Гамма-каротаж сумарної радіоактивності (гк)

У методі ГК вимірюють інтенсивність радіоактивного випромінювання гірських порід в свердловинах за допомогою індикатора γ-випромінювання. В якості індикатора використовують лічильник Гейгера-Мюллера, або більш ефективні і сучасні сцинтиляційні лічильники.

Одержана в результаті виміру крива, яка характеризує інтенсивність гамма-випромінювання пластів уздовж стовбура свердловини, називається гамма-каротажною кривою.

Гамма-випромінювання, що реєструється при гамма-каротажі, включає випромінювання від пластів гірських порід і фонове випромінювання. Фонове випромінювання викликане забрудненням радіоактивними речовинами матеріалів, з яких виготовлений прилад, і космічного випромінювання.

При дослідженні розрізів свердловин гамма-каротажем отримують безперервну криву вимірювання гамма-випромінювання гірських порід у заданих масштабах запису та глибини.

Конфігурації кривих інтенсивності гамма-випромінювання I_ спотворюються із-за наявності інтегруючої комірки у вимірювальній апаратурі. Внаслідок цього криві I_ на діаграмах ГК набувають асиметричної форми відносно середини пласта та зсуваються у напрямку руху приладу, а максимальна величина інтенсивності I_ max занижується, особливо в пластах обмеженої потужності (Рис. 3.4).

Границі пласта підвищеної радіоактивності можна визначити з достатньою для практики точністю за точками, які відповідають початку підйому кривої ГК у підошві пласта і початку її спаду в його покрівлі.

Крива радіоактивного каротажу (будь-якого, не тільки ГК) має відхилення, не пов’язані із зміною фізичних властивостей пластів гірських порід, які називаються статистичними флуктуаціями. Статистична флуктуація – це коливання інтенсивності радіоактивного випромінювання навколо деякої середньої величини в одних і тих же умовах.

У загальному випадку інтенсивність γ-випромінювання від пластів, що реєструється, пропорційна дійсній їх гамма-активності.

Проте, при однаковій гамма-активності породи з більшою густиною відмічаються меншими показами ГК через більш інтенсивне поглинання γ -променів. Таким чином, покази ГК є функцією радіоактивності, густини гірських порід та умов вимірювань (діаметра свердловини, густини промивної рідини, її радіоактивності, товщини обсадної колони, властивостей цементного каменю та ін.).

Шифр кривих – Vτ в м·с/год

Рисунок 3.4 – Конфігурація кривих гамма-каротажу

Умовно вважають, що ефективний радіус дії установки гамма-каротажу (радіус сфери, з якої виходить 90% випромінювань, сприйманих індикатором) відповідає приблизно 30 см. Випромінювання від більш віддалених ділянок гірської породи поглинається навколишнім середовищем, не досягнувши індикатора.

Гамма-каротаж знаходить широке застосування для вивчення літології гірських порід, виділення глинистих порід, якісної та кількісної оцінки їх глинистості, при кореляції розрізів свердловин. Гамма-каротаж використовується також для виявлення радіоактивних (калієвих або уранових) і нерадіоактивних руд, включаючи і вугільні пласти.

Гамма-каротаж проводиться в будь-яких свердловинах: обсаджених, необсаджених, з розчином або без нього.

Прилади гамма-каротажу суміщають часто з іншими видами досліджень в свердловинах: гамма-гамма-каротажем (ГГК), нейтрон-нейтронним каротажем (ННК), індукційним або боковим каротажем і ін..

Недоліки методу ГК: на покази гамма-каротажу істотно впливає діаметр свердловини, товщина металевої обсадної колони і цементного каменя.

Для виявлення і виміру інтенсивності ядерних випромінювань застосовуються прилади, які називаються радіометрами.

Апаратура для радіоактивних методів геофізичних досліджень свердловин, що засновані на опромінені гірських порід джерелами гамма-квантів або нейтронів, окрім блоків для реєстрації випромінювань містить також джерела, фільтри та інші специфічні пристрої.

У процесі проведення радіоактивного каротажу переважно застосовують комплексну радіоапаратуру, яка за один спуско-підйом свердловинного приладу забезпечує одночасний запис кривих природної і штучної радіоактивності.

Апаратура складається зі свердловинного приладу і наземного пульта керування. Інформація про те чи інше випромінювання надходить від детектора у вигляді імпульсів, середня частота прямування яких перетворюється вимірювальною схемою на поверхні в постійний струм, зміна якого являє собою криву відповідного методу радіоактивного каротажу.

Незалежно від типу радіометричної апаратури й області її застосування свердловинні прилади і наземні панелі обробки інформації мають багато спільних вузлів і блоків, а тому розглянемо загальну схему одного з типів радіометричної апаратури представлену на рис. 3.1.

1 - детектори; 2 – пристрої узгодження; 3 – дискримінатори;

4 - перетворювач напруги; 5 - нормалізатори; 6 – змішувач;

7 – геофізичний кабель; 8 – наземний вимірювальний пульт.

Рисунок 3.1 – Блок-схема апаратури радіоактивного каротажу

Характеристика свердловинного приладу апаратури радіоактивного каротажу У свердловинному приладі (див. рис. 3.1) розміщені блоки детектування каналу ГК і каналу штучної радіоактивності 1 (фотопомножувачі із кристалами для реєстрації гамма-квантів або теплових нейтронів, залежно від методу досліджень).

Невелика постійна напруга живлення свердловинного приладу подається на його виводи ЦЖК (центральна жила кабелю) і ОК (обплетення броньованого кабелю або корпус приладу). Але цієї напруги недостатньо для забезпечення нормальної роботи фотопомножувачів (напруга на анодах до 1800 В). Тому невисока напруга живлення свердловинного приладу перетворюється перетворювачем у високу стабілізовану постійну напругу живлення фотопомножувачів.

Імпульси струму помножувачів надходять на пристрій узгодження 2, де підсилюються та перетворюються в імпульси напруги. З пристрою узгодження надходять імпульси різної тривалості і амплітуди, залежно від енергії гамма-квантів, що діяли на детектор.

До того ж, на виході фотопомножувача виникають імпульси, що зумовлені можливими завадами під час роботи перетворювача, від яких треба позбавитись. Цю роль виконує дискримінатор 3, який спрацьовує тільки від імпульсів, амплітуда яких перевищує деякий поріг. Одночасно дискримінатор забезпечує формування вихідних імпульсів, однакових за амплітудою і тривалістю.

Негативні імпульси з дискримінаторів надходять на нормалізатори 5, які формують майже прямокутні імпульси певної амплітуди і тривалості.

Імпульси з нормалізаторів обох каналів надходять на змішувач 6, в якому вони змішуються, формуються за полярністю, підсилюються за потужністю й передаються по геофізичному кабелю 7 на наземний вимірювальний пульт керування 8. Цей пульт забезпечує приймання, розділення та обробку в каналах статистично розподілених імпульсів, що надходять на його вхід з кабелю.

Характеристика вимірювального пульта апаратури радіоактивного каротажу 1Р4-1П. Вимірювальний пульт апаратури 1Р4-1П (ВПРК) використовується спільно з радіометрами свердловин інтегрального рахунку, що мають від одного до чотирьох каналів, інформація від яких передається одночасно у вигляді імпульсів різної полярності та різної амплітуди. Пульт 1Р4-1П розрахований на роботу як з одножильним, так і з трижильним кабелем і каротажними станціями ЛКС і СКС. Він має високу роздільну здатність, можливість одночасної реєстрації чотирьох параметрів, можливість використання каналів як перетворювачів імпульсної інформації в аналогову.

Вимірювальний пульт 1Р4-1П (рис. 3.2) має чотири канали. Перший і другий канали реєструють імпульси негативної полярності, а третій і четвертий – позитивної полярності. Всі канали панелі ідентичні і взаємозамінні.

Для підключення до панелі свердловинних приладів, що використовують як лінію зв'язку трижильний кабель, використовуються клеми I-III, а для підключення свердловинних приладів на одножильному кабелі – клеми ЦЖК (центральна жила кабелю) і ОК (обплетення кабелю).

Розділення сигналів по полярності і попереднє їх підсилення здійснюються у вхідному пристрої 1 за допомогою вхідних трансформаторів, діодів і підсилювачів. З виходу вхідного пристрою сигнали позитивної полярності поступають на емітерні повторювачі 2 першого і другого каналів, а сигнали негативної полярності – на емітерні повторювачі 2 третього і четвертого каналів.

Рисунок 3.2 – Блок-схема вимірювального пульта апаратури радіоактивного каротажу 1Р4-1П

Розділення сигналів однойменної полярності по амплітуді виконується за допомогою амплітудних дискримінаторів 3. Дискримінатори з високим порогом спрацьовування пропускають імпульси великої амплітуди, а дискримінатори з низьким порогом спрацьовування пропускають імпульси як малої, так і великої амплітуди. При необхідності виділення імпульсів малої амплітуди включається схема блокування 4, яка на час дії великого імпульсу замикає дискримінатор з низьким порогом. Включення схеми блокування здійснюється спеціальними тумблерами. Імпульси, що пройшли через дискримінатори 3, нормуються по тривалості і амплітуді нормалізаторами 5, перетворюються інтеграторами 6 в струм, що пропорційний частоті проходження, який подається на вхід чотириканального реєстратора.

У кожному каналі пульта є пристрої регулювання рівня дискримінації, постійної часу інтеграції і установки меж вимірювання. Для калібрування вимірювальних каналів в імпульсах на хвилину панель містить калібратор 7, який перемикачем роду робіт може бути підключений до будь-якого з каналів. Калібратором служить звичайний мультивібратор з фіксованими частотами.

Живлення пульта і свердловинного приладу здійснюється від мережі змінного струму через блок живлення 8.

Пульт 1Р4-1П змонтований у вигляді окремого блоку для установки в стійку каротажних лабораторій. На лицьовій панелі пульта розміщені органи керування і контролю, клеми для підключення живлення, реєстратора, рахункового приладу і каротажного кабелю. Вхідний пристрій і вимірювальні канали виконані у вигляді змінних блоків.

Вивчення будови, принципу роботи

та градуювання інклінометра

5.1 Мета, завдання і тривалість роботи

Метою роботи є ознайомлення студентів з будовою, принципом роботи інклінометра, а також з методикою його градуювання.

Завдання:

- вивчити функціональну блок-схему інклінометра та методику проведення вимірювань;

- провести градуювання інклінометра;

- побудувати інклінограму, точки замірів взяти з кроком через 25 м.

Тривалість роботи - 3 години.

5.2 Основні теоретичні положення

Свердловини проектуються вертикальними або похило-направленими. В процесі буріння стовбур свердловини відхиляється від заданого напрямку з ряду причин геологічного та технічного характеру. Фактичне відхилення осі свердловини від вертикалі в якому-небудь напрямку називається викривленням свердловини. Воно визначається кутом викривлення y і магнітним азимутом викривлення j (рис. 5.1). Кут нахилу свердловини β вимірюється між віссю свердловини і горизонтальною площиною та дорівнює 90° – y. Магнітний азимут викривлення визначається кутом між напрямком на магнітний північ і горизонтальною проекцію осі свердловини, яка взята у бік збільшення глибини свердловини.

а) l_i – довжина інтервалу свердловини (відстань між двома сусідніми точками виміру, що розташовані напроти абсолютних відміток глибин h_i та h_i-1; А – вісь свердловини;y - кут викривлення свердловини;

б) ПД-ПН, ПД_м-ПН_м – напрям на північ і на магнітний північ;

α – дирекційний кут;

j - магнітний азимут викривлення свердловини;

Рисунок 5.1 –Ділянка осі свердловини у вертикальній площині (а) та проекція ділянки стовбура свердловини на горизонтальну площину (б)

Дані про викривлення свердловини необхідні для визначення глибини розташування вибою свердловини, дійсних глибин залягання пластів, розрахунку нормальної потужності пластів та виявлення ділянок різких відхилень стовбура свердловини, що можуть ускладнити спуск бурового інструмента, геофізичних приладів, обсадних труб і свердловинних фільтрів.

Апаратура. Вимір кута й азимута викривлення свердловин здійснюється спеціальними приладами-інклінометрами, які можна об’єднати в три групи:

• інклінометри з дистанційним електричним виміром;

• фотоінклінометри;

• гіроскопічні інклінометри.

В інклінометрах перших двох груп елементи викривлення свердловини визначаються за допомогою земного магнітного поля та сили тяжіння. Робота інклінометрів третьої групи заснована на гіроскопічному ефекті. Більш детально розглянемо роботу інклінометрів з дистанційним електричним виміром.

Головна механічна частина приладів – обертова рамка, вісь якої збігається з головною віссю інклінометра (рис. 5.2). Центр ваги рамки зміщений так, що площина її завжди розташовується перпендикулярно до площини викривлення свердловини. В рамці містяться датчики азимута і кута викривлення свердловини.

Датчик азимута складається з бусолі (магнітної стрілки 4, яка переміщається над круговим реостатом 6). Бусоль підвішена на двох закріплених у рамці півосях так, що вістря 8, на якому обертається магнітна стрілка 4, розташовується вертикально, а колодка з азимутальним реостатом 6 – горизонтально. При вимірі азимута, магнітна стрілка, за допомогою встановлених на ній пружинних контактів 7, з’єднує струмопровідне кільце з однією з точок реостата. У вимірювальний ланцюг вводиться ділянка азимутального реостата, опір якого пропорційний величині азимута викривлення.

Датчик кута викривлення складається з дугового реостата 14, який розміщений напроти кінця стрілки 13 та скріпленого з нею тягара 15. Тягар і стрілка знаходяться в площині викривлення, яка перпендикулярна до осі рамки. При вертикальному положенні приладу кінець стрілки 13 знаходиться напроти початку реостата 14. При нахилі приладу стрілка відхиляється щодо цього положення на кут, який дорівнює куту відхилення свердловини від вертикалі. При замиканні струменевої ланки кінець стрілки притискається до кутового реостата. У вимірювальний ланцюг при цьому вводиться ділянка кутового реостата, опір якого пропорційний величині кута викривлення.

1 – підшипник; 2 – контактні кільця колектора; 3 – колектор;

4 – магнітна стрілка; 5 – пружинні контакти стрілки;

6 – азимутальний реостат; 7 – контактне кільце; 8 – вістря; 9 – тягар бусолі; 10 – дугоподібний важіль; 11 – тягар виміру кута;

12 – струмопровідний провід датчика кута;

13 – контактна стрілка кута; 14 – кутовий реостат;

15 – тягар, що орієнтує рамку; 16 – керн рамки.

Рисунок 5.2 – Схема вимірювальної частини інклінометрів типу ІШ і ІК

Електричні схеми інклінометрів типу ІЩ-2 та ІК-2 приведені на рисунку 5.3.

Інклінометр ІК-2 (див. рис. 5.3-б) призначений для роботи з одножильним кабелем. Переключення позицій для виміру кута й азимута викривлення виконується за допомогою електромагніта L, за допомогою зміни полярності джерела живлення. Для живлення приладу використовується постійний струм напругою 140 В. Для виміру елементів викривлення свердловини застосовується мостова схема. Міст врівноважується круговим реостатом. Відлік величин азимутів і кутів викривлення проводиться безпосередньо по градуйованій шкалі.

Кожухи всіх інклінометрів виготовлені златунні або з немагнітної сталі. Вони заповнюються сумішшю трансформаторного масла з лігроїном або гасом для змащення вузлів і забезпечення затухання руху частин перемикаючого механізму та вимірювальної частини приладу. Вимір одночасно кута й азимута викривлення цими інклінометрами можливо тільки в необсаджених свердловинах. В свердловинах обсаджених сталевими колонами можна вимірювати тільки кут викривлення.

Похибки визначення кута й азимута викривлення свердловин пов’язані з порушенням ізоляції ланцюгів і жил кабелю, відхиленням сили струму живлення від необхідного значення, непаралельністю осей інклінометра і свердловини, недостатньо точним регулюванням механічних і електричних схем приладу. Непаралельність осей свердловини і приладу обумовлена наявністю каверн і нерівномірної товщини на стінках свердловин глинистої кірки. Для зменшення похибок вимірів величин y і j збільшують довжину приладу шляхом приєднання до нього подовжувача, який служить як вантаж і дозволяє зберегти положення приладу, паралельно осі свердловини.

R_aз, R_кут – азимутальний і кутовий реостати;

P_aз, P_кут – реле азимута і кута;

K_aз, K_кут – азимутальне і кутове кільця;

П1, П2 – перемикачі; Д1-Д3 – діоди; РП – прилад, який

реєструє покази азимута і кута

Рисунок 5.3 – Електричні схеми інклінометрів ІШ-2 (а) і ІК-2 (б)

Градуювання інклінометрів. Перед вимірами в свердловині необхідно перевіряти правильність показів інклінометра. Градуювання приладу полягає в узгодженні значень магнітного азимута і кута викривлення свердловини, що вимірюються за допомогою інклінометра, із заданими значеннями азимута і кута.

Для задання певного азимута і кута викривлення використовують установочний стіл УСІ-2. Стіл із затиском для інклінометра має дві осі обертання – горизонтальну і вертикальну. Щоб задати інклінометру положення в тому чи іншому азимуті, його обертають у затиску біля вертикальної осі до одержання потрібного показу на лімбі; кут викривлення задається обертанням затиску біля горизонтальної осі, де є шкала для відліку кута.

Перед градуюванням стіл регулювальними гвинтами встановлюється в горизонтальне положення. Кути викривлення, що задаються на установчому столі, контролюються більш точним приладом – кутоміром-квадрантом. При градуюванні інклінометрів поблизу (до 5 м) не повинно бути предметів з магнітних матеріалів.

Представлення даних інклінометрії. Дані інклинометрії представляють у вигляді таблиці значень кута викривлення y і напрямку викривлення свердловини (магнітного азимута j і дирекційного кута a). Значення y, j і a відповідають визначеній глибині виміру.

Дирекційний кут – кут між північним географічної координатної сітки даної місцевості і заданим напрямком. Він відраховується від північного кінця меридіана за годинниковою стрілкою.

Для одержання дирекційного кута викривлення свердловини необхідно до значення вимірюваного магнітного азимута j додати деякий кут D, величина якого вказується на географічних картах.

За даними вимірюваного кута викривлення свердловини та вирахуваного дирекційного кута будується інклінограма – проекція осі свердловини на горизонтальну площину (рис. 5.4). Інклінограму свердловини одержують шляхом послідовної побудови горизонтальних проекцій окремих ділянок свердловини, починаючи з найменшої глибини. Горизонтальна проекція ∆l_i i-го інтервалу l_i з кутом викривлення y розраховується за формулою:

, (5.1)

При цьому значення y і a визначаються в окремих точках і умовно приймаються в якості середніх для інтервалу між двома сусідніми точками.

Визначивши послідовно по формулі горизонтальні проекції окремих інтервалів, відклавши їх значення в масштабі за напрямками дирекційних кутів і з’єднавши початкову точку першого інтервалу з кінцевою точкою останнього інтервалу, одержимо загальну горизонтальну проекцію свердловини або загальне зміщення осі свердловини від вертикалі на дослідженій ділянці. Величина зміщення і його напрямок позначаються на плані. Інклінограма будується в масштабі 1:200.