Гамма и гамма-гамма каротаж. 2

Федеральное агентство по образованию Государственное  образовательное         учреждение  высшего профессионального  образования 

«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

НЕФТЯНОЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

Кафедра «Геофизические методы исследования» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА 

На тему: Гамма и гамма-гамма каротаж

по предмету «Геофизические методы

исследования  скважин» 
 

                                                       Уфа 2010 
 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение                                                                                                                 2

1. Естественная радиоактивность горных

пород.                                                                                                                  3

2. Взаимодействие гамма-квантов с

      горными породами.                                                                                          5

3. Гамма-каротаж, физические основы,

область применения, решаемые задачи.                                                         9

4. Гамма-спектрометрический каротаж.                                                         12
5. Гамма-гамма-каротаж. Модификация

метода, решаемые задачи.                                                                             13

6. Контроль качества цементирования

методом ГГК-П.                                                                                                    19

Заключение                                                                                   24                         Список используемой литературы                                                                                     25

Практическая  часть.                                                                                              
 
 
 
 

                                                        Введение

      Радиоактивные методы исследования  скважин по числу методов и их модификаций, объему и важности решаемых задач на всех этапах поиска, разведки, освоения, разработки и эксплуатации месторождений нефти и газа, а также контроля технического состояния скважин занимают особое положение в комплексе методов ГИС.

Это связано  с тем, что в отличие от всех других методов ГИС ряд радиоактивных  методов относится к категории  прямых методов, т.е. их показания пропорциональны содержанию того или иного определенного породообразующего элемента (С, О, Al, Si, Са, Mg, Na, К, Fe, Th, U и др.). Неслучайно аппаратуру, используемую для реализации прямых радиоактивных (ядерных) методов исследования скважин, иногда называют петрофизической лабораторией на кабеле. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.Естественная  радиоактивность   

горных  пород

       Радиоактивностью называют процесс  самопроизвольного распада ядер некоторых изотопов с испусканием α, β и γ-излучения и превращением распадающихся ядер в ядра других элементов. Большая часть естественных радиоактивных элементов образуют радиоактивные семейства, где каждый радиоактивный элемент возникает из предыдущего и затем превращается в последующий.      Радиоактивность пород обусловлена главным образом изотопами семейства урана ²³⁸U и тория ²³²Th, а также изолированного радиоактивного изотопа ⁴⁰К. Количество атомов радиоактивного изотопа N и его активность (число распадов в единицу времени) А убывают во времени экспоненциально:

   N/N₀=А/А₀=ехр(-λt)=ехр[-t ln 2/T_1/2],                   (1)

     Энергия γ-квантов естественных радиоактивных изотопов Е_γ достигает 2,6 МэВ. Число квантов на один распад ν меняется в больших пределах. Поскольку ν и Е_γ различны для разных изотопов, интенсивность γ-излучения этих изотопов при равной активности разная. Интенсивность γ-излучения вещества при ГИС характеризуют величиной радиевого γ-эквивалента, а интенсивность γ-noля— мощностью экспозиционной дозы. Отношение дозы ко времени называется мощностью дозы. Единица мощности дозы в СИ — ампер на килограмм. Удельный радиевый γ-эквивалент для U, Th и К равен соответственно 14800, 6400 и 2,8 Бк/г. Эти величины заметно меняются в зависимости от типа детектора, а также при предварительном прохождении излучения через поглощающую среду, например при измерениях γ-активности массива горных пород. Содержание радиоактивных элементов в горных породах и удельная γ-активность минералов и пород приведены в табл. (1)

     Большинство пород нефтяных и газовых месторождений обладает относительно низкой      γ-активностью, это хемогенные породы (исключая обогащенные калием), чистые (неглинистые) кварцевые пески и песчаники, обогащенные калием, битуминозные породы и карбонаты с современными процессами доломитизации, в которых возможно вместе с магнием привнесение Ra и многократное увеличение

Таблица 1

активности  породы. Высокая активность характерна также для калиевых солей, глин, средняя активность у глинистых разностей песчано-алевритовых пород, мергелей, глинистых известняков и доломитов.

2.Взаимодействие гамма - квантов с

горными породами

      При прохождении потока гамма  – квантов сквозь среду, в  зависимости от их энергии,  протекают те или иные процессы  взаимодействия. Одной из величин,  характеризующей эти процессы  является полное сечение взаимодействия - μ^∑, которая имеет смысл полной вероятности протекания какого  - либо процесса и является суммой вероятностей (макроскопических сечений) каждого процесса в отдельности.

      Фотоэлектрическое поглощение. Фотоэффект  на К – электронах происходит при энергиях, соизмеримых с энергиями связи электронов с ядром. При этом гамма – квант передаёт свою энергию электрону. Это можно описать формулой: 
                                      Е_i = E_γ – W_i                                                                     (2) 
где: W_i  - энергия связи электрона на i – орбитали.

После этого место, освободившееся за счёт вылета электрона занимается электроном с более дальней орбитали, с испусканием характерного для данного элемента квантом характеристического излучения (рис.1–а). Вероятность протекания фотоэффекта зависит от энергии гамма – кванта и порядкового номера элемента или эффективного порядкового номера полиэлементной среды. Первая составляющая для каждого элемента своя, зависит от величин

энергий связи (рис 1 – б).  Рис.1

Вторая  составляющая очевидна из формулы:

                 τ_ф^микр = const Z⁵ (m_е c² / E_γ)                         (3)

Формула  (3) описывает вероятность фотоэффекта на К - электронах и при энергии больше энергии связи. При Е < 0,1 МэВ для большинства элементов фотоэффект резко доминирующий. Для атома фотоэффект не является законченным процессом, так как при удалении электрона с орбитали атом переходит в возбуждённое состояние.                                                                                                             

      Рассеяние  гамма – квантов. Строго говоря, в широком спектре излучения наблюдается два вида рассеяния: рассеяние на свободных электронах (некогерентное) и на связанных электронах (когерентное).

      Некогерентное (Комптоновское рассеяние).

Энергия гамма – кванта намного превышает  энергию связи. Орбитальные электроны  в данном случае можно считать  покоящимся или свободным. В акте взаимодействия квант передаёт электрону  часть своей энергии и вылетает с изменением своей первоначальной траектории. Количественно это можно  описать:

                         E_γ^* = E_γ / (1+ [ E_γ / (m_ec²)]*(1-cos θ));                                     (4)

Векторно этот процесса можно проиллюстрировать (рис 2 - а.)

       Как видно из рисунка, гамма  – квант после взаимодействия  отклоняется на некоторый угол  φ, численно описываемый:

                          tg φ = [1 / (1 + ω)] ctg (θ / 2)                                                    (5)

      С разной долей вероятности,  углы рассеяния лежат в 4π  – области. Вероятность рассеяния  на определённый угол зависит  от энергии гамма –кванта до взаимодействия. С ростом энергии вероятность обратного рассеяния уменьшается. Дифференциальное сечение Комптон – эффекта на электроне dσ_e / dΩ, отнесённое к единице телесного угла, описывается формулой Клейна – Нишины – Тамма:

dσ_к^микр / dΩ = [r_e² / 2] *[(1+cos²θ) / (1+ω(1-cos θ))²] * {1+[ω²(1- cosθ)² / 

   [(1 +cos²θ)(1+ω(1 – cosθ))]}                                                                            (6)

       Из формулы (6) видно, что при рассеянии под малыми углами потери энергии минимальны. С увеличением угла θ энергия рассеяния уменьшается и принимает минимальное значение при рассеянии назад. Полное сечение 

Рис.2

комптоновского  взаимодействия  с изменением энергии  падающего кванта меняется незначительно, плавно уменьшаясь с увеличением  энергии. В энергетическом окне 0,01 – 3 МэВ плавно падает от ≈ 0,6 до ≈ 0,12 Барн.

       В процессе комптоновского взаимодействия  гамма – квант передаёт электрону  часть своей энергии, но не  исчезает. Гамма – квант взаимодействуя с электроном поменяет свою траекторию и, тем самым, удалится из пучка, причем эти удаления будут тем чаще, чем больше рассеяний на единицу длинны пучка, что соответствует плотности вещества.

             σ_к^макрос = σ_к^микр * ρ А_ав * [Z / A]         (7)

      Рассеяние на связанных электронах  (Рэлеевское).

      Данный вид рассеяния наблюдается при энергиях гамма – квантов менее 20 – 50 кэВ.  Сечение взаимодействия прямо зависит от Z_эф среды.  Преобладает над некогерентным в полосе энергий меньше 20 кэВ. Не регистрируется при ГГКп.

        Образование электронно-позитронных  пар.

       Это пороговая реакция, которая возможна при E > 1,02 МэВ – при энергиях, превышающих энергию покоя электрона и позитрона, γ-квант большой энергии взаимодействует с ядром, при этом образуется пара электрон-позитрон. Для соблюдения закона сохранения импульса этот процесс должен идти в присутствии третьего тела, роль которого играет  ядро  атома. При  этом  часть  энергии  γ-кванта  передается  ядру. В течение очень короткого времени электрон и позитрон аннигилируют с образованием двух γ-квантов с энергией Е = 0,51 МэВ:

              e^- + e ⁺= 2·γ.                                               (8)

       Процесс образования пар даже  в тяжелых средах возможен  лишь при  Е >12 МэВ. Даже если источником γ-квантов является ⁶⁰Со, Е =1,17-1,33  МэВ преобладают другие реакции.

3. Гамма-каротаж, физические основы, область применения, решаемые задачи.

        Гамма-метод или метод естественной радиоактивности горных пород основан на регистрации естественного (самопроизвольного) гамма-излучения. Это излучение обусловлено самопроизвольным распадом радиоактивных элементов (радионуклидов) уранового (²³⁸U, период полураспада T_1/2 = 4,5-10 лет, 16 звеньев ряда), ториевого ( Th, T_1/2 = 13,9-10⁹ лет, 13 звеньев) и актино- уранового рядов ( AcU, T_l/2 = 0,713-10⁹ лет, 15 звеньев). Это так называемые радиоактивные семейства. Все они завершаются образованием стабильного элемента (свинца). В середине каждого семейства образуются радиоактивные газы (эманации): радон (Rn, T_1/2 = 3,85 дня), торон (Tn, T_1/2 = 54 с) и актинон (An, T_l/2 = 3,9 с). Распад некоторых радионуклидов ограничивается одним звеном превращений (⁴⁰К, ⁸⁷Rb, ¹⁵²Sm и др.).

      Естественная радиоактивность горных  пород прямо пропорциональна содержанию в них указанных радиоактивных элементов. Кроме этого, установлено, что осадочные породы, образовавшиеся в различных условиях осадконакопления, содержат различные концентрации урана, тория и калия. Это служит петрофизической основой качественного литологического расчленения разреза осадочных пород по величине их естественной радиоактивности.

      Кроме этого, измеряя изменение  естественной радиоактивности по стволу скважины, можно определять глубину залегания пластов, выделять коллекторы и флюидоупоры. Чем меньше размеры частиц горной породы, тем выше ее удельная поверхность. Чем выше удельная поверхность горных пород, тем больше ее адсорбирующая способность, тем большее количество радиоактивных частиц адсорбируется на скелете породы. Наиболее мелкие частицы характерны для глинистой – пелитовой фракции. Радиоактивность глинистых пород по сравнению с другими породами осадочного комплекса объясняется их большой удельной поверхностью  и способностью  к адсорбции  радиоактивных  элементов,  длительностью  накопления  пелитового  материала,  обеспечивающего увеличение содержания ²³⁸U, ²³²Th, ⁴⁰К   в осадке. Известна также способность  тяжелых  окисленных  нефтей,  в том числе и асфальтоподобных органических веществ, обогащаться ураном  за счет извлечения его из подземных вод. Легкие нефти и угли этим качеством не обладают. Таким образом, в осадочных горных породах максимальной  радиоактивностью  обладают  глинистые породы,  а радиоактивность большинства коллекторов,  представленных терригенными  и карбонатными  породами, сильно  зависит от  глинистости.  Чем больше глинистость коллектора, тем выше его гамма-активность, тем выше показания ГК.

Таблица 2.

Решаемые  задачи по данным гамма-метода:

1.Литологическое  расчленение разреза.

2.Выделение  коллекторов.

3.Определение  коэффициента глинистости.

4.Корреляция  разрезов скважин.

5.Определение  условий осадконакопления.

6.Определение  типа глинистых минералов.

7.Прогноз  скорости распространения продольных  волн по корреляционным связям  типа v_P = 2,9+0,66 In р_к = 0,41 I гм.

8.Геонавигационное  обеспечение бурения наклонно  направленных и горизонтальных скважин.

9.Контроль  технического состояния скважин  в процессе заводнения. 
 
 
 

4. Гамма-спектрометрический каротаж

     Интегральная модификация гамма-метода  основана на регистрации общей (суммарной) интенсивности гамма-излучения. Спектрометрическая модификация ГМ позволяет определить каждую составляющую излучения отдельно - 1_{γ, u} , 1_{γ, Th} и 1_{γ, k}. Для этого применяют многоканальные спектрометры (анализаторы) гамма-излучения, которые позволяют регистрировать дифференциальные спектры естественной радиоактивности. При измерении в скважинах используется 4-канальный спектрометр, в котором три канала (по числу неизвестных) предназначены для регистрации гамма-излучения, обусловленного активностью урана, тория и калия, и последующего определения их содержания в породе. Регистрацию излучения проводят в интервалах энергии 1,35+1,55 МэВ (включает энергию 1,46 МэВ изотопа К), 1,65+1,85 МэВ (включает энергию 1,76 МэВ изотопа ²²⁶Ra) и 2,4+2,8 МэВ (включает энергию 2,62 МэВ изотопа ²³²Th). Для регистрации полного спектра гамма-излучения (естественного, радиационного захвата или наведенной активности) применяют спектрометры с числом каналов 256, 512 и 1024. Чем больше число каналов у спектрометра, тем с большей детальностью регистрируется спектр.

      Метод позволяет решать следующие  задачи.

1.Детальное  изучение литологического строения  разреза скважины.

2.Выделение  калийсодержащих полимиктовых коллекторов, которые на диаграммах интегрального гамма-метода могут выглядеть как пласты глин.

3.Выделение  зоны доломитизации известняков.

4.Выделение  битуминизированных песчаников, содержащих повышенные концентрации урана.

5.Диагностирование  наличия дизъюнктивных нарушений  в разрезе скважины. 
 
 

5. Гамма-гамма-каротаж.                                                                                        Модификация метода, решаемые задачи.

      Главным отличием ГГМ от ГМ является то, что при гамма-гамма методе регистрируют рассеянное       взаимодействия (рассеяния) гамма-квантов, излучаемых специально устанавливаемым в скважинном приборе ГГМ источником, с окружающей скважину средой.

     При ГГМ регистрируются только рассеянные гамма-кванты, которые достигают детектора, размещенного от источника на некотором расстоянии L₃, называемом длиной зонда. Для исключения влияния на детектор прямого излучения от источника в скважинном приборе между ними устанавливают фильтр (экран), изготовленный из тяжелого металла - свинца, вольфрама или железа. Фильтр позволяет практически полностью подавить прямое излучение, и поэтому к детектору приходят только те кванты, которые испытали одно или несколько взаимодействий с породой. В зависимости от преобладающей энергии гамма-квантов, излучаемых источником и регистрируемых детектором, используют две модификации ГГМ: плотностной гамма-гамма метод (ГГМ-П) и селективный (ГГМ-С).

      Плотностная модификация гамма – гамма   каротажа. Для узкого пучка гамма – квантов суммарное сечение взаимодействия с веществом:

              J=J₀ exp(-μ^∑*r)                                             (9)

          где,  μ^∑ = τ_ф^макр + τ_эп^макр + σ_к^макр

  μ^∑ - имеет смысл линейного коэффициента ослабления. Из приведённой формулы можно сделать вывод, о том, что только сечения Комптон – эффекта однозначно зависит от плотности среды. Отношение Z/A_m для породообразующих минералов стабильно и равно 0,5, для водорода = 1, для тяжёлых элементов >0,5, но малое их содержание вносит меньшую погрешность, чем погрешность измерений, ими мы пренебрегаем. Другими словами, сечение Комптон – эффекта пропорционально плотности среды через некоторую const.

        Взаимодействие с образованием  электронно – позитронных пар происходит при энергиях больше 1,022 МэВ. Вероятность фотоэффекта дискретна и растёт с коротковолновой стороны, начиная с энергий около 0,2 МэВ. Сечение Комптон – эффекта в энергетическом окне 0,2 , 1 МэВ практически постоянно, и в этом окне крайне мало вероятны другие взаимодействия. Если снимать информацию с гамма – квантов этого энергетического окна, то она будет характеризовать только плотность среды или горной породы. Информация носит характер ослабления потока гамма – квантов, испускаемых источником, в процессе некогерентного Комптоновского рассеяния на электронах среды. Полевые измерения реализуются в измерении скорости счёта гамма – квантов Jγ [имп /сек], пришедших на детектор, но осреднённому по объёму области, в котором существует поле, где изменение скорости счёта происходит прямо пропорционально изменению плотности среды.         

       Существует окно значений, в котором  изменения ρ * r не ведёт к изменению плотности гамма-квантов, эту область называют инверсионной. Она образуется из-за возврата гамма-квантов. Она представляет в однородной, изотропной среде область, ограниченную сферами, радиусы которых зависят от плотности изменяются с её изменением, т. е. эта область сужается в среде с большей плотностью и наоборот. Полученные из инверсионной области для данной модификации, некондиционны. Поэтому перед проведением каротажа плотностей необходимо априори иметь представление о величинах плотностей в разрезе для корректного выбора типоразмера зонда. При бурении скважин стенки скважины и около скважинное пространство испытывают различные измерения, обусловленные размывами, обрушениями, сальниками, проникновением бурового раствора  это главная помеха. Данные, полученные из доинверсионной области, будут характеризовать плотность близ стеночного пространства, с искажённой плотностью. Поэтому, для повышения глубинности снятия информации используются заинверсионные зонды. Для плотностной модификации ГГК применяют зонды различного аппаратно – технологического решения, но объединённые одной характеристикой – длинной зонда, т. е. расстоянием между приёмником и источником.

       Из графиков видно (рис.3), что  по мере роста длинны зонда  при одинаковых значениях плотности,  различия в скорости счета  то же увеличивается. При увеличении z (I₃) от 35 до 100 см влияние промежуточной среды уменьшается примерно в 2 раза, но еще остается достаточно большим (0,04—0,06 г/см³ на 1 см глинистой корки), что не позволяет отказаться от учета этого