Радиометрия. Сущность метода и основные модификации. Принцип устройства аппаратуры и круг решаемых задач

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, бурящихся на нефть и газ, широкое распрост­ранение получили следующие виды радиоактивного каротажа: гамма-каротаж, гамма-гамма-каротаж и нейтронный каротаж. РК может проводиться как в открытом стволе скважины, так и в скважине, обсаженной колонной.

Гамма-каротаж (ГК) основан на измерении естественной гамма-активности горных пород. Самопроизвольный распад атомных ядер в естественных условиях (проявление радиоактивности) сопровождается альфа-, бета- и гамма-излучением. Все виды этих излучений, попадая в материальную среду, в той или иной мере испытывают поглощение. Наибольшему ослаблению под­вержены α-лучи, обладающие большой ионизирующей способ­ностью. Поток α-лучей почти полностью поглощается даже ли­стом бумаги и слоем пород толщиной в несколько микрометров. Гамма-излучение пред­ставляет собой высокочастотное коротковолновое электромаг­нитное излучение, граничащее с жестким рентгеновским излуче­нием с энергией, измеряемой в мегаэлектронвольтах (МэВ). (В системе СИ энергия измеряется в джоулях. 1 МэВ = = 1,6021 * 10^-13 Дж.) Оно возникает в результате ядерных про­цессов и рассматривается как поток дискретных частиц γ-квантов. Благодаря своей высокой проникающей способности гамма-излучение имеет практическое значение при исследовании раз­резов скважин (γ-лучи полностью поглощаются лишь слоем пород толщиной около 1 м); наличие обсадной колонны не явля­ется препятствием для проведения измерений.

Интенсивность радиоактивного излучения пород в скважине измеряют с помощью индикатора гамма-излучения, расположен­ного в глубинном приборе. В качестве индикатора используют счетчики Гейгера — Мюллера или более эффектив­ные, лучше расчленяющие разрез сцинтилляционные счетчики. Полученная в результате замера кривая, характеризующая ин­тенсивность гамма-излучения пластов вдоль ствола скважины, называется гамма-каротажной кривой. Интенсивность радиоак­тивного излучения определяется как систематическая закономер­ность, обусловленная наличием многочисленных однородных яв­лений, претерпевающих непрерывное изменение при неизмен­ных условиях, колеблясь около некоторой средней величины.

Основным измеряемым параметром при ГК является мощ­ность экспозиционной дозы гамма-излучения, создаваемая в единицу времени. Мощность дозы в СИ измеряется в амперах на килограмм (А/кг). В общем случае интенсивность гамма-излучения приблизи­тельно пропорциональна гамма-активности пород. Однако при одинаковой гамма-активности породы с большей плотностью от­мечаются меньшими показаниями ГК из-за более интенсивного поглощения ими γ-лучей. Общая кон­центрация различных радиоак­тивных элементов в горных по­родах (абсолютная радиоактив­ность) измеряется числом распа­дов в 1 с. За единицу радиоак­тивности, называемую беккере-лем (Бк), принимается актив­ность вещества, в котором проис­ходит 1 расп./с.

Гамма-каротаж повсеместно входит в обязательный комплекс ГИС. Он находит широкое применение для литологического расчленения разреза, оценки глинистости терригенных и карбо­натных пород, выявления в разрезе радиоактивных урановых и ториевых руд. Ряд полезных ископаемых имеет также более вы­сокую радиоактивность, чем вмещающая среда, и четко выделя­ется на кривой ГК.

Гамма-гамма-каротаж (ГГК) основан на измерении характери­стик рассеянного гамма-излучения, возникающего при облуче­нии горных пород внешним источником гамма-излучения. Глав­ными во взаимодействии гамма-излучения с веществом явля­ются образования электрон-позитронных пар, фотоэффект и комптон-эффект.

Электрон-позитронные пары образуются при взаи­модействии γ-квантов очень высокой энергии (более 5—10 МэВ) с ядром атома. При этом у-квант исчезает, и в электрическом поле ядер образуются пары электрон-позитрон.

При фотоэффекте происходит поглощение γ-кванта од­ним из электронов атома, причем энергия γ-кванта преобразуется в кинетическую энергию электрона, вылетающего за пре­делы атома (гамма-квант передает всю свою энергию одному из электронов внутренней оболочки). Вероятность фотоэффекта резко увеличивается с увеличением Z и уменьшением энергии излучения. В веществах, содержащих элементы с Z<20, для гамма-излучения с Е>200 кэВ влияние фотоэффекта мало. В соответствии величина гамма-излучения определяется в основном электронной (кажущейся) плотностью среды, окру­жающей прибор, пропорциональной объемной плотности, и не зависит от изменений ее вещественного состава.

В методе ГТК различают две основные модификации: плот-ностной гамма-гамма-каротаж (ГГКП) и селективный гамма-гамма-каротаж (ГГКС).

ГГКП - основан на измерении жесткой составляющей рассеян­ного гамма-излучения, применяется для измерения плотности горных пород в разрезах скважин.

В качестве источника гамма-излучения при ГГКП исполь­зуют изотоп цезия (¹³⁷Cs) с периодом полураспада 26 лет и энергией γ-квантов 0,662 МэВ. Для регистрации излучения при­меняются в основном сцинтилляционные детекторы. Источник и индикатор расположены на одной стороне исследуемого объ­екта. Индикатор заключен в стальную гильзу, поглощающую мягкую компоненту (до 200 кэВ) гамма-излуче­ния, которая не достигает индикатора. В этом случае регистри­руется жесткая компонента рассеянного гамма-излучения. Рас­стояние между серединой источника и серединой индикатора называют длиной зонда.Оптимальная длина зонда 30—50 см. Для снижения влияния скважины на показания ГГКП источник и индикатор прижимаются к стенке скважины и экранируются от нее свинцом. Однако на­личие между прибором и стенкой скважины промежуточного слоя (ПЖ, воздуха, глинистой корки, железной колонны) при­водит к изменению средней плотности исследуемой среды. Гли­нистая корка и неровности стенки скважины вызывают увели­чение показаний ГГКП.Для более надежной оценки плотности пород методом ГГКП применяется двухзондовая установка. При этом измере­ние интенсивности гамма-излучения производится двумя зон­дами различной длины и одновременно записывается кавернограмма. Метод ГГКП находит широкое применение при расчленении разрезов скважин, уточнении литологии, выделении коллекторов, оценки их пористости, выявлении газоносных пластов (в комп­лексе с другими методами РК, АК и др.),для изучения и конт­роля технического состояния скважин, оценки качества там-понажных работ, выявления интервалов притока в скважину флюидов различной плотности и др.

ГГКС - основан на измерении мягкой составляющей рассеянного гамма-излучения. При применении его используются источники, излучающие γ-кванты малой энергии (менее 200 кэВ), и инди­катор, помещенный в алюминиевую или плексигласовую гильзу, рассчитанные на регистрацию мягкой компоненты. Величина вторичного гамма-излучения мягкой компоненты зависит не только от плотности окружающей среды (от рассеяния γ-кван-тов, излучаемых источником), но и от изменения веществен­ного состава и способности окружающей среды поглощать γ-кванты (фотоэлектрический эффект).

Показания ГГКС определяются в основном значением эф­фективного атомного номера.Поглощающие свойства окружающей среды (фотоэлектри­ческий эффект) способствуют выявлению тяжелых элементов (веществ с большим атомным номером — вольфрама, свинца, ртути и др.).

Селективный гамма-гамма-каротаж применяют для выявле­ния в разрезе угольных и рудных пластов, определения их мощ­ности, строения и содержания полезного ископаемого.

При интерпретации данных плотностного и селективного гамма-гамма-каротажа следует учитывать, что на показания ГГКП в некоторой мере влияет содержание в породе тяжелых элементов, а на показания ГГКС — плотность породы. В связи с этим наиболее надежная интерпретация возможна при сов­местном использовании кривых ГГКП и ГГКС.

Нейтронный каротаж - сущность нейтронного каротажа (НК) сводится к облучению горных пород быстрыми нейтронами и регистрации гамма-излу­чения радиационного захвата нейтронов, а также характери­стик надтепловых или тепловых нейтронов.

При НК исследования ведутся с помощью скважинного при­бора, содержащего источник нейтронов и детектор нейтронов или гамма-излучений. Нейтроны не имеют электрического заряда, не ионизируют среду и, следовательно, не теряют энергии при взаимодействии с электрическими заря­дами электронов и ядер. Этим объясняется их высокая проника­ющая способность. Масса нейтрона близка к массе протона (1,66- 10~²⁴ г). Нейтрон — частица с массовым числом, равным единице, и с зарядом, равным нулю (о¹n).

Энергия нейтрона Е так же, как и гамма-излучение, измеря­ется в МэВ или в эВ, характеризуется скоростью его движе­ния v и пропорциональна v². Различают быстрые нейтроны с энергией 1—15 МэВ, промежуточные—1 МэВ—10 эВ, мед­ленные или надтепловые— 10—0,1 эВ и тепловые нейтроны со средней скоростью 0,025 эВ.

Единственный фактор, влияющий на движение нейтронов,— их столкновение с ядрами атомов, которое проявляется в виде рассеяния нейтронов и захвата их ядрами атомов. В резуль­тате рассеяния происходят уменьшение энергии нейтронов и изменение направления его движения.

Различают неупругое и упругое рассеяние нейтронов. В слу­чае неупругого рассеяния при столкновении нейтрона с ядром атома большая часть кинетической энергии расходуется на воз­буждение рассеивающего ядра, что сопровождается значитель­ным снижением энергии (скорости движения) нейтронов. Не­упругое рассеяние происходит при больших энергиях нейтро­нов и характерно для быстрых нейтронов.

При энергиях нейтронов от нескольких мегаэлектрон-вольт до 0,1 эВ преобладает упругое рассеяние, играющее основную роль в процессе замедления нейтронов. Упругое рассеяние вы­зывает перераспределение кинетической энергии между нейтро­ном и ядром (часть энергии нейтрона передается ядру), откло­нение движения нейтрона от первоначального направления и снижение его энергии. Наибольшая потеря энергии проис­ходит при столкновении нейтрона с ядром атома водорода, масса которого почти равна массе нейтрона. Потеря энергии нейтроном в этом случае может быть полной. Средняя потеря энергии составляет половину начальной энергии. В горной породе замедляющая способность нейтронов опре­деляется содержанием водорода в единице ее объема (водоро-досодержанием). Наличие в породе даже малого количества воды или нефти, содержащих много водорода (порядка 10 % по массе), приводит к тому, что замедление нейтронов проис­ходит в основном на ядрах водорода.

Изучение разреза методами НК сводится к облучению гор­ных пород быстрыми нейтронами и к регистрации гамма-излу-чения радиационного захвата нейтронов, плотности тепловых или надтепловых нейтронов. В соответствии с этим различают: нейтронный гамма-каротаж (НГК), нейтрон-нейтронный каро­таж по тепловым (ННКТ) и по надтепловым (ННКН) нейтро­нам.

В зависимости от применяемых нейтронных источников раз­личают: нейтронный каротаж со стационарным источником нейтронов и импульсный нейтронный каротаж (ИНК) с им­пульсным нейтронным источником — генератором нейтронов.

К НК со стационарными источниками нейтронов относятся: НГК, ННКТ, ННКН. Скважинные приборы, которые использу­ются при НК, содержат нейтронный источник и детекторы гамма-излучения при НГК и тепловых нейтронов при ННКТ и ННКН.

НГК основан на измерении характеристик гамма-излучений, возникающих в процессе поглощения нейтронов в горных поро­дах при их облучении внешним источником тока. Общая интенсивность гамма-излучения, регистрируемая при НГК, слагается из трех компонент: 1) интенсивности гамма-излучения, возникающего в результате радиационного захвата нейтронов ядрами породы (радиационное или вторичное гамма-излучение), I_пу 2) гамма-излучения источника нейтронов, ко­торое воздействует на индикатор непосредственно или вслед­ствие облучения стенок скважины гамма-лучами, часть которых рассеивается породой в направлении индикатора I_уу; для ос­лабления непосредственного гамма-излучения от нейтронного источника между ним и индикатором устанавливается свинцо­вый экран; 3) естественного гамма-излучения I_γ, обусловлен­ного естественной радиоактивностью породы. Влияние естест­венного гамма-излучения при количественных определениях учитывается по данным ГК. Породы с высоким водородосодержанием на диаграммах НГК отмеча­ются низкими показаниями. В малопористых породах с низким водородосодержанием плотность нейтронов вблизи детек­тора увеличивается, что вызывает повышение интенсивности радиационного захвата, а следовательно, показаний НГК.

На результаты НГК значительное влияние оказывают эле­менты, обладающие аномально высокой способностью захвата нейтронов. К таким элементам относятся хлор, бор, литий, кад­мий, кобальт и др

Нейтрон – нейтронный каротаж по тепловым и надтепловым нейтронам.. На диаграммах ННКТ, полученных с помощью длинных зон­дов (L = 40-50 см), водородсодержащие пласты выделяются так же, как и на кривых НГК, низкими значениями, малопори­стые пласты — более высокими значениями. Однако на пока­зания ННКТ значительное влияние оказывают элементы, об­ладающие большим сечением захвата тепловых нейтронов, по­этому ННКТ весьма чувствителен к содержанию хлора и получаемые результаты сильно зависят от минерализации про­мывочной жидкости и пластовой воды.

Показания ННКН практически не зависят от содержания в окружающей среде элементов с большим сечением захвата тепловых нейтронов, в том числе хлора. Они определяются главным образом замедляющими свойствами среды — водоро-досодержанием. Следовательно, показания ННКН более тесно связаны с содержанием водорода в породе, чем показания НГК и ННКТ. Однако для ННКН характерна малая глубинность ис­следования, которая изменяется в зависимости от свойств по­род и их водородосодержания от 20 до 40 см, уменьшаясь с рос­том водородосодержания. Наименьший радиус исследования характерен для ННКН, так как область распространения надтепловых нейтронов меньше, чем тепловых. Длина зондов при ННКТ и ННКН выбирается равной 0,4—0,5 м.

По данным НК через содержание водорода определяется об­щая пористость пород. При этом учитывается ряд геологиче­ских и технических факторов. За условную единицу измерения при нейтронном каротаже приняты значения /усл.ед.

В приборе многозондового нейтрон-нейтронного каротажа (МННК) измерение нейтронного потока производится с помощью двух или нескольких детекторов тепловых или над-тепловых нейтронов, отнесенных на различное расстояние от источника нейтронов. В настоящее время применяют МННКТ с детекторами тепловых нейтронов. В двухзондовых установках определяют отношение А = І_м/І_б, где І_м, І_б— показания, полу­ченные от детекторов соответственно малого и большого зондов. Детекторы удалены от источника на расстояния 30—40 (L_M) и 60—70 см (L₆). Величина А характеризует скорость спада плотности нейтронов при удалении от источника и монотонно возрастает с увеличением пористости, водородосодержания по­род fe_n. к при неизменных скважинных условиях и литологии.

Ряд факторов, связанных с условиями измерений І_м/І_б, примерно одинаково влияет на показания каждого детектора, что создает благоприятные условия для более точной калиб­ровки приборов МННКТ на скважине и определения А. В этом существенное преимущество МННКТ перед однозондовым ННКТ.

На показаниях МННКТ меньше, чем на показаниях однозондовых методов, сказываются следующие условия измере­ний: конструктивные особенности аппаратуры, характеристики схем, активности источника, температура на чувствительность детектора, Установлено также, что и другие технические и гео­логические факторы влияют на показания МННКТ в значи­тельно меньшей мере, чем на показания стандартных зондов с одним детектором. Например, наличие глинистой корки и диа­метр скважины оказывают существенное влияние на показание каждого детектора в отдельности. Влияние этих факторов на относительную величину А существенно снижается. Суммарная поправка за влияние минерализации ПЖ и пластовой воды в зоне проникновения из-за выравнивания их минерализации в процессе смешения снижается до 1 %, поэтому в ряде случаев этой поправкой можно пренебречь. Заметно снижается также и влияние на показания А обсадной колонны, что открывает воз­можность оценки по данным МННК пористости и газонасы­щенности пластов, перекрытых колонной.

Литологический фактор оказывает на показания МННКТ большее влияние, чем на показания, получаемые однозондовыми приборами ННКТ. Поэтому знание литологии при оценке кажущейся пористости (объёмного водородосодержания) по данным МННКТ необходимо. НК применяется для решения следующих задач: 1) литологического расчленения разреза; 2) определение водородосодержания (пористости, глинистости и загипсованности) пород в обсаженных и необсаженных скважинах; 3) выделение газонасыщенной части пласта в обсаженных и необсаженных скважинах бурящихся на ПЖ, приготовленной на нефтяной основе; 4) для выделения руд и определения содержания элементов с аномально высокими нейтронно-поглощающими свойствами (бора, марганца, железа и д.р.); 5) интервалов перфорации, где требуется высокая точность определения глубин.