Гамма – каротаж. 
Фізичні основи методу

Гамма — каротаж. Фізичні основи метода

Курсовая робота: Адиятова А.Н.

Министерство Освіти РФ

Уфимский Державний Нафтовий Технічний Университет

Кафедра геофизики

Уфа 2002

Геофизик — це суб'єкт, здатний конкурувати з бадьорій силою духу вивертати безкінечні ряди незбагненних формул, виведених з мікроскопічної точністю, з невизначених припущень, заснованих на спірних даних, отриманих з непереконливих експериментів, виконаних з неконтрольованої апаратурою особами підозрілої надійності і сумнівних розумових здібностей. І весь цей — з відкрито визнаній метою дратувати і плутати химерну групу фанатиків, відомих під назвою геологів, які, в своє чергу, є паразитичним нашаруванням, оточуючим чесно і тяжко працюючих буровиків.

Journal of Petroleum Technology. 1957.

Ядерные методи дослідження скважин

Ядерные дослідження свердловин поділяються на методи вивчення природною радіоактивності (гамма-методы) і штучно викликаної радіоактивності, звані б ядерно-фізичними чи ядерно-геофизическими (гамма-гамма і нейтронні методи).

Методы вивчення природною радіоактивності гірських порід у скважинах.

На вивченні природною радіоактивності гірських порід грунтується гамма-каротаж чи гамма-метод (ХМ). Це аналог радиометрии.

Работы проводять із допомогою скважинных радіометрів різних марок. Електричні сигнали, пропорційні інтенсивності гамма-випромінення, передаються з нього кабелем на звичайну каротажную станцію, де й здійснюється їх автоматична регистрация.

В результаті гамма-каротажа записується безперервна крива, чи діаграма, інтенсивності гамма-випромінення. Величина вимірюється в імпульсах за хвилину чи микрорентгенах за годину (гамах). Оскільки розпад ядер є випадковим процесом, то інтенсивність гамма-випромінення коливається близько середній рівень, відчуваючи статистичні флуктуації. Для їх урахування застосовуються повторні запису із меншою швидкістю проведення спостережень. Оскільки гамма-промені майже зовсім поглинаються шаром породи завтовшки 1 — 2 м, а до 30% ядерної енергії не пропускається обсадними трубами, то скважинный радіометр може фіксувати гамма-випромінювання порід, розміщених у радіусі, не перевищує 0,5 м від осі свердловини. Збільшення діаметра свердловини та наявність води чи бурового розчину у ній ще більше знижують радіус обследования.

На діаграмах гамма-каротажа виявляються пласти з різною ступенем радіоактивності. Максимумами виділяються породи і руди, містять уран, радій, торій, калий-40 та інші радіоактивні елементи, і навіть граніти, глини; мінімумами — піщані і карбонатні породы.

Спектрометрия природного гамма-випромінення, тобто. визначення енергії гама-променів, служить виділення в розрізах свердловин порід і руд, містять певні елементи, наприклад, калій, торій, уран, фосфор і др.

1. Природна радіоактивність гірських пород.

Среди інших радіометричних методів дослідження свердловин найпоширенішим є метод природною радіоактивності гірських порід чи, як він частіше називають, гама — метод. У його основі лежить вивчення закономірностей зміни природною радіоактивності гірських порід, зумовленої присутністю переважно урану і торію з продуктами розпаду, і навіть радіоактивного ізотопу калію К40. інші радіоактивні елементи (Rb87, Zr96, La138, Sm147 тощо.) мають такі великі періоди піврозпаду, що з існуючої поширеності в земної корі помітного внеску до сумарну радіоактивність внести не могут.

Радиоактивностью основних мінералів, входять до складу осадових гірських порід, коливається на досить межах — від сотої частки за кілька тисяч пг-экв Ra/г. Всі ці мінерали по радіоактивності може бути розбиті на чотири группы.

Соотношение вкладу радіоактивних елементів у загальну гамма-активність порід різна. Основний внесок вгамма-активность 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%).В зв’язку з цим спектр природного гамма-випромінення терригенных і карбонатних порід различен.

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

-) кварц.

-) доломит.

-) ангидрит.

-) гипс.

-) кальцит.

-) сидерит.

-) кам’яна соль.

Вторая група мінералів з середньої радіоактивністю представлена окремими мінеральними разностями типу :

-) лимонит.

-) магнетит.

-)турмалин.

-) корунд.

-) барит.

-) олигоклаз.

-) рогова обманка і др.

К третьої групи мінералів ставляться :

-) глины.

-) слюды.

-) польові шпаты.

-) калійні солі, які характеризуються підвищеної радіоактивністю, та інших минералы.

В четверту групу входять акцессорные мінерали, радіоактивність яких більш ніж в 1000 разів перевищує радіоактивність мінералів першої группы.

В гама — методі дослідження свердловин величину природною радіоактивності гірських порід судять за інтенсивністю Ig їх природного g-випромінювання, зареєстрованим радіометром, які йшли по стовбуру скважины.

Гамма — випромінювання входять також й дуже зване фонове випромінювання (фон). Фонове випромінювання викликано забрудненням радіоактивними речовинами матеріалів, у тому числі виготовлений глибинний прилад, і космічним випромінюванням. Вплив космічного випромінювання різко знижується з глибиною і глибині кілька десятків метрів на результатах вимірів не сказывается.

2. Гама — каротаж.

Измерение інтенсивності Ig природного g-випромінювання порід вздовж стовбура свердловини називається гама — каротажем (ГК).

Условно вважають, що ефективний радіус дії установки гама — каротажа (радіус сфери, з якої виходить 90% випромінювань, які сприймаються індикатором) відповідає приблизно 30 див; випромінювання від віддаленіших ділянок породи поглинається навколишнім середовищем, не досягнувши індикатора. Збільшення dс через розмиву стінки свердловини та утворення каверн (зазвичай в глинистих породах) супроводжується зменшенням показань гама — каротажа. Цементне кільце здебільшого також впливає величину реєстрованого g-випромінювання, зменшуючи її. Для визначення g-активности пласта при кількісної інтерпретації дані гама — каротажа призводять до стандартним условиям.

Интенсивность радіоактивного випромінювання порід у свердловині вимірюють з допомогою індикатора g-випромінювання, що за глибинному приладі. Реєстрація ввозяться процесі взаємодії гама — випромінювання з атомами і молекулами речовини, яке наповнювало індикатор. Як індикатора використовують лічильники Гейгера — Мюллера чи більше ефективні, краще расчленяющие розріз сцинтиляційні счетчики.

2.1 Лічильник Гейгера — Мюллера.

В цьому лічильнику одне із електродів (анод) під напругою 800 — 1000 У поміщений у камеру, заповнену іонізуючим газом під низьким тиском («0.01 ат). Частина гама — квантів, проходячи через камеру, не взаємодіє своєму шляху з молекулами газу, що знижує ефективність лічильника. Інші гама — кванти викликають іонізацію кількох молекул газа.

Каждый зареєстрований лічильником гама — квант викликає у подальшому ланцюгу харчування лічильника імпульс тока.

2.2 Сцентилляционный лічильник.

Индикатором гама — випромінювання є прозорий кристал, молекули якого мають властивістю сцентилляции — випущення фотонів світла при вплив гама — квантів. Фотони відзначаються фотоумножителем і викликають потік електронів до аноду (ток).

Большим перевагою сцентиллятора є висока эфективность рахунки (реєструється до 50 — 60% гама — квантів, проходять через кристал) проти іншими типами лічильників, ефективність яких 1 — 5%. Це дозволяє зменшити довжину лічильників з 90 до 10 див, поліпшити вертикальне розчленовування й забезпечити малу статичну флуктуацию.

2.4 Статистичні флуктуации.

Радиоактивный розпад непостійна у часі, для отримання стабільних значень радіоактивності береться значення показань за досить тривалу проміжок часу. Тому що це період неспроможна бути досить великим, то вимірювана радіоактивність перестав бути постійної навіть у разі, якщо глибинний прилад перебуває у свердловині непорушно. Спостережувані зміни радіоактивності у разі називаються її статистичними флуктуациями.

Статистическая флуктуація з діаграми має перевищувати кілька сантиметрів, інакше через спотворення діаграми що неспроможні бути коррелируемыми. Регулювання амплітуди флуктуації здійснюється добором постійної часу інтегруючої ячейки.

2.5 Постійна часу інтегруючої ячейки.

Регулируемые елементи інтегруючої осередки дозволяють змінити її постійну часу від 1 до 6 сек. Вибір тієї чи іншої значення постійної часу, з якою проводитимуться дослідження, у свердловині, виходить із двох суперечливих положень: велика тривалість постійної часу зменшує статистичні флуктуації, а викликає відставання у запису зареєстрованим розміру й вимагає зниження швидкості виміру зменшення спотворення кривой.

3. Криві гама — каротажа.

Полученная внаслідок виміру крива, характеризує інтенсивність g-випромінювання пластів вздовж стовбура свердловини, називається гама — каротажної кривой.

Конфигурация одержуваної кривою зміни величини Ig залежить цілої ряду факторів, що з особливостями досліджуваного розтину, конструкції свердловини і методик виробництва вимірів (радіоактивність гірських порід, пройдених свердловиною, радіоактивності бурового розчину, діаметра свердловини і наявність обсадной колонны).

Точне аналітичне розгляд впливу величину Ig всієї сукупності цих факторів є дуже складне завдання, до нашого часу не повністю решенную. Проте вплив кожного з цих факторів окремо вивчено досить подробно.

Благодаря статистичним флуктуаціям крива радіоактивного каротажа має відхилення, які пов’язані зі зміною фізичних властивостей пластів (похибки вимірів). Похибка, що з флуктуацией, то більше вписувалося, ніж менше імпульсів, испускаемых в еденицу часу (швидкість рахунки). Загалом разі інтенсивність g-випромінювання пластів, викриті свердловиною, приблизно пропорційна g-активности порід. Проте за однаковою g-активности породи з більшою щільністю відзначається меншими показаннями ДК через інтенсивнішої поглинання g-лучей. Свідчення гама — каротажа є функцією не лише радіоактивності і щільність порід, а й умов до свердловині (діаметр свердловини, щільність промывочной рідини і др.).

Влияние свердловини на показання ДК проявляється у повфшении інтенсивності g-випромінювання з допомогою природною радіоактивності колон, промывочной рідини і цементу й у ослабленні g-випромінювання гірських порід внаслідок поглинання g-лучей колоною, промывочной рідиною і цементом. У зв’язку з переважним значенням другого процесу вплив свердловини позначаються головним чином поглинанні g-лучей гірських порід. Це спричиняє з того що коли глибинного свердловинного снаряда з рідини спостерігається збільшення g-випромінювання. Пі переході його з необсаженной частини свердловини в обсаджену відзначається зниження інтенсивності природних g-излучений, що викликає усунення кривих і зменшення диференційованості діаграми. Така ж явище спостерігається під час переходу глибинного приладу з одноколонной частини свердловини в двухколонную.

4. Кількісна оцінка радіоактивності гірських пород.

Конечной метою геофізичної інтерпретації даних гама — методу є кількісну оцінку вмісту у гірських породах радіоактивних элементов.

В принципі оцінка по кривим гама — методу вмісту у досліджуваних породах радіоактивних елементів qп то, можливо вирішена з урахуванням використання однієї з двох наступних співвідношень :

q = S/KgH; q = I¥g/Kg.

где.

S — площа аномалії на кривою Ig проти досліджуваного пласта;

I¥g — інтенсивність g-випромінювання, регистрируемая проти досліджуваного пласта при умови його нескінченно великий мощности;

H — потужність пласта;

Кg — так звана g-постоянная приладу, чисельно рівна інтенсивності g-випромінювання, яка фіксується що використовуються радіометром проти пласта безкінечною потужності з одиничним змістом радіоактивних элементов.

Таким чином, в обох випадках завдання зводиться до визначенню постійної Кg радіометра, яким отримана крива Ig, тобто. практично до проблеми эталонирования радиометрической аппаратуры.

Решение це завдання дуже важко, оскільки величина Кg залежить цілої низки важко врахованих І що найголовніше, непостійних чинників. Зазвичай вона перебуває экспериментально.

5 Область застосування метода.

В комплексі з інших методів промислової геофізики результати гама — методу дослідження свердловин йдуть на литологического розчленовування розрізів свердловин, їхнього кореляції й у виділення у яких корисних копалин. У осадових відкладеннях є найнадійнішим геофизическим критерієм ступеня глинистости гірських пород.

5.1 Виділення корисних ископаемых.

Среди з корисними копалинами, однозначно виділених за даними гама — методу, насамперед слід назвати радіоактивні руди (уран, радій і торій), і навіть калійні соли.

В свердловинах, бурящихся із єдиною метою пошуків і розвідки родовищ радіоактивних руд, гама — метод є основним геофизическим методом дослідження, підставі даних якого здійснюється як виділення у межах рудних пластів і пропластков, а й кількісну оцінку вмісту у цих рудах радіоактивних елементів. Ці дані широко використовуються під час підрахунку родовищ радіоактивних руд.

Во часто по кривим гама — методу у межах свердловин впевнено виділяються скупчення фосфоритів, марганцю, свинцю та інших рідкісних кольорових металів. На зазначених кривих всі ці корисні копалини відзначаються аномально підвищеними интенсивностями Ig .

5.2 Расчленение.

В основі литологического розчленовування за даними гама — методу розрізів скавжин лежать закономірності зміни радіоактивності гірських пород.

В свердловинах нафтових, газових, вугільних та інших родовищ, присвячених до осадочным відкладенням, криві гама — методу відбивають у першу чергу ступінь глинистости гірських порід і у розрізі низькоактивних порід гідрохімічного походження. Зазвичай, підвищеними интенсивностями Ig на кривих відзначаються найбільш глинисті різниці осадових гірських порід. Мінімальними интенсивностями Ig характеризуються хемогенные опади (галиты, гіпси, ангидриты) і чисті неглинистые різниці пісків, пісковиків, вапняків і доломітів. У хемогенно-карбонатной товщі порід це дає можливість окреслити серед вапняків і доломітів ангидриты і «кам'яні солі, не які від порід товщі за величиною електричного опору і по нейтронным властивостями, і навіть високоактивні калійні солі і глинисті різниці. У песчано — глинистої частини розтину свердловин серед непроникних глинистих відкладень, що характеризуються підвищеної радіоактивністю, зниженими интенсивностями Ig на кривих гама — методу впевнено виділяються пласти чистих неглинистых пісків і пісковиків — можливих колекторів нафти. Особливо зростає роль гама — методу виділення колекторів у разі, коли досліджувані свердловини заповнені буровим розчином, удільне електричне опір якого близько до опору шарових вод. У умовах криві методу ПС слабко диференційовані і такі гама — методу стають основним вихідним матеріалом виділення проникних разностей — колекторів. З іншого боку, гама — метод дає можливість розчленовувати геологічні розрізи старих обсаджених свердловин, прив’язувати до глибин з'єднувальні муфти і пласти, пройдені свердловиною, і тим самим підвищити точність перфораций.

Гамма — метод застосовується також і виділення порід зниженою радіоактивності, наприклад кам’яних углей.

В разі високих стабільних значень радіоактивності проти глин і низьких показань радіоактивності в пісках деякі автори наводять кількісну інтерпретацію кривих гама — методу визначення глинистости колекторів. І тому проводять лінію, відповідну чистим (неглинистым) відкладенням, і лінію глин. Розмір відхилення кривою приймається лінійно що з глинистостью з. Деякі дослідники застосовують таку залежність :

lg з = A Ig, діагр + У ,.

где Проте й У — постійні, зумовлені по керну кожної площади.

5.3.Корреляция.

В основі використання даних гама — методу для кореляції розрізів свердловин лежить хороша витриманість радіоактивності окремих литологических разностей порід у межах великих площ, і територій. По порівнянню коїться з іншими методами використання даних гама — методу для кореляції характеризуються такими преимуществами.

Независимость зареєстрованим інтенсивності Ig від мінералізації шарових вод і бурового раствора.

Независимость величини Ig від нефтенасыщенности гірських пород.

Это дозволяє здійснювати за даними гама — методу кореляцію пластів не враховуючи технології проводки свердловини та площею мінералізації шарових вод, і навіть не враховуючи становища аналізованих свердловин стосовно водонефтеносности. Мало б'є по величині зареєстрованим інтенсивності Ig й зміна таких непостійних площею параметрів гірських порід, як його пористість і структура порового простору в карбонатних відкладеннях. Усе це вкупі взяте призводить до того, що результати гама — методу є надійним матеріалом для межплощадной і учасникам регіональної корреляции.

5.4 Оцінка глинистости.

Основная цінність гама — методу для дослідження осадових гірських порід залежить від можливості кількісних визначень за його даними глинистости Сгл гірських порід чи вмісту у карбонатних породах нерастворимого залишку Шпп — параметрів, знання котрих необхідне в оцінці коллекторских властивостей гірських порід, і навіть при кількісної інтерпретації даних інших методів промисловій геофизики.

В основі кількісних визначень лежить кореляційна зв’язок радіоактивності qп гірських порід із вмістом у яких глинистого матеріалу Сгл і нерастворимого залишку Шпп, що характеризуються підвищеної радиоактивностью.

6.

Заключение

.

Во всіх гірських породах хоча в невеликих кількостях присутні радіоактивні ізотопи, зміст що у різних породах різна, тому у вигляді реєстрації радіоактивних випромінювань в свердловині можна будувати висновки про характері гірських пород.

Гамма-каротаж грунтується на вимірі природною гама — активності гірських пород. При гама — каротаже реєструються гама — проміння на скважине.

Гамма — випромінювання є високочастотне електромагнітне випромінювання, що у результаті ядерних процесів, і сприймається як потік дискретних частинок (гама — квантов).

Работы проводять із допомогою скважинных радіометрів різних марок. Електричні сигнали, пропорційні інтенсивності гамма-випромінення, передаються з нього кабелем у звичайну каротажную станцію, де й здійснюється їх автоматична регистрация.

В результаті гама — каротажа записується безперервна крива, чи діаграма, інтенсивності гамма-випромінення. Оскільки розпад ядер є випадковим процесом, то інтенсивність гамма-випромінення коливається близько середній рівень, відчуваючи статистичні флуктуації. Для їхнього суворого обліку застосовуються повторні запису із меншою швидкістю проведення спостережень. Оскільки гама — промені майже зовсім поглинаються шаром породи завтовшки 1 — 2 м, а до 30% ядерної енергії не пропускається обсадними трубами, то скважинный радіометр може фіксувати гамма-випромінювання порід, розміщених у радіусі, не перевищує 0,5 м від осі свердловини. Збільшення діаметра свердловини та наявність води чи бурового розчину у ній ще більше знижують радіус обследования.

На діаграмах гама — каротажа виявляються пласти з різною ступенем радіоактивності. Максимумами виділяються породи і руди, містять уран, радій, торій, калий-40 та інші радіоактивні елементи, і навіть граніти, глини; мінімумами — піщані і карбонатні породы.

Список литературы

.

С.С. Итенберг, Т. Д. Дахкильгов «Геофізичні дослідження в свердловинах», Москва, «Надра», 1982 г.

Н.А. Перьков «Інтерпретація результатів каротажа свердловин», Москва, «Гостоптехиздат», 1963 г.

Р. Дебранд «Теорія і інтерпретація результатів геофізичних методів дослідження свердловин», Москва, «Надра», 1972 г.

В.В Ларіонов «Радіометрія свердловин», Москва, «Надра», 1969.

Для підготовки даної роботи було використані матеріали з сайту internet.