§ 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.

К онструктивно 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

Э ти 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—R_n - 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—R_n, 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 R_a, 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 и 12 000 имп/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 τ_я = RС, т, е. время, в течение которого усредняется интенсив­ность счета. Считают, что показания в каждой точке диаграм­мы соответствуют средней скорости счета в интервале времени 2Iτ_я. Поэтому статистическую ошибку показаний на диаграмме можно получить из формулы (11.14), подставив вместо N вели­чину 2Iτ_я, где I - скорость счета за единицу времени. Это дает для определения погрешности формулу

(II.15)

Увеличение τ_я приводит к уменьшению статистических флук­туации на диаграмме (к сглаживанию диаграмм); точность же замеров в среднем по пласту не увеличивается. Однако увели­чение τ_я при данной скорости регистрации приводит также к ис­кажению диаграмм на границе пластов, к росту переходной зо­ны между пластами, имеющей промежуточные показания. Поэтому большие значения τ_я (до 15—25 с) берут лишь при очень большой флуктуации (при I<10³ имп/мин). При высокой скорости счета I значение τ_я 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 v_р для некоторых минералов и горных пород приводятся в табл. 2. Там же даны обратные величи­ны Δt = 1/v_Р, равные времени пробега волной расстояния 1 м и называемые интервальным временем. Интервальное время обычно выражается в микросекундах на метр.

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

Величины у_р и v_s 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 у_р и v_s заметно растут при увеличении разности σ—p до 30—40 МПа (до глубины 2500—3000 м); в дальнейшем их рост становится весьма слабым.

Рис. 50. Схема смещения частиц среды при распространении плоской продоль­ной и плоской поперечной волн в направлении оси х.

а - продольная волна в моменты времени t_a, t_b = t_a + T/4, t_c = t_a + T/2 (Т - период); б - смещение частиц плоскости х = х₁, в 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 растяжения (3), т. е. оси зон сжатия и растяжения]; 5 - направление смещения частиц; 6 - направле­ние распространения волны

Таблица 2. Скорость up, интервальное время Δt = v_p^-1 и коэффициент затухания α_р продольных волн в некоторых минералах и горных породах

Минерал, горная порода	vp, м/с	Δt, мкс/м	αр, м-1
Вода, промывочная жид­кость	1500—1700	600-660	—
Кварц	6050	166	0,2—0,3
Кальцит	6320	158	0,2—0,3
Доломит	7020	143	0,2—0,3
Ангидрит	6100	164	0,2—0,3
Гипс	5750	174	0,2—0,3
Галит	4520	220	0,2—0,3
Сильвин	4100	244	0,2—0,3
Глина	1500—3000	400—800	2,0—3,0
Аргиллит	2000—3500	300—500	0,7—2,3
Мергель	2000—4000	250—500	0,5—1,0
Рыхлые пески на малой глубине	800—1200	830—1250	3,0
Песчаник несцементирован­ный	2600—4000	250—500	0,7—2,3
Песчаник сцементирован­ный	3300—5500	180—300	0,2—0,3
Известняк	3800—6000	167—263	0,3—0,7
Доломит	4000—6500	154—250	0,3—0,7
Примечание. Значения αр даны для нетрещиноватых минералов и пород.

Скорость распространения волн в породе уменьшается, а ин­тервальное время увеличивается с ростом коэффициента пори­стости k_п. Во многих случаях зависимость Δt от k_п прямоли­нейна:

(III.1)

где Δt_тв и Δt_ж - некоторые величины, условно называемые ин­тервальным временем для твердой фазы горной породы и жид­кости, заполняющей ее поры.

Формула (III.1) получила название уравнения средне­го времени, поскольку она представляет собой формулу расчета средневзвешенного значения Δt с весами, пропорцио­нальными объемам твердой фазы и насыщающей жидкости. Уравнение это приближенное; рассчитано оно для упрощенной модели среды, поэтому величины Δt_тв и Δt_ж часто не совпадают с истинными значениями 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 литологических особенностей реальных пород, их глинистости, эффек­тивного напряжения, степени сцементированности породы и других факторов.

Характер насыщающей жидкости заметно влияет на скорость волн лишь для рыхлых пород, залегающих на относительно не­больших глубинах, т. е. при малых эффективных напряжениях. Скорость волн в газоносных пластах ниже, чем в нефтеносных, а в нефтеносных ниже, чем в водоносных. С ростом глубины и степени цементации пород разница в скоростях волн в пластах с различным насыщением уменьшается.

При удалении от излучателя энергия волн и амплитуда ко­лебаний уменьшаются вследствие расхождения, т. е. увеличения протяженности фронта волны, а также из-за процессов погло­щения энергии, рассеяния на микронеоднородностях горной по­роды. Уменьшение энергии Е и амплитуды А плоской волны происходит по законам

, , (III.2)

где r - расстояние от излучателя до точки наблюдения; α - амплитудный коэффициент поглощения (зату­хания).

Для сферических волн (вокруг точечного источника в одно­родной среде) , , для цилиндрических волн , .

При распространении волн в системе скважина — пласт закон ослабления имеет вид , но поскольку показатель степени n обычно точно не известен, то ослабление часто аппроксимируют формулами (III.2), а величину α, определяе­мую при таком предположении, называют эффективным коэффициентом затухания. Коэффициент затухания; увеличивается с ростом коэффициента пористости горных по­род, с ростом их глинистости и особенно трещиноватости.

Коэффициенты поглощения Р-волн (α_р) и S-волн (α_s) в га­зоносных (индекс «г»), нефтеносных («н») и водоносных («в») пластах располагаются в ряд: α_Рв<α_Рн<α_Рг, α_Sв>α_Sн>α_Sг.

Различный знак влияния нефте- и газонасыщения на зату­хание волн облегчает использование коэффициентов затухания упругих волн α_р и α_s для разделения нефте-, газо- и водонасыщенных пород на фоне помех, обусловленных трещиноватостью пород, изменениями их пористости, которые вызывают измене­ние α_s и α_р одного знака. Однако влияние характера насыще­ния на значения α_р и α_s велико (до 200—400%) лишь в рых­лых отложениях. В крепкосцементированных отложениях оно может снизиться до 10—20% и даже ниже.

Простейший двухэлементный зонд акустического метода со­держит излучатель упругих колебаний И и приемник колеба­ний П (рис. 51). Расстояние l между ними называется длиной зонда. Для уменьшения влияния скважины и перекоса прибора в скважине применяют трех- и четырехэлементные зонды (рис. 51, б, в). Расстоянием s между одноименными элементами трехэлементного зонда называют базой. Величина базы опре­деляет вертикальную разрешающую способность акустического метода. Зонды AM обозначают последовательностью букв И и П (излучатель и приемник), между которыми проставляют рас­стояния в метрах (см. рис. 51).

Для акустического метода, как и для электрического, спра­ведлив принцип взаимности, заключающийся в том, что без изменения показаний метода можно все излучатели заменить приемниками и одновременно все приемники излучателями.. Например, вместо зонда ИsИ1П можно в принципе применять зонд ПsП1И.

Рис. 52. Схематическое изображение тра­екторий важнейших упругих волн, воз­никающих в системе скважина — пласт,

I - скважина; II - пласт

Рис. 51. Двухэлементный (а), трехэлементный (б) и четырехэлементный (в) зонды

При проведении акустических исследований наблюдаются упругие волны различных типов: прямая гидроволна P₀, отра­женная волна P₀P₀, преломленные продольная P₀P₁P₀ и попе­речная P₀S₁P₀ волны (рис.52). Кроме того, могут наблюдаться поверхностные волны, распространяющиеся по стенке скважи­ны, волны, отраженные от границ пластов, трещин и т. д. Пре­ломленные волны — основной объект изучения при AM. Они об­разуются, если угол падения волны на стенку скважины превы­шает некоторое критическое значение. Поэтому для наблюдения таких волн необходимо, чтобы длина зонда также превышала некоторое критическое значение. Отражение и преломление уп­ругих волн подчиняется законам оптики, хорошо знакомым чи­тателю из общего курса физики.

Таким образом, к приемнику зонда поступают волны не­скольких типов. Соответственно сигнал на выходе приемника может иметь довольно сложную форму.

Проще всего определяются при AM время поступления и амплитуда волны, приходящей к приемнику первой (первое вступ­ление волн). Наибольшая скорость распространения характер­на для преломленной продольной волны P₀P₁P₀ . Поэтому при не слишком малом размере зонда эта волна обгоняет волны других типов и поступает к приемнику первой (рис. 53).

Это облегчает выделение аппаратурой волны P₀P₁P₀, авто­матическое определение ее амплитуды А и времени поступле­ния t. По этим величинам судят о скорости и коэффициенте за­тухания волн в породе.

В обсаженной скважине волновая картина еще больше ус­ложняется. В частности, дополнительно возникает волна сжа­тия, распространяющаяся по обсадной колонне (колонная вол­на). Ее амплитуда зависит от степени сцепления колонны с це­ментным камнем. Чем лучше сцепление, тем легче энергия волны рассеивается в окружающую среду и тем ниже ампли­туда колонной волны.

Это явление используют в акустических приборах для опре­деления качества цементирования.

Аппаратура для акустических исследований

В современной аппаратуре для изучения упругих свойств гор­ных пород (v_p, v_s, α_р, α_s) используют зонды с тремя элемента­ми и более.

Трех элементов достаточно, чтобы определить величины Δt и α, не искаженные влиянием скважины (если ось прибора па­раллельна оси скважины, а диаметр скважины и ее заполнение постоянны в интервале между крайними элементами зонда). Убедимся в этом на примере зонда П1И₁sИ₂ (рис. 54).

При этом регистрируют величины

и (III.3)

где t_i - время прихода к приемнику преломленной волны t-го излучателя; А_i – её амплитуда.

Рис. 53. Примеры волновых картин в плотных (а) и трещин­ных (б) породах

Как видно на рис. 54, отрезки и параллельны; времена прохождения волн на этих отрезках одинаковы, а часть пути явля­ется общей для волн, идущих от раз­ных излучателей. Поэтому разность времен прихода волн от двух излуча­телей равна .

Аналогично различие ослабления волн, идущих к приемнику от разных излучателей, обусловлено лишь ослаб­лением на пути , т. е.

(III.4)

Рис. 54. Траектории преломленных волн, реги­стрируемых трехэлементным зондом.

1 - раствор; 2 - породы

Легко заметить, что полученное выражение эквивалентно формуле (III.2).

Можно легко доказать, что, используя четырехэлементный зонд, изображенный на рис. 51, в, и вычислив полусумму раз­ностей Δt₁ и Δt₂, определенных для трехэлементных зондов И₁П₁П₂ и П₁П₂И₂, получим истинное значение Δt даже в слу­чае, если ось прибора не параллельна оси скважины.

В качестве излучателей в зондах AM используют обычно магнитострикционные электроакустические преобразователи, а в качестве приемников — пьезоэлектрические.

Магнитострикция — изменение формы и размеров те­ла при намагничивании. Она обратима: при удлинении и сокра­щении магнитострикционных материалов изменяется их намаг­ниченность, и в катушке, намотанной на нем, возникает ЭДС. Поэтому их можно в принципе применять и в качестве прием­ников. Магнитострикция значительна в ферро- и ферримагнетиках (железо, никель, кобальт, сплавы Fe с кобальтом— пермендюр или с алюминием — альфер и др.). При помещении таких материалов в переменное магнитное поле они меняют свои размеры, оказывают давление на окружающую среду и возбужда­ют в них упругие колебания.

Магнитострикционным излучателям обычно придают форму цилиндров, соосных с кожухом скважинного снаряда и имеющих диаметр, близкий к диаметру последнего. Внутри магнитостриктора имеются каналы для обмотки катушки возбуждения. На обмотку излучателя подаются импульсы тока от специального импульсного генератора. После подачи импульса тока магнитостриктор начинает колебаться с собственной частотой, пропор­циональной скорости упругих волн в материале магнитостриктора и обратно пропорциональной его диаметру.

Амплитуда колебаний скважинных магнитострикционных из­лучателей обычно несколько микрометров, диапазон частот 6— 60 кГц.

В необсаженных скважинах, а также в цементомерах приме­няют излучатели на 25 кГц; для исследования разрезов обса­женных скважин используют более низкие частоты. Примене­ние низкочастотных колебаний способствует увеличению глубин­ности метода и снижению влияния на показания крепления скважин колоннами. Однако получать в скважинном приборе излучения с частотой ниже 3—5 кГц не удается, так как для этого потребовались бы излучатели слишком большого диа­метра.

Пьезоэлектрическим эффектом называют появле­ние электрических зарядов на гранях некоторых кристаллов при их сжатии или растяжении. Пьезоэлектрические свойства ярко выражены у кристаллов кварца, сегнетовой соли и др. В скважинной аппаратуре используются в основном пьезоэлектриче­ские приемники из керамики титаната бария (ВаТiO₃) и неко­торых других соединений. Приемники обычно имеют вид полых цилиндров; на внешней и внутренней поверхности которых на­ходятся электроды.

В акустическом методе требуется защита приемников от прямых упругих колебаний (помех), проходящих по корпусу прибора. Для этого между излучателями и приемниками разме­щают акустические изоляторы, обладающие высоким коэффи­циентом затухания волн или же большим временем задержки, обеспечивающим приход волн-помех к приемнику позже полез­ных волн. В качестве акустических изоляторов чаще всего при­меняют последовательность элементов, изготовленных попере­менно из металла и резины.

Любая аппаратура акустического метода содержит глубин­ный прибор (скважинный снаряд, зонд) I и наземную аппара­туру II, соединенные кабелем К (рис. 55). Глубинный прибор предназначен для излучения и приема упругих колебаний, уси­ления и передачи в линию связи (кабель) сигнала приемника. Он содержит излучатели И (один или несколько), импульсные генераторы Г, вырабатывающие электрические импульсы, пода­ча которых на обмотки излучателей вызывает излучение ими упругих колебаний, приемники П (один или несколько) и соответ­ствующее число усилителей У.

Излучатели и приемники разделены акустическими изолято­рами (на рис. 55 не показаны). В глубинном приборе (иногда в наземной аппаратуре) имеются также схема управления сра­батыванием генераторов УГ, блоки питания и др.

Рис. 55. Обобщенная блок-схема аппаратуры АМ (а) и сигналы в ней (б)

Аппаратура действует циклами: излучение колебаний пер­вым излучателем — прием сигнала, затем излучение вторым из­лучателем — прием сигнала и т. д. Циклы повторяются с часто­той 25 или 12,5 Гц.

Наиболее распространенная структура наземной части аппа­ратуры содержит схему присоединения к кабелю СП, блок вы­деления синхроимпульса ВСИ, усилитель У, блоки выделения первых вступлений волны ВВ, блоки определения времени t и амплитуды волн А. Для вычисления интервального времени Δt по значениям t₁ и t₂ и коэффициента затухания α (или отно­шения A₁/A₂) по значениям А₁ и А₂ имеется вычислитель В.

Основные моменты работы аппаратуры AM можно понять из диаграмм (эпюр), приведенных для трехэлементного зонда с двумя излучателями на рис. 55, б. Излучатели И₁ и И₂ попе­ременно излучают пакеты волн, изображенные на эпюрах 1 и 2. Моменты их срабатывания определяются схемой управления ге­нераторами УГ. Одновременно с подачей импульсов в обмотку излучателя генератор Г через схему присоединения к кабелю СП посылает на поверхность синхроимпульс СИ. Синхроим­пульсы двух генераторов отличаются друг от друга, например, полярностью, как это показано на эпюре 3. При достижении волнами приемника он вырабатывает электрические сигналы (эпюр 4), которые после усиления усилителем У₂ передаются через схему на кабель и далее на поверхность.

В наземной аппаратуре сигналы от приемника и синхроим­пульсы попадают на усилитель У₂ и блок выделения синхроим­пульсов ВСИ.

Блок ВСИ не пропускает сигнал приемника, но пропускает синхроимпульсы, которые поступают в блок измерения време­ни и служат началом отсчета при определении времени прихода волн (эпюр 5).

Сигналы от приемника, усиленные усилителем У₂, подают­ся на блок выделения вступлений ВВ, который вырабатывает нормализованные импульсы 6, указывающие момент достиже­ния сигналом некоторого порогового значения. Они запускают блок измерения времени t.

Измеритель времени вырабатывает прямоугольные импульсы 9, начинающиеся в момент прихода синхроимпульса и заканчи­вающиеся при вступлении волны (при поступлении импульса 6 от блока ВВ). Таким образом, длительности импульсов 9 равны временам t₀ прохождения волн от излучателей до приемника.

Коммутирующее устройство (не показанное на рис. 55 и уп­равляемое синхроимпульсами) подает импульсы с выхода бло­ка попеременно на интегрирующие ячейки двух каналов. Они вырабатывают постоянные токи, пропорциональные длитель­ностям импульсов 9, т. е. временам прихода t₁ и t₂ волн от со­ответствующих излучателей. Регистрируя эти токи, получают (в некотором масштабе) диаграммы изменения t₁ и t₂ по глубине скважины. Сигналы одновременно поступают на вычислитель, где вычисляется их разность, и на третий канал регистратора, регистрирующий диаграмму интервального времени.

Сигналы с выхода усилителя У₂ подаются также на вход из­мерителя амплитуды А; предварительно они проходят через электронный ключ ЭК, управляемый блоком временного окна О. Блок О обеспечивает прохождение сигнала к измерителю ам­плитуд лишь в течение определенного времени (три-четыре пе­риода колебаний) после вступления волны (эпюры 7 и 8).

Блок А определяет максимальную (иногда среднюю) ампли­туду сигнала в указанном интервале времени. Значения этой величины для двух каналов регистрируются самопишущим уст­ройством (регистратором), а также подаются в вычислитель В для вычисления α или A₁/A₂.

Рис. 56. Волновая картина, сфотографи­рованная с экрана электронно-лучевой трубки.

Записи сигнала зонда: а - малого (от ближ­него излучателя); б - большого (от дальне­го излучателя); в - марки времени (через 100 мкс); 1 - отметка синхроимпульса (момен­та срабатывания излучателя); вступление волн: 2 – P₀P₁P₀ , 3 – P₀S₀P₀

В некоторых приборах имеются блоки волновой картины ВК, фазокорреляционных диаграмм ФКД. Блок ВК позволяет выбо­рочно или заданным шагом по глубине фотографировать с экра­на электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) развертку полной волно­вой картины обоих каналов, т. е. зависимости смещений в волне от времени, а также отметку момента срабатывания излуча­теля и марки времени (рис. 56).

Рис. 57. Блок-схема записи фазокорреляционной диаграммы (а) и сигналы в ней (б)

Блок ФКД, являющийся наи­более информативным, хотя и относительно сложным видом ре­гистрации сигналов, осуществляет непрерывную запись волно­вых картин следующим образом (рис. 57). Луч электронно-лу­чевой трубки разворачивается пилообразным напряжением (эпюр 2), подаваемым генератором развертки ГР на горизон­тальную систему отклонения ЭЛТ, начиная с момента поступле­ния синхроимпульса СИ (эпюр 1). Сигналы 3 от приемника зонда поступают на пороговую систему П, выделяющую лишь положительные полуволны сигналов или вырабатывающую им­пульсы в момент смены знака сигнала с положительного на отрицательный, т. е. 1 раз в видимый период сигнала. Эти им­пульсы в первом случае непосредственно, а во втором после формирования формирующим каскадом Ф (эпюр 4) подаются на модулятор яркости ЭЛТ. На экране ЭЛТ высвечивается ряд точек. Расстояние между соседними точками пропорционально видимому периоду, а расстояние от точки начала развертки лу­ча, т. е. от момента поступления СИ, - времени прихода соот­ветствующей фазы сигнала.

Экран ЭЛТ проецируется на фотопленку, движущуюся син­хронно с движением прибора в скважине; проекции светящихся точек создают изображения в виде диаграмм фазовых линий (эпюр 5) и позволяют получать диаграмму ФКД.

Проведение акустических исследований

и интерпретация их результатов

Акустические исследования проводят в скважинах, запол­ненных буровым раствором, который необходим для создания акустического контакта излучателей и приемников зонда с ок­ружающей средой. Разгазирование бурового раствора способст­вует резкому повышению затухания волн и может вызвать ис­кажение диаграммы, особенно для большего из зондов.

Регистрация диаграмм интервального времени Δt и коэффи­циента α (или отношения A₁/A₂) — наиболее распространенная форма представления данных акустического метода, предусмот­ренная во всех типах серийной аппаратуры.

Точку записи диаграмм для двухэлементного зонда относят к середине между излучателем и приемником, а для трехэле­ментного зонда — к середине между одноименными элементами зонда. Против отдельных пластов кривые t_i, Δt, A_i, α и A₁/А₂ по форме симметричны. Выделяют пласты большой и малой толщины. Толщина пласта h считается большой, если она боль­ше s (кривые Δt, α, A₁/A₂) или l (кривые t_i, A_i). В средней ча­сти таких пластов большой толщины на протяжении h - s (а для кривых t_i и A_i h-l) имеется площадка постоянных зна­чений (рис. 58, а). Показания вблизи границ меняются линей­но, граница пласта отмечается на середине этого линейного участка.

В середине отдельного пласта малой толщины (h<s или. h<l) также имеется площадка постоянных значений, но изме­ряемые величины здесь не равны истинным. Так, измеренное интервальное время

(III.5)

где Δt_пл и Δt_вм - истинные параметры для пласта и вмещаю­щих пород.

Протяженность переходного участка на границе пласта в этом случае равна h, а граница пласта отмечается на расстоя­нии s/2 (l/2) от точки начала изменения Δt при приближении зонда к пласту.

Если диаметр скважины непостоянен, форма кривых услож­няется. На границах каверн возникают ложные максимумы. Их протяженность для трехэлементного зонда равна меньшей из двух величин — длине базы s или протяженности каверны h_кав (рис. 58, в).

Рассмотренные непрерывные диаграммы регистрируют обыч­но для первых вступлений волн, т. е. продольных преломленных волн. Выделение волн других типов и определение их характеристик осуществляют при регистрации ФКД или фотографиро­вании волновых картин.

Рис. 58. Кривые, полученные акустическим методом.

Кривые Δt, А₁, и α против пластов: а - большой (h>s, h>l) мощности; б - малой (h<s) мощности; в - кривая Δt против каверны

Выделить на них первые вступления (волн P₀P₁P₀) обычно нетрудно. Вступление поперечной пре­ломленной волны P₀S₁P₀ (бывает лишь в случае, когда v_s1>v_p0) следует искать в интервале времени, в 1,7—2,2 раза превышаю­щем время вступления волны P₀P₁P₀. В разрезах с и v_р>4 км/с волна P₀S₁P₀ характеризуется значительно большей (5—10 раз) амплитудой, чем волна P₀P₁P₀ (см. рис. 53, а), а видимый пери­од волны P₀S₁P₀ в 1,2—1,5 раза больше такого периода для волны P₀P₁P₀. В разрезах с низким значением v_p амплитуда P₀S₁P₀ -волны снижается, а в трещинных породах она может вовсе исчезнуть.

На фазокорреляционных диаграммах имеется дополнитель­ный признак поперечной волны: разность времен ее прихода для двух пластов с разными свойствами выше, чем для про­дольных волн. Поэтому сдвиг фазовых линий на границе пла­стов у поперечных волн более крутой по сравнению с продоль­ными волнами.

В обсаженных скважинах волновая картина зависит от ха­рактера контакта на границах цемента с колонной и горной породой. При жестких контактах на обеих границах волновая картина примерно та же, что и в необсаженной скважине. Если контакт с колонной скользящий, четко выделяется волна Р по колонне, соответствующая скорости 5,2—5,6 км/с. На муфтовых соединениях Δt увеличивается на 3—5 мкс/м.

На ФКД четко видны пять - десять фазовых линий волны по колонне, параллельных оси глубин. На ФКД могут быть видны также наклонные к оси глубин линии, связанные с волнами, от­раженными от трещин, границ пластов, а в обсаженных сква­жинах — также от муфт.

Область применения акустического метода

Результаты, полученные акустическим методом, используют при литологическом расчленении разреза, выделении коллекторов, определении их пористости и характера насыщения, контроля обводнения залежей при их разработке и при решении некото­рых других геологических и технических задач (см. также гл. VIII).

Литологическое расчленение разреза по данным AM основа­но на различии скоростей и частично коэффициентов затухания волн в различных породах (см. табл. 2).

Различия в акустических свойствах песчаников, известня­ков, доломитов и др. — достаточно надежный признак лишь при близких значениях их коэффициентов пористости k_п. Если k_п ≠ const, необходима комплексная интерпретация данных AM и других методов ГИС (см. гл. VI).

При выделении гранулярных коллекторов по комплексу ГИС принимают во внимание значение пористости, полученное по данным акустического метода. По повышенному значению коэффициентов затухания, по появлению волн, отраженных на трещинах и дающих оси синфазности, секущие ФКД под раз­личными углами, выделяют трещинные коллекторы. (Подроб­нее об использовании акустического метода для решения этих задач, а также об определении коэффициента пористости по значениям Δt см. в гл. VI.)

Поскольку радиус зоны исследования AM не превышает не­скольких десятков сантиметров, определение характера насы­щения пластов по данным акустического метода возможно лишь при отсутствии зоны проникновения фильтрата в пласт (в основном обсаженные скважины, простоявшие достаточно долго, чтобы зона проникновения успела расформироваться). Чтобы уменьшить влияние крепления, используют колебания низкой частоты. В продуктивных пластах, как указано выше, значения α_р выше, a α_s ниже, чем в водоносных. Поэтому ам­плитуда волн P₀P₁P₀ в продуктивных пластах ниже, а волн P₀S₁P₀ выше, чем в водоносных пластах.

Эффекты на водонефтяных и газожидкостных контактах мо­гут быть не видны из-за изменений α_р и α_s по причинам, не свя­занным с характером насыщения пластов. В подобных случаях для повышения надежности разделения продуктивных и водоносных пластов целесообразно двукратное проведение заме­ров — до и после расформирования зоны проникновения.

Специальные акустические приборы, регистрирующие время прихода и амплитуду волн, отраженных от стенок скважины (или обсадной колонны), позволяют определять диаметры и профиль скважины (акустические каверномер и профилемер), судить о строении стенок (акустические телевизоры).

При исследовании этими приборами на стенку скважины направляют короткий импульс высокочастотной (0,1—10 МГц) упругой волны. Приемник регистрирует отраженную волну. Из­лучатель и приемник непрерывно вращаются с помощью элек­тродвигателя вокруг вертикальной оси. На оси мотора разме­щен также азимутный отметчик, вырабатывающий импульс в момент пересечения лучом плоскости магнитного меридиана.

Сигнал приемника передается на поверхность, где в назем­ной аппаратуре акустических телевизоров этот сигнал исполь­зуется для модуляции яркости луча электронно-лучевой трубки, так же как в обычных телевизорах. В результате на экране ЭЛТ возникает изображение стенок скважины, где достаточно ясно видны трещины, каверны в породах или обсадной колонне.

С помощью каверномеров и профилемеров определяют изме­нение времени прихода отраженных волн по различным азиму­там, а по значениям времени находят расстояние до стенок скважины. Такие приборы особенно широко используют при исследовании подземных полостей значительного диаметра (до 40 м), сооруженных, например, для хранения нефтепродуктов.