книги / Геофизические исследования скважин

пиллярах разных сечений. Механизм этой поляризации довольно сложен, и обычно ее называют о б ъ е м н о й п о л я р и з а ц и е й , по­ скольку поляризация захватывает объем породы, обработанной элек­ трическим током.

Вгорных породах, обладающих электронной проводимостью (же­ лезные руды, некоторые сорта каменных углей), вызванная поляри­ зация возникает в основном за счет электродных процессов, проте­ кающих на границе электролит — проводящая среда.

Вгорных породах со смешанной проводимостью возникают одно­ временно как объемная, так и электродная поляризации.

Для измерения вызванных потенциалов обычно используют че­ тырехэлектродный зонд (например, В5, ОАО, 04М0, 04А). Раздвоен­ ный электрод А и электрод В служат для пропускания электричес­ кого тока. Электрод М, покрытый слоем перфорированной резины для устранения помех за счет поляризации самого электрода, и обыч­ ный электрод N на поверхности служат для измерения разности по­ тенциалов. Схема измерений устроена так, чтобы в скважину про­ пускался прерывистый электрический ток. В промежутках между импульсами тока преобразователь замыкает цепь MN, и совместно с потенциалами собственной поляризации прибор Г1регистрирует выз­ ванные потенциалы. Одновременно с этим второй прибор Г2 регист­ рирует разность потенциалов, наблюдаемую между электродами М

иN в момент протекания поляризующего тока (рис.39).

51

В скважинных условиях против однородного поляризующего пла­ ста наблюдается симметричная аномалия вызванных потенциалов, амплитуда которой зависит от мощности пласта (рис.40). Для плас­ тов h>12dc влиянием мощности можно пренебречь. Помимо мощно­ сти пласта на величину вызванных потенциалов оказывает влияние диаметр зоны проникновения фильтрата бурового раствора и ее удельное сопротивление.

По замеру вызванной поляризации вычисляют к о э ф ф и ц и е н т в ы з в а н н о й э л е к т р о х и м и ч е с к о й а к т и в н о с т и породы Ав, который в однородном электрическом поле (лабораторные усло­ вия) равен

где Д[/вп — измеренная разность вызванных потенциалов, мВ; ДПкс — разность потенциалов, наблюдаемая между электродами М и N в момент протекания поляризующего тока, мВ.

Для исключения влияния удельного сопротивления рв насы­ щающей породу жидкости на величину А в (для песчано-глинистых коллекторов) в рассмотрение вводят приведенный коэффициент вызванной электрохимической активности

Опыт показывает, что в песчано-глинистом разрезе наибольшей вызванной активностью обладают глинистые песчаники и алевроли­ ты. Незаглинизированные пески и песчаники имеют низкую актив-

I » I/ I 0 ]г I ♦ 1J 1 о I*

Рис. 41. Зависимость приведенного коэффициента вызванной электрохими­ ческой активности Ав1 от содержания глинистого и карбонатного цемента (Сгл+С) и от коэффициента проницаемости кпрдевонских песчаников-кол­ лекторов Татарии.

а — Ав1=/(СГЛ+С), б — Ав1 =/(fcnp); 1 — проницаемые образцы; 2 — непроницаемые образцы, 3— зависимость, построенная по данным МИНХ и ГП; 4 — то же, по данным ВНИИгеофизика

52

ность (рис. 41, а). Чистые глины также имеют низкую вызванную ак­ тивность в связи с наличием в них высоко-минерализованной воды. Против известняков и доломитов наблюдаются обычно высокие по­ тенциалы вызванной поляризации, обусловленные значительным удельным сопротивлением этих пород.

Кривые UBWотражая изменение содержаний глинистого минера­ ла в породе, имеют хорошую расчленяющую способность и позволя­ ют получить ряд дополнительных сведений о разрезе, что особенно важно в условиях относительно пресных пластовых вод, где метод СП не дает четких ультатов.

В частности, перспективен метод ВП для выделения нефтяных пластов, обводнившихся в процессе разработки пресной водой. В некоторых районах между вызванными потенциалами и прони­ цаемостью песчаников к пр наблю дается коррелятивная связь (рис. 41, б), которую можно использовать для приближенного опре­ деления коэффициента проницаемости. Метод потенциалов вызван­ ной поляризаций используют также для выделения углей при изу­ чении разрезов угольных скважин. Имеется положительный опыт использования метода для определения в разрезах скважин зон сульфидного оруденения

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1.Назовите основные факторы, которые определяют удельное со­ противление горных пород в их естественном залегании.

2.Что такое параметр пористости пласта и как этот параметр за­ висит от величины коэффициента пористости?

3.Как влияет нефте- и газонасыщенность пород на величину их удельного сопротивления? Объясните, как определяются параметр насыщения, коэффициент нефте-, газо- и водонасыщения в пластахколлекторах по геофизическим данным.

4.Нарисуйте принципиальную схему измерения кажущегося сопротивления горных пород, объясните ее работу и сформулируй­ те физическую сущность понятия «кажущееся удельное сопротив­ ление».

5.Что называется зондом для измерения кажущихся сопротив­ лений, как эти зонды различаются между собой и каковы особеннос­ ти формы аномалий на диаграммах кажущихся сопротивлений.

6.Перечислите электрические методы, с помощью которых мож­ но определить истинное удельное сопротивление пластов; нарисуй­ те принципиальные схемы этих методов.

7.Перечислите методы, использующие свойства переменного электромагнитного поля. Чем эти методы отличаются? При каких геолого-технологических условиях целесообразно их применение?

8.Метод потенциалов собственной поляризации (метод СП), прин­ ципиальная схема регистрации диаграмм в скважине, природа электродвижущих сил, от которых зависят показания метода.

53

9 Какую информацию о разрезах горных пород, вскрытых скважиной, может дать геофизический метод собственных потенци­ алов?

10.Как по кривой метода собственных потенциалов выделить кол­ лектор в разрезе скважины?

11.На каком свойстве пород основано применение геофизичес го метода вызванной поляризации? Какую информацию о свойстве пластов можно получить с помощью этого метода?

Г л а в а II.

МЕТОДЫ РАДИОМЕТРИИ

Р а д и о м е т р и е й с к в а ж и н называют совокупность методов, основанных на регистрации различных ядерных излучений, главным образом гамма-квантов и нейтронов.

Эти методы подразделяются на методы регистрации естествен­ ных излучений горных пород (радиометрия естественных излуче­ ний) и методы регистрации излучений, возникающих при облучении горных пород внешними источниками, помещенными в скважинном

приборе (радиометрия вторичных излучении). Из первой группы методов в настоящее время используется метод естественной радио­ активности (гамма-метод). Группа методов радиометрии вторичного излучения включает две подгруппы — методы основанные на облу­ чении горных пород соответственно гамма-квантами и нейтронами.

В нефтяных и газовых скважинах из методов первой подгруппы применяют в основном метод рассеянного гамма-излучения (гамма-

гамма-метод), из второй подгруппы — нейтрон-нейтронный метод и нейтронный гамма-метод, импульсные нейтронные методы и метод наведенной активности.

К радиометрии скважин иногда относят также метод ядерного магнитного резонанса (ядерный магнитный каротаж), хотя и не свя­ занный с регистрацией ядерных частиц, но использующий некото­ рые ядерные свойства элементов горной породы.

Существенная особенность ядерных методов заключается в прин­ ципиальной возможности определения с их помощью концентрации отдельных элементов в горных породах. Важным преимуществом большинства ядерных методов является также и то, что они могут применяться как в необсаженных, так и обсаженных скважинах. На их показания относительно слабо влияет и характер жидкости в ство­ ле скважины.

§ 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАДИОМЕТРИИ

Ядра некоторых изотопов могут самопроизвольно превращать­ ся в ядра других элементов. Этот процесс называется р а д и о ­

54

а к т и в н о с т ь ю . Превращение ядра обычно происходит путем из­ лучения альф а- или бета-частицы (а- и Р-распад), реж е на­ блюдается захват ядром одного из электронов оболочки атома (К- захват). Каждый вид распада сопровождается испусканием гаммаквантов.

Альфа- и бета-лучи представляют собой соответственно поток ядер гелия (т. е. частиц, состоящих из двух протонов и двух нейтро­ нов) и поток быстрых электронов. Проходя через вещество, они за­ медляются, затрачивая энергию на ионизацию атомов. Пробег бетачастиц в твердых телах и жидкостях составляет обычно не более нескольких миллиметров; пробег альфа-частиц в несколько сот раз меньше.

Гамма-лучи представляют поток «частиц» (квантов) высоко­ частотного электромагнитного излучения наподобие света, но с го­ раздо меньшей длиной волны, т. е. с большей энергией кванта. Про­ бег гамма-квантов в веществе в несколько десятков раз больше про­ бега для бета-частиц той же энергии.

Энергию гамма-квантов и других ядерных частиц принято выра­ жать в электрон-вольтах (эВ) или миллионах электрон-вольт (МэВ): 1эВ=1,602 • 10-19Дж. Энергия альфа- и бета-частиц и гамма-квантов, испускаемых радиоактивными ядрами, изменяется от долей до 3 МэВ.

Число ядер радиоактивного элемента уменьшается со временем экспоненциально:

0,6931

где Na — число ядер радиоактивного элемента в начальный момент времени t = 0); Т1/2— период полураспада, т. е. время, в течение кото­ рого распадается в среднем половина атомов радиоактивного изотопа.

Количественной характеристикой радиоактивности некоторого вещества (препарата) является число распадов за единицу времени. Для данного радиоактивного изотопа количество распадов А за 1 с прямо пропорционально числу его атомов N, т. е.

Коэффициент пропорциональности X называемый п о с т о я н н о й распада, связан с периодом полураспада соотношением

Таким образом, чем меньше период полураспада, тем при одина­ ковом количестве радиоактивного изотопа больше радиоактивность препарата.

Абсолютная радиоактивность (активность) вещ ества опре­ деляется числом распадов в 1 с (расп./с). Активность в 1 расп./с при­ нимается за единицу радиоактивности и носит название беккерель (Бк). Существует внесистемная единица Кюри (Ки), равная актив­ ности 1г 226Ra (1Ки=3,7 • Ю10 Бк).

55

Поскольку энергия и количество гамма-квантов на 1 распад раз­ личны для различных радиоактивных изотопов, величина радиоак­ тивности в беккерелях недостаточна для суждения о гамма-актив­ ности вещества. Для ее характеристики еще недавно использовали специальную единицу — миллиграмм-эквивалент радия (мг • экв. Ra). Радиоактивное вещество имеет активность в 1 мг • экв. Ra, если его гамма-излучение обладает такой же ионизирующей способностью, что и излучение 1 мг радия (в равновесии с продуктами его распада) после прохождения через платиновый фильтр толщиной 0,5 мм.

Для понимания зависимости показаний многих радиоактивных методов исследования скважин от свойств горных пород необходимо представить себе закономерности прохождения гамма-квантов че­ рез вещество. Для тех энергий, которые встречаются при радиомет­ рии скважин (до 10 МэВ), существенны три типа взаимодействия: фотоэлектрическое поглощение, эффекты образования пар и рассе­ яния гамма-квантов (рис. 42).

При ф о т о э л е к т р и ч е с ­ к о м п о г л о щ е н и и (фотоэф­ ф екте) гамма-квант исчезает вследствие передачи всей его энергии одному из электронов атома.

К о м п т о н о в с к о е р а с ­ с е я н и е ( эф ф ект Комптона) происходит в результате соуда­ рения кванта с одним из элект­ ронов. Гамма-квант передает часть своей энергии электрону и изменяет направление своего движения.

Э ф ф е к т о б р а з о в а н и я п а р сводится к исчезновению кванта с образованием пары ча­ стиц — электрона и позитрона.

Вероятность взаимодействия гамма-кванта с атомом какоголибо элемента пропорциональна числу таких атомов в единице объе­

ма вещества и так называемому поперечному сечению атома для дан­ ного вида взаимодействия. Кроме порядкового номера элемента и типа взаимодействия (рассеяние, фотоэффект и т.п.), поперечное се­ чение зависит от энергии кванта.

Вероятность того, что гамма-квант на единице длины пути испы­ тывает взаимодействие с каким-нибудь атомом элемента, определя­ ется произведением концентрации п, атомов этого элемента на сече­ ние ст,элемента для данного типа взаимодействия. Общая вероятность взаимодействия гамма-кванта с каким-либо из атомов на длине пути в 1 м равна сумме таких произведений для всех элементов, входя­ щих в состав данного вещества. Эта сумма называется м а к р о с к о ­

56

и обозначается ц. Величина 1/ц равна среднему пути, проходимому частицей до взаимодействия с каким-либо атомом вещества. Значе­ ния суммарного макроскопического сечения взаимодействия гаммаквантов (в результате всех трех типов взаимодействия) в типичных горных породах составляют примерно 40,15 и 6 м _1 при энергии гам­ ма-квантов 0,1; 1 и 6 МэВ соответственно.

Вероятность фотоэлектрического поглощения резко возрастает с увеличением атомного номера элемента и с уменьшением энергии гамма-кванта: сечение прямо пропорционально атомному номеру элемента в четвертой степени и обратно пропорционально третьей

— пятой степени энергии. В породах, состоящих из легких элемен­ тов (например, в большинстве осадочных пород), сечение фотоэф­ фекта становится пренебрежимо малым уже при энергии кванта 0,2 + 0,3 МэВ. Для тяжелых элементов фотоэффектом нельзя пренеб­ речь даже при энергии в несколько мегаэлектрон-вольт.

В интервале энергии 0,1 10 МэВ для легких и 0,5 -г- 5 МэВ для тя­ желых элементов преобладающим процессом взаимодействия явля­ ется комптон-эффект.

Вероятность комптоновского рассеяния не зависит от химического состава вещества. Макроскопическое сечение этого процесса пропор­ ционально количеству электронов в единице объема (электронной плотности вещества) и несколько убывает с ростом энергии кванта. Число электронов п ев единице объема вещества

ne= N AZ 5 / M , (II.4)

где NA — число Авогадро; Z — атомный номер; М — атомная масса; 5 — плотность вещества.

Для легких элементов (до кальция включительно) отношение Z/ М практически одно и то же и равно 0,5. Поэтому для большинства гор­ ных пород, состоящих преимущественно из легких элементов, число электронов в единице объема, а следовательно, и макроскопическое сечение комптоновского рассеяния (а при энергии 0,2 -н 5 МэВ и полное сечение) оказывается пропорциональным плотности среды.

Поперечное сечение эффекта образования пар увеличивается с ростом атомного номера пропорционально Z2. При энергии кванта менее 1,02 МэВ этот процесс не происходит, а при большей энергии его сечение растет с увеличением энергии. Для большинства горных пород он становится существенным лишь при энергии гамма-кванта

(т. е. числа гамма-квантов, проходящих через единицу площади) от точечного источника в некоторой среде выражается приближенной формулой

57

где Ф — плотность потока гамма-квантов на расстоянии г; Q — об­ щее число квантов, испускаемых источником; ц — суммарное мак­ роскопическое сечение среды для всех процессов взаимодействия гамма-излучения с веществом.

Поток гамма-квантов не является исчерпывающей характе­ ристикой интенсивности поля гамма-квантов и его воздействия на ве­ щество. Такое воздействие зависит не только от числа квантов, пада­ ющих на вещество, но и от их ионизирующей способности, которая различна для квантов с различной энергией. Учитывая это, интенсив­ ность гамма-излучения в данной точке пространства принято харак­ теризовать величиной, называемой экспозиционной дозой (ниже про­ сто «доза»). Единицей дозы является кулон на килограмм (Кл/кг). Доза равна 1 Кл/кг, если в результате ионизации излучением в 1 кг абсо­ лютно сухого воздуха образуются заряды в 1 Кл (каждого знака). Доза, создаваемая в единицу времени, называется м о щ н о с т ь ю экспо­ зиционной дозы (ниже «мощность дозы»). Ее единица 1 А/кг.

В литературе встречается также внесистемная единица дозы — рентген (1Р = 2,58 • 10 ~4 Кл/кг) и единица мощности дозы — микро­ рентген в час (1 м кР/ч = 71,7-10 ~15 А/кг). Для примера укажем, что радиевый источник активности 1 мКи на расстоянии 1 м от него со­ здает в воздухе мощность дозы 850 мкР/ч. С изменением расстояния от источника мощность дозы уменьшается обратно пропорциональ­ но квадрату расстояния.

Вторым видом ядерных частиц, имеющим важнейшее значение при исследовании скважин, являются нейтроны.

В качестве источников нейтронов используют чаще всего смесь порошков бериллия с радиоактивным веществом, испускающим аль­ фа-частицы (например, полоний, плутоний и др.). При бомбардиров­ ке ядер атомов бериллия альфа-частицами радиоактивного вещества происходит ядерная реакция:

® В е + ^ а = 1^ С + 01п,

где через дП обозначен нейтрон.

Такие источники, представляющие небольшие герметические ампулы и потому называемые ампульными, дают быстрые нейтро­ ны с энергией, достигающей для полоний-бериллиевых источников 11 МэВ; максимумы распределения по энергии приходятся на 3 и 5 МэВ. Интенсивность таких источников при исследовании скважин, как правило, составляет не менее (3—-4) • 10~6 нейтр./с, для чего ак­ тивность Ро или Ри должна быть порядка 1011 Бк.

Нейтронным источником другого типа, используемым при иссле­ довании скважин, является генератор нейтронов. В нем титановая или циркониевая мишень с растворенным в ней изотопом водорода тритием ( j H) бомбардируется дейтонами (ядрами тяжелого водоро­ да ]Н ), ускоренными линейным ускорителем под напряжением око­ ло 105В. По реакции

31H + 21H = lHe + 10n

58

образуются нейтроны с энергией 14 МэВ. Более высокая энергия ней­ тронов и монохроматизм излучения являются преимуществом таких генераторов. Другое преимущество — возможность выключения ис­ точника, что повышает безопасность работ и позволяет доводить его интенсивность до 108— 109 нейтр./с.

Источники третьего типа — некоторые изотопы трансурановых элементов, например, калифорния (252Cf), претерпевающие интен­ сивное самопроизвольное деление ядер с испусканием нейтронов.

Будучи электрически нейтральными, нейтроны не испытывают действия электронной оболочки и заряда ядра, поэтому обладают большой проникающей способностью. Кроме того, при соударении с ядрами они вызывают разнообразные ядерные реакции, что делает их весьма полезными при изучении ядерного, а следовательно, и хи­ мического состава горных пород. Реакции с участием нейтронов раз­ деляются на две группы: рассеяние и поглощение нейтронов. Рассе­ яние бывает упругое и неупругое.

У п р у г о е р а с с е я н и е аналогично столкновению двух идеаль­ но упругих шаров: часть кинетической энергии нейтрона передается ядру без изменения внутреннего состояния последнего. Сечение уп­ ругого рассеяния большинства ядер при Е<п • 10-1 МэВ почти посто­ янно, а при большей энергии нейтронов существенно зависит от энер­ гии последних. Из основных элементов горных пород наибольшее се­ чение упругого рассеяния (20— 80) • 10 _28м2 характерно для водорода.

Потеря энергии нейтрона при его упругом соударении зависит от массы ядра. Наибольшее изменение энергии достигается при соуда­ рении с ядром водорода, масса которого наиболее близка к массе ней­ трона. При столкновении с ядром водорода нейтрон в среднем умень­ шает свою энергию в 2 раза, тогда как, например, для ядер кислоро­ да и кремния это уменьшение составляет всего 11 и 6%. Благодаря высокому сечению рассеяния и большой потере энергии при соуда­ рении водород является аномальным замедлителем нейтронов.

При н е у п р у г о м р а с с е я н и и энергия нейтрона расходуется не только на создание кинетической энергии ядра, но и на его воз­ буждение, т. е. увеличение его внутренней энергии. Потеря энергии в среднем больше, чем при упругом рассеянии. Однако неупругое рас­ сеяние на легких элементах происходит лишь при больших энерги­ ях нейтронов и в радиометрии скважин играет меньшую роль, чем упругое рассеяние.

П о г л о щ е н и е н е й т р о н о в сопровождается испусканием ка­ кой-либо ядерной частицы. Это может быть протон (обозначается р), альфа-частица (а), один или несколько гамма-квантов и т. д. Соот­ ветствующие ядерные реакции принято обозначать (гг, р), (п, а) и (п, Y). Последняя реакция с испусканием гамма-квантов называется ра­ диационным захватом нейтрона.

Реакция радиационного захвата с заметной вероятностью проис­ ходит лишь при малой энергии нейтрона (для легких ядер менее 1— 10 эВ). Сечение этой реакции убывает обратно пропорционально ско­ рости нейтронов. Реакции (п, р) и (л, а), наоборот, происходят обыч­

59

но лишь при очень высокой энергии нейтронов (как правило, выше 5 МэВ) и при радиометрии скважин имеют ограниченное значение. Исключение составляет реакция (п, а) на некоторых легких элемен­ тах (бор, литий), реакция (п, р) на очень редком изотопе гелия f Не и некоторых др. Они аналогично реакции (те, у) наиболее интенсивно протекают с медленными нейтронами.

Нейтроны, испущенные источником и попавшие в горную породу, относительно быстро замедляются в результате упругих и частично неупругих соударений. Поэтому большинство из них избегает погло­ щения в области высокой энергии и захватывается ядрами по реак­ ции радиационного захвата, уже имея очень малую энергию, близ­ кую к энергии теплового движения атомов среды (порядка 1/40 эВ). Поэтому результатом поглощения нейтронов обычно являются гам­ ма-кванты, за исключением пород, богатых бором и литием, где кро­ ме гамма-квантов образуются также альфа-частицы.

При поглощении нейтронов ядрами некоторых изотопов они ста­ новятся радиоактивными. Поэтому кроме гамма-излучения радиа­ ционного захвата, испускаемого практически в момент захвата и по­ тому наблюдаемого лишь одновременно с облучением породы нейт­ ронами, существует еще гамма-излучение активированных ядер, которое можно наблюдать и после выключения или удаления источ­ ника нейтронов.

§ 2. МЕТОД ЕСТЕСТВЕННОЙ РАДИОАКТИВНОСТИ (ГАММА-МЕТОД)

Во всех горных породах в небольших количествах присутствуют радиоактивные элементы. Содержание радиоактивных элементов в различных горных породах, а следовательно, и интенсивность испус­ каемых ими ядерных излучений различны. Поэтому, регистрируя их, можно судить о типе горных пород, пройденных скважиной. Метод исследования геологического разреза скважин, основанный на реги­ страции излучений, испускаемых естественно радиоактивными эле­ ментами горных пород, носит название м е т о д а е с т е с т в е н н о й р а д и о а к т и в н о с т и . Поскольку обычно альфа- и бета-лучи, име­ ющие малый пробег в веществе полностью поглощаются буровым ра­ створом и корпусом скважинного снаряда, а индикатора достигают лишь гамма-лучи, этот метод называют также гамма-методом и со­ кращенно обозначают ГМ.

При исследовании гамма-методом в скважину опускают прибор, который содержит детектор гамма-излучения и электронную схему (рис. 43), служащую для питания индикатора, усиления его сигналов и передачи их через кабель на поверхность. Часто используют мно­ гоканальные приборы, регистрирующие одновременно диаграммы гамма-метода и нейтронного гамма-метода. Точка записи ГМ совпа­ дает с серединой детектора.

Радиоактивность горных пород обусловлена в основном при­ сутствием в них урана, тория, радиоактивных продуктов их распа­ да и, наконец, калия, один из изотопов которого 40К так же радио­ активен.

60