§35. Ядерно-млгнитный метод

Ядерно-магннтный метод (ЯММ) основан на изучении вели­чин искусственного электромагнитного ноля, образующегося в результате взаимодействия магнитного и механического мо­ментов ядер химических элементов горных пород с импульс­ным внешним магнитным полем.

Все элементарные частицы и ядра химических элементов, кроме массы и порядкового номера (заряда), характеризуются величинами собственного механического момента (спина) 5 и магнитного момента ц, а также гиромагнитным отношением у» представляющим собой отношение магнитного момента ядра к его спину (у = (*/•$).

В постоянном внешнем магнитном поле на ядро, обладаю­щее магнитным моментом, действует пара сил, стремящаяся расположить момент параллельно этому полю. В то же время вследствие наличия механического момента ядро, подобно волчку, будет прецессировать вокруг направления этого поля с частотой со_0> пропорциональной напряженности поля Н₀ и на­зываемой лар моровой ч а с т о т о й:

<*>о -- У Н₀.

Если на ядра элементов подействовать сильным магнитным полем (нолем поляризации) напряженностью Н,,„_л с магнитным моментом М„ол, перпендикулярным к полю Земли Н.,, то ядра в силу наличия спина 5 и ядерного магнитного момента |х бу­дут ориентироваться в направлении суммарного ноля поляриза­ции Н_сум, создавая вектор ядерной намагниченности (магнит­ный момент М_СУм (рис. 79).

В случае быстрого выключения поля поляризации под дей­ствием магнитного поля Земли ядра элементов возвращаются в исходное положение (рис. 79), прецессируя вокруг направле­ния внешнего магнитного ноля, подобно волчку, в поле силы тяжести с характеристической ларморовой частотой около 2 кГц, обусловленной напряженностью магнитного поля Земли (Нз=« «40 Д/м) и гиромагнитным отношением ядер. При этом ядрами^- тех элементов, для которых ларморова частота при заданной напряженности постоянного магнитного поля совпадает с ча­стотой переменного поля, максимально поглощается энергия поля. Это явление называется ядерным маг н и т н ы м ре­зонансом (ЯМР).

Рис. 79. Поведение вектора намагниченности ядер Лf до поляризации (а), во время поляризации (б), в начале свободной прецессии (в) (по С. М. Аскельроду).

ЛЬ — магнитный момент Земли

П ри своей прецессии ядра под действием вращающейся по­перечной составляющей вектора ядерной намагниченности М создают переменное (затухающее во времени) электромагнит­ное поле, напряженность которого измеряется с помощью при­емной катушки скважинного прибора. В катушке возникает электрический синусоидальный сигнал (сигнал свободной пре­цессии— ССП), затухающий по экспоненте с постоянной вре­мени Т₂, называемой временем поперечной релак­сации Е = Е₀ъ\ п(о₀техр(—Т_г/Т₂),

где т— время, прошедшее после выключения поля поляризации.

По полученному сигналу свободной прецессии можно опре­делить Е₀ — начальную амплитуду э. д. с., Т\ — время про­дольной, или термической, релаксации, характери­зующее скорость нарастания ядерного намагничивания по на­правлению приложенного поля поляризации, и Т₂— время по­перечной релаксации, которое является мерой скорости расфа­зировки прецессии ядер. Под временем релаксации обычно понимается время, в течение которого начальная ам­плитуда э. д. с. Ео уменьшается в 2,7 раза.

Величины Ео, Т\ и Т₂ связаны с физическими свойствами гор­ных пород, но для изучения время поперечной релаксации Т₂ искажено неоднородностью поля Земли.

Из всей совокупности элементов, слагающих горные породы, только ядра водорода, входящие в состав свободной жидкости, обладают достаточно большим гиромагнитным отношением (4257 Гц/Гс), чтобы создать под действием поляризующего магнитного поля э. д. с., которая может быть зарегистрирована в условиях скважины. Метод изучения разрезов скважин, осно­ванный на регистрации эффектов свободной прецессии ядер водорода, получил название ядер и о-маги и т и ого ме­тода. Связанная вода, очень вязкая нефть, твердые и другие полярные высокомолекулярные углеводороды, адсорбируемые на поверхности частиц породы, дают столь быстро затухающие

э. д. с, что на показаниях метода ЯММ их присутствие в иссле­дуемом разрезе не сказывается. В связи с этим объектом ис­следований ядерно-магнитным методом являются ядра водо­рода, входящие в тот или иной свободный флюид (воду, нефть или газ). Радиус исследования практически равен 1,5Sd_c, где d_c — диаметр скважины.

Аппаратура и методика измерений ЯММ

Аппаратура ядерно-магнитного метода представляет собой скважинный прибор и наземную панель. Скважинный прибор состоит из двух частей. В нижней части в цилиндрическом ко­жухе из полихлорвиииловой трубы, заполненной маслом, разме­щены два датчика—основной и вспомогательный, в верхней части в дюралевом кожухе смонтирована электронная схема. Основной датчик используется для создания магнитного поля поляризации в пласте и наблюдения сигнала свободной пре­цессии. Он представляет собой соленоид с сердечником прямо­угольного сечения, длинная сторона которого параллельна глав­ной оси прибора. Длина зондов L₃ (чувствительной части ка­тушки) равна 0,75 м. Сила тока поляризации составляет ЗА. Вспомогательный датчик имеет тороидальную форму и служит для контроля работы аппаратуры.

После включения поляризующего тока вектор намагничен­ности М устанавливается постепенно в течение времени т_Пол и асимптотически приближается к значению своего насыщения (рис. 80,6). Практически время поляризации выбирается рав­ным (3—5)7*1. По истечении этого времени сила тока поляриза­ции /пол ступенчато уменьшается до нуля с целью исключения влияния переходных процессов (рис. 80,а). После прекращения переходных процессов быстро выключается остаточный ток /₀с коммутатором скважинного прибора. Коммутатор, в свою очередь, подключает катушку на вход усилителя для регистра­ции сигнала свободной прецессии, т. с. в этот интервал времени основной датчик является приемником. За время действия оста­точного тока тос величина вектора ядерной намагниченности лишь незначительно уменьшается (рис. 80, в) и он практически не изменяет своего направления. Частота действия коммути­рующего устройства устанавливается в пределах 0,1—2,0 Гц.

Сигнал свободной прецессии через усилитель по каналу связи поступает в наземную панель, где он дополнительно уси­ливается, затем выпрямляется и регистрируется. Вследствие ре­зонансного усиления форма огибающей сигнал свободной пре­цессии искажается (рис. 80, г) в левой части п как бы смеща­ется на время т вправо. В связи с этим для определения начальной амплитуды сигнала свободной прецессии U₀ необ­ходимо получить, по крайней мере, два значения огибающей э. д. с.— U1 и U₂ или U1 и Uzy которые соответствуют временам измерения т,, Т2, т₃, отсчитанным от момента времени, сдвину­того на величину т от начала прецессии.

и₀

ИЛИ

По значениям 1)\ и 1)₂ или 1)\ и £/з счетно-решающее уст­ройство, установленное в на­земной панели, вычисляет на­чальную амплитуду

_ихЛт,~х,)

и^х₂' <*»-*•>

и _п

к

Рис. 80. Схема процессов, возни­кающих при исследованиях горных пород методом ЯММ (по С. М. Ак­сельроду) .

оторая регистрируется в функции глубин наряду с за­меряемыми значениями 1)\_%

и и₃.

Масштабы кривых 1)\, и₂> из и и₀ устанавливают в зна­чениях кажущегося индекса свободного флюида (ИСФ)_К.

Это понятие аналогично при­меняющемуся в промысловой геофизике понятию кажущего­ся удельного сопротивления.

П

а — график /-/(т): б —изменение вели­чины вектора ядериой намагниченности М; а изменение во времени *. л. е. сигнала свободной прецессии: г — сигнал свободной прецессии после усиления и детектирования

од ИСФ понимается относи­тельный объем свободного флюида в породе, приведен­ный по концентрации протонов к объему воды и измеренный в процентах. Значениям ИСФ. равным нулю и 100%, соот­ветствуют начальные ампли­туды сигнала, получаемые при замерах в отсутствие свобод­ного флюида и при погруже­нии зонда ЯММ в неограни­ченный объем воды.

При записи кривых ЯММ должен быть обеспечен оптималь­ный режим измерения, т. с. необходимые времена поляризации, времена измерения и интегрирования, а также скорость пере­мещения прибора по стволу скважины. Времена измерения ть Гг и т₃ устанавливаются в зависимости от характерного для ис­следуемого разреза кажущегося времени поперечной релакса­ции так, чтобы обеспечить минимум погрешности при переходе от измеренных СЛ, 1)₂ и £/₃ к амплитуде Оо, и обычно составляют Т]=35 мс, Т2 = 50 мс и тз=70 мс. Время интегрирования выби­рается соответственно постоянной времени спада СПП.

Скорость движения прибора ЯММ ограничивается требуе­мым временем поляризации, которое должно быть таким, чтобы

выдерживалось условие Тпол^3 7*|. Оптимальная скорость ис­следования ЯММ рассчитывается по формуле

^ — 9 /з/(т_п0л “Г Тос "Ь Тизм)»

где Тизм — время измерения ССП (в с). Обычно она не превы­шает 250 м/ч. Более высокая скорость допустима только при обзорных измерениях.

Если ЯММ применяется для определения ИСФ. то записы­ваются кривые О_и и_2у и> и и₀. При выделении коллекторов, характеризующихся низкой эффективной пористостью, для сни­жения влияния помех необходимо записывать одну кривую и₂ в режиме максимального интегрирования и с пониженной ско­ростью передвижения прибора (120—200 м/ч).

Время Т| может быть определено наиболее точно при уста­новке прибора на заданной глубине и измерении амплитуд ССП при различных поляризациях (измерение 7\ в сильном поле) или при различных временах действия остаточного тока (изме­рение Т_х в слабом поле).

Кривые ЯММ

Кривые ЯММ симметричны относительно середины однород­ных пластов. С серединой пласта совпадает максимум. Гра­ницы мощных пластов отбиваются в точках, соответствующих половине максимального значения амплитуды кривой ЯММ (рис. 81,в). Для пластов ограниченной мощности с 1 гра­

ницы смещаются к максимуму кривой и могут быть отмечены в точках, находящихся от начала и конца аномалии соответст­венно на расстоянии, равном половине длины рамки.

Для одиночных однородных пластов большой мощности ха­рактерным значением ИСФ является амплитуда аномалии про­тив середины пласта. При мощности одиночного пласта, мень­шей длины зонда, в типичное значение ИСФ должна быть вве­дена поправка за ограниченную мощность.

Переход от кажущихся значений к истинным значениям ИСФ производится по специальным палеткам или по формуле

ИСФ - ИСФ_К -Ь-.

1с

где £о, !с — обобщенные поправочные коэффициенты за разли­чие величины и времени действия тока поляризации при изме­рении в скважине и эталонировании, за скорость передвижения прибора, время действия остаточного тока, за азимут и угол ствола скважины и эталонировочного устройства, разли­чие температур промытой части пласта и жидкости при этало­нировании, диаметр скважины, толщину глинистой корки, доб­ротность катушки зонда при исследовании скважины и этало­нировании.

Рио. 81. Кривые ЯММ (а) и времени релаксации для нефтеносной

(б) и водоносной (<?) пород.

/ — песчаник: 2 — алевролит глинистый; 3 - глины; кривые £Л. У*. {/» — соогиетствуют временам т_ь г», т, после начала прецессии; б: Т|-760 мс; Л- =818 м; в: т» — 215 мс: Л ¿>5 м

Области применения ЯЛАМ и решаемые им геологические задачи

Ядерно-магннтным методом исследуются разрезы глубоких скважин с целью выделения пластов-коллекторов и определе­ния характера их насыщения (нефть, газ, вода), а также эф­фективной пористости.

Кривые сигнала свободной прецессии отражают в породе на­личие свободной жидкости, поэтому все пласты, выделяемые аномалией на фоне помех, относят к пластам-коллекторам (см. рис. 81,а).

По времени продольной (термической) релаксации Л опре­деляют тип флюида, насыщающего норовое пространство пла­стов-коллекторов, и степень смачиваемости горных пород (гид- рофильность) (см. рис. 81,6, е).Для водонасыщенных гидрофиль­ных пород Т\ = 50-^300 мс. При насыщении этих пород нефтью или газом время релаксации возрастает (Г|>600 мс). Для гид­рофобных нефтеносных пород, обычно не содержащих свобод­ной воды, время релаксации Т\ превышает 600 мс.

Для определения времени продольной релаксации Т_и а сле­довательно, и типа флюида, насыщающего поровое простран­ство пластов-коллекторов, используют зависимость спада на­чального напряжения э. д. с. £/о от времени ее затухания (ре­лаксации) после снятия поляризующего магнитного ноля в масштабе 1п(У=/(т).

Если все точки кривой релаксации в масштабе 1п(У = /(т) располагаются на одной прямой (см. рис. 81,в), значит в по­роде содержится однокомпонентная подвижная жидкость (вода или нефть). При этом угол наклона прямой 1п6/=/(т) для водоносных коллекторов больше, чем для нефтеносных, а время релаксации у нефтеносных коллекторов больше, чем у водоносных (см. рис. 81, б, в). Отклонение кривой 1п(У=/(т) от прямолинейного направления свидетельствует о наличии в породе подвижных воды и нефтн. Такая кривая может быть представлена двумя прямыми.

По данным ЯММ можно определить коэффициент эффек­тивной пористости горных пород /г_ПЭф (см. рис. 81,а).

Ядерно-магиитный метод неприменим при наличии в породе даже незначительных примесей магнитных минералов, так как в этом случае наведенная э. д. с. исчезает. Последнее обстоя­тельство используется для исключения влияния на показания ЯММ воды, содержащейся в промывочной жидкости. Для ней­трализации этого явления в промывочную жидкость рекомен­дуется добавлять магнетит (около 25 кг на 100 м³ раствора).

Ядерно-магнитным методом можно исследовать только от­крытый ствол нефтяной или газовой скважины, так как обсад­ная стальная колонна является ферромагнитным материалом. Этот метод позволяет с большой точностью выделять пласты, содержащие подвижный флюнд.

ГЕОРЕТИЧ ЕСКИ Е ОСНОВЫ РАДИОАКТИВНЫХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ СКВАЖИН

Радиоактивные методы — это совокупность геофи­зических методов бескерновой геологической документации раз­резов скважин, основанных на использовании естественных и искусственных радиоактивных излучений и на изучении ядер- ных свойств горных пород.

Радиоактивными методами в скважинах исследуют естест­венное гамма-поле и искусственные гамма-поля или нейтрон­ные поля, создаваемые стационарными или импульсивными ис­точниками радиоактивных излучений. По естественным радио­активным излучениям изучается естественная радиоактивность горных пород, по искусственным — характер и интенсивность взаимодействия нейтронного излучения и гамма-излучения с горными породами, их способность сорбировать из активиро­ванного раствора ионы радиоактивных изотопов или других элементов с аномальными ядернымн свойствами.