Промысловая геофизика (стр. 6 )

Вычитая активность этого изотопа в разные моменты време­ни из суммарной активности, получают кривую спада активности остальных активных изотопов. Проводя, как и прежде, асимпто­ту к правой части этой кривой, будем иметь кривую спада активности следующего изотопа, а по наклону кривой — его период полураспада. Поступая и далее подобным образом, всю кривую расчленяют на прямолинейные (в полулогарифмической системе координат) кривые спада от­дельных изотопов, сумма активности которых и измеряется при МНА. В качестве величины, характеризующей активность изото­пов, берут их активность к концу облучения, т. е. ординату пе­ресечения с осью ординат соответствующих прямых для отдель­ных изотопов. Эту величину далее делят на мощность источни­ка и пересчитывают на бесконечное время облучения. Переход от значений начальных активностей изотопов к концентрации элементов горной породы осуществляют на основании переход­ных коэффициентов, полученных по данным исследований моде­лей пластов с известной концентрацией элементов и с конструк­цией скважины, совпадающей с конструкцией исследуемых сква­жин. Результаты исследований зависят (кроме конструкции скважины) от содержания в породе водорода и среднего вре­мени жизни нейтронов. Поправку за их влияние вводят по ре­зультатам измерений другими нейтронными методами.

В настоящее время МНА применяют в основном для выделе­ния в разрезе скважины руд и оценки концентрации таких элементов, как алюминий, медь, марганец, фтор (флюорит).

При применении источников высокоэнергетических нейтро­нов (генераторов нейтронов) удается получить достаточно ин­тенсивную активацию кислорода по реакции 16О (n, p) l6N (Т1/2 = 7,4 с). По изменению активности этого изотопа по стволу скважины можно выделить в разрезе скважины полезные ис­копаемые, бедные кислородом (каменный уголь, самородную серу, иногда нефтеносные пласты), а также изучить содержа­ние углеводородов в жидкости, заполняющей скважину, что важно при контроле за разработкой нефтяных месторождений (см. гл. X).

Метод радиоактивных изотопов

(меченых атомов)

Метод радиоактивных изотопов основан на том, что в буровой раствор вводят некоторое количество радиоактивного изотопа и продвижение такого меченного раствора прослеживают путем измерения гамма-излучения по стволу скважины. Наибольший интерес при изучении геологического разреза представляет об­наружение проницаемых горных пород (коллекторов) по повы­шению их радиоактивности в результате проникновения в них активированного бурового раствора или его фильтрата. Такие исследования проводят как в необсаженных, так и в обсажен­ных скважинах, например, для определения зон поглощения в нагнетательных скважинах. Другое применение метода — разде­ление водо - и нефтенасыщенных пород путем закачки активи­рованного раствора, преимущественно проникающего либо в водоносные (например, раствор на водной основе), либо в неф­теносные пласты (раствор на нефтяной основе). Наконец, до­вольно широко этот метод используют при изучении техническо­го состояния скважин (см. гл. VIII).

Работы с радиоактивными изотопами проводят в следующей последовательности: а) исследуют разрез скважины гамма-ме­тодом («фоновый» замер); б) вводят радиоактивный изотоп в буровой раствор, заполняющий ствол скважины; в) выжидают время, необходимое для проникновения меченного раствора в пласты, пройденные скважиной (во многих случаях, особенно при малой плотности раствора, осуществляют искусственное «продавливание» раствора; после этого ствол скважины промы­вают для удаления остатков радиоактивного вещества); г) пов­торяют измерения гамма-методом; д) сопоставляя два замера ГМ, обнаруживают интервалы, радиоактивность которых суще­ственно изменилась между двумя замерами.

Для активирования раствора применяют радиоактивные ве­щества, хорошо растворимые в буровом растворе. Иногда ис­пользуют взвеси порошкообразных веществ, обогащенных ра­диоактивным изотопом. Чтобы уменьшить срок радиоактивного заражения скважины, период полураспада изотопа следует брать небольшим. Наиболее широко в СССР применяются изо­топы 59Fe (Т=45 дней), 131I (8 дней) и 95Zr (65 дней). Активность раствора обычно порядка 108 Бк на 1 м3 раствора.

Для обеспечения безопасности работ вводить радиоактивный препарат в раствор следует в стволе скважины. Лучше всего вводить изотопы с помощью специальных инжекторов — глу­бинных приборов, в которых размещены камеры для отдельных порций радиоактивного вещества и устройство, позволяющее вводить это вещество в раствор на любой заданной глубине.

Помехами при применении метода радиоактивных изотопов является сорбция радиоактивных соединений непроницаемыми породами, особенно глинами, а в обсаженных скважинах — об­садной колонной. Благодаря этому наблюдается некоторое по­вышение показаний ГМ почти по всему стволу скважины. Кро­ме того, возможны ложные аномалии на забое (вследствие скопления активных осадков) и на верхней границе нефти или эмульсии в стволе скважины (из-за сорбции нефтью радиоак­тивного изотопа и других причин).

Поскольку при работе методом изотопов происходит радиоактивное загрязнение скважинного прибора из-за сорбции радиоактивного вещества его корпусом, такие приборы не следует применять при обычном ГМ.

Работы с использованием открытых радиоактивных изотопов относятся к числу весьма опасных и требуют исключительно тщательного соблюдения установленных мер техники безопасности. Указанные недостатки метода изотопов стимулируют разработку способов решения тех же задач с применением растворов, меченных нерадиоактивными веществами, к которым чувствите­лен тот или иной метод исследования скважин. Среди них важное место занимают вещества с высоким сечением поглощения нейтронов и частично вещества, хорошо активирующиеся ней­тронами. Пути движения таких растворов определяют с по­мощью соответственно импульсных нейтронных методов и мето­да наведенной активности.

Совокупность таких методов, применяющих меченные веще­ства (включая и метод изотопов), называют методом индика­торных веществ.

Ядерно-магнитные методы

Применение ядерно-магнитных методов (ЯММ) основано на наличии магнитных и механических моментов у ядер атомов.

При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные мо­менты отдельных ядер хаотически направлены во все стороны и их суммарный магнитный момент равен нулю. Если ядро по­местить во внешнее постоянное магнитное поле , то магнит­ные силы будут стремиться ориентировать магнитный момент ядра по направлению внешнего поля. Однако подобно вращаю­щемуся волчку в поле тяготения Земли полного совпадения маг­нитного момента μ отдельного ядра с направлением не произойдет. Вектор магнитного момента подобно оси волчка будет прецессировать вокруг направления поля т. е., непрерывно двигаясь, описывать коническую поверхность с осью, совпадаю­щей с направлением . Круговая частота прецессионного вра­щения зависит от магнитного момента ядра и напряженности магнитного поля. Для протона (ядра водорода) в магнитном поле земли частота прецессии близка к 2000 Гц.

Наблюдение относительно слабой ядерной намагниченности среды на фоне более сильного атомного диамагнетизма облег­чается механизмом свободной прецессии ядер. Чтобы наблю­дать свободную прецессию, создают неравновесное состояние ядер. В применяемом варианте метода этого добиваются при­ложением сильного поляризующего поля, направленного под уг­лом к направлению поля Земли . Этим достигается значи­тельное увеличение ядерной намагниченности и поворот ее направления по отношению к магнитному полю Земли. После выключения поляризующего поля среда остается в неравновес­ном состоянии — вектор намагниченности имеет гораздо боль­шую величину, чем в состоянии равновесия с полем Земли , и повернут относительно направления последнего. В результате начинается свободная прецессия вектора намагниченности вокруг направления .

Рис. 46. Схема получения свободной прецессии ядер в маг­нитном поле Земли .

А - поляризация дополнительным полем ; б - свободная пре­цессия вектора намагниченности после выключения поля; К - поляризующе-приемная катушка

Таким образом, при ЯММ принят следующий способ наблю­дения свободной прецессии ядер. Пропуская ток через катуш­ку, ось которой направлена под углом к магнитному полю Зем­ли, создают поперечное магнитное поле , поляризующее гор­ную породу, т. е. изменяющее направление и величину ее ядер­ной намагниченности (рис. 46). Величина должна быть во много раз больше поля Земли Н0, поэтому результирующая на­магниченность практически совпадает с направлением по­ля .

Через некоторое время поляризации tп поляризующее по­ле выключается настолько быстро, чтобы за время выключения вектор не успел заметно изменить свое направление.

После этого вектор намагниченности , прецессируя вокруг (см. рис. 46), постепенно возвращается в первоначальное поло­жение ; его поперечная составляющая уменьшается по за­кону

(II.13)

где M1,0 - начальное значение к моменту выключения поля; T — время поперечной релаксации, показывающее скорость затухания свободной прецессии ядер.

При прецессии ее поперечная составляющая , враща­ясь вокруг оси , пересекает витки катушки в разных направ­лениях и наводит в последней переменную ЭДС с частотой 2000 Гц. Амплитуда колебаний этой ЭДС уменьшается во вре­мени по тому же экспоненциальному закону , что и . (здесь U0 - амплитуда ЭДС в момент выключения поляризую­щего поля).

Значение U0 — основная величина, определяемая при ЯММ. При методике, основанной на принципе свободной прецессии, регистрируется сигнал от ядер водорода. Ядра других элемен­тов (фтор, алюминий, углерод-13 и др.), обладающие ядерным: магнитным моментом, создают более слабый и быстро затухаю­щий сигнал, который практически не регистрируется прибором.

Таким образом, величина U0 пропорциональна концентра­ции ядер водорода в горной породе. Причем несущественно, входит ли водород в состав воды или нефти. В связи с этим: метод ядерного магнитного резонанса используют для опреде­ления количества водорода в горных породах. Преимущество-метода заключается в том, что водород в составе воды, химически связанной или прочно адсорбированной на поверхности зерен породы, не дает вклада в измеряемую ЭДС, ибо создает очень быстро затухающий сигнал. Таким образом, определяе­мое ядерным магнитным методом количество водорода позволяет установить количество несвязанной (свободной) воды или нефти в породе. Это количество соответствует величине эффек­тивной пористости пород, представляющей важнейший пара­метр коллекторов. Другими методами, кроме метода ядерного, резонанса, этот параметр прямо не определяется.

Величину U0, измеряемую таким образом при ЯММ, приня­то выражать в условных единицах, называемых индексом-свободного флюида (ИСФ). Сто таких единиц соответ­ствуют сигналу в воде. Величина ЭДС, соответствующая этой единице, определяется в результате эталонного замера в воде. Показания метода в единицах ИСФ после внесения поправок (за влияние диаметра скважины, глинистой корки и т. п.) соот­ветствуют эффективной пористости kп эф коллекторов. Точку записи ЯММ относят к середине катушки зонда.

§ 6. РАДИОМЕТРИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА

И НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ

Аппаратура для различных радиоактивных методов исследова­ния (кроме ЯММ) имеет много общего. Основная функция её — измерение интенсивности нейтронов или гамма-квантов, и потому она содержит электронные схемы для различных ме­тодов исследования, базирующиеся в общем на одних и тех же принципах. Главные отличия ап­паратуры для различных методов связаны с конструкцией зондов, источника, фильтров и детекто­ров излучения. Учитывая общую функцию всех типов радиометри­ческой аппаратуры — измерение интенсивности радиации (излуче­ния), эту аппаратуру принято называть скважинными радио­метрами.

Конструктивно все радиометры состоят из скважинного при­бора (заключенного в прочную стальную или иногда дюралю­миниевую гильзу) и наземного пульта, соединенных между со­бой геофизическим кабелем. Уп­рощенная блок-схема измеритель­ной части радиометрической ап­паратуры показана на рис. 47. Последовательно рассмотрим на­значение и устройство отдельных блоков.

Рис. 47. Блок-схема скважинного радиометра

Детекторы излучения — важнейшие элементы радиометров. В качестве детекторов излучения в скважинной аппаратуре применяют газонаполненные (газоразрядные) или сцинтилля-ционные счетчики.

Газоразрядные счетчики конструктивно представляют собой цилиндрический баллон, по оси которого натянута металличес­кая нить, служащая анодом (рис. 48). Металлическая (или ме­таллизированная изнутри стеклянная) боковая поверхность баллона служит катодом. Между катодом и анодом подается постоянное напряжение, равное для разных типов счетчиков от 300—400 В до 2—3 кВ.

Счетчики для регистрации гамма-квантов заполняются смесью инертного газа с парами высокомолекулярных органи­ческих соединений или с галогенами. При взаимодействии гам­ма-излучения с катодом из него выбивается электрон в резуль­тате одного из процессов, рассмотренных в § 1. Электрон, по­падающий в заполненный газом объем счетчика, осуществляет ионизацию газа, т. е., в свою очередь, вырывает электроны из. атомов газа, превращая их в положительно заряженные ионы.

Рис. 48. Устройство и схема вклю­чения цилиндрического счетчика 1 - анод; 2 - катод; 3 - изолятор; 4 - стеклянный баллон; 5 - электрический вывод катода

Эти электроны, называемые первичными, ускоренные электриче­ским полем, по пути к аноду вызывают вторичную ионизацию и т. д. В результате число электронов лавинообразно возраста­ет, превышая число первичных электронов в тысячи и сотни ты­сяч раз — в счетчике возникает разряд. Общее число электро­нов, возникающих при разряде, увеличивается с ростом напря­жения, приложенного к счетчику. При относительно небольшом, напряжении общее число электронов оказывается пропорцио­нальным числу первичных элек­тронов, а следовательно, энергии ядерной частицы, регистрируе­мой счетчиком. Поэтому счетчи­ки, работающие в таком режиме, называются пропорциональными. При большом напряжении между анодом и катодом общее число электронов перестает зависеть от числа первичных электронов и от энергии регистрируемой частицы. Такие счетчики называют счетчи­ками Гейгера — Мюллера.

Для регистрации гамма-кван­тов в скважинных радиометрах применяют счетчики Гейгера — Мюллера. Их преимущество — больший, чем у пропорциональ­ных счетчиков, выходной сигнал (до нескольких вольт), что уп­рощает усиление и передачу сигналов на поверхность.

На рис. 48 показана схема включения газоразрядного счет­чика. Высокое напряжение подается на счетчик через сопротив­ление R; импульс напряжения (сигнал), возникающий на нем при прохождении разрядного тока, через емкость С подается на первый каскад усилительно-формирующего каскада.

Нейтроны непосредственно не ионизируют газ в счетчике. Поэтому счетчики, предназначенные для регистрации нейтронов, заполняют газом, в молекулу которого входит вещество, при взаимодействии нейтронов с которым возникают быстрые заря­женные частицы, производящие ионизацию. Таким веществом является газ фтористый бор ВF3 или один из изотопов гелия 3Не. При поглощении медленных нейтронов ядром изотопа 10В, как указывалось в § 1, образуется альфа-частица. Поэтому при попадании тепловых и надтепловых нейтронов в счетчик, заполненный соединением бора, возникают альфа-частицы, вызываю­щие разряд в газовом объеме счетчика и импульс напряжения на его выходе. При захвате нейтронов ядром 3Не возникает бы­стрый протон.

Счетчики нейтронов работают в пропорциональном режиме, что позволяет исключить импульсы от гамма-квантов, которые имеют гораздо меньшую величину, чем импульсы от альфа-ча­стиц, или протонов.

Сцинтилляционный счетчик состоит из сцинтиллятора, сопряженного с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). При падении гамма-кванта в сцинтиллятор происходит возбуждение атомов последнего. Возбужденные атомы испускают электромаг­нитное излучение, часть которого лежит в световой области. Кванты света от сцинтиллятора попадают на фотокатод ФЭУ и выбивают из него электроны.

Рис. 49. Принципиальная схема сцинтилляционного счет­чика.

1 - сцинтиллятор; 2 - корпус; 3 - отражатель; 4 - фотон; 5 - корпус ФЭУ; 6 - фотокатод; 7 - фокусирующий электрод; 8 - диноды; 9 — собирающий электрод (анод); R1—Rn - делитель на­пряжения

Фотоэлектронный умножитель кроме фотокатода содержит анод и систему электродов (динодов), размещенную между анодом и катодом (рис, 49). На диноды подается положитель­ное (относительно катода) напряжение от делителя напряже­ния R1—Rn, при этом чем дальше анод от катода, тем его по­тенциал выше. В результате электроны, испускаемые фотокато­дом при попадании на него света, ускоряются, бомбардируют первый из динодов и выбивают из него вторичные электроны. В дальнейшем эти электроны ускоряются под действием разно­сти потенциалов, приложенной между первым и вторым динодами, бомбардируют второй динод и выбивают из него «третич­ные» электроны. Так происходит на каждом из динодов, вслед­ствие чего общее количество электронов возрастает в геометри­ческой прогрессии. Общее усиление потока в ФЭУ может дости­гать 106 раз и более. Таким образом, при попадании вспышки света на фотокатод на входе ФЭУ (на анодном сопротивле­нии Ra, см. рис. 49) образуется импульс напряжения, через ем­кость С подаваемый на вход усилителя.

В качестве сцинтилляторов для регистрации гамма-квантов в скважинной аппаратуре используют кристаллы йодистого натрия. Для регистрации нейтронов применяют смесь сцинтил­лятора (сернистого цинка) с одним из соединений бора.

Сцинтилляционный счетчик гамма-квантов имеет ряд пре­имуществ перед разрядным: обладает высокой эффективностью, т. е. регистрирует больше гамма-квантов, проходящих через счетчик (до 20—30% и более для сцинтилляционного и менее 1—2% для разрядных счетчиков). Сцинтилляционные счетчики также позволяют определять энергию регистрируемых гамма-квантов. Последнее обусловлено тем, что интенсивность свето­вой вспышки люминофора пропорциональна энергии кванта. Преимущество счетчиков Гейгера — Мюллера — большая тепло­стойкость, надежность в работе, менее жесткие требования к стабильности питающего напряжения.

В качестве детекторов надтепловых нейтронов обычно при­меняют рассмотренные выше детекторы медленных нейтронов (на основе бора или гелия-3), окруженные кадмиевой фольгой толщиной примерно 0,5 мм. Обладая высоким сечением погло­щения тепловых нейтронов (2,6·10-25 м2), кадмий их в детектор не пропускает. В счетчик попадают лишь более быстрые ней­троны, в том числе надтепловые. Поскольку чувствительность детекторов на основе бора и гелия-3 уменьшается с ростом энер­гии нейтронов, таким детектором в основном регистрируются надтепловые нейтроны. В канале НГМ современных отечествен­ных радиометров для увеличения эффективности; счетчиков час­то применяют детектор гамма-квантов, также окруженный кад­миевой фольгой. В этом случае кадмий хорошо поглощает теп­ловые нейтроны, падающие на поверхность детектора, и испус­кает гамма-кванты, часть которых регистрируется детектором гамма-квантов. Таким образом, детектор с кадмием регистриру­ет как гамма-кванты, так и тепловые нейтроны. Измеряемая при этом величина (после вычета интенсивности естественного излучения) представляет собой сумму показаний НГМ и ННМ-Т и зависит в основном от водородосодержания пород, как НГМ и ННМ-Т в отдельности.

Эффективность регистрации при применении такого детек­тора больше, а следовательно, статистическая погрешность меньше, чем у подобного детектора без кадмия. Кроме того, при этом уменьшается влияние хлоросодержания на показания при­бора, ибо это влияние для плотности нейтронов и гамма-квантов имеет разный знак. Это второе преимущество применения детектора с кадмием.

В скважинном снаряде радиометров кроме индикаторов располагаются усилитель, или усилительно-формирующий каскад, а также блок питания счетчиков (см. рис. 47).

Импульсы, снимаемые с анода счетчика, усиливаются, а в ряде случаев (когда применяются разрядный счетчик или сцинтилляционный счетчик в интегральном режиме, т. е. без цели определения энергии квантов) производится формирование им­пульсов с помощью схем, выдающих на выходе импульсы оди­наковой амплитуды и продолжительности независимо от величи­ны указанных параметров для входного сигнала.

Усиленный сигнал по двум жилам трехжильного (или по жиле и броне одножильного) кабеля передается на поверхность. По тем же проводам в скважинный прибор поступает постоян­ный ток для питания его схемы. Поэтому в скважинном прибо­ре и на поверхности имеются фильтры LC и RC, соответствен­но разделяющие постоянный ток и импульсы скважинного при­бора (сигнала).

В наземной части схемы импульсы усиливаются, проходят через дискриминатор, отсекающий (не пропускающий) ложные импульсы небольшой амплитуды, возникающие благодаря воз­можным помехам, и далее подвергаются нормализации в нор­мализаторе (на рис. 47 не указан), т. е. им придается строго одинаковая амплитуда и длительность. Каждый из таких им­пульсов несет строго одинаковый заряд. По суммарному заряду, соответствующему всем импульсам за единицу времени (т. е. по среднему току), можно определять количество импульсов за 1 с, называемое скоростью счета и являющееся первичной изме­ряемой величиной при всех методах радиометрии скважин.

Преобразование потока отдельных импульсов в постоянный ток с силой, пропорциональной числу импульсов за единицу времени, осуществляется интегрирующей ячейкой (интеграто­ром). Интегратор представляет собой контур, составленный кон­денсатором С и подключенным параллельно к нему сопротивле­нием R. Интегратор характеризуется произведением R (в омах) на С (в фарадах), называемым постоянной времени интегри­рующей ячейки. Постоянная времени (1,5—30 с) показывает время, в течение которого усредняются импульсы при опреде­лении скорости счета.

Интегратор вносит инерцию в работу радиометра. Колеба­ния скорости счета за время, меньшее постоянной времени, не сказываются на величине выходного тока интегратора, которая при исследованиях методами радиометрии регистрируется в ви­де диаграммы с помощью фоторегистратора или другого реги­стрирующего прибора.

Иногда при малой скорости счета, а также при исследова­ниях на «точках» скорость счета определяют, регистрируя все импульсы за некоторое известное время с помощью электроме­ханического или электронного счетчика импульсов, имеющегося в наземной части аппаратуры.

Калибратор, указанный на рис. 47, выдает вполне определен­ное количество импульсов за 1 мин (обычно 3000, 6000 иимп/мин) и служит для установления масштаба скорости счета при регистрации диаграмм (в имп/мин на 1 см шкалы).

В некоторых типах аппаратуры, называемых спектрометра­ми гамма-излучения, перед нормализатором имеется специаль­ная схема — амплитудный анализатор, который пропускает лишь импульсы определенной амплитуды, соответствующие квантам заданной энергии. В скважинном приборе спектромет­ра, естественно, не производится никакой нормализации импульсов; энергия, соответствующая данной амплитуде импуль­сов, находится с помощью эталонирования по энергии, заклю­чающегося в определении амплитуды импульсов от нескольких источников гамма-излучения с известной энергией квантов.

Измерения при радиометрии имеют ряд особенностей, обус­ловленных статистической природой радиоактивного распада. Распад каждого атома радиоактивного вещества, как и взаимо­действие излучения с веществом, представляет собой случайное событие. Поэтому количество частиц, регистрируемых при радиометрии скважин, не остается постоянным, даже если прибор располагается неподвижно в строго идентичных условиях (ста­тистическая флуктуация).

Оказывается, если проводить многократную регистрацию частиц в одних и тех же условиях в равные интервалы време­ни, то среднеквадратическое отклонение результатов отдельных измерений от истинного счета N составит, т. е. относитель­ная среднеквадратическая погрешность

, (II.14)

уменьшается с ростом числа N зарегистрированных частиц. По­этому для уменьшения относительной погрешности измерений необходимо увеличить число частиц, зарегистрированных на данной точке (при измерениях по точкам) или за время нахож­дения прибора против пласта (при непрерывных измерениях). Это достигается увеличением эффективности счетчиков и интен­сивности источников, а когда такое невозможно — за счет уве­личения времени измерения на точке и уменьшения скорости регистрации диаграмм.

Кроме того, стремятся к уменьшению степени изрезанности диаграммы и статистических ошибок в каждой ее точке. Для этого увеличивают постоянную времени интегрирующей ячейки τя = RС, т, е. время, в течение которого усредняется интенсив­ность счета. Считают, что показания в каждой точке диаграм­мы соответствуют средней скорости счета в интервале времени 2Iτя. Поэтому статистическую ошибку показаний на диаграмме можно получить из формулы (11.14), подставив вместо N вели­чину 2Iτя, где I - скорость счета за единицу времени. Это дает для определения погрешности формулу

(II.15)

Увеличение τя приводит к уменьшению статистических флук­туации на диаграмме (к сглаживанию диаграмм); точность же замеров в среднем по пласту не увеличивается. Однако увели­чение τя при данной скорости регистрации приводит также к ис­кажению диаграмм на границе пластов, к росту переходной зо­ны между пластами, имеющей промежуточные показания. Поэтому большие значения τя (до 15—25 с) берут лишь при очень большой флуктуации (при I<103 имп/мин). При высокой скорости счета I значение τя уменьшают, доводя его до 1,5—3 с (при I>2·104 имп/мин). В радиометрии скважин гораздо боль­шее значение, чем в других методах исследования (кроме тер­мических), имеет скорость регистрации диаграмм: излишне вы­сокая скорость регистрации сокращает время нахождения при­бора против отдельных пластов, в связи с чем уменьшается статистическая точность измерений и ухудшается форма кривой на границе пластов. Если считать допустимым искажение пере­ходными процессами на границе пластов диаграммы для интер­вала разреза, равного Δ (обычно 0,3—0,6 м), то скорость реги­страции должна выбираться из условия

(II.16)

Типичные значения и составляют обычно 500—600 м/ч для обзорных и 100—200 м/ч для детальных исследований.

Работы со всеми источниками ядерных излучений относятся к числу вредных. Вредное действие источников возрастает с уве­личением дозы облучения, т. е. с увеличением мощности источ­ников и времени облучения и с уменьшением расстояния до ис­точника.

Уменьшение вредного действия до допустимых величин, не угрожающих здоровью работающих, достигается следующими мерами.

1.  Устройством на базах геофизических предприятий специ­альных хранилищ для хранения радиоактивных веществ и ис­точников излучения. После приезда партии со скважины источ­ники передаются в хранилище до возникновения следующей по­требности в них.

2.  Перевозкой источников только в контейнерах, рассчитан­ных на соответствующий тип и мощность источника, ослабляю­щих излучения до допустимых величин. Источники гамма-излу­чения перевозят в свинцовых или железных контейнерах, ней­тронные — в контейнерах, заполненных смесью парафина с од­ним из соединений бора (карбид бора, борная кислота).

3.  Уменьшением времени переноса источников от контейнера в корпус скважинного прибора и обратно, увеличением при этом расстояния от работника до источника, для чего источник пере­носят с помощью специальных щипцов (манипуляторов) с длин­
ной ручкой. Существуют специальные разъемные контейнеры с вертикальным сквозным каналом для хранения нижней разъ­емной части прибора (хвостовика) с источником. На скважине контейнер с хвостовиком ставят на устье скважины, хвостовик присоединяют к верхней части прибора, уже подключенного к кабелю. После этого прибор опускают в скважину через канал контейнера. Спустив прибор на глубину 1—2 м, контейнер мож­но убрать.

Учитывая, что наибольшую опасность представляют откры­тые радиоактивные вещества (и особенно их попадание внутрь человека), особое внимание следует обращать на сохранение герметичности источников.

Глава III.

АКУСТИЧЕСКИЕ И ДРУГИЕ

НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СКВАЖИН

§ 1. АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СКВАЖИН

Акустические методы исследования скважин (AM) основаны на изучении полей упругих колебаний (упругих волн) в звуковом и ультразвуковом диапазонах частот. Акустические методы можно подразделить на пассивные и активные.

Пассивными методами изучают колебания, создавае­мые различными естественными (обычно технологическими) причинами. Сюда относятся, например, методы, находящиеся в стадии опробования: а) метод выделения газоотдающих ин­тервалов в скважинах путем регистрации шумов, возникающих при поступлении газа или нефти в ствол скважины (шумометрия скважин); б) методы изучения шумов при бурении с целью оп­ределения характера проходимых пород по спектру колебания бурового инструмента; в) метод определения горизонтальной проекции текущего забоя на земную поверхность путем уста­новления точки с максимумом мощности колебаний на поверх­ности земли.

Основное применение получили активные методы (ме­тоды искусственных акустических полей), в которых изучают распространение волн от излучателя, расположенного в скважинном приборе. Ниже рассматриваются именно эти методы. Существуют две основные модификации метода: а) модифика­ция, основанная на изучении времени прихода (скорости рас­пространения) волн и называемая акустическим методом по скорости волн; б) модификация, основанная на изучении амплитуды колебаний и называемая акустическим методом по зату­ханию волн.

Физические основы акустического метода

В однородной изотропной среде могут возникать и распростра­няться волны двух типов — продольные Р и поперечные S. В волне Р частицы среды движутся в направлении распростра­нения волны. Так, плоская волна, распространяющаяся в на­правлении оси х, представляет собой чередование зон сжатия и растяжения, перпендикулярных к оси х (рис. 50, а). Эти зоны перемещаются вдоль оси х со скоростью v, называемой ско­ростью волны. Если некоторый элементарный объем среды в данный момент времени подвергается сжатию по оси х, то че­рез время, равное половине периода колебаний, он будет под­вергнут растяжению. Если же рассматривать движение отдель­но взятой частицы среды, то она испытывает периодические колебания по оси х с частотой f = T-1 (рис. 50, б).

В волне S частицы движутся в направлении, перпендику­лярном к распространению волны, а в пространстве наблю­дается чередование полос с противоположным направлением движения частиц (рис. 50, в). При этом (в отличие от волны Р) происходит не изменение объема элементарных частиц, а толь­ко деформация их формы. Поперечные волны возникают и рас­пространяются лишь в твердых телах.

Скорости распространения волн зависят от плотности и уп­ругих свойств среды (модулей Юнга и сдвига). Значения скоро­стей продольных волн vр для некоторых минералов и горных пород приводятся в табл. 2. Там же даны обратные величи­ны Δt = 1/vР, равные времени пробега волной расстояния 1 м и называемые интервальным временем. Интервальное время обычно выражается в микросекундах на метр.

Скорость распространения поперечных волн vs в 1,5—2 ра­за ниже скорости vp (среднее значение vp/vs для горных пород порядка 1,75).

Величины ур и vs для рыхлых горных пород существенно за­висят от глубины их залегания и от эффективного напряжения σ—p, т. е. разности горного а и гидростатического p давлений. Значения ур и vs заметно растут при увеличении разности σ—p до 30—40 МПа (до глубины 2500—3000 м); в дальнейшем их рост становится весьма слабым.