3.4 Інші ядерні методи дослідження свердловин
Цей підрозділ присвячений деяким радіоактивним методам, що набули меншого поширення, чим розглянуті вище.
Рентгенорадіометричний каротаж (РРК). РРК заснований на опроміненні гірських порід гамма-квантами і реєстрації характеристичного рентгенівського випромінювання атомів, що збуджуються при поглинанні первинних гамма-квантов. В процесі поглинання гамма-квантов в результаті фотоефекту один з електронів атома (найчастіше з оболонки) віддаляється. Його місце практично миттєво займає електрон з вищих електронних оболонок. Такий перехід електрона супроводжується випромінюванням гамма-кванта з енергією, рівній різниці енергій оболонок.
Оскільки м’яке характеристичне випромінювання поглинається середовищем, товщина якого складає всього декілька міліметрів, при РРК застосовують зонди, що використовують геометрію “прямої видимості”, тобто детектор реєструє вторинне гамма-випромінювання з тієї ж ділянки поверхні гірських порід, який опромінюється пучком первинних гамма-квантов джерела. У свердловинах, заповнених рідиною, потрібні колімація первинного і вторинного пучків та притискання приладу до стінки свердловини.
Результати РРК залежать від середнього атомного номера (Ζ) гірської породи. Із зростанням атомного номера елементу енергія зв’язку електронів в атомі і енергія рентгенівського випромінювання підвищуються. Наприклад, вона дорівнює 37,4 кеВ для 56Ва і 88 кеВ для 83Рb. Шляхом використання спектрометрів гамма-випромінювання можна виділити випромінювання окремих елементів.
Із зменшенням Ζ можливості РРК зменшуються із-за зниження енергії характеристичного випромінювання і трудності реєстрації м’яких гамма-квантів. Крім того, для легких елементів вірогідність випускання рентгенівського випромінювання збудженим атомом знижується, значна частина атомів знімає збудження шляхом випускання Оже-електронів.
РРК успішно застосовують при випробуванні свинцево-миш’якових руд на Рb, мідно-молібденових руд на Мо, для визначення Рb і Ва у свинцово-баритовых зруденіннях, а також Hg і Sb в складних рудах. Він може бути використаний для визначення і інших важких елементів.
Перевагою РРК в порівнянні з ГГКС є можливість визначення окремих елементів в складних рудах (значна селективність) і велика чутливість для елементів з помірним атомним номером (Z = 40-50). Недолік РРК - мала глибинність (від долей міліметра до 1,5 см залежно від енергії характеристичного випромінювання, тобто від Z. Мала довжина пробігу м’якого характеристичного випромінювання обумовлює істотну залежність результатів РРК від структури руд.
Активаційний каротаж – метод радіоактивного каротажу, який заснований на вимірюванні характеристик полів випромінювання штучних радіоактивних ізотопів або ізомерів, що виникають під час опромінення гірських порід зовнішнім джерелом іонізуючого випромінювання. Залежно від виду іонізуючого випромінювання виділяють нейтронний активаційний каротаж і гамма-активаційний каротаж.
Гамма-кванти окрім взаємодії з атомами в цілому можуть поглинатися ядром. При цій реакції, званій фотоядерній, випускаються нейтрони, протони або інші частки. У свердловинних умовах з усіх продуктів реакції реальна реєстрація лише нейтронів. Всі фотоядерні реакції є пороговими, тобто реакція (γ, n) йде при енергії гамма-кванта, що перевищує енергію зв’язку нейтронів в ядрі. Остання для різних ізотопів міняється від 1,67 МэВ для Be до 20,0 МэВ для деяких ізотопів Не, С, О.
Метод, який заснований на вимірюванні характеристик полів нейтронного випромінювання гірських порід, що утворюється як результат їх опромінення зовнішнім джерелом гамма-випромінювання називають гамма-нейтронним каротажем (ГНК).
Сучасні ізотопні свердловинні джерела випромінюють гамма-кванти з енергією в основному до 3 МэВ, реакції (γ, n) з їх допомогою можуть здійснюватися лише на ізотопах з порогом реакції нижче 3 МэВ. Таких ізотопів два - 49Ве і рідкісний ізотоп водню 12Н, званий дейтерієм. Поріг реакції для них дорівнює відповідно 1,67 і 2,23 МэВ. Для визначення інших елементів необхідно створити свердловинні генератори жорстких гамма-квантів.
Радіус зони дослідження ГНК складає 0,2-0,3 м. Аномалії ГНК проти пластів з підвищеною концентрацією Be симетричні. Ширина аномалії на середині висоти дорівнює потужності пласта, якщо остання більше 0,25 м. Інтерпретація діаграм ГНК багато в чому подібна до інтерпретації діаграм ГК.
Вміст берилія в однорідних пластах великої потужності (hδ>80 г/см2) знаходять шляхом ділення показів в максимумі аномалії на перелічувальний коефіцієнт, що визначають на моделях пластів (або по показах проти пластів з відомим вмістом Be). При малій потужності пластів або у разі їх значної неоднорідності визначають площу кривої під аномалією і за її величиною знаходять питомі лінійні запаси Be.
Гамма-активаційний каротаж (ГАК). На відміну від ГНК ГАК має високу селективність до елементів з високим порогом реакції. За періодами напіврозпаду і спектрі гамма-випромінювання ізотопів, що утворюються, можна визначити вид радіоактивного ізотопу. При досить високій енергії джерела метод перспективний для визначення великого числа елементів.
Перевагою ГАК є невеликий період розпаду ізотопів, що утворюються при активації гамма-квантами, а також досить інтенсивна активація таких елементів, що мають низьке січення поглинання повільних нейтронів, як вуглець, кисень та ін.
Каротаж мічених атомів заснований на вимірюванні по стобурі свердловини характеристик полів нейтронного та гамма- випромінювання після введення у свердловину радіоактивних ізотопів або інших нерадіоактивних речовин, що призводять відповідно до зміни природної радіоактивності та нейтронних характеристик гірських порід у присвердловинній зоні.
Метод радіоактивних ізотопів заснований на тому, що в буровий розчин вводять деяку кількість радіоактивного ізотопу і простежують просування такого міченого розчину шляхом виміру гамма-випромінювання по стовбуру свердловини. Для активування розчину застосовують радіоактивні речовини, що добре розчиняються в буровому розчині. Іноді використовують порошкоподібні речовини, збагачені радіоактивним ізотопом. Щоб зменшити термін радіоактивного зараження свердловини, період напіврозпаду ізотопу слід брати невеликим. Найширше зараз застосовують ізотопи 131J (T1/2=8,1 діб), 59Fe (T1/2=45,1 діб), 95Zr (T1/2=65 діб).
Перешкодами при застосуванні методу ізотопів є сорбція радіоактивних з’єднань непроникними породами, особливо глинами, а в обсаджених свердловинах - обсадною колоной. Крім того, можливі помилкові аномалії на забої (внаслідок скупчення радіоактивних осадів) і на верхній межі нафти у стовбурі свердловини (за рахунок сорбції нафтою радіоактивного ізотопу). Роботи з використанням відкритих радіоактивних ізотопів належать до дуже небезпечних і вимагають ретельного дотримання заходів техніки безпеки.
Наведені недоліки методу ізотопів відсутні при застосуванні мічених розчинів нерадіоактивними речовинами. Серед останніх важливе місце займають речовини з високим січенням поглинання нейтронів і речовин, що добре активуються нейтронами. Шляхи руху таких розчинів визначають за допомогою відповідно нейтронного і активаційного каротажу.
Каротаж мічених атомів застосовують для: виявлення пластів-колекторів як в необсаджених, так і в обсаджених свердловинах; розділення водо- і нафтонасичених порід шляхом закачування міченого розчину, переважно проникаючого або у водоносні (розчин на водній основі), або в нафтоносні пласти (розчин на нафтовій основі); вивчення технічного стану свердловин.
Ядерно-магнітний каротаж (ЯМК) заснований на спостереженні сигналу вільної прецесії ядер водню в магнітному полі Землі. Ядерно-магнітний каротаж (ЯМК) базується на вивченні штучного електромагнітного поля, яке утворюється в результаті взаємодії магнітного моменту та спіну ядер хімічних елементів із зовнішнім магнітним полем.
Ядра елементів (водню, фтору, алюмінію, вуглецю-13 та ін.) володіють власним механічним моментом (спіном) і магнітним моментом, осі яких співпадають. При розташуванні таких ядер в постійному зовнішньому магнітному полі Н їх магнітні моменти прагнуть орієнтуватися у напрямі вектора даного поля, що веде до виникнення ядерної намагніченості.
При знятті зовнішнього магнітного поля, через неупорядований тепловий рух атомів і молекул речовини, відбувається руйнування наведеної намагніченості. Якщо це відбувається у присутності залишкового магнітного поля, наприклад, поля Землі, ядра прагнуть переміщатися уздовж цього поля, прецесуючи навкруги нього подібно дзиги в полі сили тяжіння, з частотою ω:
(3.
38)
де – магнітний момент процесуючих ядер; P – механічний момент поцесуючих ядер; Hз – напруженість магнітного поля Землі; 0 – магнітна проникність середовища.
Серед породоутворюючих елементів ефект ядерного магнетизму найбільш сильно виражений у водню, оскільки ядрам атомів водню властиве найбільше значення гіромагнітного відношення. Ядерний магнетизм всіх інших елементів дуже малий, щоб його можна було використовувати для вивчення розрізів свердловин.
Для реєстрації ефектів вільної прецесії ядер водню у свердловину опускають свердловинний прилад, що складається з котушки, підсилювача і перемикача, який поперемінно підключає виведення котушки то до джерела постійного струму силою 3 А, то до входу підсилювача.
Схематично процеси, що відбувається при ЯМК, і виникаючі при цьому вектори ядерної намагніченості показані на рисунках 3.13 та 3.14.
з – магнітний момент Землі
Рисунок 3.13 – Поведінка вектора намагніченості ядер