Естественная гамма-активность

 

При разработке многих месторождений нефти и газа обнаружено существенное повышение показаний гамма-метода против обводненных продуктивных пластов (радиогеохимический эффект). Исследования, проведенные А.Ф. Алексеевым, М.Х. Хуснуллиным и другими учеными на Ромашкинском нефтяном месторождении, показали, что этот эффект обусловлен обогащением радием пластовых или закачиваемых вод на фронте вытеснения нефти водой.

Объемная гамма-активность горной породы (далее ‑ объемная активность) есть сумма активностей ее компонентов, в простейшем случае ‑ трехкомпонентной породы (твердая фаза, остаточная вода, нефть или газ).

Основной вклад в активность небитуминозных пород обычно дает твердая фаза. Лишь в породах, обогащенных окисленными битумами или керогеном, активность порозаполнителя может быть намного выше активности твердой фазы. Вкладом активности газа и нефти, а в большинстве случаев также пластовой воды в общую активность горной породы можно пренебречь. Вклад активности воды может быть заметен иногда в зоне водонефтяного контакта, а также в обводненных пластах в процессе разработки месторождения.

Гамма-активность горных пород обусловлена дочерними элементами семейств урана и тория, а также радиоактивным изотопом калия ⁴⁰К. Важнейшее значение среди дочерних элементов имеют изотопы радия ²²⁶Ra (семейство урана ²³⁸U, период полураспада ~ 1600 лет), ²²⁸Ra (семейство тория, период полураспада 6,7 года), а также более короткоживущие продукты их распада.

Поскольку по своим химическим свойствам Ra существенно отличается от U и Th, распределение дочерних радиоактивных элементов между компонентами породы может не совпадать с распределением U и Тh. Так, в водах нефтяных месторождений концентрация урана мала, концентрация радия может быть значительно выше равновесного количества из-за его выщелачивания из твердой фазы. Высокой способностью выщелачивать уран обладают высокоминерализованные хлористые воды, характерные для многих нефтяных и газовых месторождений, особенно в застойных зонах водонефтяных и газоводяных контактов.

На некоторых нефтяных месторождениях причиной повышения содержания радия в зонах ВНК могут служить пластовые воды, поступившие из нижележащих горизонтов разреза при наличии тектонических нарушений, которые более минерализованы и метаморфизованы, а поэтому более радиоактивны. В этих зонах наблюдаются повышенные концентрации Ва, Br, J, H₂S, СН₄ и содержание ²²⁶Ra может в 10³ -10⁴ раз превышать его концентрацию, соответствующую радиоактивному равновесию с ураном. По-видимому, еще большую выщелачивающую способность имеет остаточная вода внутри залежи. Внутри залежи объем воды на единицу объема породы в 1/К_B раз ниже, чем в водоносной части пласта, при равных К_П. Поэтому выщелачиваемый из пород радий здесь концентрируется в меньшем объеме воды, а его содержание может быть значительно выше (в пределе 1/К_B раз), чем в свободной воде ниже контактов.

Некоторое значение иногда, видимо, имеет и переход радия из нефти в связанную и законтурную воду. Коэффициент равновесного распределения радия в системе нефть ‑ вода, т.е. отношение концентраций радия в нефти и воде (C_RaH/С_RaB) при термодинамическом равновесии, по данным М.Х. Хуснуллина для Ромашкинского месторождения, составляет 3·10^-4. Поэтому если содержание радия в нефти превышает 0,03 % от его содержания в воде, то может происходить пе реход радия из нефти в воду. Смешивание вытесняющих вод с высокоактивной остаточной водой внутри залежи приводит к образованию относительно высокорадиоактивной оторочки воды на фронте вытеснения.

После прохождения высокоактивной оторочки радиоактивность пласта уменьшается и во многих случаях, по-видимому, приближается к активности пласта до начала обводнения. В то же время повторные замеры гамма-методом (ГМ) в обводнившихся скважинах показывают многократно повышение интенсивности естественного гамма-излучения, при этом высокие показания ГМ сохраняются во времени или лишь на немного уменьшаются.

Исследования М.Х. Хуснуллина показали, что радиогеохимический эффект в основном объясняется осаждением радиоактивных веществ на поверхностях цементного камня, электропогружных насосов, обсадных колонн и насосно-компрессорных трубок (частично возможна сорбция в прискважинной зоне пласта при прохождении активной оторочки).

Основной концентратор бария и радия ‑ цементное кольцо, однако, часть ионов Ва^{2 +} и Ra²⁺ и часть радиобарита (или радиокальцита) может осаждаться и в прискважинной зоне пласта. Таким образом, выпадение радиобарита и радиоактивного кальцита на поверхности цементного камня против обводняющихся продуктивных пластов является дополнительным фактором увеличения регистрируемой естественной радиоактивности и имеет важное значение для определения интервалов обводнения нефтеносных пластов. Когда вода высокоактивной оторочки поступает в ствол скважины, ионы Ва²⁺, Ra²⁺ и микрочастицы радиобарита (или радиокальцита) сорбируются на обсадной колонне, подземном оборудовании, возникают ложные аномалии радиоактивности и против необводненных интервалов, что затрудняет интерпретацию данных ГМ.

Описанный механизм возникновения радиогеохимических аномалий, по-видимому, наиболее распространен, а на нефтяных месторождениях, возможно, единствен. На некоторых газоконденсатных месторождениях предполагают также наличие других механизмов образования радиогеохимических эффектов. Так, на Оренбургском газоконденсатном месторождении наблюдаются «плавающие» аномалии ГМ на газожидкостном разделе (ГЖР) в скважине, положение которых меняется при изменении режимов работы скважины синхронно с изменением ГЖР. Вероятно, эти аномалии обусловлены слоем газового конденсата, плавающего на поверхности воды в стволе скважины.

Повышение радиоактивности конденсата связывают с его выпадением в пласте при понижении давления и растворением в нем высокорадиоактивных битумов, присутствующих в разрезах ряда газоконденсатных месторождений. Подобные аномалии не всегда связаны с обводнением пластов и могут возникать в необсаженных скважинах. Многое в этом механизме возникновения аномалий ГМ еще неясно, что требует более детального изучения.

Следует подчеркнуть, что при любом механизме возникновения радиогеохимический эффект зависит от большого числа факторов и наблюдается лишь на части месторождений и не во всех скважинах одного и того же месторождения. Поэтому, чтобы эффективно применять ГМ для контроля разработки, необходимо проводить дополнительные исследования в каждом нефтегазоносном районе, а иногда и на отдельных своеобразных месторождениях для изучения условий и механизма возникновения радиогеохимического эффекта, его связи с обводнением и другими процессами, уточнения круга задач, которые могут быть решены с его использованием.

 

Контрольные вопросы

1. Какой эффект возникает при обводнении продуктивных пластов?

2. Какими причинами можно объяснить повышение радия в зонах ВНК?