§ 13. Гамма-гамма-каротаж. Физические основы.

Гамма-гамма-каротаж (ГГК) основан на измерении характеристик рассеянного гамма-излучения, возникающего при облучении горных пород внешним источником гамма-излучения. Главными во взаимодействии гамма-излучения с веществом являются образования электрон-позитронных пар, фотоэффект и комптон-эффект.

Электрон-позитронные пары образуются при взаимодействии γ-квантов очень высокой энергии (более 5—10 МэВ) с ядром атома. При этом γ-квант исчезает, и в электрическом поле ядер образуются пары электрон-позитрон.

При фотоэффекте происходит поглощение у-кванта одним из электронов атома, причем энергия γ-кванта преобразуется в кинетическую энергию электрона, вылетающего за пределы атома (гамма-квант передает всю свою энергию одному из электронов внутренней оболочки). Вероятность фотоэффекта резко увеличивается с увеличением Z и уменьшением энергии излучения. В веществах, содержащих элементы с Z<20, для гамма-излучения с Е>200 кэВ влияние фотоэффекта мало.

При комптон-эффекте в отличие от фотоэффекта γ-квант не исчезает, а лишь передает часть энергии одному из электронов атома (становится менее жестким) и меняет направление движения (рассеивается). Этот вид взаимодействия является основным в среде, содержащей легкие (Z<20) элементы, для излучений с энергией 0,5—1 МэВ. В процессе рассеяния энергия кванта уменьшается до величины, при которой он поглощается в результате фотоэффекта. Для квантов с начальной энергией Е = 0,5÷1 МэВ число актов рассеяния до поглощения в горной породе составляет в среднем 6—8. Интенсивность комптоновского рассеяния пропорциональна числу электронов в единице объема вещества, и поэтому вероятность этого процесса пропорциональна атомному номеру вещества.

Вероятность комптоновского взаимодействия испускаемых источником γ-квантов пропорциональна числу электронов N_в в единице объема вещества (электронной плотности), которое связано с объемной плотностью (плотностью вещества δ) соотношением

где N_А=6,02·10²³ моль^-1 —число Авогадро; Z — атомный номер элемента, входящего в состав вещества; А — атомная масса; М — молекулярная масса; n_i — число атомов с атомным номером Z_i в молекуле.

Для элементов, составляющих горные породы (Z<20), отношения Z/A и ∑n_iZ_i/M достаточно постоянны и близки к 0,5. В соответствии с этим величина гамма-излучения определяется в основном электронной (кажущейся) плотностью среды, окружающей прибор, пропорциональной объемной плотности, и не зависит от изменений ее вещественного состава.

В действительности кажущаяся плотность δ_п.к, зависящая от числа электронов в единице объема пород, отличается от истинной плотности породы δ_п на

Погрешности Δδ_п для разных пород различны и могут достигать 3%.

В методе ГТК различают две основные модификации: плотностной гамма-гамма-каротаж (ГГКП) и селективный гамма-гамма-каротаж (ГГКС).

Плотностной гамма-гамма каротаж

ГГКП основан на измерении жесткой составляющей рассеянного гамма-излучения, применяется для измерения плотности горных пород в разрезах скважин.

В качестве источника гамма-излучения при ГГКП используют изотоп цезия (¹³⁷Cs) с периодом полураспада 26 лет и энергией γ-квантов 0,662 МэВ. Для регистрации излучения применяются в основном сцинтилляционные детекторы. Источник и индикатор расположены на одной стороне исследуемого объекта (см. рис. 64, б). Индикатор заключен в стальную гильзу, поглощающую мягкую компоненту (до 200 кэВ) гамма-излучения, которая не достигает индикатора. В этом случае регистрируется жесткая компонента рассеянного гамма-излучения. Расстояние между серединой источника и серединой индикатора называют длиной зонда L. Оптимальная длина зонда 30—50 см. Для указанных расстояний зависимости логарифма интенсивности гамма-излучения I от плотности δ в основном линейны lgI = f(δ). В породах с малой плотностью при небольшой длине зонда линейность нарушается. Для снижения влияния скважины на показания ГГКП источник и индикатор прижимаются к стенке скважины и экранируются от нее свинцом. Однако наличие между прибором и стенкой скважины промежуточного слоя (ПЖ, воздуха, глинистой корки, железной колонны) приводит к изменению средней плотности исследуемой среды. Глинистая корка и неровности стенки скважины вызывают увеличение показаний ГГКП.

Из расчетов следует, что увеличение толщины промежуточного слоя между прибором и пластом всего на 1 см изменяет кажущуюся плотность пород по ГГКП на 0,12—0,3 г/см³, что снижает точность определения плотности пород, несмотря на наличие прижимного устройства. Сильное влияние промежуточной среды объясняется малой глубинностью ГГКП; при длине зонда L = 30 см 90 % регистрируемого излучения поступает от слоя пород толщиной 10—12 см, а при L=12÷15 см — от слоя пород толщиной всего 6—7 см. Минерализация промывочной жидкости и пластовой воды мало сказывается на показаниях ГГКП.

Для более надежной оценки плотности пород методом ГГКП применяется двухзондовая установка. При этом измерение интенсивности гамма-излучения производится двумя зондами различной длины и одновременно записывается кавернограмма. Использование такой установки базируется на том, что результаты измерений большим зондом меньше зависят от толщины промежуточного слоя между прибором и стенкой скважины, чем данные, полученные зондом меньших размеров. По результатам измерений двумя зондами большой и малой длины получают различные значения кажущейся плотности соответственно δ_к1 и δ_к2. Эти значения уменьшены за влияние промежу

точного слоя на величины δ₁ и δ₂. Если допустить, что это влияние для зонда малого размера в n раз больше, чем для большого зонда, т. е. n = δ₂/δ₁, то соответственно при малом зонде δ_к1 = δ—nδ₂; δ_к2 = δ—δ₂. Решая полученные уравнения, определяем

Графическое решение уравнения (IV.6) осуществляется путем построения следующих зависимостей показаний ГТК по значениям большого I_б и малого I_м зондов: I_б=f(I_м), или I_б/I_м=f(I_м), или I_б/I_м = f(I_б). Для двух первых зависимостей такие графики изображены на рис. 66. Линия А на графике соединяет точки, соответствующие точкам отсутствия промежуточного слоя. Смещение точки вправо от линии А указывает на то, что плотность промежуточного слоя меньше плотности пласта. Смещение точки влево от линии А отвечает случаю, когда промежуточный слой имеет большую плотность, чем пласт, что имеет место при использовании ПЖ, утяжеленной баритом, и малой плотности пород.

При ГГКП прибор калибруется в рабочем диапазоне изменения плотности 2,1—2,7 г/см³ на имитаторах пластов — метрологических образцах плотности (МОБ). Метрологические образцы плотности могут быть изготовлены из различных материалов. Основной блок изготовлен из алюминия с δ = 2,7 г/см³. Из-за меньшей величины Z/A алюминия по сравнению с известняком ему соответствуют такие же значения относительного потока излучения, как и в пласте известняка с δ = 2,58 г/см³, поры которого заполнены водой. Этому блоку приписывается эквивалентная плотность δ_эк = 2,58 г/см³.

В комплект метрологических образцов входят также имитаторы глинистой корки, изготовленные из резины, толщиной 1 — 2 см с плотностью 1,4 г/см³.

Поверка аппаратуры РГП-2 производится с помощью палетки (см. рис. 66), по ординате которой отсчитывают СI_б/I_м, по абсциссе — I_м/I_м1. Уравнение палетки имеет вид

где F(δ)—функция только плотности пород, не зависящая от промежуточного слоя; С — отношение I_м1/I_б1 получаемое на метрологических образцах плотности, изготовленных из алюминия без имитатора глинистой корки.

При поверке аппаратуры на имитаторах допустимо среднее колебание измерений не более ±0,03 г/см³. Результаты поверки одного из приборов РГП-2 нанесены на рис. 66.

Поступающая от каналов двух зондов информация о значениях I_б и I_м преобразуется в кривую F (δ) по алгоритму

где l — отклонение кривой на 1 усл. ед. (обычно 10 см).

При одновременной регистрации двумя зондами с помощью аналогового счетно-решающего устройства, расположенного на поверхности, автоматически исключается влияние промежуточного слоя между прибором и стенкой скважины. Счетно-решающее устройство по показаниям большого зонда определяет неисправленное значение плотности породы и по показаниям обоих зондов устанавливает поправку за влияние промежуточного слоя. Запись диаграмм осуществляется в условных единицах плотности или непосредственно в значениях плотности δ.

Переход от условных единиц к значениям плотности пород осуществляется с помощью графической зависимости F(δ) от б (рис. 67). Используя данную зависимость, на кривую наносят масштабную шкалу плотности (см. рис. 143,а).

Возможность перехода от плотности породы к ее суммарной (общей) пористости вытекает из зависимости

где δ_м и δ_ж — соответственно плотности минералов, составляющих породу, и жидкости, заполняющей поровое пространство породы (см. табл. 1).

Метод ГГКП находит широкое применение при расчленении разрезов скважин, уточнении литологии, выделении коллекторов, оценки их пористости, выявлении газоносных пластов (в комплексе с другими методами РК, АК и др.). В отличие от многих других геофизических методов ГГКП одинаково чувствителен к изменению пористости в областях ее значений, как малых, так и больших. В этом его существенное преимущество.

Данные ГГКП широко используются для изучения и контроля технического состояния скважин, оценки качества тампонажных работ, выявления интервалов притока в скважину флюидов различной плотности и др.