Радиоактивные методы исследования скважин. Гамма метод (ГМ,GR). Физические основы методов, область применения, решаемые задачи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Радиоактивные методы исследования скважин. Гамма метод (ГМ,GR). Физические основы методов, область применения, решаемые задачи

В глубинном зонде ядерных методов помещаются счетчики гамма- или нейтронного излучения и предварительные усилители сигналов на их выходе. Для искусственных методов там же располагаются источники и экраны, препятствующие прямому облучению счетчика.

В гамма-методах экраны свинцовые, в нейтронных методах они парафиновые (рисунки1,2). В глубинных приборах, кроме датчиков поля, размещаются электронные усилители электрических сигналов и блоки питания. Корпуса их герметичные, термостойкие, баростойкие. Ядерные исследования скважин подразделяются на методы изучения естественной радиоактивности (гамма-метод) и искусственно вызванной радиоактивности, называемые ядерно-физическими или ядерно-геофизическими (гамма-гамма и нейтронные методы).

1 - источник гамма-лучей или нейтронов; 2 - условные пути движений гамма-лучей или нейтронов; 3 - экран; 4 - счетчик; 5 - блок питания; 6 - предварительный усилитель; 7 - кабель;8 - усилитель; 9 - регистратор; 10 - глина; 11 - известняки; 12 - пески

Рисунок 1.Схема устройства глубинного прибора для искусственного ядерного каротажа.

1 - стальной экран; 2 - свинцовый экран; 3 - парафин (или другой материал с высоким водородосодержанием); L3 - длина зонда; О - точка записи результатов измерений; I - индикатор у-излучения; II - источник у-излучения; III - индикатор плотности нейтронов; IV - источник нейтронов

Рисунок 2. Схема установок радиоактивного каротажа: а - ГК; б - ГГК; в - НГК; г-НН-К.

Низкой радиоактивностью обладают кварц, кальцит, гипс, каменная соль и др. В этой классификации радиоактивность соседних групп возрастает примерно на порядок.

Гамма - метод (ГК, GR). Физические основы метода, область применения, решаемые задачи. Исследование скважин гамма- методом (ГМ) заключается в регистрации кривой изменения интенсивности естественного гамма-излучения пород I в разрезе скважины при перемещении в ней радиометра. Работы проводят с помощью скважинных радиометров. Электрические сигналы, пропорциональные интенсивности гамма-излучения, передаются с них по кабелю в каротажную станцию, где и осуществляется их автоматическая регистрация.

В результате гамма - каротажа записывается непрерывная кривая, или диаграмма, интенсивности гамма-излучения (I). Величина I измеряется в импульсах за минуту или в микрорентгенах в час (гаммах). Поскольку распад ядер является случайным процессом, то интенсивность гамма-излучения колеблется около среднего уровня, испытывая статистические флуктуации. На диаграммах гамма - каротажа выявляются пласты с разной степенью радиоактивности. Максимумами выделяются породы и руды, содержащие уран, радий, торий, калий-40 и другие радиоактивные элементы, а также граниты, глины; минимумами - песчаные и карбонатные породы.

Форма кривых ГК. Теоретические кривые интенсивности I гамма-излучения получены для одиночного пласта мощностью h с повышенной гамма-активностью qп, залегающего в породах с активностью Iвм (qп > qвм), в скважине диаметром dc, заполненной неактивным буровым раствором.

а - теоретические кривые ГК в скважине при различной мощности пластов (шифр кривых -- h в м); б - практические кривые GR при mах и min

Рисунок 3. Теоретические и практические кривые GR.

Такое снижение аномалии ухудшает характер диаграммы. Вместе с тем при увеличении уменьшается дорожка статистических флуктуаций, что улучшает форму кривой I. Обычно выбирают оптимальный режим записи, при котором правила первичной практической обработки диаграммы I сводятся к следующему:

-для определения границ пластов используют точки начала подъема кривой в подошве и начала спада кривой в кровле пласта повышенной радиоактивности (для пласта низкой радиоактивности - наоборот);

-для приведения показаний в пласте к условиям бесконечной мощности используют наблюденную аномалию I и коэффициент снижения амплитуды v:

Величину v находят по зависимости (рисунок 4) В геологии нефти и газа диаграммы ГМ используют для определения глинистости (рисунок 5). Диаграмму ГК эталонируют с использованием значений I в опорных пластах с минимальными Imin и максимальными Imax показаниями, выдержанных в пределах месторождения. Для каждого пласта вычисляют параметр:

Спектрометрия естественного гамма-излучения. Возможности РГЭ (радиогеохимический эффект) при контроле за вытеснением нефти водой значительно повышаются при использовании спектральной модификации гамма-каротажа (ГК-С) за счет более высокой чувствительности этого метода к радиоактивным элементам (40К, Th, U, Ra). Спектрометрический гамма-каротаж СГК (ГК-С) основан на изучении энергетических спектров естественного гамма излучения горных пород. «Калиевый» канал составляет 1,3-1,6 МэВ, «урановый» -1,95 МэВ, «ториевый» 2,4-2,8 МэВ. В результате количественно оцениваются концентрации и содержания радиоактивных элементов (в промиле (ррт) - 40K, Th, U). В основном СГК применяют для детального разделения (корреляции) разрезов.. Основные характеристики аппаратуры нейтронных методов и гамма метода приведены в таблице.

Таблица. Основные характеристики аппаратуры

= const (шифр кривых)

Рисунок 4. Зависимость величины vv и фиктивной мощности пласта hфик от истинной мощности h.

ядерный каротаж радиоактивность излучение

Рисунок 5. Обобщенные зависимости Jy =f (сгл) для осадочных пород

Контрольные вопросы

1. Что такое естественная радиоактивность?

2. Правила определения границ пластов по диаграммам ГК.

3. В чем заключается сущность гамма-каротажа?

4. Назовите основные естественные радиоактивные элементы.

5. Какие осадочные породы и почему обладают повышенной радиоактивностью?

6. Какие основные узлы входят в состав каротажных радиометров?

7. Как определяют по ГК содержание радиоактивных элементов?

8. Какие мешающие факторы учитывают при количественной интерпретации диаграмм ГК?

Гамма-гамма каротаж (ГГК-П, ГГК-С)

Модификации ГГК:

Плотностной ГГК (ГГК-П) - породы облучают источником жестких гамма-квантов. В качестве источника чаще всего используется радиоактивный изотоп цезия (137Cs) с энергией гамма-квантов 0,662 МэВ, а регистрируется рассеянное гамма-излучение с энергией более 0,3 МэВ. Основным процессом взаимодействия гамма-квантов с веществом горных пород при ГГК-П является комптоновское рассеяние. Вероятность рассеяния пропорциональна числу электронов па пути пучка гамма-квантов, а число электронов в единице объема породы пропорционально ее плотности.

Установлено, что если порода состоит из элементов, атомный номер которых меньше 30, то между интенсивностью рассеянного гамма-излучения и плотностью породы наблюдается обратная зависимость. Дифференцированность пород по плотности и наличие зависимости между их плотностью и пористостью позволяют проводить по данным ГГК-П литологическое расчленение разрезов скважин и оценивать пористость пород.

Селективный ГГК (ГГК-С) - породы облучают источником мягких гамма-квантов с энергией менее 0,3--0,4 МэВ (Se75, Tm160, Co157). Регистрируют мягкую компоненту гамма-излучения с энергией менее 0,2 МэВ. Преобладающим взаимодействием мягких гамма-квантов с веществом горных пород является фотоэффект, поэтому регистрируемая при ГГК-С интенсивность мягкого гамма-излучения зависит в основном от вещественного состава породы, а не от ее плотности.

Вероятность фотоэффекта резко возрастает при наличии в составе пород элементов с большим атомным номером. ГГК-С используется для выделения в разрезе скважин углей и пород, содержащих тяжелые элементы.

ГГК в обоих модификациях имеет малый радиус исследования (10 - 15 см), поэтому на его показания большое искажающее влияние оказывают скважинные условия: изменение диаметра скважины, толщина глинистой корки, плотность промывочной жидкости и т. д. Для уменьшения этого влияния применяют специальные двухзондовые приборы.

Блок-схема скважинного прибора ГГМ приведена на рисунке 1. Гамма-кванты 6 и 7 вылетают из источника 2 через специальное коллимационное отверстие в свинцовом или стальном экране 1, попадают в породу и, рассеиваясь ею, изменяют направление. 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.

Влияние плотности устраняют применением двухзондовых устройств или учитывают за счет комплексного применения ГГК-С и ГГК-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.

1 - экран; 2 - источник; 3 - детектор; 4 - блок электроники;

5 - кабель; 6,7 - рассеянные гамма-кванты; 8 - прижимное устройство

Рисунок 1. Блок-схема скважинного прибора ГГМ.

ГГК-П применяют для литологического расчленения разрезов скважин. В нефтегазовых скважинах ГГМ-П применяют для оценки пористости горных пород при известном литологическом составе. Коэффициент пористости Кп и плотность у связаны следующим соотношением:

,

где уСК, уЖ - плотности скелета горной породы и насыщающей ее жидкости.

Данные ГГК-П используют, кроме того, для изучения технического состояния обсаженных скважин, в первую очередь -- для оценки качества цементирования обсадной колонны.В нефтегазовых скважинах ГГМ-С совместно с ГГК-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.

Гамма-гамма-каротаж (ГГК) - один из важнейших методов исследования разрезов нефтегазовых скважин. ГГК применяется для количественного определения плотности и эффективного атомного номера горных пород.Установлено, что если порода состоит из элементов, атомный номер которых меньше 30, то между интенсивностью рассеянного гамма-излучения и плотностью породы наблюдается обратная зависимость.

Дифференцированность пород по плотности и наличие зависимости между их плотностью и пористостью позволяют проводить по данным ГГКП литологическое расчленение разрезов скважин и оценивать пористость пород. В связи с этим на диаграмме плотностного варианта ГГМ показания тем ниже, чем выше плотность изучаемой среды. Поскольку при постоянном минеральном составе (дск = const) пород плотность увеличивается с уменьшением пористости, диаграмма 1уу прямым образом отражает изменение кп (рисунок 2). Если зонд ГГМ не прижимается непосредственно к стенке скважины, между зондом и стенкой располагается слой бурового раствора или глинистой корки с плотностью, резко отличающейся от средней плотности пород. Это происходит обычно в пластах небольшой мощности с увеличением диаметра скважины (каверны) или в пластах-коллекторах с глинистой коркой. Влияние слоя низкой плотности на показания Iгг весьма существенно (рисунок 2), поэтому даже небольшие каверны отмечаются на кривой Iгг как пласты пониженной плотности. Штриховкой отмечены участки повышенных значений Iгг обусловленных кавернами.

Обработка и истолкование результатов ГГМ. При обработке диаграмм ГГМ и данных эталонировки для расчетов используют истинные значения Iгг, вычисленные по формуле:

где, IггР -- регистрируемая радиометром интенсивность;

Iгф -- гамма-излучение фона, которое включает и интенсивность естественного гамма-излучения пород.

В нефтяных и газовых скважинах для участков разреза с постоянной плотностью минерального скелета дск, определив дп по диаграмме ГГМ, зная плотность жидкости дж в породе, можно рассчитать общую пористость:

Рисунок 2. Сопоставление кривых ГГК-П и пористости Кп(керн)

Размещено на Allbest.ru