Плотностной гамма-гамма каротаж и его применение
Введение
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 σ - объемная плотность породы, кг/куб.м;
σм- плотность минерального скелета,
кг/куб.м;
σж- плотность 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.
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 [dпл, =(1,2-1,8)×103 кг/м3)], а в благоприятных условиях - их зольность. Плотностной гамма-гамма метод применяют
также для выделения хромитовых руд [dпл = (3,7-4,5)×10 кг/м3] среди змеевиков и серпентинитов [dпл = (2,5-2,6)×103 кг/м3], колчеданных руд [dпл = (3,5-4,5)×103 кг/м3] среди вмещающих порол [dпл = (2,64-2,8)×103 кг/м3] марганцевых (dпл=4,5×103 кг/м3) и железных руд (dпл=3,4×103 кг/м3), бокситов (dпл=3×103 кг/м3), флюоритов (dпл=3×103 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 dпл, с коэффициентом пористости kп:
Рисунок 3
dпл = (1 - kп)×dск+dж×kп,
где dск - минеральная плотность горной породы
(скелета); dж - 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 1.7x103 до 3.0x103
кг/м3
Диапазон рабочих температур скважинного прибора от - 10 до 200 оС,
рабочее гидростатическое давление - до 120 МПа.
В качестве детекторов используются кристаллы NaI(Tl) размерами 25×30 мм в канале малого и 25×40 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 ρ = 2,59 г/см3;мз, Iбз- текущие
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 3В 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(ρ) 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 ρ, 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:
- 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:
r= Кп×rж+(1-Кп)×rск,
где ×rск - минеральная плотность горной породы;
rж - плотность флюида (газа, воды,
нефти), заполняющего поровое пространство.
Определив с помощью эталонной зависимости Iyy = f(r) плотность породы, можно затем
рассчитать и искомое значение пористости:
Кп =
Величина rск
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.
. Возжеников
Г.С., Белышев Ю.В. Радиометрия и ядерная геофизика - учебник для вузов. Издательство
УГГГА, 2000-406с.
. ЗАО ПГО ²Тюменьпромгеофизика². Практикум по освоению технологий
ГИС (часть 3).