Геофизические исследования скважин

ИССЛЕДОВАНИЯ СКВАЖИН И ПЛАСТОВ ЛЕКЦИЯ 1 Геофизические исследования скважин область прикладной геофизики, в которой современные физические методы исследования горных пород используются для геологического изучения разрезов, пройденных скважинами, выявления и оценки запасов полезных ископаемых, получения информации о ходе разработки месторождений и о техническом состоянии скважин. Геофизические исследования в скважинах, бурящихся на нефть и газ называют промысловой геофизикой. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ГИС Впервые исследования скважин были проведены в 19061913 гг. Голубятниковым Д.В. методом термометрии. Позднее братья Шлюмберже ввели методы сопротивлений в 1926-1928 гг. во Франции, позднее и в СССР. 1931 г. – инклинометрия; 1933 г. – газовый каротаж; 1934 г. – гамма-каротаж; 1935 г. – механический каротаж, НК, кавернометрия; 1948 г. – АК, ИК, ДК. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ГИС В ГИС выделяют три больших раздела: каротаж, операции в скважинах и скважинную геофизику. Каротаж - это геофизические методы изучения геологического строения разрезов скважин. Это означает, что в каротаже исследуются очень небольшие объемы горных пород, прилегающие к стенкам самой скважины. Отличительная особенность каротажа - исключительно высокая детальность и точность исследований. Методы каротажа подразделяются по природе изучаемых в них физических полей на методы электрического каротажа, радиоактивного каротажа и прочие методы. Методы электрического каротажа: Группа методов кажущегося сопротивления (КС):  метод КС - наиболее распространенный из методов электрического каротажа;  резистивиметрия - метод определения удельного сопротивления жидкости, заполняющей скважину;  метод БКЗ (боковых каротажных зондирований) – один из основных методов изучения коллекторов;  микрокаротаж МК (МЗ) - вариант метода КС с зондовыми установками очень малого размера, прижимаемыми к стенке скважины. Очень эффективный метод выделения коллекторов в разрезе скважины;  БК - боковой каротаж, использующий, в отличие от обычного метода КС, зондовые установки с фокусировкой тока;  МБК - микробоковой каротаж - вариант микрокаротажа с фокусировкой тока. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ГИС Группа электромагнитных методов, позволяющих охватить электрическими исследованиями сухие скважины и скважины, заполненные раствором на нефтяной основе, в которых невозможен электрический каротаж с гальваническим возбуждением поля (КС, БК и пр.); она включает в себя:  ИК - индукционный каротаж, использующий электромагнитные поля сравнительно низких частот (до 200 кГц);  высокочастотные методы индукционного каротажа: волновой метод проводимости ВМП, использующий электромагнитные поля частотой 1-5 МГц и волновой диэлектрический каротаж ВДК, использующий частоты до 60 МГц; результаты этих методов зависят не только от электропроводности горных пород, но и от их диэлектрической проницаемости;  ВИКИЗ - высокочастотное индукционное каротажное изопараметрическое зондирование аналог БКЗ в индукционном исполнении. Группа методов электрохимической активности:  метод потенциалов самопроизвольной поляризации ПС - скважинный вариант метода естественного поля в электроразведке; Метод ПС вскоре после своего появления стал применяться в комплексе с методом КС при одновременной записи диаграмм обоих методов. Этот комплекс (КС+ПС) получил название стандартного электрического каротажа. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ГИС Методы радиоактивного каротажа (РК) При обозначении радиоактивных или ядерно-геофизических исследований принята система буквенных обозначений, в которой первая буква означает вид излучения, которым воздействуют на объект (Г - гамма-излучение; Н - нейтронное); вторая буква означает вид измеряемого излучения; третья - область применения (К - каротаж, скважина; М - метод вообще); четвертая буква, которая ставится в конце обозначения метода или перед ним, несет дополнительную информацию. Группа гамма-методов:  ГК - гамма-каротаж, самый простой из методов РК, заключающийся в регистрации естественного гамма-излучения горных пород;  ГГК - гамма-гамма-каротаж, имеющий две основные разновидности, выделяющиеся по решаемым задачам: плотностной (ГГК-П) и селективный (ГГК-С). Методы стационарного нейтронного каротажа. Эти методы используют для облучения горных пород источники, дающие постоянный во времени поток нейтронов.  НГК - нейтронный гамма-каротаж - один из основных методов исследования нефтяных скважин;  ННК-Т - нейтрон-нейтронный каротаж по тепловым нейтронам;  ННК-НТ - нейтрон-нейтронный каротаж по надтепловым нейтронам;  МНК - многозондовый нейтронный каротаж. Методы импульсного нейтронного каротажа, использующие для облучения горных пород импульсный генератор нейтронов:  ИННК-Т, ИННК-НТ;  ИНГК-С (спектрометрический); вариант последнего - углеродно-кислородный каротаж.  НАК - нейтронно-активационный каротаж, заключающийся в измерении гамма-активности искусственных радионуклидов. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ГИС Прочие методы каротажа В этом разделе объединяются методы, использующие различные физические поля, но не столь дифференцированные, как методы электрического или радиоактивного каротажа:  АК - акустический каротаж - измерение скорости распространения и затухания упругих волн в стенках скважины;  ЯМК - ядерно-магнитный каротаж, который по своей физической сущности занимает промежуточное положение между электромагнитными и ядерно-физическими методами;  механический каротаж (или каротаж по продолжительности проходки) - измерение продолжительности проходки каждого погонного метра ствола скважины непосредственно в процессе бурения. Операции в скважинах В него включаются методы изучения технического состояния ствола скважины и некоторые операции, выполняемые внутри него. В этом разделе выполняются следующие методы и операции:  кавернометрия - измерение среднего диаметра буровой скважины;  инклинометрия - измерение углов искривления скважины;  расходометрия - измерение дебита флюида;  цементометрия - изучение качества цементирования скважины;  дефектометрия - изучение состояния стальных обсадных колонн (ОК) в скважинах;  отбор проб пластовых флюидов;  прострелочно-взрывные работы (ПВР). АППАРАТУРА ГИС Наземная – каротажная лаборатория, лебедка, подъемник; Скважинная – скважинный снаряд (зонд). РП ПУ-приемное устройство РП-регистрирующий прибор Г ПУ Г-генератор Каротажный кабель Скважинный снаряд СКВАЖИННЫЕ ПРИБОРЫ СКВАЖИННЫЕ ПРИБОРЫ Верхний (кабельный) наконечник должен обеспечивать герметичное подсоединение электрической схемы СП к каротажному кабелю. Кроме того, он должен нести на себе механическую нагрузку, равную весу прибора и груза к нему. Конструкции кабельных наконечников с электровводом унифицированы для всех видов СП. Герметичный охранный корпус должен предохранять всю внутреннюю "начинку" СП от попадания влаги, нарушений электрической изоляции и смятия под действием ударов или гидростатического давления. Кроме того, в некоторых случаях он должен удовлетворять еще и дополнительным требованиям: например, быть немагнитным (для скважинных инклинометров, приборов индукционного каротажа), пропускать мягкое рентгеновское излучение (для приборов РРК) или, наоборот, задерживать мягкое рассеянное гаммаизлучение (для приборов НТК) и т. п. Корпус, как правило, имеет цилиндрическую форму. Приказом бывшего Министерства геологии нашей страны был утвержден нормальный ряд диаметров СП: 25; 30; 36; 40; 48; 60; 70; 90 и 100 мм. Нижний наконечник должен облегчать прохождение СП в скважину и обеспечивать механическое соединение СП с грузом и дополнительными устройствами, такими как источники нейтронов, гаммаквантов и т. п. СКВАЖИНА КАК ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ Разрез необсаженной скважины (открытый ствол) Скважина - горная выработка большой глубины и очень малого диаметра. Сечение скважины – окружность, реже эллипс. Диаметр зависит от горных пород, слагающих скважину. dc - диаметр скважины dк - диаметр каверны dзп - диаметр зоны проникновения dпп - диаметр промытой зоны hгк - толщина глинистой корки КАВЕРНОМЕТРИЯ Приборы для измерения среднего диаметра скважины называются каверномерами. Они бывают различными по конструкции: рычажными, фонарными, управляемыми и неуправляемыми. В любом случае в них имеется какой-то следящий механизм, скользящий по стенке скважины. К корпусу этого скважинного прибора крепятся на шарнирах 3 подпружиненных рычага, образующих следящий механизм. Нижние концы рычагов скользят по стенке скважин. Один из рычагов управляет ползунком переменного сопротивления, два других служат для центрирования каверномера по оси скважины (поэтому измеряемый параметр и характеризует средний диаметр скважины). Измеряя диаметр скважины на разной глубине, каверномер позволяет составить кривую изменения диаметра скважины от забоя до устья. Управляемое рычажное устройство, ставшее компонентом последних моделей позволяет с поверхности многократно раскрывать и складывать прибор. Каверномер фонарного типа ИНКЛИНОМЕТРИЯ Инклинометрия - это измерение углов искривления скважины. Положение скважины в пространстве определяется ее глубиной и двумя угловыми параметрами - зенитным и азимутальным углами. Зенитный угол - это угол между осью скважины и вертикалью. Азимутальный угол - это угол между направлением на север и горизонтальной проекцией скважины. Иногда прибегают к такому термину как угол наклона скважины - это угол, дополняющий зенитный до 90°. Приборы для измерения искривления скважин называются инклинометрами. Наибольшее распространение получили гироскопические инклинометры. Гироинклинометр может применяться при геофизических исследованиях скважин любого типа: вертикальных, наклонных, наклонно-горизонтальных, горизонтальных, обсаженных и необсаженных, а также для определения пространственного положения трубопроводов, проложенных в труднодоступных местах (по дну рек, под водохранилищами). Гироскопический инклинометр УГИ-42 (разработан ОАО "Электромеханика", г. Санкт-Петербург) Гироскопический инклинометр Reflex Gyro, произведенный австралийской компанией REFLEX ИНКЛИНОГРАММЫ СКВАЖИН План ствола скважины 3D проекция ствола скважины Электрические методы каротажа Каротаж сопротивлений (КС) Метод кажущихся сопротивлений КС аналогичен электропрофилированию в полевой электроразведке. В скважине производят измерения с четырехэлектродной установкой AMNB, один из электродов которой (В или N) заземляют на поверхности у устья скважины и его действием пренебрегают. Оставшиеся 3 электрода перемещают по скважине с сохранением неизменного расстояния между ними и называют зондовой установкой или просто зондом КС. Несмотря на то, что зонды КС состоят всего из 3-х электродов, различные комбинации этих электродов образуют зонды разного типа. Зонды КС принято обозначать сверху вниз, указывая между буквенными обозначениями электродов расстояние между ними в метрах. Такое обозначение называют символом зонда. Например, N0,1М0,95А. Электрические методы каротажа Каротаж сопротивлений (КС) Средние и повышенные показания электрического сопротивления (Ом∙м) характерны для песчаников и песчано-алевролитовых пород Низкие показания электрического сопротивления (Ом∙м) характерны для глин, аргиллитов и глинистых сланцев Самые высокие показания электрического сопротивления (Ом∙м) наблюдаются на плотных породах, таких как известняк, уплотненный песчаник. Несмотря на низкую плотность угля, он также характеризуется повышенными значениями электрического сопротивления. Электрические методы каротажа Боковой каротаж (БК) Метод бокового каротажа (БК) направлен на устранение основного недостатка классического метода КС, заключающегося во влиянии скважины, точнее, заполняющего ее бурового раствора и вмещающих пород на измеренное сопротивление. Принцип действия зондов БК основан на том, что в зонде, помимо основного питающего электрода А0, имеются дополнительные фокусирующие (или экранные) электроды А1 и А2. трехэлектродный зонд БК семиэлектродный зонд БК Электрические потенциалы основного и фокусирующих электродов поддерживаются очень близкими между собой, что заставляет ток, стекающий с основного электрода, направляться перпендикулярно оси скважины, в ее стенки. В результате сопротивление бурового раствора, вмещающих пород и ограниченная мощность пластов оказывают меньшее влияние на измеряемую величину, которая в БК носит название эффективного сопротивления. Электрические методы каротажа Боковой каротаж (БК) уровень истинного сопротивления пласта (100 Ом∙м) уровень сопротивления пласта, регистрируемый зондом БК (90 Ом∙м) уровень сопротивления пласта, регистрируемый потенциал зондом КС малой длины (10 Ом∙м) уровень сопротивления пласта, регистрируемый градиент зондом КС большой длины (17-19 Ом∙м) Электрические методы каротажа Боковое каротажное зондирование (БКЗ) Боковые каротажные зондирования (БКЗ) - это основной метод определения электрического сопротивления горных пород в условиях буровых скважин. Сущность метода БКЗ заключается в измерении сопротивления горных пород зондами одного типа, но разной длины. Прискважинная зона проницаемого пласта Электрические методы каротажа Боковое каротажное зондирование (БКЗ) Для проведения БКЗ используют набор из 4-6 зондов одного типа, например, обращенных или последовательных градиент-зондов, длина которых возрастает от d до 30 d. Каждый последующий зонд примерно вдвое длиннее предыдущего. Кроме того, в комплект зондов БКЗ включают резистивиметр. Записывают также диаграмму ПС и кавернограмму (диаметр скважины). Для повышения производительности измерений применяют так называемые комплексные приборы электрического каротажа. Такой прибор позволяет за одну спуско-подъемную операцию записать три диаграммы КС с разными зондами и ПС. Электрические методы каротажа Боковое каротажное зондирование (БКЗ) Вид кривых БКЗ на проницаемых пластах-коллекторах По результатам измерений строят кривые БКЗ (зависимость сопротивления от длины зонда). Полученные кривые БКЗ бывают двуслойные и трехслойные. Двуслойные кривые БКЗ получаются на породах, не обладающих проницаемостью, например, на глинах, плотных известняках или магматических породах. Трехслойные кривые БКЗ получаются на пористых и проницаемых породах, на которых между буровым раствором и самой породой образуется промежуточный слой - зона проникновения бурового раствора. Интерпретация БКЗ основана на сопоставлении практических и теоретических кривых. В результате интерпретации определяют истинное сопротивление пласта-коллектора, а также размер зоны проникновения фильтрата бурового раствора в пласт. Вид кривых БКЗ на не проницаемых породах Электрические методы каротажа Микрокаротаж (МК) Микрокаротаж предназначен для выделения коллекторов в разрезах скважин, изучения их строения и определения сопротивления зоны полностью промытых пород. За границей этот метод известен под фирменными названиями Microlog и Minilog. Сущность метода заключается в измерении КС двумя зондами с очень малыми расстояниями между электродами, которые установлены на "башмаке" из нефтестойкой резины, прижимаемом к стенке скважины. Расстояние между центрами электродов - 2,5 см. Из трех электродов на "башмаке" собирают 2 микрозонда: микроградиент-зонд AMN и микропотенциал-зонд AM, диаграммы которых регистрируют одновременно. Потенциал- и градиент-зонды обладают различной дальностью исследования: у потенциал-зонда она в 2-5 раз больше, чем у градиент-зонда такой же длины. Электрические методы каротажа Микрокаротаж (МК) На пластах-коллекторах показания микроградиент-зонда близки к сопротивлению глинистой корочки, а показания микропотенциал-зонда определяются, в основном, сопротивлением полностью промытых пород. В результате на пластах- коллекторах разница в показаниях зондов МК. На глинах зоны проникновения бурового раствора нет, поэтому оба зонда измеряют одно и то же - сопротивление глин. На карбонатных, плотных породах также нет зоны проникновения, и оба зонда, казалось бы, должны давать одинаковые (но более высокие, чем на глинах и песчаниках) показания. Однако из-за большой разницы в сопротивлении карбонатных пород и бурового раствора малейшие трещинки на стенках скважины, оказавшиеся между электродами, сильно снижают сопротивление между ними. По этой причине обе кривые получаются сильно изрезанными с незакономерными взаимными пересечениями. Электрические методы каротажа Индукционный каротаж (ИК) Индукционный каротаж (ИК) первоначально был предназначен для электрических исследований в сухих скважинах или скважинах, бурящихся на непроводящих (нефтяных) растворах. Может применяться в случае обсадки скважин асбоцементными или пластмассовыми трубами. Особенно хорошие результаты дает при изучении пластов низкого сопротивления (от 0 до 50 Ом∙м). Индукционные методы принципиально отличаются от методов с гальваническим способом возбуждения электрического поля (КС, БК, М3 и др.). Если в этих методах электрическое поле в горных породах возбуждается током, стекающим с электродов зонда, то в индукционных методах такие электроды не нужны, т.к. электрическое поле в породах возбуждается магнитным полем переменного тока, протекающего по генераторной катушке. В процессе ИК регистрируется кривая электропроводности пород в мСим/м. Поскольку регистрируемый сигнал в индукционном каротаже пропорционален электропроводимости, то масштаб проводимостей на диаграммах получается линейным, а масштаб сопротивлений гиперболическим, растянутым в области низких сопротивлений и сжатым в области высоких. Электрические методы каротажа Метод ВИКИЗ ВИКИЗ расшифровывается как "высокочастотное индукционное каротажное изопараметрическое зондирование". По своей сути ВИКИЗ является вариантом боковых каротажных зондирований (БКЗ) в индукционном исполнении. В методе используется принцип частотно-геометрического зондирования, в котором увеличение глубины исследований достигается, во-первых, за счет увеличения длины зонда, и, во-вторых, за счет уменьшения частоты электромагнитного поля. Аппаратура ВИКИЗ содержит 5 трехкатушечных зондов разной длины, работающих каждый на своей частоте, которые поочередно подключаются к измерительной линии. Измеряемой величиной является разность фаз сигнала в двух приемных катушках, которая передается на поверхность в виде цифрового кода. Применение двух измерительных катушек позволяет минимизировать влияние на результаты измерений самой скважины. Электрические методы каротажа Метод ВИКИЗ При интерпретации результатов ВИКИЗ выделяют в разрезе интервалы, где наблюдается расхождение диаграмм зондов разной длины с превышением показаний малых зондов над показаниями больших. Эти интервалы соответствуют пластам-коллекторам с повышающим проникновением бурового раствора. Далее осредняют диаграмму каждого зонда в пределах пласта и строят кривую зондирования (зависимость сопротивления от длины зонда). Если пласты имеют достаточно большую мощность, и на результаты измерений мало влияют вмещающие породы, кривые получаются близкими к теоретическим. Для теоретических расчетов используются цилиндрически слоистые модели (как для БКЗ). Электрические методы каротажа Метод потенциалов собственной поляризации (ПС) Сущность метода ПС заключается в измерении разности естественных электрических потенциалов между электродом М, перемещаемым по скважине, и неподвижным электродом N на поверхности. Дополнительно в схему вводят градуированный компенсатор поляризации ГКП, с помощью которого устанавливают масштаб записи. Потенциалы собственной поляризации пород обусловлены следующими физико-химическими процессами:  диффузией солей и пластовых вод в промывочную жидкость и наоборот, а также адсорбцией ионов на поверхности минеральных частиц горных пород;  фильтрацией вод из промывочной жидкости в породы и пластовых вод в скважину;  окислительно-восстановительными реакциями, происходящими в породах и на контакте их с промывочной жидкостью и металлами. Электрические методы каротажа Метод потенциалов собственной поляризации (ПС) Электрические методы каротажа Метод потенциалов собственной поляризации (ПС) Радиоактивные методы каротажа Гамма-каротаж (ГК) Гамма-каротаж (ГК) заключается в измерении γ-излучения естественных радиоактивных элементов (ЕРЭ), содержащихся в горных породах, пересеченных скважиной. Интенсивность и энергетический спектр регистрируемого излучения зависит от состава, концентрации и пространственного распределения ЕРЭ, а также от плотности и эффективного атомного номера горных пород. Наиболее распространенными ЕРЭ являются: U (и образующийся из него Ra), Th и К. Каждая из разновидностей горных пород характеризуется своим диапазоном изменения содержаний ЕРЭ и, соответственно, своим диапазоном естественной радиоактивности. У магматических пород максимальной активностью отличаются кислые породы (в основном, из-за повышенного содержания калия, в котором содержится около 0,012% радиоактивного изотопа К40), минимальной - ультраосновные породы. Среди осадочных пород наиболее активны глины, обладающие высокой адсорбционной способностью, менее активны песчаники и, наконец, наименьшей активностью обладают известняки и доломиты, а также гидрохимические осадки (гипс, ангидрит, каменная соль). Исключение представляют только калийные соли, отличающиеся повышенной активностью, благодаря содержащемуся в них К. Радиоактивные методы каротажа Гамма-каротаж (ГК) Как правило, каротажные радиометры являются двухканальными и, кроме канала ГК, содержат еще один канал, предназначенный для одновременной записи еще одной диаграммы - НГК, ГГК или ГНК. Интенсивность радиоактивного излучения пород в скважине измеряют при помощи детектора γ-излучения, расположенного в глубинном приборе. Запись показаний производится в мкР/ч. В качестве детекторов γ-квантов используются, главным образом, сцинтилляционные счетчики. Счетчик состоит из кристалла-сцинтиллятора, например, NaI, активированного Т1, и находящегося с ним в оптическом контакте фотоэлектронного умножителя ФЭУ. При попадании в кристалл-сцинтиллятор γ кванта в нем образуются возбужденные атомы и молекулы, которые переходят в основное состояние, испуская электромагнитное излучение. Прохождение γ-кванта сопровождается короткими вспышками светасцинтилляциями. ФЭУ преобразует вспышку света в токовый импульс и усиливает его. Коэффициент усиления ФЭУ составляет от 105 до 1010 раз. Радиоактивные методы каротажа Гамма-каротаж (ГК) ГК Ли тология 2 4 6 8 10 12 j    1 2  Решаемые задачи Литологическое расчленение разреза Выделение интервалов коллекторов Оценка глинистости коллектора (лучший метод для определения глиносодержания) Привязка глубины при проведении прострелочновзрывных работ 3 4 5 6 7 8 1 – глины; 2 – алевролиты; 3–песчаники слабо глинистые; 4 – песчаники плотные; 5 – известковые породы; 6 – угли; 7 – углистые аргиллиты; 8 – битуминозные аргиллиты. Радиоактивные методы каротажа Гамма-гамма-каротаж (ГГК) Гамма-гамма-каротаж (ГГК) заключается в облучении горных пород γ-квантами искусственного источника и измерении у-излучения, рассеянного породами. Из большого количества процессов взаимодействия γ-излучения с веществом основными являются три: фотоэлектрическое поглощение, комптоновское рассеяние, образование электронпозитронных пар. Фотопоглощение (фотоэффект) заключается в поглощении γ-кванта атомом вещества, его энергия уходит на отрыв от атома электрона и сообщение последнему импульса энергии. Фотоэффект наблюдается при самых малых энергиях γ-квантов. Условно можно считать Еγ<0,5 МэВ. На фотопоглощение очень сильно влияет даже небольшая примесь в среде элементов с большим атомным номером. Комптоновское рассеяние (комптон-эффект) - это неупругое рассеяние γквантов на свободных электронах вещества, в результате которого γ-квант теряет часть своей энергии и меняет направление движения. Наблюдается комптон-эффект при более высоких энергиях, намного превышающих энергию связи электронов в атоме. Условно можно считать Еγ> 0,5 МэВ. Комптон-эффект зависит от плотности вещества. Образование пар (рождение пар) - происходит при взаимодействии γ-кванта с электрическим полем ядра атома, γ-квант прекращает свое существование, вместо него образуется пара: электрон и позитрон. Чтобы этот процесс произошел, необходима энергия γ-кванта, превышающая удвоенную массу покоя электрона Еγ >1,02 МэВ. Радиоактивные методы каротажа Гамма-гамма-каротаж (ГГК) Все рассмотренные процессы в горных породах при облучении их γ-квантами искусственного источника происходят не по отдельности, а совместно. Быстрые γ-кванты исчезают в результате образования пар и замедляются в результате комптоновского рассеяния, рассеянные поглощаются в результате фотоэффекта. Преобладание того или иного процесса зависит от энергии γ-квантов и свойств горной породы - ее плотности и эффективного номера. В зависимости от того, какой из процессов подвергается исследованию, в ГГК выделяют 2 основные разновидности метода: плотностной и селективный гамма-гамма-каротаж. Плотностной гамма-гамма-каротаж (ГГК-П) Плотностной гамма-гамма-каротаж (ГГК-П) основан на изучении комптоновского рассеяния γквантов в горных породах. Поскольку этот эффект наблюдается при достаточно высокой энергии γ-квантов, то в ГГК-П используют источники с энергией Еγ>0,5 МэВ. Такими источниками являются искусственные изотопы Со60 (Еγ=1,17 МэВ и 1,33МэВ), Cs137 (Еγ=0,66 МэВ) и естественный ЕРЭ - Ra226, который дает целый спектр γ-квантов с энергиями от 0,35 до 1,76 МэВ. Длина зондов от 20 до 50 см.     Решаемые задачи Литологическое расчленение разреза Дифференциация разрезов скважин по плотности Определение пористости коллекторов Определение высоты подъема цемента и наличия пустот в цементном камне при цементировании скважин Радиоактивные методы каротажа Плотностной гамма-гамма-каротаж (ГГК-П) Аппаратура ГГК устроена так же, как и аппаратура ГК, но скважинный снаряд дополняется источником γ-квантов. Расстояние между центрами детектора и источника называется длиной зонда. Чтобы прямое γ-излучение источника не попадало на детектор, между ними помещают свинцовый экран. Для уменьшения поглощения γ-излучения в буровом растворе детектор γквантов так же, как и источник, прижимают к стенке скважины. Для уменьшения влияния кавернозности скважин и детектор, и источник могут быть размещены в небольшом выносном блоке, прижимаемом к стенке скважины и способном заходить в большие каверны. Радиоактивные методы каротажа Процессы взаимодействия нейтронов с веществом Методы нейтронного каротажа заключаются в облучении горных пород потоком быстрых нейтронов от искусственного источника и изучении результатов их взаимодействия с горными породами. Нейтрон был открыт английским физиком Дж. Чедвиком в 1932 г. Он относится к тяжелым ядерным частицам - барионам, его масса немного превышает массу протона и он электрически нейтрален. Нейтрон устойчив только в составе стабильных ядер. Свободный нейтрон распадается, образуя протон, электрон и антинейтрино. Среднее время жизни нейтронов вакууме - 15,3 мин. В веществе они живут еще меньше, т.к. взаимодействуют с ним. Поскольку нейтроны лишены электрического заряда, то они свободно проникают через электронные оболочки и взаимодействуют непосредственно с ядрами атомов. При этом нейтроны претерпевают упругое и неупругое рассеяние и поглощаются ядрами. Все эти взаимодействия управляются ядерными силами. Неупругое рассеяние - ядерная реакция, в результате которой ядро атома оказывается в возбужденном состоянии. Поглотив первичный нейтрон n, ядро испускает нейтрон n' со значительно меньшей энергией, чем у первичного нейтрона. Испустив нейтрон n', ядро остается в возбужденном состоянии. За время порядка 10-14 с оно переходит в основное состояние, испуская γ-квант. Поток таких γ-квантов называется гамма-излучением неупругого рассеяния - ГИНР. Спектр ГИНР характерен для каждого конкретного элемента и потому может быть использован для его идентификации. Радиоактивные методы каротажа Процессы взаимодействия нейтронов с веществом Упругое рассеяние - это ядерная реакция, при которой внутренняя энергия ядра не изменяется и суммарная кинетическая энергия системы "ядронейтрон" после соударения остается такой же, как и до него. Упругое рассеяние приводит к замедлению нейтронов, т.к. они отдают часть своей энергии ядрам. Лучше всего замедление происходит на легких ядрах, масса которых соизмерима с массой самого нейтрона, т.е. на ядрах атомов водорода. Поглощение нейтрона - ядерная реакция, которая заключается в захвате нейтрона ядром, возбуждении ядра и последующем переходе его в основное состояние с испусканием протона (реакция n, р), α-частицы (n, α), нейтронов (n, 2n) или γ-кванта (n, γ). Первые три реакции отличаются высоким порогом энергии нейтронов. Практический интерес для геофизических исследований представляет реакция n → γ, которая называется радиационным захватом, совокупность возникающих при этом γ-квантов называется гамма-излучением радиационного захвата - ГИРЗ. Чем меньше скорость нейтрона, тем дольше он находится вблизи ядра и тем больше вероятность его захвата ядром. По этой причине радиационный захват наиболее вероятен для нейтронов с низкими (тепловыми) энергиями. Спектр ГИРЗ характерен для каждого конкретного элемента и может быть использован для его идентификации. Для горных пород характерны (особенно при использовании ампульных источников) замедление нейтронов в результате упругого рассеяния, главным образом, на ядрах атомов водорода и затем радиационный захват одним из элементов, входящих в состав породы и, следовательно, разрез скважин можно дифференцировать по содержанию водорода и содержанию элементов с высокими поглощающими способностями. Радиоактивные методы каротажа Нейтронный гамма-каротаж (НГК) Метод НГК является одним из ведущих методов исследования скважин нефтяных и газовых месторождений. В нейтронном гамма-каротаже измеряется искусственно вызванное гамма- излучение горных пород. Для возбуждения этого излучения стенки скважины бомбардируют нейтронами. Скважинный снаряд НГК включает в себя источник нейтронов и детектор гамма-излучения. В качестве источников нейтронов применяют обычно ампулы, заполненные смесью порошкообразного бериллия и соли какого-либо радиоактивного элемента, дающего α-излучение, например, Ra или Ро. Наибольшим распространением пользуются Ро-Ве источники. Период полураспада полония 138,4 суток. Под воздействием α-частиц, испускаемых ядрами полония, происходит реакция: 4Be 9+ 2Не 4 = 6С12 + 0n' + γ Ро-Ве источник дает около 2∙106 нейтронов в секунду на 1 г полония и примерно столько же гаммаквантов. Большая часть нейтронов - быстрые, с энергиями от 3,5 до 6 МэВ. Радиоактивные методы каротажа Нейтронный гамма-каротаж (НГК) Поскольку нейтроны не имеют электрического заряда, проникающая способность их очень велика. Сталкиваясь с ядрами атомов горных пород, нейтроны теряют часть своей энергии, замедляются. При этом большая часть кинетической энергии теряется при упругом соударении с ядрами легких атомов, главным образом, водорода. После примерно 25 соударений с ядрами водорода нейтроны замедляются до "тепловых" энергий (около 0,025 эВ) и диффундируют через породы, пока не будут захвачены. Акт захвата теплового нейтрона сопровождается испусканием γ-квантов, которые образуют так называемое γ-излучение радиационного захвата (ГИРЗ). Часть этих у-квантов фиксируется детектором в скважинном снаряде НГК. Основное влияние на показание метода оказывает водородосодержание пород (количество воды), которое тем выше, чем больше пористость пород. Основное правило: чем выше водородосодержание (пористость), тем меньше показания метода и наоборот (для зондов 0,6 м и более). Зонды малой длины (0,3 м и менее) применяются гораздо реже, т. к. в них трудно избавиться от действия гамма-излучения самого источника нейтронов, и глубина исследования их мала. Радиоактивные методы каротажа Нейтронный гамма-каротаж (НГК) НГК Литология 1.2 1.6 2.0 2.4 усл. eд. 1 2 3 ВНК 4 5 6 1 – глина; 2 – алевролит; 3 – песчаник нефтеносный; 4 – песчаник водоносный; 5 – известняк; 6 - уголь Как уже отмечалось, метод НГК дифференцирует породы по водородосодержанию. Как известно, среди осадочных пород наибольшее количество водорода содержат глины в составе химически связанной и поровой воды. Общее содержание воды в глинах может достигать 44%. Поэтому на диаграммах НГК глины выделяются самыми низкими значениями и представляют собой надежный "базовый" или опорный горизонт. Самые же высокие уровни радиационного гамма-излучения наблюдаются против плотных малопористых известняков, которые могут служить другим опорным горизонтом, с минимальной пористостью (Кп=1%). Песчаники и пески не содержат химически связанной воды, вследствие чего даже самые пористые из них отмечаются более высокими значениями НГК, чем глины.     Решаемые задачи Литологическое расчленение разреза Определение пористости коллекторов Определение насыщения коллекторов Мониторинг перемещения ВНК, ГНК, ГВК Радиоактивные методы каротажа Импульсный нейтронный каротаж (ИНК) В этом методе горные породы облучают кратковременными потоками быстрых нейтронов и изучают результаты их взаимодействия с окружающей средой. В качестве источника используют скважинный генератор нейтронов, основную часть которого составляет "отпаянная" нейтронная трубка. Эта трубка представляет собой стеклянный баллон, заполненный дейтерием при низком давлении порядка 0,02-0,05 Па. Внутри трубки с одной стороны располагается катод, с другой - высоковольтный электрод, внутри которого находится титановая мишень, насыщенная тритием. В результате ядерной реакции: 1Н 2+ Н3= Не4+ n1 1 2 образуется поток нейтронов с энергией 14 МэВ. Выход нейтронов - 106-109 нейтрон/с. Длительность потока зависит от времени подачи напряжения на анод и составляет обычно от 10 до 20 мкс. Частота следования импульсов - от 10 Гц до 20 кГц. Радиоактивные методы каротажа Импульсный нейтрон-нейтронный каротаж (ИННК) Плотность нейтронов, которая регистрируется через некоторое время после окончания генерируемого нейтронного импульса (в отличие от НГК, при котором “испускание” нейтронов происходит постоянно, а не дискретно как при ИННК). Замеры после импульса проводятся через разные промежутки времени (время задержки – Tз), поэтому в результате записи имеется несколько кривых (каждая из которых соответствует определённому времени задержки). Показания кривых выражаются в имп/мин (импульсах/минута), то есть в тех же единицах, что и в других нейтронных методах. Как и в случае с методом нейтронного гамма-каротажа (НГК) основное влияние на различие показаний ИННК оказывает водородосодержание пород (содержание воды), которое возрастает вместе с пористостью пород. Увеличение водонасыщенности в коллекторе ведёт к уменьшению показаний ИННК (плотность нейтронов снижается из-за замедления и поглощения).     Решаемые задачи Литологическое расчленение разреза Определение пористости коллекторов Определение насыщения коллекторов Мониторинг перемещения ВНК, ГНК, ГВК Радиоактивные методы каротажа Импульсный нейтрон-нейтронный каротаж (ИННК) Кривая ИННК в целом схожа с кривой нейтронного гамма-каротажа, но в водонасыщенных коллекторах увеличение содержания ионов хлора увеличивает показания НГК, в то время как показания ИННК уменьшаются. Для более плотных осадочных пород с низким водородосодержанием и пористостью (плотные известняки, доломиты, алевролиты, карбонатизированные песчаники и др.) характерны высокие значения показаний ИННК. Для глинистых пород, обладающих максимальной водонасыщенностью свойственны минимальные показания ИННК. Терригенные коллекторы характеризуются средними показаниями, а карбонатные высокими значениями. Водонасыщенные породы характеризуются уменьшением показаний кривой ИННК. Нефтенасыщенные породы – средними показаниями, а газонасыщенные породы – высокими показаниями. В отличие от нейтронного гаммакаротажа метод импульсного нейтрон-нейтронного каротажа больше чувствителен к насыщенности пород и поэтому обладает более надёжной интерпретацией. Другие методы каротажа Акустический каротаж (АК) Акустический каротаж (АК) основан на изучении полей упругих волн в скважинах и заключается в измерении скорости распространения и затухания упругих волн звуковой или ультразвуковой (УЗ) частоты в горных породах. Как известно, в однородной упругой среде распространяются две независимые волны: продольная Р и поперечная S. Скорости распространения и той и другой зависят от модуля продольного растяжения Е (модуля Юнга), модуля поперечного сжатия µ (коэффициента Пуассона) и плотности среды σ: Скорость упругих волн в горных породах зависит от минерального состава пород, их структурно-текстурных особенностей, пористости и влажности, а также от давления, под которым эти породы находятся. Наименьшие скорости (от 1 до 2 км/с) наблюдаются в слабосцементированных осадочных породах. Для магматических и кристаллических метаморфических пород характерны скорости 4,5 - 6,5 км/с. Наибольшей скоростью отличаются плотные, окремнелые известняки и доломиты (Vp =7,1 км/с). Из параметров, характеризующих коллекторские свойства, на скорость Р и S волн сильнее всего влияют пористость Кп (или объемная трещинная пустотность) и характер заполнения пор. Другие методы каротажа Акустический каротаж (АК) При акустическом каротаже используют обычно так называемые "трехэлементные'' зонды. Такой зонд состоит из двух источников - излучателей упругих волн и одного приемника или, наоборот, двух приемников и одного излучателя. Между излучателем и приемниками располагаются акустические изоляторы, служащие для поглощения упругих волн, распространяющихся по корпусу скважинного прибора. Прибор удерживается по оси скважины с помощью центрирующих фонарей. Расстояние от излучателя до ближайшего приемника называется длиной зонда L, а расстояние между приемниками - базой зонда ∆L. Современная аппаратура акустического каротажа обеспечивает регистрацию диаграмм кинематических (Т, ∆Т) и динамических параметров (А), а также диаграмм коэффициентов затухания αр, αs. Кроме того, аппаратура позволяет записывать полную волновую картину колебаний ВК и фазокорреляционные диаграммы ФКД с определенным шагом дискретизации по глубине. Фазокорреляционные диаграммы представляют собой запись линий равных фаз разных волн. Толщина линий на ФКД пропорциональна амплитуде сигнала. По ФКД можно идентифицировать волны различных типов, оценить их кинематические и динамические параметры, расчленить разрез скважины по литологии. Другие методы каротажа Акустический каротаж (АК) Другие методы каротажа Акустический каротаж (АК) Пористые породы на диаграммах интервального времени отмечаются увеличением интервального времени. Газонасыщенные пласты также характеризуются увеличением интервального времени. Для плотных пород характерно уменьшение интервального времени. Трещиноватые интервалы отмечаются увеличением коэффициента поглощения или величины ln (A1/A2) и уменьшением амплитуды волн за счет рассеяния.     Решаемые задачи Литологическое расчленение разреза Выделение интервалов коллекторов Определение пористости коллекторов Выделение зон трещиноватости Геолого-геофизическая характеристика продуктивных пластов Планшет с результатами интерпретации ГИС