Todas las formaciones geológicas contienen cantidades variables de material radioactivo, cuya magnitud depende de sus características individuales. El registro de rayos gamma naturales es un registro de la radioactividad de las rocas, producto de la desintegración natural de las pequeñas cantidades de elementos radioactivos que contienen. Las lutitas normalmente contienen mayor cantidad de material radioactivo que las arenas, areniscas y calizas, por lo tanto, una curva de rayos gamma naturales indicará la diferencia en radioactividad entre uno y otro tipo de roca. Se puede entonces decir que es un registro de la litología de las formaciones atravesadas por un pozo, siendo su función principal substituir o complementar al registro del potencial espontaneo que también es un registro litológico. De hecho la curva de rayos gamma es muy similar a la curva de potencial espontáneo, con la cual es correcionable. Este registro se puede tomar simultáneamente con otros, ya sean también radioactivos a de resistividad, en agujeros abiertos, vacíos o llenos con lodos de cualquier tipo. La radioactividad natural de las formaciones proviene de los siguientes tres elementos presentes en las rocas: uranio (U), torio (Th) y potasio (K).
El decaimiento de estos elementos genera la emisión continua de rayos gamma naturales, los que pueden penetrar varias pulgadas de roca y también pueden ser medidos utilizando un detector adecuado dentro del pozo, generalmente un detector de centelleo (“Scintillation-Detector”), con una longitud de 20 a 30 cm. Este detector genera un pulso eléctrico por cada rayo gamma observado. El parámetro registrado es el número de pulsos por segundo registrados por el detector (figura 3.18). Este registro es muy útil para identificar zonas permeables debido a que los elemento radioactivos mencionados tienden a concentrarse en las lutitas o “shales” (impermeables), siendo muy poco frecuente encontrarlos en areniscas o carbonatos (permeables). El registro de GR puede aplicarse para:
Detectar capas permeables Determinar la arcillosidad de las capas
Evaluar minerales radioactivos Definir los minerales radioactivos Correlación con registros a pozo revestido Correlación pozo a pozo
Registro de Espectroscopía de Rayos Gamma. Este registro mide la cantidad de rayos gamma y su nivel de energía y permite determinar las concentraciones en la formación de los elementos Potasio, Torio y Uranio. La mayor parte de la radiación por rayos gamma en la Tierra, se origina por la desintegración de tres isótopos radiactivos: el Potasio 40 (K40) con una vida media de 1.3x109 años, el Uranio 238 (U238) con una vida media de 4.4x109 años, y el Torio 232 (Th232) con una vida media de 1.4x1010 años. El Potasio 40 se desintegra directamente en Argón 40 estable con una emisión de 1.46 MeV de rayos gamma. Sin embargo, el Uranio 238 y el Torio 232, se desintegran sucesivamente a través de una larga secuencia de distintos isótopos antes de llegar a isótopos estables de Plomo.
Como resultado, se emiten rayos gamma de muy diferente energías y se obtienen espectros de energía complejos, como lo muestra la figura 3.19. Los picos característicos en la serie del Torio a 2.62 MeV y en las series de Uranio a 1.76 MeV, se deben a la desintegración del Talio 208 y del Bismuto 214, respectivamente.
Generalmente se supone que las formaciones están en equilibrio secular, es decir que los isótopos hijos se desintegran en la misma proporción en la que son producidos por los isótopos padres. Esto significa, que las proporciones relativas de elementos padres e hijos en una serie en particular, permanecen bastante constantes. Por lo tanto, al considerar la población de rayos gamma en una parte particular del espectro, es posible deducir la población en cualquier otro punto. De ésta manera se puede determinar la cantidad de isótopos padres. Una vez que se conoce la población de isótopos padres, también se puede encontrar la cantidad de isótopos no radiactivos. La proporción entre Potasio 40 y Potasio total en muy estable y constante en la Tierra, mientras que, a excepción del Torio son muy raros, por lo que se puede no tomarlos en cuenta. Las proporciones relativas de los isótopos de Uranio dependen en cierta forma del medio ambiente y también hay un cambio gradual debido a sus distintas vidas medias; en la actualidad la proporción de Uranio 238 a Uranio 235 es cerca de 137. El principio de medición de la herramienta NGS utiliza un detector de centelleo de ioduro de sodio, contenido en una caja sellada a presión que durante el registro se mantiene contra la pared del pozo por medio de un resorte inclinado. Los rayos gamma emitidos por la formación casi nunca alcanzan al detector directamente. Más bien, están dispersos y pierden energía por medio de tres interacciones posibles con la formación: efecto fotoeléctrico, dispersión de Compton, y producción de pares. Debido a estas interacciones y a la respuesta del detector de centelleo de ioduro de sodio los espectros originales mostrados en la figura 3.19 se convierten en los espectros más difusos que se observan en la misma. La parte de alta energía del espectro detectado se divide en tres ventanas de energía, W3, W4 y W5. Cada una cubre un pico característico de las tres series de
radiactividad. Conociendo la respuesta de la herramienta y el número de conteos en cada ventana, es posible determinar las cantidades de Torio 232, Uranio 238 y Potasio 40 en la formación. Hay relativamente pocos conteos en la gamma de alta energía donde es mejor la discriminación máxima, por lo tanto, las mediciones están sujetas a grandes variaciones estadísticas, aun con bajas velocidades de registro.
Al incluir una contribución de energía con alta velocidad de conteo de la parte baja del espectro (ventanas W1 y W2), pueden reducirse estas grandes variaciones estadísticas en las ventanas de alta energía por un factor de 1.5 a 2. Las estadísticas se reducen aún más por otro factor de 1.5 a 2, utilizando una técnica de filtrado que compara los conteos a una profundidad particular con los valores anteriores, de tal manera que los cambios irrelevantes se eliminen y al mismo tiempo se retengan los efectos de los cambios en la formación. La figura 3.20 muestra la curva del registro de espectroscopía de rayos gama natural.
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