Контрольні запитання

1. Охарактеризуйте поняття “радіоактивність”, основний закон радіоактивного розпаду та величини, що його характеризують.

2. Які ви знаєте елементи радіоактивного розпаду та їх характеристики?

3. Чим обумовлена природна радіоактивність гірських порід?

4. Дайте характеристику газорозрядному та сцинтиляційному лічильникам. Переваги та недоліки їх застосування.

5. Дайте характеристику напівпровідниковому лічильнику. Переваги та недоліки його застосування.

6. Як проводиться еталонування апаратури радіоактивного каротажу? Які Ви знаєте одиниці вимірювання при радіоактивних та ядерно-фізичних дослідженнях?

7. Сформулюйте фізичну суть гамма-каротажу. Форма кривих. Задачі, що вирішують за допомогою даного методу.

8. Сформулюйте фізичну суть спектрометричного гамма-каротажу та задачі, що вирішують за допомогою даного методу.

9. Які процеси відбуваються при взаємодії гамма-квантів з речовиною?

10. Сформулюйте фізичну суть методу ГГКЩ та задачі, що вирішують за допомогою даного методу.

11. Сформулюйте фізичну суть методу ГГКС та задачі, що вирішують за допомогою даного методу.

12. Які процеси відбуваються при взаємодії нейтронів з гірською породою.

13. Сформулюйте фізичну суть методу НГК. Форма кривих. Задачі, що вирішують за допомогою даного методу.

14. Сформулюйте фізичну суть методів ННК-Т і ННК-НТ. Задачі, що вирішують за допомогою даних методів.

15. Сформулюйте фізичні основи імпульсного нейтрон-нейтронного каротажу та задачі, що розв’язують за допомогою даного методу.

16. Назвіть параметри, що характеризують імовірність ядерних реакцій та одиниці їх виміру.

4 Акустичні методи дослідження свердловин

Акустичні методи дослідження розрізів свердловин (акустичний каротаж) засновані на реєструванні параметрів збуджених сигналів пружних коливань звукового та ультразвукового спектру в гірських породах.

При акустичному каротажі (АК) в свердловині збуджують пружні коливання, які розповсюджуються в ній і в навколишніх породах та сприймаються приймачами, розташованими в тій же свердловині.

За типом параметрів, що реєструють, виділяють наступні основні модифікації акустичних методів: акустичний каротаж по швидкості розповсюдження пружних хвиль; акустичний каротаж по затуханню пружних хвиль; хвильовий (широкосмуговий) акустичний каротаж та інші. Каротаж по швидкості та по затуханню пружних хвиль складають стандартний акустичний каротаж і проводяться переважно одночасно.

4.1 Фізичні основи акустичних методів

Пружні хвилі, що використовують при проведенні акустичних досліджень у свердловинах, поділяють на три групи:

- інфразвукові хвилі з частотами менше 16 Гц;

- звукові – з діапазоном частот від 16 до 2·10⁴ Гц;

- ультразвукові – з частотами більше 2·10⁴ Гц.

При детальному вивченні пружних характеристик гірських порід на практиці найчастіше використовують хвилі з проміжними ультразвуковими частотами (10-75) кГц.

В основі досліджень акустичними методами лежать відмінності пружних властивостей порід, які складають геологічні розрізи свердловин.

Гірські породи в природному заляганні практично є пружними тілами. Для більшості гірських порід і мінералів діє закон Гука, на якому заснована теорія пружності. Згідно цієї теорії малі деформації пропорційні прикладеному напруженню.

Закон Гука характеризує зв’язок деформації з діючим напруженням і механічними властивостями середовища:

(4.1)

де p=F/s – напруження (F – прикладена сила, s – поперечний переріз тіла); Е – модуль Юнга (модуль повздовжньої пружності), що характеризує здатність середовища деформуватися під впливом одноосної дії; [E]=[Н/м²]=[Па].

При одноосному розтягуванні відбувається і зменшення поперечних розмірів тіла. Відношення відносного зменшення поперечних розмірів до збільшення повздовжніх називається коефіцієнтом Пуасона ν:

(4.2)

де Δd – зміна поперечного розміра тіла; d – поперечний розмір тіла; Δl – зміна поздовжнього розміру тіла; l – поздовжній розмір тіла.

Закон Гука для деформації зсуву має вигляд:

(4.3)

де g =Δl/l=tga – відносна деформація при зсуві; τ – апруження зсуву, Па; p=F/s – напруження (F – прикладена сила, s – поперечний переріз тіла), μ – модуль зсуву, Па, який характеризує опір породи зміні його форми (для рідин і газів m=0).

Взаємозв’язок модуля Юнга, коефіцієнту Пуасона і модуля зсуву має вигляд:

(4.4)

Об’ємні деформації тіла призводять до виникнення внутрішніх напружень, тобто внутрішніх сил, що прагнуть повернути тіло в початковий стан (стан рівноваги). Відносний приріст об’єму тіла внаслідок виникнення непружних деформацій при розвантаженні називають дилатансією:

(4.5)

Якщо після припинення дії напруги тіло зберігає нову форму або тільки поступово повертається до початкової форми, то його називають пластичним або не абсолютно пружним. Деформації у таких тілах також називають пластичними.

У більшості твердих тіл, у тому числі і гірських породах, під дією прикладених сил відбуваються як пружні, так і пластичні деформації. Коли зовнішні сили незначні та діють короткочасно, більшість твердих тіл поводять себе як абсолютно пружні.

Якщо на елементарний об’єм породи діє деяка сила, то відбувається його деформація – зміна розмірів і форми; після припинення дії сили – відновлюється початкове положення.

Розглянемо середовище, в обмеженій області якого протягом деякого короткого часу діє зовнішня збуджуюча сила. Під дією сили в цій області середовища виникає деформація і спостерігається всестороннє переміщення частинок. Останнє обумовлює виникнення напружень у шарі, який оточує область збудження.

Від даного шару напруження деформації передаються в наступний шар і т.д. У результаті від точки прикладання збуджуючої сили, у всіх напрямках будуть поширюватися деформації початкового стану середовища. Після того, як частинка середовища зробить коливання навколо свого початкового положення, вона заспокоюється.

Процес послідовного поширення деформації називається пружною хвилею.

Поверхня, яка відокремлює в певний момент часу область середовища, у якій хвиля вже викликала коливання частинок, від тієї області, де збудження ще не спостерігаються, називається переднім фронтом (або фронтом) хвилі. Лінію, вздовж якої відбувається поширення хвилі, у кожній своїй точці утворюючи прямий кут із фронтом хвилі у відповідний момент часу, називають променем хвилі.

В однорідному середовищі фронт хвилі, який утворений точковим випромінювачем, буде представляти сферичну поверхню; у неоднорідному середовищі фронт хвилі буде представлений поверхнею складної форми.

У залежності від виду деформації в породі виникають різні типи пружних хвиль. Найбільш інформативними, при вивченні пружних властивостей гірських порід, є наступні хвилі: поздовжні (P-хвилі), поперечні (S-хвилі), Лемба (L-хвилі) та вторинного походження. Основними хвилями, які використовуються в промисловій геофізиці, є поздовжні та поперечні хвилі.

Поздовжня хвиля спричиняє тільки деформацію об’єму. Поширення поздовжньої хвилі зумовлює переміщення зон розтягування та стиснення. В цьому випадку частинки середовища здійснюють коливання навколо свого початкового положення в напрямку, який збігається з напрямком поширення хвилі (рис. 4.1, а). Поперечна хвиля пов’язана з деформаціями форми; поширення її зводиться до ковзання шарів середовища одного відносно іншого; частинки середовища роблять коливання навколо свого початкового положення і в напрямку перпендикулярному променю хвилі (рис.4.1, б). Поперечні хвилі можуть існувати тільки у твердих тілах.

Велика стрілка вказує напрямок руху хвилі

Рисунок 4.1 – Схема коливання частинок середовища при поширенні поздовжніх (а) і поперечних (б) хвиль

Для пружної хвилі характерна швидкість її розповсюдження, що спостерігається за рухом променя. Величина швидкості залежить від пружних властивостей середовища та типу хвилі. Основними параметрами, які характеризують пружність та пластичність тіл є модуль поздовжнього розтягу (модуль Юнга ) та коефіцієнт поперечного скорочення (коефіцієнт Пуасона).

Розрізняють два типи параметрів, які характеризують пружні хвилі, – кінематичні та динамічні.

Кінематичні параметри. Швидкість поширення пружних хвиль у гірській породі визначається модулем Юнга Е, коефіцієнтом Пуассона n та її густиною d_п. Так, швидкість поширення поздовжньої хвилі становить:

. (4.6)

Швидкість поширення поперечної хвилі становить:

. (4.7)

Для гірських порід величина Е змінюється в межах 0,15·10^-4–0,6·10^-5 МПа, коефіцієнт ν близький до 0,25.

Після підстановки у формули (4.6) і (4.7) середніх значень пружних констант для гірських порід одержимо співвідношення V_P/V_S=1,73. Отже, подовжня хвиля розповсюджується приблизно в 1,73 рази швидше від поперечної.

Пружні властивості гірських порід, а значить, і швидкості розповсюдження пружних хвиль у них обумовлені їх мінеральним складом, пористістю та структурою порового простору. В таблиці 4.1 наведено швидкості розповсюдження пружних хвиль у деяких середовищах.

Таблиця 4.1 – Швидкість розповсюдження поздовжніх пружних хвиль у деяких середовищах

Гірська порода або речовина	Швидкість розповсюдження поздовжніх хвиль VP, м/с
Повітря, газ (метан)	300-430
Нафта	1300-1400
Вода прісна	1470
Вода мінералізована	1600
Глина	1200-2500
Пісковик незцементований	1500-2500
Пісковик щільний	3000-6000
Вапняк	3000-7100
Доломіт	5000-7500
Ангідрит, гіпс	4500-6500
Кам’яна сіль	4500-5500
Кристалічні породи	4500-6500
Сталь	5400

Швидкість хвиль Лемба V_L визначають за допомогою виразу, який включає швидкість гідрохвиль V₀, що розповсюджуються в свердловинній рідині з густиною d₀, і швидкість поперечних хвиль V_S у навколишньому середовищі з густиною d_п:

. (4.8)

Величина, яка обернена швидкості розповсюдження хвилі в породі, прийнято називати інтервальним часом проходження хвилі DT, одиниця вимірювання – секунда на метр (с/м) або мікросекунда на метр (мкс/м):

. (4.9)

Динамічні параметри. Розповсюдження пружних хвиль в гірських породах супроводжується поступовим зменшенням їх енергії внаслідок фізичних процесів поглинання, розсіювання та геометричного розходження. Енергію хвилі характеризує амплітуда коливань A. Зменшення амплітуди коливань із збільшенням відстані від джерела збудження до точки спостереження для випадку плоского фронту розповсюдження пружної хвилі проходить за експоненційним законом:

, (4.10)

де A₀, A – відповідно, амплітуди коливань поблизу джерела збудження та в точці спостереження; a_п – коефіцієнт поглинання пружних хвиль; l – відстань, яку пройшла хвиля.

Коефіцієнт поглинання (затухання) пружних хвиль a_п є показником втрати енергії хвиль в гірських породах внаслідок вказаних вище фізичних процесів. Вираз для a_п має наступний вид:

, (4.11)

де A₁ і A₂ – амплітуди хвиль, які реєструються приймачами, що розміщені на відстані Dl (бази зонда) один від іншого.

Одиниця вимірювання коефіцієнта поглинання – децибел на метр, або м^-1. Величина a_п залежить від пористості породи, мінерального складу її скелету і цементу, структури пористого простору і властивостей рідини, що заповнює пори.