преддипломная курсовая. Содержание 2 Введение 4 Радиоактивный каротаж 6 Естественная радиоактивность горных пород 7
 Скачать 0.94 Mb.
|
СодержаниеСодержание 2 Введение 4 Радиоактивный каротаж 6 Естественная радиоактивность горных пород 7 11 Аппаратура радиоактивного каротажа 12 Индикаторы излучений 12 Газоразрядный самогасящийся счетчик (счетчик Гейгера—Мюллера) представляет собой цилиндрический стеклянный или металлический баллон, заполненный под пониженным давлением смесью инертного газа и паров высокомолекулярных органических соединений (спиртов и др.) (см. рис. 3.). В баллон помещены два электрода: отрицательный - катод и положительный — анод. Первый выполнен в виде металлизированной внутренней поверхности баллона, а второй — в виде натянутой по оси баллона вольфрамовой нити. Газоразрядные счетчики различаются по геометрическим размерам, составу органического наполнителя и типу катода (МО — счетчик с медным катодом, ВС - с вольфрамовым катодом и т. д.). 12 Сцинтилляционный (люминесцентный) счетчик состоит из сцинтиллятора и фотоэлектронного умножителя ФЭУ (рис. 5). В качестве сцинтиллятора обычно применяют прозрачные неорганические кристаллы галоидных солей щелочных металлов, называемых фосфорами. Гамма-квант, попадая на кристалл таких веществ, поглощается, что сопровождается образованием вторичного электрона и позитрона. Эти заряженные вторичные частицы затрачивают часть своей энергии на возбуждение молекул кристалла вдоль траектории своего движения. Возбужденные молекулы живут недолго и возвращаются в основное состояние, выделяя при этом избыточную энергию в виде световых квантов (фотонов),- в кристалле возникают вспышки света (сцинтилляции). Для увеличения выхода света и уменьшения его поглощения в самом сцинтилляторе добавляют специальные активаторы. Наибольшее применение в аппаратуре радиоактивного каротажа получили сцинтилляторы, представляющие собой монокристаллы йодистого натрия, активированные таллием NaJ (Т1). Кристаллы NaJ очень гигроскопичны и при попадании на них влаги выходят из строя. В связи с этим их герметизируют в тонком дюралюминиевом стакане с торцевым окном под фотокатод фотоумножителя. 14 Приборы для гамма – каротажа 16 Модуль основной универсальный КСА-Т12-38-120/60 20 Область применения метода 29 Список литературы 33   ВведениеПромыслово-геофизические методы - основные виды контроля за разработкой залежи. Они включают все исследования, выполняемые в скважинах с использованием каротажного кабеля и регистрирующей аппаратуры каротажной станции с целью изучения физических свойств пласта, определения состояния цементного кольца, обсадкой колонны и лифтовых труб, определения состава и скорости движения смеси в стволе, лифтовых трубах и межтрубном пространстве. Геофизические методы исследования скважин с целью изучения вскрытого скважиной геологического разреза и выявления в нем полезных ископаемых называют каротажем. Каротаж заключается в измерении вдоль ствола скважины при помощи специальной установки (каротажного зонда или наземных датчиков) какой-либо величины, характеризующей физические, химические или другие свойства горных пород, вскрытых скважиной. Поэтому поданным каротажа можно судить о том, из каких пород состоит геологический разрез скважины и каковы их особенности. В зависимости от изучаемых физических или химических свойств пород различают электрический, радиоактивный магнитный, акустический, газовый и другие виды каротажа. Общим для всех разновидностей каротажа является объект исследования – разрез скважины и, следовательно, сравнительно небольшая глубина (от сантиметров до единиц метров). Данные каротажа оказывают существенную помощь при оценке характера пройденных скважиной пород и последовательности их залегания и позволяют обнаруживать полезные ископаемые (нефть, газ, уголь, руды, воду, минеральное сырье). Наиболее информативные результаты дает каротаж нефтяных и газовых скважин. Обычно по данным каротажа удается выделить пласты, которые могут содержать нефть и газ (продуктивные коллекторы) и наметить перспективные для опробования и эксплуатации объекты, а в ряде случаев определить величины, необходимые для подсчета запасов нефти и газа разведываемого месторождения. Радиоактивный каротаж  В скважинах, обсаженных стальными обсадными колоннами, электрический каротаж не работает. Этому мешает экранирующий эффект металлических обсадных колонн.В обсаженных скважинах исследовать нефтяные пласты можно только с помощью геофизических методов, для которых металлическая обсадная колонна не является преградой, не пропускающей через себя сигналы, несущие информацию об объекте, находящийся за колонной. К ним относятся разновидности радиоактивного каротажа и акустического каротажа. Радиоактивные методы каротажа (ядерные исследования) основаны на том, что все горные породы содержат радиоактивные вещества в тех или иных количествах. Если в скважинах производить определения естественной или искусственно вызванной радиоактивности, то на основании полученных данных можно охарактеризовать литологический состав и физические свойства пластов, составляющих разрез скважины. Широко применяется радиоактивный каротаж (РК) трех видов: а) гамма-каротаж (ГК) – основан на измерении по стволу скважины гамма излучения, вызванного естественной радиоактивностью горных пород; б) гамма-гамма каротаж (ГГК) – исследует особенности прохождения через породы гамма-излучения от специального источника гамма-квантов, опускаемого в скважину вместе с прибором; в) нейтронный каротаж (НК) базируется на исследовании поля медленных нейтронов и гамма-квантов, создаваемого источником быстрых нейтронов, находящимся в приборе. Каждый вид перечисленного РК включает ряд модификаций. Существенными особенностями РК являются: относительно малая глубинность исследований (90 % излучения поступает в детектор от слоя пород толщиной 10-30 см); возможность исследования скважин, крепленных обсадной колонной, практически не препятствующей прохождению нейтронов и гамма-излучению; зависимость результатов в первую очередь от элементного состава пород, малая роль их структурных особенностей – размера, извилистости и сообщаемости поровых каналов, распределения отдельных элементов в исследуемой части пласта.  Естественная радиоактивность горных породСреди других радиометрических методов исследования скважин наиболее распространенным является метод естественной радиоактивности горных пород или, как его чаще называют, гамма – метод. В его основе лежит изучение закономерностей изменения естественной радиоактивности горных пород. Радиоактивные элементы чрезвычайно рассеяны в природе и содержатся в малых количествах (порядка 10-6 урана, 10-13 радия, 10-5 тория) во всех веществах, в частности в горных породах. Из естественных радиоактивных элементов наиболее распространены уран 238U и торий 232Th, а также радиоактивный изотоп калия 40К. Уран и торий с продуктами распада образуют ряды из нескольких (порядка 10) радиоактивных элементов. Эти элементы последовательно распадаются, а последний из продуктов распада превращаются в свинец. Каждый элемент ряда при распаде наряду с заряженными - и - частицами излучает гамма-кванты (-кванты) с присущей ему энергией (или с несколькими значениями Е). Поэтому спектр излучения всего ряда содержит много линий, отвечающих разным энергиям. Так, элементы ряда урана излучают гамма-кванты с энергией от 0,05 до 2,45 МэВ, а ряда тория – 0,1 до 2,62 МэВ спектр радиоактивного калия 40К имеет одну линию 1,46 МэВ. Радиоактивность основных минералов, входящих в состав осадочных горных пород, колеблется в весьма широких пределах, поэтому все эти минералы по радиоактивности могут быть разбиты на четыре группы. В первую группу, характеризующуюся низкой радиоактивностью, входят основные составляющие осадочных горных пород минералы: кварц, доломит, ангидрит, гипс, кальцит, сидерит, каменная соль. Вторая группа минералов со средней радиоактивностью представлена отдельными минеральными разностями типа: лимонит, магнетит, турмалин, корунд, барит, олигоклаз, роговая обманка и др. К третьей группе минералов относятся: глины, слюды, полевые шпаты, калийные соли, характеризующиеся повышенной радиоактивностью, и некоторые другие минералы. В четвертую группу входят акцессорные минералы, радиоактивность которых более чем в 1000 раз превышает радиоактивность минералов первой группы. В гамма – методе исследования скважин о величине естественной радиоактивности горных пород судят по интенсивности их естественного -излучения, регистрируемой радиометром, движущимся по стволу скважины. Гамма – каротаж  Измерение интенсивности естественного -излучения пород вдоль ствола скважины называется гамма – каротажем (ГК). Для этой цели в скважину спускают прибор (рис. 1.), содержащий разрядный счетчик гамма - квантов 1. Счетчик 1 питается от сухой батареи или генератора постоянного тока высокого напряжения 2. В усилителе 3 электрические импульсы, созданные в счетчике при прохождении через него гамма-квантов, усиливаются, передаются на поверхность по каротажному кабелю и регистрируются на поверхности измерительным устройством 6. Рис. 1. Принципиальная схема измерений гамма-метода: 1 - разрядный счетчик; 2 - генератор высокого напряжения; 3 - усилитель; 4 -блок питания всей установки; 5 - измерительный блок на поверхности; 6 – измерительное устройство. Полученная в результате замера кривая, характеризующая интенсивность -излучения пластов вдоль ствола скважины, называется гамма – каротажной кривой (рис. 2.). Величина радиоактивности зависит от типа горной породы. Наибольшую природную радиоактивность имеют сланцевые породы, они обнаруживаются по отклонениям вправо на диаграмме. Для вулканических пород радиоактивность выше, чем в случае осадочных пород, поэтому они легко различаются по диаграммам гамма - каротажа. Значительно меньшей радиоактивностью обладают пески, песчаники, доломиты и известняки Гамма – излучение включает также и так называемое фоновое излучение (фон). Фоновое излучение вызвано загрязнением радиоактивными веществами материалов, из которых изготовлен глубинный прибор, и космическим излучением. Влияние космического излучения резко снижается с глубиной и на глубине нескольких десятков метров на результатах измерений уже не сказывается. В качестве индикатора используют счетчики Гейгера – Мюллера или более эффективные, лучше расчленяющие разрез сцинтилляционные счетчики.     Увеличение интенсивности излучения Рис. 2. Каротажная диаграмма Аппаратура радиоактивного каротажа Аппаратура радиоактивного каротажа состоит из скважинного прибора и наземной панели с источником питания и предназначена для проведения ГК, НГК, ННК, ГГК и ИННКс помощью серийных автоматических каротажных станций.  Индикаторы излученийСкважинный прибор радиоактивного каротажа состоит из индикатора (датчика) и электронной схемы, помещенных в прочный охранный кожух. В качестве индикаторов γ-излучения используются газоразрядные и сцинтилляционные счетчики.  Рис. 3. Схема устройства газоразрядного счетчика А – катод счетчика, Б – источник питания, С – анод, R – нагрузочное сопротивление Газоразрядный самогасящийся счетчик (счетчик Гейгера—Мюллера) представляет собой цилиндрический стеклянный или металлический баллон, заполненный под пониженным давлением смесью инертного газа и паров высокомолекулярных органических соединений (спиртов и др.) (см. рис. 3.). В баллон помещены два электрода: отрицательный - катод и положительный — анод. Первый выполнен в виде металлизированной внутренней поверхности баллона, а второй — в виде натянутой по оси баллона вольфрамовой нити. Газоразрядные счетчики различаются по геометрическим размерам, составу органического наполнителя и типу катода (МО — счетчик с медным катодом, ВС - с вольфрамовым катодом и т. д.). Принципиальная схема измерения γ - излучения при помощи газоразрядных счетчиков показана на рис. 4. Действие счетчика основано на том, что γ - кванты, попадающие в него, при наличии достаточного напряжения между катодом и анодом (на счетчик подается от источника Е напряжение постоянною тока порядка 1000 В), вызывают ионизацию газа, в результате которой в счетчике возникает разряд, создающий импульс тока в цепи его питания. Импульсы, возникающие в счетчике, через переходную емкость C1 поступают на электронную схему ЭС для дальнейшего преобразования и регистрации. Для определения относительной интенсивности излучения скорости счета при помощи счетчика получают среднее число импульсов Nсрза время t и рассчитывают cреднее число импульсов в единицу времени:  ,где Nср - среднее число импульсов, за регистрированных счетчикомза время t (в мин). Счетчики излучения характеризуются определенной эффективностью, под которой понимается отношение числа импульсов, зарегистрированных на выходе со счетчика к числу γ - квантов, попавших в его рабочий объем в единицу времени. Эффективность газоразрядных счетчиков очень мала и не превышает 2-3 %, так как не все проходящие через материал катода гамма-лучи могут выбить из него электрон. Кроме того, за время восстановления счетчика (стекание тяжелых положительно заряженных ионов на катод), исчисляемое десятками микросекунд, он не способен зарегистрировать попавшие на него кванты.   ЭС R2 С2 РП R1 С1 РС Е Рис. 4. Принципиальная схема измерения скорости счета газоразрядными счетчиками PC – разрядные счетчики, Е – источник высокого напряжения, R1 – нагрузочные резисторы, C1 – переходные емкости, ЭС – электронная схема, R2-C2 – интегрирующая ячейка, РП – регистрирующий прибор При измерениях скорости счета наблюдаются статистические флуктуации — колебания интенсивности излучения вокруг некоторой средней величины в одних и тех же условиях. Уменьшить погрешность от флуктуации можно путем осреднения наблюдений за некоторый интервал времени τn (выбор значений постоянной времени τn проводится при помощи входящей в измерительную схему интегрирующей ячейки, включающей конденсатор и сопротивление). Сцинтилляционный (люминесцентный) счетчик состоит из сцинтиллятора и фотоэлектронного умножителя ФЭУ (рис. 5). В качестве сцинтиллятора обычно применяют прозрачные неорганические кристаллы галоидных солей щелочных металлов, называемых фосфорами. Гамма-квант, попадая на кристалл таких веществ, поглощается, что сопровождается образованием вторичного электрона и позитрона. Эти заряженные вторичные частицы затрачивают часть своей энергии на возбуждение молекул кристалла вдоль траектории своего движения. Возбужденные молекулы живут недолго и возвращаются в основное состояние, выделяя при этом избыточную энергию в виде световых квантов (фотонов),- в кристалле возникают вспышки света (сцинтилляции). Для увеличения выхода света и уменьшения его поглощения в самом сцинтилляторе добавляют специальные активаторы. Наибольшее применение в аппаратуре радиоактивного каротажа получили сцинтилляторы, представляющие собой монокристаллы йодистого натрия, активированные таллием NaJ (Т1). Кристаллы NaJ очень гигроскопичны и при попадании на них влаги выходят из строя. В связи с этим их герметизируют в тонком дюралюминиевом стакане с торцевым окном под фотокатод фотоумножителя.   ЭС R2 R3 РП R1 R4 Е R5 Сц ФК Д А RЭТ е е γ Рис. 5. Принципиальная схема измерения скорости счета сцинтилляционным счетчиком Сц – сцинтиллятор, ФК – фотокатод, А – анод, Д – диноды, Е – источник высокого напряжения, Rэт – резистор анодной нагрузки, R1-R5 – делитель напряжения, ЭС – электронная схема, РП – регистрирующий прибор  Фотоумножитель состоит из фотокатода, коллектора (анода) и системы расположенных между ними электродов (динодов), Между фотокатодом и анодом создается высокое напряжение (1000— 1500 В) с помощью источника высокого напряжения Е, а с помощью делителя напряжения R1 - R5 соответствующие потенциалы подаются на диноды. Световые вспышки (фотоны), возникающие в сцинтилляторе, попадая на фотокатод ФЭУ, выбивают из него электроны. Эти электроны, ускоряясь в поле между фотокатодом и первым динодом, выбивают из последнего в несколько раз большее количество электронов. Процесс образования вторичных электронов на последующих динодах расширяется — на аноде ФЭУ образуется поток электронов, приводящий к возникновению импульса напряжения на выходе фотоумножителя. Импульсы, возникающие на выходе ФЭУ, подаются на электронную схему для последующих преобразований и регистрации. При одной и той же интенсивности γ-излучения скорость счета сцинтилляционных счетчиков значительно выше по сравнению с газоразрядными. Их эффективность достигает 20—30 %.Амплитуда сигнала на выходе со сцинтилляционного счетчика пропорциональна энергии γ-кванта, попавшего на его кристалл. Эта особенность позволяет применять сцинтилляционные счетчики для изучения энергетического спектра γ - излучения. Приборы для гамма – каротажа Типичной двухканальной аппаратурой радиоактивного каротажа (РК) является двухканальный радиометр на сцинтилляционных счетчиках теплостойкий (ДРСТ) (рис.6), который предназначен для исследований глубоких скважин, бурящихся на нефть и газ, методами гамма-каротажа, гамма-гамма-каротажа, нейтронного гамма-каротажа, нейтрон-нейтронного каротажа. Скважинные приборы ДРСТ выпускаются в двух модификациях: диаметрами 90 и 60 мм. В последнем варианте прибор используется для исследований рудных и угольных скважин. Максимально допускаемая окружающая температура 120° С, давление — 70 МПа. Радиометр ДРСТ рассчитан на работу с одножильным или трехжильным бронированным кабелем и состоит из скважинного прибора и наземного устройства. Он содержит два аналогичных канала. Один из них служит для гамма-каротажа, а другой, со сменными детекторами,— для измерений ГГК, НГК и др.  Рис. 6. Аппаратура типа ДРСТ  Основными блоками скважинного прибора являются детекторы излучения 1 и 1', усилители 2 и 2', дискриминаторы 4 и 4' и выходной каскад 5. В качестве детекторов гамма-излучения используются сцинтилляционные счетчики, состоящие из кристаллов NaJ (Tl) и фотоумножителя (ФЭУ). Для регистрации  нейтронов применяются кристаллы ZnS (Ag) с ФЭУ. Напряжение для питания счетчика и ФЭУ вырабатывается высоковольтным преобразователем 3. В каждом из двух каналов электрические импульсы, возникающие в счетчике под воздействием радиоактивных излучений, через усилитель подаются на дискриминатор, который служит для подавления помех и формирования прямоугольных импульсов. Импульсы с дискриминатора подаются па выходной каскад 5, выполняющий роль усилителя мощности. Выходной каскад подключен к кабелю. Импульсы, передаваемые по кабелю от двух счетчиков по одной и той же линии связи, имеют разную полярность. В наземной панели импульсы усиливаются двухкаскадным усилителем 6, разделяются с помощью фазоинвертора 7 и триггеров Шмитта 8 и 8', запускаемых только положительными импульсами. Прямоугольные импульсы от триггеров Шмитта дифференцируются и поступают на нормализаторы 9 и 9 ',где они стандартизируются по длительности и амплитуде, а затем подаются на интеграторы 10 и 10'. Выходной ток интеграторов, пропорциональный скорости счета в соответствующем канале радиометра, фиксируется регистраторами каротажной станции.Контроль работы каналов радиометра и установка масштабов записи осуществляются с помощью калибратора 11. Аппаратуре ДРСТ-2 придается пересчетное устройство, с помощью которого можно поочередно подсчитать число импульсов в обоих каналах Схема скважинного прибора смонтирована на корытообразном шасси, в верхней части которого находится счетчик ГК, а к нижней — сменные счетчики ГТК, НГК и НК, работающие во втором канале радиометра. Шасси с радиосхемой заключено в стальной корпус, к нижнему концу которого с помощью замкового сочленения подсоединяются зондовое устройство и камера с источником. Аппаратура питается от сети переменного тока частотой 50 Гц, напряжением 220В±10%. Потребляемая мощность 100 Вт Скважинный прибор питается напряжением 150 Вт, током 250 МА. Скважинный термостойкий прибор ТРКУ-100 (рис. 7) рассчитан на измерения интегральной интенсивности гамма-излучения и нейтронного излучения и предназначен для исследования глубоких скважин методами ГК, НГК. НИК. Данные радиоактивного каротажа используются для расчленения и корреляции разрезов скважин, определения пористости и глинистости горных пород. Прибор ТРКУ-100 позволяет проводить исследования методами ГК и НГК в скважине глубиной до 7000 м при окружающей температуре до 200 0С. Он рассчитан на работу в комплекте с одножильным бронированным кабелем длиной до 8000 м. Прибор ТРКУ-100 представляет собой двухканальный радиометр интегрального счета. Один канал служит для измерения естественной радиоактивности пород (ГК), второй со сменными детекторами — для измерений методами НГК и ННК. Для регистрации гамма-лучей используются разрядные счетчики СИ-23Г, а для регистрации нейтронов —индикаторы СHM-18.  Рис. 7. Блок-схема ТРКУ-100  В канале ГК импульсы с шести параллельно включенных счетчиков 8 поступают на усилитель 7 и нормализатор 2, формирующий их по длительности и амплитуде, а затем на выходной каскад 1.Во втором канале с детектора излучений 9 импульсы после усилителя 6 и нормализатора 3 поступают на выходной каскад. Прибор обеспечен блоками питания 5 и 10. Выходной каскад выполнен на двух лампах, аноды которых соединены с двумя встречно-включенными половинами первичной обмотки выходного трансформатора. Обе вторичные обмотки также включены встречно, что позволяет улучшить форму импульса на выходе кабеля. Импульсы, поступающие вкабель, имеют разную полярность. На поверхности в измерительной панели разделение импульсов осуществляется во входном блоке. После соответствующей обработки и суммирования импульсов информация, поступающая из скважинного прибора, записывается регистратором. Питание скважинного прибора ТРКУ-100 осуществляется постоянным током от блока 10. Для питания детекторов излучений служит высоковольтный преобразователь 5. Для компенсации сдвига плато разрядных счетчиков и снижения амплитуды импульсов при повышении окружающей температуры служит схема термокомпенсацин 4. Модуль основной универсальный КСА-Т12-38-120/60 Одним из применяемых в настоящее время приборов для проведения гамма-каротажа является модуль основной универсальный КСА-Т12-38-120/60. Он предназначен для геофизических исследований при контроле разработки нефтяных и газовых месторождений с целью оценки технического состояния эксплуатационных скважин, оборудованных насосно-компрессорными трубами с внутренним диаметром не менее 50 мм. Область применения модуля: измерение температуры; определение температурных аномалий; измерение давления;  измерение удельной электрической проводимости жидкости;измерение мощности экспозиционной дозы гамма-излучения горных пород |