Рис. 101. Функции Fp,п, характеризующие распад ядерно-магнитного поля для однокомпонентной (а) и двухкомпонентной (б) характеристик продольной релаксации.

1 — Fр,п = f (τ); 2, 2' — Fp,п = f (τ) для компонент релаксации; 3, 3' — для компонент релаксации, смещенных в точку Fр,п = 1 — при τ = О

Глубина исследования ядерно-магнитным методом не превышает 10—15 см. Поэтому результаты интерпретации могут быть существенно искажены в случае внутренней глинизации пор глинистым раствором в зоне его проникновения, частичного заполнения пор невытесненным газом, вследствие неровностей стенок скважины и трещиноватости пород, созданной их разрушением в процессе бурения. Повышенное содержание в породах и в глинистом растворе ферримагнитных — минералов в большинстве случаев исключает возможность применения ядерно-магнитного метода.

Глава VII.ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ДИАГРАММ РАДИОМЕТРИИ СКВАЖИН

§ 48. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАДИОАКТИВНЫХ МЕТОДАХ ИССЛЕДОВАНИЯ СКВАЖИН. ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ

При геофизических исследованиях скважин в настоящее время используют широкий комплекс ядерных методов, а именно: естественного гамма-излучения (гамма-метод), рассеянного гамма-излучения (гамма-гамма-метод), изотопов, рентгено-радиографический, нейтрон-нейтронные по тепловым и надтепловым нейтронам, нейтронный-гамма-метод, импульсные нейтрон-нейтронные и нейтронный-гамма-методы, наведенной активности (нейтронно-активационный).

Значительная дифференциация горных пород по их радиоактивным свойствам позволяет широко использовать радиоактивные методы для расчленения разрезов скважин, изучения коллекторских свойств пород и выделения полезных ископаемых.

Специфические особенности радиоактивных измерений — их статистический характер по интенсивности и энергиям фиксируемых частиц, наличие сторонних (фоновых) излучений, одновременно регистрируемых с изучаемыми, а также зависимость измеряемой величины от спектральной характеристики индикатора, обычно не являющейся константой даже для индикаторов одного типа. Последняя особенность в большинстве случаев исключает возможность непосредственного использования диаграмм радиометрии скважин, зарегистрированных в единицах разностей потенциалов на выходе интегрирующей ячейки, пропорциональных интегральному счету регистрируемых частиц за единицу времени или (при соответствующем эталонировании радиометра) в единицах мощности дозы гаммаизлучения в микрорентгена х/час. При интерпретации данных радиометрии скважин чаще всего используют следующие относительные единицы.

1. Единица относительного разностного параметра

139

(175)

где ІХ — интенсивность измеряемого излучения в изучаемом пласте х; I΄oп и I΄΄oп — интенсивности измеряемого излучения в двух опорных средах (О выборе опорных сред будет сказано при обзоре методики интерпретации конкретных способов радиометрии скважин. Для повышения точности исследований опорные среды должны быть едиными для района исследования).

Параметр ∆J не зависит от конструктивных особенностей аппаратуры и наличия фона [4] при условии, если спектральная характеристика измеряемого излучения одинакова в изучаемой и опорной средах.

Для удобства чтения диаграмм в двойном разностном параметре за его единицу целесообразно брать 0,01 (I΄΄oп — Ioп).

Обозначив эту величину через [∆І]ед, получим

(176) 2. Вероятностная нормализованная единица. За вероятностную единицу [∆І]вер (по В.

В. Ларионову) принимают удвоенную величину дисперсии а измеряемого параметра, полученную в эталонной скважине со спектральной характеристикой разреза, близкой к спектральной характеристике разрезов изучаемых скважин:

(177)

где pi — статистический вес участков эталонной скважины, характеризующихся интенсивностью Іэс,i ( изучаемого излучения; Іэс — математическое ожидание средней величины Іэс на всем интервале разреза эталонной скважины:

В нормализованной единице измеряемый параметр Ix количественно оценивается величиной

(178)

где а — постоянная величина, условно оцениваемая числом 3,5, практически исключающая возможность отрицательных значений Інх.

3. Относительная единица. В системе относительных единиц интенсивность излучения оценивается величиной отношения

(179)

где Іх; и Іоп — регистрируемые интенсивности излучения в изучаемом и опорном пластах.

Относительную единицу используют в тех радиоактивных методах (изотопов, нейтрон-нейтронном), в которых фоновые излучения имеют интенсивность на один-два порядка меньшую изучаемого.

§ 49. ЕСТЕСТВЕННАЯ ГАММА-АКТИВНОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД

Естественная гамма-активность горных пород определяется содержанием радия, урана, тория, Отчасти активно-урана (включая радиоактивные продукты распада этих

элементов) и изотопа калия 1940 K . В несопоставимо меньшей степени гамма-активность связана с присутствием в породах других радиоактивных элементов: 3787 Rb ,13857 La ,17671 Lu , 23994 Pu .

Естественная радиоактивность горных пород оценивается следующими единицами. 1. Числом распадов в секунду (расп/с), а также единицей кюри (Ки). Единице кюри

140

соответствует количество радиоактивного вещества, в котором распадается столько же атомов, сколько распадается в одном грамме радия. В геофизической практике используют микрокюри (10-6 Ки), что соответствует распаду в среднем 3,7ּ104 атомов в секунду.

2. Эквивалентным содержанием радия (по гамма-излучению). За единицу эквивалентной массовой концентрации qγ радия по гамма-излучению принимают грамм эквивалента радия на грамм породы (гּэкв. Ra/г, в единицах СИ кг·экв. Ra/кг). Граммэквивалент радия (кг-эквивалент радия) равен суммарной концентрации радиоактивных элементов, при которой в среднем в секунду в грамме (килограмме) вещества происходит излучение того же числа гамма-квантов, как и в грамме (килограмме) радия.

При геофизических исследованиях скважин целесообразно пользоваться объемной единицей концентрации kγ радиоактивных элементов. В единицах СИ наиболее удобна

При использовании единиц концентрации по гамма-излучению необходимо учитывать спектр излучения при эталонировке измерительной аппаратуры.

3. Мощностью дозы гамма-излучения в рентгенах в час (Р/ч), миллирентгенах в час (10-3 Р/ч) и микрорентгенах в час (10-6 Р/ч). Единица микрорентген в час называется гаммой.

В магматических горных породах уран и торий обычно содержатся в виде рассеянных первичных минералов, например уранинита, бреггерита, торита, торианита, самарскита, лодочникита и других. Из магматических пород наиболее радиоактивны кислые породы,

радиоактивны. Наименьшую радиоактивность имеют ультраосновные породы.

В осадочных горных породах уран и торий присутствуют в виде продуктов разрушения первичных минералов, многочисленных вторичных минералов — силикатов, сульфатов, фосфатов, карбонатов, арсенатов, ванадатов, а также в виде ионов, преимущественно урана и радия, сорбированных поверхностью частиц, составляющих породу. Одним из распространенных минералов тория является ториеносный монацит.

Из осадочных горных пород (не содержащих сосредоточенных скоплений радиоактивных минералов) наибольшую радиоактивность имеют глубоководные илы, тонкодисперсные и битуминозные глины, образовавшиеся в восстановительной обстановке. В этих условиях происходит выпадение урана из растворов; коллоидный материал глубоководных отложений (включая органические коллоиды) интенсивно адсорбирует многовалентные ионы урана, и осадок обогащается тонкодисперсными продуктами разрушение минералов тория. Повышенная радиоактивность глинистых осадков объясняется также присутствием калия. Гамма-активность глубоководных осадков достигает

60 нкг экв Ra . м3

Гамма-активность неглубоководных и континентальных глин, мергелей,

увеличением содержания в них тонкодисперсного и особенно коллоидного материала. Радиоактивность песков, песчаников, известняков и доломитов еще ниже, и их гамма-

141

активность наблюдается в зонах современной вторичной доломитизации в песках и песчаниках полимиктового состава, а также содержащих глауконит. Довольно большой вклад в гамма-активность осадочных пород вносят акцессорные минералы: циркон, сфен, ксенотим и др. Для песчано-глинистых и карбонатных пород характерно увеличение гаммаактивности с возрастанием их глинистости. В частности, объемная гамма-активность терригенных пород с двухкомпонентной твердой фазой, состоящей из скелетной составляющей с объемной гамма-активностью kγ,cк, пластичной (глинистой составляющей с гамма-активностью kγ,гл и неактивным заполнителем порового пространства, удовлетворяет уравнению

(180)

где f (kгл) — зависимость коэффициента kп,р реальной пористости от глинистости. Приближенно зависимость относительной объемной гамма-активности от

глинистости удовлетворяет уравнению

(181)

В формуле (181) kγ,х, kγ,гл=0, kγ,гл=1 — гамма-активность в породе с объемным содержанием глинистости kгл = х в чистой неглинистой породе (гл = 0) и чистой глине (гл = 1); aгл — показатель степени, близкий к единице (рис. 102).

Рис. 102. Зависимость qγ,п / qγ,гл и kγ,п / kγ,гл объемных гамма-активностей от массовой Сгл и объемной kгл глинистостей.

1- kγ,п / kγ,гл=f(kгл); 2- kγ,п / kγ,гл=f(Cгл); 3- qγ,п / qγ,гл=f(kгл); 4- qγ,п / qγ,гл=f(Cгл). Для зависимостей 1 и 2- kγ,ск/ k γ,гл=0,1; Для зависимостей 3 и 4 qγ,ск/ qγ,гл=0,1; Вгл=1,5

Наименьшую гамма-активность из всех осадочных пород, определяемую долями

инг экв Ra ,имеют большинство ископаемых углей и гидрохимические осадки (гипсы,

м3

ангидриды, каменная соль), за исключением калийных солей. Последние (сильвин, карналит

идр.) характеризуются высокой гамма-активностью — до 50 нгк экв Ra .

м3

142

§ 50. КРИВЫЕ ИНТЕНСИВНОСТИ ЕСТЕСТВЕННОГО ГАММАИЗЛУЧЕНИЯ

В тех случаях, когда искажающего влияния интегрирующей ячейки нет при пересечении однородного пласта мощностью h, естественная гамма-активность которого kγ,п отличается на ∆kγ от kγ,вм кривые интенсивности Iγ гамма-излучения по оси скважин симметричны (рис. 103, параметр υτя = 0). При непрерывной записи кривой Iγ со скоростью υ в связи с влиянием постоянной времени τя интегрирующей ячейки ее симметрия нарушается. Точки оптимальных значений экстремумов кривой смещаются по направлению движения радиометра тем больше, чем больше произведение (В практике оценивается величиной

мч с) υτя (рис. 103, υτя ≠ 0). Анализ кривых, изображенных на рис. 103, приводит к следующим выводам.

Рис, 103. Теоретические кривые ∆Іγ/∆Іγ∞ при различных значениях параметра υτ (шифр кривых).h и dc указаны в метрах

1. Наибольшее приращение ∆Іγ,мах интенсивности регистрируемого гамма-излучения при υτя = 0 приурочено посередине пласта. При прочих равных условиях ∆Іγ,мах понижается с уменьшением мощности h и увеличением роизведения υτя. Зависимость ∆Іγ,мах=f(h) определяется коэффициентом

(182)

значения которого в функции h для различных величин υτя приведены на рис. 104, а.

143

Рис. 104. Зависимости νγ от h(a), z от h (б) и hф от h (в). Шифр кривых — υτя

2. В пластах большой мощности (при υτя = 0) границы пласта приурочены к точкам перегиба кривых, в которых ∆Іγ,iр = 0,5 ∆Іγ,мах. С уменьшением h эти точки смещаются относительно границ пласта в сторону вмещающих пород тем больше, чем меньше мощность пласта.

С увеличением υτя точки перегиба кривых смещаются в направлении движения радиометра тем больше, чем больше произведение υτя. При этом возрастает фиктивная мощность пласта. На рис. 104, б, в приведены зависимости расстояния z границы пласта от

точки кривой, в которой ∆Іγ= 0,5 ∆Іγ,мах и hФ = f (h) для различных υτя (см. также номограмму, приведенную в [2]).

Впластах малой мощности при частом их переслаивании при kγ,п≠kγ,вм мощность

пласта и суммарная мощность тонких пропластков определяются по площади Ωγ аномалии, если известно ∆Іγ∞. За величину ∆ ∆Іγ∞ принимают его значение в одном из пропластков, составляющих пачку, или в близрасположенном пласте идентичного минерального состава, в которых значение ∆Іγ∞ может быть определено с требуемой точностью.

Вэтих условиях

(183)

144

Если угол β встречи пласта со скважиной не равен π/2, расчет по формуле (183) для обычных диаметров скважин дает суммарную видимую мощность пластов, истинное значение которой

§ 51. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕСТЕСТВЕННОЙ ГАММА-АКТИВНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД

Оптимальная (максимальная в пластах высокой гамма-активности и минимальная в пластах низкой гамма-активности) интенсивность естественного гамма-излучения, регистрируемого прибором данной конструкции, в пластах столь большой мощности, при которой νγ = 1, находится в сложной зависимости от содержания kγ,п, kγ,р гамма-активных элементов в породе и глинистом растворе, коэффициентов µр и µп поглощения гамма-

излучения в растворе и породе и средней толщины слоя глинистого раствора ∆р = dC − dΠ

2

(dп — диаметр прибора, отделяющего прибор от стенок скважины).

При исследовании обсаженных скважин интенсивность гамма-излучения, кроме того, зависит от толщин ∆ц цементного кольца и ∆к стенок обсадных колонн, гамма-активности кγ,ц цемента и коэффициентов µц и µк поглощения излучения в цементе и колонне.

Влияние мощности h пласта и произведения υτя на показания учитывают приведением измеренного приращения ∆Іγ max к величине ∆Іγ∞ этого приращения в пласте неограниченной мощности:

(184)

Коэффициент νγ находят по кривым, приведенным на рис. 104, а для заданных значений υτя и мощности h пласта. При h > 1 м влиянием произведения υτя можно пренебречь, если

(185)

Для пласта неограниченной» мощности

(186)

Вид функцииизучен для частных значении параметров, входящих в формулу (186). В остальных случаях для определения kγ,п вводят поправки за влияние указанных в формуле (186) факторов. Поглощение гамма-излучения в глинистом растворе, обсадных колоннах и в цементе учитывают одним из следующих способов.

СПОСОБ УЧЕТА ПОГЛОЩЕНИЯ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ В СРЕДЕ, ОТДЕЛЯЮЩЕЙ РАДИОМЕТР ОТ ИЗУЧАЕМЫХ ПОРОД

Вэтом способе подсчитывают поверхностную плотность глинистого раствора, колонн

ицементного стакана (в г/см2 ):

(187)

где — плотности и средние значения толщины глинистого раствора, обсадных колонн и слоя цемента.

Подсчитав ΰ, по кривой 1, приведенной на рис. 105, определяют поправочный коэффициент ηγ и рассчитывают исправленное значение Іγ,п,исп по формуле

145

(188)

где Іγ,ф — интенсивность излучения фона (прибора, космического излучения).

Рис. 105. Зависимости поправочных коэффициентов ηγ и ηγ,в от ΰ и ∆р (кривая 1) и γγ, к от ∆к (кривая 2).

В другом варианте способа, рекомендуемого в работе [31], вместо ηγ берут произведение ηγ,р· ηγ,к поправочных коэффициентов за поглощение гамма-излучения в растворе (ηγ,р = ηγ,вδр) и в колонне. Поправочные коэффициенты ηγ,р и ηγ,к определяют по кривым 1 и 2 рис. 105. Искомую гамма-активность породы рассчитывают по формуле

(189)

где Cγ — постоянная эталонирования радиометра.

В способе поверхностной плотности не учитывается гамма-активность раствора и цемента. Он может быть рекомендован только для определения гамма-активности пород, слагающих разрезы сухих скважин, или в тех случаях, когда kγ,п›› kγ,р и kγ,ц.

СПОСОБ УЧЕТА ГАММА-АКТИВНОСТИ СРЕД, ЗАПОЛНЯЮЩИХ СКВАЖИНЫ В необсаженной скважине регистрируемая интенсивность Іγ∞ является суммой гамма-

излучений Іγ,п и Іγ,р, поступающих из породы и раствора, и гамма-излучения Іγ,ф фона:

(190)

где Сγ — постоянная эталонирования радиометра; Fп и Fр — функции накопления для пород и глинистого раствора, определяемые в основном диаметром скважины.

Для получения qγ,п и кγ,п удобно использовать результаты измерений разности Іγ,эт - Іγ,ф,эт на эталонном устройстве; приведенной к параметрам глинистого раствора в случае неограниченного пространства. Для этих условий

где qγ,эт — весовая гамма-активность эталона; Fэт,F∞— функции накопления для эталонного устройства и неограниченного пространства. Отношение

146

(191)

так как можно положить — Fр= F∞- Fn

Номограмма для графического решения уравнения (191) приведена на рис. 106.

Рис. 106. Номограмма для определения отношения qγ,п/qγ,р пo

Прямая, проведенная через точки ∆dc = dc - dп (dп — наружный диаметр прибора (номограмма, изображенная на рис. 106, составлена для плотности глинистого раствора δр = 1,2·103 кг/м3. В тех случаях, когда δр ≠ 1,2·103 кг/м3 и qγ,п› qγ,р ,вместо действительного

значения ∆dc следует брать фиктивную величину ∆dc,ф = δ р1,210−3 ∆dc )) и точку со значением

дает на центральной шкале номограммы отношение qγ,п/ qγ,р. Решение задачи облегчается в тех случаях, когда в скважине имеется каверна в породах низкой гаммаактивности. В этих условиях при расчете отношения (191) в знаменателе вместо (Іγ,эт -

зарегистрированная в каверне; Fк — функция накопления, определяемая диаметром каверны и осесимметричностью положения радиометра; g — коэффициент, учитывающий влияние гамма-активности вмещающих пород, близкий к единице и тем больший, чем больше

отношения Fк∞/Fк и qγ,п/ qγ,р.

В породах низкой гамма-активности (известняки, галит) при dк > 60 см g ≈ 1. Искомая гамма-активность

(192)

147

Гамма-активность qγ,p, знание которой необходимо для расчета qγ,п (kγ,п = qγ,пδп), определяется следующими способами:

1)на образцах раствора в лаборатории;

2)в мерном баке, заполненном раствором, высотой более 1,2 м, в условиях которого

где индексом «б» указаны величины, относящиеся к измерениям в баке;

3) по известной гамма-активности qγ,тв твердой фазы, на которой приготовлен глинистый раствор, и путем последующего расчета qγ,р по формуле

при условии, если qγ,в‹‹ qγ,тв;

4) по измерениям' разности Iγ,к—Iγ,ф в каверне в породах низкой гамма-активности, в условиях которых

Глинистая корка, гамма-активность qγ,гк и плотность δгк которой превышают qγ,р и δр, вносит погрешности в определение qγ,п. Так как состав глинистой корки близок к составу глинистого раствора и ее объем относительно невелик, учет влияния корки при расчете qγ

сводится к замене истинных значений qγ,р и δр на фиктивные q*γ,р = Bгкqγ,р и δр = Вгкδр; здесь

где dc — средний диаметр каверны по каверномеру; dн — наружный диаметр радиометра.

СПОСОБ ОТНОШЕНИЙ Для определения гамма-активности пород способом отношений необходимо знать

гамма-активности qγ,п,к и qγ,п,m в двух опорных пластах изучаемого разреза, фиксируемых на диаграммах Іγ интенсивностями Іγ,к и Іγ, m.

При равенстве диаметров скважины dс,к и dc,m на участках залегания опорных пластов в соответствии с формулой (190) будем иметь:

(193)

(194)

Уравнения (193) и (194) определяют величину произведения

и, следовательно, позволяют рассчитать гамма-активность

(195)

любой породы х, слагающей разрез скважины, в пределах которой диаметр скважины

dc,x ≈ dc,к ≈ dc,m.

В тех случаях, когда по разрезу скважины ее диаметр изменяется незначительно,

148

зарегистрированная кривая Іγ может быть нормирована в единицах qγ,п. С этой целью на диаграмму Іγ наносят второй масштаб, для которого значения qγ соответствуют Іγ,i в породах с известным qγ,п,I.В промежутках между этими точками наносят линейный масштаб шкалы

qγ.

Определив qγ,п,искомое значение kγ,п рассчитывают по формуле

(196)

плотность δп определяют по данным гамма-гамма-метода (Іγγ,п) или рассчитывают по коэффициенту пористости и минеральному составу породы.

В обсаженных скважинах, когда гамма-активность qγ,ц цемента соизмерима с гаммаактивностью изучаемых пород или превосходит ее, необходимо вводить поправки за излучение цемента и поглощение Іγ,п в цементе и колонне [2]. Сведения о гамма-активности и плотности цемента и характере его распределения за колонной обычно обоснованы недостаточно. Поэтому точность определения kγ,п в обсаженных скважинах невелика и пользоваться этими данными при количественных оценках параметров пород не рекомендуется за исключением случаев, когда kγ,п >> kγ,ц и kγ,п находится способом учета поглощения гамма-излучения в среде, отделяющей радиометр от изучаемых пород.

§ 52. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ДИАГРАММ ИНТЕНСИВНОСТИ ЕСТЕСТВЕННОГО ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ

Геологическая интерпретация диаграмм интенсивности естественного гаммаизлучения (рис. 107, кривая Іγ) основана на зависимости между естественной гаммаактивностью горных по-

Рис. 107. Кривые радиометрии скважин в осадочных породах.

1 — глины; 2 — глины глубоководные; 3 — пески; 4 — песчаники плотные; 5 — песчаники рыхлые; 6 — известняки; 7 — известняки глинистые; 8 — известняки высокопористые; 9 — гипсы; 10 — ангидриты; 11 — галит; 12 — калийные соли; 13 —бор-содержащие соли

род (см. § 49), их литологией и химическим составом. При геологической интерпретации диаграмм исходят из следующих положений.

1. Исключительно высокой гамма-активностью (свыше

урана (находящегося в равновесном состоянии) и тория.

2. В разрезах скважин, вскрывающих осадочные породы, типичные для нефтяных и

149