Нейтронний гамма-каротаж (НГК)

Нейтронний гамма-каротаж (НГК) – метод дослідження свердловин, заснований на опроміненні гірських порід швидкими нейтронами і реєстрації гамма-випромінювання, що виникає при захопленні теплових нейтронів в гірській породі. Метод НГК є одним з провідних методів дослідження свердловин нафтових і газових родовищ. У комплексі з іншими методами нейтронний гамма-каротаж застосовується для літологічного розчленовування розрізів свердловин, виділення колекторів, оцінки пористості, відбиття водонафтового і газонафтового контактів і тому подібне.

Для цього у свердловинний снаряд (рис. 9.2) на деякій відстані від лічильника гамма-випромінювання розміщують джерело нейтронів – радіоактивний елемент (полоній у суміші із сіллю берилію).

Рис. 9.2. Будова зонда нейтронного гамма-каротажу

Під впливом ά-частинок, що випускаються ядрами полонія, відбувається реакція:

₄Ве⁹+₂Не⁴=₆С^п+ + g(9.1)

Ро-Ве джерело дає близько 2- 10⁶ нейтронів в секунду на 1 г полонія і приблизно стільки ж гамма-квантів. Більша частина нейтронів – швидкі, з енергіями від 3,5 до 6 МеВ.

Оскільки нейтрони не мають електричного заряду, проникаюча здатність їх дуже велика. Стикаючись з ядрами атомів гірських порід, нейтрони втрачають частину своєї енергії, сповільнюються. При цьому більша частина кінетичної енергії втрачається при зіткненні з ядрами легких атомів, головним чином, водню. Внаслідок взаємодії нейтронів відповідного енергетичного спектру з ядрами хімічних елементів, що входять до складу гірської породи, знижується їх енергія до енергії теплового руху молекул. Такі нейтрони називаються тепловими.

Після приблизно 25 зіткнень з ядрами водню нейтрони сповільнюються до "теплових" енергій (близько 0,025 МеВ) і дифундують через породи, поки не будуть захоплені. Вторинне гамма-випромінювання виникає при поглинанні теплових нейтронів ядрами елементів гірської породи (окрім Не). Наприклад, в умовах свердловини серед великої кількості можливих ядерних реакцій поглинання теплових нейтронів можна виділити реакцію утворення ізотопу водню-дейтерію , при якій випромінюється g-квант.

З усіх породоутворюючих елементів аномально високими поглиначами енергії теплових нейтронів є водень, хлор і бор. Низькі перетини захоплення теплових нейтронів мають О і С. Залежність інтенсивності процесу зниження і поглинання нейтронів від нейтронних властивостей ядер хімічних елементів гірської породи дає змогу диференціювати розріз за вмістом водню, хлору, бору і т.п.

Акт захоплення теплового нейтрона супроводжується випусканням g-квантів, які утворюють так зване g-випромінювання радіаційного захоплення. Частина цих g-квантів фіксується детектором в свердловинному приладі НГК.

Для вимірювання інтенсивності вторинного гамма-випромінювання використовують свердловинний прилад з джерелом нейтронів і фільтром (потужним свинцевим екраном для ослаблення фонового гамма-випромінювання джерела I_ф, розташованим між джерелом і детектором) (рис. 9.2). Фільтр захищає лічильник від прямого гамма-випромінювання джерела нейтронів. Відстань між лічильником і джерелом нейтронів називається розміром зонду L. Точка запису розташовується на середині відстані між ними.

Для поглинання м'якого розсіяного випромінювання I_γγ детектор випромінювання поміщають в сталеву гільзу. Виділена таким чином складова I_пγ, залежить, в основному, від вмісту водню в досліджуваному середовищі. Коли свердловинний прилад проходить через формації з високим вмістом водню (у складі води або нафти і газу), рівень наведеного гамма-випромінювання буде низьким, оскільки більшість нейтронів буде сповільнено і поглинені в безпосередній близькості від джерела і лише деякі з гамма-квантів зможуть досягти детектора і будуть зареєстровані (рис. 9.3, а).

Рис. 9.3. Залежність показів,,великого’’ зонда НГК від вмісту водню в сердовищі

Якщо породи містять мало водню або не містять взагалі, нейтрони встигають розповсюдитися далеко від джерела перш, ніж вони будуть сповільнені і захоплені. При довжині зонда 0,6 м і вище більша частина нейтронів буде поглинена десь поблизу детектора гамма-випромінювання, і на діаграмах НГК спостерігатиметься високий рівень інтенсивності g-випромінювання радіаційного захоплення. (рис. 9.3, б).

При дослідженні розрізів осадових порід зондами великого розміру (більше 0,3 м) інтенсивність фіксованого вторинного гамма-випромінювання обернено пропорційна вмісту у породі водню. Тому на діаграмах нейтронного гамма-методу породи-колектори, які містять більшу кількість водню в одиниці об’єму, виділяються низькими аномаліями, а щільні, низькопористі породи – високими. Високі аномалії також властиві для газоносних колекторів, що пояснюється низьким об’ємним вмістом водню у газі. Проникнення бурового розчину у газоносний колектор зменшує цей ефект.

При використанні зондів малої довжини (0,3 м і менш) залежність розподілу вторинного гамма-випромінювання від вмісту водню виходить зворотною (рис. 9.4). Зонди малої довжини застосовуються набагато рідше, оскільки в них важко позбавитися від дії гамма-випромінювання самого джерела нейтронів, і роздільна здатність їх мала. На практиці зазвичай використовується нейтронний гамма-каротаж з великими зондами (≥ 0,4м)

Таким чином, метод НГК є індикатором кількості водню (води і нафти) в гірських породах. А оскільки рідина міститься в основному в порах порід, то НГК дає можливість оцінювати пористість порід.

Є можливість також по діаграмах НГК виділяти контакт мінералізованих вод пластів з нафтою за рахунок того, що хлор, що міститься у водах пластів, підвищує інтенсивність вторинного гамма-випромінювання.

Рис. 9.4. Залежність показів НГК від довжини зонда

 

На жаль, на НГК діє ряд перешкод, які повинні бути враховані при інтерпретації діаграм. По-перше, результати вимірювань в значній мірі залежать від конструкції свердловини, оскільки вода бурового розчину уповільнює нейтрони, а обсадні труби поглинають гамма-випромінювання. Як показує рис. 9.5, зменшення діаметру свердловини зміщує криві НГК управо, а збільшення товщини обсадження - ліворуч від рівня, відповідного стандартним умовам. При кількісній інтерпретації облік діаметру свердловини проводять по спеціальних номограмах, а вплив обсадження враховується так само, як в методі ГК. По-друге, опір бурового розчину, хоча і не впливає само по собі на результати НГК, є мірою солоності бурового розчину, тобто вмісту хлору. А хлор, як вже наголошувалося, підвищує інтенсивність радіаційного випромінювання. Тому при кількісній інтерпретації в результати НГК вводяться поправки на вплив бурового розчину по спеціальній номограмі.

Рис. 9.5. Вплив свердловинних умов на показання НГК

У нафтових і газових свердловинах НГК використовують для розділення порід за вмістом водню, кількісного визначення коефіцієнту пористості, а також для встановлення контактів між газом і рідиною, у винятках – водонафтового в обсаджених свердловинах.

 

Рис. 9.6. Крива НГК у осадових породах: 1 – глини; 2 – глини глибоководні; 3 – піски; 4 – пісковики; 5 – вапняки; 6 – вапняки глинисті; 7 – галіт, калійні солі; 8 – солі, які містять бор

Інтерпретація результатів НГК

Як вже наголошувалося, метод НГК диференціює породи по вмісту водню.

Як відомо, серед осадових порід найбільшу кількість водню містять глини у вигляді хімічно зв'язаної і порової води. Загальний вміст води в глинах може досягати 44%. Тому на діаграмах НГК глини виділяються найнижчими значеннями і є надійним "базовим" або опорним горизонтом.

Найвищі ж рівні радіаційного гамма-випромінювання спостерігаються проти щільних малопористих вапняків, які можуть служити іншим опорним горизонтом, з мінімальною пористістю (Kп 1%).

Пісковики і піски не містять хімічно зв'язаної води, унаслідок чого навіть найпористіші з них відзначаються вищими значеннями НГК, чим глини. Серед гідрохімічних осадів найменшими значеннями інтенсивності аномалії I_пγ виділяється гіпс завдяки високому (до 48%) вмісту кристалізаційної води, найбільшим – ангідрит.

Найкращі результати виходять при сумісній інтерпретації діаграм НГК і ін. методів. Так, наприклад, якщо в розрізі присутні і глини, і гіпс, який не розрізняється по діаграмах НГК, їх легко диференціювати по діаграмах ГК (у глин підвищена радіоактивність) або ПО (електричний опір глин значно менший ніж гіпсу).

На рис. 9.7 показаний приклад розчленовування спрощеного геологічного розрізу, що складається з глин, пісковиків і вапняків. Рівень запису інтенсивністі аномалії НГК проти досліджуваного пласта I^x_ny над пластом-колектором (пісковик) займає проміжне положення між глинами і вапняками і залежить від пористості і глинистості колектора.

Контакти і потужності пластів в НГК визначаються так само, як і в ГК, головним чином, за правилом напівмаксимуму аномалії. Хоча через вплив довжини зонда точка, відповідна половині максимуму аномалії в підошві пласта низької інтенсивності, зміщена вниз на 0,1 L, а в крівлі – на 0,3 L вгору від межі, ці погрішності можна не враховувати, оскільки при масштабі запису 1:200 або 1:500 вони не перевищують 1 мм.

 

Рис. 9.7. Усереднена діаграма НГК-60 на гіпотетичному геологічному розрізі

 

Визначення коефіцієнта пористості. Оскільки значення НГК залежать від повного воднево-хлоридного вмісту породи, включаючи вміст води кристалізації і води, адсорбованої глинистою частиною породи, то найбільш точні результати за визначенням пористості виходять в карбонатних відкладеннях. Кількісна інтерпретація діаграм НГК проводиться по відносній амплітуді аномалії НГК:

(9.2)

де I^x_ny – інтенсивність аномалії НГК проти досліджуваного пласта;

I^Ion_ny –інтенсивність проти першого опорного горизонту, за який приймається зазвичай пласт глин з відомим вмістом водню (40%);

I^IIon_ny –інтенсивність проти другого опорного горизонту, за який береться яка-небудь з щільних порід розрізу з відомою пористістю (1%). Всі величини 1_пу, що входять у формулу (9.2), повинні бути заздалегідь виправлені на вплив свердловини, обсадних труб, вміст хлору і природну радіоактивність.

По відносній амплітуді інтенсивності аномалії _∆^→ I_пγ визначають коефіцієнт пористості по номограмі _∆^→I_ny = f(K_n), приведеною на рис. 9.8.

Рис. 9.8. Залежність показань НГК (подвійний різносний параметр) від пористості

 

де Сгл – об'ємна глинистість колектора % (визначається по ГК або лабораторних дослідженнях);

0,4 – вміст води в глині (40%) (об'ємне).