Нейтронный метод

 

Содержание

 

 

Введение

 

Нейтрон-нейтронный метод - исследование интенсивности вторичного излучения, возникающего при облучении нейтронами горных пород. Используется для выделения в разрезе водосодержащих и нефтесодержащих пород.

Нейтрон-нейтронный каротаж основан на облучении горных пород быстрыми нейтронами от источника и регистрации нейтронов по разрезу скважины, которые в результате взаимодействия с породообразующими элементами замедляются.

Регистрируемая интенсивность тепловых нейтронов зависит от замедляющей и поглощающей способности горной породы. Наибольшая потеря энергии нейтрона наблюдается при соударении с ядром, имеющего массу равную единице, т.е. с ядром водорода. Таким образом по данным ННКТ можно определять водородосодержание горных пород, которое для пластов-коллекторов напрямую связано с пористостью.

Нейтрон-нейтронный каротаж в комплексе методов общих исследований применяется при решении следующих задач:

литостратиграфическое расчленение разрезов с возможностью построения детальной литостратиграфической колонки;

выделение проницаемых пластов и покрышек (установление их толщин, строения по однородности);

предварительное выделение нефтегазонасыщенных пластов и оценка характера насыщения коллекторов;

определение пористости горных пород;

 

1. Общая характеристика нейтронных методов

 

При облучении горных пород нейтронами эти частицы, лишенные электрических зарядов, свободно проникают сквозь электронные оболочки и взаимодействуют непосредственно с ядрами атомов. Взаимодействие нейтронов с ядром управляется ядерными силами, которые проявляются при каждом столкновении нейтрона с ядром. Действие ядерных сил может привести к рассеянию и поглощению нейтронов, причем поглощение сопровождается разнообразными ядерными реакциями. Исследуя рассеяние и поглощение нейтронов, можно идентифицировать химические элементы, на ядрах которых протекают эти процессы, что и используется в нейтронных методах каротажа.

Вероятность взаимодействия нейтронов с ядрами определенного сорта характеризуется полным нейтронным сечением σ, равным сумме сечений рассеяния σ_р и поглощения σ_п нейтронов:

 

σ (Е) = σ_р (Е) + σ_п (Е) (1)

 

Полное сечение а измеряется в барнах и представляет собой эффективную площадь ядра, которая обычно больше его геометрического сечения. Для быстрых нейтронов, например, σ ≈ 2πr², где r - радиус ядра, зависимость сечений от энергии Е нейтронов может быть очень сложной. Кроме того, сечения зависят и от сорта ядер. При данной энергии для одних ядер преобладает рассеяние, а для других - поглощение нейтронов.

Основным процессом взаимодействия быстрых нейтронов (с Е>0,1 МэВ) с ядрами является рассеяние, которое может быть упругим и неупругим. При неупругом рассеянии нейтрон может возбудить ядро. Это возбуждение снимается путем испускания γ-излучения. Ядерная реакция неупругого рассеяния записывается в виде (n, n', γ). При рассеянии нейтроны теряют энергию, т.е. замедляются. Когда энергия нейтронов станет меньше 0,1 МэВ, неупругое рассеяние практически прекращается, и дальнейшее замедление нейтронов происходит путем упругих столкновений.

Сечение поглощения увеличивается с уменьшением энергии нейтронов. Это легко понять, если учесть, что медленный нейтрон может сравнительно долго находиться вблизи ядра. Поэтому возрастает вероятность захвата нейтрона ядром под действием ядерных сил.

Реакция радиационного захвата (n, γ) наиболее типична для полностью замедлившихся нейтронов. Энергия их соизмерима с энергией теплового движения атомов и молекул. Такие нейтроны называют тепловыми. Средняя энергия тепловых нейтронов при температуре 20°С составляет 0,025 эВ. Тепловые нейтроны вызывают реакцию (n, γ) на ядрах всех элементов, за исключением гелия.

В надтепловой области, т.е. в диапазоне энергий от долей и до нескольких сотен электронвольт, сечения поглощения для ряда элементов характеризуются наличием резонансов. Это означает резкое увеличение вероятности реакции (n, γ) для нейтронов с энергией, совпадающей с максимумами на кривой σ_п (Е). Такие нейтроны называют резонансными.

Величины σ_р и σ_п в формуле (1) относятся к единичному ядру, поэтому их часто называют микроскопическими сечениями. На практике обычно пользуются макроскопическими нейтронными сечениями Σ, которые измеряются в сантиметрах в минус первой степени и учитывают общее количество N атрмов данного сорта в кубическом сантиметре вещества:

Σ_{р (п) (}E) = σ_{р (п) (}Е) N (2)

Соответственно полное макроскопическое сечение будет равно

Σ (Е) = Σ _p (E) + Σ _п (Е) (3)

Полное макроскопическое сечение горной породы легко вычислить, если известен ее химический состав:

Σ (Е) = Σ_i σ_i (Е) N_i, (4)

где σ_i (E) - полное макроскопическое сечение для ядер i-copта; N_i - количество i-ядер в 1 см3, причем суммирование ведется по всем химическим элементам и их изотопам.

Необходимо отметить, что нейтронные сечения, в особенности сечение поглощения, для разных элементов периодической таблицы варьируют в широких пределах. Поэтому некоторые элементы, даже при ничтожном содержании их в породе, могут вносить в Σ значительный вклад. К элементам с аномально большими сечениями поглощения относятся ртуть, бор, кадмий и многие редкие земли.

Выше уже говорилось, что при облучении горной породы потоком быстрых нейтронов потери энергии при рассеянии приводят к замедлению нейтронов. Для большинства горных пород длина замедления в основном зависит от содержания водорода.

 

 

 

2. Схема нейтронных методов

Взаимное расположение в скважинном приборе источника нейтронов и детекторов, используемых в нейтронных методах каротажа, показано на рис.1. Измерения в нейтронных методах обычно производят в геометрии 4π, и нейтронное облако вокруг скважины и вызываемые им гамма-поля обладают осевой симметрией. Пунктирные траектории нейтронов, иллюстрирующие процессы взаимодействия и ядерные реакции, идущие на быстрых и медленных нейтронах, показаны на рисунке условно.

 

Рис.1. Схема взаимодействия нейтронов с веществом и ядерных реакций, используемых в нейтронных методах каротажа.

 

При осуществлении какого-либо конкретного метода в скважинном приборе обычно применяются не разнотипные детекторы γ-квантов (2а, 2г) или нейтронов (26, 2в), а один или несколько однотипных детекторов, рассчитанных на регистрацию только одного вида излучения.

В большинстве нейтронных методов каротажа используются радиоизотопные полониево-бериллиевые источники, испускающие быстрые нейтроны с энергией ~4 МэВ. Между детекторами 2 и источником 10 располагается экран 11 из парафина и свинца, защищающий детектор от воздействия прямого нейтронного и γ-излучения источника.

В зависимости от регистрируемого детектором излучения нейтронные методы каротажа можно подразделить на собственно нейтронные методы, в которых измеряется плотность потока нейтронов в горных породах, и нейтрон-гамма-методы, основанные на регистрации вторичного γ-излучения. К изучаемой нами группе принадлежит нейтрон-нейтронный каротаж по тепловым (ННК-Т) и надтепловым (ННК-НТ), в том числе и резонансным (ННК-Р), нейтронам.

3. Определение влажности грунтов и почв

 

Типичными приложениями ННК являются определения влажности горных пород и содержания в них элементов с аномально большими сечениями поглощения нейтронов. Определение влажности W, которая непосредственно связана с пористостью, позволяет с помощью ННК дифференцировать осадочные горные породы по диалогическим признакам, оценивать прочностные качества пород и, что особенно важно, изучать свойства пластов как коллекторов нефти и газа.

Изменение показаний ННК с увеличением влажности связано с различным геометрическим расположением облака замедлившихся и рассеянных нейтронов относительно детектора. При малой влажности в связи с небольшим содержанием в горной породе водорода, служащего наиболее эффективным рассеивателем нейтронов, средняя длина пробега их в среде велика, и нейтронное облако формируется на значительном удалении от детектора, которого достигает лишь небольшое число нейтронов. С увеличением водородосодержания благодаря уменьшению длины пробега λ, нейтронное облако постепенно приближается к детектору, чем и вызвано появление максимума на кривой I_ННК (w). При большой влажности облако нейтронов снова удаляется от детектора, теперь уже приближаясь к источнику, и показания ННК уменьшаются.

Инверсия зависимости данных ННК от влажности характерна как для надтепловых, так и для тепловых нейтронов, поскольку плотности их в среде взаимосвязаны. На плотность тепловых нейтронов сильнее влияют вещественный состав пород и минерализация пластовых вод. Однако чувствительность ННК-Т выше, чем ННК-НТ. Поэтому определения влажности и пористости пластов с пресной водой ведут по ННК-Т, а пластов с минерализованной водой - по ННК-НТ.

Для перехода от ННК-Т к ННК-НТ достаточно окружить детектор нейтронов кадмиевым экраном, который полностью поглощает тепловые нейтроны. Надтепловые же нейтроны замедляются в этом экране до тепловых и регистрируются детектором.

Для измерения влажности используют ампульные источники нейтронов нескольких типов: Ро - Be, Pu - Be. В качестве детекторов в нейтронных влагомерах чаще всего используют пропорциональные борные счетчики, реже - сцинтилляционные счетчики медленных нейтронов.

Качество нейтронного влагомера определяется следующими показателями, связанными с эталонировочным графиком: высокой скоростью счета, низким фоном в точке m = 0, линейным характером графика в широком диапазоне влажности.

Промышленные образцы нейтронных влагомеров обычно работают по ННМ-Т. Отказ от использования надтепловых нейтронов объясняют потерей в скорости счета из-за низкой эффективности детекторов.

Влияние вещественного состава и плотности. Рассмотрим применение нейтрон-нейтронного каротажа для определения элементов с большим сечением поглощения нейтронов. В данном случае для уменьшения влияния водородосодержания выгодно применять инверсионные зонды.

В почвогрунтах могут присутствовать следующие элементы с высокими сечениями захвата - бор, хлор, марганец, железо, калий. Увеличение концентрации поглощающих элементов приводит к снижению скорости счета тепловых нейтронов и к погрешности в определении m.

Характерным примером элементов с большим σ_п служит бор, поглощающий нейтроны по реакции (n, а). Одной из проблем, которую приходится решать при разведке месторождений боратов, является определение больших содержаний бора. Сечение поглощения нейтронов бором, а следовательно, и чувствительность нейтронной борометрии настолько велики, что ННК-Т практически не позволяет различать содержания бора выше 1,5 %. Поэтому большие содержания В определяются с помощью ННК-НТ. Сечение реакции σ (n, α) убывает с увеличением энергии нейтронов как 1/v, и градуировочный график ННК-НТ линеен в существенно большем диапазоне содержаний В, чем график ННК-Т.

Плотность грунта. Нейтронное поле зависит от плотности среды так же, как γ-поле. В частности, скорость счета, измеренная доинверсионным зондом, растет с увеличением плотности. При изучении влажности грунтов в условиях неполного влагонасыщения результаты измерений будут зависеть от плотности скелета грунта.

Если погрешность измерения влажности принять равной ∆m = 0,005, то допустимые колебания плотности скелета грунта составят ∆ρ_c = 0,02-0,05 г/см³. При значительных колебаниях плотности грунта в измерения влажности следует вносить поправку. Целесообразно сочетать измерения влажности ННМ с измерениями плотности ГГМ-П.

Глубинность исследований. Под глубинностью исследований ННМ обычно понимают радиус r_0,9 цилиндрического слоя, из которого поступает к детектору 90% нейтронов. Установлены следующие закономерности.

Глубинность связана с длиной замедления нейтронов. Для зондов небольшой длины (R = 0-25 см)

r_0,9 = 2,1 L, (5)

где L - длина замедления. С увеличением длины зонда глубинность меняется незначительно. Анализ пространственного распределения надтепловых нейтронов показывает, что максимальное число нейтронов находится в сферическом слое, удаленном от источника на расстояние около 2 ρL.

Поскольку и длина замедления, и длина диффузии существенно уменьшаются с ростом влажности, глубинность ННМ определяется главным образом влажностью среды. Кроме того, глубинность, выраженная в линейных единицах, уменьшается пропорционально росту плотности среды.

Влияние промежуточной зоны. Обычно измерения влажности грунтов выполняют в обсаженных скважинах малого диаметра. В этом случае на результаты измерений будут влиять диаметр обсадной трубы, характер заполнения скважины (вода, воздух), толщина и материал обсадной трубы, каверны в затрубном пространстве и их заполнение. При поверхностных измерениях влияют неровности исследуемого участка.

Для ННМ решающее значение имеет различие не столько плотностей, сколько нейтронных параметров промежуточной зоны и основной среды. Увеличение водородсодержания или концентрации поглощающих нейтроны элементов в промежуточной зоне резко изменяет скорость счета и характер эталонировочного графика. При увеличении диаметра заполненной воздухом скважины чувствительность нейтронного влагомера уменьшается. Заполнение скважины водой значительно увеличивает эффект. Обсадные дюралюминиевые трубы практически не влияют на скорость счета.

 

4. Анализ на нейтронопоглощающие элементы

 

Использование ННМ для анализа на элементы с высокими сечениями захвата медленных нейтронов (редкоземельные элементы, бор и др.) относится к числу первых исследований в области ядерной геофизики. К настоящему времени наиболее полно разработаны вопросы анализа на бор. Кроме того, ННМ применяют для изучения руд марганца, редкоземельных элементов, ртути, лития и др.

Поле тепловых и надтепловых нейтронов затухает в доинверсионной и заинверсионной областях при увеличении концентрации в среде нейтронопоглощающих элементов. Рассмотрим более подробно некоторые закономерности.