90461011-Radiometria-Resumen

Método Radiométrico Introducción Los métodos geofísicos estudian el contenido a profundidad de alguna propiedad fisicoquímica de las capas del subsuelo, o alguna característica que se relacione con tal propiedad. Las técnicas geofísicas han dependido de las variaciones en la mecánica, las propiedades químicas, eléctricas o magnéticas de las rocas y minerales. Desde 1945 otra propiedad de ciertos elementos ha sido considerada económicamente importante. Esta propiedad se conoce como radiactividad. El descubrimiento inicial de la radiactividad fue realizado por Becquerel, en 1896, poco después de que Roentgen hubiese anunciado el descubrimiento de los Rayos X en 1895. Becquerel descubrió que los minerales que contenían uranio, tales como las sales de uranio, emiten radiación que pasa a través de un material opaco a la luz ordinaria, afectando emulsiones fotográficas de una manera similar a los rayos X, y que ioniza a un gas (Telford et al, 1990). Todo nuestro ambiente es radiactivo, en mayor o menor grado, y esto es debido a que los diversos elementos radiactivos se encuentran presentes en todos los materiales que forman la Tierra. La corteza muestra una radiactividad medible, debido a que en ella se presentan estos elementos radiactivos. La radiactividad es parte de nuestro entorno físico. Las grandes contribuciones del campo de radiación de origen natural son debidas a rayos cósmicos, la radiactividad natural de la tierra, y el decaimiento radiactivo producido por la radiación en el aire. Radiactividad artificial es producida por plantas nucleares, laboratorios y plantas industriales (Telford et al, 1990). Los elementos radiactivos naturales se encuentran distribuidos en forma bastante uniforme en las rocas y suelos de la corteza terrestre, la cual está constituida por basalto y granito principalmente. La mayoría de esta radiactividad proviene de las series radiactivas naturales, tiende a escarpar de la corteza terrestre y puede ser arrastrada por el agua u otro fluido para migrar a la superficie terrestre y finalmente pasar a la atmosfera (Telford et al, 1990).

Aunque se conocen diferentes elementos naturales que se saben son radiactivos, solo el uranio (U), el torio (Th) y el isotopo de potasio (K) son los más importantes en la exploración, debido a que el resto son tan raros o tan débilmente radiactivos o ambas cosas, que no tienen gran importancia en la geofísica aplicada (Telford et al, 1990). El método radiactivo es relativamente poco importante en comparación con otras técnicas geofísicas. Fue utilizado para la correlación estratigráfica en pozos de petróleo en los años treinta. La prospección radiactiva se hizo popular en el periodo de 1945-1957, y decayó con la disminución de la demanda de uranio, y se popularizo nuevamente en los años sesenta y setenta. Estos avances esporádicos, no han afectado a las aplicaciones en el método de registro de pozos, donde varias técnicas radiométricas se han convertido en estándar (Telford et al, 1990). Los métodos de medición de la radiactividad natural, llamados métodos radiométricos se dividen, en función del tipo de radiación, en alfa, beta y rayos gamma o los métodos de acuerdo a la técnica, la actividad total de radiación y la medición de espectrometría. RADIACION NATURAL Se denomina radiactividad natural a aquella radiactividad que existe 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 su formación. - Cosmogénicos, materiales radiactivos generados por la interacción de rayos cósmicos con los materiales de la Tierra que originalmente no eran radiactivos. La espontanea desintegración radiactiva produce radiaciones alfa, beta y gamma. Los rayos alfa y beta son las partículas, las ondas electromagnéticas son los rayos gamma de alta energía (Milsom, 2003). Los elementos radioactivos naturales presentes en la corteza de la Tierra son la causa de la radiactividad en las rocas, el agua y el aire. La medición de la radiactividad se utiliza para la prospección de materiales radiactivos, la cartografía y la definición de la estructura geológica, la

determinación de líneas de fallas y, en condiciones adecuadas, en la exploración de materiales no radiactivos. Partículas alfa Una partícula alfa consta de dos protones y dos neutrones para formar un núcleo de helio estable (4He). La emisión de partículas alfa es el proceso principal de la desintegración radiactiva, resultando en una disminución a cuatro de la masa atómica y dos en el numero atómico (Milsom, 2003). Es decir, al carecer de electrones, su carga eléctrica es positiva, de +2qe de carga y con una masa de 4 uma. Las partículas tienen grandes energías cinéticas, pero son rápidamente frenadas por las colisiones con otros núcleos atómicos, por lo tanto su capacidad de penetración es pequeña (Kearey et al, 2002).

Partículas beta Las partículas beta son electrones expulsados de los núcleos atómicos. Se diferencian de los otros electrones solo por tener mayor energía cinética y son identificadas después de haber sido frenadas por colisiones múltiples. La energía se pierde más rápidamente en las colisiones con otros electrones (Milsom, 2003). Las partículas beta son electrones que pueden ser emitidas cuando un neutrón se divide en un protón y un electrón en determinadas desintegraciones. Radiación gamma Los rayos gamma son ondas electromagnéticas con frecuencias muy altas (lo que los diferencian principalmente de los rayos X), lo cual hace que se les considere con un conjunto de partículas denominadas fotones, con energía proporcional a las frecuencias (Telford et al, 1990). La energía de este tipo de radiación se mide en megaelectronvoltios (MeV). El rango de energía de los rayos gamma se considera que comienza en los 0.1 MeV (frecuencias de aproximadamente 0.25 x 1020 Hz).

Debido a que son eléctricamente neutros, los fotones pueden penetrar 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 la superficie y solo el 10% vendrá de unos 50 cm. con el agua es casi igual de eficaz, con un metro de absorción alrededor del 97% de la radiación que viaje a través de ella. Por otro lado, a 100 m de aire solo se absorben aproximadamente la mitad del flujo de rayos gamma. La atenuación es dependiente 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 conoce como 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 un nuevo 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 núcleos atómicos radiactivos, que se desintegran espontáneamente y dan lugar a emisiones radiactivas. La radiactividad natural de las rocas está determinada por la cantidad de elementos radiactivos que contienen y está relacionado con la composición química de las rocas, así como sus características litológicas y petrofísicas (Kobr et al, 2005). La concentración promedio de elementos radiactivos en las rocas que 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 y no saturados con respecto al SIO2 deben ser consideradas por separado. El contenido de elementos radiactivos en minerales accesorios es controlado por las condiciones de su origen. Las rocas ígneas de las fases terminales de los ciclos magmaticos se caracterizan por una alta radiactividad.

Las rocas sedimentarias, en el proceso de su formación, acumulan materiales radiactivos, según las condiciones físicas y químicas del medio ambiente de depósito., por lo tanto la radiactividad de rocas sedimentarias está relacionada al material de depósito. La actividad alta ha 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 mayor contenido de elementos radiactivos que los sedimentos continentales (Mares, 1984). La radioactividad de rocas metamórficas corresponde según las propiedades del material primario. Algunas ortogénesis generan alta radiactividad, mientras que anfibolitas y serpentinas se distinguen por una actividad muy baja (Mares, 1984) Detectores de radiación Las partículas emitas por substancias radiactivas constituyen lo que se denomina radiación. Estas partículas ionizan en medio a través de cual pasan. Los procesos de ionización y excitación permiten detectar la radiación. Históricamente, los primeros detectores fueron las placas fotográficas, el spintrastriscopio de Crookes, el electrómetro y la cámara de niebla. Cada uno de los detectores ha evolucionado con el tiempo. Varios tipos de detectores están disponibles para la medición de la radiactividad, los resultados se muestran como el numero de cuentas de las emisiones durante un periodo de tiempo fijo. La unidad estándar de la radiación gamma es el Roentgen (R). Esto es la cantidad de radiación que produce 2.083 x 1015 pares de iones por metro cubico a niveles normales de temperatura y presión. Las anomalías de radiación se expresan habitualmente en μR por hora (Kearey et al, 2002). Contador Geiger El Geiger (o Geiger-Muller) responde principalmente a las partículas beta. El elemento de detección es un tubo de vidrio sellado que contiene un gas, como el argón, a baja presión, además de una traza de un agente de enfriamiento como el vapor de agua, alcohol o metano. En el tubo un cátodo cilíndrico rodea a un ánodo axial delgado y la fuente de poder

mantiene una diferencia de potencial de varios cientos de voltios entre ellos. Después las partículas beta ionizan el gas y los iones positivos y electrones que se forman son acelerados hacia los electrodos. Esto causa pulsos de descarga a través de una resistencia de ánodo la cual, después de la amplificación, puede ser registrada como clicks, mientras un circuito de integración muestra el número de registros por minuto. El agente de enfriamiento suprime la emisión de electrones secundarios resultantes de los 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 con poca cobertura de suelo (Sharma, 1997). ESCINTILÓMETRO (CONTADOR DE CENTELLOS, SCINTILLOMETER). Es un instrumento que mide la radiación gamma y se utiliza en estudios radiométricos de la superficie. Hace uso del hecho que ciertos cristales de yoduro de sodio activados con talio que emiten un visible destello de luz cuando absorben rayos gamma. El escintilómetro puede ser detectado por tubos fotomultiplicadores, y después una amplificación adecuada puede ser leída en un medidor en cuentas por minuto. Los escintilómetros están disponibles para ser montados en transportes terrestres o aeronaves e interfaz de registros para obtener graficas de las tasas de conteo (Milsonm, 2003) ESPECTROMETRO DE RAYOS GAMMA El espectrómetro de rayos gamma es una extensión del escintilómetro que separa características de rayos gamma de isotopos de potasio, torio y uranio para la identificación del origen. El instrumento ordena los pulsos eléctricos del fotomultiplicador de acuerdo a su energía en tres o más rangos antes de grabar la tasa de arribo de cada pulso de los 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 de los registros de pozos. Los registros geofísicos inicialmente se enfocaban a la metodología de resistividad aparente y potencial espontáneo en cortes litológicos atravesados por perforaciones, usando lodos o agua. Los métodos radiactivos, que son de nuestro interés, fueron introducidos en 1939, por la Well Surveys Inc., y se comenzó por la medición de la radiactividad natural en 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 obtener mejores resultados en la exploración y explotación de petróleo, gas y otros recursos naturales. Esto es porque la información que se puede extraer de la naturaleza depende de los resultados de la investigación, y de la actualización 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 que proporcionan una fuente de información a detalle tanto para la búsqueda de petróleo, gas, como para la misma geología. Es de gran dificultad el poder entender con exactitud, los procesos por lo que se tiene que pasar, para poder finalmente tener un acumulación de petróleo o gas, es por esta razón que para su estudió es necesario el conjuntar la estratigrafía, la geología estructural, la paleontología, así como la geofísica, entre otras ciencias, en dónde está ultima, de acuerdo a los avances tecnológicos, tiene que estar en constante desarrollo. Una amplia variedad de parámetros físicos se pueden medir utilizando herramientas en un pozo de exploración de petróleo. Estos dan información sobre la litología. La porosidad, y la saturación de agua y petróleo. Registros radiométricos hacen uso de cualquier radiactividad natural producida por isótopos inestables, o radiactividad inducida por el

bombardeo de núcleos estables con rayos gamma o neutrones. Las principales emisiones radiactivas de interés en geofísica de pozos son los rayos gamma y neutrones. Otros productos radioactivos como las partículas alfa y partículas beta tienen una pequeña penetración en la rocas lo que las hace inútiles para los registros. Registro de neutrones Para este registro, se utiliza una fuente radiactiva que emita neutrones. Estos chocan con los núcleos de los materiales de formación, y tienen como consecuencia la perdida de energía. La mayor pérdida de energía se produce cuando el neutrón choca con un núcleo de hidrógeno, y así la pérdida total de energía depende principalmente de la cantidad de hidrógeno presente, ya sea en aguas de formación, hidrocarburos, o agua ligada a minerales de arcilla, yeso, etc. El detector mide el importe de los dispersos neutrones de baja energía o de los rayos gamma emitidos cuando estos neutrones son capturados por otros núcleos (Mares, 1984). Registros gamma El método radiactivo más simple en geofísica de pozos es el Registro Gamma. Esta herramienta responde a la radiación gamma natural emitida espontáneamente por isótopos radiactivos de Uranio, Torio y Potasio en las formaciones. Las herramientas del espectro de rayos gamma son capaces de distinguir entre los isótopos de origen (Mares, 1984). Mediciones de actividad de rayos gamma en las rocas incluye medición de la actividad total y espectrometría de rayos gamma. Estas mediciones se llevan a cabo con escintilómetro y el espectrómetro de rayos gamma. Estos dispositivos registran las cantidades que tienen una energía más alta que el nivel de detección del radiómetro (Mares, 1984). La distribución de U, Th y K varia extensamente en la corteza continental y también 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 de correlación. Esta técnica es usada principalmente para correlacionar estratos sedimentarios en prospección de petróleo. Generalmente, lutitas y areniscas arcillosas muestran una muy alta radiactividad, mientras que caliza, arenas de cuarzo, etc., tienen baja radiactividad. Así, en un registro de rayos gamma los puntos más altos en la intensidad corresponden a lutitas mientras que los puntos bajos indican la presencia de de formaciones no arcillosas (Parasnis, 1997).

La respuesta final del perfil, tiene que ser corregida por diversos efectos. En su paso por la formación los rayos gamma pierden energía por colisiones, esto se denomina Efecto Compton, y son absorbidos por los átomos de la formación liberando electrones, Efecto Fotoeléctrico. El grado de absorción varía con la densidad de la formación. De dos formaciones con la misma cantidad de material radiactivo por unidad de volumen, pero de diferente densidad, la menos densa tiende a ser más radioactiva en el Perfil de Rayos Gamma (Villegas y Jhon, 2005). Espectrometría de rayos gamma La técnica de rayos gamma espectral mide tanto la energía total sin diferenciar, así como el nivel de energía de cada rayo gamma que ha sido detectado; se discrimina el total de los rayos gamma en niveles de energía, 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 e identificar zonas de fracturas potenciales (Kobr et al, 2005).