преддипломная курсовая. Содержание 2 Введение 4 Радиоактивный каротаж 6 Естественная радиоактивность горных пород 7
![]()
|
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 ![]() ![]() Промыслово-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 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. ![]() Среди 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 ![]() ![]() 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. ![]() Скважинный 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 ![]() 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 ![]() ![]() ![]() 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 ![]() 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 мощности экспозиционной дозы гамма-излучения горных пород |