Радиоактивный каротаж Радиоактивностью называется способность неустойчивых атомных ядер самопроизвольно превращаться в более устойчивые ядра других элементов, испуская альфа-бета-гамма-лучи и элементарные частицы Радиоактивность атомных ядер, находящихся в естественных условиях, получила название естественной радиоактивности, а радиоактивный распад атомных ядер при бомбардировке элементарными частицами - искусственной радиоактивности

Геофизические методы исследования скважин, основанные на использовании радиоактивных процессов (естественных и искусственно вызванных), происходящих в ядрах атомов элементов, называют радиоактивным каротажем (РК). При изучении скважин применяются следующие виды РК: Гамма- каротаж (ГК, ГК-С) Гамма-гамма-каротаж (ГГК-п, ГГК-лп) Нейтронный каротаж (НГК, НК-т, НК-нт, ИННК) Важным достоинством метода является возможность его проведения как в открытом стволе, так и в скважине, обсаженной колонной

3 Методы естественной гамма-активности горных пород

Естественное радиоактивное поле изучается с помощью гамма-каротажа (ГК) и спектрального гамма каротажа (ГК-С) Естественная радиоактивность горных пород обусловлена в основном присутствием в них естественных радиоактивных элементов: урана 238 U тория 232 Th и радиоактивного изотопа калия 40 К. Содержание урана, тория и калия определяется физико- химической обстановкой, в которой формировались горные породы, а также вторичными процессами выщелачивания и переноса изотопов. Радиоактивность осадочных пород в первую очередь определяется радиоактивностью породообразующих минералов 4

Низкой радиоактивности - кварц, кальцит, доломит, сидерит, ангидрит, каменная соль Средней радиоактивности - лимонит, магнетит, турмалин, корунд, роговая обманка, барит Повышенной радиоактивности - глины, слюды, полевые шпаты, калийные соли Высокой радиоактивности - циркон, ортит, монацит Породообразующие минералы по радиоактивности разбиты на четыре класса: 5

6 Породы высокой радиоактивности: глубоководные глинистые осадки - илы, черные битуминозные глины, аргиллиты и глинистые сланцы, калийные соли, калиевые полевые шпаты Породы низкой радиоактивности: натриевая соль (галит), ангидрит, гипс, известняк, кварцевый песчаник, доломит, каменный уголь Породы средней радиоактивности. Повышение радиоактивности вследствие обогащения скелета породы политовыми и алевролитовыми частицами, содержанием калия в полевошпатовых песчаниках, а также вследствие вторичных процессов доломитизации карбонатных отложений

7 При исследовании Гамма- методом в скважину опускают прибор, который содержит детектор гамма-излучения и электронную схему для питания индикатора, усиления сигнала и подачи на поверхность. Модуль ГК комплексируется с другими модулями.

8 С удовлетворительной для практики точностью определение границ можно делать точкам, соответствующим началу подъема и началу спада кривой против пласта повышенной интенсивности излучения GR Разрешающая способность метода: глубинность - 15 см. вертикальное разрешение – 30 см. Скорость подъема прибора должна быть порядка м/ч для обзорных исследований и м/ч для детальных. Определение границ пласта Шифр кривых – V*τ, м*с/ч V – скорость подъема прибора; τ – постоянная интегрирующей ячейки.

9 Коррекция кривой GR за влияние каверны

10

11 Гамма каротаж применяют для решения задач: Выделения в разрезах скважин местоположения полезных ископаемых, отличающихся пониженной или повышенной гамма-активностью Литологического расчленения и корреляции разрезов осадочных пород Выделения коллекторов Оценки глинистости пород Массовых поисков радиоактивного сырья В обсаженных скважинах ГК применяют для выявления радио геохимических аномалий, образующихся в процессе вытеснения нефти водой Применяют для привязки интервалов перфорации при испытании скважин Гамма-каротаж выполняют во всех без исключения необсаженных и обсаженных скважинах, заполненных любой промывочной жидкостью или газом

12

13 Радиоактивность - это свойство ядер некоторых элементов самопроизвольно превращаться (распадаться) с изменением состава и энергетического состояния. Радий превращается в радиоактивный Калий превращается в аргон газ радон В полевых и скважинных условиях измеряется гамма-излучение как наиболее проникающее. !

14 Гамма-излучение - это жесткое электромагнитное излучение, сопровождающее ядерные превращения. Энергия -излучения индивидуальна для каждого вида ядер и является параметром конкретного ядерного превращения.. Радиоактивность горных пород определяется содержаниями: Th U K Измеряя интенсивность гамма-излучения в отдельных интервалах спектра определяют содержания U, Th, K в горных породах (гамма-спектрометрия)

15 Преимущественно ториевые: Каолинит, Монтмориллонит, Смешаннослойные Th K Преимущественно калиевые: Гидрослюда, Слюды, глауконит, полевые шпаты ! Для оценки типа глин, а следовательно их влияния на ФЕС коллектора, необходимы спектрометрические исследования

16 Спектрометрия естественного гамма- излучения (СГК) заключается в регистрации спектров гамма-излучения горных пород в скважинном спектрометре. При этом количественно определяют содержание калия, тория и урана. Метод дает возможность оценить глинистость пласта, тип и содержание глинистых минералов в породе, содержание органогенного углерода в аргиллитовых формациях, выделить при благоприятных условиях высокопроницаемые и трещиноватые зоны и обводненные интервалы. Спектрометрия естественного гамма- излучения (СГК) заключается в регистрации спектров гамма-излучения горных пород в скважинном спектрометре. При этом количественно определяют содержание калия, тория и урана. Метод дает возможность оценить глинистость пласта, тип и содержание глинистых минералов в породе, содержание органогенного углерода в аргиллитовых формациях, выделить при благоприятных условиях высокопроницаемые и трещиноватые зоны и обводненные интервалы.

17 Th/K отношение, вероятно, наилучший индикатор изменений глин в последовательности. В связи с изменениями сопротивления связанной воды глин это полезный инструмент, чтобы определить изменения от континентальных условий осадконакопления к морским. Этот переход должен отмечаться изменением от каолинита к смектит-элиту с соответствующим падением сопротивления связанной воды Rwb от 0.6 ohmm до менее, чем 0.2ohmm. Эта номограмма используется больше для установления природы глинистых минералов, чем для оценки типа глин. Если присутствует более, чем один радиоактивный минерал, типы глин должны быть известны из другой информации, чтобы определить индивидуальные объемы глин. К, % Th, ppm Применение СГК для определения типов глин

18 Пример информативности гамма-спектрометрии Один проницаемый пласт - по GR можно ошибочно выделить три.

19

20

Резюме: ГК Естественная гамма-активность связана с содержанием U, Th, K. Минимальной радиоактивностью обладают известняки, несколько большей – доломиты, песчаники обычно еще более радиоактивны, самые радиоактивные среди осадочных пород – глины Показания в глинах отклоняются вправо, в песчаниках – влево ГК применяется для определения глинистости и корреляции, для увязки каротажных кривых ГК спектрометрический выделяет из общего сигнала отдельные вклады U, Th, K. Улучшает оценку глинистости ГК измеряет естественную радиоактивность и линеен для каждого радиоактивного минерала. Глубинность метода – см, разрешающая способность – 30 см.

Радиометрия вторичных излучений Для понимания зависимости показаний радиоактивных методов от свойств горных пород необходимо представить себе закономерности прохождения гамма-квантов через вещество. Наиболее существенны три типа взаимодействия. 22

Фотоэлектрическое поглощение При фотоэлектрическом поглощении (фотоэффекте) гамма-квант исчезает вследствие передачи всей его энергии одному из электронов атома 23

Комптоновское рассеяние Комптоновское рассеяние (эффект Комптона) происходит в результате соударения кванта с одним из электронов. Гамма- квант передает часть своей энергии электрону и изменяет направление своего движения 24

Эффект образования пар Эффект образования пар сводится к исчезновению кванта с образованием пары частиц - электрона и позитрона 25

Гамма-гамма плотностной каротаж (ГГК-п) 26. Идея ГГК-П основана на известных принципах взаимодействия излучения с различными веществами. Измеряя результат этого взаимодействия, можно, в частности определить и плотность горной породы. Основным фактором, влияющим на показания метода ГГК-П является эффект комптоновского рассеяния квантов источника высоких энергий электронами ядер минералов, слагающих горную породу. Взаимодействуя с электроном, квант теряет часть своей энергии и меняет траекторию движения.

После неоднократного повторения подобной реакции γ-квант изменяет свою траекторию настолько, что может быть зарегистрирован детектором, находящимся в приборе. По сути прибор ГГК-п измеряет электронную плотность горной породы, которая тесно связана с плотностью слагающих ее минералов. 27 Дальний зонд Ближний зонд экран Источник излучения Поскольку облучение горных пород в скважине происходит жестким γ-излучением, то регистрируемая детекторами мощность экспозиционной дозы рассеянного γ-излучения находится в обратно пропорциональной зависимости от плотности среды. Следовательно, метод ГГК-п позволяет выполнять литологическое расчленение разреза, выделять пласты- коллекторы и рассчитывать коэффициент пористости Кп. В качестве источников жесткого γ-излучения в скважинных приборах применяются ампульные источники, содержащие изотопы 60 Со или 137 Cs.

28 Предназначен для определения объемной плотности горных пород в необсаженных или обсаженных пластиковой колонной скважинах малого диаметра. Эксплуатируется с трехжильным каротажным кабелем.

Типичные значения плотности Порода Плотность зерен, г/см 3 Песчаник Карбонатизир. песчаники Известняк Доломит Гипс Ангидрит 2.96 Пресная вода 1.00 Соленая вода (200 г/л)1.15 нефть 0.85 Натуральный газ (увеличьь. с давлением) Воздух (сухой) (увеличьь. с давлением)

30 Резюме: плотностной каротаж Основное назначение – определение пористости. Основной принцип – Комптоновское рассеяние. Электронная плотность пропорциональна объемной. Малая глубина исследования ( до 13 см) Метод позволяет выявлять присутствие газа, АВПД, стратиграфических несогласий. Благоприятные условия применения метода: вертикальные и наклонные скважины; промывочные жидкости любого состава для прижимных измерительных зондов и не утяжелённые жидкости для центрированных приборов; незначительная кавернозность ствола скважины; тонкие глинистые корки или их отсутствие.

31 Лито-плотностной каротаж Назначение – определение литологии Основной принцип - фотоэффект Используется прибор аналогичный ГГК-п, но детекторы более чувствительны и способны распознавать мягкое излучение ( МэВ)

Измерения плотности и фотоэлектрического эффекта Область фотоэлектрического эффекта (Информация о плотности и заряде ядра) Область комптоновского рассеяния. (Только информация о плотности) Энергия 662 КэВ Низкий заряд ядра Средний заряд ядра Высокий заряд ядра Эффект барита Различия в спектре для пластов с постоянной плотностью но различным Z (атомные номера)

Селективная модификация Вероятность фотоэлектрического поглощения зависит от характеристики сечения взаимодействия σ е. Она измеряется в барнах 1 барн= см 2 Фотоэлектрический индекс P e определяется отношением: Pe индекс фотоэлектрического поглощения σ е сечение взаимодействия (барн) Z - атомный номер (число электронов) К – коэффициент, зависящий от энергии при которой наблюдается фотоэлектрическое поглощение (безразмерный) Эмпирическое выражение Для смеси минералов

Схематическое изображение показаний Pe для различных литологических разностей. глина Песчаник Известняк Глина Доломит Песчаник 20% пористости Уголь Галит Глина+сидерит Глина+каверна Неуплотненные глины Глина Уплотненные глины Барит (за шкалой) Вода Нефть Газ

35 Цифровой скважинный прибор литоплотностного каротажа ЦСП-ЛПК-76 Предназначен для количественного определения объемной плотности и эффективного атомного номера горных пород в нефтегазовых необсаженных скважинах. Эксплуатируется с трехжильным каротажным кабелем.

Резюме: ГГК-С Назначение – прогноз литологии коллекторов Основан на принципе фотоэлектрического эффекта Глубинность – 10 см; вертикальное разрешение – 30 см; скорость каротажа – 400 м/час Преимущества: - определение литологии коллекторов, включая качественную характеристику глин. Недостатки: - Добавки барита в буровой раствор не допускаются из-за большого фотоэлектрического фактора - Влияние скважины для селективного каротажа сказывается в большей степени, чем для других методов радиоактивного каротажа.

37