Спектрометрия гамма-излучения естественной радиоактивности (СГК) в нефтяных и газовых скважинах все шире применяется при решении некоторых практически важных задач поисково-разведочной и промысловой геофизики. Это вызвано, в частности, открытием в последние годы ряда нефтяных и газовых месторождений с полимиктовым составом коллекторов как в СССР, так и за рубежом. Калиевые полевые шпаты, входящие в состав нефтегазоносных песчаников таких коллекторов, отличаются повышенным содержанием изотопа ⁴⁰К и других естественных радиоактивных элементов (ЕРЭ), вследствие чего по уровню их радиоактивности они близки к глинам. Доказано, что глинистость таких коллекторов точнее можно определить по количеству в их разрезе урана и тория, что улучшает стратификацию разреза и позволяет выделить фациальные признаки осадконакопления [2, 7].

Исследования показали, что величина отношения интенсивностей излучения в ториевом и урановом энергетических “окнах” спектрометра (Th/U) не зависит от литологии отложений и одинакова для пород одного горизонта [1], что может быть использовано для корреляции геологических разрезов нефтегазовых скважин.

Закономерность распределения ЕРЭ в разрезе осадочных образований древних бассейнов седиментации позволяет использовать СГК для реконструкции палеогеографических обстановок, существовавших в области седиментации, а также для корреляции сложных геологических разрезов нефтяных и газовых скважин [2].

Доказана возможность применения СГК для изучения битуминозности терригенных, карбонатных и галогенных отложений [12].

Одна из важнейших задач в настоящее время - литологическое расчленение пород, вскрытых сверхглубокими скважинами (например, магматических пород по торий-урановому отношению).

Объем проведенных скважинных гамма-спектрометрических исследований невелик, что объясняется отсутствием серийных термоустойчивых скважинных гамма-спектрометров. Сейчас разработан и опробован на ряде месторождений (Западная Сибирь, Оренбургская область, Западная Украина) первый отечественный термоустойчивый скважинный гамма-спектрометр СЭГ-С-ТК [8].

Вопросы метрологического обоснования и обеспечения как аппаратурных, так и опытно-методических работ в области гамма-спектрометрии - первостепенные для дальнейшего развития этого перспективного направления ядерной геофизики.

При интерпретации результатов СГК существуют два основных подхода: а) с использованием скоростей счета, зарегистрированных в определенных энергетических “окнах” спектрометра против пластов, пересеченных скважиной, б) по концентрации ЕРЭ в этих пластах с применением каротажных диаграмм, записанных спектрометром, проградуированным в единицах концентрации, соответствующих ЕРЭ. Второй вариант информативнее. Это связано с тем, что выделяемые дифференциальными энергетическими окнами скорости счета, соответствующие калию (⁴⁰К), урану (RaC) и торию (ThC"), неадекватно отражают содержание этих элементов в смеси ЕРЭ.

Истинные скорости счета в области фотопиков калия (1,46 МэВ) и урана (1,76 МэВ) существенно искажены из-за влияния комптоновского рассеяния гамма-квантов более высоких энергий и лишь скорость счета в области фотопика тория, находящегося в крайней правой части спектра (2,62 МэВ), изменилась в меньшей степени. Отмеченные искажения скоростей счета учитываются посредством спектральных коэффициентов [4]. Пересчетные коэффициенты, необходимые для определения содержания ЕРЭ в пластах, пересеченных скважиной, отражают чувствительность дифференциальных каналов спектрометра к концентрациям соответствующих ЕРЭ и могут быть вычислены на основании сопоставления скважинных спектрометрических измерений и анализа керна. При спектрометрических измерениях гамма-излучения ЕРЭ в скважине масса представительной пробы составляет больше 100 кг (глубинность метода около 30 см). Таким образом, измеренный спектр гамма-излучения в какой-либо точке по стволу скважины является результатом усреднения по большому объему породы, в то время как при измерениях содержаний ЕРЭ в кернах масса образца не превышает 10-100 г в зависимости от вида анализа. Указанное обусловливает расхождение данных между скважинным радиометрическим и керновым анализами, доходящее до 100 % и более [10] в зависимости от мощности и однородности пласта, охарактеризованного керном. Лишь при весьма полной документации распределения концентраций ЕРЭ по разрезу скважины задача расшифровки результатов скважинных измерений спектров облегчается.

При решении отмеченных задач необходимо выражать результаты исследований в количественных единицах измерения. Использование относительных единиц по опорному пласту встречает затруднения, так как выделить опорный пласт не всегда удается. Кроме того, этот подход исключает возможность уверенного сравнения результатов скважинных измерений по различным месторождениям.

В настоящее время результаты скважинных радиометрических исследований, особенно по методу естественной радиоактивности, отличаются многообразием единиц измерения (мкР/ч, импульсы в минуту, единицы фона и т. д.), которое не всегда позволяет сравнить данные различных авторов. Скважинные гамма-спектрометрические измерения, являясь технически и методически более сложными, чем с помощью интегральных спектров, требуют применения более обоснованных единиц измерения.

Имеющие определенный смысл физические единицы, которыми можно было бы характеризовать радиоактивность горных пород - количество распадов на единицу массы породы, плотность потока, мощность экспозиционной дозы, сами по себе не содержат никакой информации о геохимическом составе пород. Результаты гамма-спектрометрических измерений должны содержать геохимическую информацию, позволяющую подобрать стандартные среды для калибровки аппаратуры.

Измерение естественной радиоактивности выполняется для получения сведений о составе горных пород, и, следовательно, используемые единицы должны соответствовать концентрации радиоактивных элементов и обеспечивать идентичность результатов радиометрии и химических анализов.

Концентрации выражаются в процентном содержании калия, миллионных долях эквивалента урана и тория. Понятие эквивалент используется потому, что измеряется непосредственно не количество урана и тория, а содержание продуктов их распада, которое связано с концентрацией урана и тория коэффициентом радиоактивного равновесия.

Для решения количественных задач гамма-спектрометрии необходимо рассматривать гамма-спектрометры не как измерители энергий гамма-излучения, а как концентратомеры содержаний радиоизотопов в породе. Это обстоятельство необходимо учитывать при метрологическом обосновании и обеспечении разрабатываемой гамма-спектрометрической аппаратуры и в первую очередь при изучении зависимости величин погрешностей измеряемых концентраций ЕРЭ и чувствительности спектрометров от энергетического разрешения, отношения фотопик/комптон, ширины, местоположения и стабильности энергетических “окон” и др.

Очевидно, что радикальный путь для решения этих вопросов - применение стандартных образцов концентраций ЕРЭ в горных породах. Возможны два пути создания таких образцов: использование однородных хорошо изученных пластов в разрезах скважин и построение тщательно спроектированных искусственных объектов. Последние имеют следующие преимущества.

1. Создание более однородных смесей. Естественный однородный пласт можно тщательно изучить при 100 %-ном выходе керна, но и в этом случае не исключено нарушение однородности породы в пределах радиуса исследования.
2. Возможность задавать и тщательно контролировать содержание моделируемых и примесных радиоактивных элементов, мощность и плотность пласта.
3. Возможность размещения вблизи производственных или научных центров с соответствующим оснащением стационарной измерительной аппаратурой.

Однако при построении искусственных объектов (далее - стандартных образцов - СО) возникают свои проблемы.

Такие СО по своей физической сущности должны имитировать однородный геологический пласт бесконечной мощности. Поэтому геометрические размеры СО должны обеспечивать насыщенность по гамма-излучению вблизи его центра. Соответственно эффективный атомный номер материала СО должен быть близок к среднему эффективному атомному номеру наиболее распространенных горных пород. Экспериментальные и расчетные данные [3, 6, 9, 15] показывают, что эффективный радиус СО должен быть не менее 120 г/см² при эффективном атомном номере наполнителя СО примерно 13-14. Полувысота СО, исходя из этих же соображений, должна быть не менее радиуса образца плюс половина длины датчика скважинного прибора. При плотности материала образца около 2 г/см² объем его составит приблизительно 1,5 м³. Интегральные и дифференциальные спектры гамма-излучения в моделях различной массы, начиная от 50 кг и выше, в области Еg>=50 кэВ отличаются в отдельных участках не более чем на ±5 % [3], что позволяет вычислить спектральные коэффициенты на ненасыщенных моделях достаточно точно. Однако при определении на таких моделях пересчетных коэффициентов необходимо вводить поправки, которые неодинаковы для разных участков спектра и находятся путем сравнения спектров гамма-излучения насыщенных и ненасыщенных моделей. По данным работы [9], для ториевой модели массой до 80 кг в интервалах энергии 1,05-1,35 и 2,05-2,65 МэВ поправки составляют до 20 %.

Имеются сведения о попытках моделирования формы энергетических спектров насыщенных тел с помощью рассеяния различными средами гамма-излучения изотопных источников [7]. Основное внимание было уделено ториевому излучению, трудно моделируемому экспериментально. Подобие спектра для гамма-квантов с энергией Еg>=1 МэВ было получено при толщине барьера из железа 45-48 г/см²; для воды и свинца - лишь в области энергий 1- 1,56 МэВ; для алюминия (70 г/см²) - в области 1,55-2,62 МэВ.

Использование изотопных источников гамма-излучения в воздухе для тех же целей отличается простотой технического осуществления, но уступает вышеизложенным по точности. Это связано с тем, что различия спектральных составов гамма-излучения равновесных изотопных источников Ra и ms-Th и насыщенных масс U и Th в интервале энергии 1-2,5 МэВ достигают 5-7 % Для U и до 25 % для Th.

Таким образом, малые рудные образцы и изотопные источники с рассеивающими экранами можно использовать для определения пересчетных коэффициентов гамма-спектрометра только в том случае, если известны поправки за несоответствие спектральных составов гамма-излучения этих образцов и источников по сравнению с гамма-излучением насыщенных тел.

Малые ненасыщенные образцы, изотопные источники гамма-излучения в рассеивающих средах и в воздухе удобно использовать для текущего контроля пересчетных коэффициентов, ранее определенных на насыщенных образцах, в связи с их сравнительно небольшими размерами и массой.

Существующие в настоящее время образцы имеют насыпную рудную зону [6, 9], что обусловливает потенциальную неоднородность СО и нестабильность его параметров во времени.

Однородность состава рудной зоны в образце - одно из основных требований.

Даже тщательно перемешанная насыпная смесь при различном гранулометрическом составе активной компоненты и наполнителя подвержена гравитационной дифференциации при длительном хранении. Микросейсмичность при этом способствует ускорению дифференциации [15]. Для предотвращения этого необходимо использовать связующий материал - низкоактивный цемент или медицинский гипс. В процессе приготовления бетонной смеси нужно предотвратить возможную при перемешивании сепарацию компонент смеси.

Другой фактор, влияющий на однородность рудной зоны образца, - перераспределение эманирующих продуктов распада по вертикали образца. Даже самая плотная бетонная смесь обладает пористостью и вертикальной проницаемостью, что способствует накоплению эманации в кровле рудной зоны и даже обогащению вышележащей, вмещающей зоны и потери части ее (утечки в атмосферу). В негерметичных образцах обнаружены периодические изменения гамма-активности, связанные с сезонными колебаниями окружающих условий, до ±20 % [13]. Даже через герметически закрытые образцы, изолированные от атмосферного давления, обнаружена миграция эманации. В целом миграция эманирующих продуктов распада через различные материалы мало изучена. Однако насыщение пор бетонной смеси водой снижает миграцию эманации в образце до величин приемлемых для практических целей [15]. Вопросы приготовления бетонных смесей и особенно методы контроля и аттестации однородности состава зон образца требуют дальнейшего уточнения и изучения.

Конструктивно образец представляет собой металлический цилиндр с отверстием по оси, имитирующим скважину [3, 6, 15]. С показателями скважинного прибора, когда датчик находится в центре образца, соотносят концентрацию ЕРЭ, содержащихся в рудной зоне. Применяется и другой способ, когда концентрацию выражают как величину, пропорциональную отношению площади аномалии на диаграмме (записанной при движении скважинного прибора) к высоте рудной зоны [6]. При этом последняя в образце часто помещается между безрудными зонами, необходимыми для измерения фоновых значений и для экспериментального определения переходной характеристики спектрометра при движении из одной зоны в другую, имитирующими вмещающие пласты достаточной мощности [13, 15]. Материалом для изготовления безрудной зоны служит матрица (наполнитель) смеси, использованной для рудных зон образцов (цемент, медицинский гипс). Во всех случаях измерения следует проводить с учетом поправок за “мертвое” время аппаратуры.

Задача определения концентрации ЕРЭ в их смеси сводится к решению системы уравнений вида

где N_iф, N_iф - соответственно общая и обусловленная фоном скорости счета в i-м энергетическом “окне” спектрометра, C_j - искомая концентрация i-гo ЕРЭ, a_ij - пересчетные коэффициенты.

Последние постоянны для данного спектрометра при фиксированных энергетических “окнах”, когда измерения проводятся в насыщенной по гамма-излучению среде и определяются при градуировании на моноэлементных СО как

где N'_i - скорость счета в i-м энергетическом “окне” спектрометра, N'_iф - скорость счета в i-м энергетическом “окне”, определяемая в безрудной зоне или в “фоновом” СО, Сj - концентрация j-го ЕРЭ в СО.

При этом используются моноэлементные образцы: калиевый, урановый и ториевый. Если конструкция образцов не предусматривает безрудных зон, то для определения значений фона необходим “фоновый” образец, содержащий матрицу смеси. Для контроля качества калибровки и вычисления погрешностей определения концентраций ЕРЭ в смеси необходим образец с калиброванной смесью ЕРЭ.

При малом влиянии в суммарной гистограмме дифференциального спектра “левых” радиоэлементов на “правые” в шкале К - U - Th [13], решение системы (1) принимает наиболее простой вид:

Здесь C_1,2,3 - искомые концентрации ЕРЭ в смеси, N_1,2,3 и N_1,2,3ф - соответственно общие и обусловленные фоном скорости счета в окнах спектрометра, А_ji - постоянные коэффициенты.

где D - главный определитель системы (I). A_aij - алгебраическое дополнение элемента а_ij.

Таким образом, комплект СО включает в себя четыре или пять СО. Назовем его идеализированными моделями.

При исследовании методами гамма-спектрометрии естественного излучения в реальных скважинах необходимо учитывать скважинные условия, отличающиеся от заданных в идеализированных моделях многообразием и широким диапазоном изменения величин диаметров скважин, толщин колонн и цементного кольца, эксцентриситетом колонны, характером заполняющих скважину флюидов и т. п. Физическое моделирование отмеченных условий в полном объеме не представляется возможным. Целесообразно ограничиться моделированием лишь некоторых из условий, рассчитав аналитическими методами влияние остальных. Отмеченное моделирование может состоять из нескольких моделей с фиксированными скважинными условиями. Другой путь заключается в усложнении конструкций идеализированных моделей с использованием тонкостенных сменных цилиндров (вставок), заполненных составом, имитирующим горные породы, цементное кольцо и т. д.

Вопрос о точности определения концентрации ЕРЭ методом скважинной гамма-спектрометрии естественной радиоактивности достаточно сложен и нуждается в дополнительном изучении. По данным [1], при известных диаметре скважины (с учетом кавернограммы), толщине обсадной колонны и цементного кольца погрешность определений составляет 20 %, если содержание ЕРЭ близко к кларковым. Измерения проводились прибором СГС-1 поточечно (от 20 до 40 мин). Скважинным гамма-спектрометром проведены измерения в эталонной шахте API Хьюстонского университета [14]. Для этой шахты приняты следующие содержания (в %)^: калия - 4, тория - 24*10^-4, урана - 13*10^-4 (без указания погрешности). Средние значения концентраций, определенные по скважинным диаграммам, полученным колиброванием гамма-спектрометром, составили (в %): калия - 4, 13, тория 24,8*10^-4, урана 13,9*10^-4 (без указания погрешности измерения).

С учетом вышеизложенного система метрологического обеспечения количественных гамма-спектрометрических измерений естественной радиоактивности в нефтегазовых скважинах включает в себя: средства измерения - скважинные гамма-спектрометры, СО концентраций естественных радиоэлементов для градуирования спектрометров и стандартизации измерений в геометрии близкой к скважинной при нормализованных условиях, СО - рабочие модели пластов для учета скважинных и пластовых условий, СО - полевые имитаторы концентраций естественных радиоактивных элементов для поверки шкалы спектрометров в полевых условиях.

1. Алексеев Ф.А., Лейпунская Д.И., Тихомирова Н.Л. Использование спектрометрии естественного гамма-излучения горных пород в условиях обсаженных скважин для решения некоторых вопросов нефтепромысловой геологии. - Труды ВНИИЯГГ. М.,1970, вып. 8, с. 333-366.
2. Готтих Р.П. Радиоактивные элементы в нефтегазовой геологии. М., Недра, 1980.
3. Иващенко Т.Ф., Любавин Ю.П., Овчинников А.К. Эталонирование гамма-каротажной аппаратуры на моделях рудных тел малого веса. - Вопросы разведочной геофизики, 1962, вып. 2, с. 147-152.
4. Коган Р.М., Назаров И.М., Фридман Ш.Д. Основы гамма-спектрометрии природных сред. М., Атомиздат, 1976.
5. Методические основы исследования химического состава горных пород, руд и минералов /Г.В. Остроумов, А.Л. Якубович, Б.Я. Каплан и др. М., Недра, 1979.
6. Новиков Г.Ф., Капков Ю.Н. Радиоактивные методы разведки. Л., Недра, 1965.
7. Оценка глинистости коллекторов методом гамма-спектрометрии естественной радиоактивности / П.Н. Гуров, Д.В. Гусаров, Е.В. Карус и др. - Геология нефти и газа,1979, № 4 , с. 53-59.
8. Скважинный термоустойчивый сцинтилляционный гамма-спектрометр СЭГ-С-ТК / В.И. Пятахин, Д.В. Гусаров, Е.М. Арм и др.- Изотопы в СССР, 1978, № 54,с. 12-16.
9. Способы определения и контроля пересчетных коэффициентов каротажного гамма-спектрометра / Г.Ф. Новиков, А.Я. Синицин, Ю.О. Козында и др. - Геофизическая аппаратура, 1978, вып. 64, с. 58-65.
10. Тихомирова Н.Л. К вопросу о количественном определении радиоактивных элементов в условиях обсаженных скважин по спектрометрии естественного гамма-излучения. - Бюлл. НТИ Мингео СССР. Сер. геофиз., 1969, № 14, с. 43-47.
11. Филимонов В. В. Эталонирование автомобильного гамма-спектрометра для определения концентрации радиоактивных элементов на месте их залегания. – Вопросы рудной геофизики, 1966, вып. 7, с. 71-81.
12. Ядерная геофизика при исследовании нефтяных месторождений / Ф.А. Алексеев. И.В. Головатская, Ю.В. Гулин. М.., Недра,1978.
13. Lovborg L., Botter-Jensen L., Kirkegaard P. Experiences with concrete calibration sources for radiometric field instruments. - Geophysics, 1977, v. 43, N 3, p. 543-549.
14. Nuclear techniques and mineral resourses /R.L. Caldwell, W.R.Jr. Mills, W.R. Orr, L.S. Allen. Nuclear techniques in oil and gas exploration and production. Vienna,1977, p. 3-42.
15. Radiometric reporting methods and calibration in uranium exploration. – Technical report series N 174, Vienna, IAEA, 1976.