошным энергетическим спектром, поэтому при исследовании объекта, в котором находится несколько изотопов, трудно определить вклад каждого в суммарную β – активность.
Гамма-излучение обладает дискретным спектром и достаточно большой проникающей способностью. Возможность надежной идентификации изотопов по их γ – излучению является важнейшим достоинством γ – спектрометрического анализа [1].
В последние годы получил развитие спектрометрический вариант гамма-метода, позволяющий оценивать количественное содержание естественных радиоактивных элементов – урана, тория и калия по его радиоактивному изотопу К40. Выявлены закономерности [2] геохимического поведения радиоактивных элементов, в частности последовательное повышение их содержания в петрографическом ряде конгломераты – песчаники – алевролиты – аргиллиты (глины). Спектрометрическая модификация гамма-каротажа имеет явное преимущество перед традиционным интегральным гамма-методом. Степень дифференциации пород по гамма-спектральным характеристикам естественных радионуклидов заметно выше. Дифференцирующая способность гамма-спектральных параметров меняется в зависимости от типа пластов. Это расширяет возможности гамма-спектрометрии естественной радиоактивности для литологической типизации пород и выделении коллекторов.
Одной из важнейших задач является определение коэффициента глинистости. В стандартном комплексе эту задачу решают, обрабатывая результаты интегрального гамма-каротажа. Однако существует большое число пластов, радиоактивность которых определяется не только глинистостью. Для этих пластов важно выявить, излучение каких радиоактивных элементов будет связано с глинистыми минералами и использовать его для определения глинистости. Знание геологического строения исследуемых отложений и содержаний естественных радиоактивных элементов в минералах позволяет выявлять те индикаторные элементы, которые можно использовать для решения поставленной задачи. Наиболее часто в глинистых минералах присутствуют калий и торий, поэтому их суммарное гамма-излучение может наиболее тесно коррелировать с глинистостью. Для определения суммарного излучения наиболее удобно использовать урановый эквивалент [3].
Под урановым эквивалентом для определяемого элемента понимается такая концентрация урана, которая дает ту же интенсивность гамма-излучения, как и излучение определяемого элемента. Для определения уранового эквивалента проводят измерения интегральной скорости счета в стандартных образцах с учетом состава промежуточных сред [4].
При аппаратурной реализации урановый эквивалент калия был определен как 1.74, тория – 0.41, а для урана он, соответственно, равен 1. Таким образом, зная концентрации всех радиоактивных элементов в породе, ее общая радиоактивность I, выраженная в Ue, определяется по формуле:
I[Ue] = 1.74*CK + 0.41* CTh + CU, (1)
где CK, CTh, CU – массовые концентрации калия, тория и урана соответственно.
Дополнительную проверку предложенного параметра проводят путем вычисления коэффициента корреляции между показаниями стандартного ГК, выполненного с заведомо хорошим метрологическим обеспечением и определенного по СГК (выраженного в урановом эквиваленте). Использование гамма-излучения в единицах уранового эквивалента не ухудшает геофизический параметр, применяемый для расчета глинистости, а заведомо лучшее метрологическое обеспечение делает его использование предпочтительнее.
Результаты спектрометрического гамма-каротажа
Уран и продукты его распада содержатся не только в глинах, поэтому в ряде отложений глинистость необходимо определять, исключая излучение урана из общего гамма-излучения. Такое излучение будем называть калий-ториевым излучением (КТИ):
КТИ = 1.74*CK + 0.41*CTh (2)
Известны примеры использования КТИ терригенных коллекторов [4].
Обычно при интерпретации результатов ГК используют двойной разностный параметр:
ΔIγ =(Iγ пл – Iγmin)/(Iγmax – Iγmin) (3)
где Igпл, Igmin, Igmax – соответственно интенсивности естественного гамма-излучения против исследуемого пласта, опорного пласта неглинистых известняков и опорного пласта глинистых пород, характеризующегося на кривой ГК максимальным показанием. При этом в качестве опорных пластов выбираются ближайшие к исследуемым отложениям. Считается, что вся радиоактивность против известняков определяется излучением скважины, и это значение принимается фоновым по всему стволу. Однако, абсолютно чистых известняков не существует, они всегда содержат в себе определенное количество естественных радиоактивных элементов, и, таким образом, фоновое значение несколько завышается [4].
Тогда, вместо ΔIγ можно предложить использовать ΔКТИUe, вычисляемый по формуле:
ΔКТИUe = КТИUe,пл / КТИUe , глин, (4)
где КТИUe,пл, КТИUe, глин – калиево-ториевое излучение исследуемого пласта и глинистого пласта.
Второй опорный пласт, используемый для определения двойного разностного параметра, глинистый с известным содержанием частиц размерностью менее 0.01 мм. Против глинистых пластов обычно образуется каверна, и, следовательно, излучение скважины здесь больше, чем в случае номинального диаметра. Вымываемые глинистые частицы оседают к забою скважины и тем самым увеличивают радиоактивность более глубоких частей ствола. Учитывая вышесказанное, была опробована методика использования единого значения максимальной скорости счета.
Результаты спектрометрического гамма-каротажа (рисунок) на одной из скважин Южно-Татарского свода показали достаточно высокую эффективность метода применительно к оценке глинистости по спектрометрии естественного гамма-излучения.