Природна гамма-активність продуктивних порід

Геофізичні дослідження контролю процесу розробки нафтогазових родовищ дозволили встановити значне підвищення інтенсивності природної гамма-активності напроти обводнених продуктивних пластів. Встановлене явище М.Х. Хуснуліним, Ф.А. Олексієвим [ ] розглядалося як радіогеохімічний ефект, який обумовлений тим, що у процесі витиснення нафти водою на передній частині фронту витиснення, підвищується концентрація і змінюється ізотопний склад природних радіоактивних елементів. Концентрація ізотопів радію у радіоактивній облямівці пластових вод підвищується до 1.81^.10⁶ Бк/м³, що приблизно у 100 разів більше концентрації ізотопів радію у пластових водах за контуром нафтоносності.

Об’ємна гамма-активність гірської породи (дальше “об’ємна активність”) є сума активностей її компонентів. Представимо модель породи трьома компонентами – тверда фаза, залишкова вода, нафта або газ, які характеризуються об’ємними активностями відповідно а_g_тв, а_g_в, а_g_н(г₎. Об’ємна активність породи описується виразом:

, (3.13)

де, k_n, k_н(г) – відповідно коефіцієнти пористості і нафто- , газонасиченості.

Природна радіоактивність пов’язана з умовами утворення відкладів окремих літотипів і вмістом в них природних радіоактивних елементів. З цього приводу розглянемо природу накопичення радіоактивних елементів в гірських породах.

Сполуки урану при руйнуванні гірських порід транспортуються у вигляді уламкового матеріалу або переходять під дією поверхневих і ґрунтових вод в розчин і мігрують в басейн осадонакопичення. Первинні уранові мінерали зустрічаються частіше в гранітних пегматитах та породах, що утворились при застиганні залишкової силікатної магми. До основних мінералів відносяться UO₂ і уранова смоляна руда U₃O₈, яка вміщує невелику кількість Th. В процесі міграції ці руди підлягають впливу води і розчинів солей, внаслідок чого утворюються вторинні мінерали, такі як: уранілванадад калію K₂(UO₂)₂(VO₄)₂ . nH₂O, отеніт Ca(UO₂)₂(PO₄)₂ . nH₂O і інші. В водних розчинах уран може знаходитись у декількох валентних сполуках. Частіше в водних розчинах зустрічається UСl₃. Уран дуже вільно утворює комплексні сполуки. Особливо міцні комплекси утворюються з такими комплексоутворювачами, як: карбонат-, ацетат-, фосфат-, сульфат-іони. Сполуки урану з вуглецем утворюють карбіди урану UC, UC₂, U₂С₃, які реагують при нормальних умовах з водою і утворюють при цьому Н₂ і суміші різних вуглеводнів. Суміш U₂С₃ з водою не реагує. При міграції, розчин урану збагачують глибоководні відклади, до яких відносяться глини, аргіліти, мергелі, вапняки осадкові.

Такий характер розподілу урану обумовлює присутність в тонкодисперсних частинах породи комплексних солей урану за рахунок тільки адсорбційних процесів, і тому концентрація U(Ra) в глинистих породах буде обумовлена мінеральним складом глинистої фракції, тобто її адсорбційним властивостям. В породах, які характеризуються уламковим матеріалом в скелеті, можливі залишки первинних і вторинних уранових мінералів, які дійсно можуть приводити до порушення пропорції зв’язку глинистості з радіоактивністю.

Проведені дослідження розподілу урану в гірських породах ДДЗ і Передкарпаттявказують на підвищені значенняконцентрацій урану в аргілітах нафтових родовищ (в середньому концентрації U(Ra) = 5,2 – 11,4 ^. 10^-4%). Така характеристика може порушити пропорцію з адсорбційними властивостями відкладів. Питання про форми зв’язку урану з органічною речовиною є достатньо складним [18,19]. Допускається, що в продуктах бітумного ряду вміст урану може бути як у формі уранових мінералів, так і у формі уран органічних сполук.Але для гумусових речовин характерна відсутність мінеральних форм знаходження урану. Сполуки урану і вуглеводнів реагують з водою. Склад і будова органічної речовини являється дуже складною. При розщепленні вихідного рослинного залишку, який складається з вуглеводнів, білків, лігніну, смол, жирів, в породах можуть виникати різні продукти розпаду. Одночасно ідуть процеси синтезу з утворенням більш складних органічних сполук. Так, внаслідок процесів синтезу іде гуміфікація органічних залишків, тобто утворення нової речовини – гумусу, яка не існує у вихідних органічних залишках і продуктах їх розпаду. Гумус має широке розповсюдження в органічних речовинах гірських порід. В деяких випадках його вміст доходить до 80 – 90 % від загальної кількості органіки. На наш погляд головною фізичною характеристикою гумінових кислот є те, що вони не є компактними, а мають “губчасту” будову з мікропорами. Будова гумінових кислот характеризує їх дуже високі сорбційні властивості [20 Готих]. З представленого витікає, що концентрація урану в породах пов`язана також з адсорбцією сполук урану з розчинів; підвищені значення концентрацій обумовлені високими сорбційними властивостями гумітів. Роботами Дж. Вайна показано, що гумусові утворення вміщують в 10 разів більше урану, ніж сапропель осаду болота. Ця робота в певній мірі підтверджує наші припущення.

Сполуки торію, які розташовані в гірських породах характеризуються основними мінералами: торіанідом ThO₂ з домішками урану і церію, торітом і гуттонітом, які є силікатами торію Th(SiO₄)₄, монацитом. Мінерали торію зустрічаються в пегматитах, апатитах. Вищий окисел ThO₂ характеризується високою стабільністю і є стійкою сполукою, а нижчий окисел ThO має металевий зв’язок і достатньо нестійкий. В водних розчинах торій знаходиться тільки в чотирьохвалентному стані. Більшість солей торію важкорозчинна у воді. Важкорозчинний у воді і гідроокисел торію Th(OH)₄, який виділяється з водного розчину в вигляді гелевого осаду при додаванні лугу або гідроокислу, але може розчинятися у комплексоутворювачах, наприклад, у карбонатах. Важкорозчинні сполуки торію після міграції, внаслідок руйнування гірських порід, розташовані в уламкових і акцесорних мінералах. При транспортуванні в водних потоках торій переходить в колоїдний розчин і в такій формі може мігрувати на великі глибини басейну осадонакопичення і тим самим збагачує глинисті породи. Такий шлях міграції є загально прийнятою моделлю зв’язку торію з характеристиками гірських порід [22 Алексеев]. Але, за даними досліджень [ ] сполуками торію можуть також бути розчинні солі, до яких відносяться нітрат, сульфат і хлорид торію. Тh(NO₃)₄ кристалізується з 4, 5 і 6 молекулами води. Найбільш стійкий Тh(NO₃)₄ ^.5Н₂О, який дуже добре розчиняється у воді. Відмічена нами наявність сполук торію, які можуть розчинятися у воді, дозволила пояснити в значній мірі характер розподілу торію в деяких інтервалах розрізів з високим ступенем зв’язку дисперсних частинок і вмістом торію.

Наведені властивості сполук торію дозволяють характеризувати розповсюдження елементу торію у вигляді уламкових залишків, що залишаються в породі при руйнуванні або транспортуються в водному потоці з колоїдами і механічними уламками, а також, нами припускається, можливість міграції торію в розчині. Доля розчинених торієвих сполук набагато менше уламкових. При моделюванні природної радіоактивності використовуватимуться розглянуті особливості розподілу торію в породах.

Присутність калію обумовлена в основному закономірностями розподілу глинистих мінералів. Калій знаходиться тут не тільки в мінеральній формі , але й в формі сорбованій. Розподіл глинистих мінералів в межах одного родовища і навіть в межах одного структурного горизонту пов`язаний з дуже складними співвідношеннями мінерального складу [68]. Глинисті мінерали різняться суттєво за параметрами адсорбційних властивостей. Так, наприклад, каолініт за величиною ємності катіонного обміну в 20 разів має менше значення у порівнянні з монтморилонітом. Таким чином, зміна концентрації калію в гірських породах тісно пов’язана з кількістю і мінеральним складом глинистого цементу. В деякий мірі за рахунок сорбційних властивостей концентрація може бути пов’язана з вмістом розчинних сполук калію в басейні осадонакопичення. В роботі Ф.А. Алексєєва [69] наведена інформація про те, що наявність двох джерел зносу теригенного матеріалу в ордовикському і сілурському басейнах седиментації Балтійської синеклізі визначило наявність двох зон з підвищеним вмістом калію у відкладах прибережної і глибинної частин шельфу, яка також підтверджує наші висновки.

Внеском активності газу, нафти, а у більшості випадків пластової води в загальну активність гірської породи можна знехтувати. Внесок активності води може бути помітний іноді у зоні водонафтового контакту, а також в обводнених пластах в процесі розробки родовища.

Важливе значення серед радіоактивних елементів мають ізотопи радію ²²⁶Ra (сімейство урану ²³⁸U, період напіврозпаду – 1600 років) і ²²⁸Ra (сімейство торію, період напіврозпаду 6,7 років), а також більш короткоживучі продукти їх розпаду.

Оскільки за своїми хімічними властивостями Ra істотно відрізняється від U і Th, то розподіл радіоактивних елементів між компонентами породи може не співпадати з розподілом U і Th.

Так у водах нафтових родовищ концентрація урану є мала (до n^.10^-6кг/м³, частіше n×10^-7 - n×10^-8 кг/м³), концентрація радію може бути значно вищою від рівновагової кількості за рахунок вилуговування із твердої фази. Високою здатністю вилуговувати уран володіють високомінералізовані хлористі води, що є характерним для багатьох нафтових і газових родовищ, особливо в застійних зонах водонафтових і газоводяних контактів.

На деяких нафтових родовищах причиною підвищення вмісту радію у зонах ВНК можуть служити пластові води, які проникають із горизонтів порід, що залягають нижче, при наявності тектонічних порушень, які більш радіоактивні. У цих зонах спостерігаються підвищені концентрації Ва, Br, I, H₂S, CH₄ і вміст ²²⁸Ra може в 10³ – 10⁴ раз перевищувати його концентрацію, відповідно до радіоактивного зрівноваження з ураном. Більшою здатність вилуговувати має залишкова вода порового простору колектора. Об’єм води на одиницю об’єму породи у продуктивній частині в 1/К_в раз нижче, ніж у водоносній частині пласта, при рівних значеннях К_n. А тому, утворений радій за рахунок вилуговування із породи концентрується у меншому об’ємі води, а його вміст може бути значно вищий (в межі 1/К_в раз), ніж у вільній воді нижче контактів.

Розглядаючи причину перерозподілу радіоактивних елементів не слід нехтувати тим фактом, що може бути перехід радію із нафти у зв’язану і законтурну воду. Коефіцієнт рівнозваженого розподілу радію в системі нафта – вода, тобто відношення концентрацій радію у нафті і у воді (С_Rан/С_Rав) при термодинамічній рівновазі для деяких родовищ складає 3×10^-4 [Хуснул]. Це дає підстави вважати, якщо вміст радію в нафті перевищує 0,03% від його вмісту у воді, то може відбуватися перехід радію із нафти у воду.

Змішування нагнітальних вод з високоактивною залишковою водою порового простору покладу приводить до утворення відносно високорадіоактивної облямівки води на фронті витіснення. Об’ємна радіоактивність порід на фронті витіснення у цьому випадку дорівнює:

(3.14)

де, К – відношення активності води в облямівці до активності вільної води пластової (а_g_в);

К_нго – коефіцієнт залишкового нафтогазонасичення.

Об’ємна активність нафтогазоносного пласта до обводнення (гамма-активністю нафти нехтуємо):

(3.15)

де, К’ – відношення активності зв’язаної води до активності вільної (законтурної) води.

Відносна зміна гамма-активності пласта при його обводненні дорівнює:

. (3.16)

Прийнявши , одержимо:

. (3.17)

Зменшення величин К_n, К_нг–К_нго, а_g_в/а_g_тв призводить до зниження аномального ефекту до 5-10%.

Після проходження високоактивної облямівки радіоактивність пласта зменшується і в багатьох випадках наближається до активності пласта до початку обводнення.

В той же час, повторні виміри гамма-методом у свердловинах, що обводнюються, свідчать про багаторазове підвищення інтенсивності природного гамма-випромінювання, і при цьому високі значення інтенсивності ГК зберігаються з часом, хоча спостерігається не велике зменшення.

Встановлено, що радіогеохімічний ефект проявляється за рахунок накопичення радіоактивних речовин на поверхні цементного каменю, обсадних колон і насосно-компресорних трубок. Основний накопичувач барію і радію є цементне кільце, але частина іонів Ва²⁺, Ra²⁺ і частина радіобариту (або радіокальциту) може стримуватися і в присвердловинній зоні пласта. Таким чином, накопичення радіобариту і радіоактивного кальциту на поверхні цементного каменю напроти продуктивних пластів, що заводнюється, є додатковим фактором збільшення природної радіоактивності і має важливе значення для визначення інтервалів заводнення нафтоносних пластів.

Коли вода високоактивної облямівки поступає в ствол свердловини, іони Ва²⁺, Ra²⁺ і мікрочастинки радіобариту (або радіокальциту) сорбуються на обсадній колоні, підземному обладнанні, що приводить до виникнення шубних аномалії радіоактивності. Імовірні випадки реєстрації радіоактивних аномалій і у інтервалі не обводнених пластів, що затрудняє інтерпретацію даних ГК.

Описаний механізм виникнення радіогеохімічних аномалій, ймовірно, найбільше поширений на нафтових родовищах, а на газоконденсатних родовищах можуть існувати і інші механізми утворення радіогеохімічних ефектів.

Необхідно підкреслити, що радіогеохімічний ефект встановлено і при любому механізмі виникнення залежить від великого числа факторів і спостерігається лише на деяких родовищах і не в усіх свердловинах одного і того ж родовища. А тому, щоб ефективно застосовувати ГК для контролю розробки необхідно проводити додаткові дослідження у кожному нафтогазоносному районі, а іноді і на окремих відповідних родовищах для уточнення умов і механізмів виникнення радіогеохімічного ефекту, його зв’язку з заводненням і іншими процесами, уточнення кола завдань, які можуть бути розв’язані з його використанням.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Діелектрична проникність гірських порід	\|	Нейтронні характеристики порід

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.005 сек.