книги / Геофизические исследования скважин

никший радиоактивный изотоп, а следовательно, и исходный изотоп горной породы, из которого он образовался. По интенсивности гам­ ма-излучения радиоактивных ядер находят концентрацию соответ­ ствующих исходных элементов в горной породе.

Активация ядер может осуществляться как быстрыми, так и осо­ бенно медленными нейтронами. В первом случае активация проис­ ходит обычно в результате реакций (п, р) и (п, а), во втором (п, у). В разрезе нефтяных и газовых месторождений наиболее типичны реакции: 27А1 (п, у) 28А1 (Т, ,2 = 2,3 мин); 23Na (п , у) 24Na (Т 1/2 —15 ч); 160 (тг, у) 16N (Т1/2 = 7,4 с); 2®Si (гг, р) 28А1. В обсаженных скважинах существенны также реакции в материале колонны 56Fe (п, р) 56Мп (Т 1/2= 2,5 ч) и 56Мп (гг, у) 56Мп.

Вметоде наведенной активности используют установку, со­ держащую источник нейтронов и детектор гамма-излучения, уда­ ленный от источника на большое расстояние (1,5 — 2 м), достаточное для того, чтобы интенсивностью гамма-излучения радиационного захвата у детектора (эффектом НГМ) можно было пренебречь.

Взависимости от периода полураспада изотопа, определяемого при МНА, исследования проводят при непрерывном движении при­ бора по скважине (для изотопов с периодом полураспада, исчисляе­ мым секундами и первыми минутами) или на точках (при значении TJ/2 в несколько минут и более). В первом случае источник находит­ ся впереди и «наводит» искусственную радиоактивность, а индика­ тор движется за источником и регистрирует наведенную радиоак­ тивность. Скорость движения прибора поддерживается строго посто­ янной. Точку записи относят к середине детектора. Такой способ применим лишь при наведении в породе преимущественно одного изотопа с небольшим значением Т1/2, например 28А1.

При образовании в породе нескольких изотопов в сравнимых ко­ личествах, а также в случае одного изотопа с периодом полураспада порядка нескольких минут и более проводят исследования при не­ подвижном приборе — по точкам. Скважинный прибор опускают на такую глубину, чтобы источник расположился против точки, наме­ ченной к исследованию. После некоторого времени, достаточного для активации интересующих нас изотопов, прибор быстро перемеща­ ют на расстояние, равное интервалу между источником и индикато­ ром, и последний устанавливают точно против облученной точки. Далее измеряют интенсивность гамма-излучения при нескольких значениях времени задержки после конца облучения либо непрерыв­ но регистрируют изменение во времени наведенной активности с помощью регистратора. Измерения продолжают в течение времени, равного примерно периоду полураспада наиболее долго живущего из определяемых изотопов. Примерно таким же берут обычно и вре­ мя облучения.

При исследовании на точках данные об интенсивности наведенной активности (после вычитания естественной гамма-активности) обыч­ но подвергают дальнейшей обработке с целью определения периода полураспада и активности всех изотопов, активирующихся в замет-

ной степени. Для этого часто исполъзуют графический способ. Строят кривую спада активности, представляющую зависимость наведенной активности (в логарифмическом масштабе) от времени (в арифмети­ ческом масштабе) (рис. 50). При наличии в породе одного активного изотопа такая кривая представляет прямую с наклоном, равным постоянной распада этого изотопа (кривые 1 и 2 на рис. 50). Но и при активации нескольких изотопов (если проводить измерения в тече­ ние достаточно большого времени) к концу измерений обычно остает­ ся лишь один, наиболее долго живущий из активированных изотопов. Соответственно правая часть кривой спада активности будет иметь вид прямой линии с угловым коэффициентом, равным постоянной рас­ пада для этого изотопа. Продолжая эту прямую влево до пересечения

с осью ординат, получают кривую спада активности наиболее долго живущего изотопа для любого мо­ мента времени (см. рис. 50).

Вычитая активность этого изо­ топа в разные моменты времени из суммарной активности, получают кривую спада активности осталь­ ных активных изотопов. Проводя, как и прежде, асимптоту к правой части этой кривой, будем иметь кривую спада активности следую­ щего изотопа, а по наклону кривой

— его период полураспада. Посту­ пая и далее подобным образом, всю кривую расчленяют на прямоли­ нейные (в полулогарифмической системе координат) кривые спада отдельных изотопов, сумма актив­

ности которых и измеряется при МНА. В качестве величины, харак­ теризующей активность изотопов, берут их активность к концу об­ лучения, т. е. ординату пересечения с осью ординат соответствую­ щих прямых для отдельных изотопов. Эту величину далее делят на мощность источника и пересчитывают на бесконечное время облу­ чения. Переход от значений начальных активностей изотопов к кон­ центрации элементов горной породы осуществляют на основании переходных коэффициентов, полученных по данным исследований моделей пластов с известной концентрацией элементов и с конструк­ цией скважины, совпадающей с конструкцией исследуемых скважин. Результаты исследований зависят (кроме конструкции скважины) от содержания в породе водорода и среднего времени жизни нейтро­ нов. Поправку за их влияние вводят по результатам измерений дру­ гими нейтронными методами.

В настоящее время МНА применяют в основном для выделения в разрезе скважины руд и оценки концентрации таких элементов, как алюминий, медь, марганец, фтор (флюорит).

82

При применении источников высокоэнергетических нейтронов (генераторов нейтронов) удается получить достаточно интенсивную активацию кислорода по реакции 160(те, р) 16N (Т1/2=7,4 с). По изме­ нению активности этого изотопа по стволу скважины можно выде­ лить в разрезе скважины полезные ископаемые, бедные кислородом (каменный уголь, самородную серу, иногда нефтеносные пласты), а также изучить содержание углеводородов в жидкости, заполняющей скважину, что важно при контроле за разработкой нефтяных место­ рождений (см. гл. X).

Метод радиоактивных изотопов (меченых атомов)

Метод радиоактивных изотопов основан на том, что в буровой ра­ створ вводят некоторое количество радиоактивного изотопа и продви­ жение такого меченого раствора прослеживают путем измерения гам­ ма-излучения по стволу скважины. Наибольший интерес при изучении геологического разреза представляет обнаружение проницаемых гор­ ных пород (коллекторов) по повышению их радиоактивности в резуль­ тате проникновения в них активированного бурового раствора или его фильтрата. Такие исследования проводят как в необсаженных, так и в обсаженных скважинах, например, для определения зон поглощения в нагнетательных скважинах. Другое применение метода — разделение водо- и нефтенасыщенных пород путем закачки активированного ра­ створа, преимущественно проникающего либо в водоносные (например, раствор на водной основе), либо в нефтеносные пласты (раствор на не­ фтяной основе). Наконец, довольно широко этот метод используют при изучении технического состояния скважин (см. гл. VIII).

Работы с радиоактивными изотопами проводят в следующей пос­ ледовательности: а) исследуют разрез скважины гамма-методом («фоновый» замер); б) вводят радиоактивный изотоп в буровой ра­ створ, заполняющий ствол скважины; в) выжидают время, необхо­ димое для проникновения меченного раствора в пласты, пройденные скважиной (во многих случаях, особенно при малой плотности ра­ створа, осуществляют искусственное «продавливание» раствора; после этого ствол скважины промывают для удаления остатков ра­ диоактивного вещества); г) повторяют измерения гамма-методом; д) сопоставляя два замера ГМ, обнаруживают интервалы, радиоак­ тивность которых существенно изменилась между двумя замерами.

Для активирования раствора применяют радиоактивные вещества, хорошо растворимые в буровом растворе. Иногда используют взвеси порошкообразных веществ, обогащенных радиоактивным изотопом. Чтобы уменьшить срок радиоактивного заражения скважины, пери­ од полураспада изотопа следует брать небольшим. Наиболее широко применяются изотопы 59Fe (Т1/2 = 45 дней), 1311 (8 дней) и 95Zr (65 дней). Активность раствора обычно порядка 108 Бк на 1 м3 раствора.

Для обеспечения безопасности работ вводить радиоактивный пре­ парат в раствор следует в стволе скважины. Лучше всего вводить изотопы с помощью специальных инжекторов — глубинных прибо­ ров, в которых размещены камеры для отдельных порций радиоак­

83

тивного вещества и устройство, позволяющее вводить это вещество в раствор на любой заданной глубине.

Помехами при применении метода радиоактивных изотопов яв­ ляется сорбция радиоактивных соединений непроницаемыми поро­ дами, особенно глинами, а в обсаженных скважинах — обсадной ко­ лонной. Благодаря этому наблюдается некоторое повышение пока­ заний ГМ почти по всему стволу скважины. Кроме того, возможны ложные аномалии на забое (вследствие скопления активных осад­ ков) и на верхней границе нефти или эмульсии в стволе скважины (из-за сорбции нефтью радиоактивного изотопа и других причин).

Поскольку при работе методом изотопов происходит радио­ активное загрязнение скважинного прибора из-за сорбции ра­ диоактивного вещества его корпусом, такие приборы не следует при­ менять при обычном ГМ.

Работы с использованием открытых радиоактивных изотопов от­ носятся к числу весьма опасных и требуют исключительно тщатель­ ного соблюдения установленных мер техники безопасности. Указан­ ные недостатки метода изотопов стимулируют разработку способов решения тех же задач с применением растворов, меченных неради­ оактивными веществами, к которым чувствителен тот или иной ме­ тод исследования скважин. Среди них важное место занимают ве­ щества с высоким сечением поглощения нейтронов и частично ве­ щества, хорошо активирующиеся нейтронами Пути движения таких растворов определяют с помощью соответственно импульсных ней­ тронных методов и метода наведенной активности.

Совокупность таких методов, применяющих меченые вещества (включая и метод изотопов), называют методом индикаторных ве­ ществ.

Ядерно-магнитные методы

Применение ядерно-магнитных методов (ЯММ) основано на на­ личии магнитных и механических моментов у ядер атомов.

При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных ядер хаотически направлены во все стороны и их сум­ марный магнитный момент равен нулю. Если ядро поместить во внеш­ нее постоянное магнитное поле Н0, то магнитные силы будут стре­ миться ориентировать магнитный момент ядра по направлению внешнего поля. Однако подобно вращающемуся волчку в поле тяго­ тения Земли полного совпадения магнитного момента ц отдельного ядра с направлением Н0 не произойдет. Вектор магнитного момента подобно оси волчка будет прецессировать вокруг направления поля Н0, т е., непрерывно двигаясь, описывать коническую поверхность с осью, совпадающей с направлением Н0 ■Круговая частота прецесси­ онного вращения зависит от магнитного момента ядра и напряжен­ ности магнитного поля. Для протона (ядра водорода) в магнитном поле Земли частота прецессии близка к 2000 Гц.

Наблюдение относительно слабой ядерной намагниченности сре­ ды на фоне более сильного атомного диамагнетизма облегчается ме­

84

ханизмом свободной прецессии ядер Чтобы наблюдать свободную прецессию, создают неравновесное состояние ядер. В применяемом варианте метода этого добиваются приложением сильного поляри­ зующего поля, направленного под углом к направлению поля Земли Н0 • Этим достигается значительное увеличение ядерной намагничен­ ности М и поворот ее направления по отношению к магнитному полю Земли. После выключения поляризующего поля среда остается в неравновесном состоянии — вектор намагниченности М имеет го­ раздо большую величину, чем в состоянии равновесия с полем Зем­ ли Я0, и повернут относительно направления последнего. В резуль­ тате начинается свободная прецессия вектора намагниченности М вокруг направления Я0

Рис.51 Схема получения свободной прецессии ядер в магнитном поле Земли

Й°

а — поляризация дополнительным полем На, б — свободная прецессия вектора на­ магниченности М после выключения поля, К— поляризукице-приемная катушка

Таким образом, при ЯММ принят следующий способ наблюдения свободной прецессии ядер. Пропуская ток через катушку, ось кото­ рой направлена под углом к магнитному полю Земли, создают попе­ речное магнитное поле Н± , поляризующее горную породу, т е. изме­ няющее направление и величину ее ядерной намагниченности (рис. 51) Величина Н± должна быть во много раз больше поля Земли Я0, поэтому результирующая намагниченность М практически со­ впадает с направлением поля Н±

Через некоторое время поляризации tn поляризующее поле Н1

выключается настолько быстро, чтобы за время выключения вектор М не успел заметно изменить свое направление После этого вектор намагниченности М , прецессируя вокруг Я0 (см.^рис 51), постепен­ но возвращается в первоначальное положение М± ; его поперечная

где M2 о — начальное значение М± к моменту выключения поля; Т — в р е м я п о п е р е ч н о й р е л а к с а ц и и , показывающее скорость

затухания свободной прецессии ядер.

При прецессии М ее поперечная составляющая М±, вращаясь вок­ руг оси Я„, пересекает витки катушки в разных направлениях и наво­ дит в последней переменную ЭДС с частотой 2000 Гц Амплитуда коле­ баний этой ЭДС уменьшается во времени по тому же экспоненциально­ му закону U0e -t/T, что и Мх (здесь UQ— амплитуда ЭДС в момент

85

выключения поляризующего поля). Значение U0— основная величина, определяемая при ЯММ (рис. 52).

определения количества водорода в горных породах. Преимущества метода заключается в том, что водород в составе воды, химически свя­ занной или прочно адсорбированной на поверхности зерен породы, не дает вклада в измеряемую ЭДС, ибо создает очень быстро затухаю­ щий сигнал. Таким образом, определяемое ядерным магнитным мето­ дом количество водорода позволяет установить количество несвязан­ ной (свободной) воды или нефти в породе. Это количество соответствует величине эффективной пористости пород, представляющей важней­ ший параметр коллекторов. Другими методами этот параметр прямо не определяется.

Величину UQ,измеряемую таким образом при ЯММ, принято выра­ жать в условных единицах, называемых и н д е к с о м с в о б о д н о г о ф л ю и д а (ИСФ). Сто таких единиц соответствуют сигналу в воде. Ве­ личина ЭДС, соответствующая этой единице, определяется в резуль­ тате эталонного замера в воде. Показания метода в единицах ИСФ пос­ ле внесения поправок (за влияние диаметра скважины, глинистой кор­ ки и т. п.) соответствуют эффективной пористости кпэффколлекторов.

Точку записи ЯММ относят к середине катушки зонда. Возбуж­ дение и регистрация сигналов осуществляется циклами, включаю­ щими время поляризации, время наблюдения сигнала и паузу. В ре­ жиме поляризации по одной из катушек пропускается ток порядка 2А. После отключения тока начинается прецессия, вследствие чего в катушке зонда, отключенной к этому времени от источника питания, наводится ЭДС сигнала ЯММ. Вследствие переходных процессов, связанных с выключением поляризующего поля, регистрация сиг­ нала свободной прецессии начинается не сразу после начала прецес­ сии, а лишь спустя некоторое время, называемое мертвым (tM), по­ рядка 25 — ЗОмс (рис. 52). Аппаратура ЯММ, работающая в магнит­ ном поле Земли позволяет измерить сигнал свободной прецессии ядер с временами релаксации от 20— 30 до 2000мс.

86

Для визуализации сигналов ЯММ используется обычный низко­ частотный осциллограф. В приборе не должны использоваться дета­ ли включающие магнитный материал. Кожух прибора выполняют из сплава алюминия, или нержавеющей стали, либо титана и делают его таких размеров, чтобы кабель был удален от зонда на расстояние порядка 1,5 м.

ЯММ проводится только в открытом стволе, так как присутствие металлической колонны резко искажает земное магнитное поле, эк­ ранирует пласт от поляризующего поля и исключает возможность принять сигнал. Кроме того, направленность поля Земли затрудняет применение ЯММ в наклонных и горизонтальных скважинах

В настоящее время разработана аппаратура, работающая в силь­ ных магнитных полях, создаваемых постоянными магнитами (ядер- но-магнитный томографический каротаж: ЯМТК-НПЦ «Тверьгеофизика»; CMR — компания Шлюмберже; MRIL — компания «Нумар»). Магнит выполняют в виде цилиндра длиной 1000 — 1200мм, намаг­ ниченного перпендикулярно длинной оси. Поле, создаваемое таким магнитом, практически плоско параллельно в плоскостях перпенди­ кулярных оси зонда. На поверхность магнита навивают радиочастот­ ную катушку, которая создает поле, повернутое по отношению к полю магнита в каждой точке на 90°. По результатам измерений опреде­ ляется спектр распределения времен поперечной релаксации Т в диапазоне 0,1 — 2000мс, такой диапазон отражает распределение пор по размерам, что позволяет оценить количество связанной воды, сво­ бодной воды, пористость глин. Измеряя время поперечной и продоль­ ной релаксации в принципе возможно определение коэффициентов диффузии и вязкости поровых флюидов в пластовых условиях (ве­ личина продольной релаксации зависит от вязкости насыщенного порового флюида, удельной поверхности горной породы и степени ее гидрофильности).

Нейтронная гамма-спектрометрия

Возможности нейтронного гамма-метода в стационарном и им­ пульсном варианте (НГМ и ИНГМ), так же как и ГМ, могут быть рас­ ширены при использовании спектрометрии гамма-излучения. По­ скольку спектр излучения радиационного захвата нейтронов ядрами разных элементов различен, то возникает принципиальная возмож­ ность по данным спектрометрии этого излучения судить о содержа­ нии в породе тех или иных элементов.

Спектрометрический нейтронный гамма-метод основан на изме­ рении энергетического или энергетического и временного спектров вторичного гамма-излучения, при неупругом рассеянии (ГИНР) и при радиационном захвате (ГИРЗ). Измеряемыми величинами являют­ ся скорости счета в энергетических и временных окнах Расчетными величинами являются скорости счета в энергетических окнах, соот­ ветствующих энергиям гамма-квантов неупругого рассеяния быст­ рых нейтронов и радиационного захвата тепловых нейтронов для основных породообразующих элементов (С, О, Н, Са, Si, Ре, С1 и д р )

87

Нейтронная спектрометрия реализована в двух нижеследующих вариантах: стационарном и импульсном.

Спектрометрический нейтронный гамма-метод (НГМ-С)

По данным НГМ-С получают содержания Al, Si, Са, Fe, S,Ti, К, Th, U, Gd (аппаратура GLT фирмы Шлюмберже). Разработан при­ бор широкодиапазонного нейтронного-гамма каротажа — СНГМ-Ш (ВНИИГИС, ЗАО МПФ «Гитас»). Он представляет собой двухзондовый сцинтилляционный спектрометр, особенностью которого явля­ ется наличие для каждого из зондов двух энергетических шкал — условно низко- и высокоэнергетической. Это обеспечивает более де­ тальное исследование спектра нейтронно-радиационного излучения.

Данные о содержании отдельных элементов используют для: оп­ ределения содержаний отдельных минералов (кварц, полевые шпа­ ты, кальцит, доломит, ангидрит, гипс, глинистые минералы: каоли­ нит, иллит, смектит и др.); для определения литофациоальной при­ надлежности песчаников (граувакки, литарениты, аркозы, субаркозы и т.д.); определения пористостии проницаемости в отложениях слож­ ного полиминерального состава с присутствием примесей; для меж­ скважинной корреляции в сложных случаях (см. табл. 3).

Т а б л и ц а 3. Применения НГМ-С (по М.М. Херону]

•Для определения минерального состава используют также данные о плотности (по данным ГГМ-П) и суммарном эквивалентном водородосодержании пластов (по дан­ ным нейтронных методов)

88

Спектрометрический импульсный нейтронный гамма-метод (ИНГМ-С)

Спектры ГИНР регистрируют в процессе излучения импульса нейтронов (так как процесс замедления быстрых нейтронов длится несколько микросекунд). Спектр ГИНР является индивидуальной ха­ рактеристикой ядра. Например, при неупругом рассеянии нейтрона на ядре углерода образуются гамма-кванты с энергией преимуще­ ственно 4,43 Мэв, а на ядре кислорода — 6,13 Мэв. По соотношениям в спектрах ГИНР и ГИРЗ наблюдаемых эффектов от Н, Si, Са, Fe, Cl, S можно определить литологический состав пород, пористость, рас­ считать нефтенасыщенность.

Интерпретационными параметрами ИНГМ-С служат макросече­ ние Га (10_3 см-1) захвата тепловых нейтронов и коэффициент кп (%) водонасыщенной пористости, а также отношения скоростей счета в диапазонах энергетических спектров ГИНР, соответствующих излу­ чениям углерода и кислорода (С/О) и кальция к кремнию (Ca/Si). Эти отношения определяются литологией отложений и характером насы­ щения пород.

Измерительный зонд содержит излучатель быстрых (14 МэВ) ней­ тронов и один— два детектора гамма-излучения. Длина зонда 0,4— 0,6 м, точка записи — середина зонда. Калибровки проводят на трех стандартных образцах, воспроизводящих значения насыщенности пласта. Одним из стандартных образцов является емкость с пресной водой не менее 1,5 м в диаметре и 2 м по высоте (для исключения влияния среды за стенами емкости). Рекомендуемая скорость каро­ тажа — 40 — 50 м/ч.

Модификация ИНГМ-С для определения нефтенасыщенности по­ род называется С/О-каротажем. Отношение С/О зависит от пористос­ ти, литологии, характера насыщения пластов, заполнения скважины, но практически не зависит от минерализации пластовых флюидов, что является достоинством метода. Для учета влияния вещественного со­ става пород по спектрам ГИНР и ГИРЗ рассчитываются отношения кальция и кремния (Ca/Si). Интерпретационным параметром метода является разность отношений углерода-кислорода (КС/о)> и кальциякремния (RCa/а ). Кажущееся объемное содержание нефти в породе (кИК) определяется с помощью зависимостей вида:

ккк = а (Rc/0- b RCa/Si ) + с, где а, Ь, с — константы.

В приборах С/О-каротажа (АИМС-ОАО НПЦ «Тверьгеофизика; M SI-C /0 — фирма Western Atlas; G ST— фирма Шлюмберже) гене­ ратор нейтронов производит короткий (длительностью 5— 8 мкс) выброс нейтронов каждые 50 мкс. Гамма-лучи, возникающие в по­ роде в результате неупругого рассеивания и захвата нейтронов, ре­ гистрируются (с измерением их энергии) системой кристаллический детектор — многоканальный анализатор. Система ведет запись вре­ мени прихода гамма-квантов (256 временных каналов) и спектраль­ ной энергии гамма-квантов неупругого рассеивания (256 каналов) и захвата (еще 256 каналов).

89

На рис. 53 приведены спектры, зарегистрированные аппаратурой АИМС-С (ОАО НПЦ «Тверьгеофизика») в нефте- и водонасыщен­ ных моделях (песчаник пористостью 34%, вода — пресная). На спек­ трах ГИНР в областях энергий излучения углерода и кислорода вы­ деляются участки, наиболее сильно реагирующие на замещение воды нефтью в поровом пространстве. Спектры ГИРЗ в водо - и нефтена­ сыщенном песчанике практически одинаковы.

1 2 3 4 5 6 7 Энергия, МэВ

Рис. 53. Энергетические спектры ГИНР (а) и ГИРЗ (б), зарегистрированные аппаратурой АИМС-С в модели пласта [по данным НПЦ «Тверьгеофизика»].

1 — водонасыщенный песчаник, 2 — нефтенасыщенный песчаник

По спектрам неупругого рассеивания вычисляется содержание в породе Са, Si, С и О (или отношение С/О), а по спектрам захвата — содержание Са, С1 (отношение Ca/Si определяется также и по «не­ упругим» спектрам). Коэффициент пористости рассчитывают по со­ отношению спектров захвата и упругого рассеивания. Спектр дан­ ных времени прихода гамма-квантов используют для независимого расчета Еа и пористости. Отношение С/О используют для расчета нефте-водо-насыщения за обсадной колонной.

ИНГМ-С применяют в обсаженных скважинах для оценки теку­ щей и остаточной нефтенасыщенности, определения интервалов об­ воднения продуктивных коллекторов независимо от минерализации пластовых вод и для сопровождения процесса интенсификации неф­ теотдачи коллекторов [13].

90