книги / Геофизические исследования скважин

стоянное 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 соеди­ нений или с галогенами. При взаимодействии гамма-излучения с ка­ тодом из него выбивается электрон в результате одного из процес­ сов, рассмотренных в §1. Электрон, попадающий в заполненный га­ зом объем счетчика, осуществляет ионизацию газа, т. е., в свою очередь, вырывает электроны из атомов газа, превращая их в поло­ жительно заряженные ионы.

Эти электроны, называемые первичными, ускоренные электри­ ческим полем, по пути к аноду вызывают вторичную ионизацию и т. д. В результате число электронов лавинообразно возрастает, пре­ вышая 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 элек­ тронов, а следовательно, энергии ядерной частицы, регистрируемой счетчиком. Поэтому счетчики, работающие в таком режиме, назы­ ваются пропорциональными. При большом напряжении между ано­ дом 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 при­ меняют счетчики Гейгера — Мюллера. Их преимущество — боль­ ший, чем у пропорциональных счетчиков, выходной сигнал (до не­ скольких вольт), что упрощает усиление и передачу сигналов на по­ верхность.

На рис. 55 показана схема включения газоразрядного счетчика. Высокое напряжение подается на счетчик через сопротивление R; импульс напряжения (сигнал), возникающий на нем при прохожде­ нии разрядного тока, через емкость С подается на первый каскад усилительно-формирующего каскада.

Нейтроны непосредственно не ионизируют газ в счетчике. Поэто­ му счетчики, предназначенные для регистрации нейтронов, запол­ няют газом, в молекулу которого входит вещество, при взаимодей­ ствии нейтронов с которым возникают быстрые заряженные части­ цы, производящ ие ионизацию. Таким веществом является газ фтористый бор BF3 или один из изотопов гелия 3Не. При поглощении медленных нейтронов ядром изотопа 10В, как указывалось в § 1, об­ разуется альфа-частица. Поэтому при попадании тепловых и над­ тепловых нейтронов в счетчик, заполненный соединением бора, воз­ никают альфа-частицы, вызывающие разряд в газовом объеме счет­ чика 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

92

гораздо меньшую величину, чем импульсы от альфа-частиц, или протонов.

Сцинтилляционный счетчик состоит из с ц и н т и л л я т о р а , со­ пряженного с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). При падении гамма-кванта в сцинтиллятор происходит возбуждение атомов пос­ леднего. Возбужденные атомы испускают электромагнитное излу­ чение, часть которого лежит в световой области. Кванты света от сцинтиллятора попадают на фотокатод ФЭУ и выбивают из него элек­ троны.

Фотоэлектронный умножитель кроме фотокатода содержит анод и систему электродов (динодов), размещенную между анодом и ка­ тодом (рис. 56). На диноды подается положительное (относительно катода) напряжение от делителя напряжения — Rn, при этом чем дальше анод от катода, тем его потенциал выше. В результате элек­ троны, испускаемые фотокатодом при попадании на него света, ус­ коряются, бомбардируют первый из динодов и выбивают из него вто­ ричные электроны. В дальнейшем эти электроны ускоряются под действием разности потенциалов, приложенной между первым и вто­ рым динодами, бомбардируют второй динод и выбивают из него «третичные» электроны. Так происходит на каждом из динодов, вследствие чего общее количество электронов возрастает в геометри­ ческой 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. 56)

Рис. 56. Принципиальная схема сцинтилляционного счетчика.

1 — сцинтиллятор, 2 — корпус, 3 — отражатель, 4 — фотон, 5 — корпус ФЭУ; б — фотокатод, 7 — фокусирующий электрод, 8 — диноды; 9 — собирающий электрод (анод), Я,—Яп—делитель напряжения

образуется импульс напряжения, через емкость С подаваемый на вход усилителя.

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

Сцинтилляционный счетчик гамма-квантов имеет ряд пре­ имуществ перед разрядным; обладает высокой эффективностью,

93

т. е. регистрирует больше гамма-квантов, проходящих через счетчик (до 20— 30% и более для сцинтилляционного и менее 1 — 2% для раз­ рядных счетчиков). Сцинтилляционные счетчики также позволяют определять энергию регистрируемых гамма-квантов. Последнее обус­ ловлено тем, что интенсивность световой вспышки люминофора про­ порциональна энергии кванта. Преимущество счетчиков Гейгера — Мюллера — большая теплостойкость, надежность в работе, менее жесткие требования к стабильности питающего напряжения.

В качестве детекторов надтепловых нейтронов обычно при­ меняют рассмотренные выше детекторы медленных нейтронов (на основе бора или гелия-3), окруженные кадмиевой фольгой толщи­ ной примерно 0,5 мм. Обладая высоким сечением поглощения теп­ ловых нейтронов (2,5 • 10-25 м2), кадмий их в детектор не пропуска­ ет. 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 де­ тектором в основном регистрируются надтепловые нейтроны. В ка­ нале НГМ современных отечественных радиометров для увеличе­ ния эффективности счетчиков часто применяют детектор гаммаквантов, такж е окруженный кадмиевой фольгой. В этом случае кадмий хорошо поглощает тепловые нейтроны, падающие на повер­ хность детектора, и испускает гамма-кванты, часть которых регис­ трируется детектором гамма-квантов. Таким образом, детектор с кадмием регистрирует как гамма-кванты, так и тепловые нейтро­ ны. 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 уменьшает­ ся влияние хлоросодержания на показания прибора, ибо это влия­ ние для плотности нейтронов и гамма-квантов имеет разный знак. Это второе преимущество применения детектора с кадмием.

В скважинном снаряде радиометров кроме индикаторов рас­ полагаются усилитель, или усилительно-формирующий каскад, а также блок питания счетчиков (см. рис. 54).

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 про­ должительности 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 пи­ тания его схемы. Поэтому в скважинном приборе и на поверхности

94

имеются фильтры LC и RC, соответственно разделяющие постоян­ ный 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. 54 не указан), т. е. им придается строго одинаковая амплитуда и длитель­ ность. Каждый из таких импульсов несет строго одинаковый заряд. По суммарному заряду, соответствующему всем импульсам за еди­ ницу времени (т. е. по среднему току), можно определять количество импульсов за 1 с, называемое скоростью счета и являющееся первич­ ной измеряемой величиной при всех методах радиометрии скважин.

Преобразование потока отдельных импульсов в постоянный ток с силой, пропорциональной числу импульсов за единицу времени, осу­ ществляется интегрирующей ячейкой (интегратором). Интегратор представляет собой контур, составленный конденсатором С и под­ ключенным параллельно к нему сопротивлением R. Интегратор ха­ рактеризуется произведением R (в омах) на С (в фарадах), называе­ мым постоянной времени интегрирующей ячейки. Постоянная вре­ мени (1,5 — 30 с) показывает время, в течение которого усредняются импульсы при определении скорости счета.

Интегратор вносит инерцию в работу радиометра. Колебания ско­ рости счета за время, меньшее постоянной времени, не сказываются на величине выходного тока интегратора, которая при исследовани­ ях методами радиометрии регистрируется в виде диаграммы с по­ мощью фоторегистратора или другого регистрирующего прибора. В памяти приборов с цифровой регистрацией сигнала запоминается число импульсов детектора за время прохождения некоторого не­ большого интервала глубин (10— 20см); в этом случае интегрирую­ щая ячейка не нужна.

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. 54, выдает вполне определенное количество импульсов за 1 мин (обычно 3000, 6000 и 12 000 имп/мин) и служит для установления масштаба скорости счета при регистра­ ции диаграмм (в имп/мин на 1 см шкалы).

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

95

Измерения при радиометрии имеют ряд особенностей, обус­ ловленных статистической природой радиоактивного распада. Распад каждого атома радиоактивного вещества, как и взаимодействие излу­ чения 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 средне­ квадратическое отклонение результатов отдельных измерений от истинного счета N составит yjN , т. е. относительная среднеквадрати­ ческая погрешность

уменьшается с ростом числа N зарегистрированных частиц. Поэтому для уменьшения относительной погрешности измерений необходи­ мо увеличить число частиц, зарегистрированных на данной точке (при измерениях по точкам) или за время нахождения прибора про­ тив пласта (при непрерывных измерениях). Это достигается увели­ чением 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 ди­ аграммы и статистических ошибок в каждой ее точке. Для этого увеличивают постоянную времени интегрирующей ячейки т =RC, т. е. время, в течение которого усредняется интенсивность счета. Считают, что показания в каждой точке диаграммы соответству­ ют средней скорости счета в интервале времени 2т. Поэтому ста­ тистическую ошибку показаний на диаграмме можно получить из формулы (11.14), подставив вместо N величину 21т, где I — ско­ рость счета за единицу времени. Это дает для определения погреш­ ности формулу

Увеличение тприводит к уменьшению статистических флуктуации на диаграмме (к сглаживанию диаграмм); точность же замеров в сред­ нем по пласту не увеличивается. Однако увеличение т приданной ско­ рости регистрации приводит также к искажению диаграмм на грани­ це пластов, к росту переходной зоны между пластами, имеющей про­ межуточные показания. Поэтому большие значения т (до 15— 25 с) берут лишь при очень большой флуктуации (при 1<103 имп/мин). При высокой скорости счета I значение т уменьшают, доводя его до 1,5— 3 с (при 1> 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 отдель­ ных пластов, в связи с чем уменьшается статистическая точность из­ мерений и ухудшается форма кривой на границе пластов. Если счи-

96

тать допустимым искажение переходными процессами на границе пластов диаграммы для интервала разреза, равного А (обычно 0,3— 0,6 м), то скорость регистрации должна выбираться из условия

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

Работы со всеми источниками ядерных излучений относятся к числу вредных. Вредное действие источников возрастает с увели­ чением дозы облучения, т. е. с увеличением мощности источников и времени облучения и с уменьшением расстояния до источника. Уменьшение вредного действия до допустимых величин, не угро­ жающих здоровью работающих, достигается следующими мерами.

1.Устройством на базах геофизических предприятий специальных хранилищ для хранения радиоактивных веществ и источников из­ лучения. После приезда партии со скважины источники передаются

вхранилище до возникновения следующей потребности в них.

2.Перевозкой источников только в контейнерах, рассчитанных на соответствующий тип и мощность источника, ослабляющих излуче­ ния до допустимых величин. Источники гамма-излучения перевозят

всвинцовых или железных контейнерах, нейтронные — в контейне­ рах, заполненных смесью парафина с одним из соединений бора (кар­ бид бора, борная кислота).

3.Уменьшением времени переноса источников от контейнера в

корпус скважинного прибора и обратно, увеличением при этом рас­ стояния от работника до источника, для чего источник переносят с помощью специальных щипцов (манипуляторов) с длинной 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 час­ ти прибора, уже подключенного к кабелю. После этого прибор опус­ кают в скважину через канал контейнера. Спустив прибор на глуби­ ну 1 — 2 м, контейнер можно убрать.

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

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.В каких единицах измеряются абсолютная активность и гаммаактивность радиоактивных препаратов? Какова по порядку величи­ ны удельная гамма-активность типичных осадочных пород?

2.Дайте определение линейного коэфициента ослабления гамма-из­ лучения и назовите примерное его значение для типичных горных пород.

3.Расположите следующие названия горных пород в порядке воз­ растания их радиоактивности: чистые каменные соли, глинистые7

известняки, кварцевые пески средней глинистости, чистые известдяки, глинистые и полевошпатовые песчаники, глины.

4.В каких областях энергии гамма-квантов преобладают различ­ ные виды взаимодействия гамма-квантов с горными породами? Как изменяются возможности гамма-гамма метода при регистрации гам­ ма-квантов различной энергии?

5.На регистрации каких видов излучений основаны основные ме­ тоды радиометрии скважин — гамма-метод, нейтронный гамма-ме­ тод, нейтрон-нейтронный метод, гамма-гамма-метод?

6.От каких особенностей пластов и скважины зависят показания методов, названных в предыдущем пункте, а также импульсного ней­ тронного метода?

7.В каких единицах выражаются результаты гамма-метода и ста­ ционарных нейтронных методов? Как проводится эталонирование соответствующих приборов?

8.Каковы радиальные глубинности исследования основных мето­ дов радиометрии скважин?

9.Назовите основные области применения различных методов радиометрии скважин.

10.Что собой представляют ампульные источники нейтронов и ге­ нераторы нейтронов?

П.Что такое детекторы гамма-квантов и нейтронов, используе­ мые в скважинных радиометрах?

12.Чем обусловлено наличие статистических флуктуаций на ди­ аграммах радиометрии? Как уменьшить статистические ошибки из­

мерений?

Г л а в а 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 уль­ тразвуковом диапазонах частот. Акустические методы можно под­ разделить на методы естественных и методы искусственных акус­ тических полей.

Методы естественных полей изучают колебания, создаваемые различными естественными (обычно технологическими) причинами. Сюда относятся, например, методы, находящиеся в стадии опробо­ вания: а) метод выделения газоотдающих интервалов в скважинах путем регистрации шумов, возникающих при поступлении газа или нефти в ствол скважины (шумометрия скважин); б)методы изуче­ ния шумов при бурении с целью определения характера проходи­

98

мых пород по спектру колебания бурового инструмента; в) метод оп­ ределения горизонтальной проекции текущего забоя на земную по­ верхность путем установления точки с максимумом мощности коле­ баний на поверхности земли.

Основное применение получили методы искусственных акусти­ ческих полей, в которых изучают распространение волн от излуча­ теля, расположенного в скважинном приборе. Ниже рассматриваются именно эти методы. Существуют две основные технологии метода: а) технология, основанная на изучении времени прихода (скорости распространения); б) технология, основанная на изучении затухания амплитуды колебаний.

Физические основы акустического метода

Воднородной изотропной среде могут возникать и распростра­ няться 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, пред­ ставляет собой чередование зон сжатия и растяжения, перпендику­ лярных к оси х (рис. 57, а). Эти зоны перемещаются вдоль оси х со скоростью и, называемой скоростью волны. Если некоторый элемен­ тарный объем среды в данный момент времени подвергается сжа­ тию по оси х, то через время, равное половине периода колебаний, он будет подвергнут растяжению. Если ж е рассматривать движение отдельно взятой частицы среды, то она испытывает периодические колебания по оси а: с частотой /= Т -1 (рис. 57, б).

Вволне S частицы движутся в направлении, перпендикулярном

краспространению волны, а в пространстве наблюдается чередо­ вание полос с противоположным направлением движения частиц (рис. 57, в). При этом (в отличие от волны Р) происходит не измене­ ние 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 продоль­ ных волн ир для некоторых минералов и горных пород приводятся в табл. 4. Там же даны обратные величины A t= l/up, равные времени пробега волной расстояния 1 м и называемые и н т е р в а л ь н ы м временем. Интервальное время обычно выражается в микросекун­ дах на метр.

Скорость распространения поперечных волн usв 1,5— 2 раза ниже скорости ир (среднее значение up/u s для горных пород порядка 1,75).

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

99

X

Рис. 57. Схема см ещ ения частиц среды при распространении плоской продольной и плоской поперечной волн в направлении оси х.

а — продольная волна в моменты времени ta, tb= ta+T/4, tc= ta+T/2 (T — период); 6 — смещение частиц плоскости х =х 1в направлении оси х; в — поперечная волна; 1 — излучатель; 2,3,4 — линии нулевого смещения частиц в данный момент времени [для продольной волны — это одновременно линии максимального сжатия (2) и растяже­ ния (3), т е оси зон сжатия и растяжения]; 5 — направление смещения частиц; б — направление распространения волны

Скорость распространения волн в породе уменьшается, а ин­ тервальное время увеличивается с ростом коэффициента пористости к п . Во многих случаях зависимость At от кп близка к прямолинейной:

где AtTB и Д£ж — некоторые величины, условно называемые ин­ тервальным временем для твердой фазы горной породы и жидкости, заполняющей ее поры.

Формула (III.1) получила название у р а в н е н и я с р е д н е г о в р е м е н и , поскольку она представляет собой формулу расчета средневзвешенного значения Д£с весами, пропорциональными объе­ мам твердой фазы и насыщающей жидкости. Уравнение это при­ ближенное; рассчитано оно для упрощенной модели среды, поэто­ му величины Д£тв и Д£ж часто не совпадают с истинными значения­ ми интервального времени для минералов, слагающих твердую фазу, и жидкости, заполняющей поры породы.

Это объясняется тем, что скорость волн зависит не только от минерального состава пород и их насыщения, но и от литологи­ ческих особенностей реальных пород, их глинистости, эф ф ек­ тивного напряжения, степени сцементированности породы и дру­ гих факторов.

100