Лекция 10 Радиоактивный каротаж

Гамма-каротаж основан на измерении по стволу скважины гамма-излучения, вызванного естественной радиоактивностью горных пород.

Из естественных радиоактивных элементов наиболее распространены уран ²³⁸U , торий ²³²Th и изотоп калия ⁴⁰K. Уран и торий с продуктами распада образуют ряды из нескольких (порядка 10) радиоактивных элементов. Эти элементы последовательно распадаются, последний из продуктов распада превращается в свинец Pb. Каждый элемент при распаде наряду с заряженными  и -частицами излучает -кванты с присущей ему энергией Е.

Элементы ряда урана излучают -кванты с энергией от 0,05 до 2,45 МэВ, а ряда тория – от 0,1 до 2062 МэВ. Спектр ⁴⁰К имеет одну линию 1,46 МэВ.

Радиоактивные элементы чрезвычайно рассеяны в природе и содержаться в очень малых количествах (порядка 10^-6 урана, 10^-12 радия, 10^-5 тория).

Содержание этих элементов в разных породах неодинаково, что позволяет различать породы по радиоактивности.

Основными видами взаимодействия гамма-излучения с веществом является образование электрон-позитронных пар, фотоэффект и эффект Комитона.

Гамма-гамма-каротаж (ГГК) исследует особенности прохождения через породы гамма-излучения от специального источника гамма-квантов.

При проведении ГГК в скважину опускается измерительная установка, состоящая из источника и детектора гамма-излучения, разделенных свинцовым экраном. Экраном поглощаются те -кванты, которые распространяются по прямой линии от источника до детектора. Гамма-кванты, проникающие в породу, рассеиваются на электронах, входящих в состав атомов пород, часть из них после нескольких актов рассеяния попадает в детектор и регистрируется. Чем больше плотность горных пород, тем меньше -квантов проходит в детектор.

Плотность горных пород в разрезах нефтяных и газовых скважин изменяется от 2 до 3 г/см³, а плотность ПЖ – от 1 до 1,5 г/см³.

Если не принимать специальных мер, большая часть гамма-излучения будет проходить по стволу скважины. Поэтому источник и детектор прижимаются к стенке скважины.

В качестве источника -излучения в приборах используется ¹³⁷Cs (период полураспада – 36 лет, энергия 0,662 МэВ). Активность применяемых источников 0,5-210¹⁰ расп/с, т.е. 50-200 мг экв радия.

При регистрации жесткой составляющей каротаж называют плотностным (ГГКП).

Расстояние между серединой источника и серединой индикатора в приборе называют длиной зонда L. В коллимированных системах вводится длина зонда L₁ равная расстоянию между ближайшими сторонами коллимационных окон источника и индикатора.

Оптимальная длина зонда – 3050 см. Для исключения влияния ПЖ применяют двухзондовые установки. Измеряются _к1 и _к2

_к1=-к₂ и _к2=-₂

Решая эти уравнения относительно , получим:

Нейтронный каротаж базируется на исследовании поля медленных нейтронов и гамма квантов, создаваемого источника быстрых нейтронов, находящимся в скважинном приборе. Быстрые нейтроны имеют энергию 1–15 МэВ, промежуточные 1 МэВ10 эВ, медленные или надтепловые 10-0,1 эВ и тепловые нейтроны со средней энергией 0,025 эВ.

На основе реакций, происходящих при облучении бериллия -частицами (Po–Be и Pu-Be источники) получаются нейтроны широкого спектра – от 1 до 10 МэВ, в среднем4-5 МэВ.

Нейтроны, излучаемые ускорительной трубкой импульсного генератора имеют энергию 14 МэВ.

При упругом столкновении двух тел передача энергии от одного тела к другому тем больше, чем они ближе по массе. Масса ядра водорода (протон) близка к массе нейтрона, поэтому водород лучше остальных замедляет нейтроны.

Длиной замедления нейтронов называется среднее расстояние по прямой линии от места вылета нейтрона до места, где он замедлится до тепловой энергии.

Длина замедления нейтронов в см (Po-Be)

kп	Известняк	Доломит	Песч. Кв.	Ангидрит	Вода
0 10 20 100	24,1 15,0 12,1 –	20,3 13,3 11,4 –	28,5 15,4 12,6 –	28,9 – – –	– – - 7,7

Длина замедления тем меньше, чем больше пористость k_п пород, чем больше содержание воды или нефти в породе. Длина замедления в нефти такая же как в воде и не зависит от минерализации воды.

Атомы и молекулы, входящие в состав вещества, находятся в тепловом движении, скорости их соответствуют энергии 0,1 эВ. Поэтому нейтроны, замедляющиеся до таких энергий, участвуют в тепловом движении ядер. Это процесс диффузии. Нейтроны с такой энергией называются тепловыми. В области тепловых энергий становится большой вероятность захвата нейтронов. В конечном итоге все нейтроны, захватываются ядрами атомов.

Среднее расстояние по прямой, которое проходит нейтрон от места замедления до места захвата называется диффузной длиной.

Среднее время между замедлением и захватом называется средним временем жизни тепловых нейтронов ().

Среднее время жизни тепловых нейтронов  в породах.

Песчаник Кварц				Доломит			Известняк
Минерализация пластовой воды, г/л.
kп	0	100	250	0	100	250	0	100	250
10 20 100 (вода)	752 580 205	467 298 77	279 160 –	677 524 –	446 291 –	272 151 –	598 567 –	366 258 –	240 148 36

Области применения нейтронного каротажа. Применяются различные модификации для изучения либо замедляющих либо поглощающих свойства пород.

-Замедляющие свойства определяются, в основном, содержанием водорода в породах, которое для нефтеносных и водоносных пластов, не содержащих глин и гипса, пропорционально общей пористости пород. Поэтому НК называют каротажом пористости.

-Поглощающие свойства пород зависят от содержания в них сильных поглотителей нейтронов – чаще всего хлора, что дает возможность разделить пласты на водоносные (минерализованная (с высокой минерализацией) вода) и нефтеносные.

ННК_НТ – источник быстрых нейтронов и зонд (детектор) медленных нейтронов определяют содержание водорода. Длина зонда L25-30 см.

Детектор ЛДНМ или пропорциональный счетчик.

ННК_Т – принципиальная схема такая же, но детектор не имеет экрана из кадмия.

Применяются двухзондовые установки такие же как в ГГК.

Нейтронный гамма-каротаж (НГК).

Применяется для измерения пористости в аппаратуре ДРСТ.

Импульсный нейтронный каротаж (ИННК).

10⁵ – 10⁷ нейтронов в посылке. 1посылка 1 мкс, число посылок 20-400 в секунду.

ИННК или ИНГК.

Время жизни тепловых нейтронов можно определить анализируя число регистрируемых нейтронов или гамма-квантов от t₃

.