Гамма-каротаж

Каротаж на основе полей естественной и наведенной (искусственной) радиоактивностей

Радиоактивный каротаж (РК) – совокупность методов, основанных на изучении распространения естественного или наведенного (искусственного) радиоактивного поля в разрезах скважин и околоскважинном пространстве.

На основе поля естественной радиоактивности создан метод гамма-каротажа (ГК), а на основе наведенной радиоактивности методы гамма-гамма-каротажа (ГГК) и методы нейтронного каротажа (НК).

Преимущество радиоактивных методов – возможность изучения разрезов скважин обсаженных, сухих, заполненных раствором на нефтяной основе и возможность определения химического состава пород.

Приборами РК непосредственно измеряются сигналы детекторов ионизирующего излучения в виде скорости счета – числа импульсов, регистрируемых в единицу времени. В импульсных и спектрометрических модификациях РК регистрируют скорости счета во временных и энергетических окнах.

Переход от скорости счета к геофизическим характеристикам пород (плотность пород, эффективный атомный номер элементов, макросечение захвата нейтронов и др.) и их геологическим параметрам (пористость, насыщенность, вещественный состав пород) осуществляют с использованием зависимостей между показаниями скважинных приборов и указанными параметрами.

Принцип гамма-каротажа (ГК) основан на регистрации скважинными приборами естественной радиоактивности горных пород слагающих разрез скважины (рис. 1 зонд ГК). Интенсивность радиоактивного излучения пород в скважине измеряют при помощи индикатора гамма-излучения (g-излучения), находящегося в глубинном приборе.

Рис. 1

Полученная в результате замера кривая, характеризующая интенсивность g-излучения пластов вдоль ствола скважины, называется гамма-каротажной кривой. Единицы гамма-излучения – рентген в 1 час [Р/ч или мкР/ч], грамм-эквивалент Rа на 1 г породы [г-эквRa/г], гаммы [g] или импульсы в минуту [имп/мин].

Естественной радиоактивностью называется самопроизвольный распад ядер некоторых химических элементов слагающих горные породы. Естественная радиоактивность слагается из способности горных пород испускать альфа-, бета- и гамма-излучение. Глубина проникновения альфа-излучения в горных породах составляет первые десятки микрон, бета-излучения – первые миллиметры, а гамма-излучения – от 30 до 40 см. Следовательно, с точки зрения изучения разрезов скважин только гамма-излучение представляет практический интерес.

Величина естественной радиоактивности горных пород определяется в основном содержанием в них трех основных химических элементов: урана, тория и изотопа калия-40, реже радия.

Основы применения ГК в скважинах, пробуренных на нефть и газ, связаны с четкой зависимостью величины гамма-излучения от характера горной породы.

Самую высокую радиоактивность среди осадочных горных пород имеют глубоководные илы, черные битуминозные глины, аргиллиты, глинистые сланцы, калийные соли.

Средняя радиоактивность характерна для неглубоководных и континентальных глин, глинистых песчаников, мергелей, глинистых известняков и доломитов. Полимиктовые песчаники даже при малой глинистости обладают значительной радиоактивностью, поскольку у них часть зерен скелетной фракции представлена калийсодержащими минералами – полевой шпат, глауконит, микроклин.

К породам с низкой радиоактивностью относятся ангидриты, гипсы, песчаники, пески, доломиты, угли.

В общем случае кривая ГК характеризует разрез скважины от величины глинистости горных пород, что облегчает выделение коллекторов, которые могут содержать подвижные флюиды, такие как нефть и газ. Повышение радиоактивности глинистых пород объясняется их высокой удельной поверхностью и способностью к адсорбции радиоактивных элементов.

ГК

Рис. 2

Радиоактивность нефти обычно низкая. Высокую радиоактивность благодаря содержанию в них урана имеют природные битумы и битуминозные породы.

Высокой радиоактивностью обладают высокоминерализованные глубинные хлоркальцевые воды, т. к. хлоркальцевый состав воды благоприятствует выщелачиванию радия и его изотопов из породы. Также подземные воды, циркулирующие в зонах урановых месторождений, поскольку урановые соединения, в отличие от ториевых, хорошо растворяются в воде. Минимальной естественной радиоактивностью обладают пресные питьевые воды поверхности.

Поскольку распад ядер является случайным процессом, то интенсивность гамма-излучения колеблется около среднего уровня, которая называется статистическими флуктуациями (отклонениями). Для их учета применяются повторные записи с меньшей скоростью проведения наблюдений.

На показания ГК влияние оказывают следующие факторы: промывочная жидкость, обсадная колонна, цементный камень, диаметр скважины. Влияние скважины на показания ГК проявляется в повышении интенсивности гамма-излучения за счет естественной радиоактивности колонн, бурового раствора и цемента и в ослаблении гамма-излучения горных пород вследствие поглощения их колонной, буровым раствором и цементом. В связи с преобладающим значением второго процесса влияние скважины сказывается главным образом в поглощении гамма-излучения горных пород. При переходе глубинного прибора из необсаженной части скважины в обсаженную, отмечается уменьшение интенсивности естественного гамма-излучения (рис. 4).

Рис. 4

Условно считают, что радиус действия установки гамма-каротажа соответствует приблизительно 30 – 50 см, излучение от более удаленных участков породы поглощается, не достигнув индикатора.

По данным ГК решают следующие задачи:

- Литологическое расчленение различных типов горных пород.

- Определение глинистости горных пород.

- Привязка по глубине к разрезу: результатов исследования другими методами каротажа и позволяет установить стреляющий перфоратор в нужном интервале скважины.

- Корреляция разрезов скважин.

- Определение интервалов перфорации и негерметичности колонны по радиогеохимическому эффекту (РГЭ). РГЭ – максимальный радиоактивный фон на кривых ГК и СГК, вследствие, циркуляции воды, обогащенной радиоактивными элементами, через эти интервалы. РГЭ заключается в многократном увеличении естественной гамма активности пород в интервале продуктивных пластов в процессе их обводнения, что проявляется в возникновении аномалий на кривых гамма-каротажа.

Аппаратура метода ГК: СРК, СРК-М, РКС, ГК-МН, ДРСТ, ДИНА-РК, РКМТ.

Масштаб регистрации ГК 1 или 2 мкР/час/см. Масштаб глубин 1:500, 1:200.

Для регистрации естественной радиоактивности горных пород разработаны и применяются два типа зондов:

1.Зонд для регистрации суммарного гамма-излучения, который записывает общий объем гамма-лучевой активности горных пород вскрытых скважиной.

2.Зонд для определения спектра источника гамма-излучения или спектральный гамма-каротаж, который наряду с регистрацией суммарного ГК дает представление о концентрации каждого радиоактивного элемента (урана, тория и калия) в изучаемой горной породе.

Спектрометрический гамма-каротаж (СГК)

Естественное γ-излучение горных пород в основном определяется содержанием в них элементов К, U, Th (рис. 3). В большинстве случаев их процентное распределение: К=60%, U=30%, Th=10%. Массовые содержания K, U, Th можно выделить из суммарного γ-излучения, поскольку указанные элементы имеют неодинаковые энергии излучения.

Аппаратура СГК, как правило, имеет четыре канала: три дифференциальные для регистрации раздельного содержания урана, тория и калия и один интегральный для регистрации суммарного излучения J_γ (канал ГК). Приборы СГК, как и приборы ГК эталонируют в специальных устройствах, заполненных эталонными средами с известной концентрацией U, Th, K.

Рис. 3. Энергетический спектр гамма-излучения

Калий образуется преимущественно из силикатов магматических пород, полевых шпатов, слюд, которые преобразуются в различные глинистые минералы. Бо¢льшая часть калия поступает в породы из водных растворов.

Уран, как и калий, образуется из силикатов магматических пород. Отмечается его высокая миграционная способность благодаря образованию хорошо растворимого уран-иона (урания-иона) (UO₂)₊.

Торий, как и калий и уран – продукт силикатов магматических пород. Соединения Th нерастворимы, при выветривании они концентрируются в бокситах (алюминиевая руда), тяжелых и глинистых минералах.

СГК решает следующие задачи:

- детальное изучение литологического строения разреза скважины;

- выделение калийсодержащих полимиктовых коллекторов;

- выделение битуминизированных песчаников, содержащих повышенные концентрации урана. Би́ту́мы (от лат. bitumen – горная смола, нефть) – твёрдые или смолоподобные продукты, представляющие собой смесь углеводородов и их азотистых, кислородистых, сернистых и металлосодержащих производных;

- определение условий осадконакопления отложений по величине отношения содержания Th/U, U/K;

- определение типа глинистых минералов в породах;

- контроль разработки и эксплуатации месторождений при использовании радиоактивных индикаторов (при проведении гидроразрыва пласта, заводнении) и выявление радиогеохимических аномалий в эксплуатационных колоннах.

Гамма-гамма-каротаж (ГГК)

В основе гамма-гамма-каротажа лежит измерение интенсивности гамма-излучения породы при облучении ее потоком гамма-квантов. Результатом ГГК является кривая изменения рассеянного гамма-излучения с глубиной.

γ-излучение ослабляется в породах вследствие процессов: рассеяние гамма-кванта (эффект Комптона), поглощение гамма-кванта (фотоэффект) и образование пары электрон-позитрон.

Комптоновский эффект – процесс, когда γ-кванты взаимодействуют с электронами, передавая им часть энергии и меняя траекторию движения, затем испытывают многократное рассеяние. Процесс идет в основном при 0,2 < Е < 3 МэВ (рис. 1).

Фотоэффект – процесс, когда γ-квант вырывает электрон из электронной оболочки атома, передавая ему всю свою энергию. Процесс фотоэффекта протекает при Е < 0,5 МэВ; отмечается резкое поглощение с увеличением заряда ядер атомов поглощающего вещества.

Образование пары – наблюдается при взаимодействии γ-кванта с полем ядра. При этом взаимодействии γ-квант исчезает, а за счет его энергии (˃ 1 МэВ) образуется пара частиц – электрон и позитрон. В дальнейшем позитрон аннигилирует, образуя два γ-кванта. Процесс рождения пары электрон-позитрон, возникает при взаимодействии высоких энергий гамма-квантов бо­лее 4,7 МэВ, например, со свинцом, и более 15 МэВ для Al.

а – фотоэффект; б – комптон-эффект; в – эффект образования пар; 1– электрон; 2 – ядро; 3 – γ-квант до взаимодействия; 4 – рассеянный γ-квант; 5 – электрон или позитрон

Рисунок 1 – Схема основных типов взаимодействия γ-квантов с веществом

Поскольку энергия гамма излучения естественных радиоактивных элементов обычно не превышает 3 МэВ, эффектом образования пар можно пренебречь.

γ-квант, испускаемый источником, испытав ряд рассеяний, снижает свою энергию и поглощается в результате фотоэлектрического эффекта.

Для производства работ применяется однозондовая и двухзондовая аппаратура ГГК (рис.2).

Для производства ГГК используют установку, состоящую из источника гамма-излучения и расположенного на некотором расстоянии от него индикатора этого излучения (рис. 2а). Свинцовый экран, отделяющий источник от индикатора, уменьшает действие прямого излучения источника на индикатор и гамма-излучения бурового раствора. Для исключения помех, связанных с фоном и естественными излучениями, источник выбирается большой мощности.

Наличие двух зондов (рис. 2б) продиктовано тем, что при регистрации рассеянного g-излучения малый зонд позволяет учесть влияние ближней зоны скважины (глинистой корки, бурового раствора), а дальний зонд регистрирует рассеянное g-излучение от горной породы. При производстве работ, с целью устранения влияния скважины на результаты измерения зондовая часть прибора в обязательном порядке прижимается к стенке скважины прижимным устройством.

Для рассеянного гамма-излучения характерно сильное поглощение, вследствие чего радиус исследования составляет 10-15 см. ГГК проводится преимущественно в открытом стволе.

Показания ГГК существенно зависят от:

- диаметра скважины;

- расстояния от стенки прибора (со стороны индикатора) до стенки скважины;

- толщины глинистой корки;

- плотности бурового раствора.

Дальний зонд

Ближний зонд

Экран

Источник g-излучения

а б

Рис. 2. Схема зонда для регистрации ГГК

Плотность бурового раствора и глинистой корки меньше, чем породы, поэтому удаление прибора от стенки скважины приводит к увеличению показаний на кривой ГГК.

Эталонировка прибора. Результаты измерений выражаются в имп/мин или в усл. ед. Цена условной единицы равна разнице показаний при измерении в воде с источником и без него, плотность воды равна 1 г/см³.

В качестве источников жесткого g-излучения в скважинных приборах применяются ампульные источники. Источник помещается в прибор только во время каротажа, а в остальное время перевозится или хранится в специальном контейнере.

В методе рассеянного гамма-излучения различают 2 вида: плотностную и селективную.

ГГК-П плотностной

При ГГК-П используются «жесткие» источники с большой энергией гамма-квантов (Е_g ˃ 1 МэВ), содержащие изотопы Cо⁶⁰ (кобальта). Регистрация плотностного гамма-гамма каротажа (ГГК-П) основана на эффекте рассеяния жесткого гамма-излучения в изучаемой горной породе – комптоновское рассеяние. После неоднократного рассеяния g-квант изменяет свою траекторию настолько, что может быть зарегистрирован детектором, находящимся в приборе. Индикатор g-излучения заключен в стальную гильзу, поглощающую легкую компоненту, которая не достигает индикатора. В этом случае величина измеряемого g-излучения определяется электронной плотностью горной породы, которая тесно связана с плотностью минералов слагающих ее. В единице объема вещества количество электронов составляет:

,

где n_e – число электронов в единице объема; N_A – число Авогадро; A – массовое число; Ζ – порядковый номер; δ – плотность.

Для элементов, составляющих горные породы, отношение Ζ/А постоянно. Соответственно число электронов пропорционально плотности среды и показания ГГК-П отражают плотность пород и мало зависят от состава среды.

Между плотностью горных пород и интенсивностью рассеянного гамма-излучения существует обратная зависимость: чем больше плотность, тем больше рассеяние и тем меньше регистрируемое g-излучение. Против пластов, представленных плотными породами (ангидриты, крепкие доломиты и известняки), на диаграмме ГГК-П будет минимум, против пластов небольшой плотности (гипсы, глины, каменная соль, высокопористые известняки, песчаники и доломиты) – максимум. Средними или пониженными значениями отмечаются глинистые известняки и песчаники (рис. 3).

Решаемые геологические задачи ГГК-П:

- литологическое расчленение разреза;

- выделение проницаемых пластов;

- определение плотности горных пород и, следовательно, коэффициента пористости Кп.

- изучение технического состояния скважин: определение высоты подъема и равномерности распределения цемента за обсадной колонной, толщины стенки колонны, плотности среды, заполняющей скважину или находящейся в пространстве за колонной. Минимальные значения ГГК-П в интервалах со сплошным цементом.

Рис. 3

ГГК-С селективный

При ГГК-С применяют мягкие источники гамма-квантов Cs¹³⁷ (цезий), излучающие g-квант малой энергии. Облучение породы мягкими g-квантами (Е_g ˂ 0,5 МэВ) порождает рассеянное гамма-излучение, обязанное в основном фотоэффекту, интенсивность его пропорциональна атомному номеру вещества Ζ и не зависит от его плотности. Индикатор помещен в алюминиевую или плексиглазовую гильзу, рассчитанную на регистрацию мягкой компоненты. Интенсивность рассеянного g-излучения уменьшается с ростом содержания тяжелых элементов в породе или с ростом эффективного атомного номера Z среды.

На диаграммах ГГК-П и ГГК-С бурые угли отмечаются четкими максимумами (рис. 4). По диаграммам всех методов четко отмечается верхняя граница пласта угля. Под углем залегает пласт песка, который по своим свойствам и естественной радиоактивности почти не отличается от вышележащего пласта угля, поэтому нижняя граница пласта определена по диаграммам ГГК.

Для выделения рудных тел используют обе модификации ГГК (рис. 5).

На диаграммах ГГК-П благодаря повышенной плотности по отношению к вмещающим породам минимумами выделяются хромитовые, колчеданные, марганцевые и железные, полиметаллические руды (рис. 5).

ГГК-С используют для выделения руд, содержащих тяжелые элементы и мало отличающиеся по плотности от вмещающих пород. На кривых отмечаются глубокими минимумами.

Рис. 4

Рис. 5

Дата добавления: 2014-11-18