Физические основы ядерно-магнитного каротажа

Проявление поляризации

Ядерно-магнитный каротаж основан на взаимодействии магнитных свойств ядер химических элементов скважинной среды и внешнего магнитного поля, создаваемого скважинным прибором.

Ядра элементов состоят из протонов и нейтронов, которые характеризуются некоторыми общими физическими параметрами, и поэтому называются одним определением - нуклоны.

Распределение и расположение нуклонов в ядре определяют величины механического, электрического и магнитного моментов.

Собственный механический момент ядра (S - спин) - момент вращения частицы вокруг своей оси. Для элементарных частиц электрический момент ядра Q. Расположение заряженных частиц в ядре не обладает сферической симметрией. (При симметрии Q = 0).

Магнитный момент ядра - М обусловлен определенным направлением токов внутри ядра при движении нуклонов и отсутствием симметрии в распределении собственных магнитных моментов. При Q = 0, М ? 0.

Из всех элементов скважинной среды водород обладает наибольшим магнитным моментом (М=2,8 магнетонов) и максимальным гидромагнитным отношением (г=М/S). Ядра водорода свободной жидкости ориентированы в направлении магнитного поля Земли (H3). Если в скважине создать сильное постороннее магнитное поле (поляризацию НП), то оно изменит ориентацию ядер. Это явление называют ядерной намагниченностью.

Магнитные моменты совершают сложное вращательное движение. Ядра вращаются вокруг своей оси, а ось тоже совершает свое вращательное движение. Такое сложное движение называется прецессией. Оно подобно вращению волчка в детской игре.

В скважинном приборе ЯМК основной частью является катушка индуктивности, которая выполняет двойную функцию.

При включении катушки в цепь постоянного тока она создает сильное магнитное поле (поляризация НП), которое изменяет ориентацию ядер свободной жидкости. Ядра атомов не свободной жидкости (связанная вода, пленка смачивания и субкапиллярная жидкость) на это возмущение не реагируют. Поэтому определяется часть пористости, занятая свободной, подвижной жидкостью. А это и есть эффективная пористость.

При выключении тока подмагничивания ядра водорода возвращаются в исходное положение ориентации в магнитном поле Земли (НЗ). Это меняющееся магнитное поле наводит ЭДС в скважинной среде, которая фиксируется той же катушкой. В скважинном приборе ЯМК происходит периодическое переключение катушки с частотой 1 Гц на излучение магнитной напряженности и на прием ЭДС индукции. Этим переключением управляет электронный коммутатор.

Частота прецессии равна собственной резонансной частоте водорода (Ларморова частота f = 2 кГц). Процессы возмущения и возврата - инерционные. Процесс установления равновесного состояния магнитных моментов называется ядерной магнитной релаксацией. Часть периода, соответствующая созданию искусственного магнитного поля называют продольной релаксацией (Т1). Другая часть, соответствующая возврату в исходное состояние поля Земли, называется поперечной релаксацией (Т2).

Релаксация в ЯМК

Образующаяся ЭДС при Т₂ имеет затухающий характер - экспонента.

Степень затухания ЭДС для различных сред разная. Метод ЯМК основан на регистрации скорости затухания ЭДС по стволу скважины. Величина ЭДС определяется числом свободных протонов в единице объема (ядра водорода).

Скважинный прибор перемещается по стволу скважины непрерывно со скоростью 100 - 300 м/час с задержкой регистрации 30 мс.

Кривая ЭДС калибруется в условных единицах ИСФ (индекс свободного флюида). Этот параметр характеризует процент объема пор, занятых свободными флюидами (эффективную пористость). При значении ИСФ > 6% можно ожидать приток жидкости из пласта. При значениях ИСФ более 10% проводятся детальные исследования с определением скорости продольной релаксации ф₁ с целью определения характера насыщения пласта - коллектора. При ф₁ < 300 мс пласт считается водоносным, при ф₁ > 300 мс - нефтеносным, а если ф₁ > 600 мс, то это признак высоковязкой нефти.

В ЯМК фиксируется сигнал свободной процессии (ССП). Этот сигнал имеет характер затухающей экспоненты. ИСФ определяется по начальной амплитуде сигнала - U₀.

Максимум сигнала зафиксировать не удается, т.к. после окончания продольной релаксации Т₁ действуют гистерезисные явления намагничивающего поля. Поэтому U₀ определяется расчетным методом по трем мгновенным значениям экспоненты U₁, U₂, U₃, отмечаемым в соответствующие значения времени t₁, t₂, t₃.

Аналогично можно рассчитать U0 по двум другим промежуточным сигналам U1 и U3.

Амплитуды сигналов ЯМК

На диаграмму ЯМК записываются три идентичные кривые с разными амплитудами (U₁,U₂,U₃).

Кривые ЯМК симметричны относительно середины однородных пластов. Максимум совпадает с серединой пласта. Границы пластов отбиваются в точках, соответствующих половине максимального значения амплитуды.

Аппаратура для измерения эффектов ЯМК в магнитом поле Земли позволяет выделять коллекторы, определять ИСФ и время продольной релаксации - решить те задачи, которые стандартным комплексом ГИС не решаются. ЯМК не вошел в стандартный комплекс ГИС по ряду причин:

1. сильное влияние скважин,

2. низкое отношение сигнала к шуму,

3. большое мертвое время,

4. сложность калибровки аппаратуры.

Исследования в сильных полях постоянных магнитов создают новые возможности исследований.

Релаксация жидкости в поровом пространстве происходит с разной скоростью в зависимости от размеров пор, свойств поверхностей воды и вязкой жидкости. Поэтому огибающая импульсной последовательности является суммой отдельных экспонент пор разных размеров или вида флюида (В, Н, Г).

Параметры аппаратуры ЯМК поддерживаются путем калибровки и компенсации влияния окружающей среды. Калибровка проводится в стационарных устройствах, заполненных водой. Модели соответствуют 100% пористости и водородному индексу, равному 1. Настройка на частоту прецессии проводится трижды: перед основным и повторным замерами и после окончания каротажа.

При интерпретации данных ЯМК в значение U₀ вводят поправки влияния скважины, глинистой корки, угла наклона скважины. Эти поправки определяются по палеткам и номограммам.

В интервале 2004-2026 м. выделен пласт коллектор по ПС. По низким показаниям КС пласт - водоносный. По методу ЯМК отмечается подвижность флюида в данном интервале.

Радиоактивные методы

Физические основы радиометрии:

Радиоактивность - это свойство атомных ядер переходить из одного энергетического состояния в другое, более устойчивое.

Радиоактивность бывает естественная и искусственная.

Естественная - процесс самопроизвольного распада ядер атомов с испусканием a, b, g - лучей.

Искусственная - распад ядер атомов при их бомбардировке элементарными частицами (протоны, нейтроны).

Радиоактивный распад происходит по экспоненциальному закону:

Здесь l - постоянная распада, характеризующая скорость распада, N0 - начальное число ядер,

N - число ядер, не распавшихся за время t. t - время жизни ядра, Т - период полураспада. За единицу радиоактивности принято кюри. 1 Си = 3,7.10 10 расп/сек (как в 1 г радия).

В практике ядерной геологии используется единица (на 1 г породы).

Численно это единица равна суммарной концентрации радиоактивных элементов, при которой в породе происходит за 1 сек столько же распадов, сколько и в 1 г Ra. Из всех видов радиоактивных излучений для исследования разрезов скважин используются g - лучи. Количественная оценка воздействия g - излучений на среду проводится по эффекту ионизации. Доза g - излучения - рентген. Мощность дозы - рентген/час.1R - доза, при которой в 1 см3 воздуха образуется 2.109 пар ионов.

Интенсивность (мощность дозы) естественного g - излучения в скважинных условиях оценивается в мкR/час.