2014-04-18

1

RADIOMETRIA OTWOROWA PROFILOWANIA JĄDROWE

Intensywność promieniowania

- natężenie promieniowania jądrowego (I), czyli ilość promieniowania, które w jednostce czasu

przechodzi przez objętość czynną detektora .

- jest działem geofizyki wiertniczej, zajmującym się badaniem zmian naturalnej i sztucznej

promieniotwórczości skał wzdłuż odwiertu.

Radiometria wiertnicza

STANDARYZACJA • Procedura, w wyniku której

wskazania różnych egzemplarzy sond radiometrycznych są wyrażone w jednakowych jednostkach tzw. standardowych.

• Wyrażenie tej jednostki otrzymuje się poprzez pomiar daną sondą w tzw. stanowisku do standaryzacji (ściśle określony ośrodek skalny).

CECHOWANIE (KALIBRACJA)

• wartości mierzone w jednostkach standardowych przeliczane są na jednostki związane z określonym parametrem fizycznym skały

• jest to zailenie skały (Vsh) PG • jest to gęstość skały PGG • jest to porowatość neutronowa skały PN

Detektor - element czujnikowy sondy

CZĘSTOŚĆ PADAJĄCYCH NA

DETEKTOR KWANTÓW

CIĄG IMPULSÓW ELEKTRYCZNYCH

REJESTROWANYCH W FUNKCJI CZASU LUB

DŁUGOŚCI

ZMIANY ILOŚCI IMPULSÓW NA

JEDNOSTKĘ CZASU

JĄDRO ATOMOWE • NUKLEONY – elektrycznie

naładowane dodatnio protony i obojętne elektrycznie neutrony

• LICZBA ATOMOWA - liczba protonów w jądrze (Z)

• MASA ATOMOWA – liczba wszystkich nukleonów (A=Z+N, gdzie N – liczba neutronów)

• NUKLID – elektrycznie obojętny atom o danym jądrze

• IZOTOPY – nuklidy o tej samej liczbie atomowej (Z) i różnych masach atomowych (A) (czyli o tej samej liczbie protonów i i różnych liczbach neutronów

11H – prot

21D – deuter

31T - tryt

Taka sama liczba atomowa

Inna liczba masowa

2014-04-18

2

Profilowanie

gamma PG

• Profilowanie gamma polega na pomiarze zmian natężenia naturalnego promieniowania gamma skał wzdłuż otworu.

• W tym celu do otworu wiertniczego opuszcza się sondę mającą detektor promieniowania gamma.

• Promieniowanie gamma jest promieniowaniem elektromagnetycznym o najwyższych energiach w zakresie całego spektrum fal elektromagnetycznych. Jego zasięg zależy od tłumiących własności ośrodka, wynosi średnio od kilkunastu do kilkudziesięciu centymetrów.

Promieniotwórczość • Pod pojęciem promieniotwórczości rozumiemy zdolność jąder

niektórych atomów do samorzutnego rozpadu, z którym związana jest emisja cząstek alfa, beta i gamma.

• Źródłami radioaktywności są niestabilne izotopy pierwiastków, zarówno występujących w naturze, jak i wytworzonych przez człowieka. Do najbardziej znaczących należą izotopy: wodoru ³H, węgla 14C, potasu 40K, radonu Rn (największe znaczenie izotop - 222Rn), radu Ra (największe znaczenie izotop - 226Ra), toru232Th, uranu U (największe znaczenie mają izotopy: 238U, 235U

oraz 233U), plutonu Pu (izotop 239Pu).

Promienie alfa

• Przedstawiają strumień cząstek alfa - jąder atomów helu (4

2He). • Każda cząstka alfa składa się z dwóch protonów i dwóch

neutronów, niesie więc dodatni ładunek elektryczny. • Promienie alfa są silnie pochłaniane przez materię i mają

przy tym bardzo małą przenikliwość.

Promienie beta

• Przedstawiają strumień elektronów (cząstek beta), mających dużą prędkość.

Ze względu na małą masę, cząstki beta wolniej tracą swą energie niż cząstki

alfa i dlatego w porównaniu z nimi mają znacznie większą przenikliwość.

• Wyróżniamy dwie przemiany: przemianę ß - i przemianę ß +. W czasie

przemiany - jądro pierwiastka emituje elektrony, natomiast podczas przemiany + jadro emituje pozytony.

• Elektron powstaje w wyniku

przemiany neutronu w proton i elektron. Ponadto powstaje jeszcze

jedna cząstka o masie spoczynkowej

i ładunku równym zeru - antyneutrin.

• Pozyton powstaje w wyniku

przemiany protonu w neutron,

ponadto powstaje jeszcze neutrino.

Promienie gamma

• Są promieniowaniem elektromagnetycznym, które można rozpatrywać jako strumień cząstek nazywanych kwantami, poruszających się z prędkością światła. W geofizyce wykorzystujemy właśnie to promieniowanie.

• Przenikliwość promieni gamma jest znacznie większa od przenikliwości promieni beta, a tym bardziej od promieni alfa.

Promieniowanie , , Promieniowanie , , można rozdzielić używając pola

magnetycznego. Cząsteczki alfa i beta mają przeciwne ładunki –

odchylane są w przeciwne strony, promienie gamma nie przenoszą

ładunku, nie są odchylane.

2014-04-18

3

Promieniotwórczość

Promienie alfa są łatwo zatrzymywane przez kartkę papieru.

Promienie beta są zatrzymywane przez aluminiową blachę.

Promienie gamma są ostatecznie wchłaniane, zatrzymywane, gdy przenikają przez gęsty materiał. Dobry w absorpcji promieniowania gamma, ze względu na swoją gęstość, jest ołów (co najmniej 10 cm).

Promieniowanie: a) alfa b) beta c) gamma

Jednostki

• Energię cząstek wyraża się zazwyczaj w jednostkach, nazywanych elektronowoltami (eV).

• Elektronowolt jest to energia kinetyczna, którą elektron uzyskuje pod działaniem różnicy potencjałów o wartości 1 wolta.

• Energia promieniowania gamma ma zazwyczaj wartość od kilku do ułamków megaelektronowoltów (MeV).

Naturalna promieniotwórczość skał

• Naturalna promieniotwórczość skał zależy głównie od zawartości w nich uranu, toru, radu i produktów ich rozpadu oraz izotopu potasu 40K.

• Głównym źródłem naturalnej promieniotwórczości jest budowa skał, a dokładnie rodzaj minerałów (występowanie w nich pierwiastków promieniotwórczych).

Naturalna

promieniotwórczość

skał

• Tab. Podstawowe własności naturalnych emiterów promieniowania gamma: 40K, rodziny 238U i rodziny 232Th; opracowano na podstawie [Adams, Gasparini, 1970; Filipov, 1978].

Izotop Typ rozpadu T1/2

40K β- , β+

wychwyt elektronu 1,47 · 109 lat

238U 234Th

234mPa 234Pa 234U

230Th

---------------- 226Ra 222Rn 218Po 214Pb 218At 214Bi 214Po 210Tl 210Pb 210Bi 210Po 206Pb

α

β-

β-

β-

α

α

-----------------------

α

α

α, β-

β-

α

α, β-

α

β-

β-

β-

α

stabilny

4,51 · 109 lat

24,1 dni

1,18 minut

6,75 godz

2,47 · 105 lat

8 · 104 lat

---------------------

1,602 lat

3,82 dni

3,05 minut

26,8 minut

~ 2 s

19,7 minut

1,64 · 10-4 s

1,32 minuty

22 lata

5,01 dni

138,4 dni

--- 232Th 228Ra 228Ac 228Th 234Ra 220Rn 216Po 212Pb 212Bi 212Po 208Tl 208Pb

α

β-

β-

α

α

α

α

β-

α, β-

α

β-

stabilny

1,41 · 1010 lat

6,7 lat

6,13 godz

1,91 lat

3,64 dni

55,3 s

0,145 s

10,64 godz

60,6 min

3,04 · 10-7 s

3,1 min

---

• Pod względem naturalnej promieniotwórczości skały można podzielić na następujące grupy, odznaczające się:

• wysoką promieniotwórczością - iły, łupki, iły głębokomorskie, sole potasowe;

• średnią promieniotwórczością - piaszczyste iły i łupki, wapienie ilaste, piaskowce ilaste, iły węglowe;

• niską promieniotwórczością - piaski, piaskowce, dolomity, wapienie, sól kamienna, anhydryty, węgle brunatne i kamienne.

Naturalna promieniotwórczość skał

• Największe nagromadzenie pierwiastków promieniotwórczych

obserwuje się w kwaśnych skałach magmowych.

• Występują one w minerałach skałotwórczych – miki i skalenie oraz w minerałach akcesorycznych m.in. cyrkon monacyt

• Skały magmowe są skałami macierzystymi, stąd naturalna promieniotwórczość w innych rodzajach skał bierze się właśnie z nich.

2014-04-18

4

Naturalna promieniotwórczość skał

• Minerały ilaste charakteryzują się podwyższoną naturalną promieniotwórczością, co jest związane z tym jak powstawały.

• W procesach wietrzeniowych i sedymentacyjnych minerały skałotwórcze zawierające pierwiastki promieniotwórcze przechodzą niezmienione do skał osadowych lub ulegają rozkładowi tworząc nowe minerały, głównie ilaste, z którymi mogą wiązać się pierwiastki promieniotwórcze.

• Zabarwienie skał osadowych ma związek z ich promieniotwórczością. Zabarwienie ciemne obserwuje się zwykle w skałach, w których znajduje się duża ilość składników organicznych łatwo adsorbujących jony uranu i toru.

Kształt krzywych PG

• Krzywa gamma jest krzywą symetryczną i jest funkcją miąższości.. Miąższości poszczególnych warstw na rysunku wyznaczają punkty a (spąg) i b (strop).

• Rejestracja promieniowania ma charakter statystyczny, w związku z czym obarczona jest zawsze błędami fluktuacji (rozpad ma charakter statystyczny – raz będzie 1 kwant gamma, a raz 7 itd.) – przez to krzywa gamma jest pofalowana. Sonda ma układ zliczający, który liczy ilość kwantów gamma wytworzonych w czasie danego rozpadu.

Fluktuacja, wahania przypadkowe - przypadkowe, nie dające się przewidzieć, odchylenia od wartości średniej zmiennej losowej

• Na wskazania krzywej PG nie wpływa charakter nasycenia skał (ropa, gaz, woda), lecz zależy ono przede wszystkim od ich składu litologicznego.

Do krzywej gamma należy wprowadzić poprawki:

Niezarurowana część otworu:

▫ Poprawka na zmienną średnice otworu

▫ Poprawka na absorpcję promieniowania gamma w płuczce

Zarurowana cześć otworu:

▫ Poprawka na absorpcję promieniowania w rurach

▫ Poprawka na absorpcje promieniowania w cemencie.

• Na rysunku podano zestawienie krzywej PG z krzywą PS, z którego wynika, że krzywa PS powtarza krzywą PG.

• Taki przypadek spotykamy tylko wówczas, gdy mineralizacja wody złożowej jest większa od mineralizacji płuczki. W przeciwnym przypadku na krzywej PS obserwuje się anomalie odwrotne w stosunku do anomalii krzywej PG.

• Rys. Zestawienie krzywych PG i PS dla przekroju piaskowcowo – ilastego,

1 – iły, 2 – piaskowce.

Zastosowanie profilowania gamma

• Krzywa PG charakteryzuje natężenie promieniowania gamma skał i w pewnym stopniu określa zawartość w nich pierwiastków promieniotwórczych (natężenie rośnie wraz z wzrostem zawartości materiału ilastego, a maleje ze wzrostem zapiaszczenia).

• Profilowanie gamma stosuje się do:

▫ korelacji międzyotworowej,

▫ zwiększenia dokładności w ustalaniu litologii skał i granic stratygraficznych,

▫ obliczania zawartości materiału ilastego w skałach (zailenie),

▫ wydzielania soli potasowych i radioaktywnych rud.

Profilowanie spektrometryczne gamma

• SPG umożliwia rozróżnienie widm promieniowania gamma dla uranu, toru i potasu

• Każdy z tych pierwiastków promieniotwórczych emituje widmo o charakterystycznym kształcie

• Rejestruje się natężenie promieniowania gamma pochodzące od poszczególnych emiterów.

• W celu określenia koncentracji K, U i Th wybiera się pewne przedziały energii, zwane oknami, wokół charakterystycznych linii dla poszczególnych pierwiastków : ▫ 1,76 MeV dla rodziny uranu ▫ 2,62 MeV dla rodziny toru. ▫ 1,46 MeV dla potasu,

2014-04-18

5

• Tor - związany z występowaniem minerałów ilastych, wskazuje na objętościowe zailenie. Może być również związany z obecnością minerałów ciężkich

• Potas – podstawowy składnik minerałów ilastych. Wskazuje na obecność mik i skaleni potasowych.

• Uran- jest bardzo cennym wskaźnikiem obecności substancji organicznej.

Skały macierzyste, w których generowały się węglowodory, mogą charakteryzować się wyższymi koncentracjami uranu.

Podwyższone zawartości uranu pozwalają także wykrywać obecność szczelin, w których wytrąciły się związki uranu.