Каротаж на основе полей естественной и наведенной (искусственной)

Радиоактивности

 

Радиоактивный каротаж (РК) – совокупность методов, основанных на изучении распространения естественного или наведенного (искусственного) радиоактивного поля в разрезах скважин и околоскважинном пространстве.

На основе поля естественной радиоактивности создан метод гамма-каротажа (ГК), а на основе наведенной радиоактивности методы гамма- гамма-каротажа (ГГК) и методы нейтронного каротажа (НК).

При каротаже ГК измеряют естественную радиоактивность (J_γ) в скважине с помощью специального скважинного прибора, содержащего электронную схему и индикатор гамма-излучения. В современных комплексных приборах РК, ГК являются отдельным модулем. Кроме того, канал ГК может быть частью любого комплексного прибора ГИС. В качестве индикаторов гамма излучения используется газоразрядные и сцинтилляционные счетчики. В качестве сцинтилляторов применяют монокристаллы йодистого натрия NaJ или йодистого цезия СsJ, активированные для увеличения световыхода таллием Tl. Световая вспышка (сцинтилляция) преобразуется в электрический импульс и усиливается в 10⁵-10⁶ раз с помощью фотоэлектронных умножителей. Последний подключается к электронной схеме. Сигналы со скважинного прибора передаются по кабелю в наземную панель и регистрируется либо в цифровом, либо в аналоговом виде.

ГК являются основным методом в стандартном комплексе ГИС и эффективно используется совместно с методами КС и ПС для литологического расчленения разрезов. ГК имеет преимущество перед ПС в случае солёных буровых растворов, а также при равенстве УЭС бурового раствора (ρ_с) и фильтрата глинистого раствора (ρ_ф).

Спектрометрическая модификация ГК имеет название спектрометрического гамма-каротажа (СГК). Аппаратура СГК, как правило, имеет четыре канала: три дифференциальные для регистрации раздельного содержания урана, тория и калия и один интегральный для регистрации суммарного излучения J_γ (канал ГК). Приборы СГК, как и приборы ГК эталонируют в специальных устройствах, заполненных эталонными средами с известной концентрацией U, Th, K. По полученным эталонным значениям формируют шкалу записи каротажных диаграмм. То есть при регистрации диаграмм выбирают оптимальный масштаб напряжений. В пластах с пониженной гамма активностью скорость подъема скважинного прибора снижают до 20-50 м/час, а в случаях очень низкой гамма-активности выполняют точечные наблюдения.

Метод гамма-гамма каротажа (ГГК), или плотностной гамма-гамма метод (ГГК-П) создан на основе комптон-эффекта. Второй процесс взаимодействия γ -квантов с веществом – фотоэффект положен в основу метода гамма-гамма селективного каротажа (ГГК-С). При ГГК-П используются «жёсткие» источники гамма-квантов. Cо⁶⁰, Cs¹³⁷, а при ГГК-С мягкие источники гамма-квантов Тm¹⁷⁰, Se¹²⁴.

ГГК-П применяют для определения плотности горных пород и оценки качества крепления скважин (гамма-гамма-плотномеры и гамма-гамма цементомеры).

Скважинный прибор или модуль в комплексном приборе включает зонд ГГК-П, состоящий из источника и индикатора гамма-квантов (рис.126).

 

Рис. 126. Схема зонда ГГК

 

Источник помещается в прибор только во время каротажа, а в остальное время перевозится или хранится в специальном контейнере. Для уменьшения влияния скважины прибор снабжается прижимным устройством. Обязателен свицовый экран, который с одной стороны защищает индикатор от прямого «первичного» гамма-излучения, а с другой снижает действия гамма-излучения промывочной жидкости.

Следует отметить, что имеется аппаратура ГГК в которой на основе источников жесткого гамма-излучения осуществляется разделение гамма квантов низкой и высокой энергий за счет спекрометрии. При этом логарифм отношения скоростей счета мягкой и жесткой компонент однозначно связан с содержанием тяжелых элементов.

Нейтронные методы каротажа (НК): 1) нейтронный гамма-каротаж (НГК), 2) нейтрон-нейтроный каротаж по тепловым нейтронам (ННК-Т), 3) нейтрон-нейтронный каротаж по надтепловым нейтроном (ННК-НТ), 4) спектрометрический нейтронный гамма-каротаж (СНГК).

Зондовое устройство скважинных приборов НК имеет конструкцию подобную таковым в методах ГГК и ГГК-С (рис. 127).

 

 

Рис. 127. Схема зондов нейтронных методов каротажа

 

Источник нейтронов является ампульным и во время каротажа подсоединяется к прибору вместе с хвостовиком. Последний хранится и перевозится в специальном защитном устройстве (как и в методах ГГК должны соблюдаться меры безопасной работы с радиоактивными веществами).

Модификации НК зависят главным образом от типа детектора и окружающих его фильтров. В ННК-Т детектором служит гелиевый счетчик. Метод чувствителен к содержанию хлора (Cl). Результаты сильно зависят от Рh пластовой воды. В ННК-НТ детектор также гелиевый счетчик, но он окружен кадмиевыми фильтрами, поглощающими тепловые нейтроны, поэтому метод более тесно связан с водородосодержанием, нежели метод ННК-Т. В НГК и СНГК детекторами являются сцинтилляционные счетчики, как и в методах ГК и ГГК. Методы чувствительны к содержанию хлора, бора, лития, кадмия, кобальта и др.

При исследовании нефтяных и газовых скважин наиболее широко используется метод НГК, поскольку он обладает бо'льшей глубинностью. Однако, при высокой минерализации пластовых вод и промывочной жидкости, целесообразно применение ННК-Т и ННК-НТ. Эти методы имеют преимущества перед НГК и в том, что их показания свободны от влияния естественного гамма-излучения и гамма-излучения источников нейтронов. Длина зондов в методе ННК-Т и ННК-НТ выбирается равной 0,4-0,5 м. Глубинность исследования составляет 20-30 см, в то время как в методе НГК и СНГК она достигает 40-60 см.

Каротаж СНГК основан на изучении спектра гама-излучения радиационного захвата. Определяются преимущественно элементы, имеющие сравнительно жесткий спектр и высокое макроскопическое сечение захвата. Это Fe, Ni, Cr, Ti, Cl, Mn, Cu, S, Hg и др. В нефтегазовых скважинах СНГК имеет ограниченное применение, так как глубинность метода не превышает 20 см.

Многозондовый каротаж НК основан на определении декремента пространственного затухания плотности тепловых нейтронов в скважине с помощью двух или более детекторов, расположенных на различном расстоянии от источника.

Импульсный нейтронный каротаж (ИНК). Физическая основа: а) облучение объекта потоком быстрых нейтронов, б) регистрация тепловых нейтронов, гамма-излучения радиационного захвата (ГИРЗ), а также гамма-излучения неупругого рассеяния (ГИНР). ИНК имеет несколько модификаций, основными из которых являются импульсный нейтрон-нейтронный каротаж (ИННК) и импульсный нейтронный гамма каротаж (ИНГК).

ИНК, основанный на регистрации тепловых нейтронов и гамма-излучения радиационного захвата, реализуется путем наличия в скважинном приборе низкочастотного импульсного генератора нейтронов (f = 10-500 Гц) и называется ИННК и ИНГК. При ИННК и ИНГК изучают процесс спада плотности тепловых нейтронов или ГИРЗ во времени от периодически возбуждаемых коротковолновых импульсов генератора нейтронов. После некоторой задержки (t₃) регистрируют число импульсов во временных (Δt) окнах (рис.128).

Рис. 128. Схема возбуждения и измерения импульсов в методе ИННК

t - время следования импульсов нейтронов, Δt_g – длительность нейтронных импульсов, Δt – окно временного анализатора, t₃ – время задержки

 

По значениям числа импульсов в нескольких окнах находят параметры временного распределения. При достаточном числе временных окон (8-16) вид распределения удается восстановить с высокой детальностью. Современная цифровая аппаратура позволяет зафиксировать весь процесс спада, начиная с некоторой задержки. Зонды ИНК отличаются от зондов НК наличием импульсного, а не стационарного источника нейтронов. Наземная аппаратура содержит многоканальный временной анализатор. Преимущества методов ИНК в том, что снижается влияние скважины, так как время жизни в ней нейтронов (τ_с), меньше времени их жизни в пласте (τ_пл).