Физические основы методов радиоактивного каротажа

 

В настоящее время в геофизических исследованиях скважин используются две группы методов, основанных на изучении полей гамма-квантов и нейтронов.

Гамма-методы имеют две модификации: интегральную и спект­рометрическую.

Спектрометрический гамма-метод ГМ_С предназначен для определения содержания естественных радиоактивных элементов (ЕРЭ) – U, Th, К основан на использовании различий в спектрах гамма-излучения радиоактивного распада (урано-радиевого U-Ra ряда; Th-ряда; ⁴⁰К-ряда). На практике регистрируются излучения в диапазоне энергий DЕ_к= 1,3 – 1,6 МэВ; DЕ_U = 1,66 – 1,9 МэВ; DЕ_тh = 2,4 – 2,9 МэВ. Содержание ЕРЭ определяется как:

C_ерэ = I_ЕРЭ/S,                                                        (21)

где I - регистрируемая интенсивность;

S - концентрационная чувствительность.

 

Интегральный гамма-метод ГМ_И. В методе измеряется общая радиоактивность горных пород, обусловленная присутствием радиоактивных изотопов. Интенсивность естественного гамма-излучения выражается в единицах мощности экспозиционной дозы (МЭД) в мкР/ч. Поэтому аппаратура ГМ относится к средствам измерения МЭД, к дозиметрам. Важным параметром, влияющим на измерения при ГМ является энергетический спектр измеряемого излучения. В скважинных условиях регистрируется g-излучение, практически равномерно распределенное по ази­мутальному и зенитному углам. При этом в зависимости от со­держания естественных радиоактивных элементов спектр ме­няется.

Гамма-каротаж (ГК) используется для расчленения геоло­гического разреза по этому признаку. Ниже приведены сведе­ния о радиоактивности некоторых осадочных горных пород.

Осадочные породы                     Радиоактивность, г-экв. Ra/г

Ангидриты                                      0 – 3

Доломиты                                       1 – 10

Известняки                                    1 – 15

Песчаники                                    2 – 20

Глины                                           5 – 28

Калийные соли                             20 – 60

Глубоководные глины                 20 – 90

 

Как видно, наиболее высокая радиоактивность характерна для пород, содержащих глины, средняя – для известняков, пес­чаников, доломитов, низкая – для ангидритов каменной соли, однородных по химическому составу известняков и доломитов. Измеряя естест­венную гамма-активность пород в разрезе скважины, можно выделить пласты с различной литологической характеристикой, а в благоприятных условиях оценить наличие в породах глини­стого материала. Высокая радиоактивность глин и глинистых сланцев объясняется повышенной сорбцией U, Th и К на глинистых частицах. Кроме того, в глинистых породах присутствует в значительных количествах К (до 6,5 % по весу), из которых 0, 01 % приходится на радиоактивный изотоп ⁴⁰К, входящий в кристаллическую решетку таких минералов, как микроклин, биотит и др. Такие глинистые минералы, как монтмориллонит, галлуазит, каолинит адсорбируют ионы урана из подземных вод.

Для сравнительной количественной оценки естественной радиоактивности г/п пользуются мощностью дозы излучения в единицу времени, микроренгеном в час – мкр/час. Рентгеном называют количество (дозу) гамма-излучения (или рентгеновского) соответствующее образованию 2, 1_*10⁹ пар ионов в 1 см³ воздуха при 0 ^оС.

Для осуществления гамма-каротажа в скважину опускают прибор, содержащий детектор гамма-излучения, источник вы­сокого напряжения для его питания и электронную схему для усиления и формирования возникающих в цепи индикатора им­пульсов тока (напряжения). С помощью каротажного кабеля скважинный прибор соединяется с наземным устройством.

Точкой записи при гамма-каротаже считается центр инди­катора (газоразрядных или сцинтилляционных счетчиков). Точ­ность измерений определяется эффективностью индикаторов и скоростью перемещения прибора по стволу скважины. Чем выше эффективность индикаторов и ниже скорость перемещения кабеля, тем выше точность измерений. Радиус исследова­ния методом гамма-каротажа не превышает 40 – 50 см.

Для исключения влия­ния условий измерений часто поль­зуются относительной величиной есте­ственной радиоактивности:

,

где I, Imin и Imax — соответственно показания против пласта, минималь­ные и максимальные показания на гамма-каротажной кривой в исследуемом интервале скважины.

 

В скважинах, заполненных соленым раствором, когда кривая ПС является слабо дифференцированной, выделение глинистых пластов производится главным образом по кривой гамма-каро­тажа.

Масштаб регистрации ГК – 1 или 2 мкР/час/см.

К достоинствам метода можно отнести дешевизну, информативность, высокую разрешающую способность, возможность применения метода, как в открытом стволе, так и в обсаженной колонне.

Плотностной гамма-гамма-метод (ГГМ-П). При проведении измерений гамма-гамма-методом порода облучается гамма-квантами и регистрируется рассеянное гамма-излучение детек­тором, расположенным на некотором расстоянии. В плотностном ГГМ используется источник гамма-квантов Со⁶⁰, имеющий энергию Е_g = 1,33 МэВ Т = 5,27 лет. Поэтому основной реакцией взаимодействия гамма-квантов с породой является комптон-эффект. Вероятность возникновения комптонского рассеивания зависит от числа электронов N_е в единице объема вещества (электронной плотности), связанной с объемной плотностью вещества. Регистрируемое гамма-излучение в области комптон-эффекта зависит от эффективного атомного номера Z_эф и числа электронов в единице объема породы.

Между плотностью горных пород и интенсивностью рассеянного гамма-излучения существует обратная зависимость, чем больше плотность, тем больше рассеяние, тем меньше гамма активность. На кривой ГГК минимальные значения соответствуют плотным породам – ангидритам, крепким доломитам и известнякам; максимумами выделяются наименее плотные породы – гипсы, глины, соль, высокопористые известняки, песчаники и доломиты. Средние значения – глинистые известняки и песчаники.

По ГГК-П можно определить К_п^общ:

К_п = (δ_м – δ_п)/(δ_м  – δ_ж),                                                     (22)

 

где δ_м – плотность минералов твердой фазы пород;

δ_п – плотность по ГГК-П;

δ_ж – плотность пластовой жидкости.

 

По ГГК-П контролируется качество цемента – определяется высота подъема цемента и распределение цементного камня по периметру. Минимальные значения по ГГК - где много цемента.

Гамма-излучение зависит от следующего.

1. Параметров измерительной установки: длины зонда L, широтных (j_1, j₂ ) и азимутальных (Y₁, Y₂) углов коллима­ционных окон детектора и источника соответственно; мини­мальной энергией Е_gmin источника, его мощности, чувствитель­ности детекторов, толщины и материала коллиматоров.

2. Скважинных условий: отношения диаметра скважины к диа­метру прибора d_скв/d_пр, зазора между стенкой скважины и при­бора Dh; толщины и плотности глинистой корки h_{гл к}, δ _{гл к}; плотности промывочной жидкости δ _ПЖ.

3. Свойств пород, флюидов.

Выбор оптимальных параметров зонда и получения зависимо­сти между I (интенсивностью ГГК) и δ (плотностью горных пород) выполняется на основе расчетов методами диффузионного приближения, однократного рассеяния и Монте-Карло, а также натурным моделированием.

Селективный гамма-гамма метод (ГГМ-С) основан на том же принципе, что и ГГМ-П: порода облучается гамма-квантами и измеряется рассеянное гамма-излучение. В этом методе в отличие от ГГМ-П используется источник гамма-квантов ¹⁴⁴Сs низкой энергии Е – 0,134 МэВ, Т = 275 сут, поэтому на результаты измерений рассеянного гамма-излучения оказывает большое влияние фото­эффект. ГГМ-С предназначен для изучения вещественного состава горных пород путем оценки их эффективного атомного номера Z_эф, значения которого равны в среднем для осадочных пород 11,5 – 15,5; для воды – 7,5.

Рентгенорадиометрический метод (РРМ) основан на примене­нии источников гамма-квантов наименьшей энергии и регистра­ции характеристического рентгеновского излучения. РРМ используется для определения химических элементов в породах и рудах (тулий-170 или железо-55)

Особенностью конструкции зонда РРМ является использование в корпусе скважинного прибора бериллиевого окна (Z = 4) толщиной 1,5-2 мм, достаточно прозрачного для регистрации рентгеновского излучения от урана (Е_рен – 100 кэВ) до железа (Е_рен – 6 кэВ).

Теория РРМ построена на представлении об однократном рассеянии g-квантов.

Гамма-нейтронный метод (ГНМ) основан на ядерной реак­ции (g, п). Для основных элементов эта реакция пороговая с Е_nop > 6 МэВ. Исключение составляют ⁹Ве и ²Н. Для бериллия Е_пор = 1,66 МэВ, для дейтерия - Е_пор = 2,23 МэВ. Максимальное значение сечения реакции приходится на Е = 1,7 МэВ. Такую энергию имеют более 50 % гамма-квантов источника ¹²⁴Sb (сурьма). Этот источник и используется в ГНМ при поисках бериллия. Энергия нейтронов составляет порядка Е_п – 24 кэВ.

Стационарный нейтронный метод основан на облучении горных пород быстрыми нейтронами и регистрации тепловых, надтепловых нейтронов и гамма-квантов радиационного захвата. В соответствии с этим модификации метода носят названия: а) нейтрон-нейтронный метод по тепловым нейтронам ННМ_Т, б) нейтрон-нейтронный метод по надтепловым нейтронам ННМ_НТ и в) нейтронный гамма-метод НГМ. Измерительные установки всех модификаций аналогичны и отличаются только типом детектора. Основное назначение нейтронных методов - определение порис­тости (водонасыщенности) горных пород. Из-за аномально большого сечения радиационного захвата у хлора в благо­приятных условиях возможно использование НГМ (или ННМ_Т) для оп­ределения положения водо-нефтяного контакта.

Эффективность счетчиков нейтронов для тепловых нейтронов составляет несколько десятков процентов. При необходимости регистрации лишь надтепловых нейтронов счетчики медленных нейтронов окружают чехлом из кадмия, имеющего высокое се­чение поглощения для тепловых и относительно небольшое для надтепловых нейтронов. Такой чехол толщиной в 1 мм пропускает в счетчик лишь нейтроны с энергией более 0,3 – 0,5 эВ.

Плотность надтепловых нейтронов практически не зависит от химического состава горных пород и пластовых вод, а определяются в основном их водородосодержанием.

Следовательно, ННК по надтепловым нейтронам более тесно связан с водородосодержанием по сравнению с НГК и ННК по тепловым, значит и с К_п неглинистых пород.

При нейтрон-нейтронном каротаже наблюдаются те же фи­зические процессы, что и при нейтронном гамма-каротаже. Различие заключается в том, что при нейтрон-нейтронном ка­ротаже в скважинном приборе применяются индикаторы (спе­циальные разрядные или сцинтилляционные счетчики), реаги­рующие не на гамма-кванты, а на тепловые или надтепловые нейтроны.

Нейтрон-нейтронный каротаж проводят в двух модифика­циях; по надтепловым нейтронам (ННКнт) и тепловым нейтро­нам (ННКт), которые отличаются только типами используемых индикаторов.

Показания при нейтрон-нейтронном каротаже так же, как и при нейтронном гамма-каротаже, определяются в основном водородосодержанием горных пород. При большой длине зонда-показания тем выше, чем меньше водородосодержание среды, окружающей скважинный прибор. Нейтрон-нейтронными ме­тодами невозможно отличить содержащуюся в породах связан­ную воду от свободной пластовой воды.

Нейтрон-нейтронный каротаж по надтепловым нейтронам имеет то преимущество перед другими нейтронными методами, что его показания мало зависят от литологического состава пород, благодаря чему можно более точно определять порис­тость пород. Особенно хорошие результаты получают при ис­следовании неглинистых пород с пористостью 3 – 15%.

На плотность тепловых нейтронов очень влияют поглощаю­щие свойства горных пород, поэтому каротаж по тепловым нейтронам весьма чувствителен к хлоросодержанию среды и эффективно используется для установления местоположения раздела вода-нефть в тех случаях, когда пластовые воды от­личаются высоким содержанием солей хлора.

Показания каротажа по надтепловым нейтронам в меньшей степени подвержены влиянию хлоросодержания среды. Резуль­таты ННКнт больше, чем результаты НГК и ННК_Т, зависят от водородосодержания, а следовательно, от пористости пород.

На показания нейтронных методов воздействуют многие, порой трудно учитываемые факторы (диаметр скважины, гли­нистая корка, зона проникновения, положение прибора в сква­жине и др.), поэтому интерпретация диаграмм нейтронных ме­тодов является весьма сложной операцией, требующей высокой квалификации исполнителей.

Нейтронный гамма-метод имеют две модификации: интеграль­ную (НГМ_И) и спектральную (НГМ_С).

Интегральный НГМ_И предусматривает измерение суммарной интенсивности гамма-излучения радиационного захвата всех энергий. Основное назначение НГМ - изучение содержания водо­рода в породе, аналогично ННМ. При НГМ используются после-инверсионные зонды длиной более 50 см. Для изучения газо­носных пластов используют зонды длиной около 70 см. В этой области длин повышается чувствительность к водороду при его малых содержаниях.

Спектральный НГМ_С основан на изучении спектров гамма-излучения радиа­ционного захвата, предназначен для выделения пород и руд.

При оценке содержания в породе искомого элемента исполь­зуют предварительно составленный градуировочный график за­висимости интенсивности гамма-излучения определенной энергии от содержания этого элемента.

При нейтронном гамма-каротаже регистрируется вторичное (наведенное) гамма-излучение, появляющееся в результате взаимодействия нейтронов с окружающей средой.

При нейтронном гамма-каротаже на некотором расстоянии от детектора гамма-излучения помещается источник нейтронов в виде ампулы, заполненной смесью полония с бериллием. Рас­стояние между источником и детектором называется длиной зонда НГК. Обычно длина зонда составляет 50 – 60 см. Во избежание погрешностей измерения длина зонда устанавлива­ется с точностью до нескольких миллиметров.

Зависимость количества нейтронов, проходящих через единицу объема, от водородосодержания среды:

1 – плотная, малопористая среда с низким водородосодержанием;

2 – пористая среда с высоким водородосодержанием.

 

Интенсивность регистрируемого при нейтронном гамма-ка­ротаже вторичного гамма-излучения зависит от длины зонда и нейтронных параметров среды. При рассмотрении процессов, имеющих место при НГК, пользуются понятиями «зона излу­чения» и «зона регистрации».

Кривая НГК напротив пластов насыщенных газом, нефтью и водой

 

Зоной излучения называют пространство вокруг ис­точника нейтронов, в котором происходит их замедление, захват тепловых нейтронов и возникновение вторичного гамма-излучения. В однородных плотных породах зона излучения в первом приближении представляет собой сферу с радиусом 50 – 60 см.

Пространство, расположенное вокруг индикатора, который обеспечивает 90 % вторичного гамма-излучения, регистрируемого индикатором, называют зоной регистрации. Раз­меры зоны регистрации зависят от плотности среды. Для воды эта зона представляет собой сферу с радиусом 60 – 70 см, для плотных осадочных пород – сферу с радиусом порядка 20 – 30 см.

При размерах зонда 50 – 60 см на кривых НГК максималь­ными значениями вторичного (радиационного) гамма-излуче­ния выделяются плотные породы, не содержащие водорода.

Водородсодержащие породы (водо- и нефтенасыщенные песчаники, известняки, глины, гипсы) характеризуются мини­мальными значениями регистрируемых величин. Результаты измерений выражаются либо в единицах скорости счета, либо в условных единицах.

Основное назначение НГК определение коэффициента пористости и разделение пород по литологическому составу.

Взаимодействие быстрых нейтронов с веществом происходит по следующей схеме: вначале наблюдается замедление, при котором в резуль­тате столкновения и рассеяния на ядрах вещества быстрые нейтроны теряют энергию, становятся сначала надтепловыми (с энергией от 0,5 до нескольких эВ), а далее тепловыми (со средней энергией 0,025 эВ), потом возникает диффузия, при которой тепловые нейтроны мигрируют без существенного изменения энергии, а затем поглощаются, т.е. захватываются ядрами элементов с испусканием гамма-квантов.

НГК реагирует на наличие водорода в породе незави­симо от того, находится ли он в жидкости, заполняющей пустотное про­странство породы, или же в химически связанном состоянии в минераль­ном скелете.

 Присутствие в горной породе глинистого материала также увеличи­вает ее водородосодержание, которое в зависимости от состава глинистых минералов различно: гидрослюды эквивалентны водоносным породам с пористостью  25 %, каолинитовые и хлоритовые глины — породам с по­ристостью 35 %, монтмориллонитовые глины — породам с пористостью 50 %. Погрешности в оценке минералогического состава глин могут при­вести к недопустимым погрешностям в определении пористости пород. Влияние глинистости пород на результаты НГК увеличивается при уменьшении диаметра скважины.

Присутствие в исследуемой среде элементов с повышенным сечением поглощения тепловых нейтронов (бор, хлор, и др.) существенно влияет на показания нейтронных методов. Хлоросодержание пород сказывается на показа­ниях НГК, уже начиная с 0,1 %.

Значительное влияние на показания НГК оказывает хлоросодержание пластовой воды и промывочной жидкости. Характер влияния растворенного в пластовой воде хлора на показания НГК сложен и неоднозначен при различной пористости породы. В этом случае наблюдается увеличение показа­ний при исследовании пород пористостью 12 - 15 % и более и снижение их для пород меньшей пористости.

От плотности промывочной жидкости показания нейтронных методов обычно зависят незначительно, при нормальных растворах (δ ≥ 1,5 г/см3) ее не учитывают. Влияние становится заметным лишь при исследовании скважин, бурящихся на утяжеленных промывочных жидкостях.

Показания НГК существенно зависят от сло­истости изучаемых пород. При исследовании сред, представленных переслаиванием слоев одного литологического состава, но различной пористо­сти происходит усреднение показаний метода, которые отличаются от ве­личин, соответствующих среде с пористостью, равной средневзвешенному ее значению для рассматриваемого интервала. Такое отличие тем сущест­веннее, чем больше контрастность водородосодержания прослоев породы.

При проведении тех или иных модификаций нейтронного каротажа применяются стационарные (со стабильной во времени эмиссией) и импульсные источники нейтронов. В качестве первых используют полониево-бериллиевые, плутониево-бериллиевые и некоторые другие радио­активные химические смеси, а вторых — генераторы быстрых нейтронов.

Масштаб регистрации НГК Величаевского месторождения - 0,1 или 0,2 усл.ед/см.

К недостаткам можно отнести дороговизну метода, необходимость учета влияний многих факторов на показания НГК, трудность выделения тонких пропластков. Малый радиус исследования (50-60 см), что затрудняет оценку характера насыщения коллектора за счет большого влияния промытой зоны.

Многозондовый нейтронный метод (МНМ) основан на исполь­зовании нескольких детекторов нейтронов, размещенных на раз­личном расстоянии от источника нейтронов. Достоинства МНМ: уменьшение влияния условий измерений и конструкции скважинного прибора (диметра прибора, длины зонда), возможность интерпретации результатов без использования опорных пластов.

Измеряемым параметром в МНМ является пространственный декремент затухания.

В двухзондовых модификациях МНМ малый зонд выбирается длиной 40 – 45 см, большой 60 – 70 см. Палетки МНМ отражают зависимость декремента затухания от пористости пласта-известняка.

Импульсный нейтронный метод (ИНМ) основан на облучении горных пород импульсным источником нейтронов и последующей регистрации нейтронов или гамма-квантов. Основное условие успешного применения ИНМ – меньшее время жизни нейтронов в скважине, чем в пласте, τ_пл > τ_с. В этом случае измеряемые величины характеризуют породы в разрезе скважины.

Обычно в необсаженной скважине τ_с < 0,2 мс, а в обсажен­ной – τ = 0,12 мс. Для газоносных, нефтеносных, угольных, битуминозных и водоносных пластов τ_пл > 0,2 мс. Исключение составляют пласты с пористостью k_п > 20% и с минерализацией пластовой воды 250 – 300 г/л.

Требование к длительности импульса t_имп< τ_{пл min}, а ко времени регистрации t > (3 – 6) τ_{пл max}.

Основное назначение ИНМ - определение положения водонефтяного контакта и нефтенасыщенности пласта.

При этом в качестве источника нейтронов используются скважинные генераторы нейтронов, обеспечивающие периодическое генерирование мощных доз нейтронов. Генератор работает в импульсном режиме, т. е, нейтроны «впрыскиваются» в окружающую среду через опреде­ленные промежутки времени. Имеющимся в приборе детекто­ром нейтронов фиксируется их плотность через выбранные вре­менные интервалы после прекращения «нейтронного импульса». Преимущества импульсных методов заключаются в большей глубинности по сравнению с обычными методами. Кроме того, поскольку эти методы более чувствительны к хлоросодержанию окружающей среды, они применяются для установления место­положения водонефтяного контакта.

Метод «меченых» атомов. Этот метод, применяющийся чаще всего для контроля тех­нического состояния скважины (отбивка уровня затрубного це­мента, определение мест поглощения, установление затрубной циркуляции, контроль результатов гидроразрыва и кислотной обработки пласта и др.), основан на использовании активиро­ванной жидкости – раствора солей или короткоживущих ра­диоактивных изотопов. Методика работ следующая. В сква­жине проводится гамма-каротаж, затем в выбранный интервал (например, при определении затрубной циркуляции) закачива­ется активированная жидкость. Скважина промывается, после чего выполняется повторное измерение ГК. Результаты первого и второго замеров сопоставляются.

При сопоставлении результатов двух измерений отме­чаются интервалы, где сконцентрировалась активированная жидкость.

Для активации жидкости чаще всего применяют радиоак­тивные изотопы иода-131 (период полураспада 8 дней), железа-59 (период полураспада 45 дней) и др.

При радиоактивном каротаже обычно регистрируется ско­рость счета гамма-квантов, т. е. количество импульсов в ми­нуту (имп/мин). В процессе измерения скорости счета наблю­дается явление статистической флюктуации, представляющее собой непрерывное, беспорядочное колебание интенсивности из­лучения около его средней величины в одних и тех же усло­виях. Флюктуации вносят погрешность в измерения. Для умень­шения погрешностей принимают меры к увеличению числа регистрируемых импульсов. С этой целью в регистрирующих схемах используют высокоэффективные детекторы гамма-излу­чения либо увеличивают их количество (разрядные счетчики), а также ограничивают скорость записи.