§ 11. Гамма-каротаж. Физические основы.
Гамма-каротаж (ГК) основан на измерении естественной гамма-активности горных пород. Самопроизвольный распад атомных ядер в естественных условиях (проявление радиоактивности) сопровождается альфа-, бета- и гамма-излучением. Все виды этих излучений, попадая в материальную среду, в той или иной мере испытывают поглощение. Наибольшему ослаблению подвержены α-лучи, обладающие большой ионизирующей способностью. Поток α-лучей почти полностью поглощается даже листом бумаги и слоем пород толщиной в несколько микрометров.
Поток β-лучей обладает большей проникающей способностью и полностью поглощается слоем алюминия толщиной до 8 мм или слоем породы в несколько миллиметров. Гамма-излучение представляет собой высокочастотное коротковолновое электромагнитное излучение, граничащее с жестким рентгеновским излучением с энергией, измеряемой в мегаэлектронвольтах (МэВ). (В системе СИ энергия измеряется в джоулях. 1 МэВ =1,6021 ·10-13 Дж.) Оно возникает в результате ядерных процессов и рассматривается как поток дискретных частиц γ-квантов. Благодаря своей высокой проникающей способности гамма-излучение имеет практическое значение при исследовании разрезов скважин (γ-лучи полностью поглощаются лишь слоем пород толщиной около 1 м); наличие обсадной колонны не является препятствием для проведения измерений. При прохождении γ-лучей через слой вещества интенсивность излучения I0γ снижается до величины Iγ, которая может быть рассчитана по формуле
где I0γ—первоначальная интенсивность гамма-излучения; l — толщина слоя; δ — плотность вещества; μ0 — массовый коэффициент поглощения гамма-излучений.
На практике интенсивность поглощения оценивается толщиной слоя вещества, в котором поток γ-квантов уменьшается в 2 раза (табл. 2).
Интенсивность радиоактивного излучения пород в скважине измеряют с помощью индикатора гамма-излучения, расположенного в глубинном приборе (рис. 64,а). В качестве индикатора используют счетчики Гейгера — Мюллера или более эффективные, лучше расчленяющие разрез сцинтилляционные счетчики. Полученная в результате замера кривая, характеризующая интенсивность гамма-излучения пластов вдоль ствола скважины, называется гамма-каротажной кривой. Интенсивность радиоактивного излучения определяется как систематическая закономерность, обусловленная наличием многочисленных однородных явлений, претерпевающих непрерывное изменение при неизменных условиях, колеблясь около некоторой средней величины.
Это явление носит название статистической флуктуации (или просто флуктуации).
Благодаря статистическим флуктуациям кривая радиоактивного каротажа может иметь отклонения, не связанные с изменением физических свойств пластов (погрешности измерений). Погрешность, связанная с флуктуацией, тем больше, чем меньше импульсов, испускаемых в единицу времени (скорость счета). Уменьшить погрешность от флуктуации можно путем усреднения наблюдений за некоторый интервал времени τя (выбор значений постоянной времени τя производится с помощью входящей в измерительную схему интегрирующей ячейки, включающей конденсатор емкостью С и сопротивление R, τя=RC).
Гамма-излучение, измеряемое при гамма-каротаже, 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.
Основным измеряемым параметром при ГК является мощность экспозиционной дозы гамма-излучения, создаваемая в единицу времени. Мощность дозы в СИ измеряется в амперах на килограмм (А/кг).
На практике при регистрации кривой ГК используется меньшая единица — 0,72 · 10-14 А/кг. Для калибровки каналов ГК используются радиевые источники (эталоны), являющиеся носителями единицы дозы гамма-излучения, создаваемой на заданном интервале. Все приборы в данном районе калибруются относительно одного эталонного источника. Это создает благоприятные условия для сопоставления кривых, замеренных в разных скважинах. При этом точность сопоставления определяется только погрешностями аппаратуры и геолого-техническими причинами.
Аппаратуру для регистрации кривой ГК эталонируют с таким расчетом, чтобы амплитуда ее отклонений при переходе от относительно малорадиоактивных пластов к наиболее радиоактивным была достаточно большой — в среднем 6 см.