7.3.1. Основные блоки аппаратуры для РК
7.3.4. Рентгенорадиометрический каротаж
* * *
Радиометрические, точнее, ядерно-физические методы (ЯФМ) исследования скважин, или радиоактивный каротаж (РК), — совокупность методов, основанных на изучении ядерных свойств горных пород с помощью естественных и искусственно созданных радиоактивных излучений. Большое практическое значение имеют следующие виды каротажа:
• гамма-каротаж (ГК) и спектрометрический гамма-каротаж (СГК);
• гамма-гамма- плотностный каротаж (ГГК-П) и гамма-гамма- селективный (литологический) каротаж (ГГК-С);
• рентгено-радиометрический каротаж (РРК);
• нейтронный гамма-каротаж (НГК), нейтрон-нейтронный каротаж по тепловым (ННК-НТ) и надтепловым нейтронам (ННК-Н), а также спектрометрический нейтронный гамма-каротаж (СНГК);
• импульсный нейтронный каротаж (ИНК) и спектрометрический импульсный нейтронный каротаж (СИНК).
К РК также часто относят метод ядерно-магнитного резонанса (ЯМК), который не связан с регистрацией ядерных частиц, но использует наличие магнитных и механических моментов у ядер атома водорода.
Важнейшие отличительные особенности РК заключаются в следующем:
• показания РК определяются в основном элементным химическим составом горной породы и/или концентрацией отдельных элементов. Это позволяет осуществлять литологическое расчленение пород, вести поиск и разведку полезных ископаемых по прямым признакам;
• данные РК практически не зависят от текстурно-структурных свойств породы, что дает возможность, комплексируя РК с методами, чувствительными к текстурно-структурным свойствам, оценить тип порового пространства;
• большинство методов РК можно применять как в открытом стволе, так и в обсаженной скважине, поэтому их используют на всех этапах горно-геологического процесса;
• на показания любого радиоактивного метода оказывает влияние только небольшая часть окружающей среды. Глубина исследования методами РК не превышает нескольких десятков сантиметров.
Физические основы методов радиометрии изложены в главе 6.
7.3.1. Основные блоки аппаратуры для РК
Аппаратура различных РК имеет много общего. Главная функция аппаратуры состоит в регистрации интенсивности гамма-квантов или нейтронов, поэтому различные типы соответствующих приборов принято называть скважинными радиометрами. Аппаратура состоит из скважинного прибора, заключенного обычно в прочную стальную гильзу, и наземного пульта, соединенных между собой каротажным кабелем. Различают интегральную и спектрометрическую аппаратуру. Первая регистрирует частицы с энергиями выше (или ниже) заданного порогового значения, вторая — частицы с энергиями, принадлежащими к определенному диапазону интервалов, заключенному между нижним и верхним пороговыми значениями.
В скважинном приборе (зонде) искусственных методов РК главным элементом является стационарный или импульсный источник излучения. Источники гамма-квантов относятся к стационарным. Такой источник представляет собой металлическую ампулу, содержащую активный β-препарат (60Co, 137Cs). В результате β-распада цезия (в среднем 109 распадов в секунду) возникает гамма-излучение с основной энергией 0,661 МэВ. В стационарном источнике нейтронов используют смесь α-излучателя (например, плутония 239Pu) с порошком бериллия или бора. При бомбардировке плутония α-частицами бериллия или бора происходит ядерная реакция, в результате которой образуется 106–107 нейтронов в секунду с энергиями, распределенными в основном между 3,0 и 5,0 МэВ. Существуют также управляемые стационарные источники нейтронов. Они представляют собой малогабаритные ускорители заряженных частиц, в которых ядра дейтерия (2Н) — дейтоны — разгоняются в электрическом поле высокой напряженности (105 В) и бомбардируют мишени из материалов, насыщенных дейтерием или тритием (3Н). Такой источник монохроматичен при энергии в 14 МэВ. При бомбардировке трития наблюдается наибольший выход нейтронов — 109 и выше в секунду. Рассмотренный источник используют и в импульсном режиме с частотой следования импульсов нейтронов от нескольких сот Гц до несколько десятков кГц. Работы со всеми источниками ядерных излучений являются вредными для здоровья и требуют неукоснительного выполнения инструкций по технике безопасности.
В качестве детектора излучения в естественных и искусственных методах РК применяют, как правило, пропорциональные сцинтилляционные детекторы (см. 6.4.1). Применение более совершенных полупроводниковых детекторов находится в экспериментальной стадии. Схемы измерения в РК учитывают статистический характер ядерных реакций.
Основным узлом интегральной аппаратуры является интенсиметр (один или несколько). Каждый из них служит для измерения интенсивности излучения — среднего числа импульсов за единицу времени N (имп/мин) (скорость счета). Это делает аппаратуру инерционной и накладывает большие ограничения на скорость каротажа. На практике типичные значения скорости составляют 500–600 м/ч для обзорных и 30–200 м/ч для детальных исследований. В современной аппаратуре инерционность учитывают автоматически. Границы пластов отмечают в середине аномалии (рис. 7.16). Диаграммы напротив однородного пласта, залегающего среди двух отличных однородных пластов, становятся симметричными. Погрешность измерений стремятся уменьшить, улучшая эффективность детекторов излучения и увеличивая интенсивность источников излучения.
В спектрометрической аппаратуре имеется несколько каналов. В каждый канал попадают частицы только с энергией E, лежащей в определенном интервале энергий, и ведется подсчет количества попавших частиц N за единицу времени. Получают зависимость N = f(E) — энергетический спектр, показывающий интенсивность излучения по энергиям. Существует 3-, 256- и 1024-канальная аппаратура.
Для получения корректных результатов измерений любую аппаратуру РК необходимо эталонировать. В общем случае для получения статических диаграмм в результаты измерений вносят с помощью палеточных зависимостей поправки за скважинные условия — промежуточные зоны: промывочная жидкость, глинистая корка, вмещающие породы, наличие и толщина обсадной колонны и цементного кольца.
Интегральный гамма-каротаж (ГК). В методе ГК по стволу скважины регистрируют интенсивность гамма-квантов естественного происхождения (см. 6.4.2). Радиоактивность горных пород практически полностью обусловлена содержанием в них элементов уранового (родоначальники 235U и 238U) и ториевого (родоначальник 232Th) радиоактивных семейств и изотопом калия 40K (см. 6.2). Каждый элемент излучает гамма-кванты определенной энергии. Гамма-излучение изотопа калия монохроматично с энергией 1,46 МэВ. Излучение уранового и ториевого рядов имеет несколько энергетических линий. Так, для уранового ряда (строго говоря, ряда 226Ra и продуктов его распада) наиболее интенсивные линии — 242, 355, 609, 1120, 1765 кэВ, для ториевого ряда — 238, 338, 583, 911, 969, 1587, 2620 кэВ.
Аппаратура ГК является интегральной (рис. 7.17). Точка записи совпадает с серединой детектора. На рисунке 7.16 дан пример каротажной кривой Iγ. Переход от регистрируемых импульсов в минуту к истинной интенсивности гамма-излучения, выраженной в мкР/ч, осуществляют эталонированием аппаратуры. За радиус зоны исследования ГК принимают радиус сферы, из которой приходит около 95 % регистрируемого излучения. Считается, что он составляет около 30 см.
Рис. 7.16. Схематичные диаграммы, полученные ядерными методами
в разрезе осадочных пород (по Д. И. Добрынину и др.):
1 — каменная соль; 2 — калийная соль; 3 — глина;
4 — размытый пласт с большой каверной; 5 — гипс; 6 — ангидрит;
7 — известняк низкопористый; 8 — известняк высокопористый;
песчаник (песок): 9 — газоносный, 10 — нефтеносный,
11 — водоносный; 12 — метаморфизированная порода
Рис. 7.17. Схема зонда ГК:
Г — детектор гамма-излучения; ЭС — электронная схема
Задачи, решаемые ГК. Радиоактивность горной породы зависит от ее химического состава (см. 6.2.3). Породам, содержащим промышленные скопления минералов урана и тория, отвечают высокие показания Iγ. Из осадочных пород, характерных для нефтегазовых месторождений, наиболее радиоактивны чистые глины. Менее радиоактивны песчаные и известковистые глины, далее следуют глинистые пески, песчаники, чистые пески и карбонатные породы. Наименьшую радиоактивность имеют гидрохимические осадки (исключая калийные соли), большинство каменных углей. Однако указанная закономерность не всегда верна. Встречаются песчаные (глауконитовые, монацитовые и полевошпатные пески) и карбонатные породы с повышенным содержанием радиоактивных элементов. Также радиоактивность различных глин неодинакова из-за физико-химических процессов, при которых они образовывались и переносились. Поэтому интерпретацию диаграмм ГК необходимо проводить с учетом геологических особенностей разреза.
Так как показания ГК зависят не только от радиоактивности пород, но и от условий измерений в скважине, то для исключения влияния последних при обработке материалов часто используют безразмерный двойной разностный параметр:
,
где Iγ∞ — исправленное значение Iγ за вмещающие породы; Iγmax и Iγmin — соответственно минимальное и максимальное показания Iγ по всему разрезу. С помощью двойного разностного параметра часто определяют глинистость породы, используя эмпирические связи типа «ГИС–керн».
Гамма-каротаж является одним из основных методов ГИС. В комплексе с другими методами ГИС его используют: для литологического расчленения разреза; корреляции разрезов; выделения полезных ископаемых (ангидриды, апатиты, бокситы, марганцевые, железные и свинцовые руды, фосфориты и др.); оценки глинистости терригенных и карбонатных пород и т. д. ГК также применяют для взаимной увязки по глубине измерений других методов ГИС в обсаженных и необсаженных скважинах.
Спектрометрический гамма-каротаж (СГК). С помощью СГК определяют суммарную (интегральную) естественную радиоактивность породы и оценивают содержание в породе калия, урана и тория. Скважинные приборы СГК и ГК в принципе аналогичны, однако аппаратура СГК является спектрометрической. Пример относительного вклада радиоактивных элементов в спектр гамма-излучения приведен на рис. 7.18. Существуют трех- и многоканальные (256 или 1024 канала) спектрометры. Интерпретация данных СГК сложнее, чем для метода ГК. Так, в системе трехканальной аппаратуры часто для регистрации интенсивности излучения калия (IγK) полагают в первом канале ширину окна 1,3–1,6 МэВ, во втором канале для регистрации урана (IγU) — 1,66–1,9 МэВ и в третьем канале для регистрации тория (IγTh) — 2,05–2,85 МэВ. Получают систему из трех уравнений:
;
;
,
где qK, qU, qTh — искомые массовые концентрации соответственно калия, урана и тория, а Cij — неизвестные коэффициенты, определяющие чувствительность i-окна для j-излучателя, где j = 1 — калий, j = 2 — уран, j = 3 — торий. На практике в i-окно наряду с нерассеянными гамма-квантами от i-излучателя попадает также некоторое количество претерпевших рассеяние гамма-квантов от других элементов. Коэффициенты Cij находят путем поочередных измерений в трех эталонных средах, каждая из которых содержит значительное превышение массовой концентрации одного элемента. В результате получают кривые содержания калия в процентах, урана и тория в 10–4 % (пропромилле). Использование многоканальной аппаратуры с различными методами обработки данных СГК позволяет точнее оценивать содержание в породе радиоактивных элементов, однако это накладывает более жесткие условия на метрологическое обеспечение аппаратуры.
Рис. 7.18. Относительный вклад урана (1), тория (2) и калия (3)
в спектр гамма-излучения известняков
Задачи, решаемые СГК. С помощью СГК решают довольно много задач. К числу основных можно отнести следующие:
• проведение литологического расчленения разреза и детальной корреляции разрезов;
• оценка минералогической и гранулометрической глинистости (наиболее трудная задача при интерпретации). Можно, например, оценить глинистость полимиктовых отложений; идентифицировать коллекторы, сложенные моноцитовыми и глауконитовыми песчаниками, которые по данным ГК часто ошибочно относят к глинистым разностям; отделить глинистые карбонаты от карбонатов, радиоактивность которых обусловлена битуминозностью;
• определение минерального состава глин;
• определение пористости коллекторов в комплексе с ГГК, ННК, АК;
• выделение зон трещиноватости, в которых порой, как предполагают, происходит осаждение урана в результате циркуляции подземных вод.
Метод, заключающийся в облучении породы гамма-квантами с последующей регистрацией рассеянных гамма-квантов, достигших детектора, называют гамма-гамма-каротажем (ГГК). Различают плотностную (ГГК-П) и селективную (ГГК-С) модификации ГГК.
Зонд и физические основы ГГК-П. Обычно прибор ГГК-П состоит из стационарного источника гамма-квантов и двух детекторов излучения (рис. 7.19), т. е. является двухзондовой установкой. Длину малого зонда (расстояние между серединами излучателя и детектора) выбирают равной 15–25 см, большого зонда — 35–45 см. Точку записи относят к середине расстояния между детекторами. Наземный пульт регистрирует интенсивность излучения от малого (IγγМ) и большого (IγγБ) зондов. С целью защиты персонала источник выводится из защитного экрана только после погружения прибора на определенную глубину. Для излучения и регистрации гамма-квантов используют коллимационные (коллимация буквально означает «ограничение поля зрения») каналы, оси которых для увеличения количества регистрируемых частиц располагают под некоторым углом к оси прибора. Коллимационные каналы заполняют заглушками из легкого материала (полиэтилен), хорошо пропускающего гамма-кванты и препятствующие попаданию в зонд бурового раствора. Чтобы детекторы принимали рассеянные гамма-кванты только через коллимационные каналы, между излучателем и детекторами располагают экран, выполненный из тяжелого металла (свинец), а детекторы размещают также в толстом экране из тяжелого металла (вольфрам). Для избежания влияния бурового раствора на измерения, связанного с низкой плотностью промывочной жидкости, прибор специальным образом прижимают к стенке скважины. В результате излученные гамма-кванты рассеиваются в окружающем пространстве, как показано на рис. 7.19, и часть из них попадает в первый или второй детекторы излучения. Типичная диаграмма Iγγ гамма-гамма-каротажа, зарегистрированная одним из детекторов, приведена на рис. 7.16.
Рис. 7.19. Скважинный прибор ГГК с прижимным устройством:
1 — экран; 2 — прижимное устройство; 3 — коллимационные каналы; 4 — детекторы;
5 — источник гамма-квантов; 6 — траектория гамма-квантов
В ГГК-П используют источник гамма-квантов относительно больших энергий (максимум энергии 0,5–1,0 МэВ). Подавляющая часть гамма-квантов сначала претерпевает несколько актов упругого рассеяния (комптон-эффект), уменьшая свою энергию, и далее поглощается в результате фотоэффекта (см. 6.2). Часть непоглощенных гамма-квантов с энергиями 0,2–1,0 МэВ, для которых характерен комптон-эффект, попадает в детекторы, а гамма-кванты более низкой энергии поглощаются экранами. Макроскопическое сечение (упрощенно — вероятность) взаимодействия комптон-эффекта пропорционально электронной плотности элемента: σE = (2Z/A)σ, где Z — порядковый номер элемента; A — массовое число атома; σ — обычная плотность. Таким образом, становится возможным оценивать плотность пород. Для основных породообразующих элементов σE = σ. Однако для водорода σE = 2,0σ, а для воды σE = 1,11σ. В целом возникающая за счет этого погрешность невелика и поддается учету при интерпретации.
В однородной среде по мере удаления от источника (r) плотность непоглощенных гамма-квантов (Ф) уменьшается примерно по закону: Ф ~ τγexp(–r/Lγ)/(Lγ2r), где τγ и Lγ — соответственно среднее время жизни и среднеквадратичное расстояние (с точностью до постоянного множителя), пролетаемое гамма-квантом до его поглощения. Величины Lγ и τγ обратно пропорциональны «вероятности» комптон-эффекта, следовательно, Lγ ~ 1/σ и τγ ~ 1/σ. На небольших расстояниях от источника значение Ф слабо зависит от экспоненциального сомножителя и определяется в основном сомножителем 1/(Lγ2r). В результате с ростом плотности показания Iγγ увеличиваются. По мере роста плотности роль экспоненциального сомножителя возрастает, и значения Iγγ, достигнув максимума (точка инверсии), начинают снижаться. Зонд небольшой длины, для которого с ростом плотности показания Iγγ растут, называют доинверсионным, а зонд сравнительно большой длины, для которого Iγγ уменьшаются — заинверсионным. Так как с увеличением длины зонда растет радиус исследования, то применяют заинверсионные зонды. Несмотря на это, глубина исследования ГГК-П составляет 10–15 см, поэтому на результаты измерений существенно влияет промежуточный слой (ПЖ, воздух, глинистая корка). Большое влияние оказывает и обсадная колонна. По этой причине в обсаженных скважинах данный метод не применяют.
Отличающиеся показания малого и большого зондов позволяют исключить влияние промежуточного слоя. Для этого прибор калибруют с помощью комплекта различных метрологических образцов плотности.
Задачи, решаемые ГГК-П. Метод ГГК-П позволяет оценить плотность пород и по этой величине провести литологическое расчленение разреза. Так, выделяют руды с большой плотностью (хромитовые, марганцевые, железные и др.), каменные угли, имеющие малую плотность, в терригенном и карбонатном разрезах — нефтегазовые коллекторы, отличающиеся пониженной плотностью. Можно оценить коэффициент пористости (kП) при известных значениях плотности минерального скелета (σСК) и плотности жидкости (σЖ) из очевидной формулы: σ=σСК(1 – kП) + kПσЖ.
С помощью ГГК-П также оценивают качество крепления скважин. Для этого прибор центрируют в скважине и по окружности его корпуса располагают несколько детекторов излучения. Такой подход, в принципе, при соответствующей длине зонда и мощности источника позволяет построить развертку плотности цементного камня; установить местоположение дефектов (раковин и каналов) в цементном камне; определить эксцентриситет колонны в скважине (смещение оси колонны относительно оси скважины, связанное как с искривлением ствола скважины, так и изгиба колонны) и т. д.
Зонд и физические основы ГГК-С. Селективный гамма-гамма-каротаж (ГГК-С) предназначен для изучения вещественного состава пород и руд, их литологии.
Энергия гамма-квантов, регистрируемых при ГГК-С, лежит в области преобладания фотоэффекта (см. 6.2). В этой области среднеквадратичное расстояние (Lγ), пролетаемое гамма-квантом до его поглощения, зависит главным образом от атомных номеров (Z) элементов, слагающих породу, а не от плотности породы. Атомный же номер характеризует литологию пород, поэтому метод ГГК-С часто называют литологическим каротажем. Чтобы обеспечить работу в режиме фотоэффекта, в ГГК-С применяют источники сравнительно мягкого излучения 75Se или 170Tm. Их энергии лежат в диапазоне от десятков до сотен КэВ.
Зонды ГГК-С и ГГК-П конструктивно подобны. Применяя при ГГК-С двухзондовые приборы (доинверсионный и заинверсионный зонды), путем обработки исключают влияние плотности, т. е. делают результаты зависящими только от литологии. Выигрыш в чувствительности ГГК-С к литологии пород тем больше, чем выше атомные номера элементов. Так, при невысоком содержании ртути плотность и соответственно показания ГГК-П меняются незначительно, в то время как на диаграммах ГГК-С возникают четкие аномалии. На том же принципе основана оценка содержания кальция в нефтегазовых коллекторах (ZCa = 20, ZAl = 13, ZSi = 14), а также изучение строения угольных пластов и определение зольности углей и горючих сланцев.
Существенный недостаток метода — трудность разделения различных элементов. Поэтому по ГГК-С в основном оценивают эффективный атомный номер породы — ZЭФ (валовое содержание элементов) (см. 6.5.2).
Существует микромодификация ГГК-С, позволяющая выделять прослои мощностью 3 см и выше. Высокой эффективностью обладает аппаратура, в которой реализуются обе модификации ГГК — селективная и плотностная. Разделение гамма-квантов низкой и высокой энергии осуществляют спектрометрическим путем.
Задачи, решаемые ГГК-С. Метод ГГК-С используют при поисках и разведке месторождений свинца, ртути, сурьмы, железа, каменных углей и горючих сланцев. На нефтегазовых месторождениях его применяют с целью оценки степени кальцитизации отложений.
7.3.4. Рентгенорадиометрический каротаж
Метод ГИС, основанный на возбуждении и регистрации характеристического рентгеновского излучения элементов, входящих в состав горных пород, называют рентгенорадиометрическим каротажем (РРК).
При РРК горные породы облучают гамма-квантами сравнительно низких энергий, для которых велика вероятность фотоэффекта. Возникающее при их поглощении характеристическое рентгеновское излучение (см. 6.1.2) регистрируют с помощью спектрометрической аппаратуры. Максимумы на диаграммах, соответствующие содержанию отдельных элементов, используют для идентификации этих элементов и оценки их содержания. Чем выше атомный номер облучаемого элемента, тем выше вероятность поглощения гамма-квантов, поэтому с помощью РРК в первую очередь выделяют и оценивают содержание минералов, содержащих тяжелые элементы.
Рентгеновское излучение относится к мягкой части спектра и интенсивно поглощается горными породами, глубинность метода составляет несколько миллиметров.
Метод РРК находит применение на различных стадиях горно-геологического процесса. Его основное достоинство — возможность аналитических определений многих рудных элементов непосредственно в скважине. Достижимые пределы обнаружения достаточны для оконтуривания рудных зон, опробования и определения подсчетных параметров на этапах разведки и эксплуатации месторождений свинца, ртути, вольфрама, висмута, золота и других тяжелых элементов. На нефтегазовых месторождениях РРК практически не применяют.
Метод, основанный на облучении горных пород стационарным потоком быстрых нейтронов и регистрации интенсивности вторичного излучения надтепловых, тепловых нейтронов (Inn) или гамма-квантов (In
) радиационного захвата (ГИРЗ), называют нейтронным каротажем (НК). Существует также спектрометрическая модификация НК, основанная на изучении спектра ГИРЗ.
Зонды НК. В принципе все скважинные приборы НК устроены аналогично (рис. 7.20). Внизу прибора располагается хвостовик 1 с ампульным источником быстрых нейтронов 2. Хвостовик имеет экран-замедлитель нейтронов из водородсодержащего вещества 3 (парафин и т. п.) и экран-поглотитель гамма-квантов 4 (свинец). Эти экраны исключают прямое облучение источником одного детектора излучения нейтронов или гамма-квантов 5. При перевозке и хранении хвостовик с источником помещают в защитный контейнер, изготовленный из водородсодержащего вещества в смеси в нейтронопоглощающими веществами (борная кислота и др.). С целью уменьшения облучения персонала присоединение хвостовика с источником к остальной части прибора на скважине проводится специальным образом. Прибор также содержит детектор гамма-квантов естественного происхождения 6 (ГК), который располагают так, чтобы на него не влияло гамма-излучение ГИРЗ, и электронную схему 7. За длину зонда принимают расстояние между серединами источника и детектора, за точку записи — середину этого расстояния. Получили распространение многозондовые приборы (обычно двухзондовые), позволяющие снизить влияние скважины на результаты измерения.
Рис. 7.20. Схема прибора НК (пояснения в тексте)
Физические основы НК. Источник испускает быстрые нейтроны (>100 кэВ) с энергиями, распределенными в основном между 3,0 и 5,0 МэВ. В однородной среде для таких нейтронов в начале наиболее вероятно неупругое рассеяние (см. 6.2.2). Ядро атома оказывается в возбужденном состоянии, которое снимается за время порядка 10–14 с, испуская каскад гамма-квантов (гамма-излучение неупругого рассеяния — ГИНР). После нескольких актов рассеяния энергия нейтрона снижается. Средняя скорость нейтрона и вероятность неупругого рассеяния резко падают, и наиболее вероятной реакцией становится реакция упругого рассеяния. Благодаря этому нейтрон продолжает терять энергию до приобретения им тепловой энергии, т. е. соизмеримой с энергией теплового движения атомов и молекул (0,025 эВ при t = 20 °C). Поэтому нейтроны с энергией <0,5 эВ называют тепловыми, с энергией примерно 0,3–10 эВ — надтепловыми. Приобретение нейтроном тепловой энергии с момента вылета из источника называют процессом замедления. Вероятность упругого рассеяния наибольшая для водорода, в 5–10 больше, чем у других элементов. Таким образом, водород является аномальным замедлителем нейтронов. Тепловые нейтроны участвуют в тепловом движении атомов и молекул, сталкиваясь с ними, в среднем не теряя энергии (процесс диффузии). В результате нейтроны поглощаются ядром. Процесс поглощения обычно вызывает последующее испускание нескольких гамма-квантов, называемое гамма-излучением радиационного захвата (ГИРЗ). Одной из наибольших вероятностей ГИРЗ обладает хлор, в больших количествах содержащийся в пластовых водах нефтегазовых месторождений.
Нейтронный каротаж с регистрацией надтепловых нейтронов (ННК-НТ). Для зонда ННК-НТ количество нейтронов, достигших детектора, определяется способностью среды воздействовать на процесс замедления нейтронов. Так как среди основных породообразующих элементов водород является аномальным замедлителем, то показания зонда практически однозначно связаны с концентрацией водорода, присутствующего обычно в пластовых водах, нефтях и газах. Влияние химического состава скелета горной породы, не содержащей кристаллизационной воды, как правило, составляет 5–6 % от результатов измерений. Как и для ГГК-П, существуют заинверсионные и доинверсионные зонды ННК-НТ. Для доинверсионных зондов показания Inn растут, а для заинверсионных — уменьшаются с ростом содержания водорода в породе. На практике применяют заинверсионные зонды длиной около 40 см, так как они более чувствительны к содержанию водорода в породе и имеют больший радиус зоны исследования. Зонды большей длины не применяются в связи с уменьшением показаний Inn. Для увеличения показаний можно использовать источники большей интенсивности, однако это существенно повышает опасность работ. Типичная диаграмма Inn приведена на рис. 7.16. Из-за незначительной чувствительности детекторов ННК-НТ в настоящее время данный метод применяют нечасто.
Нейтронный каротаж с регистрацией тепловых нейтронов (ННК-Т). Показания ННК-Т в отличие от ННК-НТ зависят не только от процесса замедления нейтронов, но и от процесса диффузии тепловых нейтронов. В результате тепловые нейтроны распространяются на несколько большее расстояние, чем надтепловые. Среднеквадратичная длина пробега тепловых нейтронов, т. е. до его поглощения, определяется замедляющими и в меньшей степени поглощающими свойствами среды. Таким образом, показания ННК-Т, как и для ННК-НТ, определяются в основном содержанием водорода в породе. В методе ННК-Т применяют заинверсионные зонды длиной 40–50 см. При наличии поглотителей и равном содержании водорода в породе количество тепловых нейтронов уменьшается, и показания ННК-Т становятся меньше показаний ННК-НТ. Аномальными поглотителями тепловых нейтронов являются хлор, бор, кадмий, литий, марганец, редкоземельные металлы и т. д. Влияние поглощающих свойств в терригенных и карбонатных породах обычно составляет 20–30 % регистрируемой величины. Минерализация бурового раствора также уменьшает показания ННК-Т. Преимущество ННК-НТ при определении содержания водорода в породе состоит в отсутствии влияния поглощающих свойств и минерализации бурового раствора. Типичная диаграмма Inn приведена на рис. 7.16.
Нейтронный каротаж с регистрацией гамма-квантов (НГК). Показания НГК зависят от количества гамма-квантов, образовавшихся в результате захвата нейтронов атомами и достигающих детектора. Это количество пропорционально числу поглощенных нейтронов и, соответственно, числу гамма-квантов, возникших при захвате одного нейтрона. Так, в осадочных горных породах хлор отдает при захвате одного теплового нейтрона в среднем 2,3 гамма-кванта с высокой энергией. В среднем гамма-кванты удаляются на несколько большее расстояние, чем тепловые нейтроны. Среднеквадратичная длина пробега гамма-квантов, также как и тепловых нейтронов, определяется замедляющими и в меньшей степени поглощающими свойствами среды. Поэтому аналогично рассмотренным выше методам НК показания НГК определяются в основном содержанием водорода в породе. При НГК тоже используют заинверсионные зонды длиной 50–70 см. С увеличением в породе элементов, аномально поглощающих тепловые нейтроны, показания НГК очевидно растут. Содержание хлора в буровом растворе также приводит к росту НГК показаний. Типичная диаграмма Inγ приведена на рис. 7.16.
Задачи, решаемые НК. Стационарные методы НК являются одними из основных методов ГИС. С помощью НК осуществляют литологическое расчленение разреза по содержанию водорода и в меньшей степени — по концентрации поглотителей.
Существенная зависимость показаний НК от содержания водорода в породе обусловила решение задачи — определение коэффициента пористости пород (kП). Количество водорода в нефти и воде примерно одинаково. Поэтому нефтенасыщенные породы (скелет которых не содержит кристаллизационной воды) при равной пористости характеризуются одинаковыми показаниями. Для снижения влияния условий измерений во многих случаях используют двойной разностный параметр: ∆I = (I∞ – I2)/(I1 – I2), где I∞ — исправленные за скважинные условия показания НК; I1 и I2 — соответственно показания в опорных пластах. В качестве опорных пластов выбирают пласт, практически не содержащий водорода (плотный пласт), и пласт с большой каверной, максимально насыщенной водородом. С помощью параметра ∆I оценивают kП по зависимости вида ln(kП) = f(∆I). Данную зависимость для конкретного типа аппаратуры определяют путем натурного моделирования.
С помощью НК определяют положение водонефтяного (ВНК) и газожидкостного (ГЖК) контактов. Определение ВНК основано на том, что при переходе от водонасыщенной породы к нефтенасыщенной наблюдается уменьшение минерализации пластовой жидкости, т. е. содержания хлора, и показания ННК-Т растут, а НГК — падают. На практике этот эффект ощутим при условии kП > 15 % и высокой минерализации пластовых вод C > 100 г/л. Радиус исследования по содержанию хлора для ННК-Т не превышает 20 см, а НГК — 30 см. Поэтому положение ВНК обычно удается определить после обсадки скважины и расформирования зоны проникновения, в процессе чего минерализованная пластовая вода замещает относительно пресную промывочную жидкость на глинистой основе. Такую методику называют временнОй. Определение ГЖК основано на том, что газ содержит значительно меньше водорода. Из-за зоны проникновения эту задачу также удается решить, как правило, в обсаженной скважине. Изучение ВНК и ГЖК повсеместно используется на стадии разработки месторождений.
Метод НК применяют для выделения бурых углей, содержащих много водорода.
Спектрометрическая модификация НК (СНГК). Данный метод основан на изучении энергетического спектра гамма-излучения радиационного захвата. Спектр ГИРЗ характерен для различных элементов. Это используется для их обнаружения и оценки содержания. При СНГК регистрируют гамма-кванты первичных энергий, т. е. не претерпевших рассеяния. Пробег таких квантов небольшой, и радиус исследования СНГК не превышает 20 см. Поэтому в СНГК определяют наличие и оценивают содержание элементов, для которых спектр ГИРЗ имеет достаточно большую энергию. К таким элементам относятся железо, никель, хром, титан, хлор, марганец, медь, сера, ртуть и др.
7.3.6. Импульсный нейтронный каротаж
В импульсном нейтроном каротаже (ИНК) породу облучают нестационарным потоком быстрых нейтронов с помощью импульсных излучателей. Различают интегральную и спектрометрическую аппаратуру. Интегральной аппаратурой регистрируют процесс спада плотности тепловых нейтронов (ИННК) или гамма-излучение радиационного захвата (ИНГК), спектрометрической аппаратурой регистрируют спектры ГИНР и ГИРЗ (СИНГК). Аппаратура ИНК сложнее, чем НК.
Зонды ИННК и ИНГК. Источник прибора испускает быстрые нейтроны (импульсы) в течение коротких интервалов времени (∆tИ = 100–200 мкс) с частотой 10–1000 Гц, т. е. через каждые 103–105 мкс. Наземная аппаратура содержит многоканальный временной анализатор, который при нескольких временнЫх задержках tЗ (сотни — две-три тысячи мкс) на протяжении времени ∆t (временнОе окно) регистрирует интенсивность тепловых нейтронов (Inn) или гамма-квантов (Inγ). Для уменьшения статистической погрешности определенных интенсивностей их усредняют по большому числу импульсов. Длина зонда составляет 30–40 см. Точка записи соответствует середине детектора. Скорость каротажа не должна быть большой. Типичная диаграмма Inn, зарегистрированная для одной временнОй задержки (tЗ), приведена выше, на рис. 7.16.
Задачи, решаемые ИННК и ИНГК. Основное применение ИННК и ИНГК нашли для нефтегазовых скважин при выделении нефтеносных и газоносных пластов. Преимущества ИНК перед НК состоят в большей чувствительности к элементам, хорошо поглощающим тепловые нейтроны, и в меньшей зависимости показаний от влияния скважины. Это позволяет, например, в обсаженных скважинах определять ВНК при малой минерализации пластовых вод (от 20–30 г/л). На практике оба метода дают примерно одинаковые результаты. Однако показания ИННК несколько больше зависят от влияния скважины, а показания ИНГК — от естественного гамма-излучения.
Метод СИНГК. В зондах СИНГК используют высокочастотный источник быстрых нейтронов (>109 нейтронов/с) с частотой запуска импульсов 10–20 кГц, т. е. каждые 50–100 мкс. Анализ спектров ГИНР и ГИРЗ, проводимый при СИНГК, позволяет определять содержание в породе углерода, кислорода, водорода, кремния, кальция, железа, хлора, серы и др., а также оценивать пористость, литологический состав и нефтенасыщенность пород. Независимость результатов оценки нефтенасыщенности пород от степени минерализации пластовых вод — важное преимущество метода. Модификация СИНГК, основанная на изучении в соответствующих энергетических окнах отношения интенсивностей ГИНР углерода к кислороду и предназначенная для определения нефтенасыщенности пород, называется C/O (углеродно-кислородным) каротажем. Метод применяют в основном в обсаженных скважинах. Аналогично по отношению кальция к кремнию в спектре ГИНР проводят литологическое расчленение геологического разреза, а по отношению водорода к хлору в спектре ГИРЗ — определение ВНК и ГЖК контактов.
7.3.7. Ядерно-магнитный каротаж
Ядерно-магнитный каротаж (ЯМК) основан на изучении ядерно-магнитных свойств водорода флюидов, заполняющих поры пород. Порода предполагается немагнитной, как и в индукционном каротаже.
Физические основы и зонд ЯМК. Как известно, ядра атомов имеют собственный момент количества движения (J) (момент импульса, или спин, от англ. spin — «вращаться, вертеться») и магнитный момент (µ). Векторы J и µ лежат на одной прямой и пропорциональны по величине. Механических аналогов этих понятий не существует. Однако обычно спин ядра условно представляют как момент импульса вращающегося волчка (вокруг своей оси, на которой лежит вектор J). Наличие магнитного момента объясняют тем, что нейтроны и протоны в ядре движутся по своим орбитам и в то же время имеют магнитный момент, подобно электрону, вращающемуся около ядра. При отсутствии внешнего магнитного поля моменты ядер хаотично распределены по всем направлениям и их суммарный момент равен нулю. Если ядро атома поместить в постоянное магнитное поле Земли, характеризуемое вектором T, то вследствие пропорциональности магнитного момента количеству движения ядро начнет прецессировать вокруг T подобно волчку, который прецессирует под действием силы тяжести (рис. 7.21 а). Прецессия вокруг вектора T происходит с угловой скоростью (ω). Величину f = ω/(2π) называют резонансной частотой прецессии. Частота прецессии зависит от магнитного момента атома и величины внешнего магнитного поля. Для ядра водорода (протона) резонансная частота (f) в поле Земли составляет около 2,1 кГц, для остальных ядер значение f во много раз ниже.
Рис. 7.21. Прецессия магнитного момента µ ядра атома
в магнитном поле Земли (T) (а) и внешнем поле (HП) (б).
MЗ — ядерная намагниченность в поле Земли, М — во внешнем поле
В веществе состояние ядер из-за теплового движения молекул постоянно нарушается, и их моменты вновь стараются принять направление внешнего поля. При неизменных условиях со временем вещество приобретает постоянную небольшую результирующую добавочную ядерную намагниченность, характеризуемую вектором MЗ (см. рис. 7.21 а). Направление вектора совпадает с направлением поля T. Так как частота f для ядра водорода во много раз больше, чем остальных ядер, то величина вектора ядерной намагниченности MЗ зависит в основном от содержания водорода в веществе.
На практике в силу отношения «сигнал–помеха» оценить величину вектора MЗ не представляется возможным из-за слабости поля Земли, поэтому используют следующий подход. Создают постоянное, сильное магнитное поле (поле поляризации), характеризуемое вектором HП, перпендикулярным к полю Земли T (рис. 7.21 б). В суммарном поле (HСУМ — сумма векторов HП и T) магнитный момент ядер атомов станет стремиться прецессировать в направлении HСУМ. Из-за теплового движения молекул новое тепловое равновесие установится постепенно и среда приобретет ядерную намагниченность (M), совпадающую с направлением HСУМ. В общем такой процесс перехода из одного состояния в другое называют релаксацией (от лат. relaxatio — «ослабление, уменьшение»), в частности, продольной релаксацией (вдоль поля HП).
Если быстро снять поле поляризации, то атомы начнут возвращаться в исходное состояние, определяемое магнитным полем Земли, создавая свое, затухающее во времени электромагнитное поле, — поперечная релаксация (поперек поля HП). Если поместить в среду катушку, в ней в процессе поперечной релаксации появится ЭДС, изменяющаяся по закону: E(t) = E0⋅sin(2πft) ⋅ exp(–t/tP), где E0 — начальная амплитуда, пропорциональная величине вектора HСУМ; f ≈ 2,1 кГц — частота прецессии для атома водорода (вносит наибольший вклад в сигнал); tP — время поперечной релаксации, в течение которого значение E0 уменьшается в e (≈2,7) раз. Значения tP > 20 мс характерны для водорода, который содержит свободный, т. е. способный перемещаться в поровом пространстве под действием давления, флюид. Этот объем порового пространства называется эффективной пористостью и характеризуется коэффициентом kП,ЭФ, всегда меньшем kП. Значения tP также зависят от среднего размера пор и характера теплового движения молекул. Так, чем больше размер пор, тем больше время релаксации, и наоборот. Водород в составе химически связанной и капиллярно-удержанной пластовой воды, а также очень вязкой нефти, твердых углеводородов (битум, асфальтены) имеет небольшие значения tP. Такой водород не будет давать вклад в регистрируемый сигнал, если начать измерения через время tМ = 25–30 мс, называемое мертвым временем.
Сущность метода ЯМК. Зонд ЯМК состоит из катушки и коммутатора, попеременно подключающего ее к источнику постоянного тока силой 2–3 А. Ось катушки перпендикулярна оси скважины. При подключении катушка создает в окружающем пространстве поляризующее постоянное магнитное поле в направлении, перпендикулярном оси скважины, т. е. в случае вертикальной скважины практически перпендикулярном вектору магнитного поля Земли (T). В этой связи метод ЯМК затруднительно применять в наклонных и горизонтальных скважинах. Величина поляризующего поля примерно в 100 раз больше поля Земли. Ток пропускают, пока не закончится продольная релаксация (не более 2–3 с). После выключения поляризующего поля, спустя мертвое время (tМ), в катушке регистрируют наведенную ЭДС. Огибающая ЭДС, в силу сказанного выше, изменяется по закону: |E(t)| = E0 exp(–t/tр). Значение E0 — основная величина, определяемая при ЯМК. Для ее расчета достаточно измерить значения |E(t)| через два различных временнЫх интервала. На практике ее определяют для большего числа интервалов (обычно для трех) и далее путем экстраполяции восстанавливают амплитуду E0.
Величину E0, определяемую таким образом, приводят к условным единицам, называемым индексом свободного флюида (ИСФ), для чего эталонируют зонд. Сто единиц ИСФ отвечают воде. Показания метода в единицах ИСФ после внесения поправок (за влияние скважины, глинистой корки, пространственной ориентации зонда и т. д.) соответствуют процентному содержанию числа ядер водорода, содержащихся в свободном флюиде.
Метод ЯМК не применим при наличии в породе незначительных примесей магнитных минералов и в скважинах, обсаженных металлической колонной, так как измеряемая ЭДС практически становится нулевой. Время продольной релаксации ограничивает скорость каротажа до 200 м/ч. Глубина исследования метода составляет около 20 см.
Кривые ЯМК, представляющие собой измеренные значения |E(t)| для трех временнЫх интервалов, симметричны относительно середины однородных пластов. Максимумы совпадают с серединой водородсодержащего пласта, границы мощных пластов отбиваются по середине аномалии.
Решаемые задачи. Так как содержание водорода в воде и нефти примерно одинаково, то в нефтенасыщенных коллекторах ИСФ соответствует эффективной пористости: kП,ЭФ = kП(1 – kВО), где kВО — коэффициент остаточной водонасыщенности. Неколлекторы на диаграммах выделяются значением ИСФ = 0 (например, чистые глины, в которых вся вода находится в связанном состоянии). В газе удельное содержание водорода меньше, чем в воде или нефти. Поэтому при неизменной эффективной пористости ИСФ может свидетельствовать о газонасыщенности пласта. Знание kП,ЭФ используется для определения эффективной мощности продуктивных коллекторов, что необходимо при детальных подсчетах запасов нефти.