книги / Геофизические исследования скважин

Т П ? ГШПг C E 3 J

Рис.43. Схема зондов радиометрии скважин.

1 — детекторы гамма-излучения (Г), тепловых (Т) и надтепловых (Н) нейтронов, источники. 2 — гамма-излучения; 3 — быстрых нейтронов; 4 — вещество, хорошо по­ глощающее гамма-кванты (Pb, Fe и т. п.), 5 — водородсодержащее вещество, рассеи­ вающее и поглощающее нейтроны (парафин, полиэтилен и т. п ), УТ — ускорительная трубка генератора нейтронов; ВБ — высоковольтный блок, ЭС — электронная схема прибора

При разработке ряда нефтяных и газовых месторождений обна­ ружено резкое повышение радиоактивности некоторых продуктив­ ных пластов при их обводнении. Этот эффект, названный радиогеохимическим, широко используется при контроле разработки место­ рождений (см. гл. X).

Если не считать урановых и ториевых руд, наибольшей гамма-ак­ тивностью обладают кислые изверженные породы, например грани­ ты, а также глины По интенсивности гамма-излучения 1 г этих пород эквивалентен (4— 6) • 10~12 г 226Ra. Наименее активны (менее 10-12г На) ультраосновные породы, а среди осадочных пород — чистые разности известняков, песчаников, большинства каменных углей и особенно гидрохимических пород (кроме калийных солей). В осадочных поро­ дах, как правило, радиоактивность тем больше, чем выше содержа­ ние глинистой фракции. Это позволяет по кривым 1уразличать глины, глинистые и чистые разности известняков, песчаников и т. п.

Повышенная радиоактивность глинистых пород объясняется тем, что благодаря большой удельной поверхности они в процессе осадконакопления сорбируют большее количество соединений урана и тория, чем неглинистые породы. Имеет значение и калий, входящий в состав некоторых глинистых минералов.

Диаграммы ГМ используют также для выделения в разрезе сква­ жин урановых и ториевых руд, калийных солей, а также других по­

61

лезных ископаемых, обладающих повышенной радиоактивностью (фосфориты, иногда марганцевые руды и др.). На рис. 44 показана типичная кривая, полученная гамма-методом в разрезе осадочных пород.

Кроме радиоактивности горных пород, на показания гамма-ме­ тода оказывают влияние: а) поглощение гамма-излучения в сква­ жине, зависящее от диаметра скважины, плотности бурового ра­ створа, наличия и толщины обсадной колонны и цементного коль­ ца; б) радиоактивность среды, заполняющ ей ствол скважины. Показания ГМ растут при увеличении диаметра скважины, если радиоактивность горных пород меньше радиоактивности среды, заполняющей скважину. При обратном соотношении радиоактив­ ностей горной породы и скважинной среды показания ГМ умень­ шаются с ростом диаметра скважины. Обсадная колонна всегда уменьшает показания ГМ. При строгом учете влияния перечислен­ ных факторов по результатам ГМ можно количественно определить общую массовую радиоактивность пород.

Рис.44. Схематические диаграммы, полученные ядерными методами в раз­ резе осадочных пород.

1-каменная соль, 2 — калийная соль, 4 — размытый пласт с глубокой каверной, 5 —■ гипс, 6-ангидрит, 7— известняк низкопористый, 8— известняк высокопористый, пес­ чаник (песок) 9 — газоносный, 10 — нефтеносный, 11-водоносный, 12-метаморфизо- ванная порода

62

шивают на высоте 2— 3 м над площадкой с низкоактивным грунтом. На высоте детектора на некотором расстоянии г от него помещают радиевый эталонный источник. Показания прибора регистрируют самописцем.

Истинная интенсивность излучения в точке расположения детек­ тора определяется по формуле

1 = К уА / г 2 ,

где Л — активность радиевого эталона; Ку — гамма-постоянная ра­ дия, равная мощности дозы, создаваемой на расстоянии 1м источни­ ком единичной активности; г — расстояние от эталона до детектора. Подобные измерения и вычисления осуществляют при нескольких значениях г и строят эталонировочный график — зависимость пока­ заний прибора от 1,(.

В качестве условной единицы измерений принимают также раз­ личие в показаниях против двух мощных опорных пластов с различ­ ной активностью или же средне-квадратические колебания показа­ ний в некотором фиксированном интервале разреза эталонной сква­ жины.

Способ эталонирования аппаратуры в единицах мощности дозы и использование условных единиц в качестве интерпретационного па­ раметра ГМ не позволяют учесть влияние промежуточных зон (бу­ рового раствора, глинистой корки, обсадной колонны и цемента в об­ саженной скважине) на показания аппаратуры и выявить связь ра­ диоактивности породы с петрофизическими характеристиками отложений. При таком способе интерпретации для учета радиаль­ ной неоднородности исследуемой среды используются палетки для различных типов аппаратуры и условий измерений, а для определе­ ния глинистости — эмпирические связи типа «ГИС-керн» (см. гл.У).

В настоящее время введен и обоснован интерпретационный па­ раметр ГМ — урановый эквивалент суммарного массового содержа­ ния естественных радиоактивных элементов elf [4]. elf определяет такое массовое содержание урана, при котором показание прибора в однородной безграничной среде такое же, как при данном содержа­ нии ЕРЭ в их природной смеси. Для аппаратуры, используемой в раз­ резах нефтегазовых скважин (интегральный канал с диаметром бо­ лее 6 см) elf является физической характеристикой, независящей от типа аппаратуры и имеющей петрофизическую модель связываю­ щую интерпретационный параметр ГМ с содержанием компонент породы (флюида, матрицы, содержания глинистых минералов и т.д.).

где 8 — плотность породы, elf,— урановые эквиваленты отдельных компонент породы (флюид, матрица, глинистый цемент, органичес­ кое вещество и т.п.), kt — содержания этих компонент. Использова­ ние абсолютных единиц радиоактивности (elf) в качестве интерпре­ тационного параметра гамма-метода позволяет использовать ГМ для

64

определения содержаний компонент породы к, в системе петрофи­ зических уравнений для комплекса методов ГИС. Кроме того, когда носителем радиоактивности являются только глинистые минералы, глинистость определяется по данным ГМ без использования эмпи­ рических петрофизических связей.

Для определения показаний аппаратуры в единицах eU необхо­ димо знать чувствительность аппаратуры к единичному массовому содержанию урана в однородной безграничной среде (концентраци­ онную чувствительность по урану — Си). Она определяется по изме­ рениям в моделях пластов (прошедших государственную аттестацию в качестве стандартных образцов ЕРЭ) пересеченных необсаженной сухой скважиной. Измерения в моделях при заполнении скважины флюидом с известными характеристиками, позволяет рассчитать чувствительность аппаратуры к изменению свойств промежуточных зон (радиальную чувствительность). Знание радиальной чувстви­ тельности позволяет учитывать влияние промежуточных зон на по­ казания аппаратуры без использования палеток (Д.А. Кожевников, 1985г.).

Применяя специальные приборы — спектрометры гамма-из­ лучения, можно регистрировать вдоль скважины диаграмму из­ менения интенсивности гамма-квантов с заданной энергией. Спектр гамма-излучения радиационного захвата представляет собой зави­ симость скорости счета от энергии N= f(E ) и показывает распреде­ ление интенсивности гамма-излучения по энергиям. Спектр имеет характерные максимумы, соответствующие определенным радиоак­ тивным изотопам. Наличие отдельных максимумов и их интенсив­ ность характеризует присутствие в породе соответствующих радио­ активных элементов.

Спектрометрия естественного гамма-излучения (ГМ-С) заключа­ ется в регистрации спектров гамма-излучения горных пород трехили многоканальном (256 или 1024 канала) спектрометре. По данным ГМ-С количественно определяют содержание калия К, тория Th и урана U (с продуктами распада).

Статическую амплитуду Jt показаний спектрометра количе­ ственно описывает интерпретационная модель метода [4]. Вклад J - го излучателя в показания г'-го канала аппаратуры характеризует­ ся произведением содержания этого излучателя (j), чувствитель­ ности аппаратуры к единице содержания этого излучателя (С}) и относительного вклада в результирующую скорость счета излуче­ ния j -го излучателя из k-ой зоны системы «скважина-пласт». По­ казания аппаратуры являются суммой относительных вкладов всех излучателей всех зон системы «скважина-пласт». Чувствительно­ сти аппаратуры к содержаниям отдельных ЕРЭ в различных зонах системы «скважина-пласт» определяют в специальных моделях пласта, содержащих определенный радиоактивных элемент с и без имитации промежуточной зоны и уточняют в полевых калибровоч­ ных устройствах перед проведением измерений. Результаты интер­ претации представляют в виде трех кривых, характеризующих из-

менение по разрезу скважины содержаний в породе урана, тория, калия (К40).

С помощью ГМ-С разделяют аномалии гамма-активности, обус­ ловленные глинистостью, полевошпатовостью, повышенным со­ держанием урана (радия); выделяют доломитизированные разно­ сти среди известняков, и зоны трещинноватости, унаследованные зонами вторичной доломитизации, оценивают минералогическую и гранулометрическую глинистость, определяют минеральный со­ став глинистых пород и содержания в породе разбухающих гли­ нистых минералов ( по соотношению отдельных радионуклидов); оценивают ресурсы органогенного углерода в битуминозных гли­ нистых нефтематеринских толщах (по содержанию урана), выде­ ляют зоны трещинноватости в этих толщах; выявляют радиогеохимические аномалии, и осуществляют контроль радиоактивного загрязнения обсадных колонн, бурового и эксплуатационного обо­ рудования.

На рис. 46 показана радиогеохимическая аномалия в обводняю­ щемся коллекторе, обнаруживаемая по отношениям урана к калию (U/K) и урана к торию (U/Th), зарегистрированная в обсаженной скважине одного из месторождений Западной Сибири (измерения выполнены трехканальной аппаратурой «Спектр»), Характер кри­ вой U /Th свидетельствует также о фильтрационной неоднороднос­ ти данного коллектора.

Рис.46. Радиогеохимическая аномалия в обводняющемся коллекторе, выявленная по данным ГМ-С

10 [по Д.А. Кожевникову]

О

Глубина, км

Метод используется в рудной геологии для разделения урановых и ториевых руд, а также для обнаружения полезных ископаемых характеризующихся повышенной радиоактивностью непосредствен­ но или определенным соотношением ЕРЭ во вмещающих толщах (фосфориты, бокситы, алмазы).

66

§ 3. МЕТОД РАССЕЯННОГО ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ (ГАММА-ГАММА МЕТОД)

В гамма-гамма-методе (ГГМ) горная порода облучается источни­ ком гамма-квантов и регистрируется интенсивность гамма-излуче­ ния, достигающего индикатора излучения, расположенного на неко­ тором расстоянии от источника (см. рис. 43). Это расстояние называ­ ется длиной зонда I. Точку записи однозондового ГГМ относят к середине между центрами источника и детектора, двухзондового ГГМ — к середине между центрами детекторов. Фильтр из тяжело­ го металла (Fe, Pb, W и др.), установленный между источником и ин­ дикатором, практически полностью поглощает прямое гамма-излу­ чение источника. Поэтому измеряемое в этом методе гамма-излуче­ ние почти полностью состоит из излучения источника, претерпевшего хотя бы одно рассеяние на атомах среды, окружающей источник. Отсюда и название метода.

Когда гамма-кванты большой энергии (порядка 1 МэВ), вы­ летающие из источника, претерпевают несколько актов рассеяния и значительно уменьшают свою энергию, они поглощаются в резуль­ тате фотоэффекта. Поскольку взаимодействие гамма-кванта с веще­ ством является случайным процессом, разные кванты до своего по­ глощения успевают пройти различное расстояние от источника. По мере удаления от источника поток квантов уменьшается примерно по закону (11.5). Он убывает с расстоянием тем быстрее, чем больше коэффициент ослабления ц, т. е. чем выше плотность среды и кон­ центрация тяжелых элементов в ней. Вследствие этого поток гаммаквантов у детектора, располагаемого на относительно большом рас­ стоянии от источника (более 15 — 20 см), уменьшается с увеличени­ ем плотности горной породы и концентрации в ней тяж елы х элементов. Степень влияния последнего фактора на показания ГГМ можно менять путем выбора начальной энергии гамма-квантов (вы­ бором источника) и энергии квантов, преимущественно регистриру­ емых индикатором (выбором индикатора). В соответствии с этим су­ ществуют две модификации ГГМ: плотностной гамма-гамма-метод (ГГМ-П) и селективный (ГГМ-С).

В п л о т н о с т н о й м о д и ф и к а ц и и ГГМ применяется ис­ точник гамма-квантов относительно большой энергии, чаще всего 60Со, испускающий кванты с энергией 1,17 и 1,33 МэВ. Детектор гам­ ма-излучения размещается в толстом корпусе из тяжелого металла (железо), почти полностью поглощающем кванты с энергией меньше 0,15 — 0,2 МэВ. В результате в основном регистрируется гамма-из­ лучение с энергией более 0,2 МэВ, а на интенсивность таких гаммаквантов не оказывает заметного влияния фотоэлектрическое погло­ щение, а следовательно, и химический состав среды; показания ме­ тода определяются комптоновским рассеянием и зависят лишь от плотности среды, окружающей скважинный прибор: чем больше плотность среды, тем меньше показания ГГМ-П. Размер зонда при ГГМ-П обычно 20— 40 см.

67

При с е л е к т и в н о й м о д и ф и к а ц и и ГГМ применяют источ­ ники мягкого гамма-излучения (менее 0,3— 0,4 МэВ, например, ра­ диоактивный селен-75, излучающий кванты с энергией 0,138 и 0,268 МэВ, ртуть-203 с энергией квантов 0,279 МэВ и др.). Детектор при ГГМ-С настраивается на регистрацию еще более мягкого гаммаизлучения. Показания ГГМ-С зависят как от рассеяния гамма-кван­ тов (следовательно, от плотности среды), так и в особенности от их поглощения, которое в основном определяется концентрацией в по­ роде тяжелых элементов. В результате наиболее сильное влияние на показания ГГМ-С оказывают присутствующие в горной породе тяжелые элементы: чем больше содержание последних, тем меньше показания метода. Размер зонда при ГГМ-С обычно 10— 20 см.

Измеряемой величиной в ГГМ-С является скорость счета в энер­ гетических окнах. Интерпретационный параметр метода — индекс фотоэлектрического поглощения Ре[барн/электрон]. Гамма-излуче­ ние в низкоэнергетической области пропорционально электронной плотности и зависит от фотоэлектрической адсорбции. В нефтяных скважинах ГГМ-С применяют в основном для разделения песчани­ ков, известняков и доломитов. Индекс фотоэлектрического поглоще­ ния Ре доломита выше, чем у песчаника, но ниже, чем у известняка (доломит — 3,14 барн/электрон, кварц — 1,81 барн/электрон, каль­ цит — 5,08 барн/электрон). Соответственно на диаграммах ГГМ-С при равной плотности показания против песчаников наибольшие, против известняков наименьшие, против доломитов — промежуточ­ ные. Оценка литологического состава по данным ГГМ-С в комплексе методов радиометрии позволяет определить емкостные свойства от­ ложений с учетом состава матрицы породы.

Селективную модификацию гамма-гамма-метода используют для выделения пород, обогащенных тяжелыми элементами (свинец, ртуть, вольфрам и др.), и количественного определения концентрации пос­ ледних. Поскольку показания ГГМ-С зависят и от плотности горных пород, для повышения надежности интерпретации его результаты необходимо рассматривать совместно с диаграммой ГГМ-П.

Все модификации ГГМ имеют малую зону исследования (10 — 15 см для ГГМ-П и еще меньше для ГГМ-С), поэтому их показания в значи­ тельной степени зависят от положения прибора в скважине, измене­ ний в ближней зоне (плотности бурового раствора, толщины глинис­ той корки, диаметра скважины, наличия крепления скважины и т. п.). Поскольку плотность глинистого раствора и глинистой корки меньше плотности горных пород, то с увеличением толщины глинистой корки или с удалением прибора от стенки скважины вследствие наличия каверн уменьшается средняя плотность среды вокруг зонда ГГМ и увеличиваются показания. Это может быть ошибочно проинтерпре­ тировано как уменьшение плотности породы. Для повышения надеж­ ности интерпретации необходимо иметь кавернограмму.

Для уменьшения влияния скважины прибор прижимают к стен­ ке скважины (см. рис. 43), а источник и индикатор экранируют эк­ раном из тяжелого металла за исключением стороны, обращенной

68

к породе. Для учета изменений толщины глинистой корки служат два детектора, расположенные на различном расстоянии (15 и 35 см) от источника и обеспечивающие одновременные измерения двумя зондами различной длины. По совокупности показаний двух зон­ дов против данного пласта и показаний в двух эталонных средах (измерение на поверхности земли) находят и регистрируют неко­ торую величину F, являющуюся функцией плотности горных по­ род. Используя эталонировочный график зависисмости F от плот­ ности 5 пород или аналитическую зависимость, находят значения последней.

В качестве эталонных сред для эталонирования прибора ГГМп используют блоки из материалов различной плотности (алюминий, бетон и т. п.), имеющие полуцилиндрические выемки для размеще­ ния там зондовой части прибора (с направлением коллимационных окон к блоку).

При ГГМ кроме рассеянного излучения источника индикатор ре­ гистрирует также гамма-излучение естественной радиоактивности горных пород, однако, выбрав достаточную активность источника [(2— 4) • 109 Бк], можно добиться, чтобы интенсивность рассеянного излучения была намного больше интенсивности естественного.

Плотностную модификацию ГГМ применяют для разделения в разрезе скважин пород с различной плотностью, например, для рас­ членения гидрохимических пород (см. рис. 44), для выделения руд с большой плотностью (хромитовые, марганцевые, железные и др.), каменных углей (имеющих малую плотность по сравнению со вме­ щающими породами), для определения плотности и пористости по­ род, а также для определения литологического состава пород в ком­ плексе с другими методами ГИС.

Непосредственно по показаниям ГГМ-П получают плотность гор­ ной породы. Предварительно для данного типа приборов ГГМ на ос­ новании результатов измерений на нескольких моделях пластов с известной плотностью строят кривые зависимости показаний от плотности горной породы. Определение коэффициента пористости кппо плотности породы 8Птребует знания плотности 8Мминерально­ го скелета породы и плотности 5Жжидкости, заполняющей ее поры. Названные величины связаны соотношением

откуда получаем следующую формулу для определения пористости •

И з-за малой зоны исследования метод ГГМ для изучения геоло­ гического разреза обычно применяют в необсаженных скважинах. В обсаженных скважинах показания ГГМ в зависимости от типа ис­ точника и конструкции зонда определяются в основном толщиной и плотностью цементного камня, толщиной или внутренним диамет­ ром обсадной колонны, и потому метод применяется для определе­ ния качества цементирования, толщины и внутреннего диаметра ко­

69

лонны (см. гл. VIII, § 3). Точку записи кривых ГГМ относят к середи­ не между источником и детектором; форма кривой ГГМ близка к форме диаграмм ГМ.

§ 4. НЕЙТРОННЫЕ МЕТОДЫ

Методы, при которых горная порода облучается нейтронами, но­ сят название н е й т р о н н ы х . Нейтронные методы различаются ви­ дом регистрируемого вторичного излучения, вызванного воз­ действием на породу первичных нейтронов источника, а также ре­ жимом источника. Источник может быть импульсным, т. е. испускать нейтроны в течение небольших интервалов времени, между которы­ ми источник выключен, или же стационарным, т.е. излучать нейтро­ ны практически непрерывно. Соответственно говорят об импульсных (ИНМ) и стационарных нейтронных методах (СНМ).

В различных методах могут регистрироваться либо нейтроны, рассеянные ядрами атомов горной породы (нейтрон-нейтронный ме­ тод), либо гамма-излучение радиационного захвата нейтронов (ней­ тронный гамма-метод), или, наконец, гамма-излучение искусствен­ ных радиоактивных изотопов, образующихся при поглощении нейт­ ронов ядрами (нейтронный активационный метод). Ради краткости слово «стационарный» в названии метода обычно опускают и гово­ рят, например, нейтронный гамма-метод вместо стационарный ней­ тронный гамма-метод.

Установка для любого нейтронного метода содержит источник нейтронов и соответствующий детектор нейтронов или гамма-кван­ тов (в зависимости от метода), расположенный на некотором рассто­ янии от источника, называемом размером (длиной) зонда. Между источником и детектором размещается фильтр, задерживающий прямое излучение от источника (см. рис. 43).

Стационарные нейтронные методы входят в обязательный комп­ лекс ГИС разведочных скважин (см. гл.Х1). Импульсные методы ис­ пользуются преимущественно в обсаженных скважинах.

Нейтрон-нейтронный метод

Испускаемые источником быстрые нейтроны с энергией в не­ сколько мегаэлектрон-вольт в результате многочисленных соуда­ рений с ядрами атомов окружающей среды уменьшают свою энер­ гию до величины порядка энергии теплового движения атомов (при комнатной температуре в среднем 0,025 эВ). Дальнейшие столкно­ вения нейтрона с ядрами могут привести как к уменьшению, так и к росту энергии нейтрона, но в среднем она остается вблизи ука­ занной величины средней энергии теплового движения атомов. По­ этому такие нейтроны называют т е п л о в ы м и , а процесс их рас­ пространения в среде — д и ф ф у з и е й т е п л о в ы х н е й т р о ­ нов. Часть истории нейтрона от момента вылета из источника до достижения тепловой энергии называется п р о ц е с с о м з а м е д ­ л е н и я н е й т р о н о в (рис. 47). Диффузия тепловых нейтронов за­ канчивается поглощением последних каким-либо ядром и испус-

70