физика пласта. Кочина Физика пласта. Учебное пособие Часть 1 петрофизика породыколлекторы нефти и газа
 Скачать 3.82 Mb.
|
|
Гамма-лучи обладают значительно большей проникающей способностью по сравнению си частицами, поэтому именно они используются в разведочной геофизике. Единица измерения радиоактивности беккерель – величина, определяющая число распадов в радиоактивном элементе породы в единицу времени (Бк = с = расп./с). Кроме того, при измерении (радиоактивности используют ее производные величины удельную массовую активность (Бк/кг), удельную объемную активность (Бк/м 3 ) и поверхностную активность (Бк/м 2 ). Радиоактивный распад отдельного ядра – явление случайное, поэтому время его распада предсказать невозможно. Но для большего числа атомов проявляется определенная закономерность, которая выражается законом радиоактивного распада : t e N N 0 , где 0 , N N – текущее и начальное количество атомов превращающегося элемента, t – время сначала превращения, λ – параметр распада, характеризующий вероятность распада за единицу времени. Время, за которое распадается половина атомов, называется периодом полураспада В таблице 1.5 приведены значения периодов полураспада некоторых изотопов, чаще всего встречающихся в горных поро- дах. Таблица 1.5 Период полураспада изотопов горных пород Изотоп Содержание в земной коре, не более) % Период полураспада, лет 92 U 238 2,6·10 -4 4,49·10 9 90 Th 232 11,3·10 -4 1,4·10 10 19 K 40 3·10 -4 1,47·10 9 (β) или 1,24·10 10 (γ) 116 1.10.2. Естественная радиоактивность горных пород Всего в горных породах присутствуют более 50 радиоактивных изотопов с разной степенью радиоактивности. В целом радиоактивность горных пород зависит от содержания в них трех элементов урана, тория и калия. Кроме радиоактивных тяжелых элементов, входящих в семейства урана, актиния и тория, в природе существуют более легкие одиночные радиоактивные изотопы калия, кальция, рубидия, циркония, индия, олова, теллура, лантана, неодима, самария, лютеция, вольфрама, рения и висмута. Эти изотопы являются долгоживущими их период полураспада превышает 109 лет. Радиоактивные изотопы составляют незначительную часть литосферы, до глубины 16 км их содержание в % (массовых) составляет урана U 235 – 2·10 -6 , U 238 – 3·10 -4 , тория Th 232 – 8·10 -4 , радия Ra 226 – 0 -10 , актиния Ас – 6·10 -14 , калия К – 3·10 -4 , кальция Ca 48 – 6,4·10 -3 и рубидия Rb 87 – Классификация осадочных пород по степени радиоактивности Породы с низкой радиоактивностью Породы с повышенной радиоактивностью Породы с высокой радиоактивностью Хорошо отсортированные и слабосцементированные мономинеральные кварцевые пески, алевро- литы, чистые известняки, доломиты, каменная соль, ангидриты, гипсы, нефте- насыщенные породы Глинистые осадочные породы, глинистые пески, песчаники, алевролиты, некоторые мергели, глинистые известняки и доломиты, породы с органическими примесями Калийные соли, монацитовые и ортитовые пески, глубоководные глины, глобигери- новые илы и красная глина Для определения закономерности распространения радиоактивных элементов в горных породах введено понятие кларка радиоактивности. Кларк радиоактивности – содержание радиоактивного элемента в исследуемой породе по отношению к его содержанию в земной коре в % (массовых): %. 100 З п г Х Х кл В настоящее время за оптимальные кларки приняты для 92 U 238 – 2,1·10 -40 %, 90 Th 232 – 7,0·10 -40 %, 19 K 40 – 1,83·10 -40 %. Приведенные значения не окончательны, т.к. мало изучена радиоактивность пород ложа океанов. Радиоактивные элементы в горных породах присутствуют в составе более чем 200 минералов. Особенно много встречается минералов с ураном. Учитывая распространенность радиоактивных изотопов в горных породах и интенсивность их распада, можно сказать, что наибольшее влияние на породы могут оказывать уран 92 U и торий 90 Th с продуктами их распада, калий К и отчасти рубидий 87 Rb. Остальные радиоактивные элементы из- за их малой распространенности и большого периода полураспада характеризуются незначительной суммарной энергией распада и не могут играть существенной роли в создании радиоактивности горных пород. Самые распространенные минералы горных пород по их радиоактивности подразделяют на четыре основные группы слаборадиоактивные кварц, плагиоклаз, кальцит, доломит, ангидрит, каменная соль, нефелин с нормальной или слабоповышенной радиоактивностью биотит, амфиболы, пироксены и др с повышенной радиоактивностью апатит, эвдиалит, флюорит, ильменит, магнетит и др высокорадиоактивные сфен, ортит, монацит, циркон, лопарит и др. Радиоактивность осадочных пород связана сналичием в их составе калийных, собственно урановых и ториевых, уран- и то- рийсодержащих минералов, а также адсорбированных радиоактивных элементов. Содержание тория в этих породах изменяется от 49·10 -6 до 3 500·10 -6 кг/кг, а урана – от 12,7·10 -6 до 119·10 -6 кг/кг. Содержание урана и тория в горных породах Группа минералов Кларк концентрации U Th 1. Максимально радиоактивные собственно урановые и ториевые минералы) > 10 000 > 10 000 2. Высокорадиоактивные 100–1 000 10–100 3. Повышенно радиоактивные 5–30 2–15 4. Нормально радиоактивные 2–3 1–2 5. Слаборадиоактивные. Низко радиоактивные < 0,2 < 0,2 В песчаниках и алевролитах радиоактивные элементы чаще всего находятся в глинистой части этих пород в адсорбированном виде, а в песчаниках еще и с органическими примесями. В среднем песчаники и алевролиты содержат микроколичества U, Th и немного калия. Относительно высокая радиоактивность глин и глинистых сланцев объясняется повышенной сорбцией урана, радия и тория на глинистых частицах, а также высоким содержанием калия (до 6,5%), который находится здесь не только в сорбированной, но ив минеральной форме. Значительная адсорбция ионов урана возможна из природных вод, где он присутствует в виде легкорастворимых карбонатных и других соединений, например, Na 2 UO 2 (СО 3 ) 3 Морские осадки имеют более высокую радиоактивность по сравнению с речными и лиманными. Особенно высокая радиоактивность установлена для донных осадков Тихоокеанского и Атлантического побережий США, отложившихся в спокойных водах. Концентрация радия в них приблизительно в 3 раза превышает концентрацию радия в метаморфических и осадочных породах континентов. 1.10.3. Радиоактивность жидкой фазы Концентрация урана в морских водах и атмосферных осадках не превышает 10 -6 кг/м 3 . В подземной гидросфере содержание может быть выше. Водорастворимые соли грунтовых вод в целом богаче ураном, чем минеральный остаток пластовых вод. При этом по сравнению с усредненным содержанием U в горных породах сухой остаток грунтовых вод в среднем богаче ураном, а в пластовых водах – беднее (см рис. Вблизи земной поверхности концентрация U вводах изменяется от 10 -7 до 10 -4 кг/м 3 и более. Фоновое содержание U (в без- рудных породах, достигающее 10 -5 кг/м 3 , установлено вводах до глубины в сотни метров. На глубинах, измеряемых километрами, концентрация урана нигде не превышает 10 -6 кг/м 3 , причем с глубиной максимальное содержание U вводах имеет тенденцию к убыванию (рис. 1.10.2). Обычно глубинные воды вообще лишены урана Рис. 1.10.1. Зависимость содержания U и Ra от минерализации подземных вод 1 – Ra, 2 – U Рис. 1.10.2. Изменение содержания урана в пластовых водах с глубиной залегания Рис. 1.10.3. Изменение содержания урана в нефтях с глубиной залегания Концентрация U в многочисленных образцах нефтей различных типов не превышает 10 -7 –10 -6 %. Лишь в некоторых тяжелых 120 нефтях смолисто-асфальтенового состава в ряде случаев его содержание повышено. Уран концентрируется в нефтях в основном в асфальтенах и смолах, содержание которых возрастает со степенью окисления нефти из-за инфильтрации вод (в том числе поверхностных, содержащих окисляющие реагенты. Поэтому с глубиной концентрация урана в нефти сначала снижается, а затем становится приблизительно постоянной (рис. 1.10.3). Содержание урана в нефти увеличивается с ростом ее сернистости, плотности и смолистости Таким образом, вклад в радиоактивность пород жидкой фазы сравнительно невелик. 1.10.4. Взаимодействие квантов с горными породами Проникающая способность квантов значительно больше проникающей способности частиц, потому что частица не несет зарядов (нет взаимодействия с электрическим полем других заряженных частиц, и ее масса меньше, чему и частиц. Гамма-излучение ослабляется в породах из-за (рис. 1.10.4): 1) внутренней конверсии (для некоторых радиоактивных элементов) фотоэффекта 3) комптоновского эффекта 4) образования пар. При внутренней конверсии, характерной для пород, содержащих тяжелые ядра, кванты поглощаются электронной оболочкой того же атома с излучением электронов. Ослабление излучения в веществе породы (в широком пучке) приближенно описывается формулой, где 0 , I I – интенсивность исходного излучения и после прохождения слоя породы толщиной х μ – суммарный коэффициент ослабления, слагающийся из коэффициентов ослабления излучения, которые учитывают фотоэффект, комптоновский эффект и процесс образования пар. Взаимодействие квантов с веществом показано на рисунке 1.10.4. Рис. 1.10.4. Взаимодействие квантов с веществом а) фотоэффект – лучи взаимодействуют с электронной оболочкой атома. Возникающий фотоэлектрон уносит часть энергии излучения. Жесткое излучение создает фотоэлектроны. Мягкое излучение – вторичное излучение б) комптоновский эффект – излучение взаимодействует с электроном, передавая ему часть энергии, и затем распространяется в горной породе при энергиях квантов 0,2–3,0 МэВ в) образование электрон-позитронных пар возникает при облучении жесткими квантами с энергией не менее 1,02 МэВ;наиболее вероятен для пород, содержащих тяжелые атомы (например, свинец) 1.10.5. Нейтронная активность горных пород Нейтроны – частицы с периодом полураспада 1 000 с, распадающиеся на протон, электрон и антинейтрино с выделением энергии 0,78 МэВ. Нейтроны легко проникают в ядра и взаимодействуют сними. Нейтроны разделяют на быстрые (с энергией Е = 2·10 5 –2·10 7 эВ, промежуточные (0,5–2·10 5 ), резонансные (100), медленные (0,5), тепловые (0,025) и холодные (0,001). Нейтроны с энергией от 0,3–0,5 до 10 2 эВ называют надтепловыми. Энергетическим группам нейтронов соответствуют определенная скорость и другие характеристики. Нейтроны рассеиваются и поглощаются в среде, заполняющей скважину, в обсадной колонне, цементе и породах. Рассеиваясь, нейтроны теряют энергию, переходят постепенно в тепловое состояние с энергией порядка 0,025 эВ и скоростью распространения 2 200 мс, а затем за время, исчисляемое долями миллисекунды, захватываются одним из ядер химических элементов. В процессе рассеяния изменяются направления движения нейтронов при столкновении их с ядрами элементов среды, и кинетическая энергия нейтронов уменьшается. Различают упругое и неупругое рассеяние нейтронов. Упругое рассеяние. При упругом рассеянии кинетическая энергия системы нейтрон – ядро неизменна дои после акта рассеяния. Однако если до рассеяния в лабораторной системе координат носителем кинетической энергии системы является нейтрон (ядро считается неподвижным, то после рассеяния кинетическая энергия перераспределяется между нейтроном и ядром отдачи в соответствии сих массами и углом рассеяния. Неупругое рассеяние. При неупругом рассеянии ядро, захватившее, а затем потерявшее нейтрон, остается в возбужденном состоянии. Возвращаясь в основное, оно испускает квант. Такая реакция наиболее вероятна в породах с тяжелыми элементами при энергиях нейтронов от нескольких килоэлектронвольт до нескольких мегаэлектронвольт. При неупругом рассеянии нейтроны после нескольких соударений далее рассеиваются упруго. В результате как упругого, таки неупругого рассеяний нейтроны теряют энергию, и их скорость уменьшается. Поглощение При некоторых ядерных реакциях происходит поглощение, а иногда и размножение нейтронов. На первой стадии ядерных реакций образуются составные ядра из первоначального ядра и захваченного нейтрона. В этих ядрах между нуклонами перераспределяется кинетическая энергия, внесенная нейтроном. Практическое использование. Особенности взаимодействия с горными породами гамма-излучения и нейтронной активности горных пород широко используются при применении методов радиоактивного и нейтронного каротажа в геофизике. Исследования с помощью различных ядерных излучений проводятся при разведке и разработке месторождений нефти, газа и других полезных ископаемых. Они позволяют определить тип и границы пород, залегающих на разных глубинах, находить продуктивные пласты, атак- же получать характеристики пластов плотность и проницаемость породы, насыщенность порового пространства нефтью, водой или газом, положение ВНК и ГНК и т.д. Гамма-каротаж (ГК) – измерение естественной радиоактивности самих горных пород. Для этого в скважину опускается прибор с детектором лучей разрядный счетчик или фотоумножитель с кристаллом. Последний позволяет судить не только об общей интенсивности, но и об энергетическом спектре естественного излучения. Гамма-гамма-каротаж (ГГК). В этом случаев скважину вместе с индикатором излучения опускается источник, между которыми помещается свинцовый фильтр. Это дает возможность оценить, насколько сильно лучи рассеиваются и поглощаются в породе. Источниками излучения служат Ra, Co и др. Свинцовый фильтр препятствует прямому попаданию лучей из источника в индикатор. Рассеяние и поглощение лучей слабо связаны с индивидуальными свойствами ядер, они определяются в основном плотностью среды, поэтому диаграммы ГГК расчленяют разрез залежи по плотности пород. Нейтронный каротаж (НК) дает более разнообразную информацию о ядерных свойствах горных пород, поскольку процессы взаимодействия нейтронов с веществом в гораздо большей степени отражают индивидуальные свойства ядер. При этом в скважину опускается источник быстрых нейтронов (типа Ra+Be или Po+Be), а на некотором расстоянии – индикатор нейтронного (нейтрон-нейтронный каротаж ННК) или излучения (нейтронный каротаж НГК). В обоих случаях скорость счета индикатора сильнее всего зависит от замедляющей способности среды, а именно от содержания водорода в породе. Так как водород в горной породе содержится в основном в жидкости (нефти и воде, заполняющей поровое пространство, то показания приборов ННК и НГК связаны монотонной зависимостью с величиной пористости пласта. Возможность различать нефть и воду в поровом пространстве, несмотря на их практически одинаковые замедляющие свойства, обусловлена наличием солей в подземных водах при практически полном отсутствии их в нефти. Показания приборов против водонасыщенных участков при НГК выше, чем против нефтяных, и оценивается по числу квантов, испускаемых ядрами породы при захвате нейтронов, а при ННК – наоборот и оценивается по величине плотности тепловых нейтронов. Важнейшей особенностью всех методов является возможность обследования разреза горных пород через стальную колонну и затрубный цемент, благодаря большой проникающей способности как нейтронного, таки γ-излучения. Вопросы для самоконтроля 1. Охарактеризуйте типы радиоактивных распадов. 2. Сформулируйте закон радиоактивного распада. 3. Что называется периодом полураспада 4. Что является единицей измерения радиоактивности 5. Назовите наиболее часто встречающиеся в горных породах радиоактивные элементы. 6. Что такое кларк радиоактивности 7. За счет каких процессов излучение ослабляется в горных породах. Дайте характеристику основным методам каротажа, основанным на взаимодействии гамма-излучения с горными породами и их нейтронной активности. Часть 2 ФИЗИКА НАСЫЩЕННЫХ ПОРИСТЫХ СРЕД 2.1. Физико-химические свойства природных флюидов 2.1.1. Виды залежей природных флюидов Виды нефтегазовых залежей различают не только по их строению, но и по содержанию в них флюидов, их соотношению и фазовому состоянию. В продуктивных отложениях земной коры содержатся вода и углеводороды. В зависимости от состава, температуры и давления они могут находиться в залежи в различных состояниях твердом, газообразном, жидком ив виде газожидкостных смесей. Если газа в залежи много по сравнению с объемом нефти, то газ располагается в виде газовой шапки, причем в ней содержится и часть жидких углеводородов нефти в виде паров. Кроме того, под высоким давлением в пласте плотность газа становится приблизительно равной плотности легких углеводородов, при этом и тяжелые углеводороды могут также частично растворяться в газе. Если газа в залежи мало по сравнению с объемом нефти, а давление достаточно высокое, то газ в нефти полностью растворяется (дом газа в 1 м нефти, и газонефтяная смесь залегает в однородном (жидком) состоянии. Поэтому в зависимости от условий залегания и количественного соотношения нефти и газа залежи подразделяются наследующие виды 1. Нефтяные (с различным содержанием нефтяного газа. 2. Газонефтяные (с большой газовой шапкой. 3. Чисто газовые. 4. Газоконденсатные (в них добывают светлые углеводороды с большим газовым фактором болеем газа на 1 тонну нефти. 5. Газогидратные. 6. Битумные. Существование газогидратных залежей доказано в последние годы. Газ в таких залежах содержится в твердом (гидратном) состоянии. Это обусловлено свойством газа, при определенных давлениях и температуре соединяться с водой и образовывать гидраты. Районы распространения газогидратных залежей в основном приурочены к зоне распространения многолетней мерзлоты. Глубина их залегания 2–2,5 тыс. мВ битумных залежах углеводороды находятся в твердом или малотекучем состоянии. Но чаще всего четких границ между типами залежей нет, а в процессе разработки физическое состояние и свойства углеводородов постоянно меняются, поэтому необходимо знать все эти изменения в широком диапазоне давлений и температур. |