В.И. Исаев дисциплина «Теория методов ГИС». ТЕОРИЯ РАДИОАКТИВНЫХ МЕТОДОВ 1.Гамма-каротаж интегральный (ГК) 2. Гамма-каротаж спектрометрический (ГК-С) 1

Радиоактивность осадочных горных пород. Радионуклиды. 2 Гамма-излучение калия ( 40 К) монохроматично - 1,46 МэВ. Энергетические спектры элементов урановых ( 238 U, 235 U) и ториевого ( 232 Th) рядов имеют несколько линий, наиболее интенсивные 242, 355, 609, 1120, 1765 кэВ и 238, 338, 583, 911, 969, 1587, 2620 кэВ соответственно.

Активность а одного кубического метра вещества называют удельной объемной активностью. Величину a m =a/ (δ плотность вещества) называют удельной массовой активностью. Для практических целей используют удельную объемную концентрацию Q j, определяющую содержание j-го естественного радиоактивного элемента (ЕРЭ) в граммах в 1 сантиметре кубическом, и относительную величину удельную массовую концентрацию q j = Q j / δ. Радиоактивность горных пород

Решение прямой задачи интегрального ГК Решение прямой задачи заключается в нахождении зависимости показаний прибора от содержания ЕРЭ в пласте, вмещающих породах и промежуточных зонах скважине, цементе, колонне. При приближенном аналитическом решении многократное рассеяние квантов учитывают, вводя фактор накопления В. Поток излучения в любой точке считают созданным отдельными элементарными объемами, детектор точечным, а источники равномерно распределенными в областях кусочно-однородной среды.

Решение прямой задачи интегрального ГК Плотность потока излучения кусочно-однородного пространства где а j удельная объемная активность j-го ЕРЭ; Bj – фактор накопления j-го ЕРЭ; ij коэффициент ослабления излучения j-го ЕРЭ в i-й среде, расположенной между точками r и r 1 ; Δl i длина части отрезка, соединяющего точки r и r 1 в среде i.

Решение прямой задачи интегрального ГК Плотность потока излучения для однородной среды с точечным детектором в начале координат

7 Решение прямой задачи интегрального ГК Так как Получаем где: λ pj – параметр распада (вероятность распада за единицу времени) j-го ЕРЭ; N j /dV - число ядер j-го ЕРЭ в единице объема; N A - число Авогадро; A j - атомная масса j-го ЕРЭ; Q j - объемная концентрация j-го ЕРЭ ; mj = j / - массовый коэффициент ослабления излучения j-го ЕРЭ. q j = Q j / δ

8 Решение прямой задачи интегрального ГК Показания скважинного прибора в однородной среде, содержащей j-й ЕРЭ, где с j – аппаратурная постоянная. Введя коэффициент концентрационной чувствительности (С j ), характеризующий отклик прибора на излучение единицы удельной массовой концентрации j-го ЕРЭ, получим выражение в более компактной форме: I j = C j q j.

9 Решение прямой задачи интегрального ГК. Урановый эквивалент. Показания скважинного прибора в однородной среде, содержащей j-й ЕРЭ, I j = C U q j e Uj. где C U – коэффициент концентрационной чувствительности по урану. q j – удельные массовые концентрации урана (U), тория (Th) и калия (K). e Uj – урановые эквиваленты единичной концентрации урана (U), тория (Th) и калия (K). Суммарное показание гамма-каротажа I γ = C Uq j e Uj

10 Суммарная удельная массовая концентрация радионуклидов Суммарная удельная массовая концентрация смеси радионуклидов в единицах уранового эквивалента q j e Uj = I γ / C U, где - I γ = I j скорость счета, зарегистрированная с помощью интегральной аппаратуры гамма-каротажа. Коэффициент С U, позволяющий перейти от импульсов в единицу времени к суммарной концентрации радионуклидов в 1 грамме породы, определяют экспериментально с помощью образцового источника -излучения.

Решение прямой задачи интегрального ГК Для кусочно-однородной среды, содержащей пласт бесконечной мощности, плотность потока излучения равна сумме плотностей потоков, обусловленных пластом, скважиной, колонной и цементом Ф = Ф пл + Ф с + Ф к + Ф ц. В сферической системе координат Δl c = R c / cosθ; Δl к = Δ к / cosθ; Δl ц = Δ ц / cosθ; Δl пл = r - ( R c +Δ к +Δ ц ) / cosθ

Решение прямой задачи интегрального ГК Поток излучения пласта Ф плj, содержащего j-и ЕРЭ Где Δ = Δ ц цj + Δ к кj + R c cj Ф = Ф пл + Ф с + Ф к + Ф ц

Решение прямой задачи ГК. Геометрический фактор. Плотность Ф плj пропорциональна коэффициенту G(Δ), который зависит от геометрии системы, коэффициентов цj, кj, cj и характеризует вклад данной области в регистрируемый сигнал. По существу G(Δ) – аналог геометрического фактора. Для кусочно-однородной среды, содержащей К областей с j-м ЕРЭ

Решение прямой задачи ГК. Геометрический фактор. Введя геометрические факторы колонны G jk, цемента G jц, скважины G jс, пласта G jпл =G(Δ), и переходя к показаниям прибора, для среды, содержащей смесь ЕРЭ, запишем: Геометрические факторы областей мало зависят от типа ЕРЭ. Поэтому уравнение при однородной промежуточной зоне - суммарная массовая удельная концентрация ЕРЭ в скважине, цементе и колонне. I γ = C Uq j e Uj

Решение прямой задачи ГК. Пласт конечной мощности Пласт конечной мощности, пересеченный необсаженной скважиной, вызывает приращение плотности потока ΔФ = Ф пл - Ф вм, где Ф вм плотность потока излучения во вмещающих породах. Если параметры В, ж и G против пласта и вмещающих пород практически равны, то ΔФ равно плотности потока при массовой активности Δа = а пл - а вм, где а вм удельная объемная активность вмещающих пород. Подставив в вышеприведенные формулы Δа, получим выражение для ΔФ пл, позволяющее рассчитать диаграммы ГК против пласта с заданными параметрами, для случая для υτ я =0.

16 Решение прямой задачи ГК. Диаграммы ГК против пластов конечной мощности. Детекторы: 1 – точечный, 2 – длиной 2R c =30 см; пл =0,1см -1 ; пл =3г/см 3

Первичный спектр естественного гамма-излучения пород дает представления о распределении его интенсивности по энергиям. Этот спектр содержит характерные максимумы, соответствующие энергиям определенных ЕРЭ. Аппаратурный спектр гамма-излучения породы отмечает максимумы первичного спектра, соответствующие энергиям 0,6 и 1,8 МэВ для радия (урана); 0,9; 1,6 и 2,6 МэВ для тория; 1,46 МэВ для калия. Дифференциальный спектр характеризует интенсивность I естественного гамма-излучения в заданном диапазоне энергии Е, причем каждый диапазон исследуется отдельным каналом. Спектрометрический гамма-каротаж. СГК

Для определения удельных массовых концентраций q u, q Th, q K по интенсивностям I 1, I 2, I 3, зарегистрированным первым, вторым и третьим каналами, решают систему уравнений: Коэффициенты в уравнениях, для конкретного радиометра, определяют путем эталонирования прибора. Спектрометрический гамма-каротаж. СГК

С помощью СГК решают задачи: 1. Детальное литологическое расчленение разрезов, представленных терригенными, карбонатными, вулканогенно- обломочными, магматическими породами. 2. Выделение в плотных карбонатных породах зон трещиноватости по интервалам повышенного содержания урана при низком содержании тория и калия. И показаниям других методов ГИС на отсутствие глинистого материала. 3. Определение минерального состава глинистых пород по отношению Th/K. 4. Оценка ресурсов органогенного углерода в битуминозных глинистых нефтематеринских толщах. 5. Контроль перемещения ВНК, разделение продуктивного коллектора на участки заводненные и не охваченные разработкой. Спектрометрический гамма-каротаж. Задачи