Методы специальных зондов кажущегося сопротивления. Радиоактивные методы исследования скважин

В скважинах нефтяных и газовых  месторождений по диаграммам ГК определяют глинистость коллекторов. На диаграммах ГК проводят одну линию, соответствующую  глинам, другую - соответствующую чистым кварцевым    пескам.    Величину    отклонения    1_γ    от   этих   линий    на исследуемом    пласте   полагают   линейно    связанной   с   глинистостью коллектора С_гл.  

 

2.3.Гамма-гамма-каротаж

Гамма-гамма-каротаж (ГГК) заключается  в облучении горных пород γ-квантами искусственного источника и измерении рассеянного γ-излучения.

Аппаратура ГГК устроена так  же, как и аппаратура ГК, но скважинный снаряд дополняется источником γ-квантов. Расстояние между центрами детектора и источника называется длиной зонда. Чтобы прямое γ-излучение источника не попадало на детектор, между ними помещают свинцовый экран. Поскольку рассеянное излучение имеет более низкую энергию, чем прямое, то для уменьшения его поглощения в буровом растворе детектор γ-квантов так же, как и источник, прижимают к стенке скважины. Для уменьшения влияния кавернозности скважин и детектор, и источник могут быть размещены в небольшом выносном блоке, прижимаемом к стенке скважины и способном заходить в каверны.

 

  

 

Рис.2. Устройства скважинных снарядов для гамма-гамма-каротажа  

 

2.4.Процессы взаимодействия γ-излучения с веществом

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

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  τ_ф, при фотоэффекте   сложным   образом   зависит   от   энергии   γ-кванта    Е_γ    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 Е_γ > 0,5 МэВ.

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

 

 

 

Рис.3. Виды взаимодействия гамма-квантов с веществом:

Фотоэффект (а), комптоновское рассеяние (б), образование пар (в),

ядерный  фотоэффект (в)  

 

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 (E_γ > 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.  

 

2.5. Плотностной  гамма-гамма-каротаж

Плотностной гамма-гамма-каротаж (ГГК-П) основан на изучении комптоновского рассеяния γ-квантов в горных породах. Поскольку этот эффект наблюдается при достаточно высокой энергии γ-квантов, то в ГГК-П используют источники с энергией Е_γ > 0,5 МэВ. Такими источниками являются искусственные изотопы Со⁶⁰, Сs¹³⁷ и естественный ЕРЭ - Rа²²⁶, который дает целый спектр γ-квантов с энергиями от 0,35 до 1,76 МэВ. Длина зондов от 20 до 50 см.

Область применения. ГГК-П находит применение при исследовании нефтяных и газовых, углеразведочных и рудных скважин.

На  нефтяных   и   газовых   месторождениях  ГГК-П   применяют  для дифференциации   разрезов   скважин   по   плотности   и   для   определения Гористости пород-коллекторов.

Плотность породы в целом о,, определяют по результатам плотностного ГГК. При этом аппаратуру градуируют на эталонных образцах с известной плотностью. Современная аппаратура позволяет получать диаграммы ГГК-П, масштаб которых сразу разбит в единицах плотности. Выражение для К_п получают из уравнения.

ГГК-П применяют также при  цементометрии эксплуатационных скважин для определения высоты подъема и наличия пустот в цементном камне, поскольку плотность цементного камня 2,2 г/см³ а жидкости, заполняющей пустоты в нем,  1,0-1,2 г/см³.

На месторождениях ископаемых углей  ГГК-П применяют для выделения  угольных интервалов. Поскольку        плотность  углей (σ_у =1,15-1,75) г/см³ намного меньше, чем плотность песчано-глинистых вмещающих пород (σ_вм = 2,5-2,7) г/см³, то над угольными интервалами интенсивность рассеянного γ-излучения значительно повышается.

Границы угольных пластов определяют по правилу полумаксимума аномалии.  

  

  

 

 

 

Рис.4. Вероятность различных видов взаимодействия гамма-излучения с веществом  

  

 

2.6. Селективный гамма-гамма-каротаж

Селективный гамма-гамма-каротаж (ГГК-С, он же Z-ГГК) основан на изучении фотопоглощения γ-квантов в горных породах. Поскольку пот эффект превалирует при низкой энергии γ-квантов, в ГГК-С используют источники с энергией Е_γ < 0,5 МэВ. Такими источниками являются искусственные радионуклиды: Sе⁷⁵,Hg²⁰³.Длина зонда 10-20 см.

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 золы составляет 12-13 единиц. Между   зольностью   углей    А^с   и  их Z_эф  существует функциональная зависимость. Поскольку метод ГГК-С чувствителен к малейшим  изменениям Z_эф  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.

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.

На нефтяных и газовых месторождениях метод ГГК-С находит применение пока только при дефектометрии обсадных колонн.  

 

2.7. Рентген-радиометрический каротаж

Рентген-радиометрический метод основан  на изучении результатов взаимодействия мягкого γ-излучения с электронами глубинных орбит атомов вещества.

Это взаимодействие заключается в  фотоэлектрическом поглощении γ-квантов электронами какой-либо оболочки. В результате электрон вылетает из атома, а атом приходит в возбужденное состояние. Место, с которого удален электрон в результате поглощения γ-кванта, может быть заполнено электроном с другой, более далекой от ядра электронной оболочки. Например, если при фотопоглощении выбит электрон с К-оболочки, то его место может быть занято электронами с L-, М-, N- и других оболочек. Соответственно разностям энергий электронов на этих уровнях, ими при переходе испускаются фотоны рентгеновского излучения.

Совокупность фотонов рентгеновского излучения, возникающих при переходах электронов на один общий, более глубокий уровень, носит название характеристической серией рентгеновского спектра.

Каждый химический элемент обладает своим характеристическим спектром рентгеновского излучения, причем энергия  каждой определенной линии спектра (K, L, M, N) возрастает с увеличением атомного номера элемента.

Рентгеновское излучение является "мягким" и слабопроникающим.

Поэтому   рентген-радиометрический   метод   применим только для элементов с атомным номером z > 25-30.

Еще один недостаток метода РРК - невозможность  разделить излучение близких  по атомному номеру элементов, связанная  с низкой разрешающей способностью по энергии у сцинтилляционных детекторов.

Рентген-радиометрический метод применяется  в лабораторном (РРА) и в скважинном (РРК) вариантах, а также для опробования стенок горных выработок (РРО).

Детектор рентгеновского излучения  помещают в другом коллимационном канале, стенки которого покрыты слоем кадмия и меди для поглощения характеристического  рентгеновского излучения, возбуждаемого  рассеянным γ-излучением источника непосредственно в свинцовом экране.  

 

Измерения интенсивности характеристического  и рассеянного излучения производят с помощью скважинных гамма-спектрометров

Главным недостатком метода РРК  является его малая глубинность, связанная с низкой проникающей способностью рентгеновского излучения.

Методы нейтронного каротажа с  использованием стационарных источников нейтронов 

Методы стационарного нейтронного  поля появились раньше импульсных нейтронных методов и включают в себя такие  виды каротажа, как НГК, ННК-Т, ННК-НТ, метод нейтронной активации и  некоторые др.

Нейтронный гамма-каротаж (НГК)       

 Метод НГК является одним  из ведущих методов исследования  скважин нефтяных и газовых  месторождений. В комплексе с  другими методами нейтронный гамма-каротаж применяется для литологического расчленения разрезов скважин, выделения коллекторов, оценки пористости, отбивки водонефтяного и газонефтяного контактов и т. п.

Физические основы метода.  

В нейтронном гамма-каротаже измеряется искусственно вызванное гамма-излучение горных пород. Для возбуждения этого излучения стенки скважины бомбардируют нейтронами.  

Скважинный снаряд НГК включает в себя источник нейтронов и детектор гамма-излучения.

В качестве источников нейтронов в  России применяют обычно ампулы, заполненные  смесью порошкообразного бериллия и  какой-либо соли полония. Под воздействием α-частиц, испускаемых ядрами полония, происходит реакция:         

4Be9 + 2He4 = 6C12 + 0n1 + γ 

Ро-Ве источник дает около 2*10⁶ нейтронов в секунду на 1 г полония и примерно столько же гамма-квантов. Большая часть нейтронов - быстрые, с энергиями от 3,5 до 6 МэВ.

Поскольку нейтроны не имеют электрического заряда, проникающая способность  их очень велика. Сталкиваясь с  ядрами атомов горных пород, нейтроны теряют часть своей энергии, замедляются. При этом большая часть кинетической энергии теряется при соударении с ядрами легких атомов, главным  образом, водорода. После примерно 25 соударений с ядрами водорода нейтроны замедляются до "тепловых" энергий (около 0,025 эВ) и диффундируют через  породы, пока не будут захвачены. Тепловые нейтроны могут захватываться ядрами всех элементов, кроме Не. Низкие сечения захвата тепловых нейтронов имеют О и С. Аномально высокие сечения захвата у таких элементов, как TR, Сd, В, С1 и некоторых других. Акт захвата теплового нейтрона сопровождается испусканием γ-квантов, которые образуют так называемое γ-излучение радиационного захвата (ГИРЗ). Часть этих γ-квантов фиксируется детектором в скважинном снаряде НГК.

Кроме радиационного гамма-излучения    (I_nγ),  детектор будет фиксировать также и гамма-кванты другого происхождения. Суммарную зарегистрированную интенсивность гамма-излучения можно представить в виде ряда:

I_Σ   = I_nγ+ I_у + I_ф + I_γγ ,

где  I_γ - естественное гамма-излучение пород;        

 I_ф - фоновое гамма-излучение источника нейтронов;        

 I_γγ - гамма-излучение  источника,  претерпевшее  комптоновское рассеяние в породах и обсадных трубах скважины.  

 

 

 

Рис. 5. Устройство зонда нейтронного гамма-каротажа  

 

Для выделения исследуемой составляющей I_nγ приходится прибегать к уменьшению влияния остальных составляющих I_у, I_ф, I_γγ. Для уменьшения влияния естественной радиоактивности  I_у выбирают, с одной стороны, мощность источника нейтронов такой, чтобы вызванное им гамма-излучение было, по крайней мере, на порядок больше естественного. С другой стороны, уровень естественной радиоактивности может быть учтен вычитанием показаний ГК из диаграмм НГК. Для ослабления фонового гамма-излучения источника  I_ф между источником и детектором располагают мощный свинцовый экран. Для поглощения мягкого рассеянного излучения  I_γγ детектор излучения помещают в стальную гильзу. Выделенная таким образом составляющая I_nγ  зависит, в основном, от содержания водорода в исследуемой среде. Когда скважинный снаряд проходит через формации с высоким содержанием водорода (в составе воды или нефти и газа), уровень наведенного гамма-излучения будет низким, т. к. большинство нейтронов будет замедлено и поглощено в непосредственной близости от источника и только некоторые из гамма-квантов смогут достичь детектора и будут зарегистрированы.