Размещено на http://allbest.ru

Размещено на http://allbest.ru

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«САРАТОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н.Г.ЧЕРНЫШЕВСКОГО»

Кафедра геофизики

Курсовая работа

«Метод нейтронного гамма каротажа»

Студента 2 курса 231 группы

направление 21.03.01 нефтегазовое дело

профиль «Геолого-геофизический сервис»

геологического ф-та

Василенко Юрия Александровича

Научный руководитель

к.г.-м.н., доцент

Е.Н. Волкова

Саратов 2021

Оглавление

Введение

1. Сущность метода

2. Методика и техника работ

2.1 Аппаратура

2.2 Применение метода

2.3 Влияние скважинных условий и параметров пласта

Заключение

Введение

Ядерная геофизика изучает ядерные явления, происходящие в горных породах и на планете в целом, ядерно-физические характеристики горных пород и некоторых других природных объектов, пути и способы их использования при решении геологических задач, поисках, разведке и контроле разработки месторождений полезных ископаемых. Геофизическая разведка проводится, прежде всего, при поисках нефти и газа, рудных полезных ископаемых и подземных вод. Она отличается от геологической разведки тем, что вся информация о поисковых объектах извлекается в результате интерпретации инструментальных измерений, а не путем непосредственных наблюдений.

Геофизические методы - сравнительно молодые методы поисков и разведки полезных ископаемых, но в связи с их большой глубинностью и высокой производительностью они развивались быстрыми темпами. В настоящее время геофизические методы стали неотъемлемой частью геологического картирования, поисков и разведки полезных ископаемых, решения инженерно-геологических и гидрогеологических задач.

К числу нейтронных методов ядерной геофизики по традиции относят методы, в которых для изучения пород и руд используют источники нейтронов либо измеряют потоки нейтронов, возникающие в результате ядерных реакции.

Нейтронным гамма-методом изучают г-излучение, возникающее при радиационном захвате нейтронов ядрами элементов. В качестве источника нейтронов обычно используют точечный ампульный источник быстрых нейтронов. г-поле наблюдают на некотором расстоянии от источника нейтронов.

разведка полезные ископаемые нейтронный метод ядерная геофизика

1. Сущность метода

Нейтронный метод основан на облучении скважины и пород нейтронами от стационарного ампульного источника и измерении плотностей потоков надтепловых и тепловых нейтронов и гамма-квантов, образующихся в результате ядерных реакций рассеяния и захвата нейтронов. Измеряемая величина - скорость счета в импульсах в минуту (имп/мин); расчетная величина - водородосодержание пород, %.

В зависимости от регистрируемого излучения различают:

- нейтронный каротаж по надтепловым нейтронам - ННК-НТ;

- нейтронный каротаж по тепловым нейтронам - ННК-Т;

- нейтронный гамма-каротаж - НГК.

Первые два вида исследований выполняют, как правило, с помощью компенсированных измерительных зондов, содержащих два детектора нейтронов; НГК - однозондовыми или двухзондовыми приборами, содержащими источник нейтронов и один или два детектора гамма-излучения.

Нейтроны не имеют электрического заряда, не ионизируют среду и, следовательно, не теряют энергии при взаимодействии с электрическими зарядами электронов и ядер. Этим объясняется их высокая проникающая способность. Нейтрон - частица с массовым числом, равным единице, и с зарядом, равным нулю.

Различают быстрые нейтроны с энергией 1 - 15 МэВ, промежуточные - 1 МэВ - 10 эВ, медленные или надтепловые - 10 - 0,1 эВ и тепловые нейтроны со средней скоростью 0,025 эВ.

Единственный фактор, влияющий на движение нейтронов - их столкновение с ядрами атомов, которое проявляется в виде рассеяния нейтронов и захвата их ядрами атомов. В результате рассеяния происходят уменьшение энергии нейтронов и изменение направления его движения. Различают неупругое и упругое рассеяние нейтронов.

В случае неупругого рассеяния при столкновении нейтрона с ядром атома большая часть кинетической энергии расходуется на возбуждение рассеивающего ядра, что сопровождается значительным снижением энергии (скорости движения) нейтронов. Неупругое рассеяние характерно для быстрых нейтронов.

При энергиях нейтронов от нескольких МэВ до 0,1 эВ преобладает упругое рассеяние, играющее основную роль в процессе замедления нейтронов. Упругое рассеяние вызывает перераспределение кинетической энергии между нейтроном и ядром (часть энергии нейтрона передается ядру), отклонение движения нейтрона от первоначального направления и снижение его энергии. Чем меньше масса ядра, тем больше потеря энергии нейтрона. Наибольшая потеря энергии происходит при столкновении нейтрона с ядром атома водорода, масса которого почти равна массе нейтрона. Потеря энергии нейтроном в этом случае может быть полной.

В результате рассеяния быстрых нейтронов, испускаемых источником, происходит их замедление и превращение в надтепловые и тепловые, т. е. в конечном счете энергия нейтронов становится равной кинетической энергии атомов и молекул. Такие нейтроны участвуют в тепловом движении атомов и молекул, сталкиваются с ними, не теряя и не приобретая энергии. Этот процесс получил название диффузии нейтронов.

В горной породе замедляющая способность нейтронов определяется содержанием водорода в единице ее объема (водородосодержанием, щ). Интенсивность замедления быстрых нейтронов наименьшая в карбонатах и наибольшая в галоидах.

Нейтронный гамма-каротаж основан на измерении характеристик гамма-излучений, возникающих в процессе поглощения нейтронов в горных породах при их облучении внешним источником нейтронов.

Нейтронный каротаж применяют в необсаженных и обсаженных скважинах.

Общая интенсивность гамма-излучения, регистрируемая при нейтронном гамма-каротаже, слагается из трех компонент:

1. интенсивности гамма-излучения, возникающего в результате радиационного захвата нейтронов ядрами породы (радиационное или вторичное гамма- излучение);

2. гамма-излучения источника нейтронов, которое воздействует на индикатор непосредственно или вследствие облучения стенок скважины гамма-лучами, часть которых рассеивается породой в направлении индикатора; для ослабления непосредственного гамма-излучения от нейтронного источника между ним и индикатором устанавливается свинцовый экран;

3. естественного гамма-излучения, обусловленного естественной радиоактивностью породы.

Интенсивность радиационного захвата при нейтронном гамма-каротаже оценивается числом нейтронов, поглощаемых в единице объема среды, окружающей индикатор. Гамма-излучения, которые возникают за пределами этой среды, поглощаются породой раньше, чем достигают индикатора.

Взаимодействие быстрых нейтронов с веществом происходит по следующей схеме: вначале наблюдается замедление, при котором в результате столкновения и рассеяния на ядрах вещества быстрые нейтроны теряют энергию, становятся сначала надтепловыми, а далее тепловыми. Затем возникает диффузия, при которой тепловые нейтроны мигрируют без существенного изменения энергии. На последнем этапе миграции нейтронов происходит их поглощение, т.е. захват ядрами элементов с испусканием гамма-квантов.

Плотность нейтронов в зоне размещения детектора в среде с большим водородосодержанием мала, поскольку в такой среде нейтроны замедляются, поглощаются в основном вблизи источника, и зоны размещения детектора достигает небольшое их число. Поэтому породы с высоким водородосодержанием на диаграммах нейтронного гамма-каротажа отмечаются низкими показаниями. В малопористых породах с низким водородосодержанием плотность нейтронов вблизи детектора увеличивается, что вызывает повышение интенсивности радиационного захвата, следовательно, показаний нейтронного гамма-каротажа.

2. Методика и техника работ

Для проведения нейтронного гамма-каротажа используют аппаратуру радиоактивного каротажа. Главная функция аппаратуры состоит в регистрации интенсивности гамма-квантов или нейтронов, поэтому различные типы соответствующих приборов принято называть скважинными радиометрами. Аппаратура состоит из скважинного прибора, заключенного обычно в прочную стальную гильзу, и наземного пульта, соединенных между собой каротажным кабелем. Различают интегральную и спектрометрическую аппаратуру. Первая регистрирует частицы с энергиями выше (или ниже) заданного порогового значения, вторая -- частицы с энергиями, принадлежащими к определенному диапазону интервалов, заключенному между нижним и верхним пороговыми значениями.

В скважинном приборе (зонде) искусственных методов радиоактивного каротажа главным элементом является стационарный или импульсный источник излучения. В стационарном источнике нейтронов используют смесь б-излучателя (например, плутония ²³⁹Pu) с порошком бериллия или бора. При бомбардировке плутония б-частицами бериллия или бора происходит ядерная реакция, в результате которой образуется 10⁶-10⁷ нейтронов в секунду с энергиями, распределенными в основном между 3,0 и 5,0 МэВ. Работы со всеми источниками ядерных излучений являются вредными для здоровья и требуют неукоснительного выполнения инструкций по технике безопасности.

Нейтронный каротаж с источником непрерывного действия не дает возможности надежно отличать пласты, насыщенные водой и нефтью, так как они как замедлители нейтронов неразличимы. Для этой цели эффективнее оказался нейтронный каротаж с импульсным источником нейтронов. Пластовая вода обычно содержит минеральные соли, в то время как в нефти они отсутствуют. Из-за поглощения нейтронов в Cl время жизни тепловых нейтронов в пласте, содержащем воду, меньше, чем в нефтяном пласте.

0,3 - 0,6 мс -- данное время жизни характерно для пористых пластов, насыщенных пресной водой или нефтью;

0,11 - 0,33 мс -- данные значения характерны для пластов, насыщенных минерализированной водой;

0,6 - 0,8 мс -- по такому времени жизни можно говорить о том, что пласт насыщен природным газом.

Плутоний - бериллевые источники, основанные на плутонии - 239, обладают одновременно преимуществами радий-бериллиевого и полоний-бериллиевого источников: большим периодом полураспада и сравнительно низким г-фоном. Эти источники имеют несколько меньший выход нейтронов и большие размеры ампул. Спектр нейтронов плутоний - бериллиевого источника распределяется в интервале от 0,3 до 10,74 МэВ.
Плутоний - 239 под действием тепловых нейтронов способен делиться на осколки с испусканием быстрых нейтронов. Поэтому при размещении плутоний - бериллиевого источника в замедлителях он будет создавать дополнительные нейтронные потоки, практически не поддающиеся учету. Вылет г - частиц из плутония сопровождается испусканием г - кванта с энергией 0,014 (20%) и 0,039 МэВ (11%). Однако г излучение плутония в силу его малых энергий очень интенсивно задерживается металлической оболочкой ампулы источника.

В настоящее время для регистрации гамма-квантов применяются сцинтилляционные и полупроводниковые детекторы. Сцинтилляционный детектор состоит из сцинтиллятора и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Детектирование гамма-квантов происходит по вторичным заряженным частицам, образующимся при взаимодействии гамма-квантов с веществом сцинтиллятора. При прохождении заряженных вторичных частиц через вещество сцинтиллятора их энергия тратится на его возбуждение и ионизацию. Переходы с возбужденных состояний на более низкие уровни энергии сопровождаются излучением фотонов. Возникшие в сцинтилляторе фотоны попадают через светопровод на фотокатод. Под действием фотонов происходит фотоэффект на фотокатоде с вылетом электронов, которые попадают в систему фотокатод-диноды. В результате электронной эмиссии на динодах электроны выбивают из них электроны, образуя нарастающую от динода к диноду электронную лавину. Между динодами поддерживаются разности потенциалов, благодаря чему общий коэффициент усиления ФЭУ, имеющих обычно от 10 до 14 динодов, достигает величин порядка 106 - 109 . Амплитуда импульса напряжения, создаваемого на нагрузке последнего динода ФЭУ, пропорциональна энергии, потерянной частицей в сцинтилляторе. Сцинтилляционный детектор представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 Сцинтилляционный детектор

Полупроводниковые детекторы представляют собой твердотельную ионизационную камеру, в которой при поглощении ионизирующих излучений образуются носители заряда - электроны и дырки. Для полупроводниковых детекторов обычно используются кремний и германий, причем именно германиевые детекторы используются для регистрации гамма-квантов. В полупроводниковом детекторе создается область, в которой отсутствуют свободные носители заряда. Заряженная частица, пролетая через эту обедненную область детектора, производит пары электрон-дырка вдоль своей траектории. Средняя энергия, необходимая для образования одной электронно-дырочной пары, составляет 2.95 эВ для германия при температуре 80 K. Количество электронно-дырочных пар пропорционально потерям энергии частицы. Для измерения энергии частицы, необходимо, чтобы она потеряла всю свою энергию и остановилась в чувствительной области. Под действием приложенного к детектору электрического поля, электроны движутся к аноду, а дырки - к катоду. Собранные заряды образуют токовый импульс, интеграл которого несет информацию об энергии, которую частица потеряла в чувствительной области. Токовый импульс детектора поступает в зарядовочувствительный предусилитель, а затем - аналого-цифровой преобразователь (АЦП). АЦП генерирует число, линейно зависящее от амплитуды сигнала на выходе усилителя. Таким образом, число, которое генерирует АЦП, пропорционально энергии частицы. Это делает аппаратуру инерционной и накладывает большие ограничения на скорость каротажа. На практике типичные значения скорости составляют 500-600 м/ч для общих и 30-400 м/ч для детальных исследований. В современной аппаратуре инерционность учитывают автоматически. Границы пластов отмечают в середине аномалии. Диаграммы напротив однородного пласта, залегающего среди двух отличных однородных пластов, становятся симметричными. Погрешность измерений стремятся уменьшить, улучшая эффективность детекторов излучения и увеличивая интенсивность источников излучения.

В принципе все скважинные приборы нейтронного гамма-каротажа устроены аналогично. Внизу прибора располагается хвостовик с ампульным источником быстрых нейтронов. Хвостовик имеет экран-замедлитель нейтронов из водородсодержащего вещества (парафин и т. п.) и экран-поглотитель гамма-квантов(свинец). Эти экраны исключают прямое облучение источником одного детектора излучения нейтронов или гамма-квантов . При перевозке и хранении хвостовик с источником помещают в защитный контейнер, изготовленный из водородсодержащего вещества в смеси в нейтронопоглощающими веществами (борная кислота и др.). С целью уменьшения облучения персонала присоединение хвостовика с источником к остальной части прибора на скважине проводится манипулятором. Прибор также содержит детектор гамма-квантов естественного происхождения, который располагают так, чтобы на него не влияло гамма-излучение, и электронную схему. За длину зонда принимают расстояние между серединами источника и детектора, за точку записи -- середину этого расстояния. Получили распространение многозондовые приборы (обычно двухзондовых), позволяющие снизить влияние скважины на результаты измерения. Схема прибора изображена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема прибора нейтронного гамма-каротажа.

Для получения корректных результатов измерений любую аппаратуру для нейтронного гамма-каротажа необходимо эталонировать.

Технические характеристики одного из применяемых приборов указан на рисунке 3.

Рисунок 3 - Прибор КАСКАД ГК-НГК-76-Т

2.2 Применение метода

С помощью кривой нейтронного гамма-каротажа можно определять: интервалы коллекторов, насыщение и перемещение водонефтяного контакта, газонефтяного контакта и газоводяного контакта, пористость, литологию.

При определения литологии и коллекторов, для плотных пород с низким водородосодержанием и пористостью (плотные известняки, карбонатизированные песчаники, доломиты и алевролиты и др.) характерны повышенные значения показаний НГК (рисунок 4).

Рисунок 4 Определение литологии, коллекторов и насыщения

Для глинистых же пород, обладающих максимальной водонасыщенностью характерны минимальные показания. Терригенные коллекторы - средние показания; карбонатные коллекторы - высокие показания. Примесь глинистого материала снижает показания. С помощью данного метода можно выделять пласты мощностью 40-60 см.

При определение характера насыщения, для газонасыщенных коллекторов регистрируются повышенные показания. Для нефтенасыщенных коллекторов характерны промежуточные значения кривой. Для водонасыщенных коллекторов характерно небольшое увеличение показаний в сравнении с показаниями в нефтенасыщенных породах из-за наличия хлора (при захвате нейтронов атомами хлора выделяется большее количество г-квантов).

При обводнении нефтенасыщенных пластов в ходе разработки происходит увеличение показаний нейтронного гамма-каротажа при условии обводнения пластов минерализованной водой. В случае обводнения газонасыщенных коллекторов в ходе эксплуатации происходит, наоборот, уменьшение показаний.

Упрощённая методика определения пористости по нейтронному гамма-каротажу:

Определение индекса нейтронной пористости I по формуле:

I = (Nпласта - Nплот)/(Nглин - Nплот),

где Nпласта - показания нейтронного гамма-каротажа в исследуемом интервале; Nплот - показания в плотном пласте с известной по керну пористостью; Nглин - показания в глинах.

Нахождение нейтронной пористости по формуле:

Кпнк = Кппл + (Кпгл - Кппл)*I,

где Кпнк - коэффициент пористости по нейтронному гамма-каротажу (общая пористость, включая Кп глин); Кппл - пористость плотных пород (1-3%); Кпгл - пористость глин.

Пористость можно определить с помощью палеток с зависимостями I = f(Кпнк) (построенные с учётом типа приборов, диаметра скважины, толщины глинистой корки).

Нахождение эффективной пористости по формуле:

Кпэфф = Кпнк - Кгл*Кпгл,

где Кпэфф - коэффициент эффективной пористости; Кпнк -- коэффициент пористости по нейтронному гамма-каротажу; Кгл - коэффициент глинистости (напр. определённый по методу гамма-каротажа); Кпгл - коэффициент пористости глин.

Природные газы: метан, пентан, пропан, содержащие водород, характеризуются, по сравнению с нефтью и водой, большими значениями времени жизни и длины замедления нейтронов. Газоносные пласты в общем случае отмечаются на кривой нейтронного гамма-каротажа более высокими показаниями, чем аналогичные пласты, заполненные нефтью или водой, т.к. газ из-за малой плотности имеет меньшее водородосодержание.

Масштаб регистрации кривых нейтронного гамма-каротажа - 0,1 или 0,2 условных единиц/см. Масштаб глубин 1:200, 1:500м. Пример нейтронного гамма-каротажа представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 Пример регистрации нейтронного гамма-каротажа

Нейтронный каротаж является высокочувствительным к содержанию водорода в исследуемой среде. Этот параметр мало поддается исследованию с помощью электрических методов каротажа. Кроме того, ядерные методы возможно использовать не только в открытом (не обсаженном трубами) стволе скважины, но и в закрытом, когда многие электрические методы принципиально неприменимы. При использовании нейтронного каротажа, основанного на неупругом рассеянии нейтронов, возникают сложности с оценкой вклада бурового раствора в результат измерений, так как он содержит большое количество воды, кроме того, буровой раствор может впитываться в пористые породы. Непостоянный диаметр скважины и, как следствие, разная толщина «прослойки» бурового раствора между стенкой скважины и геофизическим зондом усложняют задачу. Особые требования предъявляются и к детектору гамма- 14 излучения. События, произошедшие в детекторе, не должны мешать определению элементного состава исследуемого вещества, и поэтому материал, из которого сделан детектор, не должен включать в себя элементы, содержащиеся в исследуемой породе.

Из физических предпосылок нейтронного гамма-каротажа следует, что интегральный поток г-излучения радиационного захвата является результатом наложения потока тепловыхнейтронов и г-квантов объемных источников (в геометрии широкого пучка г-излучения). Диаметр скважины. Увеличение диаметра скважины, заполненной водой, эквивалентно увеличению влажности среды и уменьшению ее плотности.

В сухих скважинах большого диаметра (200--250 мм) даже для зондов длиной 50--60 см наблюдается инверсионный по водородсодержанию эффект при общем росте потока г-квантов за счет плотностного эффекта (заинверсионная область по плотности). Минерализация бурового раствора. Увеличение концентрации NaCl в буровом растворе приводит к росту причем эффект тем больше, чем выше концентрация, длиннее зонд и больше диаметр скважины. Например, в скважине диаметром 30 см изменение солености бурового раствора от 0 до 250 г/л NaCl приводит к увеличению на 43% при R -- 40 см и на 96% при R = 90 см. При уменьшении диаметра скважины до 200 мм эффект существенно уменьшается, и его можно учесть соответствующей поправкой. Концентрацию NaCI в этом случае оценивают по сопротивлению бурового раствора, измеренного скважинным резистивиметром.

Слой бурового раствора или глинистой корки, отделяющей скважинный снаряд от стенки скважины, приводит к уменьшению регистрируемого эффекта для заинверсионных зондов. Однако вследствие противоположного по знаку плотностного эффекта влияние промежуточной зоны в виде слоя бурового раствора в нейтронном гамме-каротаже примерно в два раза меньше.

Минерализация пластовых вод. Поток г-квантов возрастает при увеличении минерализации поровых вод вследствие г-излучения радиационного захвата нейтронов ядрами хлора. Однако интегральный эффект невелик и обычно не превышает 10-15%.

Вывод:

1. Глинистая корка - снижает показания.

2. Промывочная жидкость -- минерализованный раствор увеличивает показания за счёт хлора.

3. Зона проникновения сильно уменьшает показания в газоносных коллекторах.

4. Диаметр скважины - чем больше диаметр, тем меньше дифференциация кривой.

Заключение

В данной работе рассматривался нейтронный гамма-каротаж, который заключается в исследовании интенсивности вторичного излучения, возникающего при облучении нейтронами горных пород. Типичными применениями являются определения водородосодержания, пористости горных пород и содержания в них элементов с аномально большими сечениями поглощения нейтронов. Определение водородосодержания, позволяет с помощью нейтронного гамма-каротажа дифференцировать осадочные горные породы по внешним признакам, оценивать прочностные качества пород и изучать свойства пластов как коллекторов нефти и газа. Принципиальная возможность определения пористости пород с помощью нейтронного гамма-метода основана на изменении водородсодержания вследствие уменьшения или увеличения количества заполняющих поры водородсодержащих жидкостей (воды, нефти) или газа (углеводорода). Использование для анализа на элементы с высокими сечениями захвата медленных нейтронов (редкоземельные элементы, бор и др.) относится к числу первых исследований в области ядерной геофизики. К настоящему времени наиболее полно разработаны вопросы анализа на бор. Для нейтроно-нейтронный каротаж на нейтронопоглощающие элементы обычно используют Рu-Ве-источники нейтронов и сцинтилляционные детекторы тепловых нейтронов.

Список использованных источников

1. Нейтронный гамма-каротаж [Электронный ресурс]: GEOLIB.NET Справочник по геологии. - URL: https://www.geolib.net/gis/neytronnyy-gamma-karotazh.html (дата обращения 24.04.2021). Загл. с экрана. Яз. рус.

2. Нейтронный гамма-каротаж [Электронный ресурс]: studopedia.su - URL: https://studopedia.su/12_43902_neytronniy-gamma-karotazh.html (дата обращения 24.04.2021). Загл. с экрана. Яз. рус.

3. Е.М Филлипов Нейтрон-нейтронный и нейтронный гамма-методы в рудной геофизике

4. Арцыбашев В. А., Ядерно-геофизическая разведка, М., 1972.

5. Сковородников И.Г. Геофизические исследования скважин, издание 3-е, переработанное и дополненное-- Екатеринбург: Институт испытаний, 2009.

Размещено на Allbest.ru