Проблемы правильной интерпретации данных радиометрических методов исследования скважин. Интегральный и спектральный гамма-каротаж

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оренбургский государственный университет, г. Оренбург

ПРОБЛЕМА ПРАВИЛЬНОЙ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ДАННЫХ РАДИОМЕТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ СКВАЖИН. ИНТЕГРАЛЬНЫЙ И СПЕКТРАЛЬНЫЙ ГАММА-КАРОТАЖ

Соколов А.Г., Халитова Э.Г.

В настоящее время в процессе развития мирового сообщества важную роль играет высшее профессиональное образование, которое определяет основы технического прогресса. Для того чтобы будущий специалист был конкурентоспособен и востребован в сфере своей профессиональной деятельности, он, прежде всего, должен быть широкопрофильным специалистом. Это подразумевает под собой наличие теоретических знаний не только в одной конкретной (определенной) области, например в геологии нефти и газа, но и вспомогательных знаний и навыков, которые позволят ему расширить круг решаемых задач.

Специалист-нефтяник в своей практической работе постоянно сталкивается с анализом результатов каротажа на любом этапе поисков, разведки и добычи нефти и газа. На вооружении геофизиков имеется в настоящее время множество методов. В зависимости от задач геолог должен выбрать наиболее оптимальный комплекс.

В ряду геофизических исследований скважин (ГИС) можно выделить радиометрические методы исследования скважин. Одним из них является гамма-каротаж (ГК) или гамма-метод, основанный на измерении вдоль ствола скважины интенсивности естественного гамма-излучения, возникающего в результате самопроизвольного распада радиоактивных элементов, содержащихся в горных породах.

В данной работе рассматривается гамма-метод и две его модификации: интегральный и спектральный гамма-каротаж.

С точки зрения истории, становление ядерно-геофизических методов относят к 20-м гг. 20 века, когда А.П. Кириковым, Л.И. Богоявленским в CCCP были заложены основы поисково-разведочной радиометрии. В дальнейшем, Георгий Николаевич Флёров совместно с Константином Антоновичем Петржаком открыл в 1940 спонтанное деление ядер урана-238. Под его руководством в 1951 разработаны методы и создана аппаратура для нейтронного и гамма-каротажа нефтяных пластов.

Активное освоение гамма-спектрометрических методов скважинной ядерной геофизики началось в России в 1980-1990 гг. Появились новые модификации приборов, и значительно возросло количество практических приложений радиоактивного каротажа. Выполненные ранее теоретические, экспериментальные и опытно-методические исследования предполагали большие возможности гамма-спектрометрических методов при изучении разрезов глубоких скважин и решении актуальных задач разведочной и нефтепромысловой геофизики.

С целью наиболее полного рассмотрения методов изучения естественной радиоактивности в скважинах остановимся на основных понятиях.

Радиоактивность горных пород и руд тем выше, чем больше концентрация в них естественных радиоактивных элементов семейств урана, тория, а также калия-40. По радиоактивности (радиологическим свойствам) породообразующие минералы подразделяют на четыре группы (наибольшая, высокая, средняя и низкая). Соотношение вклада радиоактивных элементов в общую гамма-активность пород различно. К примеру: основной вклад в гамма-активность известняков и особенно доломитов дают Ra 64% и Th 75%, в радиоактивность песчаников - Ra 23-26%, Th 40%, K 35% и т. д.

Радиоактивный распад непостоянен во времени, поэтому для получения стабильных значений радиоактивности берется значение показаний за достаточно продолжительный промежуток времени. Практические кривые гамма-активности характеризуются иззубренностью, которая вызвана статистическими флуктуациями, и асимметричностью, связанной с влиянием инерционности регистрирующей аппаратуры.

Интегральный гамма-каротаж

Аппаратура

В большинстве случаев работы проводят с помощью скважинных радиометров разных марок, которые состоят из радиоактивного каротажного зонда и электронной схемы, которая преобразует информацию для передачи ее по каротажному кабелю на поверхность к измерительной аппаратуре (рисунок 1).

Г - детектор гамма-излучения; ЭС - электронная схема

Рисунок 1 Схема зонда ГК

С помощью наземной схемы импульсы тока стандартизируются по амплитуде и длительности и преобразуются в постоянный ток, сила которого пропорциональна среднему числу импульсов в единицу времени, т.е. скорости счета, регистрируя этот ток, получают величину измеряемой интенсивности естественного гамма-излучения, а при перемещении прибора по скважине - кривую изменения гамма-излучения. Кривая, или диаграмма, характеризующая интенсивность г-излучения пластов вдоль ствола скважины называется гамма-каротажной кривой. Величина интенсивности измеряется в импульсах за минуту или в микрорентгенах в час.

Интенсивность радиоактивного излучения пород I_г в скважине измеряют при помощи индикатора г-излучения, расположенного в глубинном приборе. Регистрация осуществляется в процессе взаимодействия гамма-излучения с атомами и молекулами вещества, наполняющего индикатор. В качестве индикатора используют счетчики Гейгера-Мюллера или более эффективные, лучше расчленяющие разрез сцинтилляционные счетчики. Ниже рассматривается их принцип работы.

В счетчике Гейгера-Мюллера один из электродов (анод) под напряжением 800-1000 В помещен в камеру, заполненную ионизирующим газом под низким давлением (около 0,1 атм). Часть гамма-квантов, проходя через камеру, взаимодействует на своем пути с молекулами газа и вызывает ионизацию нескольких молекул газа. Каждый зарегистрированный счетчиком гамма-квант создает в цепи питания счетчика импульс тока.

Что касается сцинтилляционного счетчика, то в нем индикатором гамма-излучения являются прозрачные кристаллы, молекулы которых обладают свойством сцинтилляции - испускания фотонов света при воздействии гамма-квантов. Фотоны отмечаются фотоумножителем и вызывают поток электронов к аноду. Большим преимуществом сцинтиллятора является высокая интенсивность счета (регистрируя до 50-60% гамма-квантов, проходящих через кристалл) по сравнению с другими типами счетчиков, эффективность которых 1-5%. Это отличие позволяет уменьшить длину счетчиков с 0,9 до 0,1 м, а также улучшить вертикальное расчленение и обеспечить малую статистическую флуктуацию.

Как правило, все радиометры являются комплексными приборами, позволяющими регистрировать одновременно 2-3 параметра каротажа. Так как гамма-лучи почти полностью поглощаются слоем породы толщиной 1-2 м, а до 30% ядерной энергии не пропускается обсадными трубами, то скважинный радиометр может фиксировать гамма-излучение пород, расположенных в радиусе, не превышающем 0,5 м от оси скважины. Увеличение диаметра скважины и наличие воды или бурового раствора в ней еще больше снижают радиус обследования.

Конфигурация получаемой каротажной кривой изменения величины интенсивности I_г зависит от целого ряда факторов, связанных с особенностями исследуемого разреза: конструкции скважины и методики производства измерений (радиоактивность горных пород, пройденных скважиной, радиоактивности бурового раствора, диаметра скважины, наличия обсадной колонны и др.). Ниже показано сопоставление кривых радиокаротажа различных методов для фрагмента разреза с сочетанием пластов различной литологии. Мы видим достаточно дифференцированную кривую для ГК.

Кривые I - ГК, II - ГГК, III - НГК, IV - ННКТ, V - ННКН. 1 - глины; 2 - пески и песчаники; 3 - известняки плотные; 4 - известняки пористые и кавернозные; 5 - гипс; 6 - калийная соль; 7 - каменная соль; 8 - ангидрит

Рисунок 2 Характеристика горных пород по диаграммам радиоактивных методов исследования скважин

скважина каротаж радиометрический радиоактивный

Область применения гамма-метода

Литологическое расчленение. В основе литологического расчленения разрезов скважин по данным гамма-методов лежат закономерности изменения естественной радиоактивности горных пород (рисунок 2).

В скважинах нефтяных, газовых, угольных и других месторождений, приуроченных к осадочным отложениям, кривые гамма - метода отражают в первую очередь степень глинистости горных пород и наличие в разрезе низкоактивных пород гидрохимического происхождения. В песчано-глинистой части разреза скважин среди непроницаемых глинистых отложений, характеризующихся повышенной радиоактивностью, пониженными интенсивностями I_г на кривых гамма - метода уверенно выделяются пласты чистых неглинистых песков и песчаников - возможных коллекторов нефти и газа.

У магматических пород максимальной г-активностью отличаются кислые породы, минимальной - ультраосновные породы.

Характер связи между радиоактивностью пород и их литологической характеристикой для определенного района устанавливается путем сопоставления диаграмм гамма-каротажа с геологическим разрезом.

Корреляция. В основе использования данных гамма-метода для корреляции разрезов скважин лежит хорошая выдержанность радиоактивности отдельных литологических разностей пород в пределах больших площадей и территорий.

По сравнению с другими методами использование данных гамма-метода для корреляции характеризуются следующими преимуществами:

1) независимость регистрируемой интенсивности I_г от минерализации пластовых вод и бурового раствора;

2) независимость величины I_г от нефтенасыщенности горных пород.

Это позволяет осуществлять по данным этого метода корреляцию пластов без учета технологии проводки скважины и изменения по площади минерализации пластовых вод, а также без учета положения рассматриваемых скважин по отношению водонефтеносности.

Оценка глинистости. Основная ценность гамма-метода при исследовании осадочных горных пород заключается в возможности количественных определений по его данным глинистости С_гл горных пород или содержания в карбонатных породах нерастворимого остатка - параметров, знание которых необходимо при оценке коллекторских свойств горных пород, а также при количественной интерпретации других методов промысловой геофизики.

Спектральный гамма-каротаж

Повышение информативности радиоактивного каротажа (ГК) в значительной мере связано с развитием спектрометрических модификаций (СМГК) этого метода.

Первые зарубежные публикации применения метода СГК для решения геологических задач относятся к концу 50-х годов. Активное внедрение СГК в комплексе ГИС наблюдается с конца 90-х годов, когда была разработана серийная цифровая многоканальная аппаратура спектрометрического гамма-каротажа.

СМГК позволяют расчленить разрез нефтегазовых скважин по интегральной характеристике естественной радиоактивности горных пород и по содержанию отдельных радиоактивных элементов (U, Th, K). С геологической точки зрения расчленение разреза по элементному составу - это качественно новая ступень в изучении особенностей строения, осадконакопления, геохимических условий осадкообразования разрезов нефтегазовых скважин.

Применение СМГК при изучении разрезов нефтяных скважин значительно повысило достоверность геолого-геофизической информации и способствовало решению конкретных геологических задач по геохимическому признаку - корреляция разрезов, оценка условий осадконакопления осадочных горных пород, определение литологии и коллекторских свойств пластов и т.д.

Основой интерпретации данных СГК являются различия в содержании тория (Th), урана (U) и калия (K-40) в горных породах, а также закономерности их распределения, включая характер изменения их соотношений в зависимости от условий осадконакопления.

Каждый радиоактивный элемент излучает гаммы-кванты определенных энергий (рисунок 3).

Рисунок 3 Зависимость интенсивности г-излучения от энергии радиоактивных элементов

Для определения содержания U, Th, K-40 регистрируют г-излучения в соответствующих энергетических «окнах». По результатам измерений составляется система из трех линейных уравнений и вычисляется процентный состав каждого элемента в горной породе.

Полученные данные используются для определения следующих величин:

- минерального состава глин, других горных пород и условий их образования;

- глинистости коллекторов;

- битуминозности пород;

- выделения интервалов обводненных коллекторов по радиогеохимическим аномалиям (РГХА) и последующего контроля для оценки объемов, закачиваемой воды, прошедшей через коллектор.

Таким образом, использование СГК при изучении разрезов нефтяных скважин повышает полноту исследований и точность определения свойств пластов, способствует решению многих геологических задач, в том числе корреляции разрезов по содержанию U, Th и K, выделению нефтематеринских пород, интервалов развития битумов, ВНК и т.д. Для повышения эффективности СГК необходимо надежное петрофизическое обеспечение с привязкой к конкретным геолого-геохимическим условиям формирования осадочных горных пород.

Применение методов ГК в Оренбургской области

Метод ГК для проведения геофизических исследований нашел широкое применение в Оренбургской области. Он является обязательным наравне с методами кажущегося сопротивления КС и самопроизвольной поляризации ПС. Применяется как для решения общих задач в масштабе 1:500, так и детальных в масштабе 1:200; в открытых стволах перед спуском всех применяемых на месторождении колонн; в обсаженных колоннами стволах во время капитального ремонта скважин, во время эксплуатации скважин.

В нестандартных условиях бурения на Оренбургском нефтегазоконденсатном месторождении (ОНГКМ), в процессе кустового бурения скважин проводится полный комплекс геофизических исследований, в котором гамма-каротаж также занимает одну из ведущих ролей. При бурении скважин с горизонтальным участком ствола гамма-каротаж проявляет свою индивидуальность в том, что он может служить основным ориентиром для определения границ кровли и подошвы продуктивного пласта.

Выводы

Гамма-каротаж - ключевая технология оценки свойств пласта, широко используемая для определения различных характеристик пород. Подводя итоги сказанному ранее, можно выделить следующие особенности данного класса методов:

1) возможность проведения исследований в открытом и обсаженном стволах скважин, что позволяет проводить многократные исследования нефтяных пластов;

2) возможность по ГК, в связи с его простотой и одновременно большой информативностью, привязки к разрезу всех методов ГИС;

3) возможность по ГКС достаточно приемлемого расчленения разреза по элементному составу;

4) возможность определения границ кровли и подошвы продуктивного пласта при горизонтальном бурении скважин.

Вышеперечисленные особенности наделяют данные радиометрические методы рядом преимуществ, что позволяет считать их одними из основных геофизических методов исследования скважин.

Список литературы

1. Бондаренко В.М., Демура Г.В., Ларионов А.М. Общий курс геофизических методов разведки. М.: Недра, 1986.

2. Хмелевской В.К. Геофизические методы исследования. М.: Недра, 1988.

3. Геофизические методы исследования скважин. Справочник геофизика. М.: Недра, 1983.

4. Хмелевской В.К. Краткий курс разведочной геофизики. - М.: Изд-во МГУ, 1967, 1979.

5. Состояние, проблемы и перспективы РК // Научно-технический вестник «Каротажник». 2004. №12-13 (125-126).

6. Шакиров А.Ф. Каротаж, испытание, перфорация и торпедирование скважин. М.: Изд-во Недра, 1972.

7. Опыт применения спектрального гамма-каротажа для решения геологических задач в разрезах Пермского Прикамья // Научно-технический вестник «Каротажник». 2007. №1 (154).

Размещено на Allbest.ru