Гамма - каротаж. Фізичні основи методу

Курсова робота : Адіятова О.Н.

Міністерство Освіти РФ

Уфімський Державний Нафтовий Технічний Університет

Кафедра геофізики

Уфа 2002

Геофізик - це суб'єкт, здатний з бадьорою силою духу вивертати нескінченні ряди незбагненних формул, виведених з мікроскопічною точністю, виходячи з невизначених припущень, заснованих на суперечливих даних, отриманих з непереконливих експериментів, виконаних з неконтрольованої апаратурою особами підозрілою надійності і сумнівних розумових здібностей. І все це - з відкрито визнаної метою дратувати і плутати химерну групу фанатиків, відомих під ім'ям геологів, які, в свою чергу, є паразитичним нашаруванням, що оточують чесно і важко працюючих буровиків.

Journal of Petroleum Technology. 1957

Ядерні методи дослідження свердловин

Ядерні дослідження свердловин підрозділяються на методи вивчення природної радіоактивності (гамма-методи) і штучно викликаної радіоактивності, звані ядерно-фізичними або ядерно-геофізичними (гамма-гамма і нейтронні методи).

Методи вивчення природної радіоактивності гірських порід у свердловинах.

На вивченні природної радіоактивності гірських порід заснований гамма-каротаж або гамма-метод (ГМ). Це аналог радіометрії.

Роботи проводять за допомогою свердловинних радіометрів різних марок. Електричні сигнали, пропорційні інтенсивності гамма-випромінювання, передаються з них по кабелю в звичайну каротажної станцію, де і здійснюється їх автоматична реєстрація.

У результаті гамма-каротажу записується безперервна крива, чи діаграма, інтенсивності гамма-випромінювання. Величина вимірюється в імпульсів за хвилину або в мікрорентгенах на годину (гамах). Оскільки розпад ядер є випадковим процесом, то інтенсивність гамма-випромінювання коливається близько середнього рівня, випробовуючи статистичні флуктуації. Для їх обліку застосовуються повторні записи з меншою швидкістю проведення спостережень. Так як гамма-промені майже повністю поглинаються шаром породи товщиною 1 - 2 м, а до 30% ядерної енергії не пропускається обсадними трубами, то свердловинна радіометр може фіксувати гамма-випромінювання порід, розташованих в радіусі, що не перевищує 0,5 м від осі свердловини. Збільшення діаметра свердловини та наявність води або бурового розчину в ній ще більше знижують радіус обстеження.

На діаграмах гамма-каротажу виявляються пласти з різною ступенем радіоактивності. Максимумами виділяються породи і руди, що містять уран, радій, торій, калій-40 та інші радіоактивні елементи, а також граніти, глини; мінімумами - піщані та карбонатні породи.

спектрометрія природного гамма-випромінювання, тобто визначення енергії гамма-променів, служить для виділення в розрізах свердловин порід і руд, які містять певні елементи, наприклад, калій, торій, уран, фосфор і ін

1. Природна радіоактивність гірських порід.

Серед інших радіометричних методів дослідження свердловин найбільш поширеним є метод природної радіоактивності гірських порід або, як його частіше називають, гамма - метод. У його основі лежить вивчення закономірностей зміни природної радіоактивності гірських порід, зумовленої присутністю головним чином урану і торію з продуктами розпаду, а також радіоактивного ізотопу калію К40. інші радіоактивні елементи (Rb87, Zr96, La138, Sm147 і т.д.) мають настільки великі періоди напіврозпаду, що при існуючої поширеності в земній корі помітного внеску в сумарну радіоактивність внести не можуть.

Радіоактивність основних мінералів, що входять до складу осадових гірських порід, коливається в досить широких межах - від сотих часток до декількох тисяч пг-екв Ra/м. Усі ці мінерали по радіоактивності можуть бути розбиті на чотири групи.

Співвідношення вкладу радіоактивних елементів в загальну гамма-активність порід по-різному. Основний внесок вгамма-активність вапняків і особливо доломітів даютRa (відповідно 64% і 75%), вклад Ra, Th, K в радіоактивність пісковиків приблизно однаковий (Ra 23-26%, Th 40%, K 35%). У зв'язку з цим спектр природного гамма-випромінювання теригенних і карбонатних порід різний.

У першу групу, що характеризується низькою радіоактивністю, входять основні складові осадових гірських порід мінерали:

-) кварц

-) доломіт

-) ангідрит

-) гіпс

-) кальцит

-) сидерит

-) кам'яна сіль.

Друга група мінералів з середньою радіоактивністю представлена окремими мінеральними дивовижними речами типу:

-) Лимони

-) магнетит

-) турмалін

-) корунд

-) барит

-) олігоклаз

-) рогова обманка та ін

До третьої групи мінералів відносяться:

-) глини

-) слюди

-) польові шпати

-) калійні солі, що характеризуються підвищеною радіоактивністю, і деякі інші мінерали.

У четверту групу входять акцесорних мінерали, радіоактивність яких більш ніж в 1000 разів перевищує радіоактивність мінералів першої групи.

У гамма - метод дослідження свердловин про величину природної радіоактивності гірських порід судять за інтенсивністю Ig їх природного g-випромінювання, що реєструється радіометром, що рухаються по стовбура свердловини.

Гамма - випромінювання включає також і так зване фонове випромінювання (фон). Фонове випромінювання викликане забрудненням радіоактивними речовинами матеріалів, з яких виготовлений глибинний прилад, і космічним випромінюванням. Вплив космічного випромінювання різко знижується з глибиною і на глибині декількох десятків метрів на результати вимірювань вже не позначається.

2. Гамма -- каротаж.

Вимірювання інтенсивності Ig природного g-випромінювання порід уздовж стовбура свердловини називається гамма - Каротажу (ГК).

Умовно вважають, що ефективний радіус дії установки гамма - каротажу (радіус сфери, з якої виходить 90% випромінювань, сприймаються індикатором) відповідає приблизно 30 см; випромінювання від більш віддалених ділянок породи поглинається навколишнім середовищем, не досягнувши індикатора. Збільшення DС через розмиву стінки свердловини і освіти каверн (зазвичай в глинистих породах) супроводжується зменшенням показань гамма - каротажу. Цементне кільце в більшості випадків також впливає на величину реєструється g-випромінювання, зменшуючи її. Для визначення g-активності пласта при кількісної інтерпретації дані гамма - каротажу призводять до стандартних умов.

Інтенсивність радіоактивного випромінювання порід в свердловині вимірюють за допомогою індикатора g-випромінювання, розташованого в глибинному приладі. Реєстрація здійснюється в процесі взаємодії гамма - випромінювання з атомами та молекулами речовини, наповнює індикатор. Як індикатор використовують лічильники Гейгера - Мюллера або більш ефективні, краще розчленовані розріз сцинтиляціонні лічильники.

2.1 Лічильник Гейгера - Мюллера.

У цьому лічильнику один з електродів (анод) під напругою 800 - 1000 В поміщений у камеру, заповнену іонізуючим газом під низьким тиском ( »0.01 ат). Частина гамма -- квантів, проходячи через камеру, не взаємодіє на своєму шляху з молекулами газу, що знижує ефективність лічильника. Інші гамма - кванти викликають іонізацію декількох молекул газу.

Кожен зареєстрований лічильником гамма - квант викликає в ланцюзі харчування лічильника імпульс струму.

2.2 Сцентілляціонний лічильник.

Індикатором гама - випромінювання є прозорий кристал, молекули якого мають властивість сцентілляціі - випускання фотонів світла при дії гамма - квантів. Фотони відзначаються фотопомножувач і викликають потік електронів до анода (струм).

Великою перевагою сцентіллятора є висока ефективності рахунку (реєструється до 50 - 60% гамма - квантів, що проходять через кристал) в порівнянні з іншими типами лічильників, ефективність яких 1 - 5%. Це дозволяє зменшити довжину лічильників з 90 до 10 см, поліпшити вертикальне розчленовування і забезпечити малу статичну флуктуації.

2.4 Статистичні флуктуації.

Радіоактивний розпад непостійний в часі, тому для отримання стабільних значень радіоактивності береться значення показань за досить тривалий проміжок часу. Так як цей період не може бути досить великим, то виміряна радіоактивність не є постійною навіть в тому випадку, якщо глибинний прилад знаходиться в свердловині без руху. Спостерігаються зміни радіоактивності в цьому випадку називаються її статистичними флуктуаціями.

Статистична флуктуація на діаграмі не повинна перевищувати кілька сантиметрів, інакше через перекручування діаграми не можуть бути корелюється. Регулювання амплітуди флуктуації здійснюється підбором постійній часу інтегрує осередки.

2.5 Постійна часу інтегрує осередки.

Регульовані елементи інтегрує осередку дозволяють змінити її постійну часу від 1 до 6 сек. Вибір того чи іншого значення постійної часу, з якою будуть проводитися дослідження в свердловині, виходить з двох суперечливих положень: велика тривалість постійної часу зменшує статистичні флуктуації, але викликає відставання в записі реєструється величини і вимагає зниження швидкості виміру для зменшення перекручування кривої.

3. Криві гамма - каротажу.

Отримана в результаті виміру крива, що характеризує інтенсивність g-випромінювання пластів вздовж стовбура свердловини, називається гамма - каротажної кривої.

Конфігурація одержуваної кривої зміни величини Ig залежить від цілого ряду факторів, пов'язаних з особливостями досліджуваного розрізу, конструкції свердловини і методики виробництва вимірів (радіоактивність гірських порід, пройдених свердловиною, радіоактивності бурового розчину, діаметра свердловини та наявності обсадної колони).

Точне аналітичне розгляд впливу на величину Ig всієї сукупності цих факторів є вельми складне завдання, до теперішнього часу повністю не вирішеним. Однак вплив кожного з цих факторів окремо вивчено досить детально.

Завдяки статистичним флуктуацій крива радіоактивного каротажу має відхилення, що не пов'язані зі зміною фізичних властивостей пластів (похибки вимірювань). Похибка, пов'язана з флуктуацій, тим більше, ніж менше імпульсів, що випускаються в еденицу часу (швидкість рахунку). Загалом випадку інтенсивність g-випромінювання пластів, розкриваються свердловиною, приблизно пропорційна g-активності порід. Проте при однаковій g-активності породи з більшою щільністю відзначається меншими показаннями ГК через більш інтенсивного поглинання g-променів. Показання гамма - каротажу є функцією не тільки радіоактивності і щільності порід, а й умов вимірювань в свердловині (діаметр свердловини, щільність промивної рідини та ін.)

Вплив свердловини на свідчення ГК проявляється в повфшеніі інтенсивності g-випромінювання за рахунок природної радіоактивності колон, промивної рідини і цементу і в ослабленні g-випромінювання гірських порід внаслідок поглинання g-променів колоною, промивної рідиною і цементом. У зв'язку з переважним значенням другий процесу вплив свердловини позначаються головним чином у поглинанні g-променів гірських порід. Це призводить до того, що при виході глибинного свердловинного снаряди з рідини спостерігається збільшення g-випромінювання. Пі переході його з необсаженной частини свердловини в обсаджену відзначається зниження інтенсивності природних g-випромінювань, що викликає зсув кривих і зменшення диференційованості діаграми. Таке ж явище спостерігається при переході глибинного приладу з одноколонной частини свердловини в двоколонні.

4. Кількісна оцінка радіоактивності гірських порід.

Кінцевою метою геофізичної інтерпретації даних гама -- методу є кількісна оцінка вмісту в гірських породах радіоактивних елементів.

У принципі оцінка по кривих гамма - методу вмісту в досліджуваних породах радіоактивних елементів qп може бути вирішена на базі використання одного з двох наступних співвідношень:

q = S/KgH; q = I