petrophysics2004

Спектрометрический анализ содержаний ЕРЭ основан на измере­

ниях rамма-излучения в нескольких (не менее трех) энерrетических

интервалах (окнах), в каждом из которых преобладает изучение од­ ноrо из определяемых нуклидов (К, U, Тh). В табл. 20 приведено рас­

пределение энерrий различных излучателей в трех спектральных ок­

нахкалиевом, урановом и ториевом (обычно одновременно осуще­

ствляется интеrральная реrистрация при Еу> 1 МэБ). В каждом окне

помимо характеристическоrо фотопика излучателя на фоне излуче­

ния равновесных продуктов распада реrистрируется непрерывный

спектр комптоновскоrо рассеяния.

Интерпретационная модель спектрометрической модификации rамма-метода (ГМ-С) аналоrична (10.9) для каждоrо из спектральных окон (для однородной среды или сухой необсаженной скважины):

Ji = Lci;q;· i =L2,з,...,N i =1.2.З.

(10.15)

rде Ci;- концентрацiiОнная чувствительность i-ro окна для j-ro из­

лучателя. Массовые содержания q1 находятся решением системы

уравнений (10.15).

Измерения полупроводниковыми детекторами, энерrетическое

разрешение которых rораздо выше, чем у сцинтилляционных, позво­

ляютреrистрировать отдельные линии и определять содержания ЕРЭ

даже при отсутствии радиоактивноrо равновесия.

Модель (10.15) справедлива для статической аномалии (показаний)

в однородном пласте, насыщенном по мощности, при отсутствии про­

межуточных зон между прибором и породой (сухая необсаженная скважина). Предварительная обработка, учет фона и с~ажинных ус­

ловий измерений выполняются специальным алrоритмом.

П е т р о фи з и чес к а я м о д е ль дляопределенияобъе.м:къ~:rсо­

держаний основных минеральных компонент коллекторов нефти и rаза по данным плотностноrо rамма-rамма-метода и спектрометрии rамма-излучения естественной радиоактивности имеет вид:

аРт = LanRтn~; а= LanKn;		L~ =1 1	(10.16)
n	n	n

rд~ т - индекс входноrо петрофизическоrо параметра (плотность, объемные содержания калия, урана, тория; суммарное содержание ЕРЭ в единицах урановоrо эквивалента); а- объемная плотность по­ роды; n - индекс компоненты (флюид, rлинистый материал, орrани­

ческое вещество, минеральная матрица); Кn an- объемное содер­

жаниеn-йкомпонентыиееминералоrическая'плотность;IIRmnll-мат­

рица петрофизических характеристик компонент породы.

Дляпетрофизическойнастройкиалrоритманахождения{Кв}можно

использоватьданныелабораторныхопределенийпокернусодержаний К, U, Тh, пористости, плотности, rлинистости. Устойчивость алrоритма обеспечивается контрастом содержаний ЕРЭ в компонентах, контрас­

том плоткостей матрицы и орrаническоrо вещества, высоким содержа­

нием урана в ОБ и тесной связью между ними, возможностью диаrнос­

тикитипа преобладающеrоrлИнистоrоминерала (по отношениюK/Th)

и автоматической петрофизической подстройкой алrоритма.

240

Т а блиц а 19. Применении спектрометрии естественною rамма-из.лучевии

в скважинах (по В. Фертлу, с изменениими и дополнениими)

	ЛИТОJЮrическаи	Решаемые задачи	Об.ласти применении
	характеристика

ГJIИВИстые от-	Определение типа и диаrеиеза	Реrиоиальные и
ложении (rли-	rлинистых минералов, емкости	площадные кор­
ны и rлинистые	катиоииоrо обмена; оценка со­	релиции разрезов;
сланцы)	держании орrаиоrеииоrо уrле-	стратиrрафические
	рода	исследовании;деталь-
		иоелитолоrическое
		расчленение
Трещиноватые	Определение литолоrическоrо	Поиск реперов; уточ-
арrиллиты	состава (арrиллиты, кремнистые	нение минеральноrо
	сланцы, алевролиты, карбонаты)	состава твердой фазы
		пород
Песчаники	Выделение rлинистых и чистых	Качествеиное опреде­
	разностей; определение радио­	лениеколлекторских
	активных минералов; выделение	свойств терриrеииых
	собственно rлинистых минералов	пород; уточнениеоце­
	на фоне полевых шпатов, cJIIOд	нок ФЕС отложений
	и акцессорных радиоактивных	на материке и конти­
	минералов; оценка емкости	нентальном шельфе.
	катиоииоrо обмена. Определе­	Определение миие­
	ние характера распределении	ральноrо состава rлин,
	rлииистоrо вещества в породе,	слаrающих покрышки
	мииеральиоrо состава rлии;	нефтяных и rазовых
	оценка интенсивности процес­	залежей
	сов вторичиоrо преобразовании
	породы. Оценка трещиноватости
	(открытых и закрытых трещин).
	Определение содержании пири­
	та и друrих сульфидов, а также
	кислоrо rаза. Выделение исто­
	щеииых пропластков в слоистом
	разрезе
Карбонаты	Выделение rлииистых и чистых	Корреляции литоло­
(известиик,	разностей. Выивление открытых	rических изменений;
мел, доломит)	и закрытых трещин (извест­	выбор интервалов
	иика, мел, доломиты), наличие	опробовании в мио­
	стилолитов; выделение прони­	rопластовых кар­
	цаемых интервалов в радиоак­	бонатных залежах;
	тивных доломитах; выделение	выделение проница­
	истощенных пропластков в	емых зон в карбонат­
	солистом разрезе	ных толщах. Оценка
		степени акремнении
		и доломитизации
		известняков

16- Петрафизика

241

			Oxcmчauue таб.я. 19
	Литологическая	Решаемые задачи	Области применении
	характеристика
	Изверженные	Определение литолог:Ии; выде­	Оценка запасов
	и метаморфи-	ление пород, вторично изменен­	минералов и углево­
	ческие породы	ных геотермальными водами;	дородов; корреляции;
		выявление открытых трещин	выбор перспективных
			для заканчивания
			интервалов разреза
	Эвапориты	Определение литологии, сорт­	Корреляция калийсо­
	(соли)	ности руды, разделение глин и	держащихминералов;
		эвапоритов	выявление пластов
			для сброса сточных
			вод; расчет объема
			пустот; решение
			вопросов разрабо·rки
			месторождении
	"Угли	Определение литологии; оценка	Детальные стра­
		зольности углей, состава золы,	тиграфические
		теплоты сгорания углей	корреляции; оценка
			технологических ха­
			рактеристик углей
	"Уран	Определение литологии; оценка	Поиск и выделение
		сортности руды	рудных зон; контроль
			разработки методом
			подземного выщела­
			чивания
	Смешанные	Выявление мест осаждения ра­	Контроль обводиен­
	породы	диоактивных солей на обсадной	иости пластов по
		колонне и в перфорационных	радиогеохимическому
		каналах; определение нефтега­	эффекту
		зоносных интервалов в частично
		истощенных слоистых пластах;
		установление мест затрубной
		циркуляции, помощь при це­
		ментировании(например,при
		закачке цемента с радиоактив­
		ными добавками) скважины и ее
		освоении
	Черные и	Определение литологического	Оценка технологичес­
	цветные	состава. Поиск и выделение	кого» качества руд.
	металлы,	рудныхзон	Определение под­
	нерудные		счетных параметров
	ископаемые		по основным и сопутс­
			твующим элементам

242

Т а блиц а 20. Распределение природных гамма-излучателей: калия, ура­ на и тория (с продуктами распада) в окнах спектрометра (по Roxy и Rозан­

ски).

Окнаi

Энергия, КэВ

Изотоп

Продукт распада

i= 1 (К).	1661			214Bi		u
Ширинаокна	1638			22ВАс		Th
1360-1560 КэВ	1631			22ВАс		Th
	1621			212вi		Th
	1588			22ВАс		Th
	1580			22ВАс		Th
	1509			214Bi		u
	1502			22ВАс		Th
	1496			22ВАс		Th
	1461*			4ОК•		К*
	1459			22ВАс		Th
	1408			214Bi		u
	1402			214Bi		u
	1378			214Bi		u
	1281			214Bi		u
	1238			214Bi		u
						K,U
	Комптонавекое			>1240 фотоnик		Th
	рассеяние
i=2 (U),	1848			214Bi		u
Ширинаокна	1765*			214Bi		U*
1670-1870 КэВ	1730			214Bi		u
	1661			214Bi		u
	1631			22ВАс		Th
	1621			212Bi		Th
	1586			22ВАс		Th
	1580			22ВАс		Th
						u
	Комnтонавекое			>1520 фотоnик		Th
	рассеяние
i=3 (Th),	2614*			2овт1*		Th*
Ширинаокна	2448			214Bi		u
2050-2850 КэВ	2204			214Bi		u
						U,Th
	Комnтонавекое			>2220 фотопик
	рассеяние
* Характеристический пик излучателя

243

Петрафизические модели{10.14) и{10.16) дают к~ичественную ос­ нову для петрафизического моделирования связей по­ казаний ГМ и ГМ-С с фильтрацианно-емкостными свойствами пород, их минералогическим и гранулометрическим составом. В общем слу­

чае компонентная модель породыможет включать в себя нетолько ми­ неральные компоненты, но и структурные - различные формы гли­ нистого материала, а также различные гранулометрические фракции.

Относительную глинистость {эффективную пористость) можно определить по данным ГМ, если глинистый цемент является общим

носителем естественных радионуклидов. Для полиминеральных кол­ лекторов это условие, как правило, не выполняется. В этом случае

можно использовать данвые rамма-спектрометрии и рассмотреть в

качестве интерпретационного пара:метра, напри~ер, величинуторийкалиевого отношения {Th/K). ·

Из петрафизической модели {10.16) следует, что величина (Th/K)- отношения прямо (или обратно) пропорциональна относи­

тельной нормированной глинистости тt* (в зависимости от того, ка­

ким: радионуклидом - торием: или калием: соответсвенно, - обога­

щен цемент).

Если :матрица имеет калий-полевошпатовый состав при отсут­

ствии (или малом содержании тория), а глинистый цемент преиму­

щественно каолинитового состава обогащен торием и не содержит

калия, то

(Th/K)max = constKrn•

т.е. величина Тh/К-отношения пропорциональна объемной глинис­

тости.

Коэффициент находится из условия

(Th/K)max= constKrпmax

откуда

f1* = (Тh/K)/(Тh/K)max

(10.17)

Если матрица не содержит калия, но обогащена торием:, а глинис­

тый цемент (преимущественно гидраслюдистого состава) не содер­

жит тория, но обогащен кали~м, для тt* имеет место обратное соотно­

шение.

10.5. ЕСТЕСТВЕННО-РАДИОАКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ.

ИХ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И МИfРАЦИЯ В ЛИТОСФЕРЕ.

ВАЖНЕЙШИЕ МИНЕРАЛЬI [1. 6]

Большинство естественных радиоактивных изотопов относится к

семействам урана, актиния и тория, содержащих соответственно 20, 15 и 13 генетически связанных радиоактивных и устойчивых изото­ пов. Гамма-излучение актиниевого ряда весьманезначительно по

сравнению с гамма-излучением: урано-радиевого и ториевого рядов.

Кроме радиоактивных элементов семейств урана, актиния и то­

рия, в природе радиоактивными являются изотопы калия, кальция,

244

рубидия,циркония,индия,олова,теллура,лантана,неодима,сама­

рия, лютеция, вольфрама, рения и висмута. Эти изотопы долгоживу­

щие-их период полураспада превышает 109 лет; они генетически

не связаны с другими радиоактивными элементами; для них харак­

терен ~-распад или К-захват, а иногда и оба эти процесса, за исклю­

чением самария, вольфрама и висмута (а-распад); значительно из­

меняется также их относительная распространенность в природе -

вестественной смеси изотопов они содержатся от 0,01 до 100%.

Сучетом распространенности радиоактивных изотопов в литос­

фере и вероятности их распада можно считать, что наибольшее вли­

яние на геологические процессы оказывают U и Th с продуктами их

распада, калий 40К и отчасти рубидий 87Rb. Остальные радиоактив­

ные элементы из-за их малой распространенности и большого пери­

ода полураспада не могут играть существенной роли в создании ра­

диоактивности литосферы.

В настоящее время за оптимальныекларкиприняты для 238U-

2,1·10-4 о/о, 232'Th- 7,0·10-4%, К -1,8 о/о (кларки не окончательны,

так как мало изучена радиоактивность пород ложа океана.

Радиоактивные элементы присутствуют в литосфере в составе

минералов. Установлено более 200 минералов, в которые входят ра­

диоактивные калий, уран, торий.

Исследованиями отечественных и зарубежных ученых установ­

лены определенные закономерности регионального распределения

ЕРЭ и общей радиоактивности пород [1, 6].

К а л и й. Имеет три изотопа: 39К, 40К, 41 К, распространенность ко­

торых составляет 93,1; 0,02 и 6,88%. Наиболее активен наименее рас­

пространенный изотоп40К,·испускающий монохроматическое гамма­

излучение с энергией 1,46 МэБ. Постоянство соотношения между со­

держаниями изотопов позволяет пересчитывать содержание 40К

непосредственно в полное содержание калия (в естественной смеси изотопов).

Материнскими породами для калия являются преимущественно силикаты магматических пород (гранит, гранодиорит, сиенит), поле­ вые шпаты (ортоклаз, микроклин), слюды (мусковит, биотит). В раз­ личных процессах слюды и полевые шпаты преобразуются (в зави­ симости от степени выветривания) в различные глинистые минера­ лы: гидрослюду, монтмориллонит, хлорит, каолинит. Большая часть калия поступает в породы из водных растворов. С изменением глуби­ ны (давления, температуры) состав глин изменяется, например мон­ тмориллонит преобразуется в гидрослюду.

Калий образует только один ион, играющий роль компенсирую­

щего катиона в структуре слюд, гидрослюд, слоистых глин. Поэтому по содержаниям калия (и тория) можно определить тип глинистых минералов (рис. 85).

К важнейшим калийсодержащим минералам относятся сильвин КС1, карпаллит KC1MgCl2· 6Н20 (14,1 о/о К), калиевая селитра KN03 (38,5% К), полевые шпаты, микроклип (KalSi0 8 ), ортоклаз

(К20А1203· 6Si02), слюды -биотит [K20Al20 3· 6(MgFe)02] и мусковит

245

[K20A1 20 3 ·6Si02·2H20], нефелин (NaK}20A120 3 ·2Si03, глауконит

(водный силикат К, Al, Fe} и др.

'11 Ура н. Имеет три изотопа (все радиоактивны}: 234U; 235U, zзsu с

распространенностью 5,7·10-3; О,72 и 99,27 о/о и периодами полурас­ пада 2,5·105; 7,1·108 и 4,4·109 лет соответственно. Средняя концент­

рация урана в земной коре составляет 3·10-4 о/о. Материнскими для

урана являются силикаты магматических пород.

Важнейшая геохимическая особенность уранавысОI~ая мигра­ ционная способность благодаря образованию хорошо растворимого

уранил-иона uoz+. Содержание урана характеризует восстанови­

тельные условия и наличие углерода органического происхождения.

Т ори й. Имееттолько одиндолгоживущий изотоп 232Th, распро­

страненность которого в земной коре составляет около 12 ·10-4 о/о. Ма­

теринскими породами являются силикаты магматических пород. Все соединения тория нерастворимы, при разрушении (выветривании} пород они концентрируются в бокситах, тяжелых и глинистых мине­

ралах. В последних содержания тория изменяются от 8 ·10-4 до

20 ·10-4 о/о в зависимости от типа глин.

Наиболее распространенные минералы по радиоактивности под­ разделяются на четыре группы [1, 6]. В первую группу объединяются слаборадиоактивные главные породообразующие минералы: кварц,

Тh,~·~~~т-----------------------------------------	,
20

16

12

8

4

о

2

3

4

K,'JI>

Рис. 85. Сопоставление массовых содержаний тория и калия для идентифи­ кации глинистых минералов (данные фирмы сПiлюмберже•).

Линии: 1 - 70%-ro содержании rидрослюды, 2 - 40%-ro содержании слюд, 3 -

80%-ro содержании rлауконита, 4 - 30%-ro содержании полевых шпатов

246

калиевые полевые шпаты, плагиоклаз, кальцит, доломит, ангидрит,

каменная соль, нефелин; во вторую группу с нормальной или слабо­ повышенной радиоактивностью - такие породообразующие мине­

ралы, как биотит, амфиболы, пироксены и др.; в третью группу с по­ вышенной радиоактивностьюглавные (часто встречающиеся) ак­ цессорные и рудные минералы: апатит, эвдиалит, флюорит, ильменит, магнетит и др.; в четвертую группу с высокой радиоактив­ ностью -менее распространенные акцессорные минералы: сфен, мо­ нацит, циркон, липарит и др. (табл. 18).

Минералы осадочных пород также подразделяются на четыре группы (низкой, средней, повышенной и высокой радиоактивности). По В.В. Ларионову, радиоактивность главных породообразующих ми­

нералов первой группы: кварца, кальцита, доломита, ангидрита, ка­

менной соли и др.- не превышает 0,1 пкг-экв Rаfкг.

Вторая группа объединяет такие акцессорные минералы, как ли­

монит, магнетит, турмалин, корунд, гранит, а также такие минера­

.лы, как натрий-калиевые полевые шпаты (анортит, олигоклаз), рого­ вая обманка, хлорит и др. Их радиоактивность заключается в преде­ лах от 0,1 до 1 пкг-экв Rаjкг. К третьей группе принадлежат

глинистые минералы, слюды, многие полевошпатовые минералы,

калийные соли, серицит, апатит, обсидиан и сфен, их радиоактивность изменяется от 1 до 10 пкг-экв Rа/кг. В четвертую группу входят ак­

цессорные минералы монацит, циркон, ортит с радиоактивностью

более 10 пкг-экв Rа/кг, их радиоактивность на три порядка превос­ ходит радиоактивность минералов первой группы. При всей нагляд­ ности и привлекательности диаграммы рис. 85 необходимо понимать,

что определение типа глинистого минерала по ней возможно лишь в

случае мономинерального состава. В общем случае решение этой за­ дачи возможно (благодаря разнообразию свойств глинистых мине­

ралов, см. табл.1) лишь по данным ГМ-С в комплексе ГИС.

10.6.РАДИОАКТИВНОСТЬ МАГМАТИЧЕСКИХ

ИМЕТАМОРФИЧЕСКИХ ПОРОД [1]

Магматические породы. Распределение радиоактивных минера­

лов по группам и типам магматических пород и радиоактивность

уран- и торийсодержащих минералов зависят от условий образова­

ния пород и их состава.

Породы ультраосновного и основного составо~ Радиоактивность этим породам обычно сообщают циркон, ортит (ал­ ланит), другие акцессорные и некоторые калийсодержащие минера­ лы. Реже основное количество урана сосредоточено в главных поро­ дообразующих минералах.

Уран присутствует в рассеянном состоянии или в виде субмикрос­

копических включений собственно урановых минералов, в акцессор­

ных же минералах основное количество урана и тория входит изо­

морфно в их кристаллическую решетку. Радиоактивность циркона и

ортита в рассматриваемых породах меньше, чем в других магмати­

ческих породах. Минералы габброидов по возрастанию их радиоак-

247

тивности располагаются в последовательности: пироксен		--+ роговая
обманка --+ плагиоклаз --	+ оливин --+ магнетит --+ биотит --	+ титанит
(сфен) ~апатит--+ ортит--	+ циркон [1).

Сведения о среднем содержании Ra, U, Th и К в ультраосновных

и основных группах и типах пород приведеныв табл.19.

Породы ер еднего состава. Концентрация урановых и

урансодержащих минералов в средних породах выше, чем в породах

основных; выше также в средних породах содержание радия, тория

и калия (см. табл. 19), что обусловливает в целом большую радиоак­

тивность этих пород.

Самые значительные количества урана установленыдля щелочных

сиенитовифонолитов, возникающихна последнихстадияхмагматичес­ кой дифференциации. Щелочные сиениты обычно содержатв несколь­

ко раз больше урана, чем в среднем известково-щелочные граниты. Породы кислого состава. Типичными радиоактивными

минералами кислых магматических пород считают цирконы, сфен, ортит, монацит, ксенотим и апатит. При этом в гранитах (за исключе­

нием лейкократовых) цирконы встречаются в больших количествах,

чем в породах средних, и радиоактивность их выше.

Рост радиоактивности цирконов и, по-видимому, других акцессор­

ных уран- и торийсодержащих минералов и увеличение их концент­ рации от ультраосновных пород к кислым объясняются увеличением концентрации Тh и U в магматических расплавах в процессе их крис­ таллизации. Больше всего урана в ксенотиме, цирконе, монацитеи апа­

тите, типичных гранодиоритах, известкаво-щелочных и натриевых

гранитах; содержание урана в остальных минералах незначительно.

Содержанияурана итория, атакжерадиоактивностьминераловгра­

нитов возрастают в последовательности: кварц--+ ортоклаз--+ плагиок­

лаз--+ роговаяобманка--+биотит-+пироксен--+магнетит-+ флюорит-+

апатит--+ эпидот--+ ильменит--+ сфен--+ циркон--+ ортит--+ монацит.

Концентрация радиоактивных акцессорных минералов макси­ мальна в кислых магматических породах. Это обусловливает наивыс­

шую радиоактивность кислых магматических пород, достигающую

наибольших значений в гранитах (см. табл. 19).

Содержание урана в гранитах ~(4+10)·10-4%, а тория ~(20+ 50)х х10-4 %, [4). Повышенное содержание калия установлено в кварцевых порфирах, микраклиновых гранитах (до б%) и лейцитовых нефритах ·(до 7%). Содержание урана в вулканических стеклахизменяетсяв пре­

делах ~(0,8+15)·10-4 %, и составляет в среднем 5,6·10-4%. Это значе­

ние, по-видимому, представляет верхнюю границу содержания урана

в кислых вулканических породах.

Сравнительная радиоактивность магматичес­ ких пор о д. Радиоактивность в основном связана с присутствием акцессорных уран- и торийсодержащих минералов; отчасти вызы­

вается собственно урановыми и ториевыми и лишь в небольшой сте­ пени обычными породообразующими минералами.

Радиоактивность интрузивных пород известкаво-щелочной серии

и пород эффузивных возрастает от ультраосновных пород к основ-

248

Т а блиц а 21. Средние концентрации радиоактивных элементов ('?'о) в маrматических породах

Группа пород	Серия	Породы			к	U·l04	Th·l04	Th/U		eU
Интрузив-	Известко-	Ультраосновные(дунит,nироксенит				0,03	0,08	2,7		0,3
					0,15
ные	во-щелоч-	н др.)
	ная	Основные (габбро, диабаз и др.)			0,7	0,6	1,8	3,0		2,6
		Средние (диорит, кварцевый диорит)			1.8	1.8	6,0	3,3		7,4
		Кислые (rраиодиорит, плаrиогранит,			2,3-4,0	2,1-7,0	8,3-40,0	4,0-5,6		9,5-30,0
		биотитовый гранит, лейкократовый
		алискитовый гранит)								9,7
					1,8	2,6	9,8	3,8
	Щелочная	]dельтейrит,маймечит,ийолит
		Кимберлит (не алмазоносный)			-	2,6	8,8	3,4		6,1
		Кимберлит (алмазоносный)		-		3,2	16,3	5,1		9,6
		Сиенит		3,8		-	-	-		6,8
		]dиаскитовый нефелиновый сиенит		4,5		4,1	7,2	1,8		15,0
		Аmаитовый нефеЛиновый сиенит		5,0		10,3	28,3	2,8		30,4
		Трахибазальт		2,6		2,4	8,0	3,3		10,2
		Трахит, трахилиnарит		4,8		3-8	30-50	4-5		23,4-36,3
Эффузивные		Базальт, диабаз		1,0		0,7	2,3	3,2		3,4
		Андезит, андезитавый nорфирит		1,7		1,2	4,0	3,3		5,8
		Дацит, дацитовый nорфирит		2,3		2,5	10,0	4,0		10,6
		Липарит, кварцевый nорфир		3,7		4,7	19,0	4,0		18,8

~

"'