Явление радиоактивности обладает большими возможностями для применения в геофизических исследованиях скважин. Природные радиоактивные изотопы тория, урана, радия и актиния превращаются в более устойчивые элементы. В процессе радиоактивного распада излучаются альфа-(α), бета-(β) и гамма-(γ) частицы. Альфа- и бета-частицы несут заряд и довольно быстро поглощаются окружающей средой. Гамма-излучение же проникает глубоко, поэтому оно используется для исследования скважин.
Естественное гамма-излучение вызывается главным образом радиоактивными изотопами урана, тория, калия и различными продуктами их распада. Радиоактивность измеряется при помощи медленно перемещаемого прибора, заключающего гамма-детектор, обычно это сцинтилляционный счетчик. Гамма-лучи, достигающие счетчика, вызывают в кристалле-сцинтилляторе слабую вспышку света, которая перехватывается фотоэлектронным умножителем, посылающим электрический ток в находящееся на поверхности регистрирующее устройство. Сила принимаемого электрического тока пропорциональна радиоактивности пород, пересекаемых скважиной. Поскольку гамма-излучение радиоактивных изотопов — случайное явление, точность отсчета возрастает, если прибор находится в данном положении длительное время.
Каротаж с использованием естественного гамма-излучения применяется для корреляции геологических разрезов скважин и их диалогической интерпретации. Особенно ценен этот вид каротажа для скважин, обсаженных трубами, так как металл незначительно влияет на излучение. Каких-либо универсальных правил интерпретации литологических данных гамма-каротажа не существует, однако опыт ограниченных районов позволяет создавать региональные критерии интерпретации этих данных. Повышенную гамма-активность имеют сланцы, обогащенные органическим веществом. Очень высокой гамма-активностью могут обладать риолитовые туфы и некоторые типы песчаников. Глинистые сланцы, сланцевые известняки и сланцевые песчаники имеют умеренную гамма-активность. Низкая гамма-активность обычно свойственна песчаникам, известнякам и доломитам. Каменная соль и уголь слабоактивны.
Гамма-каротаж используется также для контроля глубины скважин при их сооружении. С этой целью обсадные трубы оборудуются датчиками радиоизлучений, которые служат глубинными реперами. При цементации затрубного пространства в цементную массу добавляют соответствующее радиоактивное вещество; производя затем гамма-каротаж скважины, определяют высоту, на которую оказался поднят цемент в затрубном пространстве.
Естественный нейтронный поток имеет очень малую плотность, поэтому для каротажа скважин могут быть использованы искусственно продуцированные нейтроны, что не требует введения поправок на естественный радиоактивный фон. Наиболее удобными источниками искусственного нейтронного излучения служат бериллий и такие активные альфа-излучатели, как плутоний, полоний и радий. Испускание нейтронов происходит в результате поглощения бериллием альфа-частиц. Вылетая из источника, нейтроны обладают большой скоростью, которая благодаря воздействию окружающей среды постепенно замедляется до скорости, когда нейтроны становятся тепловыми, после чего они поглощаются. Особенно сильно движение нейтронов замедляется под воздействием ядер атома водорода, входящего в состав молекул воды, минералов и углеводородов. В природных средах, окружающих скважину, нейтроны поглощаются ядрами калия, железа, хлора и других элементов. Процесс захвата нейтронов ядрами атомов сопровождается образованием гамма-излучения. Нейтронный каротаж основан на измерении искусственно вызванного гамма-излучения либо на регистрации медленных нейтронов. Счетчик экранируется от источника излучения, поэтому большая часть нейтронов или гамма-лучей, поступающая в счетчик, проходит через изучаемую среду. Если среда состоит преимущественно из водорода, вызывающего замедление и захват нейтронов около источника, счетчик зарегистрирует низкий уровень активности. При небольшом содержании природного водорода в окружающей среде нейтроны проникнут к счетчику, который зарегистрирует высокий уровень активности. Поскольку природный водород заключен главным образом в воде, активность, отражаемая на каротажной диаграмме, будет обратно пропорциональна водосодержанию природной среды, окружающей скважину. Если окружающие породы полностью насыщены водой, можно считать, что регистрируемая активность обратно пропорциональна пористости пород.
Нейтронный каротаж широко используется для измерения колебаний влажности в ненасыщенной зоне, расположенной выше уровня грунтовых вод. Для работы на небольших глубинах разработана легкая портативная аппаратура. Основные преимущества данного метода — относительная быстрота и точность, а также возможность измерений без нарушения структуры исследуемого грунта, за исключением небольшой зоны, в которой бурится отверстие малого диаметра для установки прибора.
Как и при других типах каротажа, нейтронный каротаж успешно используется для корреляции и литологической интерпретации геологических разрезов скважин. По сравнению с другими типами каротажа нейтронный каротаж и гамма-каротаж являются более гибкими методами. Они осуществимы в скважинах, обсаженных трубами, и в скважинах, пробуренных с помощью таких флюидов, как воздух и нефть, т. е. в условиях, когда применение обычного каротажа затруднено.
При нейтронном каротаже необходимо учитывать поправку на диаметр скважины, а в случае если она обсажена,— на конструкцию обсадной колонны. С этой целью рекомендуется выполнять непрерывный каротаж диаметра ствола скважины или, как его часто называют, кавернометрию. Некоторые породы, например бентонитовые сланцы, обладают повышенной способностью к образованию каверн в процессе бурения. При этом размер каверн может быть вдвое больше диаметра долота, которым производится бурение.
