В. В. Климов, А. В. Шостак геофизические исследования скважин
 Скачать 7.18 Mb.
|
|
3.3.1 Гамма-каротаж Физические основы метода Гамма-каротаж (ГК) заключается в измерении γ-излучения естест- венных радиоактивных элементов (ЕРЭ), содержащихся в горных породах, пересеченных скважиной. Наиболее распространенными ЕРЭ являются: U (и образующийся из него Ra), Тh и К. У магматических пород максимальной активностью отличаются кис- лые породы (в основном, из-за повышенного содержания калия, в котором содержится около 0,7 % радиоактивного изотопа К 40 ). Среди осадочных пород наиболее активны глины, обладающие вы- сокой адсорбционной способностью, менее активны песчаники и, наконец, наименьшей активностью обладают известняки и доломиты, а также гид- рохимические осадки (гипс, ангидрит, каменная соль). Исключение пред- ставляют только калийные соли, отличающиеся повышенной активностью, благодаря содержащемуся в них К. Гамма-излучение, измеряемое при гамма-каротаже, включает также и так называемое фоновое излучение (фон). Фоновое излучение вызвано загрязнением радиоактивными веществами материалов, из которых изго- товлен глубинный прибор, и космическим излучением. Влияние космиче- ского излучения резко снижается с глубиной и на глубине нескольких де- сятков метров на результатах измерений уже не сказывается. Влияние скважины на показания ГК проявляется: – в повышении интенсивности γ-излучения за счет естественной ра- диоактивности колонн, промывочной жидкости и цемента; – в ослаблении γ-излучения горных пород вследствие поглощения γ-лучей колонной, промывочной жидкостью и цементом. В связи с преобладающим значением второго процесса влияние скважины сказывается главным образом в поглощении γ-лучей горных по- род. Это приводит к тому, что при выходе глубинного скважинного снаря- да из жидкости наблюдается увеличение γ-излучения. При переходе его из необсаженной части скважины в обсаженную отмечается снижение интен- сивности естественных γ-излучений, что вызывает смещение кривых и уменьшение дифференцированности диаграммы. 82 Считается, что эффективный радиус действия установки гамма- каротажа (радиус сферы, из которой исходит 90 % излучений, восприни- маемых индикатором) соответствует приблизительно 30 см; излучение от более удаленных участков породы поглощается окружающей средой, не достигнув индикатора. Современные каротажные радиометры обеспечивают возможность не только определения интегральной интенсивности Iγ, но и возможность спектрометрии, т.е. определения энергии поступающих на детектор γ-квантов, что позволяет определить, с каким ЕРЭ связана радиоактивность горной породы. Для этого один канал радиометра настраивают на энергию основной линии γ-излучения Ra226 – 1,76 МэВ, другой – на основную линию Тh232 – 2,6 МэВ и третий – на энергию γ-излучения К40 – 1,46 МэВ. При выполнении ГК важным моментом является соблюдение опти- мальной скорости движения скважинного прибора. Скорость каротажа должна быть такой, чтобы при движении детектора против пласта мини- мальной мощности h показания радиометра успели достичь максимальных значений Iγпл. При более высокой скорости аномалия ГК получается меньшей интенсивности и растянутой по глубине. (В общем случае ско- рость ГК не должна превышать 360–400 м/час). Прибор для регистрации ГК может быть совмещен с локатором муфт и стреляющим перфоратором. (Одновременная запись гамма-каротажа и локатора муфт позволяет установить стреляющий перфоратор в нужном интервале с высокой точностью). Аппаратура и методика гамма каротажа Как правило, каротажные радиометры являются двухканальными и, кроме канала ГК, содержат еще один канал, предназначенный для одно- временной записи еще одной диаграммы – НГК, ГГК или ГНК. Запись по- казаний производится в единицах мощности экспозиционной дозы излуче- ния (МЭД), выраженных в мкР/час. Схема построения различных сква- жинных приборов радиоактивного каротажа приведена на рисунке 3.25. Аппаратурадля различных радиоактивных методов исследования име- ет много общего. Её основная функция– измерение интенсивности нейтро- нов или гамма-квантов, и потому она содержит электронные схемы для раз- личных методов исследования, базирующиеся, в общем, на одних и тех же принципах. Главные отличия аппаратуры для различных методов связаны с конструкцией зондов, источника, фильтров и детекторов излучения. 83 Детекторы излучения – важнейшие элементы радиометров. В каче- стве детекторов излучения в, скважинной аппаратуре применяют газораз- рядные или сцинтилляционные счетчики. Газоразрядные счетчики конструктивно представляют собой цилин- дрический баллон, по оси которого натянута металлическая нить, служа- щая анодом (рис. 3.26). Металлическая боковая поверхность баллона слу- жит катодом. Между катодом и анодом подается постоянное напряжение, равное для разных типов счетчиков от 300–400 В до 2–3 кВ. Рис. 3.25 Схема скважинных приборов радиоактивного каротажа, где: а – ГК; б – ГГК; в – НГК; г – НК (НК-Н или НК-Т); д – АГК; 1 – стальной экран; 2 – свинцовый экран; 3 – парафин (или другой материал с высоким водородосодержанием); L 3 – длина зонда; О – точка записи результатов измерений; I – индикатор γ – излучения; II – источник γ – излучения; III – индикатор плотности нейтронов; IV – источник нейтронов. Рис. 3.26 Устройство и схема включения газоразрядного счетчика, где: 1 – анод, 2 – катод, 3 – изолятор, 4 – стеклянный баллон, 5 – электрический вывод катода. 84 Счетчики для регистрации гамма-квантов заполняются смесью инертного газа с парами высокомолекулярных органических соединений или с галогенами. При взаимодействии гамма-излучения с катодом из него выбивается электрон. Электрон, попадающий в заполненный газом объем счетчика, осуществляет ионизацию газа, т.е., в свою очередь, вырывает электроны из атомов газа, превращая их в положительно заряженные ио- ны. Эти электроны, называемые первичными, ускоренные электрическим полем, по пути к аноду вызывают вторичную ионизацию и т.д. В результа- те число электронов лавинообразно возрастает, превышая число первич- ных электронов в тысячи и сотни тысяч раз – в счетчике возникает разряд. При относительно небольшом напряжении общее число электронов про- порционально числу первичных электронов, а, следовательно, энергии ядерной частицы, регистрируемой счетчиком – такие счётчики называются пропорциональными. При большом напряжении между анодом и катодом общее число электронов перестает зависеть от числа первичных электро- нов и от энергии регистрируемой частицы – такие называют счетчиками Гейгера-Мюллера. Преимущество счетчиков Гейгера-Мюллера – большая термостойкость, надежность в работе, менее жесткие требования к ста- бильности питающего напряжения. Сцинтилляционный детектор (СД) состоит из сцинтиллятора, сопря- женного с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) (рис. 3.27). При падении гамма-кванта в сцинтиллятор происходит возбуждение атомов последнего. Возбужденные атомы испускают электромагнитное излучение, часть которо- го лежит в световой области. Кванты света от сцинтиллятора попадают на фотокатод ФЭУ и выбивают из него электроны. Рисунок 3.27 – Схема сцинтилляционного детектора; где: 1 – сцинтиллятор, 2 – корпус, 3 – отражатель, 4 – фотон, 5 – корпус ФЭУ, 6 – фотокатод, 7 – фокусирующий электрод, 8 – диноды, 9 – собирающий электрод (анод), R 1 –R N – делитель напряжения. 85 Фотоэлектронный умножитель кроме фотокатода содержит анод и сис- тему электродов (динодов), размещенную между анодом и катодом. На дино- ды подается положительное (относительно катода) напряжение от делителя напряжения R l – R N , при этом чем дальше анод от катода, тем его потенциал выше. В результате электроны, испускаемые фотокатодом при попадании на него света, ускоряются, бомбардируют первый из динодов и выбивают из не- го вторичные электроны. В дальнейшем эти электроны ускоряются под дей- ствием разности потенциалов, приложенной между первым и вторым дино- дами, бомбардируют второй динод и выбивают из него «третичные» элек- троны. Так происходит на каждом из динодов, вследствие чего общее коли- чество электронов возрастает в геометрической прогрессии. Общее усиление потока в ФЭУ может достигать 106 раз и более. Таким образом, при попада- нии вспышки света на фотокатод на входе ФЭУ образуется импульс напря- жения, через емкость С подаваемый на вход усилителя. В качестве сцинтилляторов для регистрации гамма-квантов в сква- жиной аппаратуре используют кристаллы йодистого натрия. Сцинтилляционный детектор (счетчик) гамма-квантов имеет ряд преимуществ перед разрядным: обладает высокой эффективностью, т.е. регистрирует больше гамма–квантов, проходящих через счетчик (для сцинтилляционного 60–70 % и менее 1–2 % для разрядных счетчиков). Сцинтилляционные счетчики также позволяют определять энергию реги- стрируемых гамма-квантов. Последнее обусловлено тем, что интенсив- ность световой вспышки люминофора пропорциональна энергии кванта. Их недостатком является низкий диапазон температур (не выше 100 0 С), поэтому в глубоких скважинах необходимо из термостатирование. Интерпретация результатов Качественная интерпретация диаграмм ГК заключается в литологи- ческом расчленении разреза, которое основано на различии горных пород по их радиоактивности. В общем случае однозначное определение пород по одним лишь диаграммам ГК невозможно и решать эту задачу следует при комплексном использовании диаграмм всех видов каротажа (КС, ПС, НГК, АК и др.). При количественной интерпретации диаграмм ГК получают исход- ные данные (мощность рудных интервалов и содержание радионуклида) для подсчета запасов радиоактивных руд. Количественная интерпретация диаграмм ГК основывается на зависимости площади аномалии S от мощ- 86 ности радиоактивного интервала h и содержания в нем радиоактивного элемента q, выражаемой уравнением: S = K 0 ·q·h, (3.11) где, К 0 – коэффициент пропорциональности, определяющий интенсив- ность γ – излучения пласта. (Величина К 0 зависит от типа и размеров детектора, а также от плотности и z эф руды. Поскольку учесть все эти факторы аналитически весьма сложно, то величину К 0 определяют экспериментально по измерениям на моделях пластов с известным содержанием радионуклида. Например, для урановых руд гидроген- ного типа и счетчика МС – 13 К 0 = 115 мкР/час на 0,01 % U). Значе- ние площади S в см·мкР/час определяется по замкнутому контуру, ограниченному кривой ГК, осью глубин и контактами пласта. Определение мощности. Для определения мощности рудного интер- вала используют способ 1/2·I γ max , 4/5·I γ max заданной интенсивности и др. Выбор способа зависит от мощности рудного подсечения, равномерности оруденения и некоторых других факторов. Определение содержаний естественных радиоактивных элементов (ЕРЭ) производится по формуле: q = S / (100·K 0 ·h)·%, (3.12) где, h – мощность интервала, м. Введение поправок. При определении содержаний ЕРЭ необходимо учитывать, что какая-то часть γ–излучения поглощается в буровом раство- ре и обсадных трубах. Поправка на поглощение в буровом растворе П б.р и обсадных трубах П т.р определяется по одной и той же номограмме, на ко- торой нанесено 2 кривых: одна – для раствора (воды), другая – для железа (обсадных труб). При определении по ГК содержания U необходимо вводить еще по- правку на состояние радиоактивного равновесия между ураном и радием, поскольку сам уран γ-квантов практически не дает, а все γ-излучение идет от радия и продуктов его распада. Состояние радиоактивного равновесия определяют по содержанию в руде U и R a , которые находят по лаборатор- ным анализам керна. В скважинах нефтяных и газовых месторождений по диаграммам ГК определяют глинистость коллекторов. На диаграммах ГК проводят одну линию, соответствующую глинам, другую – соответствующую чистым 87 кварцевым пескам. Величину отклонения 1 γ от этих линий на исследуемом пласте полагают линейно связанной с глинистостью коллектора С гл 3.3.2 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 сна- ряд дополняется источником γ-квантов (рис.3.28). Расстояние между центрами детектора и источника называется дли- ной 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, а для уменьшения влияния кавернозности стволов скважин и детектор, и источ- ник обычно размещают в небольшом выносном блоке, прижимаемом к стенке скважины и способном заходить в каверны. Рис. 3.28 Устройства скважинных приборов для гамма-гамма-каротажа Процессы взаимодействия γ-излучения с веществом Существуют 3 основных процесса, которые носят названия фотопо- глощения, комптоновского рассеяния и образования пар. Фотопоглощение (или фотоэффект) заключается в поглощении γ-кванта атомом вещества, при этом его энергия уходит на отрыв электро- на от атома и сообщение последнему импульса энергии (рис. 3.29, а). 88 Рис. 3.29 Виды взаимодействия гамма – квантов с веществом, где: а – фотоэффект; б – комптоновское рассеяние; в – образование пар; в – ядерный фотоэффект 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 фото- эффекте зависит от энергии γ- кванта Е γ и химического состава вещества. Комптоновское рассеяние – это рассеяние γ-квантов на электронах вещества, в результате которого γ- квант теряет часть своей энергии и ме- няет направление движения (рис. 3.29, б). 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 атомно- го номера элемента, и от числа электронов в единице объема вещества п e Образование пар происходит при взаимодействии γ-кванта с полем яд- ра атома, γ- квант прекращает свое существование, а вместо него образуется пара: электрон и позитрон (рис. 3.29, в).Вероятность этого процесса невелика поскольку ядро занимает лишь небольшую часть объема всего атома и энер- гия γ-кванта должна быть достаточной для этой реакции (E γ > 1,02 МэВ). Процесс образования пар в геофизических методах исследования скважин пока не используют. Ядерный фотоэффект заключается в поглощении γ-кванта ядром атома, после чего ядро становится возбужденным и переходит в нормаль- ное состояние через испускание нейтрона (рис. 3.29, г). Нейтрон имеет тепловую энергию. Эта реакция пороговая – энергия γ-кванта должна быть больше энергии связи нейтрона в ядре, а она зависит от массы последнего. 89 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 погло- щаются 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 подвер- гается исследованию, в ГГК выделяют 2 основные разновидности метода: плотностной и селективный γ–γ-каротаж. 3.3.3 Плотностной гамма-гамма-каротаж Плотностной гамма-гамма-каротаж (ГГК-П) основан на изучении ком- птоновского рассеяния γ-квантов в горных породах. Поскольку этот эффект наблюдается при достаточно высокой энергии γ-квантов, то в ГГК-П исполь- зуют источники с энергией Е γ > 0,5 МэВ. Такими источниками являются ис- кусственные изотопы Со 60 , Сs 137 и естественный ЕРЭ – Rа 226 , который дает целый спектр γ-квантов с энергиями от 0,35 до 1,76 МэВ. Область применения. ГГК-П находит применение при исследовании нефтяных, газовых, углеразведочных и рудных скважин. Плотность породы 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. На нефтяных и газовых месторождениях ГГК-П применяют для дифференциации разрезов скважин по плотности и для определения по- ристости пород – коллекторов. Длина зондов от 20 до 50 см. ГГК-П применяют также для определения высоты подъема и наличия пустот в цементном камне, поскольку плотность цементного камня 2,2 г/см 3 , а жидкости, заполняющей пустоты в нем, 1,0–1,2 г/см 3 На месторождениях ископаемых углей ГГК-П применяют для выделе- ния угольных интервалов. Поскольку плотность углей (σ у = 1,15–1,75) г/см 3 намного меньше, чем плотность песчано-глинистых вмещающих пород (σ вм = 2,5 – 2,7) г/см 3 , то над угольными интервалами интенсивность рассеян- ного γ – излучения значительно повышается. Границы угольных пластов оп- ределяют по правилу полумаксимума аномалии. |