Радиометрические исследования скважин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Ядерно-физические методы ГИС основаны на изучении естественных н искусственных полей радиоактивных излучений в скважине. Существуют интегральные методы, при которых регистрируется общая интенсивность излучения, и их спектральные модификации, с помощью которых исследуют энергетические спектры излучений и оценивают содержание в горных породах отдельных элементов. Ядра некоторых изотопов могут самопроизвольно превращаться в ядра других элементов. Этот процесс называется радиоактивностью. Превращение ядра обычно происходит путем излучения альфа- или бета-частицы (б- и в-распад), реже наблюдается захват ядром одного из электронов оболочки атома (К-захват). Каждый вид распада сопровождается испусканием гамма-квантов. Альфа- и бета-лучи представляют собой соответственно поток ядер гелия (т.е. частиц, состоящих из двух протонов и двух нейтронов) и поток быстрых электронов. Проходя через вещество, они замедляются, затрачивая энергию на ионизацию атомов. Пробег бета-частиц в твердых телах и жидкостях составляет обычно не более нескольких миллиметров; пробег альфа-частиц в несколько сот раз меньше. Гамма-лучи представляют поток «частиц» (квантов) высокочастотного электромагнитного излучения наподобие света, но с гораздо меньшей длиной волны, т.е. с большей энергией кванта. Пробег гамма-квантов в веществе в несколько десятков раз больше пробега для бета-частиц той же энергии. Для понимания зависимости показаний многих радиоактивных методов исследования скважин от свойств горных пород необходимо представить себе закономерности прохождения гамма-квантов через вещество. Для тех энергий, которые встречаются при радиометрии скважин (до 10 МэВ), существенны три типа взаимодействия: фотоэлектрическое поглощение, эффекты образования пар и рассеяния гамма-квантов. При фотоэлектрическом поглощении (фотоэффекте) гамма-квант исчезает вследствие передачи всей его энергии одному из электронов атома. Комптоновское рассеяние (эффект Комптона) происходит в результате соударения кванта с одним из электронов. Гамма-квант передает часть своей энергии электрону и изменяет направление своего движения. Эффект образования пар сводится к исчезновению кванта с образованием пары частиц - электрона и позитрона.

1. Методы естественной гамма-активности

Методы естественной гамма-активности - интегральный (ГМ) и спектральный (ГМ-С) - изучают естественную радиоактивность пород, вскрытых скважиной. Естественная радиоактивность обусловлена, в основном, присутствием урана 238U и продуктов его распада, радия Ra, тория Th и радиоактивного изотопа калия 40К. Остальные радиоактивные элементы имеют большие периоды полураспада и низкие концентрации. Как отмечалось в гл. 5, среди магматических пород наиболее высокой радиоактивностью обладают кислые и средние. Радиоактивность метаморфических пород, как правило, высока за счет значительного содержания в них 40К. Радиоактивность осадочных пород колеблется в широких пределах. Пониженной радиоактивностью отличаются хемогенные отложения (ангидрит, гипс, галит), чистые пески, песчаник, известняк и доломит. Максимальной радиоактивностью обладают глины, глинистые и битуминозные сланцы, фосфориты, а также калийные соли. Поэтому интегральный гамма-метод (ГМ) применяют для идентификации этих отложений. Радиоактивность других терригенных пород характеризует степень их глинистости, а карбонатных - содержание мелкодисперсного материала (нерастворимого остатка). В отдельных случаях ГМ не может дать правильного представления о литологии пород, обладающих повышенной радиоактивностью. Например, чистые песчаники, в том числе коллекторы нефти или газа, могут быть приняты за глинистые или за - глинизированные разности, если они обогащены монацитовыми, карнатитовыми, глауконитовыми и другими ураноносными или ториеносными минералами. Иногда радиоактивность горных пород повышается за счет насыщения их ураносодержащими водами, органическими или фосфатными веществами. В этих случаях литологическая характеристика определяется спектральным гамма-методом (ГМ-С), позволяющим дифференцированно оценить содержание урана, тория и калия. Повышенное содержание урана в карбонатах указывает на наличие радиоактивных пластовых вод, органики или фосфатных веществ, повышенное содержание тория и калия - на глинистость карбонатов. В энергетическом спектре излучения песчаников, содержащих радиоактивные минералы, как правило, превалирует ториевая составляющая. Регистрируемые в зависимости от глубины диаграммы гамма-методов (как и всех вообще радиоактивных методов) осложнены флуктуациями, обусловленными статистическим характером излучения (Для снижения влияния флуктуации измерительный тракт аппаратуры содержит накопители импульсов, позволяющие усреднить их число за определенный промежуток времени. Однако наличие накопителей, являющихся инерционными элементами, приводит к искажению диаграмм - их несимметричности относительно центра пласта - и занижению показаний в пластах малой и средней мощности. Искажения тем больше, чем больше скорость подъема скважинного прибора и время накапливания. Радиус исследований как ГМ, так и ГМ- С не превышает 50 см. Поэтому радиоактивность ближней зоны, скважинной жидкости, цемента и т.д. оказывает на них существенное влияние. Методика интерпретации предусматривает внесение поправок за влияние этих зон, а также параметров накопителя, скорости движения прибора и т.д. ГМ применяют для решения следующих задач: расчленения и корреляции осадочных толщ по степени их глинистости; выделения некоторых полезных ископаемых (урановых, марганцевых, свинцовых руд, бокситов, апатитов, фосфоритов и т.д.); выделения коллекторов нефти, газа и пресных вод, залегающих среди глинистых вмещающих пород; оценки коллекторских свойств, зависящих от глинистости пород. ГМ-С применяют для корреляции «немых» толщ, а также для детального литологического расчленения осадочных пород в тех случаях, когда их радиоактивность не связана с глинистостью.

Диаграммы ГМ: а-диаграмма содержания радиоактивных элементов в горной породе; б - фактическая диаграмма ГМ

2. Гамма-гамма методы (ГГМ)

ГГМ основаны на измерении интенсивности искусственного гамма-излучения, рассеянного горной породой. В качестве источников гамма-квантов используют радиоактивные изотопы, энергия излучения которых лежит в диапазоне 20 кЭВ - 1,33 МэВ. Как известно, в этом диапазоне наиболее вероятны два вида взаимодействия гамма-квантов с веществом: комптоновское рассеяние и поглощение в результате фотоэффекта, причем при энергиях больше 0,5 МэВ фотоэффект практически не происходит. Число рассеянных гамма-квантов Iгг в ГГМ зависит, в основном, от плотности горной породы у, а их поглощение - от ее эффективного атомного номера Zэф и в меньшей степени от плотности. Блок-схема скважинного прибора ГГМ при - ведена на рис. 2. Гамма-кванты 6 и 7 вылетают из источника 2 через специальное коллимационное отверстие в свинцовом или стальном экране 1, по-падают в породу и, рассеиваясь ею, изменяют на - правление. Некоторые из них (6) через второе коллимационное отверстие в экране попадают в детектор 3. При энергиях выше 0,5 МэВ их число обусловлено, в основном, плотностью породы, при низких энергиях существенную роль играет поглощение гамма-квантов за счет фотоэффекта. Мешающее влияние промывочной жидкости устраняют за счет прижатия прибора к стенке скважины прижимным устройством 8. Существуют две модификации ГГМ - плотностная ГСМ-П и селективная ГГМ-С. В методе ГГМ-П энергетические диапазоны излучаемого и регистрируемого гамма-излучения лежат в области комптон-эффекта. В результате интенсивность Диаграммы ГМ. а-диаграмма содержания радиоактивных элементов в горной породе; б - фактическая диаграмма ГМ Рис. 2 Блок-схема скважинно - го прибора ГГМ. 1 - экран; 2 - источник; 3 - детектор; 4 - блок электроники; 5 - кабель; 6-7 - рассеянные гамма - кванты; 8 - прижимное устройство гамма-излучения обусловлена плотностью вещества и мало зависит от атомного номера (химического состава). Метод ГГМ-С основан на регистрации мягкой (низкоэнергетической) части вторичного гамма-излучения, интенсивность которого обусловлена, в первую очередь, атомным номером вещества, т.е. его химическим составом. Для реализации ГГМ-С применяют источники низких энергий, например, тулий, испускающий кванты энергий 52 и 84 кэВ, или специальные пороговые устройства, позволяющие регистрировать только мягкие гамма-кванты. Влияние плотности устраняют применением двухзондовых устройств или учитывают за счет комплексного применения ГГМ-С и ГГМ-П. Зависимости интенсивности регистрируемого излучения от плотности и атомного номера вещества имеют инверсионный характер, т.е. с ростом плотности или эффективного атомного номера (Zэф) интенсивность вторичного излучения уменьшается из - за поглощения веществом части рассеянных гамма-квантов (фотоэффект). ГГМ обладают малой глубинностью, в связи с чем на их показания большое влияние оказывают глинистая корка и каверны. По этой же причине их нельзя применять для определения параметров горных пород в обсаженных скважинах. ГГМ-П применяют для литологического расчленения разрезов скважин. В благоприятных условиях он позволяет идентифицировать угольные пласты и оценивать их зольность. Также его используют для выделения хромитовых руд среди змеевиков и серпентинитов, колчеданных, марганцевых и железных руд, бокситов, флюоритов, полиметаллических руд и калийных солей. В нефтегазовых скважинах ГГМ-П применяют для оценки пористости горных пород при известном литологическом составе. Коэффициент пористости kП и плотность у связаны следующим соотношением

у = (1? k)*у + k*у

где уСК, уЖ - плотность скелета горной породы и насыщающей ее жидкости соответственно. Данные ГГМ-П используют, кроме того, для изучения технического состояния обсаженных скважин, в первую очередь - для контроля доброкачественности колонны и цементного камня. ГГМ-С применяют для выделения рудных пластов и оценки их продуктивности. В нефтегазовых скважинах ГГМ-С совместно с ГГМ-П позволяет детализировать литологию разреза по степени содержания в горных породах кальция, обладающего большим атомным номером. При этом выделяют известняки, доломиты, чистые и кальцитизированные терригенные разности.

Блок-схема скважинного прибора ГГМ: 1 - экран; 2 - источник; 3 - детектор; 4 - блок электроники; 5 - кабель; 6-7 - рассеянные гамма-кванты; 8 - прижимное устройство

3. Нейтронные методы

радиоактивность скважина нейтронный

Методы, при которых горная порода облучается нейтронами, носят название нейтронных. Нейтронные методы различаются видом регистрируемого вторичного излучения, вызванного воздействием на породу первичных нейтронов источника, а также режимом источника. Источник может быть импульсным, т.е. испускать нейтроны в течение небольших интервалов времени, между которыми источник выключен, или же стационарным, т.е. излучать нейтроны практически непрерывно. Соответственно говорят об импульсных (ИНМ) и стационарных нейтронных методах (НМ).

В различных методах могут регистрироваться либо нейтроны, рассеянные ядрами атомов горной породы (нейтрон-нейтронный метод), либо гамма-излучение радиационного захвата нейтронов (нейтронный гамма-метод), или, наконец, гамма-излучение искусственных радиоактивных изотопов, образующихся при поглощении нейтронов ядрами (нейтронный активационный метод).

Установка для любого нейтронного метода содержит источник нейтронов и соответствующий детектор нейтронов или гамма-квантов (в зависимости от метода), расположенный на некотором расстоянии от источника, называемом размером (длиной) зонда. Между источником и детектором размещается фильтр, задерживающий прямое излучение от источника.

Стационарные нейтронные методы входят в обязательный комплекс ГИС разведочных скважин. Импульсные методы используются преимущественно в обсаженных скважинах.

Гамма-нейтронный метод (ГНМ)

ГНМ основан на измерении интенсивности тепловых нейтронов, которые возникают, если энергия бомбардирующих гамма-квантов превышает энергию связи нейтронов в ядре. Наименьшей энергией связи в горных породах обладают ядра бериллия (1,666 МэВ) и дейтерия (2,226 МэВ). На практике ГНМ применяют для поисков месторождений бериллия. Существует принципиальная возможность определения положения водонефтяного контакта, основанная на том, что дейтерия в нефти примерно в 1,5 раза больше, чем в воде. Однако характерный для ГНМ малый радиус исследования и наличие в коллекторах зон проникновения пока затрудняют применение этого метода на практике.

Стационарные нейтронные методы ГИС

Стационарные нейтронные методы ГИС заключаются в облучении породы стационарными потоками быстрых нейтронов (энергия больше 0,5 МэВ) и регистрации плотности нейтронов, замедлившихся до надтепловых или тепловых энергий или гамма-квантов, возникающих при захвате тепловых нейтронов ядрами атомов (радиационный захват). Для получения нейтронов обычно используют реакции поглощения альфа - частиц ядрами некоторых элементов. В промыслово-геофизической практике чаще всего применяют ампульные источники, излучателем в которых служит полоний, а в качестве мишени применяют бериллий. Средняя энергия нейтронов при этом 2,7 МэВ. Тепловыми считают нейтроны с энергией 0,025-0,01 эВ. Нейтроны несколько более высоких энергий - до сотен электрон-вольт называют надтепловыми. Наибольшей замедляющей способностью обладают элементы, масса ядра которых близка к массе нейтрона. Поэтому аномальным замедлителем является водород. Высокой замедляющей способностью обладают углерод и бериллий. Концентрации этих элементов и обусловливают плотность надтепловых нейтронов в точках среды (пространственное распределение надтепловых нейтронов). Тепловые нейтроны относительно легко захватываются элементами-поглотителями. Аномальные поглотители - хлор, бор, кадмий, литий, железо, марганец. Пространственное распределение тепловых нейтронов зависит как от концентрации замедлителей, так и от концентрации элементов - поглотителей. От этих же факторов зависит и пространственное распределение гамма - квантов радиационного захвата. Однако зависимости эти различны. Например, увеличение концентрации хлора приводит к снижению плотности тепловых нейтронов и росту числа квантов радиационного захвата, так как акт поглощения сопровождается излучением нескольких гамма-квантов. При этом каждый элемент имеет характерный спектр энергий гамма-квантов. Это дает возможность идентифицировать химические элементы, слагающие разрез. Выше указывалось, что нейтронные свойства пород характеризуются длиной замедления и длиной диффузии или средним временем жизни тепловых нейтронов. Следует отметить, что эти свойства, а также энергетический спектр гамма-излучения радиационного захвата зависят только от концентрации соответствующих элементов, но не от их химических связей. Таким образом, можно реализовать четыре метода, основанных на взаимодействии стационарных потоков нейтронов с веществом:

1) нейтрон-нейтронный метод по надтепловым нейтронам (ННМ-НТ);

2) нейтрон-нейтронный метод по тепловым нейтронам (ННМ-Т);

3) нейтронный гамма-метод (НГМ)

4) нейтронный гамма-метод спектральный (НГМ-С).

При реализации каждого из них излучаются быстрые нейтроны, а регистри - руются, соответственно, надтепловые нейтроны, тепловые нейтроны, вторичные гамма-кванты. Изучают соответствующие пространственные распределения. Первые три метода интегральные, последний - спектральный. Блок-схема скважинного прибора для всех четырех методов аналогична (рис.).

Блок-схема скважинного прибора нейтронного каротажа (а) и диаграммы зависимости плотности надтепловых нейтронов / от расстояния г до источника (б). 1 - источник быстрых нейтронов; 2 - парафиновый экран; 3 - свинцовый экран; 4-детектор нейтронов; 5 - детектор гамма - квантов; 6 - блок электроники; 7 - расстояние L между источником и детектором нейтронов. Шифр кривых - kП

Прибор содержит источник быстрых нейтронов 1 и парафиновый экран 2. Парафин является водородосодержащим веществом, приводящим к быстрому замедлению прямого (идущего не через горную породу) потока нейтронов до тепловых энергий. Гамма-излучение радиационного захвата, возникающее в парафине, ослабляется свинцовым экраном 3. Далее расположен детектор 4 соответствующего типа - надтепловых нейтронов, тепловых нейтронов или гамма-квантов. В верхней части прибора расположен детектор 5 для регистрации естественного гамма-излучения. Наличие удаленного от источника детектора 5 позволяет одновременно с нейтронными характеристиками среды изучать ее естественную радиоактивность, т.е. реализовать гамма-метод (ГМ). Описываемые приборы являются, таким образом, двухканальными. Информация от обоих каналов подается на поверхность по каротажному кабелю с помощью электронного блока 6. Наряду с самостоятельным значением, показания канала ГМ необходимы для корректировки показаний канала НГМ, так как гамма - кванты радиационного захвата (полезная информация) суммируются в нем с гамма - квантами естественного происхождения (фон). Изменения плотностей надтепловых и тепловых нейтронов, а, следовательно, и гамма-квантов радиационного захвата по мере удаления от источника нейтронов зависят от концентрации замедлителей и поглотителей (см. рис 2.2). В средах с большой их концентрацией, где малы длина замедления, диффузионная длина и среднее время жизни, соответствующие плотности на малых расстояниях от источника значительны, а на больших - малы (см. гл. 5). В средах с малыми концентрациями плотности снижаются медленно и значительны даже на больших расстояниях от источника. Точку U, в которой при больших и малых концентрациях показания совпадают, называют точкой инверсии. Протяженность детекторов и наличие в скважинном приборе экранов приводят к тому, что детектор 4 расположен за точкой инверсии. Поэтому среды с большой концентрацией замедлителей, например пористые нефтеносные пласты, отличаются на диаграммах нейтронных методов пониженными показателями, а пласты плотные, низкопористые - повышенными. Зонды нейтронных методов, детекторы в которых расположены за точкой инверсии, называют заинверсионными. В осадочных горных породах, поры которых насыщены водой, нефтью или газом, общее содержание водорода оценивают водородным индексом, который равен отношению объемной концентрации атомов водорода в данной среде к его концентрации в пресной воде при нормальных условиях. В горных породах эту величину именуют эквивалентной влажностью щ. Для пресной воды щв = 1, для нефтей щн ? щв = 1. Для чистых, не содержащих химически связанной воды пород, насыщенных водой (щвп) или нефтью с водой (щнп), щнп ? щвп = kп щв=kп, т.е. водородный индекс таких пород равен их пористости. Для газа щг < щв ? щн, поэтому на диаграммах нейтронных методов газонасыщенные пласты отмечаются более высокими амплитудами (кажутся более плотными), чем равные им по пористости нефтеводонасыщенные. Именно кажущееся увеличение плотности (реальную плотность оценивают с помощью ГГМ-П) позволяет идентифицировать газоносные пласты. В глинистых коллекторах, скелет которых со - держит химически связанную воду щнп ? щвп= kп+kглщсв, где kгл - коэффициент глинистости. Такое же явление наблюдается в загипсованных породах. Применение заинверсионных зондов обусловливает обратную, близкую к экспо - ненциальной зависимость показаний нейтронных методов от водородсодержания. Для примера на рис. 2.3 приведена соответствующая зависимость для плотности надтеп - ловых нейтронов. Когда поровое пространство заполнено минерализованной водой, изменение водородсодержания сопровождается изменением хлоросодержання. В результате зависимость между интенсивностью регистрируемого излучения и коэффициентом пористости для ННМ-Т и НГМ изменяется, причем для НГМ ее график с ростом хлоросодержания выполаживается и даже изменяет знак (рис. 2.3). В принципе это явление при минерализации воды более 100 г./л может быть использовано для нахождения положения водонефтяного контакта, так как хлоросодержание водоносной части пласта много выше, чем нефтеносной. Однако если зона проникновения велика (превышает два диаметра скважины), обнаружить положение водонефтяного контакта, как правило, не удается. В этих условиях все три интегральных нейтронных метода применяют лишь для определения пористости. Независимость показаний ННМ-НТ от хлоросо - держания (в частности, хлоросодержания промывочной жидкости) является, таким образом, его преимуществом перед ННМ-Т и НГМ. Вместе с тем, радиус исследования у ННМ-НТ меньше, чем у ННМ-Т, а у ННМ-Т - чем у НГМ. Нейтронные методы позволяют решать следующие задачи: литологическое расчленение разреза; определение пористости пород; определение положения газожидкостного контакта. Методы ННМ-Т и НГМ позволяют определить местоположение водо-нефтяного контакта при значительной минерализации пластовых вод и небольшой зоне проникновения, а также в обсаженных скважинах на основе наблюдений за расформированием зоны проникновения. Методы ННМ-НТ и ННМ-Т применяют при поисках угольных пластов (уголь содержит до 12% водорода) и для выделения пород с высоким содержанием бора. Метод ННМ-Т используют для выделения в разрезах скважин пород, содержащих элементы с большим сечением захвата: ртути, лития, хлора, кобальта, вольфрама, марганца, сурьмы, кадмия и некоторых редкоземельных. Железо, марганец, ртуть и хромиты идентифицируются НГМ. Метод НГМ целесообразно использовать при поисках углей, поскольку его показания меньше зависят от диаметра скважины, чем показания ГГМ-П. Это позволяет определять зольность углей с точностью 5-8% даже при наличии хлоридных пород. Метод также применяют для оценки водоносности и пористости в гидрогеологических и инженерно-геологических скважинах. Необходимо еще раз подчеркнуть, что НГМ следует применять в комплексе с ГМ, чтобы исключить из общего числа зарегистрированных гамма-квантов те, которые вызваны естественной радиоактивностью. Нейтронный гамма-метод спектрометрический (НГМ-С) применяют для определения положения водонефтяного контакта по хлору, для поисков железных, хромитовых, марганцевых, никелевых и других руд. Реализация НГМ-С сопряжена с серьезными техническими трудностями.

радиоактивность скважина естественный нейтронный

Зависимость Iпн = f(щ) Зависимость Iпг = f(щ). Шифр кривых - минерализации воды (концентрация хлора), г/л

Импульсные нейтронные методы (ИНМ)

При импульсных нейтронных методах горную породу облучают кратковременными (длительностью Дф = 1-200 мкс) потоками быстрых нейтронов, следующими через промежутки времени ф. Регистрацию плотности тепловых нейтронов или гамма - квантов радиационного захвата, осуществляют через определенный промежуток времени задержки фз. Существуют импульсный нейтронный гамма-метод (ИНГМ) и импульсный нейтрон-нейтронный метод (ИННМ). Большее распространение получил ИННМ. Импульсный режим излучения достигается применением малогабаритных скважинных ускорителей, в которых ионы разгоняются до высоких скоростей в магнитном поле большой напряженности. Бомбардируя специальную мишень, они выбивают быстрые нейтроны, имеющие энергию 14,1 МэВ. Столь высокая энергия обеспечивает глубинность исследования до 60-70 см, что больше, чем при использовании стационарных источников. Кроме того, при отключенном электропитании импульсный источник не излучает и, следовательно, безопасен. Этим не исчерпываются преимущества импульсных методов. При ИНМ процессы замедления и диффузии происходят как бы последовательно во времени и могут быть исследованы раздельно в зависимости от времени задержки регистрации. Интенсивность регистрируемого излучения во время замедления (до 102 мкс) характеризует водородосодержание горных пород, во время диффузии (102 -104 мкс) - концентрацию поглотителей. Существенно, что время жизни тепловых нейтронов в скважине меньше, чем в породе, а в пластах, насыщенных минерализованной водой, оно меньше, чем в нефтенасыщенных пластах. Это позволяет, применив соответствующие задержки (более 800 мкс), получить информацию, не зависящую от влияния скважинной жидкости и характеризующую тип порозаполнителя. Определение положения водонефтяного контакта импульсными нейтронными методами возможно при концентрации солей более 30 г./л, в то время как в стационарных методах эта величина не менее 100 г./л. В принципе, ИНМ решают те же задачи, что и стационарные методы, однако эффективность решения выше. К недостаткам ИНМ следует отнести сложность аппаратуры и малую скорость проведения каротажа.

Размещено на Allbest.ru