В. В. Климов, А. В. Шостак геофизические исследования скважин
 Скачать 7.18 Mb.
|
|
3.3.4 Селективный гамма-гамма-каротаж Селективный гамма-гамма-каротаж (ГГК-С, он же Z-ГГК) основан на изучении фотопоглощения γ-квантов в горных породах. Поскольку этот эффект превалирует при низкой энергии γ-квантов, в ГГК-С используют источники с энергией Е γ < 0,5 МэВ. Такими источниками являются искус- ственные радионуклиды: Sе 75 и Hg 203 .Длина зонда 10–20 см. Область применения. ГГК-С применяется, главным образом, на уголь- ных и рудных месторождениях. На угольных месторождениях ГГК-С используют для определения зольности углей. Чистый уголь имеет Z эф ≈ 6, поскольку состоит из углеро- да. Негорючий остаток углей (зола) состоит, в основном, из кремнезема и глинозема с примесью окислов железа, Z эф золы составляет 12–13 единиц. Между зольностью углей А с и их Z эф существует функциональная зависи- мость. Поскольку метод ГГК-С чувствителен к малейшим изменениям Z эф среды, то по его результатам можно оценить зольность ископаемых углей. На рудных месторождениях метод ГГК-С применяют для выделения рудных интервалов в разрезах скважин. При измерении спектра рассеянно- го γ–излучения можно определить, каким элементом вызвано поглощение, т.е. возможно изучение вещественного состава руд. На нефтяных и газовых месторождениях метод ГГК-С находит при- менение пока только при дефектоскопии обсадных колонн. 3.3.5 Нейтронный каротаж (стационарные нейтронные методы) При нейтронном каротаже изучаются характеристики нейтронного и γ-излучений, возникающих при облучении горных пород источником ней- тронов. В промышленности применяются стационарные и импульсные нейтронные методы исследования скважин. К стационарным относятся: нейтронный гамма-каротаж (НГК), нейтрон – нейтронный каротаж по теп- ловым (НК-Т) и надтепловым (НК-Н) нейтронам. Стационарные источники нейтронов содержат смесь порошков бе- риллия с радиоактивным веществом, испускающим альфа-частицы (на- пример, полоний, плутоний). При бомбардировке ядер атомов бериллия альфа–частицами радиоактивного вещества происходит ядерная реакция: n C Be 1 0 12 6 4 2 9 4 + = α + , (3.13) где, через n 1 0 обозначен нейтрон. 91 Эти источники представляют герметические ампулы и называются ампульными, дают быстрые нейтроны с энергией 11 МэВ; максимумы рас- пределения по энергии приходятся на 3 и 5 МэВ. Интенсивность таких ис- точников составляет не менее (3 ± 4)10 –6 нейтрон/с, для чего активность Ро или Ри должна быть порядка 10 11 Бк. Нейтронный источник другого типа – генератор нейтронов. Титано- вая или циркониевая мишень с растворенным в ней изотопом водорода тритием ( H 3 1 ) бомбардируется дейтонами (ядрами тяжелого водорода H 2 1 ), ускоренными линейным ускорителем под напряжением около 10 5 В. По ре- акции n He H H 1 0 4 2 2 1 3 1 + = + образуются нейтроны с энергией 14 МэВ. Более высокая энергия нейтронов и монохроматизм излучения являются пре- имуществом таких генераторов. Другое преимущество – возможность вы- ключения источника, что повышает безопасность работ и позволяет дово- дить его интенсивность до 10 8 – 10 9 нейтрон/с. Источники третьего типа – некоторые изотопы трансурановыхэле - ментов, например, калифорния ( 252 Cf), претерпевающие интенсивное са- мопроизвольное деление ядер с испусканием нейтронов. Будучи электрически нейтральными, нейтроны не испытывают дейст- вия электронной оболочки и заряда ядра, поэтому обладают большой прони- кающей способностью. Кроме того, при соударении с ядрами они вызывают разнообразные ядерные реакции, что делает их весьма полезными при изуче- нии ядерного, а, следовательно, и химического состава горных пород. 3.3.6 Нейтронный гамма-каротаж (НГК) Метод НГК является одним из ведущих методов исследования сква- жин нефтяных и газовых месторождений. В комплексе с другими метода- ми нейтронный гамма-каротаж применяется для литологического расчле- нения разрезов скважин, выделения коллекторов, оценки пористости, от- бивки водонефтяного и газонефтяного контактов и т.п. В нейтронном гамма-каротаже измеряется искусственно вызванное гамма-излучение горных пород. Для возбуждения этого излучения стенки скважины бомбардируют нейтронами. НГК основан на измерении характе- ристик поля γ-излучения, возникающего под действием внешнего источ- ника нейтронов. Скважинный прибор НГК включает в себя источник нейтронов и детектор гамма-излучения. В качестве источников нейтронов в России 92 применяют обычно ампулы, заполненные смесью порошкообразного бе- риллия и какой-либо соли полония. Ро–Ве источник дает около 2·10 6 ней- тронов в секунду на 1 г полония и примерно столько же гамма-квантов. Большая часть нейтронов – быстрые, с энергиями от 3,5 до 6 МэВ. Поскольку нейтроны не имеют электрического заряда, проникающая способность их очень велика. Сталкиваясь с ядрами атомов горных пород, нейтроны теряют часть своей энергии и замедляются. При этом большая часть кинетической энергии теряется при соударении с ядрами легких ато- мов, главным образом, водорода. После примерно 25 соударений с ядрами водорода нейтроны замедляются до «тепловых» энергий (около 0,025 эВ) и диффундируют через породы, пока не будут захвачены. Тепловые нейтро- ны могут захватываться ядрами всех элементов, кроме Не. Низкие сечения захвата тепловых нейтронов имеют О и С. Аномально высокие сечения за- хвата у таких элементов, как T, Сd, В, С1 и некоторых других. Акт захвата теплового нейтрона сопровождается испусканием γ-квантов, которые об- разуют так называемое γ-излучение радиационного захвата (ГИРЗ). Часть этих γ-квантов фиксируется детектором в скважинном снаряде НГК. Кроме радиационного гамма-излучения (I nγ ),детектор будет фикси- ровать также и гамма – кванты другого происхождения. Суммарную заре- гистрированную интенсивность гамма – излучения можно представить в виде ряда: I Σ = I nγ + I у + I ф + I γγ , (3.14) где, I γ – естественное гамма – излучение пород; I ф – фоновое гамма – излучение источника нейтронов; I γγ – гамма – излучение источника, претерпевшее комптоновское рассеяние в породах и обсадных тру- бах скважины. Общая величина γ-излучения, регистрируемая при НГК, слагается из трех компонентов: 1) интенсивности γ-излучения Ιнгк, возникающего в результате ра- диационного захвата ядрами породы; 2) γ-излучения Ι ггк источника нейтронов, которое воздействует на индикатор непосредственно или вследствие облучения стенок скважины γ–лучами, часть которых рассеивается породой в направлении индикатора; 3) естественного γ-излучения Ι гк , обусловленного естественной ра- диоактивностью породы. 93 Для выделения исследуемой составляющей I nγ приходится прибегать к уменьшению влияния остальных составляющих I у, I ф, I γγ . Для уменьшения влияния естественной радиоактивности I у выбирают, с одной стороны, мощ- ность источника нейтронов такой, чтобы вызванное им гамма-излучение бы- ло, по крайней мере, на порядок больше естественного. С другой стороны, уровень естественной радиоактивности может быть учтен вычитанием пока- заний ГК из диаграмм НГК. Для ослабления фонового гамма-излучения источника I ф между источ- ником и детектором располагают мощный свинцовый экран. Для поглощения мягкого рассеянного излучения I γγ детектор излучения помещают в стальную гильзу (рис. 3.30). Выделенная таким образом составляющая I nγ зависит, в ос- новном, от содержания водорода в исследуемой среде. Когда скважинный снаряд проходит через формации с высоким содержанием водорода (в соста- ве воды или нефти и газа), уровень наведенного гамма – излучения будет низким, т.к. большинство нейтронов будет замедлено и поглощено в непо- средственной близости от источника и только некоторые из гамма-квантов смогут достичь детектора и будут зарегистрированы. Если породы содержат мало водорода или не содержат вообще, ней- троны успевают распространиться далеко от источника прежде, чем они будут замедлены и захвачены. При длине зонда 0,6 м и выше большая часть нейтронов будет по- глощена где-то вблизи детектора гамма-излучения, и на диаграммах НГК будет наблюдаться высокий уровень интенсивности ГИРЗ. При исследованиях зондами, длина которых L 3 более 40 см, плотность нейтронов в среде с большим водородосодержанием в зоне размещения ин- дикатора мала, поскольку в такой среде нейтроны замедляются и поглоща- ются в основном вблизи источника. В результате породы с высоким водоро- досодержанием отмечаются на диаграммах НГК низкими показаниями. В малопористых породах с низким водородосодержанием плотность нейтронов вблизи индикатора увеличивается, что вызывает повышение ин- тенсивности показаний НГК. По нейтронным свойствам осадочные горные породы можно разделить на две группы – большого и малого водородосо- держания. К первой группе относятся: глины, характеризующиеся высокой влаго- емкостью (пористостью) и содержащие значительное количество минералов с химически связанной водой (водные алюмосиликаты), гипсы, отличающие- ся малой пористостью, а также некоторые очень пористые и проницаемые 94 песчаники и карбонатные породы. При измерениях большими зондами (L 3 ≥ 40 см) на диаграммах эти породы отмечаются низкими показаниями. Рис. 3.30 Устройство зонда нейтронного гамма-каротажа Во вторую группу пород входят – плотные известняки и доломиты, сцементированные песчаники и алевролиты, на диаграммах нейтронного гамма – каротажа эти породы выделяются высокими показаниями. Против других осадочных пород (песков, песчаников, пористых кар- бонатов) показания НГК зависят от их глинистости и содержания в них во- дорода (насыщенности водой, нефтью и газом). Нефть и вода содержат почти одинаковое количество водорода, поэтому нефтеносные и водонос- ные пласты с малым содержанием хлора отмечаются приблизительно оди- наковыми значениями НГК. Газоносные пласты в обсаженной скважине отмечаются на кривой НГК более высокими показаниями, чем такие же по литологии и пористости нефтенасыщенные пласты. Интерпретация результатов НГК Метод НГК дифференцирует породы по водородосодержанию. Как из- вестно, среди осадочных пород наибольшее количество водорода содержат глины в составе химически связанной и поровой воды. Общее содержание воды в глинах может достигать 44 %. Поэтому на диаграммах НГК глины выделяются самыми низкими значениями и представляют собой надежный «базовый» или опорный горизонт. Самые же высокие уровни радиационного гамма – излучения наблю- даются против плотных малопористых известняков, которые могут служить другим опорным горизонтом, с минимальной пористостью (K n ≈ 1 %). 95 Песчаники и пески не содержат химически связанной воды, вследст- вие чего даже самые пористые из них отмечаются более высокими значе- ниями НГК, чем глины. Среди гидрохимических осадков наименьшими значениями I nγ выделяются гипсы благодаря высокому (до 48 %) содержа- нию кристаллизационной воды, наибольшими – ангидриты. Уровень записи I nγ x над пластом-коллектором (песчаник) занимает промежуточное положение между глинами и известняками и зависит от пористости и глинистости коллектора. Определение границ и мощностей пластов. Контакты и мощности пластов в НГК определяются так же, как и в ГК, главным образом, по пра- вилу полумаксимума аномалии. Определение коэффициента пористости. Поскольку показания НГК зависят от полного водородо-хлоросодержания породы, включая содержа- ние кристаллизационной воды и воды, адсорбированной глинистой частью породы, то наиболее точные результаты по определению пористости полу- чаются в карбонатных отложениях. При количественной интерпретации диаграмм НГК величина интенсивности I nγ , снятая против изучаемого пла- ста, непосредственно не используется. Причиной этого являются отсутст- вие строгой эталонировки радиометров и наличие сторонних излучений от самого источника нейтронов и рассеянного гамма-излучения, которые очень трудно учесть полностью. 3.3.7 Нейтрон-нейтронный каротаж по тепловым (ННК-Т) и надтепловым нейтронам (ННК-Н) Нейтрон-нейтронный каротаж по тепловым нейтронам (ННК-Т) заключается в измерении плотности потока тепловых нейтронов, образую- щихся в результате замедления в горных породах быстрых нейтронов от ста- ционарного источника. При постоянной длине зонда плотность потока тепловых нейтронов (En T – 0,025 эВ) зависит от замедляющих и поглощающих свойств среды, т.е. от водородосодержания и наличия элементов с высоким сечением захвата тепловых нейтронов. Таким образом, ННК-Т дает такие же результаты, как и метод НГК. На диаграммах нейтронного каротажа по тепловым нейтронам, водородосодержащие пласты выделяются так же как и на кривых НГК, низ- кими значениями, малопористые пласты – более высокими значениями. Однако на показания ННК-Т значительное влияние оказывают элементы, об- ладающие большим сечением захвата тепловых нейтронов, поэтому ННК-Т 96 весьма чувствителен к содержанию хлора и получаемые результаты сильно зависят от минерализации промывочной жидкости и пластовой воды. При работе с большими зондами, чем больше в среде содержание во- дорода, тем меньше T nn I . С повышением содержания нейтронопоглощаю- щих элементов (ТR, Сd, В, Нg, Мn, С1) T nn I падает при любой длине зонда. В качестве детекторов тепловых нейтронов используют пропорцио- нальные газоразрядные счетчики или сцинтилляторы 2п8, активированные Сu или Ag. При исследовании нефтяных и газовых скважин используют зонды ННК-Т длиной 30–50 см. Учет скважинных условий и количественная ин- терпретация производится по аналогии с НГК. При исследовании нефтяных и газовых скважин хорошие результаты дает многозондовый нейтрон-нейтронный каротаж (МННК). В скважинном приборе МННК измерение нейтронного потока производят с помощью двух или нескольких детекторов, расположенных на разном расстоянии от источ- ника. Длина малого зонда составляет 30–40 см, а большого – 60–70 см. Отношение А характеризует скорость спада плотности нейтронов при удалении от источника, а она возрастает с увеличением водородосо- держания и, следовательно, пористости пород при их неизменной литоло- гии и постоянстве скважинных условий. Надтепловыми считаются нейтроны с энергией от 100 эВ до 20 кэВ. Нейтрон-нейтронный каротаж по надтепловым нейтронам (ННК-НТ) за- ключается в измерении плотности потока надтепловых нейтронов, обра- зующихся в результате замедления в горных породах быстрых нейтронов от стационарного источника. Плотность потока надтепловых нейтронов определяется, главным образом, замедляющими свойствами среды, т.е. ее водородосодержанием, и практически не зависит от ее поглощающих свойств (от содержания эле- ментов с большим сечением захвата тепловых нейтронов). В этом заклю- чается преимущество ННК-НТ перед ННК-Т и НГК. Детекторами надтепловых нейтронов служат бор-фтористые газораз- рядные и сцинтилляционные счетчики тепловых нейтронов ЛДН, окру- женные парафин-борным фильтром. Поскольку в среде, где размещается детектор, существуют и надте- пловые, и тепловые нейтроны, бор, содержащийся в фильтре, поглощает тепловые нейтроны, поступающие на счетчик, а парафин, вкотором со- 97 держится много водорода, замедляет надтепловые до тепловых энергий, которые затем попадают на счетчик и регистрируются им. В ННК-НТ так же, как и в других нейтронных методах, могут использоваться как большие (заинтересованные), так и малые (доинверсионные) зонды. Для нейтрон-нейтронного каротажа характерна небольшая глубин- ность исследования, которая в зависимости от свойств пород и их водоро- досодержания составляет от 20 до 30 см (уменьшаясь с ростом водородо- содержания). Наименьшая глубинность характерна для ННК-НТ, т.к. об- ласть распространения надтепловых нейтронов меньше, чем тепловых. Обсадная колонна поглощает тепловые и надтепловые нейтроны, занижая данные ННК-Т и ННК-Н: 1-поглощением колонной значительной части γ-излучений, поступающих из породы. 3.3.8 Импульсный нейтронный каротаж (ИНК) В этом методе горные породы облучают кратковременными потоками быстрых нейтронов и изучают результаты их взаимодействия с окружающей средой. При этом в качестве источника излучения используют скважинный генератор нейтронов, основную часть которого составляет нейтронная труб- ка, в которой титановая или циркониевая мишень с растворенным в ней изо- топом водорода тритием ( H 3 1 ) бомбардируется дейтонами (ядрами тяжелого водорода H 2 1 ), ускоренными линейным ускорителем под напряжением около 10 5 В. По реакции n He H H 1 0 4 2 2 1 3 1 + = + образуются нейтроны с энергией 14 МэВ. Более высокая энергия нейтронов и монохроматизм излучения являются пре- имуществом таких генераторов. Другое преимущество – возможность вы- ключения источника, что повышает безопасность работ и позволяет доводить его интенсивность до 10 8 –10 9 нейтрон/с. При импульсном облучении процессы замедления быстрых и диффу- зии тепловых нейтронов происходят последовательно и могут быть исследо- ваны раздельно в зависимости от времени задержки. Плотность потока теп- ловых нейтронов сначала увеличивается за счет замедления быстрых нейтро- нов и через 10–100 мкс достигает максимума, а затем уменьшается за счет то- го, что тепловые нейтроны начинают диффундировать вдоль оси скважины, а из скважины – в пласт и поглощаться. Время замедления быстрых нейтро- нов (10–10 2 мкс) характеризует замедляющие свойства, т.е. водородосодер- жание горных пород, а время диффузии тепловых нейтронов (10 2 –10 4 мкс) определяется и водородосодержанием, и наличием ядер с большим сечением захвата тепловых нейтронов (например, Сlв пластовых водах). 98 Поскольку время жизни тепловых нейтронов в пласте больше, чем в скважине (из-за большего количества водорода), то, спустя некоторое время после испускания импульса, количество тепловых нейтронов в скважине ста- новится меньше, чем в пласте, и они начинают диффундировать из пласта в скважину. С увеличением времени задержки детектор регистрирует все меньшее количество тепловых нейтронов, но эти нейтроны представляют наибольший интерес, т.к. они идут из наибольшей глубины пласта. Длительность потока нейтронов зависит от времени подачи напряже- ния на анод и составляет обычно от 10 до 20 мкс. Длительность нейтронного импульса обозначают ∆t, а интервал времени между импульсами – t. Частота следования импульсов – от 10 до 500 Гц. Через некоторое время после испус- кания импульса, называемое временем задержки t 3 , производят измерение плотности потока нейтронов или продуктов их взаимодействия с веществом в среде в течение какого-то интервала времени замера ∆t зам . Изменяя время задержки при постоянном ∆τ зам , можно получить зависимость плотности ней- тронов (тепловых или надтепловых) или интенсивности радиационного γ-излучения от времени задержки. Таким образом, ИНК позволяет исследо- вать не только пространственно-энергетическое, но и временное распределе- ние нейтронов в среде и, следовательно, более полно изучить нейтронные ха- рактеристики горных пород. Импульсный нейтронный каротаж возможен в вариантах ИННК-НТ, ИННК-Т, ИНГК и ИНГК-С (со спектрометрией ГИРЗ). В настоящее время получили наибольшее распространение две мо- дификации импульсных нейтронных методов – с регистрацией тепловых нейтронов (ИННК-Т) и гамма-квантов радиационного захвата (ИНГК). Регистрация нейтронов (и гамма-квантов) в этих методах осуществляется в интервале между двумя импульсами источника через некоторое время задержки t после каждого импульса. Быстрые нейтроны замедляются до тепловой энергии и при дальнейшей диффузии поглощаются ядрами среды. Регистрируя тепловые нейтроны (ИННК-Т) или гамма-кванты (ИНГК) при двух значениях времени задержки или более, можно опреде- лить среднее время жизни тепловых нейтронов в горной породе τ, которое позволяет судить о концентрации элементов, имеющих высокое сечение поглощения тепловых нейтронов (рис. 3.31). Импульсный нейтронный каротаж в разновидности ИННК применя- ют при исследовании скважин в условиях низкой минерализации пласто- 99 вых вод (до 0,3 % обьемного содержания NaCl в породе), а метод ИНГК – для изучения действующих скважин в условиях высокой минерализации пластовых вод. Измерения при ИННК-Т (ИНГК) выполняют либо при движении при- бора по стволу скважины (и в результате получают непрерывные диаграммы для двух-трех каналов с различными значениями времени задержки), либо иногда при неподвижном приборе (на точках) для повышения точности. |