основн.дисциплины / поиск и разв.мест.п.и-Высоцкий / Курс лекций

Другой модификацией бокового каротажа при детальных исследованиях скважин, заполненных соленым буровым раствором, является боковой микрокаротаж. Этот метод сочетает особенности бокового каротажа и микрокаротажа, благодаря чему влияние промежуточного слоя на результаты измерений становится минимальным, а высокая расчленяющая способность остается.

Электрический каротаж в микроварианте используется для определения удельного сопротивления бурового раствора. В этом случае близконаходящиеся друг от друга электроды располагаются таким образом, чтобы исключить влияние горных пород. С этой целью электроды помещают внутрь полого цилиндра. Буровой раствор при движении цилиндра по скважине проходит внутри его и омывает электроды. Измеряемая при этом разность потенциалов будет определяться только удельным сопротивлением бурового раствора. Этот прибор получил название резистивиметра, а метод резистивиметрии.

При исследовании терригенных разрезов скважин применяется индукционный каротаж. Он также относится к электрическим методам исследования скважин, но значительно отличается от стандартного электрического каротажа и его модификаций как по принципу измерений, так и по конструктивным особенностям. При индукционном каротаже источником электрической энергии в скважине является катушка индуктивности, через которую протекают ток высокой частоты (20-100 кГц). В результате в окружающих катушку горных породах возникает электромагнитное поле той же частоты. Это поле в свою очередь создает в горной породе, как в проводнике электрического тока, вторичное электромагнитное поле, величина которого прямо пропорциональна удельной электрической проводимости пород а. Удельная электрическая проводимость а - величина, обратная удельному электрическому сопротивлению, т. е.

σ = Ip

Таким образом, измеряя создаваемое в пласте вторичное электромагнитное поле, можно определить удельную проводимость пласта.

Индукционный каротаж имеет целый ряд преимуществ перед стандартным электрическим каротажем. На результатах его измерений мало сказываются влияние скважины, зона проникновения и вмещающие породы. На Диаграмме индукционного каротажа очень детально расчленяется разрез скважины, представленный пластами низкого удельного сопротивления (например, глины, водоносные пески, песчаники). При индукционном каротаже нет необходимости в непосредственном гальваническом контакте электрода с буровым раствором, как это имеет место в стандартном электрическом каротаже. Катушка индуктивности помещается в герметически закрытый непроницаемый кожух, изготовленный из непроводящего материала. Поэтому индукционный каротаж может применяться при исследованиях скважин, заполненных непроводящим буровым раствором, а также в сухих скважинах.

191

Высоцкий Э.А., Кутырло В.Э. «Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых»

Однако этот метод имеет существенные недостатки, заключающиеся в невозможности оценить породы с удельным электрическим сопротивлением свыше 100 Ом·м. Это серьезно ограничивает применение индукционного каротажа при исследовании скважин, разрез которых представлен высокоомными, например, карбонатными породами.

Все рассмотренные выше методы каротажа основаны на изучении удельного электрического сопротивления пласта, вскрытого скважиной, и могут быть названы каротажем сопротивлений. Однако метод сопротивлений не решает все вопросы, связанные с литологическим строением и характером насыщенности пород. Высокое удельное сопротивление может иметь как пласт, насыщенный нефтью, так и пласт, сложенный очень плотной породой, но водоносный. Проникновение воды высокой минерализации в нефтяной пласт может настолько снизить р, что пласт будет казаться водоносным, и т. д. Чтобы избавиться от этой неоднозначности, в промысловой геофизике используется метод потенциала скважины.

2. РАДИОАКТИВНЫЙ КАРОТАЖ

Очень важным методом геофизических исследований скважин, дающим ценную информацию о геологическом строении разреза, является

радиоактивный каротаж (РК).

В радиоактивном каротаже, как и в электрическом, имеются несколько различных модификаций. Это гамма-каротаж (ГК), нейтронный гаммакаротаж ЛТГК). гамма-гамма-каротаж (ГТК), импульсный нейтронный каротаж (ИНК).

2.1. Гамма-каротаж

Гамма-каротаж (ГК) заключается в проведении измерений естественной радиоактивности в разрезе скважины при перемещении в ней радиометра. Измерительная установка состоит из детектора и электронной схемы

(рис. 4).

Радиоактивность горных пород практически полностью обусловлена элементами семейств урана, тория и продуктами их распада, а также изотопами калия, один из которых калий-40 является радиоактивным. Уран и торий входят в состав урановых и ториевых минералов. Изотоп калий-40 присутствует во всех минералах, содержащих калий-39, причем доля калия-40 от общего содержания калия составляет 0,0119 %.

Радиоактивность магматических пород возрастает от основных к кислым. Максимальной радиоактивностью среди кислых и вообще всех магматических пород обладают граниты. Радиоактивность осадочных пород изменяется в широких пределах, достигая в отдельных случаях радиоактивности кислых магматических пород.

Радиоактивность обломочных пород обусловлена не только присутствием обломков радиоактивных минералов, но и, прежде всего, адсорбцией ионов урана, тория и калия на поверхности частиц. Максимальной радиоактивностью характеризуются глины, благодаря их огромной поверхности, минимальной - чистые кварцевые песчаники. Полимиктовые песчаники даже

192

Высоцкий Э.А., Кутырло В.Э. «Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых»

при малой глинистости обладают значительной радиоактивностью, по скольку у них часть зерен скелетной фракции представлена калийсодержа щами минералами - полевым пшатом, глауконитом, микроклином. Радиоактивность песчаников и алевролитов возрастает с увеличением глинистости. Радиоактивность карбонатных пород, как правило, низкая. С ростом содержания нерастворимого остатка радиоактивность известняков и доломитов увеличивается. Низкой радиоактивностью характеризуется большинство хемогенных пород, за исключением калийных солей.

Каменные угли обычно малорадиоактивны, однако среди них встречаются и высокорадиоактивные разности с промышленным содержанием урана. Радиоактивность природных нефтей обычно низкая. Высокую радиоактивность благодаря содержанию в них урана имеют природные битумы и битуминозные породы. 16

Определение границ пластов на диаграммах детального гаммакаротажа (масштаб 1 : 50, 1 : 10 и др.) производится различными способами. В зависимости от характера оруденения и размеров аномалии границы рудного тела (пласта) могут определяться следующими способами: 1/2 Iмакс, 4/5 Iмакс и Iзад (способ заданной интенсивности).

Способ 1/2 Iмакс основан на том, что для насыщенного по мощности рудного пласта на его границе интенсивность гамма-излучения равна половине максимальной интенсивности. Поскольку Iмакс пласта h > 30-40 см при плотности пород 2 г/см3 практически близка к интенсивности насыщенного по гамма-излучению пласта IХ, то при истинных мощностях рудных пластов не менее 30-40 см границы их определяются по способу

1/2Iмакс (рис. 5, а). Максимальная интенсивность (Iыакс) отсчитывается от интенсивности вмещающих пород, которая может быть разной для пород,

залегающих в кровле и подошве рудного пласта. В случае отсутствия на аномалии ГК четких границ рудного пласта их находят по точкам, делящим пополам прямоугольные отрезки на склонах аномалии (точки Р и Ц на отрезках ПБ и ВХ) (см. рис. 5, б).

Способ 4/5 Iмакс основан на зависимости 4/5 Iмакс от мощности рудного тела. Мощность определяют, используя кривую зависимости Z от мощности рудного тела или продуктивного пласта.

Спектрометрия естественного гамма-излучения. Характерной ее особенностью является не только общая радиоактивность пород, но и вклад, который вносят в нее урановая, ториевая и калиевая составляющие. Вклад определяется как содержанием данного изотопа, так и характерным для него дифференциальным энергетическим спектром - распределением интенсивности гамма-излучения по энергиям гамма-квантов. Спектр каждого изотопа имеет характерные для него максимумы, соответствующие определенным значениям энергии гамма-квантов Еγ,.

Для изучения спектров в скважинах в настоящее время применяются многоканальные скважинные спектрометры с цифровой записью, которые

193

Высоцкий Э.А., Кутырло В.Э. «Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых»

позволяют исключить взаимное влияние близких энергетических линий и определить содержание искомых элементов.

Метод гамма-гамма-каротажа (ГГК). Этот метод основан на измерении интенсивности гамма-излучения породы при облучении ее потоком гамма-квантов.

При облучении породы жесткими гамма-квантами (Еγ>1МэВ) интенсивность рассеянного гамма-излучения, обусловленная главным образом комптоновским эффектом, определяется только плотностью среды и практически не зависит от содержания в ней тяжелых ядер элементов. Облучение породы мягкими гамма-квантами (Еγ < 0,5 МэВ) - рассеянное гамма-излучение, обязанное фотоэффекту, интенсивность его пропорциональна атомному номеру вещества Z и не зависит от его плотности. В связи с этим ГТК применяют в двух модификациях: а) в плотностном варианте - для изучения плотности пород; б) в селективном варианте - для определения концентрации в породе элементов с большим атомным номером.

Метод ГТК в плотностном варианте (ГГК-n) применяется при ис-

следовании скважин, пройденных на рудных и угольных месторождениях, и реже в нефтепоисковых скважинах. На диаграммах плотностного каротажа менее плотные породы имеют более высокие значения и наоборот. Очень четко по диаграммам ГТК в разрезе скважин выделяются пласты каменного угля, имеющие сравнительно невысокую плотность. При исследованиях нефтяных и газовых скважин данные гамма-гамма-каротажа используются для определения пористости песчано-r линистых коллекторов нефти и газа.

В селективной модификации (ГТК-с) результаты измерений завися! в

основном от элементного состава пород. В методе ГТК-с используются источники мягкого гамма-излучения.- 75Se, 113Sn, 123Te, 133Ва, 137Cs, 170Tm, 203Hg,.

241Am и др. Результаты измерений в значительной мере определяются эффективным порядковым номером Zэф среды. Для большинства горных пород ZЭФ - 11-15, в углях и углистых породах снижается до 6,5-7,5. ZЭФ руд определяется присутствием в них (процентным содержанием) тяжелых металлов с эффективным атомным номером Z > 50.

Одной кз разновидностей метода ГГК является микрогамма-каротаж - мГГК. Он отличается высокой чувствительностью к изменению ZЭФ и р горных пород. Применяется зонд малых размеров (L = 5 см) с источник ком м Am и углом между осями коллиматоров 30°.

2.2. Нейтронный каротаж

Под названием "нейтронный каротаж" объединяют различные методы радиометрии скважин, для которых общим является изучение эффектов, возникающих при облучении горных пород потоком нейтронов. Применяются методы плотности тепловых и надтепловых нейтронов (НКТ,) и импульсный нейтронный каротаж (ИНК). При исследованиях скважин каждым из этих методов в качестве индикаторов обычно используют плутоние-

194

Высоцкий Э.А., Кутырло В.Э. «Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых»

во-бериллиевый источник нейтронов, который при движении радиометра по скважине испускает непрерывный по времени или прерывистый (в импульсных методах) поток нейтронов.

Для радиометрии скважин основное значение имеют процессы рассеяния и поглощения нейтронов. Рассеяние нейтронов, в основном упругое, обусловливает потерю ими энергии и замедление. Каждый акт столкновения нейтрона с ядром какого-либо элемента приводит к потере нейтроном части первоначальной энергии, причем наибольшие потери происходят на ядрах легких элементов, в первую очередь на ядрах водорода. Если среда облучается быстрыми нейтронами высоких энергий (Е > 4-5 МэВ), рассеяние нейтронов способствует превращению быстрых нейтронов в медленные или надтепловые (Е~ 1 МэВ) и тепловые (Е = 0,25 МэВ), т. е. происходит замедление нейтронов, причем тем интенсивнее, чем больше в среде водорода. Для тепловых нейтронов при их взаимодействии с ядрами наиболее вероятен радиационный захват, сопровождаемый вторичным гамма-излучением. Среди ядер элементов, присутствующих в горных породах в значительном количестве, наибольшей активностью в отношении радиационного захвата обладают ядра хлора.

Кроме водорода и хлора существует ряд других элементов с аномальными нейтронными свойствами. Например, железо обладает аномальным сечением рассеяния и захвата; бор, марганец, кадмий, ртуть - аномальным сечением захвата. Аномальные нейтронные свойства этих элементов используют в нейтронных методах при поисках промышленных скоплений минералов, содержащих указанные элементы.

Для этой цели разработан метод спектрометрического нейтронного гамма-каротажа (НГК-С).

Выделяют три группы элементов с характерными максимумами интенсивности гамма-излучения радиационного захвата в области низких (до 204 МэВ), средних (4-6 МэВ) и высоких (более 6 МэВ) энергий гаммаквантов. Примерами элементов первой группы являются водород, калий, магний; второй - ванадий, ртуть, стронций; третьей - алюминий, железо, титан, медь, никель. Наиболее характерны спектры элементов третьей группы и некоторых элементов второй группы с аномально высоким сечением захвата а. Поэтому широкое применение метод спектрометрии гамма-излучения радиационного захвата получил при поисках железных, никелевых, титановых и других руд. При нефтепоисковых работах основные перспективы метода связаны с двумя направлениями: а) спектрометрия гамма-излучения радиационного захвата хлора с целью повышения эффективности определения нейтронными методами характера насыщенности коллекторов по хлорсодержанию; б) определение элементарного состава коллекторов и вмещающих пород на основе анализа полных спектров гамма-излучения так же, как и при анализе спектров естественной гамма-активности пород. В настоящее время имеется аппаратура, основанная на одновременной регистрации и совместной

195

Высоцкий Э.А., Кутырло В.Э. «Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых»

обработке спектров естественного и вызванного гамма-излучения, которая позволяет, определяя процентное содержание основных породообразующих элементов - кремния, алюминия, кальция, магния, калия, железа, а также радиоактивных - урана и тория, обеспечить детальное изучение пород сложного состава и решить вопросы их генезиса.

Импульсный нейтронный каротаж (ИНК). Этот метод основан на изучении времени жизни нейтронов в горных породах, вскрытых скважиной. Используемый в качестве источника нейтронов скважинный генератор работает в импульсном режиме, что позволяет в интервалах между импульсами нейтронного излучения регистрировать во времени количество нейтронов, диффундирующих в горной породе. Замедление быстрых нейтронов и их термализация, т. е. превращение в тепловые нейтроны, происходит в течение времени, определяемого единицами микросекунд (10-6 с), тогда как диффузия и захват тепловых нейтронов наблюдаются в течение сотен микросекунд. В связи с этим величина задержки t, используемой в ИНК, выбирается в интервале времени 200-2000 мкс, который охватывает практически все возможные значения времени жизни тепловых нейтронов в породах, слагающих разрезы нефтяных и газовых скважин.

196

Высоцкий Э.А., Кутырло В.Э. «Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых»

ПРИЛОЖЕНИЕ

Рис. 1. Схема проведения геофизических исследований в скважине:

1 – каротажная лаборатория; 2 – каротажный подъемник; 3 – лебедка; 4 – каротажный кабель; 5 – глубинный скважинный прибор; 6 – ствол скважины; 7 – буровая вышка

197

Высоцкий Э.А., Кутырло В.Э. «Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых»

Рис. 2. Схема электрического каротажа на трехжильном кабеле:

1 – глина; 2 – нефтяной песчаник; 3 – водоносный песчаник; 4 – плотный известняк; I – диаграмма КС; II – диаграмма СП. A, B, M и N – электроды зонда. ИП – источник питания; РП – регистрирующий прибор.

198

Высоцкий Э.А., Кутырло В.Э. «Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых»

Рис. 3. Кривые моделирования электрического каротажа градиент- (а, в) и

потенциалзондами (б, г) при разных соотношениях сопротивления пластов (pп) и вмещающих пород (pвм).

199

Высоцкий Э.А., Кутырло В.Э. «Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых»

Рис. 4. Схема устройства аппаратуры ядерного каротажа:

1- источник излучения; 2 - условные пуга движения гамма-квантов и нейтронов; 3

-экран; 4 - счетчик; 5 - блок питания; 6 - предварительный усилитель; 7 - кабель; 8 - усилитель; 9 -регистратор; 10 - глины, 11 - известняки; 12-пески

Рис. 5. Определение границ рудного тела по ГК: а — по способу 1/2 Iмакс, б — по способу половины линейного участка кривой аномалии

200

Высоцкий Э.А., Кутырло В.Э. «Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых»