3. Гамма-каротаж, физические основы, область применения, решаемые задачи.
Гамма-метод или метод естественной радиоактивности горных пород основан на регистрации естественного (самопроизвольного) гамма-излучения. Это излучение обусловлено самопроизвольным распадом радиоактивных элементов (радионуклидов) уранового (238U, период полураспада T1/2 = 4,5-10 лет, 16 звеньев ряда), ториевого ( Th, T1/2 = 13,9-109 лет, 13 звеньев) и актино- уранового рядов ( AcU, Tl/2 = 0,713-109 лет, 15 звеньев). Это так называемые радиоактивные семейства. Все они завершаются образованием стабильного элемента (свинца). В середине каждого семейства образуются радиоактивные газы (эманации): радон (Rn, T1/2 = 3,85 дня), торон (Tn, T1/2 = 54 с) и актинон (An, Tl/2 = 3,9 с). Распад некоторых радионуклидов ограничивается одним звеном превращений (40К, 87Rb, 152Sm и др.).
Естественная радиоактивность горных пород прямо пропорциональна содержанию в них указанных радиоактивных элементов. Кроме этого, установлено, что осадочные породы, образовавшиеся в различных условиях осадконакопления, содержат различные концентрации урана, тория и калия. Это служит петрофизической основой качественного литологического расчленения разреза осадочных пород по величине их естественной радиоактивности.
Кроме этого, измеряя изменение естественной радиоактивности по стволу скважины, можно определять глубину залегания пластов, выделять коллекторы и флюидоупоры. Чем меньше размеры частиц горной породы, тем выше ее удельная поверхность. Чем выше удельная поверхность горных пород, тем больше ее адсорбирующая способность, тем большее количество радиоактивных частиц адсорбируется на скелете породы. Наиболее мелкие частицы характерны для глинистой – пелитовой фракции. Радиоактивность глинистых пород по сравнению с другими породами осадочного комплекса объясняется их большой удельной поверхностью и способностью к адсорбции радиоактивных элементов, длительностью накопления пелитового материала, обеспечивающего увеличение содержания 238U, 232Th, 40К в осадке. Известна также способность тяжелых окисленных нефтей, в том числе и асфальтоподобных органических веществ, обогащаться ураном за счет извлечения его из подземных вод. Легкие нефти и угли этим качеством не обладают. Таким образом, в осадочных горных породах максимальной радиоактивностью обладают глинистые породы, а радиоактивность большинства коллекторов, представленных терригенными и карбонатными породами, сильно зависит от глинистости. Чем больше глинистость коллектора, тем выше его гамма-активность, тем выше показания ГК.
Таблица 2.
| Порода | Средняя гамма- активность, q-1012, г-экв Ra | Вклад радионуклидов в суммарную гамма-активность, % | ||
| U | ТЬ | К | ||
| Песчаник | 3,0 | 18 | 51 | 31 |
| Глина | 3,4 | 29 | 29 | 42 |
| Известняк | 0,75 | 57 | 25 | 18 |
| Доломит | 0,44 | 59 | 18 | 23 |
| Хемогенные (гипс, | 0,14 | 22 | 40 | 38 |
| ангидрит, галит) | ||||
Решаемые задачи по данным гамма-метода:
1.Литологическое расчленение разреза.
2.Выделение коллекторов.
3.Определение коэффициента глинистости.
4.Корреляция разрезов скважин.
5.Определение условий осадконакопления.
6.Определение типа глинистых минералов.
7.Прогноз скорости распространения продольных волн по корреляционным связям типа vP = 2,9+0,66 In рк = 0,41 I гм.
8.Геонавигационное обеспечение бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин.
9.Контроль технического состояния скважин в процессе заводнения.
4. Гамма-спектрометрический каротаж
Интегральная модификация гамма-метода основана на регистрации общей (суммарной) интенсивности гамма-излучения. Спектрометрическая модификация ГМ позволяет определить каждую составляющую излучения отдельно - 1γ, u , 1γ, Th и 1γ, k. Для этого применяют многоканальные спектрометры (анализаторы) гамма-излучения, которые позволяют регистрировать дифференциальные спектры естественной радиоактивности. При измерении в скважинах используется 4-канальный спектрометр, в котором три канала (по числу неизвестных) предназначены для регистрации гамма-излучения, обусловленного активностью урана, тория и калия, и последующего определения их содержания в породе. Регистрацию излучения проводят в интервалах энергии 1,35+1,55 МэВ (включает энергию 1,46 МэВ изотопа К), 1,65+1,85 МэВ (включает энергию 1,76 МэВ изотопа 226Ra) и 2,4+2,8 МэВ (включает энергию 2,62 МэВ изотопа 232Th). Для регистрации полного спектра гамма-излучения (естественного, радиационного захвата или наведенной активности) применяют спектрометры с числом каналов 256, 512 и 1024. Чем больше число каналов у спектрометра, тем с большей детальностью регистрируется спектр.
Метод позволяет решать следующие задачи.
1.Детальное изучение литологического строения разреза скважины.
2.Выделение калийсодержащих полимиктовых коллекторов, которые на диаграммах интегрального гамма-метода могут выглядеть как пласты глин.
3.Выделение зоны доломитизации известняков.
4.Выделение битуминизированных песчаников, содержащих повышенные концентрации урана.
5.Диагностирование наличия дизъюнктивных нарушений в разрезе скважины.
5. Гамма-гамма-каротаж. Модификация метода, решаемые задачи.
Главным отличием ГГМ от ГМ является то, что при гамма-гамма методе регистрируют рассеянное взаимодействия (рассеяния) гамма-квантов, излучаемых специально устанавливаемым в скважинном приборе ГГМ источником, с окружающей скважину средой.
При ГГМ регистрируются только рассеянные гамма-кванты, которые достигают детектора, размещенного от источника на некотором расстоянии L3, называемом длиной зонда. Для исключения влияния на детектор прямого излучения от источника в скважинном приборе между ними устанавливают фильтр (экран), изготовленный из тяжелого металла - свинца, вольфрама или железа. Фильтр позволяет практически полностью подавить прямое излучение, и поэтому к детектору приходят только те кванты, которые испытали одно или несколько взаимодействий с породой. В зависимости от преобладающей энергии гамма-квантов, излучаемых источником и регистрируемых детектором, используют две модификации ГГМ: плотностной гамма-гамма метод (ГГМ-П) и селективный (ГГМ-С).
Плотностная модификация гамма – гамма каротажа. Для узкого пучка гамма – квантов суммарное сечение взаимодействия с веществом:
J=J0 exp(-μ∑*r) (9)
где, μ∑ = τфмакр + τэпмакр + σкмакр
μ∑ - имеет смысл линейного коэффициента ослабления. Из приведённой формулы можно сделать вывод, о том, что только сечения Комптон – эффекта однозначно зависит от плотности среды. Отношение Z/Am для породообразующих минералов стабильно и равно 0,5, для водорода = 1, для тяжёлых элементов >0,5, но малое их содержание вносит меньшую погрешность, чем погрешность измерений, ими мы пренебрегаем. Другими словами, сечение Комптон – эффекта пропорционально плотности среды через некоторую const.
Взаимодействие с образованием электронно – позитронных пар происходит при энергиях больше 1,022 МэВ. Вероятность фотоэффекта дискретна и растёт с коротковолновой стороны, начиная с энергий около 0,2 МэВ. Сечение Комптон – эффекта в энергетическом окне 0,2 , 1 МэВ практически постоянно, и в этом окне крайне мало вероятны другие взаимодействия. Если снимать информацию с гамма – квантов этого энергетического окна, то она будет характеризовать только плотность среды или горной породы. Информация носит характер ослабления потока гамма – квантов, испускаемых источником, в процессе некогерентного Комптоновского рассеяния на электронах среды. Полевые измерения реализуются в измерении скорости счёта гамма – квантов Jγ [имп /сек], пришедших на детектор, но осреднённому по объёму области, в котором существует поле, где изменение скорости счёта происходит прямо пропорционально изменению плотности среды.
Существует окно значений, в котором изменения ρ * r не ведёт к изменению плотности гамма-квантов, эту область называют инверсионной. Она образуется из-за возврата гамма-квантов. Она представляет в однородной, изотропной среде область, ограниченную сферами, радиусы которых зависят от плотности изменяются с её изменением, т. е. эта область сужается в среде с большей плотностью и наоборот. Полученные из инверсионной области для данной модификации, некондиционны. Поэтому перед проведением каротажа плотностей необходимо априори иметь представление о величинах плотностей в разрезе для корректного выбора типоразмера зонда. При бурении скважин стенки скважины и около скважинное пространство испытывают различные измерения, обусловленные размывами, обрушениями, сальниками, проникновением бурового раствора это главная помеха. Данные, полученные из доинверсионной области, будут характеризовать плотность близ стеночного пространства, с искажённой плотностью. Поэтому, для повышения глубинности снятия информации используются заинверсионные зонды. Для плотностной модификации ГГК применяют зонды различного аппаратно – технологического решения, но объединённые одной характеристикой – длинной зонда, т. е. расстоянием между приёмником и источником.
Из графиков видно (рис.3), что по мере роста длинны зонда при одинаковых значениях плотности, различия в скорости счета то же увеличивается. При увеличении z (I3) от 35 до 100 см влияние промежуточной среды уменьшается примерно в 2 раза, но еще остается достаточно большим (0,04—0,06 г/см3 на 1 см глинистой корки), что не позволяет отказаться от учета этого