Определение коэффициента пористости различными методами

Основные методы ГИС, позволяющие определить Кп в породе:

1. нейтронный каротаж ННК или НГК

2. плотностный каротаж ГГК-П

3. акустический каротаж АК

4. метод собственных потенциалов ПС

5. ядерно-магнитный каротаж ЯМК

Ядерные методы каротажа

Радиоактивный каротаж (РК) — исследования, основанные на измерении параметров полей ионизирующих частиц (чаще всего нейтронов и гамма-квантов) с целью определения ядерно-физических свойств и элементного состава горных пород.

Методы РК подразделяются на методы регистрации естественных излучений горных пород (радиометрия естественных излучений) и методы регистрации излучений, возникающих при облучении горных пород внешними источниками, помещенными в скважинном приборе (радиометрия вторичных излучений).

Из первой группы методов в настоящее время используется интегральный метод естественной радиоактивности - гамма-каротаж — ГК и спектрометрический метод - СГК.

Методы радиометрии вторичного излучения разделяются на две подгруппы, основанные на облучении горных пород, соответственно, гамма-квантами - гамма-гамма-каротаж — ГГК, и нейтронами - нейтронный каротаж — НК.

Каждая подгруппа разделяется на несколько модификаций в зависимости от решаемой задачи и области применения, а следовательно, различающихся источниками излучений, конструкцией измерительных зондов, типом регистрируемых частиц, методиками измерений и обработки первичных данных.

Приборами РК непосредственно измеряются сигналы детектора(ов) ионизирующего излучения в виде скорости счёта - числа импульсов, регистрируемых в единицу времени. В импульсных и спектрометрических модификациях РК скорости счёта регистрируют с учетом распределения импульсов по времени или по амплитуде, которая связана с энергией зарегистрированных частиц.

Переход от скорости счёта к геофизическим характеристикам пород (плотность пород, эффективный атомный номер элементов, макросечение захвата нейтронов и др.) и их геологическим параметрам (пористость, насыщенность, вещественный состав пород) осуществляют с использованием зависимостей между показаниями скважинных приборов и указанными характеристиками. Зависимости получают с помощью методов математического моделирования, измерений на моделях пород, или получения связей между показаниями приборов в скважине и характеристиками, измеренными на образцах керна («керн-ГИС»).

Структура аббревиатур названий методов РК (за редким исключением) выглядит следующим образом:

(С)(И)(Х₁,Х₂)К(ХХ)

С – Спектрометрический, И – Импульсный, Х1 – Тип источника излучений: Н – нейтронный или Г – гамма, Х2 – Тип регистрируемого излучения: Н – нейтронов, Г – гамма, А – активация, К – Каротаж, ХХ – Особенности метода (напр., С – селективный, НТ – по надтепловым нейтронам, П – плотностной и др.)

Пример: ГГК-П – гамма-гамма-каротаж плотностной, в котором источником является цезий, америций или другой гамма-излучатель, регистрируется также гамма-излучение, измеряемый параметр – плотность.

Исключением являются спектрометрический импульсный нейтрон-гамма каротаж, который чаще называют С/О-каротаж или ИНГК-С.

Основные ядерно-геофизические методы перечислены в Таблица 4.

Особенностью ядерно-физических методов является принципиальная возможность определения с их помощью концентраций отдельных элементов в горных породах.

Важными преимуществами большинства ядерно-физических методов является то, что они могут применяться как в необсаженных, так и обсаженных скважинах и на их показания относительно слабо влияет и характер жидкости в стволе скважины (за исключением методов, направленных на изучение ее состава).

Недостатками методов РК являются существенное влияние конструкции скважины на результаты измерений и относительно малая глубинность исследования (первые десятки сантиметров). Статистический характер процессов радиоактивного распада обуславливает ограничение скорости перемещения прибора по стволу скважины, от которой зависит точность измерения. Правила техники безопасности при обращении персонала с источниками ионизирующего излучения ограничивают их мощность и требуют дополнительных затрат.

Наиболее важными эксплуатационными и метрологическими характеристиками приборов РК являются:

- диапазоны измерения геофизических характеристик;

- предел допускаемой основной погрешности измерений,

- допускаемые максимальные скорости счёта (загрузка регистрирующего тракта);

- нестабильность скорости счёта при непрерывной работе прибора;

- максимальные значения температуры и давления работы прибора в скважине;

- максимальное и минимальное значения внутреннего диаметра исследуемых скважин (обсадных колонн);

- вертикальное разрешение метода и глубинность исследований, связанные с типом и мощностью источника и длиной зонда.

Значения этих характеристик и допускаемые отклонения от них регламентируются требованиями эксплуатационной документации на конкретные приборы.

 

Таблица 4. Основные ядерно-геофизические методы

№ п/п	Метод	Разновидности по типу регистрируемых частиц и особенностям регистрации излучения	Интерпретационные параметры	Задачи
	Гамма-каротаж (ГК)	ГК	Суммарная радиоактивность	Кгл, содержание органического вещества
СГК Малоканальный (N = 3¸6) Многоканальный (N ³100)	Концентрации естественных радиоактивных элементов (К, Th, U)	Кгл, минеральный состав, содержание органического вещества
	Нейтронные методы каротажа со стационарным источником нейтронов (НК)	ННК-НТ (регистрация надтепловых нейтронов)	Общее водородосодержание	Кп Кг после расформирования зоны проникновения
ННК-Т (регистрация тепловых нейтронов)
НГК
СНГК
	Нейтронные методы каротажа с управляемым источником нейтронов (импульсным генератором нейтронов) (ИНК)	ИННК	Декремент затухания тепловых нейтронов t Отношение скорости счета большого и малого зондов (RAIT)	Тип насыщения, Кг, Кн в высокоминерализованных пластах в расформированной зоне проникновения Контроль за разработкой, определение газо-водяного и нефте-водяного контактов
ИНГК
СИНГК (С/О-каротаж или ИНГК-С)	Элементный анализ, отношения С/О и Si/Ca	Контроль за разработкой, определение газо-водяного и нефте-водяного контактов, Кн
	Гамма-гамма каротаж (ГГК)	ГГК-П (плотностной)	Объемная плотность горных пород, d	Кп
ГГК-С (селективный)	Zэфф	Литологический состав
Дефектомер-толщинометр	Рассеянное гамма-излучение	Контроль качества цементирования и технического состояния обсадных колонн обсаженных нефтегазовых скважин.
	Активационный каротаж (АК)	НАК	Элементный анализ	Заколонные перетоки
ГАК

 

6.1.1 Гамма-каротаж

В основу гамма-каротажа и гамма-каротажа спектрометрического положена идея регистрации гамма излучения естественно радиоактивных элементов, содержащихся в горных породах. К ним в первую очередь относятся три естественных радиоактивных семейства – урана-235 (период полураспада 0,7·10⁹ лет), урана-238 (период полураспада 4,5·10⁹ лет) и тория-232 (период полураспада 14·10⁹ лет). Радиоактивность горных породобусловлена не только присутствием в них урана, тория и радиоактивных продуктов их распада, но и отдельными радиоактивными элементами. В ядерной геологии и геофизике наибольший интерес из них представляет изотоп К⁴⁰.

Содержание естественных радиоактивных элементов (ЕРЭ) в различных породах различно, следовательно, регистрируя испускаемое ими излучение, можно судить о типе горных пород, пройденных скважиной.

В результате распадов ЕРЭ излучаются гамма-кванты с характерными для каждого радиоактивного элемента распределением энергий, что позволяет принципиально реализовать две методики гамма каротажа. Гамма-каротаж, или гамма-каротаж интегральный, основан на регистрации гамма-излучения с использованием гамма-счетчиков или сцинтилляционных детекторов, работающих в интегральном режиме. В результате измерения гамма-каротажа формируется интегральная кривая радиоактивности по стволу скважины. Метрологические измерения на моделях с известной радиоактивностью с одной стороны, и специальное программно-методическое обеспечение введения поправок за условия измерения (диаметр скважины, толщина обсадной колонны, тип бурового раствора и до.) с другой позволяют производить оценку суммарной радиоактивности в абсолютных единицах (как правило используются мкР/ч или API).

В спектрометрической модификации гамма-каротажа регистрация излучения проводится сцинтилляционным детектором, что позволяет на каждом кванте глубины зарегистрировать энергетический многоканальный гамма-спектр. Метрологическое обеспечение состоит из гамма-спектров отдельных элементов, которые могут быть получены на специальных полноразмерных моделях пласта или полевых калибровочных устройствах. Энергетический гамма-спектр измеренный в пласте может быть представлен как суперпозиция спектров отдельных излучателей, что приведет к переопределенной системе алгебраических уравнений, решая которую можно получить значения концентраций ЕРЭ. Для проведения подобной обработки необходимо учитывать достаточно большое количество мешающих факторов: изменение шкалы спектрометра, влияние колонны, диаметра скважины, и пр. Наибольший вклад в величину поправочного множителя для измерений в обсаженных стальной колонной скважинах оказывает поглощение излучения породы в стальной колонне. Для 9 мм стальной колонны поправочные коэффициенты для калия, урана и тория будут соответственно равны 0,76, 0,73, 0,72. Поэтому величина поправки за стальную колонну будет больше, чем поправка для промывочной жидкости, где для внутреннего диаметра обсадной колонны 16,8 см величина поправки составляет менее 20% для всех элементов.

На сегодняшний момент существуют достаточно развитые методики учета этих факторов, и оценка концентраций ЕРЭ производится достаточно точно.

Проведение в скважине спектрометрического гамма-каротажа, в отличии от интегральной модификации, значительно увеличивает количество информации о пластах. В первую очередь, проведение СГК дает распределение интегральной радиоактивности по стволу, т.е. решает задачу ГК, помимо этого происходит определение концентраций ЕРЭ –калия, урана и тория, что позволяет более детально проводить разделение пород на литологические типы, а также использовать концентрации ЕРЭ в качестве дополнительных петрофизических уравнений.

Интерпретация данных интегрального гамма-каротажа может быть проведена двумя способами: по данным ГК могут быть выделены литологические пласты и проведена оценка глинистости пород, подобный подход используется для терригенной части разреза, где используется тот факт, что радиоактивность в большей степени обусловлена глинистыми минералами (см. пункт 6.2).

Для отложений баженовской свиты, где глинистость обычно не велика (~10%) и показания гамма-каротажа обусловлены, в основном, излучением урана, содержащегося в органическом веществе, интерпретация ГК сводится к выделению интервалов баженовской свиты и оценке содержания органического вещества. Для оценки органического вещества по данным ГК (и СГК) (Рисунок 36) строятся специальные зависимости по данным, полученным или на керновом материале, или на скважинах, где содержания ОВ могут быть получены независимо, например, по данным спектрометрического импульсного нейтронного гамма каротажа (литокаротажа).

 

Рисунок 36. Зависимость содержания органического вещества от показаний ГК в интервале баженовской свиты по одной из скважин