35 Вопрос

При импульсных нейтронных методах горную породу облучают кратковремен-

ными (длительностью Δτ = 1—200 мкс) потоками быстрых нейтронов, следующими

через промежутки времени τ. Регистрацию плотности тепловых нейтронов или гамма-

квантов радиационного захвата осуществляют через определенный промежуток време-

ни задержки τз. Существуют импульсный нейтронный гамма-метод (ИНГМ) и им-

пульсный нейтрон-нейтронный метод (ИННМ). Большее распространение получил

ИННМ.

мпульсный режим излучения достигается применением малогабаритных сква-

жинных ускорителей, в которых ионы разгоняются до высоких скоростей в магнитном

поле большой напряженности. Бомбардируя специальную мишень, они выбивают бы-

стрые нейтроны, имеющие энергию 14,1 МэВ. Столь высокая энергия обеспечивает

глубинность исследования до 60—70 см, что больше, чем при использовании стацио-

нарных источников. Кроме того, при отключенном электропитании импульсный источ-

ник не излучает и, следовательно, безопасен. Этим не исчерпываются преимущества

импульсных методов.

При ИНМ процессы замедления и диффузии происходят как бы последовательно

во времени и могут быть исследованы раздельно в зависимости от времени задержки

регистрации. Интенсивность регистрируемого излучения во время замедления (до 10

2мкс) характеризует водородосодержание горных пород, во время диффузии (10(2)

—10(4)мкс) — концентрацию поглотителей. Существенно, что время жизни тепловых нейтро-нов в скважине меньше, чем в породе, а в пластах, насыщенных минерализованной водой, оно меньше, чем в нефтенасыщенных пластах. Это позволяет, применив соответ-

ствующие задержки (более 800 мкс), получить информацию, не зависящую от влияния

скважинной жидкости и характеризующую тип порозаполнителя. Определение поло-

жения водонефтяного контакта импульсными нейтронными методами возможно при

концентрации солей более 30 г/л, в то время как в стационарных методах эта величина

не менее 100 г/л. В принципе, ИНМ решают те же задачи, что и стационарные методы,

однако эффективность решения выше. К недостаткам ИНМ следует отнести сложность

аппаратуры и малую скорость проведения каротажа.

36 Вопрос

смотри 35

37. Ядерно-магнитный каротаж в естественном поле Земли (ЯМК). Физические основы. Магнитные свойства горных пород. Вектор ядерной намагниченности. Продольная и поперечная релаксации.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Ядерно-магнитный каротаж (ЯМК) основан на изучении ядерно-магнитных свойств водорода флюидов, заполняющих поры породы. Ядра атомов водорода, как и других элементов (фтора, алюминия, углерода-13 и др.), обладают собственным механическим моментом Р (спином) и магнитным моментом μ, оси которых совпадают.

Спин (верчение) характеризует собственный механический момент количества движений, которым обладают элементарные частицы. Он может принимать только целые или полуцелые значения (0; 0,5; 1; 1,5), выраженные в единицах h/2π, где h — постоянная Планка (6,6261·10-34 Дж·Гц-1). Спины электрона, позитрона, протона и нейтрона равны 0,5. Это означает, что они принимают значение 0,5 h/2π. При помещении таких ядер в постоянное внешнее магнитное поле Н их магнитные моменты μ стремятся ориентироваться в направлении вектора данного поля, что ведет к возникновению ядерной намагниченности. При снятии внешнего магнитного поля происходит разрушение приобретенной ядерной намагниченности из-за беспорядочного теплового движения атомов и молекул вещества. Так как это происходит в магнитном поле Земли, ядра ориентируются вдоль этого поля, прецессируя (совершая затухающие вращения) вокруг него подобно волчку в поле силы тяжести с так называемой ларморовой частотой

где Hз— напряженность магнитного поля Земли (Hз≈40 А/м); γгир= μ/Р — гиромагнитное отношение (отношение магнитного момента μ прецессирующих ядер к их механическому моменту Р). Наибольшее значение γгир свойственно водороду. Этим вызвано наиболее сильное выражение эффекта ядерного магнетизма у водорода. Во всех других породообразующих элементах этот эффект слишком мал, чтобы его можно было измерить в скважине. Главной задачей ЯМК является регистрация эффектов свободной прецессии протонов ядер водорода в земном магнитном поле. С этой целью в скважину опускают скважинный прибор, включающий в себя катушку удлиненной прямоугольной формы, коммутатор, попеременно подключающий выводы катушки то к источнику постоянного тока силой в 2—3 А, то к выходу усилителя. При подключении катушки к источнику тока в окружающей среде создается поляризующее постоянное магнитное поле. При подключении катушки к усилителю наведенная в ней под действием прецессии ядер водорода ЭДС усиливается и передается по кабелю на поверхность в наземную аппаратуру, где регистрируется (рис. 79).

С хематическое изображение процессов, происходящих при исследованиях методом ЯМК и возникающих при этом векторов ядерной намагниченности, дано на рис. 80. При отсутствии внешнего искусственного магнитного поля магнитные моменты ядер водорода μ ориентированы в направлении магнитного поля Земли Hз, прецессируя вокруг него (рис. 80, I, а).

При пропускании тока поляризации Iп через поляризующую катушку в течение времени tп (рис. 80, II, а) в исследуемой среде образуется постоянное магнитное поле напряженности Нп. Вектор этого поля составляет некоторый угол с вектором напряженности поля Земли Hз и значительно (примерно на два порядка) превышает его по величине. Возникающий при этом в течение времени tп вектор ядерной намагниченности М ориентируется по результирующему вектору Hср, представляющему собой сумму двух векторов напряженности Нп и Hз (рис.80,I,б).

В ектор ядерной намагниченности М устанавливается не сразу после включения тока Iп, а в течение времени Т1 продольной релаксации (установления равновесия), характеризующей скорость нарастания ядерной намагниченности по направлению приложенного поля поляризации (рис. 80, II, б):

где М0— вектор ядерной намагниченности при tп→∞; практически tп принимается равным (3—5)T1

После выключения поляризующего тока (ступенчато снижением до величины остаточного тока Iост и полным выключением через время tост) в среде действует только магнитное поле Земли, и вектор ядерной намагниченности процессирует вокруг вектора Hз с круговой частотой ω (VI.1), постепенно возвращаясь к своей первоначальной величине (рис. 80, I, в). Вектор ядерной намагниченности М по отношению к Hз может быть разложен на две составляющие: продольную Мll, совпадающую с направлением вектора Hз, и поперечную М⊥, перпендикулярную к Hз.

Под действием вектора М⊥ в катушке наводится электрический синусоидальный сигнал (переменная ЭДС)—сигнал свободной прецессии (ССП), соответствующий Et амплитуде ССП (в В) в момент времени t (в с), прошедшего с начала прецессии, затухающей по экспоненциальному закону с постоянной времени поперечной релаксации Т2 (рис. 80, II, в):

Время поперечной релаксации Т2 характеризует скорость затухания сигнала (за Т2 обычно принимается время, в течение которого начальная амплитуда Е0 уменьшается приблизительно в 2,7 раза, E0 — начальная амплитуда ССП, пропорциональная вектору ядерной намагниченности М).

Для предотвращения влияния переходных процессов, вызванных выключением остаточного тока, момент подключения катушки к усилителю сдвинут на величину мертвого времени τ (см. рис. 80, II, г). ЭДС, индуцируемая в катушке зонда, усиливается и передается по кабелю на дневную поверхность, где регистрирующее устройство фиксирует амплитуду ЭДС Ut в момент времени t. Амплитуда Ut представляет собой огибающую сигнала свободной прецессии: Ut = U0exp(—t/T2), где U0 — начальная амплитуда сигнала свободной прецессии. Так как сигнал свободной прецессии убывает по экспоненциальному закону, достаточно иметь два значения его амплитуды U1 и U2 или U1 и U3, разделенных некоторыми временными интервалами t1, t2 и t3 (35, 50 и 70 мс) после начала прецессии, чтобы по ним путем экстраполяции восстановить амплитуду сигнала U0, по которой определяется индекс свободного флюида:

А ппаратура ЯМК позволяет одновременно автоматически регистрировать две или три к аротажные кривые изменения с глубиной амплитуд сигнала свободной прецессии U1, U2 и U3 при фиксированных временах t1, t2 и t3 и постоянных значениях tп и tост. По этим данным оценивается (или непосредственно регистрируется при использовании счетно-решающего устройства) величина U0, приведенная к моменту выключения остаточного поляризующего тока. Кривые U1, U2, U3, U0, регистрируемые в функции глубины, называются кривыми ЯМК (рис. 81).