4.2. Сцинтилляционный спектрометр

На рис.2 показана блок-схема простейшего однокристалльного спектрометра. Основными элементами сцинтилляционного спектрометра являются: сцинтиллятор 1, фотоумножитель (ФЭУ) 2, линейный усилитель 3, анализирующей 4 и регистрирующее 5 устройства. Для питания ФЭУ используется высоковольтный стабилизатор напряжения 6, обеспечивающий постоянство напряжения и на электродах ФЭУ в пределах не ниже 0,1%. ФЭУ и сцинтилляционный кристалл помещаются в светопроницаемый кожух 6.

Рис.2.

При попадании частиц или  - квантов в вещество сцинтиллятора в нем возникают световые вспышки (сцинтилляции). Сцинтилляции с помощь. фотоэлектронного умножителя преобразуются в импульсы тока, которые усиливаются и анализируются соответствующей электронной аппаратуры. Интенсивность световой вспышки в сцинтилляторе и, следовательно, амплитуда импульса тока на выходе ФЭУ пропорциональна энергии, потерянной частицей или  - квантом в сцинтилляторе. Это свойство сцинтилляторов позволяет использовать их в спектрометрах заряженных частиц и  - квантов. Анализ амплитуд импульсов тока на выходе ФЭУ и вместе с ним анализ энергий, регистрируемых частиц и  - квантов осуществляется специальными устройствами и амплитудными анализаторами.

5. Гамма-метод

Во всех горных породах в небольших количествах присутствуют радиоактивные изотопы. Содержание их в разных горных породах различно. Следовательно, посредством регистрации радиоактивных излучений в скважине можно судить о характере горных пород. Альфа- и бета-лучи, имеющие малый пробег в веществе, обычно полностью поглощаются жидкостью и корпусом скважинного снаряда, а детектора достигают лишь гамма-лучи. Метод, основанный на их регистрации в скважине, называют гамма-методом - ГМ (гамма-каратажом - ГК).

5.1. Радиоактивность горных пород

Радиоактивность горных пород практически полностью обусловлена элементами уранового и ториевого радиоактивных семейств (ураном, торием и радиоактивными продуктами их распада), также калием, один из изотопов которого ⁴⁰К также радиоактивен. Последний испускает монохроматическое  - излучение с энергией 1,46 МэВ (0,12  - кванта на один распад или 3,4  - кванта на 1 г естественного калия), а излучения элементов уранового и ториевого семейства состоят из большого числа линий. Наиболее интенсивные (более 10% от числа распадов) линии уранового ряда (строго говоря, ²²⁶Ra и его продуктов распада) имеют энергию 242; 352; 609; 1120 и 1756 КэВ, а наиболее жесткие, но слабые линии – 2204 м и 2448 КэВ. Самые интенсивные линии ториевого ряда – с энергией 238; 338; 583; 911; 969; 1587 и 2620 КэВ. Последняя является и наиболее жесткой из линий.

Естественная гамма-радиоактивность осадочных пород, как правило, определяется существующими элементами группы урана и изотопа калия-40 (рис.3). Калий существует в полевых шпатах, слюде и глинистом иллите, уран и торий сконцентрированы в фосфатных минералах.

Рис.3.

Эти три элемента испускают гамма-лучи высокой энергии радиации, способные проникать в породу на несколько сантиметров. Испускаемые гамма-лучи регистрируются детектором в виде дискретных электрических импульсов на каждый зарегистрированный гамма-квант. Регистрируемый параметр - количество электрических импульсов в единицу времени. ГК эффективно различает проницаемые зоны по концентрации радиоактивных элементов: обычно непроницаемые глины имеют высокую гамма-активность, карбонатные породы характеризуются низкой активностью, и активность песчаников варьируется между этими значениями.

Удельная активность радиоактивного изотопа определяется периодом полураспада, а  - активность – также энергией  - квантов и их числом на один распад. По своей  - активности 1 г естественного калия эквивалентен (при измерениях воздушно-эквивалентной ионизации камерой, т.е. выражение в единицах дозы) 0,68 10^-10 г ²²⁶Ra, а радиевые  - эквиваленты урана и тория соответственно 0,33 10^-6 и 0,14 10^-6 (г экв. R)/г. В случаях измерений другими приборами – эквиваленты К и Тh могут в несколько раз отличаться от указанных величин.

Если не считать урановых и ториевых руд,  - активность которых может достигать 10^-7(г.экв Ra)/г = 10⁵ (пг.экв. Ra)/г, наименьшей - ультраосновные породы  1(пг.экв Ra)/г. Большинство породообразующих минералов осадочных пород (кварц, кальцит, ангидрит, гипс, галит и др.) обладает низкой радиоактивностью 0,04-0,11 (пг.экв. Ra)/г. Поэтому многие осадочные породы, в первую очередь, основные хемогенные породы (каменная соль, ангидрит, гипс, известняки хамогенного отложения), а также чистые неглинистые известняки, кварцевые песчаники характеризуются минимальной радиоактивностью (не выше 0,5 (пг.экв. Ra)/г. Большие до 3 (пг.экв. Ra)/г значения радиоактивности перечисленных пород, встречающиеся на практике, обусловлены, как правило, присутствием глинистых минералов или органического вещества, хорошо сорбирующих уран и калий. Реже встречаются повышенные значения радиоактивности песчаников и карбонатов, связанные с присутствием монацита, карнотита, глауконита и других ураносодержащих минералов.

Наибольшей радиоактивностью среды среди основных породообразующих минералов осадочных пород обладают сильвин  1(пг.экв Ra)/г, глинистые минералы, а также полевые шпаты и слюды в основном 2-5  1(пг.экв Ra)/г, исключая анортит олигоклаз, средняя радиоактивность которых соответственно 0,25 и 0,8  1(пг.экв Ra)/г.

Соответственно максимальная радиоактивность среди осадочных пород характерна для сальвинита, глин, глинистых и битуминозных сланцев в среднем 4 (пг.экв Ra)/г., а в темных разностях, обогащенных органикой, до 10-15 (пг.экв Ra)/г, полимиктовых, полешпатовых песчаников в основном 1-3 (пг.экв Ra)/г. Высокая радиоактивность свойственна фосфоритам 100(пг.экв Ra)/г и более.

Соотношение вклада радиоактивных элементов в общую -активность разных типов пород различно. Основной вклад в -активность известняков и особенно доломитов (соответственно 64 и 750) дает Ra, Th и K в радиоактивность глин и песчаников, примерно, одинаково (в среднем Ra 23-26%, Th около 40%, K – около 35%). В связи с этим спектр естественного излучения терригенных и карбонатных пород несколько различен.

Радиоактивность большинства коллекторов нефти и газа, представленных карбонатами и песчаниками (исключая полимиктовые разности), сильно зависит от коэффициента глинистости k_гл. Учитывая важное значение определения k_гл. для оценки коллекторских свойств и введения поправок за глинистость в показания других методов, рядом авторов исследовалась связь удельной  - активности с массовой глинистостью С_гл. Они для песчано-глинистых пород обычно не линейны: имеет место более сильное изменение _ в области малых значений С_гл. Радиоактивность – аддитивное свойство объекта, т.е. является суммой радиоактивности отдельных его составляющих. Исходя из этого массовая _m и объемная радиоактивность горной породы, состоящей из нескольких компонентов с массовым и объемным содержанием соответственно С_ и V_ обладают массовой и объемной удельными активностями _mi и _