90461011-radiometria-resumen

8/12/2019 90461011-Radiometria-Resumen

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Aunque se conocen diferentes elementos naturales que se saben sonradiactivos, solo el uranio (U), el torio (Th) y el isotopo de potasio (K) son losmás importantes en la exploración, debido a que el resto son tan raros otan débilmente radiactivos o ambas cosas, que no tienen granimportancia en la geofísica aplicada (Telford et al, 1990).

El método radiactivo es relativamente poco importante encomparación con otras técnicas geofísicas. Fue utilizado para lacorrelación estratigráfica en pozos de petróleo en los años treinta. Laprospección radiactiva se hizo popular en el periodo de 1945-1957, ydecayó con la disminución de la demanda de uranio, y se popularizonuevamente en los años sesenta y setenta. Estos avances esporádicos, nohan afectado a las aplicaciones en el método de registro de pozos, dondevarias técnicas radiométricas se han convertido en estándar (Telford et al,

1990).

Los métodos de medición de la radiactividad natural, llamadosmétodos radiométricos se dividen, en función del tipo de radiación, enalfa, beta y rayos gamma o los métodos de acuerdo a la técnica, laactividad total de radiación y la medición de espectrometría.

RADIACION NATURAL

Se denomina radiactividad natural a aquella radiactividad queexiste en la naturaleza sin que haya existido intervención humana. Fue

descubierta por Henri Becquerel en 1896.

Se clasifica en dos formas según su origen:- Primigenios, materiales radiactivos existentes en la Tierra desde suformación.- Cosmogénicos, materiales radiactivos generados por la interacción derayos cósmicos con los materiales de la Tierra que originalmente no eranradiactivos.

La espontanea desintegración radiactiva produce radiaciones alfa,beta y gamma. Los rayos alfa y beta son las partículas, las ondaselectromagnéticas son los rayos gamma de alta energía (Milsom, 2003).

Los elementos radioactivos naturales presentes en la corteza de laTierra son la causa de la radiactividad en las rocas, el agua y el aire. Lamedición de la radiactividad se utiliza para la prospección de materialesradiactivos, la cartografía y la definición de la estructura geológica, la



determinación de líneas de fallas y, en condiciones adecuadas, en laexploración de materiales no radiactivos.

Partículas alfa

Una partícula alfa consta de dos protones y dos neutrones paraformar un núcleo de helio estable (4He). La emisión de partículas alfa es elproceso principal de la desintegración radiactiva, resultando en unadisminución a cuatro de la masa atómica y dos en el numero atómico(Milsom, 2003). Es decir, al carecer de electrones, su carga eléctrica espositiva, de +2qe de carga y con una masa de 4 uma. Las partículas tienengrandes energías cinéticas, pero son rápidamente frenadas por lascolisiones con otros núcleos atómicos, por lo tanto su capacidad depenetración es pequeña (Kearey et al, 2002).

Partículas beta

Las partículas beta son electrones expulsados de los núcleosatómicos. Se diferencian de los otros electrones solo por tener mayorenergía cinética y son identificadas después de haber sido frenadas porcolisiones múltiples. La energía se pierde más rápidamente en las colisionescon otros electrones (Milsom, 2003).

Las partículas beta son electrones que pueden ser emitidas cuandoun neutrón se divide en un protón y un electrón en determinadasdesintegraciones.

Radiación gamma

Los rayos gamma son ondas electromagnéticas con frecuencias muyaltas (lo que los diferencian principalmente de los rayos X), lo cual haceque se les considere con un conjunto de partículas denominadas fotones,

con energía proporcional a las frecuencias (Telfordet al,

1990).

La energía de este tipo de radiación se mide en megaelectronvoltios(MeV). El rango de energía de los rayos gamma se considera quecomienza en los 0.1 MeV (frecuencias de aproximadamente 0.25 x 1020Hz).



Debido a que son eléctricamente neutros, los fotones puedenpenetrar espesores mucho mayores de roca, que las partículas alfa y beta,y por consecuencia son la forma mas geofísicamente útil de la radiación.

Aun así, solo el 90% aproximadamente de los fotones gamma

detectados en la roca vendrán desde unos 20-30 cm de profundidad de lasuperficie y solo el 10% vendrá de unos 50 cm. con el agua es casi igual deeficaz, con un metro de absorción alrededor del 97% de la radiación queviaje a través de ella. Por otro lado, a 100 m de aire solo se absorbenaproximadamente la mitad del flujo de rayos gamma. La atenuación esdependiente de la frecuencia (Milsom, 2003).

Otro proceso se produce en algunos de los elementos radiactivos,que también emiten energía en forma de rayos gamma. Esto se conocecomo la captura de K y se lleva a cabo cuando un electrón desde el

interior (K) entra en el núcleo. La disminución del número atómico y unnuevo elemento son formados (Kearey et al, 2002).La radioactividad de las rocas

La radiactividad de las Rocas

La radiactividad de las rocas depende de su contenido de núcleosatómicos radiactivos, que se desintegran espontáneamente y dan lugar aemisiones radiactivas.

La radiactividad natural de las rocas está determinada por lacantidad de elementos radiactivos que contienen y está relacionado conla composición química de las rocas, así como sus característicaslitológicas y petrofísicas (Kobr et al, 2005).

La concentración promedio de elementos radiactivos en las rocasque constituyen las capas superiores de la corteza terrestre (0-15 km)depende del contenido de los elementos radiactivos: Th, U y K.

La radiactividad de las rocas ígneas tiene a incrementarse con la

acidez de las rocas, pero los grupos de rocas sobresaturadas, saturadas yno saturados con respecto al SIO2 deben ser consideradas por separado.El contenido de elementos radiactivos en minerales accesorios escontrolado por las condiciones de su origen. Las rocas ígneas de las fasesterminales de los ciclos magmaticos se caracterizan por una altaradiactividad.



Las rocas sedimentarias, en el proceso de su formación, acumulanmateriales radiactivos, según las condiciones físicas y químicas del medioambiente de depósito., por lo tanto la radiactividad de rocassedimentarias está relacionada al material de depósito. La actividad altaha sido determinada en arcillas, fosfatos, sales de potasio y sedimentos

bituminosos. La caliza, yeso, cuarcita y dolomía son rocas menos activas.

Los sedimentos de aguas profundas generalmente tienen un mayorcontenido de elementos radiactivos que los sedimentos continentales(Mares, 1984).

La radioactividad de rocas metamórficas corresponde según laspropiedades del material primario. Algunas ortogénesis generan altaradiactividad, mientras que anfibolitas y serpentinas se distinguen por unaactividad muy baja (Mares, 1984)

Detectores de radiación

Las partículas emitas por substancias radiactivas constituyen lo quese denomina radiación. Estas partículas ionizan en medio a través de cualpasan. Los procesos de ionización y excitación permiten detectar laradiación. Históricamente, los primeros detectores fueron las placasfotográficas, el spintrastriscopio de Crookes, el electrómetro y la cámarade niebla. Cada uno de los detectores ha evolucionado con el tiempo.

Varios tipos de detectores están disponibles para la medición de laradiactividad, los resultados se muestran como el numero de cuentas delas emisiones durante un periodo de tiempo fijo.

La unidad estándar de la radiación gamma es el Roentgen (R). Estoes la cantidad de radiación que produce 2.083 x 1015 pares de iones pormetro cubico a niveles normales de temperatura y presión. Las anomalíasde radiación se expresan habitualmente en μR por hora (Kearey et al,2002).

Contador Geiger

El Geiger (o Geiger-Muller) responde principalmente a las partículasbeta. El elemento de detección es un tubo de vidrio sellado que contieneun gas, como el argón, a baja presión, además de una traza de un agentede enfriamiento como el vapor de agua, alcohol o metano. En el tubo uncátodo cilíndrico rodea a un ánodo axial delgado y la fuente de poder



mantiene una diferencia de potencial de varios cientos de voltios entreellos. Después las partículas beta ionizan el gas y los iones positivos yelectrones que se forman son acelerados hacia los electrodos. Esto causapulsos de descarga a través de una resistencia de ánodo la cual, despuésde la amplificación, puede ser registrada como clicks, mientras un circuito

de integración muestra el número de registros por minuto. El agente deenfriamiento suprime la emisión de electrones secundarios resultantes delos bombardeos del cátodo por los iones positivos.

El contador Geiger no es muy costoso y es fácil de usar. Sin embargo,ya que solo responde a partículas beta, su uso es limitado a terreno conpoca cobertura de suelo (Sharma, 1997).

ESCINTILÓMETRO (CONTADOR DE CENTELLOS, SCINTILLOMETER).

Es un instrumento que mide la radiación gamma y se utiliza enestudios radiométricos de la superficie. Hace uso del hecho que ciertoscristales de yoduro de sodio activados con talio que emiten un visibledestello de luz cuando absorben rayos gamma. El escintilómetro puede serdetectado por tubos fotomultiplicadores, y después una amplificaciónadecuada puede ser leída en un medidor en cuentas por minuto. Losescintilómetros están disponibles para ser montados en transportesterrestres o aeronaves e interfaz de registros para obtener graficas de lastasas de conteo (Milsonm, 2003)

ESPECTROMETRO DE RAYOS GAMMA

El espectrómetro de rayos gamma es una extensión delescintilómetro que separa características de rayos gamma de isotopos depotasio, torio y uranio para la identificación del origen. El instrumentoordena los pulsos eléctricos del fotomultiplicador de acuerdo a su energíaen tres o más rangos antes de grabar la tasa de arribo de cada pulso delos rangos de energía selectos (Sharma, 1997).



CAPÍTULO 6.REGISTRO DE RAYOS GAMMA.

6.1.- INTRODUCCIÓN.

Los hermanos Schlumberger, en 1928, fueron pioneros en el desarrollo delos registros de pozos.

Los registros geofísicos inicialmente se enfocaban a la metodología deresistividad aparente y potencial espontáneo en cortes litológicosatravesados por perforaciones, usando lodos o agua. Los métodosradiactivos, que son de nuestro interés, fueron introducidos en 1939, por la

Well Surveys Inc., y se comenzó por la medición de la radiactividad naturalen los pozos (Kobr et al, 2005).

Los geocientíficos están constantemente en un arduo proceso de innovar,modificar o crear nuevas técnicas, herramientas y métodos, para obtenermejores resultados en la exploración y explotación de petróleo, gas y otrosrecursos naturales. Esto es porque la información que se puede extraer dela naturaleza depende de los resultados de la investigación, y de laactualización y desarrollo de tecnología y herramientas.

La información geológica, en general, es muy importante, e incrementa su

valor si se complementa con mediciones de registros geofísicos, ya queproporcionan una fuente de información a detalle tanto para la búsquedade petróleo, gas, como para la misma geología.

Es de gran dificultad el poder entender con exactitud, los procesos por loque se tiene que pasar, para poder finalmente tener un acumulación depetróleo o gas, es por esta razón que para su estudió es necesario elconjuntar la estratigrafía, la geología estructural, la paleontología, asícomo la geofísica, entre otras ciencias, en dónde está ultima, de acuerdoa los avances tecnológicos, tiene que estar en constante desarrollo.

Una amplia variedad de parámetros físicos se pueden medir utilizandoherramientas en un pozo de exploración de petróleo. Estos daninformación sobre la litología. La porosidad, y la saturación de agua ypetróleo.

Registros radiométricos hacen uso de cualquier radiactividad naturalproducida por isótopos inestables, o radiactividad inducida por el



bombardeo de núcleos estables con rayos gamma o neutrones. Lasprincipales emisiones radiactivas de interés en geofísica de pozos son losrayos gamma y neutrones. Otros productos radioactivos como laspartículas alfa y partículas beta tienen una pequeña penetración en larocas lo que las hace inútiles para los registros.

Registro de neutronesPara este registro, se utiliza una fuente radiactiva que emita neutrones.Estos chocan con los núcleos de los materiales de formación, y tienencomo consecuencia la perdida de energía. La mayor pérdida de energíase produce cuando el neutrón choca con un núcleo de hidrógeno, y así lapérdida total de energía depende principalmente de la cantidad dehidrógeno presente, ya sea en aguas de formación, hidrocarburos, o agualigada a minerales de arcilla, yeso, etc. El detector mide el importe de losdispersos neutrones de baja energía o de los rayos gamma emitidos

cuando estos neutrones son capturados por otros núcleos (Mares, 1984).

Registros gammaEl método radiactivo más simple en geofísica de pozos es el RegistroGamma.

Esta herramienta responde a la radiación gamma natural emitidaespontáneamente por isótopos radiactivos de Uranio, Torio y Potasio en lasformaciones. Las herramientas del espectro de rayos gamma son capacesde distinguir entre los isótopos de origen (Mares, 1984).

Mediciones de actividad de rayos gamma en las rocas incluye mediciónde la actividad total y espectrometría de rayos gamma. Estas medicionesse llevan a cabo con escintilómetro y el espectrómetro de rayos gamma.Estos dispositivos registran las cantidades que tienen una energía más altaque el nivel de detección del radiómetro (Mares, 1984).

La distribución de U, Th y K varia extensamente en la corteza continental ytambién se ve afectado por procesos de formación y actividad biológica.

La forma del seguimiento del registro es un indicador litoestratigráfico, y el

registro de rayos gamma es comúnmente usado en estudios de facies y decorrelación. Esta técnica es usada principalmente para correlacionarestratos sedimentarios en prospección de petróleo. Generalmente, lutitas yareniscas arcillosas muestran una muy alta radiactividad, mientras quecaliza, arenas de cuarzo, etc., tienen baja radiactividad. Así, en un registrode rayos gamma los puntos más altos en la intensidad corresponden alutitas mientras que los puntos bajos indican la presencia de deformaciones no arcillosas (Parasnis, 1997).



La respuesta final del perfil, tiene que ser corregida por diversos efectos. Ensu paso por la formación los rayos gamma pierden energía por colisiones,esto se denomina Efecto Compton, y son absorbidos por los átomos de laformación liberando electrones, Efecto Fotoeléctrico. El grado de

absorción varía con la densidad de la formación. De dos formaciones conla misma cantidad de material radiactivo por unidad de volumen, pero dediferente densidad, la menos densa tiende a ser más radioactiva en elPerfil de Rayos Gamma (Villegas y Jhon , 2005).

Espectrometría de rayos gamma

La técnica de rayos gamma espectral mide tanto la energía total sindiferenciar, así como el nivel de energía de cada rayo gamma que ha sido

detectado; se discrimina el total de los rayos gamma en niveles deenergía, donde se determinan los niveles de U, Th y K de forma individual

La medición de los espectros es usada para identificar la litología,determinar el tipo y contenido de arcillas, medir el espesor de las capas eidentificar zonas de fracturas potenciales (Kobr et al, 2005).

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