МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Физико-технический институт Кафедра геофизики РЕФЕРАТ по дисциплине ” Петрофизика” Естественная гамма активность осадочных горных пород Выполнил(а): Студент(ка) группы- 3ГФ Идрисова Д.Ф. Проверил: Доц. Кафедры геофизики, к.г.-м.н. Яруллин Р.К. Уфа - 2020 Оглавление Введение ................................................................................................................... 3 Гамма-каротаж ......................................................................................................... 4 Естественная радиоактивность горных пород ..................................................... 6 Естественная радиоактивность осадочных горных пород .................................. 8 Список литературы ............................................................................................... 13 2 Введение Во всех горных породах в небольших количествах присутствуют радиоактивные элементы. При геофизических исследованиях скважин в настоящее время используют широкий комплекс ядерных методов, а именно: естественного гамма-излучения (гамма-метод), рассеянного гамма-излучения (гамма-гамма-метод), изотопов, рентгено-радиографический, нейтроннейтронные по тепловым и надтепловым нейтронам, нейтронный-гаммаметод, импульсные нейтрон-нейтронные и нейтронный-гамма-методы, наведенной активности (нейтронно-активационный). Содержание радиоактивных элементов в различных горных породах, а следовательно, и интенсивность испускаемых ими ядерных излучений различны. Поэтому, регистрируя их, можно судить о типе горных пород, пройденных скважиной. Метод исследования геологического разреза скважин, основанный на регистрации излучений, испускаемых естественно радиоактивными элементами горных пород, носит название метода естественной радиоактивности. Поскольку обычно альфа- и бета-лучи, имеющие малый пробег в веществе, полностью поглощаются буровым раствором и корпусом скважинного снаряда, а индикатора достигают лишь гамма-лучи, этот метод называют также гамма-методом и сокращенно обозначают ГМ. Существенными особенностями ГМ являются: малая глубинность исследования (90% излучения поступает в индикатор от слоя пород толщиной в 10-30см); возможность исследования скважин, крепленных обсадной колонной, которая практически не препятствует прохождению нейтронов и гамма-излучения; результаты зависят от элементного состава пород и структурных особенностей. 3 Гамма-каротаж Гамма-излучение является высокочастотным электромагнитным излучением, т. е. такой же природы, как свет или рентгеновское излучение, но с малой длиной волны (менее 10-8 см). Электромагнитное излучение можно рассматривать как поток частиц, называемых квантами, движущихся со скоростью света; их энергия тем больше, чем меньше длина волны. Поскольку длина волны γ-излучения мала, а энергия сравнительно большая, γ-излучение, в первую очередь, следует рассматривать как поток γ-квантов. При этом лучше всего могут быть объяснены свойства γ-излучения. Гамма-каротаж изучает естественное поле γ-квантов, обусловленное естественной радиоактивностью горных пород, пройденных скважиной. Гамма-излучение может сопровождать как α-, так и β-распад. Ядро продукт, образовавшийся в результате α- или β-распада, часто оказывается в возбужденном состоянии. Энергия, высвобождающаяся при переходе ядра в более низкие состояния, испускается в виде электромагнитного излучения – гамма-излучения. Энергия γ-квантов обычно колеблется от долей до нескольких МэВ (электрон-вольт — это кинетическая энергия, которую приобретает электрон под действием разности потенциалов в 1 В). Гамма-излучение, имеющее большую энергию γ-квантов, называется жестким, а с малой энергией и с длиной волны, близкой к длине волн рентгеновских лучей, – мягким. Спектр γ-квантов, сопровождающих распад естественных радиоактивных элементов, простирается примерно до 3 МэВ. Гамма-излучение не отклоняется ни электрическим, ни магнитным полем; Гамма-излучение относится к сильно проникающему излучению, для практически полного поглощения, которого требуется слой горных пород (или других, близких по плотности веществ) толщиной в несколько десятков сантиметров, т.е. его проникающая способность намного больше проникающей способности β-излучения, а тем более α-излучения. Гамма-каротаж выполняют во всех без исключения не обсаженных и обсаженных скважинах, заполненных любой промывочной жидкостью или газом. 4 Измеряемая величина – скорость счета в импульсах в минуту (имп/мин). Основная расчетная величина – мощность экспозиционной дозы в микрорентгенах в час (МЭД, мкР/ч). Скорость каротажа определяется значением допускаемой основной относительной погрешности. Для измеряемых величин (скорости счета) ее значение не должно превышать ±6 % для общих и ±5 % для детальных исследований. Рекомендуемая скорость исследований не должна превышать 600 м/ч в терригенном, и 400 м/ч в карбонатном, разрезах. Радиус исследований как ГМ, так и ГМС не превышает 50 см. Поэтому радиоактивность ближней зоны, скважинной жидкости, цемента и т. д. оказывает на них существенное влияние. Методика интерпретации предусматривает внесение поправок за влияние этих зон, а также параметров накопителя, скорости движения прибора и т. д. ГМ применяют для решения следующих задач: 1) расчленения и корреляции осадочных толщ по степени их глинистости; выделения некоторых полезных ископаемых (урановых, марганцевых, свинцовых руд, бокситов, апатитов, фосфоритов и т. д.); 2) выделения коллекторов нефти, газа и пресных вод, залегающих среди глинистых вмещающих пород; 3) оценки коллекторских свойств, зависящих от глинистости пород. ГМ-С применяют для корреляции «немых» толщ, а также для детального литологического расчленения осадочных пород в тех случаях, когда их радиоактивность не связана с глинистостью На показания гамма-метода оказывают влияние: а)радиоактивность горных пород; б) поглощение гамма-излучения в скважине, зависящее от диаметра скважины, плотности бурового раствора, наличия и толщины обсадной колонны и цементного кольца; в) радиоактивность среды, заполняющей ствол скважины Показания ГМ растут при увеличении диаметра скважины, если радиоактивность горных пород меньше радиоактивности среды, заполняющей скважину. При исследовании гамма-методом в скважину опускают прибор, который содержит детектор гамма-излучения и электронную схему (рис. 1), служащую для питания индикатора, усиления его сигналов и передачи их через кабель на поверхность. Часто используют многоканальные приборы, регистрирующие одновременно диаграммы гамма-метода и нейтронного гамма-метода. Точка записи ГМ совпадает с серединой детектора. 5 Рис. 1. Схема зондов радиометрии скважин: 1—детекторы гамма-излучения (Г), тепловых (Т) и надтепловых (Н) нейтронов; источники: 2 — гамма-излучения; 3 — быстрых нейтронов; 4 — вещество, хорошо поглощающее гамма-кванты (РЬ, Fе и т. п.); 5 — водородсодержащее вещество. рассеивающее и поглощающее нейтроны (парафин, полиэтилен и т. п.); УТ — ускорительная трубка генератора нейтронов; ВБ — высоковольтный блок; ЭС — электронная схема прибора Естественная радиоактивность горных пород Естественная радиоактивность горных пород обусловлена элементами уранового U и ториевого Th семейств, а также изотопом 40К. Последний испускает монохроматическое γ-излучение с энергией 1,46 МэВ, а излучения элементов уранового и ториевого семейств состоят из большого числа линий. То есть элементы U, Th ряда излучают спектр γ-квантов разных энергий. Cреди магматических пород наиболее высокой радиоактивностью обладают кислые и средние. Радиоактивность метаморфических пород, как правило, высока за счет значительного содержания в них 40К. В некоторых случаях ГМ не дает правильного представления о литологии пород, обладающих повышенной радиоактивностью. Например, чистые песчаники, в том числе коллекторы нефти или газа, могут быть приняты за глинистые или заглинизированные разности, если они обогащены монацитовыми, карнатитовыми, глауконитовыми и другими ураноносными или ториеносными минералами. Иногда радиоактивность горных пород повышается за счет насыщения их ураносодержащими водами, 6 органическими или фосфатными веществами. В этих случаях литологическая характеристика определяется спектральным гамма-методом (ГМ-С), позволяющим дифференцированно оценить содержание урана, тория и калия. Повышенное содержание урана в карбонатах указывает на наличие радиоактивных пластовых вод, органики или фосфатных веществ, повышенное содержание тория и калия — на глинистость карбонатов. В энергетическом спектре излучения песчаников, содержащих радиоактивные минералы, как правило, превалирует ториевая составляющая. Регистрируемые в зависимости от глубины диаграммы гамма-методов (как и всех вообще радиоактивных методов) осложнены флуктуациями, обусловленными статистическим характером излучения (рис.2.). Для снижения влияния флуктуации измерительный тракт аппаратуры содержит накопители импульсов, позволяющие усреднить их число за определенный промежуток времени. Однако наличие накопителей, являющихся инерционными элементами, приводит к искажению диаграмм — их несимметричности относительно центра пласта — и занижению показаний в пластах малой и средней мощности. Искажения тем больше, чем больше скорость подъема скважинного прибора и время накапливания. Рис.2. Диаграммы ГМ. а—диаграмма содержания радиоактивных элементов в горной породе; б — фактическая диаграмма ГМ 7 Естественная радиоактивность осадочных горных пород Осадочные горные породы — это продукты преобразования осадков, накопившихся на поверхности суши или дне водных бассейнов в результате разрушения других ранее существовавших пород при активном участии живых организмов, углекислоты, воды и кислорода. Составными частями осадочных пород являются: 1) аллотигенные (обломочные) компоненты; 2) аутигенные компоненты; 3) органогенные (биогенные) компоненты; 4) вулканогенные компоненты; 5) космогенный материал. Содержание U, Th, 40К в осадочных породах определяется физикохимической обстановкой, в которой проходило накопление осадков, вторичными процессами выщелачивания и переноса изотопов. Соотношение вклада радиоактивных элементов в общую γ-активность разных типов пород различно. Основной вклад в γ-активность известняков и особенно доломитов (соответственно 64 и 75%) дает Ra, вклад Ra, Th и К в радиоактивность глин и песчаников примерно одинаков (в среднем Ra 23-26%, Th около 40%, К около 35%). В связи с этим спектр естественного γ-излучения терригенных и карбонатных пород несколько различен. По площади содержание радиоактивных элементов весьма неравномерно, однако если провести глобальное усреднение по глубине и площади, то в целом разброс будет не слишком велик. Таблица 1. По содержанию радиоактивных элементов (РЭ) породообразующие минералы разделяют на IV класса (табл.2). 8 Таблица 2 – Классификация породообразующих минералов по содержанию РЭ Россыпи - при разрушении пород, обогащенных радиоактивными элементами, уран легко окисляется, образуя растворимые соединения. Остается, в основном, Th содержащие минералы. Th -50/3500*10^-6 г/г. И -12/120*10^-6 г/г. Карбонаты- чистые известняки как правило содержат малое число р.э. и имеют низкую радиоактивность, (условия образования – в окисленной среде не способствующей урано накоплению). Однако, при повышении содержания глины увеличивается радиоактивность. Маргели- несколько выше известняков. Калийные осадки – высокое содержание К – высокая радиоактивность. Гипсы - аналогичны карбонатам. Ископаемые угли - как правило низкая, но бывают исключения с очень высокой радиоактивностью. Жидкая фаза: Вода: содержание р.э. зависит от степени минерализации, от близости к урановым рудникам. Среднее содержание U 10^-7/10^-4 кг/м3 (фоновое 10^-5 кг/м3). С увеличением глубины содержание р.э. в водах убывает. Нефть: Уран содержится в асфальтенах и смолах. Концентрация в пределах 6*10^-9/10^-7 %. По величине естественной разделяются на 3 группы: радиоактивности осадочные породы 1. Породы высокой радиоактивности. К ним относятся глубоководные глинистые осадки – глобигериновые и радиоляриевые илы, черные битуминозные глины, аргиллиты и глинистые сланцы, калийные соли, калиевые полевые шпаты. 2. Породы низкой радиоактивности. 9 Минимальное содержание радиоактивных веществ содержится в натриевой соли (галите), ангидрите, гипсе, известняке, крупнозернистом кварцевом песчанике, доломите, в подавляющей части каменных углей. Песчаники и алевролиты чаще всего находятся в глинистой части этих пород. 3. Породы средней радиоактивности. Повышение радиоактивности происходит за счет обогащения скелета породы пелитовыми и алевритовыми кварцевыми частицами, содержания калия в полевошпатовых песчаниках, а также вследствие вторичных процессов доломитизации карбонатных отложений. В некоторых случаях повышение радиоактивности горных по род связано с содержанием монацитовых и карнотитовых песков, скоплений уранованадиевых и других минералов. Радиоактивные элементы содержатся иногда в тяжелых минералах песков и песчаников. Рис.3. Схематические диаграммы, полученные ядерными методами в разрезе осадочных пород. 1 — каменная соль; 2 — калийная соль; 3 —глина; 4 — размытый пласт с глубокой каверной; 5 — гипс; 6 —ангидрит: 7 — известняк низкопористый; 8 — известняк высокопористый; песчаник (песок); 9 — газоносный; 10 — нефтеносный; 11 – водоносный; 12 — метаморфизованная порода. 10 Рис.4. Схематический разрез Даховской горст-антиклинали (Северный Кавказ) и график интенсивности гамма-излучения над структурой. Таблица 3 – Классификация осадочных пород по содержанию РЭ Чем меньше размеры частиц горной породы, тем выше ее удельная поверхность. Чем выше удельная поверхность горных пород, тем больше ее адсорбирующая способность, тем большее количество радиоактивных частиц адсорбируется на скелете породы. Наиболее мелкие частицы характерны для глинистой – пелитовой фракции. Радиоактивность глинистых пород по сравнению с другими породами осадочного комплекса объясняется их большой удельной поверхностью и способностью к адсорбции радиоактивных элементов, длительностью 11 накопления пелитового материала, обеспечивающего увеличение содержания U, Th, 40К в осадке. Этому же способствует селективная сорбция ионов калия и органических остатков в процессе накопления глин, содержание Ra в остатках животных и растительных организмов, а, следовательно, их радиоактивность намного выше, чем в окружающей среде. Накоплению радиоактивных элементов в битуминозных тонкодисперсных отложениях способствует богатство этой среды коллоидными осадками (включая органические коллоиды), адсорбирующими многовалентные ионы U, Th и актиноурана. Это подтверждается появлением максимумов на кривой ГК против темных битуминозных сланцев и пластов глин, богатых органическими, в частности рыбными, остатками. Известна также способность тяжелых окисленных нефти, в том числе и асфальто-подобных органических веществ, обогащаться ураном за счет извлечения его из подземных вод. Легкие нефти и угли этим качеством не обладают. Таким образом, в осадочных горных породах максимальной радиоактивностью обладают глинистые породы, а радиоактивность большинства коллекторов, представленных терригенными и карбонатными породами (исключая полимиктовые разности), сильно зависит от глинистости. Миграция радиоактивных элементов: U и соли U Основной путь миграции в виде растворимых солей U. При рН 4 (кислая среда) и рН 8 (щелочь) растворимость солей U высока. При рН от 4 до 8 (нормальная, нейтральная) растворимость близка к "0". Th – почти не растворим в воде. Миграция Th в практически отсутствует. К и калийные соли. Относительно легко растворимы в воде, активно вымываются из горной породы и хорошо адсорбируются на глинах. Часто наблюдаются скопления калийных солей с высоким содержанием радиоактивного изотопа в процессе формирования осадочных отложений 12 Список литературы 1. Валиуллин Р.А., Л.Е. Кнеллер. Геофизические исследования и работа в скважинах: в 7 т. 1. Промысловая геофизика – Уфа: Информ-реклама, 2010. – 172 с. 2. Ковалева Л.А. ,Физика нефтяного пласта. Башкирский государственный университет. — Уфа: РИЦ БашГУ, 2018. 3. УГНТУ, кафедра «Геофизические методы исследований». Пособие « Геофизические исследования скважин»- Уфа : 2019г.-154с. 4. Геофизические методы исследования скважин. Справочник геофизика. М., Недра, 1983. 5. Шаминова М.И., ОСАДОЧНЫЕ ГОРНЫЕ РАБОТЫ. Издательство Томского политехнического университета -2013. 13
