Изучение углеразведочных скважин геофизическими методами (на примере месторождения Шубарколь)

ГГК-П основан на измерении жесткой составляющей рассеянного гамма-излучения, применяется для измерения плотности горных пород в разрезах скважин.

В качестве источника  гамма-излучения при ГГК-П используют изотоп цезия (¹³⁷Сб) с периодом полураспада 26 лет и энергией γ -квантов 0,662 МэВ. Для регистрации излучения применяются в основном сцинтилляционные детекторы. Источник и индикатор расположены на одной стороне исследуемого объекта. Индикатор заключен в стальную гильзу, поглощающую мягкую компоненту (до 200 кэВ) гамма-излучения, которая не достигает индикатора. В этом случае регистрируется жесткая компонента рассеянного гамма-излучения. Расстояние между серединой источника и серединой индикатора называют длиной зонда Ь. Оптимальная длина зонда 30—50 см. Для указанных расстояний зависимости логарифма интенсивности гамма-излучения I от плотности 6 в основном линейны ^/ = /(6). В породах с малой плотностью при небольшой длине зонда линейность нарушается. Для снижения влияния скважины на показания ГГК-П источник и индикатор прижимаются к стенке скважины и экранируются от нее свинцом. Однако наличие между прибором и стенкой скважины промежуточного слоя (ПЖ, воздуха, глинистой корки, железной колонны) приводит к изменению средней плотности исследуемой среды. Глинистая корка и неровности стенки скважины вызывают увеличение показаний ГГК-П.

Из расчетов следует, что увеличение толщины  промежуточного слоя между прибором и пластом всего на 1 см изменяет кажущуюся плотность пород по ГГК-П на 0,12—0,3 г/см³, что снижает точность определения плотности пород, несмотря на наличие прижимного устройства. Сильное влияние промежуточной среды объясняется малой глубинностью ГГК-П; при длине зонда /, = 30 см 90% регистрируемого излучения поступает от слоя пород толщиной 10—12 см, а при /,= 12-М5 см — от слоя пород толщиной всего 6—7 см. Минерализация промывочной жидкости и пластовой воды мало сказывается на показаниях ГГК-П.

Физические  основы метода

Гамма-гамма-каротаж (ГГК) основан на измерении характеристик рассеянного гамма-излучения, возникающего при облучении горных пород внешним источником гамма-излучения. Главными во взаимодействии гамма-излучения с веществом являются образования электрон-позитронных пар, фотоэффект и комптон-эффект.

Электрон-позитронные пары образуются при взаимодействии γ-квантов очень высокой энергии (более 5—10 МэВ) с ядром атома. При этом γ-квант исчезает, и в электрическом поле ядер образуются пары электрон-позитрон. При фотоэффекте происходит поглощение γ -кванта одним из электронов атома, причем энергия γ-кванта преобразуется в кинетическую энергию электрона, вылетающего за пределы атома (гамма-квант передает всю свою энергию одному из электронов внутренней оболочки). Вероятность фотоэффекта резко увеличивается с увеличением 1 и уменьшением энергии излучения. В веществах, содержащих элементы с 2<20, для гамма-излучения с £>200 кэВ влияние фотоэффекта мало.

При комптон-эффекте в отличие от фотоэффекта γ- квант не исчезает, а лишь передает часть энергии одному из электронов атома (становится менее жестким) и меняет направление движения (рассеивается). Этот вид взаимодействия является основным в среде, содержащей легкие (2<20) элементы, для излучений с энергией 0,5—1 МэВ. В процессе рассеяния энергия кванта уменьшается до величины, при которой он поглощается в результате фотоэффекта. Для квантов с начальной энергией £ = 0,5-М МэВ число актов рассеяния до поглощения в горной породе составляет в среднем 6—8. Интенсивность комптоновского рассеяния пропорциональна числу электронов в единице объема вещества, и поэтому вероятность этого процесса пропорциональна атомному номеру вещества.

Существуют 3 основных процесса, которые носят названия фотопоглощения, комптоновского рассеяния  и образования пар.

Фотопоглощение (фотоэффект) заключается в поглощении γ-кванта атомом вещества, его энергия  уходит на отрыв от атома электрона и сообщение последнему импульса энергии. Атом остается возбужденным и переходит в нормальное состояние, испуская фотон рентгеновского излучения.

Фотоэффект  наблюдается при самых малых  энергиях γ-квантов. Вероятность поглощения τф, при фотоэффекте   сложным   образом   зависит   от   энергии   γ-кванта    Еγ    и химического состава вещества.

Комптоновское рассеяние - это неупругое рассеяние  γ-квантов на электронах вещества, в  результате которого γ-квант теряет часть своей энергии и меняет направление движения. Наблюдается комптон-эффект при более высоких энергиях, условно можно считать Еγ > 0,5 МэВ.

Вероятность комптон-эффекта  τγ зависит от сечения комптоновского рассеяния σк, которое, в свою очередь, является функцией энергии и атомного номера элемента, и от числа электронов в единице объема вещества пe.

  Образование  пар - происходит при взаимодействии  γ-кванта с полем ядра атома,  γ-квант прекращает свое существование,  вместо него образуется пара: электрон и позитрон. Вероятность   этого   процесса   невелика,   во-первых,   потому,   что  ядро занимает лишь небольшую часть объема всего атома и, во-вторых, потому, что энергия γ-кванта должна быть достаточной для этой реакции (Eγ > 1,02 МэВ). 

Процесс образования  пар в ядерно-геофизических методах пока не используют.

Ядерный фотоэффект заключается в поглощении γ-кванта ядром атома, после чего ядро становится возбужденным и переходит в нормальное состояние через испускание нейтрона. Нейтрон имеет тепловую энергию. Эта реакция пороговая - энергия γ-кванта должна быть больше энергии связи нейтрона в ядре, а она зависит от массы последнего.

Все рассмотренные  процессы в горных породах при  облучении их γ-квантами искусственного источника происходят не по отдельности, а совместно. Быстрые γ-кванты исчезают в результате образования пар и замедляются в результате комптоновского рассеяния, рассеянные поглощаются в результате фотоэффекта. Преобладание того или иного процесса зависит от энергии γ-квантов и свойств горной породы - ее плотности и эффективного номера.

В зависимости  от того, какой из процессов подвергается исследованию, в ГГК выделяют 2 основные разновидности метода: плотностной  и селективный γ-γ-каротаж.

Для определения плотности информация, полученная в процессе искажения первичного потока гамма – квантов другими видами взаимодействий, является помехой. Для решения этой задачи рассмотрим вероятности протекания различных видов взаимодействий в зависимости от энергии гамма – квантов.

 Взаимодействие  с образованием электронно – позитронных пар происходит при энергиях больше 1,022 МэВ. Вероятность фотоэффекта дискретна и растёт с коротковолровой стороны, начиная с энергий около 0,2 МэВ. Сечение Комптон – эффекта в энергетическом окне 0,2 , 1 МэВ практически постоянно, и в этом окне крайне мало вероятны другие взаимодействия. Сделаем вывод, что если снимать информацию с гамма – квантов этого энергетического окна, то она будет характеризовать только плотность среды или горной породы. Информация носит характер ослабления потока гамма – квантов, испускаемых источником, в процессе некогерентного Комптоновского рассеяния на электронах среды. Полевые измерения реализуются в измерении скорости счёта гамма – квантов J_yy [имп /сек], пришедших на детектор, но осреднённому по объёму области, в котором существует поле, где изменение скорости счёта происходит прямо пропорционально изменению плотности среды.

При рассеянии гамма – кванты меняют свою первоначальную траекторию на некоторый угол θ, с вероятностью, зависящей от энергии. В интервале рабочих энергий углы рассеяния лежат в области 2π, причем отражения на угол более 90 становятся вероятнее с снижением энергии, таким образом накапливаются. Распределение плотности гамма – квантов зависит от двух параметров  - плотности и расстояния от источника.

 Существует  окно значений, в котором изменения  ρ * r не ведёт к изменению плотности гамма – квантов, эту область называют инверсионной. Она образуется из – за возврата гамма – квантов. Она представляет в однородной, изотропной среде область, ограниченную сферами, радиусы которых зависят от плотности изменяются с её изменением, т. е. эта область сужается в среде с большей плотностью и наоборот. Совершенно понятно, что данные, полученные из инверсионной области для данной модификации некондиционны. Поэтому перед проведением каротажа плотностей необходимо априори иметь представление об величинах плотностей в разрезе для корректного выбора типоразмера зонда. При бурении скважин стенки скважины и около скважинное пространство испытывают различные измерения, обусловленные размывами, обрушениями, сальниками, проникновением бурового раствора, воздействием.  Это главная и безусловная помеха. Данные, полученные из до инверсионной области будут характеризовать плотность близ стеночного пространства, с искажённой плотностью. Поэтому, для повышения глубинности снятия информации используются заинверсионные зонды.

 

   2.5 Селективный гамма-гамма каротаж

Метод основан на измерении мягкой составляющей рассеянного гамма-излучения. При  применении его используются источники, излучающие γ-кванты малой энергии (менее 200 кэВ), и индикатор, помещенный в алюминиевую или плексигласовую гильзу, рассчитанные на регистрацию мягкой компоненты. Величина вторичного гамма-излучения мягкой компоненты зависит не только от плотности окружающей среды (от рассеяния γ-квантов, излучаемых источником), но и от изменения вещественного состава и способности окружающей среды поглощать γ-кванты (фотоэлектрический эффект).

Показания ГГКС определяются в основном значением  эффективного атомного номера:

где n₁, n₂, n₃, ... — число атомов элементов с высоким атомным номером (зарядом) Z₁, Z₂, Z₃, ... из общего числа атомов, содержащихся в данном объеме; Z_эф зависит от содержания элементов с высоким атомным номером.

Поглощающие свойства окружающей среды (фотоэлектрический эффект) способствуют выявлению тяжелых элементов (веществ с большим атомным номером — вольфрама, свинца, ртути и др.).

При интерпретации  данных плотностного и селективного гамма-гамма-каротажа следует учитывать, что на показания ГГК-П в некоторой мере влияет содержание в породе тяжелых элементов, а на показания ГГК-С — плотность породы. В связи с этим наиболее надежная интерпретация возможна при совместном использовании кривых ГГК-П и ГГК-С.

Область применения. ГГК-С применяется, главным образом, на угольных и рудных месторождениях. На угольных месторождениях ГГК-С используют для определения зольности углей. Чистый уголь имеет z_эф ≈6, поскольку состоит из углерода. Негорючий остаток углей (зола) состоит, в основном, из кремнезема и глинозема с примесью окислов железа, z_эф≈6 золы составляет 12-13 единиц. Между зольностью углей А^с и их z_эф≈6 существует функциональная зависимость, представленная на рис. 2.1. Поскольку метод ГГК-С чувствителен к малейшим изменениям z_эф≈6 среды, то по его результатам легко оценить зольность ископаемых углей. Этот метод был разработан проф. Уткиным В.И. Им же предложена удобная палетка для оценки А^с непосредственно по диаграмме ГГК. Общий вид палетки представлен на рис 2.2.

 

Рис. 2.1  Зависимость эффективного атомного номера от зольности для углей различных бассейнов (по В.И. Уткину)

Рис. 2.2 Палетка В.И. Уткина для определения  зольности ископаемых углей по диаграммам ГГК-С

 

На рудных месторождениях метод ГГК-С применяют для выделения  рудных интервалов в разрезах скважин. При измерении спектра рассеянного γ-излучения можно определить, каким элементом вызвано поглощение, т.е. возможно изучение вещественного состава руд.

 

6. Кавернометрия

Кавернометрия (КМ) заключается в измерении среднего диаметра буровой скважины. Дело в том, что фактический диаметр скважины не всегда определяется диаметром бурового наконечника (долота). Так, на хрупких породах (ископаемых углях, например), в зонах дробления диаметр скважин увеличивается по сравнению с номинальным dH\ из-за выкрашивания и вывалов пород в скважине образуются каверны. Каверны образуются и в глинистых пластах из-за размывания глин в процессе бурения. Уменьшение диаметра по сравнению с номинальным наблюдается обычно против пластов-коллекторов. Благодаря хорошей проницаемости в них задавливается буровой раствор. Из-за малого диаметра пор в пласт проникает только фильтрат (жидкая основа) бурового раствора, а глина оседает на стенках скважины, образуя глинистую корку, которая уменьшает диаметр скважины.

Знание диаметра скважины необходимо для решения как технических, так и геологических задач. Так, например, знать диаметр скважины нужно для того, чтобы правильно установить обсадную трубу в скважине (см. рис. 2.4), рассчитать объем цемента, необходимого для закрепления обсадных колонн, правильно выбрать скважинные приборы для каротажа.

 

Рис. 2.4 Пример правильной (а) и неправильной (б) установки обсадной трубы в скважине

 

Знание диаметра скважины необходимо при количественной интерпретации результатов таких  методов, как КС, БКЗ, БК, ИК, ГК, НГК и др., а также для литологического расчленения разреза (рис. 2.5). Приборы для измерения диаметра скважины называются каверномерами. Они бывают различными по конструкции: рычажными, фонарными, управляемыми и неуправляемыми. В любом случае в них имеется какой-то следящий механизм, скользящий по стенке скважины, и преобразователь положения этого механизма в электрический сигнал, чаще всего, посредством изменения активного сопротивления электрической цепи.

На рис. 2.6 показана нижняя часть рычажного каверномера.

 

Рис 2.5 Зависимость среднего диаметра скважины от литологии разреза

Рис. 2.6 Устройство каверномера рычажного типа

 

К корпусу этого  скважинного прибора крепятся на шарнирах 3 подпружиненных рычага, образующих следящий механизм. Нижние концы рычагов скользят по стенке скважин. Один из рычагов управляет ползунком переменного сопротивления R& два других служат для центрирования каверномера по оси скважины (поэтому измеряемый параметр и характеризует средний диаметр скважины). Перед спуском такого каверномера в скважину его рычаги прижимаются к корпусу и удерживаются в этом состоянии с помощью специального чашеобразного замка, который по достижении снарядом забоя раскрывают с помощью специального электромагнита, на который подают питание с поверхности.