Плотностной гамма-гамма каротаж и его применение

При прохождении гамма — квантов сквозь среду, кванты испытывают различного рода взаимодействия с ней. Эти процессы обусловлены энергией квантов, плотности вещества, элементных номеров атомов среды. Результатом взаимодействия является изменение характеристик потока гамма-квантов.

Целью данного курсового проекта является рассмотрение физических основ метода ГГКп, применения этого метода при решении геологических и геофизических задач. В работе пойдет речь о способах возбуждения полей гамма — квантов, их регистрации и интерпретации, с получением конкретных свойств среды.

1. Физические основы метода

Методы рассеянного гамма-излучения основаны на измерении интенсивности искусственного гамма-излучения, рассеянного породообразующими элементами в процессе их облучения потоком гамма-квантов. Интенсивность этого излучения зависит от плотности и вещественного состава горных пород (рис. 1).

Рисунок 1. Общий вид зависимости интенсивности рассеянного гамма-излучения от плотности ГП

Как известно, основными процессами взаимодействия гамма-квантов с породой являются фотоэлектрическое поглощение, комптоновское рассеяние и образование электронно-позитронных пар. В методах рассеянного гамма-излучения в основном имеют место фотоэлектрическое поглощение и комптоновское рассеяние гамма-квантов породой. В зависимости от энергии гамма-квантов и вещественного состава горной породы преобладает тот или иной процесс их взаимодействия.

При взаимодействии с горной породой жестких гамма-квантов (Еу>0,5 МэВ) в начальный момент основную роль играет комптоновское рассеяние, в результате которого жесткое гамма-излучение, потеряв значительную часть своей энергии, переходит в мягкое гамма-излучение. Следовательно, в дальнейшем основную роль играет фотоэлектрическое поглощение гамма-квантов. Как указывалось выше, вероятность комптоновского рассеяния в конечном счете находится в прямо пропорциональной зависимости от плотности горной породы, а вероятность фотоэлектрического поглощения — от ее вещественного состава и особенно от содержания тяжелых элементов. Благодаря этому, регистрируя рассеянные гамма-кванты высокой энергии, получают плотностную характеристику горной породы. Суммарная интенсивность рассеянных гамма квантов зависит как от плотности, так и от вещественного состава породы. На этом и основывается ГГКп.

Вероятность взаимодействия жестких гамма-квантов с горной породой определяется числом электронов в единице ее объема, которое пропорционально плотности породы. Таким об разом, если горную породу облyчить гамма-квантами энергии не ниже 0,5 МэВ и подобрать энергетический порог дискриминации регистрируемых гамма-квантов, то по результатам измерений ГГКп можно установить плотность этих пород.

В качестве источника гамма-излучения обычно используется Cs137 с энергией 0,66 МэВ, а мягкая компонента излучения поглощается экранами из свинца и кадмия. При проведении измерений детектор гамма-излучения располагается на определенном расстоянии от источника. Расстояние от источника до детектора выбирается таким, что при увеличении плотности горных пород, зарегистрированная интенсивность гамма-квантов уменьшается, т. е. зонд является заинверсионным. С целью уменьшения влияния скважинных условий на результаты ГГКп (диаметра скважины и слоя бурового раствора) применяют устройства, прижимающие зонд к стенке скважины стороной, на которой смонированы коллимационные окна для источника и детекторов. Наличие двух зондов ГГКп разной длины позволяет максимально снизить влияние глинистой корки на регистрируемую плотность горных пород.

Энергетический порог дискриминации подбирается экспериментально в зависимости от используемой измерительной установки и исследуемого разреза скважины и принимается большим 0,2 МэВ.

Как указывалось выше, при жестком гамма-облучении суммарная интенсивность рассеянных гамма-квантов или выделенная из нее мягкая составляющая гамма-излучений зависит от плотности и вещественного состава горных порол, т. е. от литологических особенностей разреза. В этом случае плотность горных пород определяет начальное пространственное распределение гамма-квантов малых энергий, образовавшихся в результате комптоновского рассеяния из облучаемого жесткого гамма-излучения. Вещественный состав горных пород через фотоэлектрическое поглощение оказывает влияние на дальнейшее распределение мягких гамма-квантов в исследуемой среде и в конечном счете — на интенсивность регистрируемой мягкой компоненты рассеянных гамма-квантов.

Определенную погрешность в измерения ГГКп вносит естественная радиоактивность горных пород, поэтому при расчете плотности необходимо вносить поправку, основываясь на данных гамма-каротажа.

По данным плотностного каротажа можно рассчитать коэффициент пористости породы Кп (%), который связан с плотностью соотношением:

где? — объемная плотность породы, кг/куб.м;

?мплотность минерального скелета, кг/куб.м;

?жплотность жидкости, заполняющей поровое пространство, кг/куб.м.

гамма излучение каротаж квант

2. Плотностной гамма-гамма метод

Интенсивность рассеянного гамма-излучения, регистрируемая индикатором, зависит от плотности породы, длины зонда, активности и природы источника первичного гамма-излучении. По мере увеличения плотности рассеивающей среды интенсивность гамма-излучения сначала возрастает, достигая максимума, а затем падает (рис. 1). Повышение интенсивности регистрируемого излучения в области малых плотностей обусловлено увеличением количества рассеянных гамма-квантов в связи с ростом числа электронов в единице объема породы и, следовательно, с увеличением ее плотности. Последующее уменьшение интенсивности гамма-излучения связано с поглощением веществом части рассеянных гамма-квантов вследствие фотоэффекта.

Положение максимума на кривой рис. 1 зависит от длины зонда и начальной энергии гамма-квантов. С повышением энергии первичного излучения и уменьшением длины зонда максимум смешается вправо.

Так как большая часть горных пород обладает плотностью свыше 2103 кг/м3, то измерение проводят по спадающей части кривой, т. е. с увеличением плотности порол интенсивность рассеянного гамма-излучения падает.

Глубинность исследования плотностного метода рассеянного гамма-излучения мала (10−15 см) и зависит от длины зонда, мощности источника, энергии первичных гамма-квантов, плотности горных пород.

С увеличением длины зонда глубинность этого метода возрастает. Однако при этом растет статистическая погрешность регистрации рассеянных гамма-квантов, что вызывает необходимость использования более мощных источников. Опытными работами установлено, что для исследования железных руд оптимальными являются зонды длиной 30−50 см, руд тяжелых элементов зонды длиной 20−40 см, для определения пористости осадочных горных пород зонды длиной 40 см.

Мощность источника выбирается такой, чтобы рассеянное гамма-излучение превышало естественное гамма-излучение пород в несколько рази тем самым обеспечивало малую статистическую погрешность регистрации, но не превышало допустимой дозы гамма-облучения обслуживающего персонала. Обычно применяются источники гамма-излучения активностью от 0,37 104 до 1,85 104 расп./с.

Увеличение начальной энергии гамма-квантов вызывает повышение их проникающей способности и, следовательно, глубинность метода. С этой точки зрения предпочтительнее источник 60Со.

Между радиусом исследования ГГКп и числом электронов в единице объема горной породы, а значит и ее плотностью существует обратно пропорциональная зависимость. Вследствие малой глубинностн ГГКп на его показания большое искажающее влияние оказывает изменение диаметра скважины, физических свойств заполняющей скважину жидкости и толщины глинистой корки, наличие или отсутствие обсадных колонн и т. д. Так, при наличии глинистой корки плотность исследуемой среды снижается, а показания ГГКп, следовательно, повышаются.

С увеличением пористости уменьшается плотность горных пород в однотипном разрезе, поэтому пласты-коллекторы на диаграммах ГГКп отмечаются высокими показаниями. Однако в неглинистом карбонатном разрезе увеличение показаний ГГКп обусловлено не только пористостью пород, но и наличием глинистой корки (рис. 2).

Рисунок 2. Выделение пластов коллекторов в неглинистом карбонатном разрезе по данным комплекса ГИС

Описываемым методом можно определить глубину залегания, мощность и строение угольных пластов [пл, =(1,2−1,8)103 кг/м3)], а в благоприятных условиях их зольность. Плотностной гамма-гамма метод применяют также для выделения хромитовых руд [пл = (3,7−4,5)10 кг/м3] среди змеевиков и серпентинитов [пл = (2,5−2,6)103 кг/м3], колчеданных руд [пл = (3,5−4,5)103 кг/м3] среди вмещающих порол [пл = (2,64−2,8)103 кг/м3] марганцевых (пл=4,5103 кг/м3) и железных руд (пл=3,4103 кг/м3), бокситов (пл=3103 кг/м3), флюоритов (пл=3103 кг/м3), полиметаллических руд и калийных солей.

В нефтяных и газовых скважинах ГГКп наиболее эффективен при оценке пористости горных пород, которая основана на связи плотности пл, с коэффициентом пористости kп:

Рисунок 3

пл = (1 kп) ск+жkп, где ск минеральная плотность горной породы (скелета); ж плотность флюида (газ, вода, нефть), заполняющего поровое пространство.

Плотностной гамма-гамма метод является одним из немногих методов промысловой геофизики, одинаково чувствительных к изменению пористости в областях ее малых и больших значений (рис. 3). В этом его основное преимущество при определении коэффициентов пористости.

3. Аппаратура ГГК-П

При ГГК-П используется аппаратура СГП2, которая предназначена для измерения объемной плотности горных пород в скважинах диаметром от 160 до 320 мм.

Аппаратура эксплуатируется в комплекте со следующими изделиями:

— трехжильным кабелем типа КГ3−67−180 длиной до 7500 м;

— источником гамма-излучения Cs137 активностью (1.28±0.33)x1010 Бк, создающим на расстоянии 1 м мощность экспозиционной дозы (5.95 ±1.55)x10−9 А/кг.

Диапазон измерения объемной плотности горных пород от 1.7×103 до 3.0×103 кг/м3

Количество каналов2: канал большого зонда (ГГКп бз) и канал малого зонда (ГГКп мз).

Диапазон рабочих температур скважинного прибора от — 10 до 200 оС, рабочее гидростатическое давление — до 120 МПа.

В качестве детекторов используются кристаллы NaI (Tl) размерами 2530 мм в канале малого и 2540 мм в канале большого зондов ГГКп в комплекте с ФЭУ-74А. Коллимационные окна заполнены капролоном. Для регулировки спектральной чувствительности измерительной установки в коллиматоре большого зонда установлен экран из свинца.

Рисунок 4. Схема прибора для ГГК-П

Плотность рассчитывается по формуле:

где Iмз. эт, Iбз.эт. — значения средних частот следования импульсов по каналам малого и большого зондов, зарегистрированные на образце плотности с? = 2,59 г/см3;

Iмз, Iбзтекущие значения средних частот следования импульсов по каналам малого и большого зондов, соответственно.

Сопротивление между 1 жилой и корпусом должно быть равно 3,3 кОм плюс сопротивление кабеля и при смене подключения щупов омметра — 4,3 кОм плюс сопротивление кабеля. Сопротивление между 2 жилой и корпусом и между 3 жилой и корпусом должно равняться сопротивлению кабеля плюс 60 Ом.

Ток питания электронного блока скважинного прибора постоянный, 140±10 мА, при напряжении на входе скважинного прибора не более 20 В.

Ток, потребляемый электродвигателем прижимного устройства, должен быть 0.6±0.05 А.

Импульсы на выходе скважинного прибора имеют амплитуду не менее 3 В и длительность 45±5 мкс, причем импульсы ГГКп имеют положительную полярность, а ГГКп бз — отрицательную.

Рисунок 5

От длины зонда зависит относительная интенсивность регистрируемых гамма — квантов (рис. 5). Из этих графиков видно, что по мере роста длинны зонда при одинаковых значениях плотности, различия в скорости счета то же увеличивается. Т. о. разрешающая способность растёт по мере увеличения длины зонда.

Для экранированного от скважины прибора относительная дифференциация, за которую принято отношение показаний I против пласта с плотностью 2 или 2,325 г/см3 к значению J0 в пласте с плотностью 2,65 г/см3, растет с увеличением длины зонда z. Из сопоставления I/I0 и I2/I0 следует, что зависимость Ln (I/I0) = f (?) близка к линейной при z > 20 см.

Наиболее важный вывод — уменьшение влияния глинистой корки с увеличением длины зонда z. При увеличении z 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 фактора и соответствующей корректировки результатов ГГКп.

Геометрическая глубинность R, увеличивается с уменьшением плотности ?, и ростом длины зонда z, в среднем составляет около 7—12 см.

Таким образом, информация при ГГКп усредняется по достаточно большому объему горных пород. Однако по сравнению с данными, полученными из керна, наши данные более представительны и кондиционны, т.к. получены при глубинных условиях.

4. Применение плотностного гамма-гамма каротажа на практике

Метод ГГКп относится к основным исследованиям, проводится во всех поисковых и разведочных скважинах, в открытом стволе, в интервалах детальных исследований, совместно с комплексом БКЗ. ГГКп решает следующие геофизические задачи:

— проводится детальное сплошное расчленение разреза по электронной плотности, которая тесно связана с объемной плотностью породы и эквивалентна ей после внесения поправок за эквивалентный номер и атомную массу породы;

— обеспечивается высокое вертикальное расчленение разреза (выделяются контрастные по объемной плотности прослои, начиная с мощности 0,4−0,6 м и больше);

— обеспечивается определение объемной плотности слоя породы толщиной 7−15 см вглубь пласта (с увеличением плотности среды глубинность ГГКп уменьшается, и наоборот).

ГГКп необходим для решения следующих геологических задач:

— литостратиграфическое расчленение разреза (в сочетании с комплексом ГИС);

— в неглинистых терригенных и карбонатных коллекторах определяется пористость (отдельно по ГГКп, или в сочетании с АК, НКТ) при промывочной жидкости любого состава;

— в глинистых терригенных и карбонатных коллекторах определяется пористость только по комплексу методов ГГКп, АК, НКТ, ГК, также при промывочной жидкости любого состава (пресная, минерализованная);

— оценка общей пористости в коллекторах со сложной структурой порового пространства с привлечением АК, НКТ, ГК;

— выделение газонасыщенных интервалов (в комплексе методов ГИС) в пластах без проникновения и с высокими фильтрационно-емкостными свойствами;

— выделение зон разуплотнений, других деформаций различного генезиса, интервалов с изменением эффективного давления (как разность горного и пластового давления), приводящего к разуплотнению пород, в том числе участков с аномально высокими пластовыми и внутрипоровыми давлениями;

— выделение углей, зон интенсивной углефикации, карбонатных пород, пластов-реперов, опорных пластов.

В практике геологоразведочных робот ГГК-П нашел применение при поисках и разведке нефтяных, угольных и рудных месторождений.

В нефтяной геофизик метод ГГК-П используется для уточнения литологического разреза по скважинам (через плотность) и для оценки коэффициента пористости. Большое значение имеет принципиальная возможность выявления с помощью ГГК-П в карбонатной толще доломитовых разностей из-за различия их по плотностям. Однако наибольшую ценность метода связывают с возможностью оценки пористости пород, основанной на связи плотности пород с коэффициентом пористости Кп:

= Кпж+(1-Кп)ск, где ск минеральная плотность горной породы;

ж плотность флюида (газа, воды, нефти), заполняющего поровое пространство.

Определив с помощью эталонной зависимости Iyy = f () плотность породы, можно затем рассчитать и искомое значение пористости:

Кп =

Величина ск для литологически однородных пород в пределах одного геологического разреза достаточно устойчива. Плотность флюида, насыщающего поровое пространство в ближней к скважине зоне, мало отличается от единицы, поскольку он связан с фильтратом бурового раствора.

В 1955 году геофизиками ГГИ УФАН был впервые опробован ГГКп при разведке угольных месторождений на Урале. Быстрое в дальнейшем распространение метода на угольных месторождениях объясняется сочетанием благоприятных физических предпосылок с ясно выраженной производственной потребностью.

Вывод

Плотностная модификация ГГК достаточно широко применяется при проведении геофизических и геологических работ. Метод входит в стандартные комплексы исследований нефтегазовых и угольных месторождений. Как один из основных решает задачи литологического расчленения разрезов скважин, данные используются при построении сейсмоакустических моделей. Реализуется на рудных месторождениях.

1. Дьяконов Д. И., Леонтьев Е. И. Общий курс геофизических исследований скважин учебник для вузов. Изд. 2-е, перераб. Недра, 1984;432с.

2. Возжеников Г. С., Белышев Ю. В. Радиометрия и ядерная геофизика учебник для вузов. Издательство УГГГА, 2000;406с.

3. ЗАО ПГО Тюменьпромгеофизика. Практикум по освоению технологий ГИС (часть 3).

.ur