Нейтронный гамма-каротаж (НГК)

Метод НГК является одним из ведущих методов исследования скважин нефтяных и газовых месторождений. В комплексе с другими методами нейтронный гамма-каротаж применяется для литологического расчленения разрезов скважин, выделения коллекторов, оценки пористости, отбивки водонефтяного и газонефтяного контактов и т.п.

В нейтронном гамма-каротаже измеряется искусственно вызванное гамма-излучение горных пород. Для возбуждения этого излучения стенки скважины бомбардируют нейтронами. НГК основан на измерении характеристик поля γ-излучения, возникающего под действием внешнего источника нейтронов.

Поскольку нейтроны не имеют электрического заряда, проникающая способность их очень велика. Сталкиваясь с ядрами атомов горных пород, нейтроны теряют часть своей энергии и замедляются. При этом большая часть кинетической энергии теряется при 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. Тепловые нейтроны могут захватываться ядрами всех элементов, кроме Не. Низкие сечения захвата тепловых нейтронов имеют О и С. Аномально высокие сечения захвата у таких элементов, как T, Сd, В, С1 и некоторых других. Акт захвата теплового нейтрона сопровождается испусканием γ-квантов, которые образуют так называемое γ-излучение радиационного захвата (ГИРЗ). Часть этих                γ-квантов фиксируется детектором в скважинном снаряде НГК.

Кроме радиационного гамма-излучения (),детектор будет фиксировать также и гамма – кванты другого происхождения. Суммарную зарегистрированную интенсивность гамма – излучения можно представить в виде ряда:

                                  ,                        (3.28)

где   – естественное гамма – излучение пород;  – фоновое гамма-излучение источника нейтронов;   – гамма-излу-чение источника, претерпевшее комптоновское рассеяние в породах и обсадных трубах скважины.

 

Общая величина γ-излучения, регистрируемая при НГК, слагается из трех компонентов:

1) интенсивности γ-излучения , возникающего в результате радиационного захвата ядрами породы;

2) γ-излучения  источника нейтронов, которое воздействует на индикатор непосредственно или вследствие облучения стенок скважины γ-лучами, часть которых рассеивается породой в направлении индикатора;

3) естественного γ-излучения , обусловленного естественной радиоактивностью породы.

Для выделения исследуемой составляющей  приходится прибегать к уменьшению влияния остальных составляющих , , . Для уменьшения влияния естественной радиоактивности  выбирают, с одной стороны, мощность источника нейтронов такой, чтобы вызванное им гамма-излучение было, по крайней мере, на порядок больше естественного. С другой стороны, уровень естественной радиоактивности может быть учтен вычитанием показаний ГК из диаграмм НГК.

Для ослабления фонового гамма-излучения источника  между источником и детектором располагают мощный свинцовый экран. Для поглощения мягкого рассеянного излучения  детектор излучения помещают в стальную гильзу (рис. 3.32). Выделенная таким образом составляющая  зависит, в основном, от содержания водорода в исследуемой среде. Когда скважинный снаряд проходит через формации с высоким содержанием водорода (в составе воды или нефти и газа), уровень наведенного гамма – излучения будет низким, т.к. большинство нейтронов будет замедлено и поглощено в непосредственной близости от источника и только некоторые из гамма-квантов смогут достичь детектора и будут зарегистрированы.

 

 

Рис. 3.32. Устройство зонда нейтронного гамма-каротажа

Если породы содержат мало водорода или не содержат вообще, нейтроны успевают распространиться далеко от источника прежде, чем они будут замедлены и захвачены.

При длине зонда 0,6 м и выше большая часть нейтронов будет поглощена где-то вблизи детектора гамма-излучения, и на диаграммах НГК будет наблюдаться высокий уровень интенсивности ГИРЗ.

При исследованиях зондами, длина которых  более 40 см, плотность нейтронов в среде с большим водородосодержанием в зоне размещения индикатора мала, поскольку в такой среде нейтроны замедляются и поглощаются в основном вблизи источника. В результате породы с высоким водородосодержанием отмечаются на диаграммах НГК низкими показаниями.

В малопористых породах с низким водородосодержанием плотность нейтронов вблизи индикатора увеличивается, что вызывает повышение интенсивности показаний НГК. По нейтронным свойствам осадочные горные породы можно разделить на две группы – большого и малого водородосодержания.

К первой группе относятся: глины, характеризующиеся высокой влагоемкостью (пористостью) и содержащие значительное количество минералов с химически связанной водой (водные алюмосиликаты), гипсы, отличающиеся малой пористостью,                 а также некоторые очень пористые и проницаемые песчаники               и карбонатные породы. При измерениях большими зондами                  (  ≥ 40 см) на диаграммах эти породы отмечаются низкими показаниями.

Во вторую группу пород входят – плотные известняки и доломиты, сцементированные песчаники и алевролиты, на диаграммах нейтронного гамма – каротажа эти породы выделяются высокими показаниями.

Против других осадочных пород (песков, песчаников, пористых карбонатов) показания НГК зависят от их глинистости и содержания в них водорода (насыщенности водой, нефтью и газом).

Нефть и вода содержат почти одинаковое количество водорода, поэтому нефтеносные и водоносные пласты с малым содержанием хлора отмечаются приблизительно одинаковыми значениями НГК. Газоносные пласты в обсаженной скважине отмечаются на кривой НГК более высокими показаниями, чем такие же по литологии и пористости нефтенасыщенные пласты.

Скважинный прибор НГК включает в себя источник нейтронов и детектор гамма-излучения. В качестве источников нейтронов в России применяют обычно ампулы, заполненные смесью порошкообразного бериллия и какой-либо соли полония.      Ро – Ве источник дает около 2 ∙ 10⁶ нейтронов в секунду на 1 г полония и примерно столько же гамма-квантов. Большая часть нейтронов – быстрые, с энергиями от 3,5 до 6 МэВ.

Интенсивность регистрируемого при нейтронном гамма-каротаже вторичного гамма-излучения зависит от длины зонда и нейтронных параметров среды. При рассмотрении процессов, имеющих место при НГК, пользуются понятиями «зона излучения» и «зона регистрации».

Зоной излучения называют пространство вокруг источника нейтронов, в котором происходит их замедление, захват тепловых нейтронов и возникновение вторичного гамма-излучения. В однородных плотных породах зона излучения в первом приближении представляет собой сферу с радиусом 50–60 см. В насыщенных жидкостью рыхлых песках ее радиус уменьшается до 25–35 см.

Пространство, расположенное вокруг индикатора, который обеспечивает 90 % вторичного гамма-излучения, регистрируемого индикатором, называют зоной регистрации. Размеры зоны регистрации зависят от плотности среды. Для воды эта зона представляет собой сферу с радиусом 60–70 см, для плотных осадочных пород – сферу с радиусом порядка 20–30 см.

При размерах зонда 50–60 см на кривых НГК максимальными значениями вторичного (радиационного) гамма-излучения выделяются плотные породы, не содержащие водорода.

Водородсодержащие породы (водо- и нефтенасыщенные песчаники, известняки, глины, гипсы) характеризуются минимальными значениями регистрируемых величин. Результаты измерений выражаются либо в единицах скорости счета, либо в условных единицах.