28 Вопрос

Ядерно-физические исследования скважин — радиоактивный каротаж — совокупность методов, основанных на изучении полей нейтронов, гамма- и рентгеновских квантов в скважине и околоскважинном пространстве.

Важнейшие отличительные особенности ядерно-физических методов (ЯФМ), определяющие их роль и место в комплексе ГИС, заключаются в следующем: большинство ЯФМ применимо как в открытом стволе, так и в обсаженных скважинах, в связи с чем их используют на всех этапах горно-геологического процесса; показания ЯФМ обусловлены в основном элементным составом горных пород, что позволяет в ряде случаев осуществить литологическое расчленение пород, а также поиск и разведку полезных ископаемых на основе прямых признаков; показания ЯФМ практически не зависят от текстуры и структуры среды, что упрощает изучение вещественного состава пород и, в принципе, дает возможность, комплексируя ЯФМ с методами, чувствительными к текстурно-структурным свойствам, оценить тип порового пространства.

Основные определения

Поток микрочастиц, возникающий в результате ядерных реакций, или самопроизвольного распада ядер, называют ядерным излучением.

Ядерной реакцией в широком смысле называют любой процесс взаимодействия (столкновения) простой или сложной микрочастицы с ядром или другой микрочастицей. Реакция, в которой налетающая частица а взаимодействует с ядром мишени

Х образуя ядро Y и частицу b, имеет три вида записи:

Основные виды излучения связаны с образованием нейтронов (n), протонов (р), - и -частиц, гамма () и рентгеновских (х) квантов.

Излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрических зарядов, называют ионизирующими. Взаимодействие заряженных частиц (,, р) со средой приводит к непосредственной ионизации атомов или молекул, незаряженных частиц (, х, п) — к ионизации среды заряжен-ными частицами (,, р), возникающими в процессе ядерных реакций.

В результате взаимодействия со средой излучение рассеивается и (или) поглощается.

Рассеяние излучения — процесс взаимодействия, в результате которого меняется направление и (или) энергия частиц. Поглощение излучения — процесс, при котором частицы прекращают свое существование.

Радиоактивность — самопроизвольный распад ядра с испусканием одной или нескольких частиц. Ее можно трактовать как распад ранее возбужденного долгоживущего ядра, т. е. как частный случай ядерной реакции. Обычно радиоактивность проявляется в а- или -излучении (а- или -распаде), -излучении, возникающем в результате а- и -распада, х-излучении, возникающем в результате электронного захвата, и л-излучении при

делении тяжелых ядер.

Закон радиоактивного распада имеет форму записи:

Поля излучений характеризуются плотностью частиц, плотностью потока частиц, их энергией и интенсивностью. Плотность частиц n — количество частиц, находящихся в данный момент времени в единице объема. Плотность потока Ф пучка частиц — их число, падающее в одну секунду на единичную площадку, перпендикулярную к пучку. Очевидно, что:

где v — скорость частиц в направлении, перпендикулярном к площадке.

Энергию частиц Е измеряют в электрон-вольтах (эВ). Электрон-вольт— энергия, приобретаемая электроном под воздействием разности потенциалов в один вольт. Применяют также единицы килоэлектрон-вольты (кэВ) и мегаэлектронвольты

(МэВ) (.1 МэВ=103 кэВ=106эВ).

Интенсивность J — поток энергии излучения, падающего в единицу времени на единичную площадку. Для моноэнергетического пучка частиц с энергией Е

ГАММА-КАРОТАЖ

Метод ГИС, основанный на регистрации у-квантов естественного происхождения, называют гамма-каротажем. Существует интегральный гамма-каротаж (ГК), показания которого характеризуют интегральное содержание естественных радиоактивных элементов (ЕРЭ) в исследуемом пласте, и спектрометрический гамма-каротаж (СГК), показания которого позволяют получить сведения о раздельном содержании ЕРЭ.

Применение гамма-каротажа целесообразно при поисках и разведке месторождений урана, тория, калийсодержащего сырья и других полезных ископаемых, обладающих повышенной радиоактивностью. В качестве примера на рис. 92 приведены результаты интегрального ГК, выполненного с целью выделения пластов калийной соли (сильвинита), содержащей изотоп 40К. Видно, что ГК позволяет существенно уточнить данные,

полученные с помощью бурения. Иногда ГК используют для выделения полезных ископаемых, отличающихся более низкой радиоактивностью, чем вмещающие породы. Так угли на диаграммах ГК обычно отмечаются минимумами интенсивности. Понижением амплитуд характеризуются сульфиды.

В ряде случаев по диаграммам ГК удается осуществить литологическое расчленение и корреляцию разрезов. В первую очередь это касается глинистых разностей и углей в осадочных породах, а также гранитоидов в породах изверженного типа. Важную роль играет ГК при поисках и разведке нефтегазовых месторождений. Здесь его применяют для выделения глин и глинистых пород, экранирующих коллекторы, а также для

оценки параметров, связанных корреляционными отношениями с радиоактивностью. К ним в первую очередь относят глинистость в терригенных разрезах и содержание нерастворимого осадка в карбонатах. В некоторых случаях с помощью ГК удается оценить проницаемость.

Спектрометрическая модификация ГК

Гамма-каротаж спектрометрический (СГК) позволяет получить сведения о раздельном содержании в разрезе урана, тория и калия.

Эта информация представляет интерес при оценке равновесных урано-ториевых руд, расчленении и корреляции немых толщ, при поисках и разведке месторождений бокситов, фосфоритов, редких земель и золота, где уран и торий накаплива- ются вместе с основными элементами и играют роль геохимических индикаторов.

Важную роль СГК может играть при поисках и разведке нефтегазовых месторождений. Он позволяет оценить глинистость полимиктовых отложений, идентифицировать коллек-

торы, сложенные моноцитовыми и глауконитовыми песчаниками, которые по интегральному ГК часто ошибочно относят к сильно глинистым разностям, отличить глинистые карбонаты от карбонатов, радиоактивность которых обусловлена битуми-

нозностью, определить минеральный состав глин, количественно оценить глинистость и параметры коллекторов, фильтрационноемкостные свойства которых зависят от типа и степени глинистости.

ГАММА-ГАММА-КАРОТАЖ

Метод ГИС, заключающийся в облучении пород или системы колонна—цемент гамма-квантами и регистрации рассеянных гамма-квантов, достигших детектора, называют гамма-гаммакаротажем (ГГК). Существуют плотностная и селективная мо-

дификации ГТК.

Плотностной ГГК

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

Селективный ГГК

Селективный гамма-гамма-каротаж (ГГК-С) предназначен для изучения вещественного состава пород и руд.

РЕНТГЕНОРАДИОМЕТРИЧЕСКИЙ КАРОТАЖ

Метод ГИС, основанный на возбуждении и регистрации характеристического рентгеновского излучения элементов, входящих в состав горных пород, называют рентгенорадиометрическим каротажем (РРК). Все большее применение РРК находит на различных стадиях горно-геологического процесса. Его основное достоинство—возможность аналитических определений многих рудных элементов непосредственно в скважине. Достижимые пределы обнаружения достаточны для оконтуривания рудных зон, опробования и определения подсчетных параметров на этапах раз-

ведки и эксплуатации.

НЕЙТРОННЫЙ КАРОТАЖ

Метод ГИС, основанный на облучении горных пород стационарным потоком быстрых нейтронов и регистрации тепловых нейтронов, надтепловых нейтронов или у-квантов радиационного захвата называют нейтронным каротажем (НК).

рименение нейтронного каротажа Основные задачи, решаемые с помощью НК — литологическое расчленение разрезов и выделение нефтенасыщенных, водонасыщенных и газонасыщенных коллекторов, определение коэффициентов пористости, нахождение водонефтяного (ВНК) и газожидкостного (ГЖК) контактов, выделение и оценка руд,

содержащих элементы с высоким сечением поглощения, выделение бурых углей.

ГАММА-НЕЙТРОННЫЙ И НЕЙТРОННО-

АКТИВАЦИОННЫЙ КАРОТАЖ

Гамма-кванты кроме фотоэффекта, при котором они поглощаются атомами, могут поглощаться ядрами атомов. Реакции этого типа, называемые фотоядерными, лежат в основе гамманейтронного каротажа (ГНК). Нейтронно-активационный каро-

таж основан на изучении искусственной радиоактивности, возникающей при облучении горных пород нейтронами.

Применяют НАК для поисков и разведки руд флюорита алюминия, марганца, ванадия

и др. В нефтегазовых скважинах его используют в основном для

идентификации кислорода. В обсаженной скважине показания неподвижного прибора при прочих равных условиях зависят от скорости движения кислородсодержащей жидкости за

обсадкой — чем больше скорость, тем меньше время активации.

Поэтому НАК успешно применяют для выделения затрубных

перетоков.