Методы плотностного и селективного гамма-гамма каротажа

Методы плотностного и селективного гамма-гамма каротажа

Министерство образования и науки

Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Уральский государственный горный университет»

Факультет геологии и геофизики

Кафедра геофизики

Курсовая работа

Дисциплина: Геофизические исследования скважин

на тему «Методы плотностного и селективного гамма-гамма каротажа»

Студент: гр. ГИС-12 Ярмиева З.Т.

Руководитель работы: доц.к.г.-м.н. Блинкова Н.В.

г. Екатеринбург

г.

Содержание

Введение

. История открытия и развития гамма-гамма методов

. Метод плотностного гамма-гамма каротажа

.1 Область применения ГГК-П и решаемые задачи

.2 Аппаратура ГГК-П

. Метод селективного гамма-гамма каротажа

.1 Область применения ГГК-С и решаемые задачи 

.2 Аппаратура ГГК-С

Заключение

Литература        

Введение

Целью курсового проекта является подготовка к преддипломной защите и подробное изучение пройденного материала из курса геофизических исследований скважин, а именно рассмотрение методов плотностного и селективного гамма-гамма каротажа.

Как известно, ядерные исследования скважин подразделяются на методы изучения естественной радиоактивности - гамма-методы (ГМ) и искусственно вызванной радиоактивности, называемые ядерно-физическими или ядерно-геофизическими - гамма-гамма методы (ГГМ).

Главным отличием гамма-гамма каротажа (ГГК) от гамма каротажа (ГМ) является то, что ГГК заключается в облучении горных пород γ -квантами искусственного источника и измерении интенсивности рассеянного γ -излучения, а при ГК измеряются γ -излучения естественных радиоактивных элементов (ЕРЭ), содержащихся в горных породах, пересеченных скважиной.

При ГГМ регистрируются только рассеянные γ -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.

Основными процессами взаимодействия γ -квантов с породой являются фотоэлектрическое поглощение, комптоновское рассеяние и образование электронно-позитронных пар. В методах ГГК в основном имеют место фотоэлектрическое поглощение и комптоновское рассеяние γ -квантов породой (рис.1). В зависимости от энергии γ -квантов, вещественного состава горной породы и преобладания того или иного процесса их взаимодействия, выделяют два вида ГГК:

ГГК-П (плотностной гамма-гамма-каротаж), когда показания характеризуются в основном по комптоновскому эффекту, сильно зависящему от плотности породы.

ГГК-С (селективный гамма-гамма-каротаж), когда показания характеризуются в основном фотоэффектом, зависящим от порядкового номера элементов в таблице Менделеева <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B0%D0%B1%D0%BB%D0%B8%D1%86%D0%B0_%D0%9C%D0%B5%D0%BD%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%B5%D0%B2%D0%B0>.

В данной курсовой работе мы подробно рассмотрим методы ГГК-П и ГГК-С, с целью подробного изучения пройденного материала, а так же с целью подготовки к дипломному проекту.

Рис.1. Вероятность различных видов взаимодействия γ - излучения с веществом в зависимости от его энергии и эффективного атомного номера вещества

. История открытия и развития гамма-гамма методов

В 1910 году по инициативе и под руководством В.И. Вернадского в России была организована Радиевая экспедиция Академии Наук. Становление ядерной геофизике относится к 20-ым годам 20-ого столетия. Тогда А.П. Кириковым, А.Н. Богоявленским, А.Г. Граммаковым и др. были заложены основы поисково-разведочной радиометрии, которая особо развилась в нашей стране и за рубежом в послевоенные годы в связи с решением проблемы ядерного сырья.

Но собственно ядерно-геофизические методы возникли несколько позднее. Появление их, прежде всего, обязано развитию атомной энергетике, когда стало возможным получение разнообразных изотопных источников. Разработка новых методов ядерной геофизики следовала за открытиями и достижениями ядерной физики, совершенствованию методов регистрации и измерения ядерных излучений.

В 1947 году немецкий ученый Ф. Халленбах предложил гамма-гамма-метод (ГГМ), основанный на регистрации горными породами гамма-излучения радиоизотопного источника. Начало 50-х годов характеризовался интенсивными исследованиями по усовершенствованию ГГМ. В начале ГГМ, благодаря способности дифференцировать горные породы по плотности, был ориентирован на изучение нефтяных коллекторов. В СССР метод стал применяться в 1954 году, после того, как он впервые был успешно испытан учеными М.Соколовым, А. Очкуром ГГМ для выделения в скважинах сульфидных руд, а с 1955 года стал использоваться и в угольном каротаже. В 1957 году Г. Воскобойников предложил модификацию ГГМ с источниками мягких гамма лучей (селективный ГГМ). В теорию и практику ГГМ существенный вклад также внесли Е. Филиппов, В. Арцыбашев, И. Дядькин и др.

СОКОЛОВ Михаил Матвеевич (1907-1985). Доктор технических наук. Автор 13 изобретений. Участвовал в Великой Отечествен-ной войне с 1941 г. С 1942 по 1947 г. в ВМФ СССР проводил работу по размагничиванию корпусов кораблей для защиты их от магнитных мин. С 1947 года до конца трудовой жизни работал в ВИРГе. Один из создателей отечественной научной школы разведочной ядерной геофизики. Основное направление всей научно-практической деятельности при обеспечении поисков и разведке месторождений урана - это разработка методики и аппаратуры для гамма-гамма каротажа, опробования руд по диффузионному рассеянию излучения, гамма-спектрометрии, рентгенорадиометрического анализа рудного вещества, разработка теории, методики и аппаратуры для глубинных поисков урановых руд и оценки выявленных аномалий. Автор и соавтор более 50 опубликованных научных работ, дважды удостоен серебряной медали ВДНХ СССР. Награждён орденами и медалями СССР за боевые и трудовые заслуги.

ОЧКУР Александр Петрович (1927 - 2000). Доктор технических наук, профессор. Лауреат премии Совета Министров СССР по науке и технике (1983 г.). В ВИРГе (ВИРГ-Рудгеофизике) работал с 1950 года до последних дней жизни. Специалист в области рудной ядерной геофизики. Один из основоположников рентгенорадиометрического и гамма-гамма методов, широко применяющихся в рудной геологии и обеспечивающих совершенствование технологии поисково-разведочных работ. Под его научным руководством была организована разработка, обеспечены серийный выпуск и внедрение многих типов аппаратуры: РСР, БРА-6, «Минерал», РРША-1, ГКС-1Н, РРК-102, РРК-103, РАГ-М-101, РСК-101, предназначенных для ядерно-геофизического каротажа в различных горно-геологических условиях. Им разработаны и внедрены методики ядерно-геофизических исследований на месторождениях олова, железа, ртути, сурьмы, полиметаллов и других полезных ископаемых.

В 1987 -1993 годах читал курс лекций по ядерной геофизике на геологическом факультете Ленгосуниверситета. Автор более 80-и научных публикаций, в том числе 5-и монографий. Награждён орденом Трудового Красного Знамени и ведомственными наградами.

. Метод плотностного гамма-гамма каротажа

Плотностной гамма-гамма-каротаж (ГГК-П) основан на изучении комптоновского рассеяния γ -квантов в горных породах. Поскольку этот эффект наблюдается при достаточно высокой энергии γ -квантов, то в ГГК-П используют источники с энергией Еу > 0,5 МэВ. Такими источниками являются искусственные изотопы С06° (Еу =1,17 МэВ и 1,33МэВ), Cs137 (Ey =0,66 МэВ) и ЕРЭ - Ra226, который дает целый спектр γ -квантов с энергиями от 0,35 до 1,76 МэВ. Длина зондов от 20 до 50 см.

.1 Область применения ГГК-П и решаемые задачи

ГГК-П находит применение при исследовании нефтяных и газовых, углеразведочных и рудных скважин.

На нефтяных и газовых месторождениях ГГК-П применяют для дифференциации разрезов скважин по плотности и для определения пористости пород-коллекторов. Как известно, плотность породы σп, и коэффициент пористости Кп связаны функциональной зависимостью

(1)

где σск и σж - соответственно, плотности минерального скелета и жидкости, насыщающей поры породы. Эти параметры определяют при лабораторных исследованиях керна.

Плотность породы в целом определяют по результатам плотностного ГГК. При этом аппаратуру градуируют на эталонных образцах с известной плотностью. Современная аппаратура позволяет получать диаграммы ГГК-П, масштаб которых сразу разбит в единицах плотности. Выражение для Кп получают из уравнения (1).

ГГК-П применяют также при цементометрии эксплуатационных скважин для определения высоты подъема и наличия пустот в цементном камне, поскольку плотность цементного камня 2,2 г/см3, а жидкости, заполняющей пустоты в нем, 1,0-1,2 г/см3 (рис.2).

Рис.2. Схема измерений гамма-гамма цементирования: И - источник гамма-излучения; Дт - детектор толщиномера; Дп - детектор плотномера; К - колонна ц - цемент; Пл - пласт

На месторождениях ископаемых углей ГГК-П применяют для выделения угольных интервалов. Поскольку плотность углей (σу =1,15-1,75,) г/см3 намного меньше, чем плотность песчано-глинистых вмещающих пород (σвм = 2,5 - 2,7) г/см, то над угольными интервалами интенсивность рассеянного γ -излучения значительно повышается (рис. 3).

Рис. 3. Аномалии на диаграмме плотностного гамма-каротажа над пластами пониженной (ископаемый уголь) и повышенной (известняк) плотности

Границы угольных пластов определяют по правилу полумаксимума аномалии.

На рудных месторождениях ГГК-П применяют для выделения рудных интервалов в тех случаях, когда их выделение затруднено по данным других методов.

.2 Аппаратура ГГК-П

Для плотностной модификации ГГК применяют зонды различного аппаратно - технологического решения, но объединённые одной характеристикой - длинной зонда, т. е. расстоянием между приёмником и источником.

От длины зонда зависит относительная интенсивность регистрируемых γ - квантов (рис 4). 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.

Рис. 4. Зависимость относительной интенсивности регистрируемых γ - квантов от 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 ГГК-П.

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

Таким образом, информация при ГГК-П усредняется по достаточно большому объему горных пород.

Аппаратура для скважинных измерений.

Для исследования нефтяных и газовых скважин, как правило, применяются двухзондовые измерительные установки, экранированные от скважины, с азимутальной коллимацией излучения источника и регистрируемого излучения (рис. 5). Для измерения плотности углей и углевмещающих пород в скважинах малого диаметра (dc<130 мм) используется центрированная двухзондовая измерительная установка ГГК-П без азимутальной коллимации излучения (рис. 5, г). Для качественного расчленения пород по плотности на месторождениях твердых полезных ископаемых используются однозондовые измерительные установки ГГК-П без коллимации излучения (рис. 5, д), длина зонда которых выбирается в зависимости от объекта исследования (30-40 см для угольных и 20-30 см для рудных скважин).

Рис.5. Конструкции измерительных установок ГГК-П:

а - прибор СГП2-АГАТ; б - модуль ПГГК аппаратуры МАРК-1; в - ГГК-П фирмы «Шлюмберже», г - КУРА-3, д - КУРА-2. 1 - источник гамма-квантов; 2 - детектор ближнего зонда; 3 - детектор дальнего зонда; 4 - прижимное устройство; 5 - центрирующее устройство.

гамма каротаж пласт скважинный

Совместная обработка показаний двух зондов ГГК-П в процессе каротажа позволяет ослабить влияние промежуточной среды (глинистой корки, локальных каверн) на результаты измерения плотности горных пород. Параметры зондов (длина зонда, углы коллимации излучения, пороги энергетической дискриминации) выбираются из условия разных глубинности и чувствительности зондов к изменению плотности пород и параметров промежуточной среды.

3. Метод селективного гамма-гамма каротажа

Селективный гамма-гамма-каротаж (ГГК-С, он же Z-ГГК) основан на изучении фотопоглощения γ -квантов в горных породах. Поскольку этот эффект превалирует при низкой энергии γ -квантов, в ГГК-С используют источники с энергией Еу < 0,5 МэВ. Такими источниками являются искусственные радионуклиды: Sn119 (Еγ = 0,39 МэВ), Se75{Eγ =0,27 МэВ), Hg203 (Eγ =0,28 МэВ). Длина зонда 10-20 см.

.1 Область применения ГГК-С и решаемые задачи

ГГК-С применяется, главным образом, на угольных и рудных месторождениях.

На угольных месторождениях ГГК-С используют для определения зольности углей. Чистый уголь имеет zэф≈6, поскольку состоит из углерода. Негорючий остаток углей (зола) состоит, в основном, из кремнезема и глинозема с примесью окислов железа, zэф золы составляет 12-13 единиц. Между зольностью углей Ас и их zэф существует функциональная зависимость, представленная на рис. 6. Поскольку метод ГГК-С чувствителен к малейшим изменениям zэф среды, то по его результатам легко оценить зольность ископаемых углей. Этот метод был разработан проф. Уткиным В.И. Им же предложена удобная палетка для оценки Ас непосредственно по диаграмме ГГК. Общий вид палетки представлен на рис. 7.

Рис. 6. Зависимость эффективного атомного номера от зольности для углей различных бассейнов (по В.И. Уткину)

Рис.7. Палетка В.И. Уткина для определния зольности ископаемых углей по диаграммам ГГК-С

На рудных месторождениях метод ГГК-С применяют для выделения рудных интервалов в разрезах скважин. При измерении спектра рассеянного у-излучения можно определить, каким элементом вызвано поглощение, т.е. возможно изучение вещественного состава руд.

На нефтяных и газовых месторождениях метод ГТК-С находит применение пока только при дефектометрии обсадных колонн. Между тем, проф. И.Г. Сковородниковым совместно с доц. Бредневым И.И. и к. г.-м. н. Коргулем Г.Г. предложен способ выделения пластов-коллекторов в разрезах и определения их пористости, основанный на применении селективного ГГК. Согласно этому способу, ГГК-С выполняют в скважине дважды: до заполнения скважины жидкостью с повышенным zэф и после. В качестве такой жидкости используют, например, водный раствор ацетата свинца. При 30% концентрации его zэф =45,6. У минерального скелета песчаников zэф =12,4, у известняков-15,0.

Жидкость с высоким атомным номером, проникая в поры пласта, повышает zэф коллектора в целом, причем тем сильнее, чем выше пористость, как это показано на рис. 18, а. Этот эффект отчетливо фиксируется по разности показаний каротажа ГГК-С, проведенного до и после заполнения скважины раствором с аномально высоким zэф (рис. 8, а). Расчеты показывают, что этот метод обладает очень высокой чувствительностью и позволяет определять пористость пород, начиная с Кп=2%. Способ признан изобретением и защищен патентом Российской Федерации № 1702793.

Рис. 8. Выделение коллекторов к карбонатном разрезе по результатам ГГК-С после заполнения скважины раствором с повышенным эффективным атомным номером (пат. РФ №1702793): а - зависимость эффективного атомного номера песчаного (1) и карбонатного (2) коллектора при заполнении его пор 30% раствором ацетата свинца от пористости; б - комплекс каротажных диаграмм: 1 - контрольная диаграмма ГГК-С, 2 - то же после заполнения скважины 30% раствором ацетата свинца.

.2 Аппаратура ГГК-С

Облучение исследуемой среды γ- квантами и регистрация рассеянного γ - излучения осуществляют с помощью зондовых устройств скважинного прибора. Зондовое устройство включает в себя источник излучения, детектор и экраны. В прижимных зондах источник и детектор помещены в экраны из тяжелого вещества (свинец, вольфрам) с ориентированными коллиматорами (апертура раскрытия 20-70°), контактирующими со стенкой скважины. В зондах без принудительного прижатия к стенке скважины или центрированных коллимации нет, а есть только экран между источником и детектором или имеется «круговая» коллимация (апертура раскрытия 360°). Прижимные зонды обычно используют в скважинах, заполненных водой или промывочной жидкостью, а зонды без прижатия или центрированные - в сухих скважинах.

Количественные определения Zэф пород и руд осуществляют на основе эталонирования аппаратуры ГГК-С в средах с известными значениями этого параметра и установления зависимостей.

Переменная плотность пород и руд оказывает влияние на величину Iy. Для ослабления или исключения влияния ρ, на показания ГГК-С применяют инверсионные, двойные, двухлучевые и каплевидные зонды.

Рис 9. Зонды СГГК. а - двойной, б - двухлучевой. в - каплевидный; 1 - детектор; 2 - источник; 3 - экран; z, z1, г2 - длина зонда; x1, х2 - углы коллимации

Во всех этих устройствах способ уменьшения влияния ρ основан на различном использовании инверсии. Инверсионный зонд имеет один источник и детектор, расстояние между ними выбирается из соотношения        z = (pп μm)-1

Для плотностей 2,5-3,5 г/см3, источника 75Sе, диапазона Zэф = 12 - 22 длина инверсионного зонда находится приблизительно в пределах 2-5 см. Инверсионный зонд позволяет уменьшать влияние р„ на показания ГГК-С в небольшом диапазоне ее изменения.

В основу двойных и двухлучевых зондов положен одинаковый принцип, базирующийся на сходном характере поведения Iy в зависимости как от длины зонда, так и от угла коллимации излучения источника. В этих устройствах, в отличие от инверсионного зонда, используют до - и заинверсионную области зависимости Iy (ρп). Если в доинверсионной области выбрать зонд z1 или коллимационный угол x1 а в заинверсионной области - z2 и x2 таким образом, чтобы величина Iy в первом случае возрастала с ростом ρ, а во втором - уменьшалась на одинаковую величину, то, регистрируя сумму Iy, можно устранить влияние ρ. В двойном зонде это осуществляется подбором соотношения активностей двух источников и их расстояний z1 и z2 до детектора. В двухлучевом зонде этого достигают подбором диаметров и углов наклона коллимационных каналов излучения источника, а также некоторым изменением z.

Каплевидные зонды предусматривают одновременное использование доинверсионной, инверсионной и заинверсионной областей зависимости Iy (ρп). Это достигается щелевой формой коллиматора излучения источника, с помощью которого осуществляется непрерывный переход от малых углов коллимации к большим, что соответствует непрерывному переходу от доинверсионной к заинверсионной зависимости Iy (ρп). Каплевидные зонды позволяют исключать мешающее влияние ρ на ГГК-С в широком диапазоне изменения плотности среды.

При использовании спектрометров и источников жесткого гамма - излучения (137Cs, б0Со) можно регистрировать одновременно Iy в областях энергий ниже и выше 200 кэВ и на основе этих измерений учитывать влияние ρ на ГГК-С.

Заключение

Метод плотностного гамма-гамма каротажа - практически самый эффективный метод, который дает информацию о плотности пород и руд, вскрытых скважиной. По диаграммам плотности выделяют нефтегазовые коллекторы, угли, рудные интервалы, каменные соли, ангидриты и другие породы. Более того, данные ГГК-П являются наиболее надежной основой для определения пористости коллекторов в нефтегазовых скважинах, по сравнению с другими видами каротажа (ННК, НТК, ГК, КС, ПС, АК, ЯМК). В ряде случаев плотность однозначно отражает литологию пород. ГГК-П является одним из методов, который решает задачу оценки состояния цементного кольца в пространстве между обсадной колонной и стенкой скважины.

Метод селективного гамма-гамма каротажа хорошо работает на рудных скважинах, как основной ставится на угольных месторождениях. Позволяет определять зольность углей, а в комплексе с КС определять марку углей. На показания ГГК-С влияют такие факторы, как влажность, текстура пород и руд, скважинные условия измерений. Влияние этих факторов исследуют на эталонных средах и в хорошо изученных (эталонных, опорных) скважинах. По результатам измерений строят соответствующие палетки: для пород и руд различных влажности, текстуры, кавернозности и диаметров скважин, которые затем используют для введения поправок при определении Zэф.

Таким образом, любое совершенствование технологий ГГК-П и ГГК-С, направленное на повышение достоверности и точности результатов измерений, является актуальной задачей.

Литература

Сковородников И.Г. Геофизические исследования скважин: Курс лекций. - Екатеринбург: УПТА, 2003. - 294 с.

Вожеников Г.С., Белышев Ю.В. Радиометрия и ядерная геофизика. Учебное пособие - Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 2000. - 406 с.

Геофизика: учебник /Под ред. В.К. Хмелевского. - М.: КДУ, 2007. - С. 174-190.