Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Геофизические методы исследования»


КУРСОВАЯ РАБОТА

На тему:
Гамма и гамма-гамма каротаж

по предмету «Геофизические методы

исследования скважин»


Уфа 2010


СОДЕРЖАНИЕ

Введение 2

1. 
   Естественная радиоактивность горных
   

пород. 3

2. 
   Взаимодействие гамма-квантов с
   

горными породами. 5

3. 
   Гамма-каротаж, физические основы,
   

область применения, решаемые задачи. 9

4. 
   Гамма-спектрометрический каротаж. 12
   
5. 
   Гамма-гамма-каротаж. Модификация
   

метода, решаемые задачи. 13

6. 
   Контроль качества цементирования
   

методом ГГК-П. 19

Заключение 24 Список используемой литературы 25

Практическая часть.

Введение

Радиоактивные методы исследования скважин по числу мето

дов и их модификаций, объему и важности решаемых задач на всех этапах поиска, разведки, освоения, разработки и эксплуата

ции месторождений нефти и газа, а также контроля технического состояния скважин занимают особое положение в комплексе ме

тодов ГИС.

Это связано с тем, что в отличие от всех других методов ГИС ряд радиоактивных методов относится к категории прямых мето

дов, т.е. их показания пропорциональны содержанию того или иного определенного породообразующего элемента (С, О, Al, Si, Са, Mg, Na, К, Fe, Th, U и др.). Неслучайно аппаратуру, исполь

зуемую для реализации прямых радиоактивных (ядерных) мето

дов исследования скважин, иногда называют петрофизической лабораторией на кабеле.


1.Естественная радиоактивность

горных пород

Радиоактивностью называют процесс самопроизвольного рас

пада ядер некоторых изотопов с испусканием α, β и γ-излучения и превращением распадающихся ядер в ядра других элементов. Большая часть естественных радиоактивных элементов образуют радиоактивные семейства, где каждый радиоактивный элемент возникает из предыдущего и затем превращается в последующий. Радиоактивность пород обусловлена главным образом изо

топами семейства урана ²³⁸U и тория ²³²Th, а также изолирован

ного радиоактивного изотопа ⁴⁰К. Количество атомов радиоак

тивного изотопа N и его активность (число распадов в единицу времени) А убывают во времени экспоненциально:

N/N₀=А/А₀=ехр(-λt)=ехр[-t ln 2/T_1/2], (1)

Энергия γ-квантов естественных радиоактивных изотопов Е_γ достигает 2,6 МэВ. Число квантов на один распад ν меняется в больших пределах. Поскольку ν и Е_γ различны для разных изотопов, интенсивность γ-излучения этих изотопов при равной активности разная. Интенсивность γ-излучения вещества при ГИС характеризу

ют величиной радиевого γ-эквивалента, а интенсивность γ-noля— мощностью экспозиционной дозы. Отношение дозы ко времени на

зывается мощностью дозы. Единица мощности дозы в СИ — ампер на килограмм. Удельный радиевый γ-эквивалент для U, Th и К равен со

ответственно 14800, 6400 и 2,8 Бк/г. Эти вели

чины заметно меняются в зависимости от типа детектора, а также при предварительном прохождении излуче

ния через поглощающую среду, например при измерениях γ-активности массива горных пород. Содержание радиоактивных элементов в горных породах и удельная γ-активность минералов и пород приведены в табл. (1)

Большинство пород нефтяных и газовых месторождений об

ладает относительно низкой γ-активностью, это хемогенные породы (исключая 

обогащенные калием), чистые (неглинистые) кварцевые пески и песчаники, обогащенные калием, битуминозные породы и карбонаты с современными процессами доломитизации, в которых возможно вместе с маг

нием привнесение Ra и многократное увеличение

Таблица 1

Группа радиоактив

ности

Важнейшие минералы

Э_γ Бк/г)


Пределы

Среднее

Низкая

Кварц, кальцит, доломит, ан

гидрит, галит, гипс (алебастр)

(1-6)*10^-8

2.5*10^-3

Средняя

Гипс, лимонит, магнетит, хло

рит, роговая обманка, барит

0,003- 0,07

0,02

Повышенная

Серицит, апатит, микроклин, ортоклаз

0.03-0.3

0.1

Высокая

Очень высокая

Ортит, циркон


Монацит

7-8

280-400

7.5

350

активности породы. Высокая активность характерна также для калиевых солей, глин, средняя активность у глинистых разностей песчано-алевритовых пород, мергелей, глинистых известняков и доломитов.


2.Взаимодействие гамма - квантов с

горными породами

При прохождении потока гамма – квантов сквозь среду, в зависимости от их энергии, протекают те или иные процессы взаимодействия. Одной из величин, характеризующей эти процессы является полное сечение взаимодействия - μ^∑, которая имеет смысл полной вероятности протекания какого - либо процесса и является суммой вероятностей (макроскопических сечений) каждого процесса в отдельности.

Фотоэлектрическое поглощение. Фотоэффект на К – электронах происходит при энергиях, соизмеримых с энергиями связи электронов с ядром. При этом гамма – квант передаёт свою энергию электрону. Это можно описать формулой:
Е_i = E_γ – W_i (2)
где: W_i - энергия связи электрона на i – орбитали.

После этого место, освободившееся за счёт вылета электрона занимается электроном с более дальней орбитали, с испусканием характерного для данного элемента квантом характеристического излучения (рис.1–а). Вероятность протекания фотоэффекта зависит от энергии гамма – кванта и порядкового номера элемента или эффективного порядкового номера полиэлементной среды. Первая составляющая для каждого элемента своя, зависит от величин

энергий связи (рис 1 – б). Рис.1

Вторая составляющая очевидна из формулы:



τ_ф^микр = const Z⁵ (m_е c² / E_γ) (3)

Формула (3) описывает вероятность фотоэффекта на К - электронах и при энергии больше энергии связи. При Е < 0,1 МэВ для большинства элементов фотоэффект резко доминирующий. Для атома фотоэффект не является законченным процессом, так как при удалении электрона с орбитали атом переходит в возбуждённое состояние.

Рассеяние гамма – квантов. Строго говоря, в широком спектре излучения наблюдается два вида рассеяния: рассеяние на свободных электронах (некогерентное) и на связанных электронах (когерентное).

Некогерентное (Комптоновское рассеяние).

Энергия гамма – кванта намного превышает энергию связи. Орбитальные электроны в данном случае можно считать покоящимся или свободным. В акте взаимодействия квант передаёт электрону часть своей энергии и вылетает с изменением своей первоначальной траектории. Количественно это можно описать:

E_γ^* = E_γ / (1+ [ E_γ / (m_ec²)]*(1-cos θ)); (4)

Векторно этот процесса можно проиллюстрировать (рис 2 - а.)

Как видно из рисунка, гамма – квант после взаимодействия отклоняется на некоторый угол φ, численно описываемый:

tg φ = [1 / (1 + ω)] ctg (θ / 2) (5)

С разной долей вероятности, углы рассеяния лежат в 4π – области. Вероятность рассеяния на определённый угол зависит от энергии гамма –кванта до взаимодействия. С ростом энергии вероятность обратного рассеяния уменьшается. Дифференциальное сечение Комптон – эффекта на электроне dσ_e / dΩ, отнесённое к единице телесного угла, описывается формулой Клейна – Нишины – Тамма:

dσ_к^микр / dΩ = [r_e² / 2] *[(1+cos²θ) / (1+ω(1-cos θ))²] * {1+[ω²(1- cosθ)² /

[(1 +cos²θ)(1+ω(1 – cosθ))]} (6)



Из формулы (6) видно, что при рассеянии под малыми углами потери энергии минимальны. С увеличением угла θ энергия рассеяния уменьшается и принимает минимальное значение при рассеянии назад. Полное сечение


Рис.2

комптоновского взаимодействия с изменением энергии падающего кванта меняется незначительно, плавно уменьшаясь с увеличением энергии. В энергетическом окне 0,01 – 3 МэВ плавно падает от ≈ 0,6 до ≈ 0,12 Барн.

В процессе комптоновского взаимодействия гамма – квант передаёт электрону часть своей энергии, но не исчезает. Гамма – квант взаимодействуя с электроном поменяет свою траекторию и, тем самым, удалится из пучка, причем эти удаления будут тем чаще, чем больше рассеяний на единицу длинны пучка, что соответствует плотности вещества.

σ_к^макрос = σ_к^микр * ρ А_ав * [Z / A] (7)

Рассеяние на связанных электронах (Рэлеевское).

Данный вид рассеяния наблюдается при энергиях гамма – квантов менее 20 – 50 кэВ. Сечение взаимодействия прямо зависит от Z_эф среды. Преобладает над некогерентным в полосе энергий меньше 20 кэВ. Не регистрируется при ГГКп.

Образование электронно-позитронных пар.

Это пороговая реакция, которая возможна при E > 1,02 МэВ – при энергиях, превышающих энергию покоя электрона и позитрона, γ-квант 

большой энергии взаимодействует с ядром, при этом образуется пара электрон-позитрон. Для соблюдения закона сохранения импульса этот процесс должен идти в присутствии третьего тела, роль которого играет ядро атома. При этом часть энергии γ-кванта передается ядру. В течение очень короткого времени электрон и позитрон аннигилируют с образованием двух γ-квантов с энергией Е = 0,51 МэВ:

e^- + e ⁺= 2·γ. (8)

Процесс образования пар даже в тяжелых средах возможен лишь при Е >12 МэВ. Даже если источником γ-квантов является ⁶⁰Со, Е =1,17-1,33 МэВ преобладают другие реакции.

3. Гамма-каротаж, физические основы, область применения, решаемые задачи.

Гамма-метод или метод естественной радиоактивности горных пород основан на регистрации естественного (самопроизвольно

го) гамма-излучения. Это излучение обусловлено самопроиз

вольным распадом радиоактивных элементов (радионуклидов) уранового (²³⁸U, период полураспада T_1/2 = 4,5-10 лет, 16 звеньев ряда), ториевого ( Th, T_1/2 = 13,9-10⁹ лет, 13 звеньев) и актино- уранового рядов ( AcU, T_l/2 = 0,713-10⁹ лет, 15 звеньев). Это так называемые радиоактивные семейства. Все они завершаются образованием стабильного элемента (свинца). В середине каждого семейства образуются радиоактивные газы (эманации): радон (Rn, T_1/2 = 3,85 дня), торон (Tn, T_1/2 = 54 с) и актинон (An, T_l/2 = 3,9 с). Распад некото

рых радионуклидов ограничивается одним звеном превращений (⁴⁰К, ⁸⁷Rb, ¹⁵²Sm и др.).

Естественная радиоактивность горных пород прямо пропор

циональна содержанию в них указанных радиоактивных элемен

тов. Кроме этого, установлено, что осадочные породы, образо

вавшиеся в различных условиях осадконакопления, содержат различные концентрации урана, тория и калия. Это служит петрофизической основой качественного литологического расчленения разреза осадочных пород по величине их естествен

ной радиоактивности.

Кроме этого, измеряя изменение естественной радиоактивно

сти по стволу скважины, можно определять глубину залегания пластов, выделять коллекторы и флюидоупоры. Чем меньше размеры частиц горной породы, тем выше ее удельная поверхность. Чем выше удельная поверхность горных пород, тем больше ее адсорбирующая способность, тем большее количество радиоактивных частиц адсорбируется на скелете породы. Наиболее мелкие частицы характерны для глинистой – пелитовой фракции. Радиоактивность глинистых пород по сравнению с другими породами осадочного комплекса объясняется их большой удельной поверхностью и способностью к 

адсорбции радиоактивных элементов, длительностью накопления пелитового материала, обеспечивающего увеличение содержания ²³⁸U, ²³²Th, ⁴⁰К в осадке. Известна также способность тяжелых окисленных нефтей, в том числе и асфальтоподобных органических веществ, обогащаться ураном за счет извлечения его из подземных вод. Легкие нефти и угли этим качеством не обладают. Таким образом, в осадочных горных породах максимальной радиоактивностью обладают глинистые породы, а радиоактивность большинства коллекторов, представленных терригенными и карбонатными породами, сильно зависит от глинистости. Чем больше глинистость коллектора, тем выше его гамма-активность, тем выше показания ГК.

Таблица 2.

Решаемые задачи по данным гамма-метода:

1.Литологическое расчленение разреза.

2.Выделение коллекторов.

3.Определение коэффициента глинистости.

4.Корреляция разрезов скважин.

5.Определение условий осадконакопления.

6.Определение типа глинистых минералов.



7.Прогноз скорости распространения продольных волн по корреляционным связям типа v_P = 2,9+0,66 In р_к = 0,41 I гм.

8.Геонавигационное обеспечение бурения наклонно направ

ленных и горизонтальных скважин.

9.Контроль технического состояния скважин в процессе за

воднения.


4. Гамма-спектрометрический каротаж

Интегральная модификация гамма-метода основана на регистра

ции общей (суммарной) интенсивности гамма-излучения. Спек

трометрическая модификация ГМ позволяет определить каждую составляющую излучения отдельно - 1_{γ, u} , 1_{γ, Th} и 1_{γ, k}. Для этого применяют многоканальные спектрометры (анализаторы) гамма-излучения, которые позволяют регистрировать дифференциаль

ные спектры естественной радиоактивности. При измерении в скважинах используется 4-канальный спек

трометр, в котором три канала (по числу неизвестных) предна

значены для регистрации гамма-излучения, обусловленного ак

тивностью урана, тория и калия, и последующего определения их содержания в породе. Регистрацию излучения проводят в интервалах энергии 1,35+1,55 МэВ (включает энергию 1,46 МэВ изотопа К), 1,65+1,85 МэВ (включает энергию 1,76 МэВ изотопа ²²⁶Ra) и 2,4+2,8 МэВ (включает энергию 2,62 МэВ изотопа ²³²Th). Для регистрации полного спектра гамма-излучения (есте

ственного, радиационного захвата или наведенной активности) применяют спектрометры с числом каналов 256, 512 и 1024. Чем больше число каналов у спектрометра, тем с большей детальностью регистрируется спектр.

Метод позволяет решать следующие задачи.

1.Детальное изучение литологического строения разреза скважины.

2.Выделение калийсодержащих полимиктовых коллекторов, которые на диаграммах интегрального гамма-метода могут вы

глядеть как пласты глин.

3.Выделение зоны доломитизации известняков.

4.Выделение битуминизированных песчаников, содержащих повышенные концентрации урана.

5.Диагностирование наличия дизъюнктивных нарушений в разрезе скважины.


5. Гамма-гамма-каротаж. Модификация метода, решаемые задачи.

Главным от

личием ГГМ от ГМ является то, что при гамма-гамма методе ре

гистрируют рассеянное взаимодействия (рассеяния) гамма-квантов, излучаемых специально устанавливаемым в скважинном приборе ГГМ источ

ником, с окружающей скважину средой.

При ГГМ регистрируют

ся только рассеянные гамма-кванты, которые достигают де

тектора, размещенного от источника на некотором расстоянии L₃, называемом длиной зонда. Для исключения влияния на детектор прямого излучения от источника в скважинном приборе между ними устанавливают фильтр (экран), изготовленный из тяжелого металла - свинца, вольфрама или железа. Фильтр позволяет практически полностью подавить прямое излучение, и поэтому к детектору приходят только те кванты, которые испытали одно или несколько взаимодействий с породой. В зависимости от преобладающей энергии гамма-квантов, излучаемых источником и регистрируемых детектором, используют две модификации ГГМ: плотностной гамма-гамма метод (ГГМ-П) и селективный (ГГМ-С).

Плотностная модификация гамма – гамма каротажа. Для узкого пучка гамма – квантов суммарное сечение взаимодействия с веществом:

J=J₀ exp(-μ^∑*r) (9)

где, μ^∑ = τ_ф^макр + τ_эп^макр + σ_к^макр

μ^∑ - имеет смысл линейного коэффициента ослабления. Из приведённой формулы можно сделать вывод, о том, что только сечения Комптон – эффекта однозначно зависит от плотности среды. Отношение Z/A_m для породообразующих минералов стабильно и равно 0,5, для водорода = 1, для тяжёлых элементов >0,5, но малое их содержание вносит меньшую погрешность, чем погрешность измерений, ими мы пренебрегаем. Другими словами, сечение Комптон – эффекта пропорционально плотности среды через некоторую const.



Взаимодействие с образованием электронно – позитронных пар происходит при энергиях больше 1,022 МэВ. Вероятность фотоэффекта дискретна и растёт с коротковолновой стороны, начиная с энергий около 0,2 МэВ. Сечение Комптон – эффекта в энергетическом окне 0,2 , 1 МэВ практически постоянно, и в этом окне крайне мало вероятны другие взаимодействия. Если снимать информацию с гамма – квантов этого энергетического окна, то она будет характеризовать только плотность среды или горной породы. Информация носит характер ослабления потока гамма – квантов, испускаемых источником, в процессе некогерентного Комптоновского рассеяния на электронах среды. Полевые измерения реализуются в измерении скорости счёта гамма – квантов Jγ [имп /сек], пришедших на детектор, но осреднённому по объёму области, в котором существует поле, где изменение скорости счёта происходит прямо пропорционально изменению плотности среды.

Существует окно значений, в котором изменения ρ * r не ведёт к изменению плотности гамма-квантов, эту область называют инверсионной. Она образуется из-за возврата гамма-квантов. Она представляет в однородной, изотропной среде область, ограниченную сферами, радиусы которых зависят от плотности изменяются с её изменением, т. е. эта область сужается в среде с большей плотностью и наоборот. Полученные из инверсионной области для данной модификации, некондиционны. Поэтому перед проведением каротажа плотностей необходимо априори иметь представление о величинах плотностей в разрезе для корректного выбора типоразмера зонда. При бурении скважин стенки скважины и около скважинное пространство испытывают различные измерения, обусловленные размывами, обрушениями, сальниками, проникновением бурового раствора это главная помеха. Данные, полученные из доинверсионной области, будут характеризовать плотность близ стеночного пространства, с искажённой плотностью. Поэтому, для повышения глубинности снятия информации используются заинверсионные зонды. Для плотностной модификации ГГК применяют зонды различного аппаратно – 

технологического решения, но объединённые одной характеристикой – длинной зонда, т. е. расстоянием между приёмником и источником.

Из графиков видно (рис.3), что по мере роста длинны зонда при одинаковых значениях плотности, различия в скорости счета то же увеличивается. При увеличении z (I₃) от 35 до 100 см влияние промежуточ

ной среды уменьшается примерно в 2 раза, но еще остается достаточно большим (0,04—0,06 г/см³ на 1 см глинистой корки), что не позволяет отказаться от учета этого


Рис.3

фактора и соответствующей корректировки результатов ПГГК. Геометрическая глубинность R, увеличивается с уменьшением плот

ности ρ, и ростом длины зонда , I₃ в среднем составляет около 7—12 см. Таким образом, информация при ПГГК усредняется по достаточно большому объему горных пород

Для исследования нефтяных и газовых скважин, как правило, применяются двухзондовые измерительные установки, экранированные от скважины, с азимутальной коллимацией излучения источника и регистрируемого излучения (рис. 4, а—в). Для измерения плотности углей и углевмещающих пород в скважинах малого диаметра (d_c<130 мм) используется центрированная двухзондовая измерительная установка ПГГК без ази

мутальной коллимации излучения. Для качественного расчленения пород по плотности на 

месторождениях твердых полезных ископаемых используются однозондовые измерительные установки ПГГК без коллимации излучения, длина зонда которых выбирается в зависимости от объекта исследования (30—40 см для угольных и 20—30 см для рудных скважин). Совместная обработка показаний двух зондов ПГГК в процессе каротажа позволяет ослабить влияние промежуточной среды (глинистой корки, локальных каверн) на результаты измерения плотности горных пород. Параметры зондов (длина зонда, углы коллимации излучения, пороги

а — прибор СГП2-АГАТ; б — модуль ПГГК аппаратуры МАРК-1; в — ПГГК фирмы „Шлюмберже", г — КУРА-3, д — КУРА-2. 1 — источник гамма-квантов; 2 — детектор ближнего зонда; 3 — де

тектор дальнего зонда; 4 — прижимное устройство; 5 — центрирующее устройство.

Рис.4. Конструкции измерительных установок ПГГК.

энергетической дискриминации) выбираются из условия разных глубинности и чувствительности зондов к изменению плотности пород и параметров промежуточной среды.

Селективную модификацию гамма-гамма-метода (ГГМ-С) применяют только в необсаженных скважинах с использованием источников мягкого гамма-излучения: тулия-170 (¹⁷⁰Тm) - Еγ = 84,2 кэВ, Т_1/2 = 129 дней; кадмия-109 (¹⁰⁹Cd) - Еγ = 22,6 кэВ, Т_1/2 =1,3 года и других, энергия которых не превышает 0,4 МэВ. Так как стальной корпус скважинного прибора, используемого в гамма-гамма методе, поглощает часть рассеянных породой гамма - квантов, дополнительно сам их рассеивает, а источник испускает более 

мягкие (по сравнению с плотностной модификацией) гам

ма - кванты, регистрируемый спектр смещается в область энергий, где превалирует фотоэффект. Сечение взаимодействия гамма - квантов с веществом при фотоэффекте пропорционально Z⁵, т.е. зависит от концентрации тяжелых элементов в породе. Так же, как и при ГГМ-П, регистрируемая при ГГМ-С интенсивность рассеянного гамма-излучения уменьшается с ростом содержания тяжелых элементов в породе или с ростом эффективного атом

ного номера Z среды. Размер зондов при ГГМ-С составляет 10-20 см, т.е. в 2 раза меньше, чем при ГГМ-П.

Данные гамма-гамма метода характеризуются небольшим ра

диусом исследования, не более 12-15 см. Поэтому показания ме

тода зависят от положения скважинного прибора относительно оси скважины, ее диаметра, плотности ПЖ, толщины глинистой корки, особенно при использовании утяжеленных баритом или гематитом буровых растворов, изменения диаметра скважины. Для уменьшения влияния указанных факторов на показания скважинный прибор прижимают к стенке скважин с помощью специальной рессоры, источник и детектор окружают экраном из тяжелого металла (W, Pb и др.), при этом гамма-излучение от источника направляют в скважину через коллимационные кана

лы, сделанные в экране. Влияние переменной толщины глини

стой корки исключают путем использования двухзондового скважинного прибора. Для этого измерения проводят одновре

менно двумя зондами с размерами (расстояниями источник - детектор) 15 и 35 см. При гамма-гамма методе детекторы регистрируют не только рассеянное гамма-излучение, но и гамма-активность естествен

ных радионуклидов (U, Th, К), являющуюся помехой. Для улуч

шения соотношения сигнал-помеха выбирают источник гамма-квантов активностью (2-4)-10⁹ Бк.

Плотностной гамма-гамма-метод применяют для решения сле

дующих задач:

1.Выделение в разрезе скважины горных пород с различной плотностью, например, хемогенных.



2.Литологическое расчленение вскрытого скважиной геологи

ческого разреза (в сочетании с другими методами ГИС, напри

мер, нейтронными, акустическими, ГТИ).

3.Выделение полезных ископаемых. Решение этой задачи возможно в том случае, если их плотность выше (рудные место

рождения) или ниже (угли, калийные и каменная соли) плотно

сти вмещающих пород.

4. 
   Определение коэффициента пористости горных пород
   
5. 
   Изучение технического состояния скважин.
   
6. 
   Моделирование синтетических сейсмических трасс. Данные рассеянного гамма-излучения также необходимы при расчете акустических жесткостей (произведения плотности породы на скорость распространения в ней упругих колебаний).
   



6.Контроль качества цементирования

методом ГГК.

Методом ГГК осуществляется изучение равномерности заполнения затрубного пространства цементным камнем и определение его плотности. При этом используется различие в плотности разных составляющих сред, заполняющих ствол скважины (обсадная колонна, цемент, жидкость, газ, элементы технического оборудования). Плотность стальной колонны составляет 7,8 г/см3,промывочной жидкости 1,0-1,3 г/см3, портланд-цемента 1,8-1,91 г/см3, облегченного цемента (смесь портланд-цемента и бентонитовой глины) 1,4-1,6 г/см3.

Данный метод выделяет интервалы, где цементный камень отсутствует или не полностью заполняет затрубное пространство, позволяет определить эксцентриситет колонны. Метод рассеянного гамма-гамма излучения является индикатором любого вещества в затрубном пространстве, т.е. нечувствителен к тому, в какой фазе (жидкой или твердой) находится цемент. Так как показания метода ГГК отражают плотностную характеристику довольно большого объема среды, находящейся за колонной, по диаграммам не могут быть отмечены трещины и каналы малых размеров. ГГК имеет ограничения при контроле качества цементирования многоколонной системы обсадки. Наличие второй колонны экранирует показания так, что нельзя оценивать наличие цемента за первой колонной. Для надежного определения качества цементирования необходимо чтобы различие плотностей цемента и промывочной жидкости было не менее 0,3 г/см3, разница диаметров скважины и обсадной колонны не менее 30 мм.

При изучении технического состояния скважин требуется определить: высоту подъема цемента; равномерность заполнения затрубного пространства цементом и его плотность; эксцентриситет колонны; толщину колонны; места установки центрирующих фонарей на обсадной колонне. Для оценки качества цементирования методом ГГК в основном применяются приборы СГДТ (скважинный гамма дефектомер толщиномер) различных модификаций. 

Принцип работы скважинного прибора заключается в регистрации зондами различной длины рассеянного γ-излучения от одного точечного источника радиоактивного цезия (¹³⁷Cs).

Зонд большой длины (40-50 см) – плотномер (дефектомер) содержит три, шесть или восемь детекторов γ-излучения, расположенных равномерно по периметру прибора симметрично относительно его оси. Детекторы взаимно экранированы, каждый из них дает информацию, фиксируемую в виде отдельной селективной кривой. Регистрируемая с помощью зонда большой длины интенсивность рассеянного γ-излучения, определяется, в основном, объемной плотностью вещества в затрубном пространстве.

Зонд малой длины (11-21 см) – толщиномер содержит один детектор. Интенсивность рассеянного γ-излучения, регистрируемого этим зондом, определяется средней по периметру толщиной стенки обсадной колонны. Изменение толщины колонны на 1 мм приводит к уменьшению показаний примерно на 30%, что позволяет определять изменение толщины стенки колонны, местоположения муфт, центрирующих фонарей и специальных пакеров.

При измерениях в общем случае регистрируются следующие диаграммы: ГК; толщинограмма; две (шесть, восемь) селективных цементограмм, смещенных на 180° (60°, 30°) по периметру скважины, несущих информацию об относительных изменениях плотности вещества в затрубном пространстве; интегральная цементограмма, несущая информацию о средней плотности вещества в затрубном пространстве.

Характер селективных цементограмм определяется:

– равномерностью заполнения затрубного пространства, что в основном за-

висит от положения обсадной колонны относительно оси скважины (эксцентриситета);

– однородностью заполнения затрубного пространства.

Если колонна центрирована, а вещество в затрубном пространстве одно-



родно по плотности, то показания всех каналов дефектомера при различных азимутах практически одинаковы, т.е. расхождение селективных кривых невелико и определяется статическими флуктуациями и погрешностью измерений (рис.2.19, интервалы 907-917, 1395-1405, 2692-2702 м), при этом регистрируемая интенсивность в основном зависит от плотности вещества в затрубном пространстве. Высокая плотность вещества в затрубном пространстве характеризуется низкой регистрируемой интенсивностью, при уменьшении плотности интенсивность увеличивается, и промывочной жидкости соответствуют максимальные показания (рис.2.19).

Если колонна не центрирована относительно оси скважины толщина цементного камня становится не одинаковой по периметру скважины, поэтому на показания детекторов расположенных напротив участка с уменьшенной толщиной цементного камня большое влияние оказывают горные породы, плотность которых больше плотности цемента. На таких участках наблюдается расхождение селективных кривых (рис.2.19 интервалы 895-905, 1410-1420, 2702-2708 м), при этом разница между максимальной Jmax и минимальной Jmin интенсивностью в исследуемом интервале зависит от эксцентриситета колонны, плотности вещества в затрубном пространстве и горных пород. Максимальное расхождение кривых будет в интервалах, где колонна лежит на стенке скважины (эксцентриситет равен 1), а затрубное пространство заполнено промывочной жидкостью (рис.2.19, инт. 895-905 м). В интервалах с высокой плотностью цемента расхождение кривых небольшое, при этом максимальные показания Jmax не значительно превышают уровень замеряемой интенсивности, соответствующий интервалу, в котором колонна центрирована неоднородного заполнения затрубного пространства. Когда в цементном камне присутствуют трещины, вертикальные каналы заполненные веществом низкой плотности (объемные дефекты цементирования) также будет наблюдаться расхождение селективных кривых, при этом


максимальные показания значительно превышают уровень J_пц, а минимальные могут быть незначительно ниже этого уровня (рис.2.19, инт. 2030-2045).

Для количественной интерпретации результатов гамма-гамма цементометрии необходимо располагать данными о диаметре скважины, 

толщине обсадной колонны, плотности закачиваемого цемента, плотности горных пород, слагающих разрез скважины, а также данные по калибровке прибора, которым проводились исследования. Калибровку приборов проводят посредством измерений в модельных средах с известными значениями плотности. Обычно используются три цилиндрические модели с различной плотностью вещества. Одна из них залита водой плотностью 1,0 г/см3, две других заполнены стеклянными шариками SiO2 различного диаметра (плотностью 1,45 г/см3 и 1,8-2,0 г/см3).



Заключение

Важным преимуществом радиоактивных методов (в отличие от электрических) является то, что практически все они могут проводиться в обсаженных скважинах. Это связано с тем, что используемые в нефтегазовой геофизике радиоактивные методы ГИС основаны на регистрации нейтронного и гамма излучения, а как известно, электроны и гамма-кванты являются электрически нейтральными частицами и поэтому обладают высокой прони

кающей способностью.



Практическая часть.

Определение качества цементирования обсадных колон методом гамма-гамма цементометрии.

Цель и задачи:

Провести качественную интерпретацию данных гамма-гамма цементометрии.

Описание работы:

В результате проведения работы будут рассмотрены диаграммы двух скважин. Для начала изучаем конструкции скважин, количества и вида компонентов материала, типы приборов, виды цементирования расположения центрирующих фонарей, пакеров и другого оборудования. Так же из данных диаграмм определятся плотность используемого цемента и промывочной жидкости. В дальнейшем находим эталонный интервал, в котором заполненное пространство зацементировано портланд-цементом, а колонна центрирована. Для этого интервала характерно минимальные показания ГГЦ, расхождение между цементограммами минимальное. Так же выделяем интервалы в которых за колонное пространство заполнено гель-цементом и промывочной жидкостью. Эти интервалы характеризуются расхождением цементограммам и высокими показаниями ГГЦ. Проводим описание интервалов изменения толщины колонны. Нам известно что изменение толщины колонны на 1 мм приводит к уменьшению показаний примерно на 30%, что так же позволяет определять местоположения муфт, центрирующих фонарей и специальных пакеров. Далее выявляем особенности цементирования колонны, т.е. выделяем различные интервалы не качественного цементирования. Эти интервалы легко выделяются по сильному отклонению цементограммам. Для качественной интерпретации данных необходимо учитывать расположение колонны, ее диаметра и диаметра скважины. Очень важно чтобы различия в диаметре были не менее 30 мм. Так же для надежного определения качества цементирования необходимо чтобы различие плотностей цемента и промывочной жидкости 

было не менее 0,3 г/см3. Таким образом учитывая все особенности скважины проводим интерпретацию.




Список используемой литературы

1. 
   Неретин В Д., Петров Л.П., Зенкин С.В. “Методическое руководство по про
   
2. 
   ведению ядерного каротажа и интерпретации его данных”. - М.: РГУ нефти и газа, 2001.
   
3. 
   Стрельченко В.В. Геофизические исследования скважин – М.:ООО “Недра-Бизнесцентр”- 2008-551c.
   
4. 
   Померанц Л. И. «Геофизические методы исследования скважин». М.: Недра, 1981. 376 с.
   
5. 
   Дьяконов Д.И., Леонтьев Е.И., Кузнецов Г.С. Общий курс геофизических исследований скважин. М.: Недра, 1988.
   
6. 
   Итенберг С.С. Интерпретация результатов геофизических исследований скважин. Учебное пособие для вузов. 2-ое изд. перераб. и доп. М.: Недра, 1987.