Рентген-радиометрический каротаж
Рентген-радиометрический метод основан на изучении результатов взаимодействия мягкого у-излучения с электронами глубинных орбит атомов вещества.
Это взаимодействие заключается в фотоэлектрическом поглощении у-квантов электронами какой-либо оболочки. В результате электрон вылетает из атома, а атом приходит в возбужденное состояние. Место, с которого удален электрон в результате поглощения у-кванта, может быть заполнено электроном с другой, более далекой от ядра электронной оболочки. Например, если при фотопоглощении выбит электрон с К-оболочки, то его место может быть занято электронами с L-, М-, N- и других оболочек. Соответственно разностям энергий электронов на этих уровнях, ими при переходе испускаются фотоны рентгеновского излучения.
Совокупность фотонов рентгеновского излучения, возникающих припереходах электронов на один общий, более глубокий уровень, носит название характеристической серии рентгеновского спектра.
Линии характеристического спектра различаются не только энергией, но и интенсивностью, поскольку вероятность перехода электронов между различными уровнями не одинакова. Самой интенсивной является линия К, соответствующая переходу электронов с уровня L на уровень К.
Каждый химический элемент обладает своим характеристическим спектром рентгеновского излучения, причем энергия каждой определенной линии спектра (К, L, M, N) возрастает с увеличением атомного номера элемента.
Энергия линий К-серии (Ек), наиболее жесткой для всех элементов, не превышает 116 кэВ. Для свинца она составляет 88,2 кэВ, а для легких элементов всего лишь 0,05-0,87 кэВ. Таким образом, рентгеновское излучение является "мягким" и слабопроникающим.
Обычные счетчики Гейгера его не фиксируют и для регистрации применяются пропорциональные или сцинтилляционные детекторы (Nal+Tl), которые в состоянии регистрировать излучение с энергией не менее 0,5 кэВ. Поэтому рентген-радиометрический метод применим только для элементов с атомным номером z > 25-30.
Еще один недостаток метода РРК - невозможность разделить излучение близких по атомному номеру элементов, связанная с низкой разрешающей способностью по энергии у сцинтилляционных детекторов.
Теоретические расчеты показывают, что для получения достаточной интенсивности характеристического излучения энергия γ-квантов возбуждающего излучения Еγдолжна быть в пределах:
(13.1)
Кванты с энергией меньше 1,1 Ек не возбуждают характеристического излучения, а с энергией больше 3,3 Ек создают высокий мешающий фон вследствие комптоновского рассеяния первичного излучения. Для работ на свинец используется источник Se15 (Eγ =0,27 МэВ).
Рентген-радиометрический метод применяется в лабораторном (РРА) и в скважинном (РРК) вариантах, а также для опробования стенок горных выработок (РРО).
В РРК используются зонды, в которых осуществлена геометрия "прямой видимости": детектор регистрирует вторичное излучение (характеристическое и рассеянное) с того же участка изучаемой поверхности, который подвергается γ -облучению источника.
На рис. 13.1 представлен схематический разрез зонда РРК. Зонд обычно выполняется в виде выносного блока, прижимаемого к стенке скважины.
Источник мягкого γ -излучения облучает участок стенки скважины через коллимационный канал и входное окно, которое для пропускания мягкого излучения закрывается текстолитом или бериллием. Источник и детектор разделены свинцовым экраном. Детектор рентгеновского излучения помещают в другом коллимационном канале, стенки которого покрыты слоем кадмия и меди для поглощения характеристического рентгеновского излучения, возбуждаемого рассеянным γ -излучением источника непосредственно в свинцовом экране.
Измерения интенсивности характеристического и рассеянного излучения производят с помощью скважинных гамма-спектрометров.
С целью стандартизации измерений и уменьшения влияния помех в РРК применяют способ спектральных отношений. Сущность способа заключается в регистрации отношения интенсивностей в двух каналах гамма-спектрометра, один из которых настроен на энергию характеристического рентгеновского излучения элемента (N\), другой -канал "внутреннего стандарта" - фиксирует интенсивность у-излучения справа от К-уровня (N2).
Поясним этот способ с помощью рис. 13.2. Кривая а показывает спектр рассеянного у-излучения источника Sе75 (Eу= 0,27 МэВ), зарегистрированный на модели пласта, состоящего из чистого кварцевого песка. Максимум на энергии около 120 кэВ формируется под действием двух конкурирующих процессов - комптоновского рассеяния у-квантов источника и фотопоглощения рассеянных γ -квантов. При добавлении в песок 10% РЪ на спектре появляется четкий максимум на энергии 88 кэВ, соответствующий К-линии характеристического спектра рентгеновского излучения свинца. Именно на эту энергию настраивают I канал спектрометра и регистрируют в нем скорость счета N1. II канал спектрометра настраивают на энергию максимума рассеянного излучения — 120 кэВ и регистрируют скорость счета N2.
Поскольку области энергий, измеряемых обоими каналами, достаточно близки, то изменения плотности, эффективного атомного номера среды и геометрии измерений будут одинаково влиять на обе интенсивности.
В результате, отношение η= N1/N2 оказывается линейно зависящимот содержания соответствующего элемента (в данном случае, Рb).
Главным недостатком метода РРК является его малая глубинность, связанная с низкой проникающей способностью рентгеновского излучения. Метод РРК является по сути "пленочным". Тем не менее,
результаты определения содержания металлов в руде по РРК хорошо согласуются с данными кернового опробования.
Методы нейтронного каротажа с использованием стационарных источников нейтронов
Методы стационарного нейтронного поля появились раньше импульсных нейтронных методов и включают в себя такие виды каротажа, как НТК, ННК-Т, ННК-НТ, метод нейтронной активации и некоторые др.
Нейтронный гамма-каротаж (НГК)
Метод НГК является одним из ведущих методов исследования скважин нефтяных и газовых месторождений. В комплексе с другими методами нейтронный гамма-каротаж применяется для литологического расчленения разрезов скважин, выделения коллекторов, оценки пористости, отбивки водонефтяного и газонефтяного контактов и т.п.
Физические основы метода
Внейтронном гамма-каротаже измеряется искусственно вызванное гамма-излучение горных пород. Для возбуждения этого излучения стенки скважины бомбардируют нейтронами.
Скважинный снаряд НГК включает в себя источник нейтронов и детектор гамма-излучения (рис. 13.3).
Рис. 13.3. Устройство зонда нейтронного гамма-каротажа
Расстояние между центрами источника и детектора составляет длину зонда L. Точка записи располагается на середине расстояния между ними. В качестве источников нейтронов в России применяют обычно ампулы, заполненные смесью порошкообразного бериллия и какой-либо соли полония. Под воздействием а-частиц, испускаемых ядрами полония, происходит реакция:
4Ве9+2Не4=6Сп+0п1+у.
Ро-Ве источник дает около 2-106 нейтронов в секунду на 1 г полония и примерно столько же гамма-квантов. Большая часть нейтронов - быстрые, с энергиями от 3,5 до 6 МэВ.
Поскольку нейтроны не имеют электрического заряда, проникающая способность их очень велика. Сталкиваясь с ядрами атомов горных пород, нейтроны теряют часть своей энергии, замедляются. При этом большая часть кинетической энергии теряется при соударении с ядрами легких атомов, главным образом, водорода. После примерно 25 соударений с ядрами водорода нейтроны замедляются до "тепловых" энергий (около 0,025 эВ) и диффундируют через породы, пока не будут захвачены. Тепловые нейтроны могут захватываться ядрами всех элементов, кроме Не. Низкие сечения захвата тепловых'нейтронов имеют О и С. Аномально высокие сечения захвата у таких элементов, как TR, Cd, В, С1 и некоторых других. Акт захвата теплового нейтрона сопровождается испусканием у-квантов, которые образуют так называемое у-излучение радиационного захвата (ГИРЗ). Часть этих у-квантов фиксируется детектором в скважинном снаряде НТК.
Кроме радиационного гамма-излучения (1„у), детектор будет
фиксировать также и гамма-кванты другого происхождения. Суммарную зарегистрированную интенсивность гамма-излучения можно представить в виде ряда:
I∑ =Iпγ+Iγ+Iф+Iγγ, (13.2)
где Iγ - естественное гамма-излучение пород;
Iф - фоновое гамма-излучение источника нейтронов;
Iγγ - гамма-излучение источника, претерпевшее комптоновское
рассеяние в породах и обсадных трубах скважины. Для выделения исследуемой составляющей Iпγ приходится прибегать
к уменьшению влияния остальных составляющих Iγ, Iф, Iγγ. Для уменьшения влияния естественной радиоактивности Iγ выбирают, с одной стороны, мощность источника нейтронов такой, чтобы вызванное им гамма-излучение было, по крайней мере, на порядок больше естественного. С другой стороны, уровень естественной радиоактивности может быть учтен вычитанием показаний ГК из диаграмм НТК. Для ослабления фонового гамма-излучения источника Iф, между источником и детектором располагают мощный свинцовый экран (см. рис. 13.3). Для поглощения мягкого рассеянного излучения Iγγ детектор излучения помещают в стальную гильзу. Выделенная таким образом составляющая Iпγ, зависит, в основном, от содержания водорода в исследуемой среде. Когда скважинный снаряд проходит через формации с высоким содержанием водорода (в составе воды или нефти и газа), уровень наведенного гамма-излучения будет низким, т.к. большинство нейтронов будет замедлено и поглощено в непосредственной близости от источника и только некоторые из гамма-квантов смогут достичь детектора и будут зарегистрированы (рис. 13.4, а).
Если породы содержат мало водорода или не содержат вообще, нейтроны успевают распространиться далеко от источника прежде, чем они будут замедлены и захвачены. При длине зонда 0,6 м и выше большая часть нейтронов будет поглощена где-то вблизи детектора гамма-излучения, и на диаграммах НТК будет наблюдаться высокий уровень интенсивности ГИРЗ (рис. 13.4, б).
При использовании зондов малой длины (0,3 м и менее) зависимость распределения вторичного гамма-излучения от содержания водорода получается обратной (рис. 13.5). Зонды малой длины применяются гораздо реже, т.к. в них трудно избавиться от действия гамма-излучения самого источника нейтронов, и разрешающая способность их мала. В дальнейшем нами будет рассматриваться нейтронный гамма-каротаж только с большими зондами (более 0,4 м), который обычно и используется на практике.
Таким образом, метод НТК является индикатором количества водорода (воды и нефти) в горных породах. А так как жидкость содержится в основном в порах пород, то НТК дает возможность оценивать пористость пород.
Имеется возможность также по диаграммам НТК выделять контакт минерализованных пластовых вод с нефтью за счет того, что хлор, содержащийся в пластовых водах, повышает интенсивность вторичного гамма-излучения.
К сожалению, на НТК оказывает действие ряд мешающих факторов, которые должны быть учтены при интерпретации диаграмм. Во-первых, результаты измерений в значительной степени зависят от конструкции скважины, поскольку вода бурового раствора замедляет нейтроны, а обсадные трубы поглощают гамма-излучение. Как показывает рис. 13.6, уменьшение диаметра скважины сдвигает кривые НТК вправо, а увеличение толщины обсадки - влево от уровня, соответствующего стандартным условиям. При количественной интерпретации учет диаметра скважины производят по специальным номограммам, а влияние обсадки учитывается так же, как в методе ГК (см. рис. 12.3). Во-вторых, сопротивление бурового раствора, хотя и не влияет само по себе на результаты НТК, является мерой солености бурового раствора, т.е. его хлоросодержания. А хлор, как уже отмечалось, повышает интенсивность радиационного излучения. Поэтому при количественной интерпретации в результаты НТК вводятся поправки за влияние бурового раствора по специальной номограмме.