Содержание
Введение
1. Общая характеристика нейтронных методов
2. Схема нейтронных методов
3. Определение влажности грунтов и почв
4. Изучение пористости горных пород
5. Анализ на нейтронопоглощающие элементы
Заключение
Список литературы
/>Введение
Нейтрон-нейтронный метод — исследование интенсивности вторичногоизлучения, возникающего при облучении нейтронами горных пород. Используется длявыделения в разрезе водосодержащих и нефтесодержащих пород.
Нейтрон-нейтронный каротаж основан на облучении горных породбыстрыми нейтронами от источника и регистрации нейтронов по разрезу скважины, которыев результате взаимодействия с породообразующими элементами замедляются.
Регистрируемая интенсивность тепловых нейтронов зависит от замедляющейи поглощающей способности горной породы. Наибольшая потеря энергии нейтрона наблюдаетсяпри соударении с ядром, имеющего массу равную единице, т.е. с ядром водорода. Такимобразом по данным ННКТ можно определять водородосодержание горных пород, котороедля пластов-коллекторов напрямую связано с пористостью.
Нейтрон-нейтронный каротаж в комплексе методов общих исследованийприменяется при решении следующих задач:
литостратиграфическое расчленение разрезов с возможностью построениядетальной литостратиграфической колонки;
выделение проницаемых пластов и покрышек (установление их толщин,строения по однородности);
предварительное выделение нефтегазонасыщенных пластов и оценкахарактера насыщения коллекторов;
определение пористости горных пород;
/>1. Общая характеристиканейтронных методов
При облучении горных пород нейтронами эти частицы, лишенные электрическихзарядов, свободно проникают сквозь электронные оболочки и взаимодействуют непосредственнос ядрами атомов. Взаимодействие нейтронов с ядром управляется ядерными силами, которыепроявляются при каждом столкновении нейтрона с ядром. Действие ядерных сил можетпривести к рассеянию и поглощению нейтронов, причем поглощение сопровождается разнообразнымиядерными реакциями. Исследуя рассеяние и поглощение нейтронов, можно идентифицироватьхимические элементы, на ядрах которых протекают эти процессы, что и используетсяв нейтронных методах каротажа.
Вероятность взаимодействия нейтронов с ядрами определенного сортахарактеризуется полным нейтронным сечением σ, равным сумме сечений рассеянияσр и поглощения σп нейтронов:
σ (Е) = σр (Е) + σп (Е)(1)
Полное сечение а измеряется в барнах и представляет собой эффективнуюплощадь ядра, которая обычно больше его геометрического сечения. Для быстрых нейтронов,например, σ ≈ 2πr2, где r — радиусядра, зависимость сечений от энергии Е нейтронов может быть очень сложной. Крометого, сечения зависят и от сорта ядер. При данной энергии для одних ядер преобладаетрассеяние, а для других — поглощение нейтронов.
Основным процессом взаимодействия быстрых нейтронов (с Е>0,1МэВ) с ядрами является рассеяние, которое может быть упругим и неупругим. При неупругомрассеянии нейтрон может возбудить ядро. Это возбуждение снимается путем испусканияγ-излучения. Ядерная реакция неупругого рассеяния записывается в виде (n, n’, γ). При рассеянии нейтронытеряют энергию, т.е. замедляются. Когда энергия нейтронов станет меньше 0,1 МэВ,неупругое рассеяние практически прекращается, и дальнейшее замедление нейтроновпроисходит путем упругих столкновений.
Сечение поглощения увеличивается с уменьшением энергии нейтронов.Это легко понять, если учесть, что медленный нейтрон может сравнительно долго находитьсявблизи ядра. Поэтому возрастает вероятность захвата нейтрона ядром под действиемядерных сил.
Реакция радиационного захвата (n, γ) наиболее типична дляполностью замедлившихся нейтронов. Энергия их соизмерима с энергией теплового движенияатомов и молекул. Такие нейтроны называют тепловыми. Средняя энергия тепловых нейтроновпри 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 донескольких сотен электронвольт, сечения поглощения для ряда элементов характеризуютсяналичием резонансов. Это означает резкое увеличение вероятности реакции (n, γ) для нейтронов с энергией, совпадающей с максимумамина кривой σп (Е). Такие нейтроны называют резонансными.
Величины σр и σп в формуле (1)относятся к единичному ядру, поэтому их часто называют микроскопическими сечениями.На практике обычно пользуются макроскопическими нейтронными сечениями Σ, которыеизмеряются в сантиметрах в минус первой степени и учитывают общее количество N атрмовданного сорта в кубическом сантиметре вещества:
Σр (п) (E) = σр(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) = Σi σi (Е) Ni, (4)
где σi (E) — полное макроскопическое сечениедля ядер i-copта; Ni — количество i-ядер в 1см3, причем суммирование ведется по всем химическим элементам и их изотопам.
Необходимо отметить, что нейтронные сечения, в особенности сечениепоглощения, для разных элементов периодической таблицы варьируют в широких пределах.Поэтому некоторые элементы, даже при ничтожном содержании их в породе, могут вноситьв Σ значительный вклад. К элементам с аномально большими сечениями поглощенияотносятся ртуть, бор, кадмий и многие редкие земли.
Выше уже говорилось, что при облучении горной породы потокомбыстрых 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 источниканейтронов и детекторов, используемых в нейтронных методах каротажа, показано нарис.1. Измерения в нейтронных методах обычно производят в геометрии 4π, инейтронное облако вокруг скважины и вызываемыеим гамма-поляобладают осевой симметрией. Пунктирные траектории нейтронов, иллюстрирующиепроцессы взаимодействия и ядерные реакции, идущие на быстрых и медленныхнейтронах, показаны на рисунке условно.
/>
Рис.1.Схема взаимодействия нейтронов с веществом и ядерных реакций, используемых в нейтронныхметодах каротажа.
При осуществлении какого-либо конкретного метода в скважинномприборе обычно применяются не разнотипные детекторы γ-квантов (2а, 2г) илинейтронов (26, 2в), а один или несколько однотипных детекторов, рассчитанных нарегистрацию только одного вида излучения.
В большинстве нейтронных методов каротажа используются радиоизотопныеполониево-бериллиевые источники, испускающие быстрые нейтроны с энергией ~4 МэВ.Между детекторами 2и источником 10располагается экран 11 из парафинаи свинца, защищающий детектор от воздействия прямого нейтронного и γ-излученияисточника.
В зависимости от регистрируемого детектором излучения нейтронныеметоды каротажа можно подразделить на собственно нейтронные методы, в которых измеряетсяплотность потока нейтронов в горных породах, и нейтрон-гамма-методы, основанныена регистрации вторичного γ-излучения. К изучаемой нами группе принадлежитнейтрон-нейтронный каротаж по тепловым (ННК-Т) и надтепловым (ННК-НТ), в том числеи резонансным (ННК-Р), нейтронам./>3. Определение влажностигрунтов и почв
Типичными приложениями ННК являются определения влажности горныхпород и содержания в них элементов с аномально большими сечениями поглощения нейтронов.Определение влажности W, которая непосредственно связанас пористостью, позволяет с помощью ННК дифференцировать осадочные горные породыпо диалогическим признакам, оценивать прочностные качества пород и, что особенноважно, изучать свойства пластов как коллекторов нефти и газа.
Изменение показаний ННК с увеличением влажности связано с различнымгеометрическим расположением облака замедлившихся и рассеянных нейтронов относительнодетектора. При малой влажности в связи с небольшим содержанием в горной породе водорода,служащего наиболее эффективным рассеивателем нейтронов, средняя длина пробега ихв среде велика, и нейтронное облако формируется на значительном удалении от детектора,которого достигает лишь небольшое число нейтронов. С увеличением водородосодержанияблагодаря уменьшению длины пробега λ, нейтронное облако постепенно приближаетсяк детектору, чем и вызвано появление максимума на кривой IННК(w). При большой влажности облако нейтронов снова удаляетсяот детектора, теперь уже приближаясь к источнику, и показания ННК уменьшаются.
Инверсия зависимости данных ННК от влажности характерна как длянадтепловых, так и для тепловых нейтронов, поскольку плотности их в среде взаимосвязаны.На плотность тепловых нейтронов сильнее влияют вещественный состав пород и минерализацияпластовых вод. Однако чувствительность ННК-Т выше, чем ННК-НТ. Поэтому определениявлажности и пористости пластов с пресной водой ведут по ННК-Т, а пластов с минерализованнойводой — по ННК-НТ.
Для перехода от ННК-Т к ННК-НТ достаточно окружить детектор нейтроновкадмиевым экраном, который полностью поглощает тепловые нейтроны. Надтепловые женейтроны замедляются в этом экране до тепловых и регистрируются детектором.
Для измерения влажности используют ампульные источники нейтроновнескольких типов: Ро — Be, Pu — Be. В качестве детекторов в нейтронных влагомерахчаще всего используют пропорциональные борные счетчики, реже — сцинтилляционныесчетчики медленных нейтронов.
Качество нейтронного влагомера определяется следующими показателями,связанными с эталонировочным графиком: высокой скоростью счета, низким фоном в точкеm = 0, линейным характером графика в широком диапазоне влажности.
Промышленные образцы нейтронных влагомеров обычно работают поННМ-Т. Отказ от использования надтепловых нейтронов объясняют потерей в скоростисчета из-за низкой эффективности детекторов.
Влияние вещественного состава и плотности. Рассмотримприменение нейтрон-нейтронного каротажа для определения элементов с большим сечениемпоглощения нейтронов. В данном случае для уменьшения влияния водородосодержаниявыгодно применять инверсионные зонды.
В почвогрунтах могут присутствовать следующие элементы с высокимисечениями захвата — бор, хлор, марганец, железо, калий. Увеличение концентрациипоглощающих элементов приводит к снижению скорости счета тепловых нейтронов и кпогрешности в определении m.
Характерным примером элементов с большим σпслужит 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, чтоННК-Т практически не позволяет различать содержания бора выше 1,5 %. Поэтому большиесодержания 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 большемдиапазоне содержаний В, чем график ННК-Т.
Плотность грунта. Нейтронное поле зависит от плотностисреды так же, как γ-поле. В частности, скорость счета, измеренная доинверсионнымзондом, растет с увеличением плотности. При изучении влажности грунтов в условияхнеполного влагонасыщения результаты измерений будут зависеть от плотности скелетагрунта.
Если погрешность измерения влажности принять равной ∆m= 0,005, то допустимые колебания плотности скелета грунта составят ∆ρc = 0,02-0,05 г/см3.При значительных колебаниях плотности грунта в измерения влажности следует вноситьпоправку. Целесообразно сочетать измерения влажности ННМ с измерениями плотностиГГМ-П.
Глубинность исследований. Под глубинностью исследованийННМ обычно понимают радиус r0,9 цилиндрическогослоя, из которого поступает к детектору 90% нейтронов. Установлены следующие закономерности.
Глубинность связана с длиной замедления нейтронов. Для зондовнебольшой длины (R = 0-25 см)
r0,9 = 2,1 L, (5)
где L — длина замедления. С увеличением длины зонда глубинностьменяется незначительно. Анализ пространственного распределения надтепловых нейтроновпоказывает, что максимальное число нейтронов находится в сферическом слое, удаленномот источника на расстояние около 2 ρL.
Поскольку и длина замедления, и длина диффузии существенно уменьшаютсяс ростом влажности, глубинность ННМ определяется главным образом влажностью среды.Кроме того, глубинность, выраженная в линейных единицах, уменьшается пропорциональноросту плотности среды.
Влияние промежуточной зоны. Обычно измерения влажностигрунтов выполняют в обсаженных скважинах малого диаметра. В этом случае на результатыизмерений будут влиять диаметр обсадной трубы, характер заполнения скважины (вода,воздух), толщина и материал обсадной трубы, каверны в затрубном пространстве и ихзаполнение. 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 водородсодержанияили концентрации поглощающих нейтроны элементов в промежуточной зоне резко изменяетскорость счета и характер эталонировочного графика. При увеличении диаметра заполненнойвоздухом скважины чувствительность нейтронного влагомера уменьшается. Заполнениескважины водой значительно увеличивает эффект. Обсадные дюралюминиевые трубы практическине влияют на скорость счета./>4. Изучение пористости горныхпород
Принципиальная возможность определения пористости пород с помощьюННМ основана на изменении водородсодержания вследствие уменьшения или увеличенияколичества заполняющих поры водородсодержащих жидкостей (воды, нефти) или газа(углеводорода). Подчиненный эффект вызывается изменением плотности породы.
Применение ННМ для определения коэффициентов пористости и газонасыщенностина нефтяных и газовых месторождениях имеет свои особенности. Используют только каротажныйвариант метода (ННК-Т и ННК-НТ).
Каротаж выполняют заинверсионными зондами длиной до 10-80 см в скважинах большого диаметра (150-300 мм), заполненных буровым раствором. /> /> /> /> /> /> /> /> />
/>
Рис.2. Связь между нейтронным полеми коэффициентом пористости
Если поры горной породы насыщены водой, коэффициент пористостиравен объемной влажности (kn = m). С увеличением пористости растет водородсодержаниеи уменьшается плотность. Для заинверсионного зонда увеличение влажности вызываетуменьшение потока нейтронов, а уменьшение плотности, наоборот, приводит к роступотока. Определяющим является влияние влажности, поэтому нейтронное поле затухает.
Как расчеты, так и многочисленные эксперименты показывают, чтов ограниченном диапазоне kп наблюдается линейная зависимость между потокомнейтронов и логарифмом коэффициента пористости:
N = a + b ln kп, (6)
где а и b — постоянные коэффициенты. Линейность нарушается вобласти малых значений пористости (kп 0,4-0,5).
/>
Рис.3. Зависимость поля тепловых нейтроновот пористости песчаников (аппаратура ДРСТ-1, зонд R = 50 см, Ро — Ве-источник): 1 — диаметр скважины dc= 22,5 см; 2 — dc = 25 см; 3 — dc = 22,5 см, обсадка d0= 16 см; 4 — dc = 25 см; d0= 16 см
В качестве примера на рис.3 показаны эталонировочные зависимостиННК-Т для песчаников.
Влияние параметров пласта. Нейтронное поле зависит нетолько от влажности (пористости), но и от вещественного состава породы, минералогическойплотности ρ0, характера и свойств заполнителя пор. Нефтяные и газовыеместорождения связаны с двумя основными типами разрезов — карбонатным, в которомколлекторами являются известняки, и терригенным (пористые песчаники, иногда песчано-глинистыеотложения). Песчаники, известняки и доломиты существенно различаются по нейтроннымсвойствам. При определении пористости эти различия приходится учитывать.
На определение пористости существенно влияет связанная вода такихпород, как глины, ангидрид. Для вычисления истинного значения коэффициента пористостинеобходимо вносить поправку на глинистость.
На нефтяных месторождениях поровое пространство коллекторов обычнозаполнено водой или нефтью. По замедляющим свойствам пресная вода и нефть практическине различаются, так как они имеют одинаковое содержание водорода.
Повышенная минерализация пластовых вод не влияет на результатыННК-НТ, но искажает коэффициент пористости. Этот эффект можно использовать для определенияхарактера заполняющей поры жидкости с помощью ННК-Т/>/>.
Аппаратура. В СССР для определения пористости методомННК использовалось два типа серийной каротажной аппаратуры — НГГК-62 и ДРСТ-1 (ДРСТ-3).
Аппаратура типа НГГК-62 — двухканальная па газоразрядных счетчиках.Для регистрации тепловых нейтронов счетчик окружают слоем кадмия толщиной 0,5 мм, а при регистрации надтепловых нейтронов — слоем парафина и кадмия. Зонд симметричного типа безприжимного устройства имеет длину 50 или 60 см. В качестве источника используется Ро — Ве-источник мощностью (2-6) 106 нейтр./с.
В двухканальной аппаратуре типа ДРСТ-1 для регистрации тепловыхи надтепловых нейтронов используют сцинтилляционные детекторы. Рекомендуемые длинызондов-50-60 см. Мощность источника нейтронов (2-4) 106 нейтр./с.
В зондах ННК пространство между источником и детектором занятопоглощающим нейтроны и γ-кванты экраном. Обычно используют свинцовые либо комбинированные(свинец + железо) экраны. Внешний диаметр зондового устройства равен 85-110 мм./>5. Анализ на нейтронопоглощающиеэлементы
Использование ННМ для анализа на элементы с высокими сечениямизахвата медленных нейтронов (редкоземельные элементы, бор и др.) относится к числупервых исследований в области ядерной геофизики. К настоящему времени наиболее полноразработаны/>/>/> 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 доинверсионнойи заинверсионной областях при увеличении концентрации в среде нейтронопоглощающихэлементов. Рассмотрим более подробно некоторые закономерности.
Влияние энергии регистрируемых нейтронов. Сечение захватауменьшается с ростом энергии нейтрона, и соответственно уменьшается чувствительностьнейтронного поля к содержанию нейтронопоглощающего элемента.
/>
Рис.4.Зависимость потока нейтронов с энергией Еп от концентрации бора (Ео = 2,45 МэВ)
На рис.4 показана зависимость потока нейтронов от концентрациибора при различной энергии регистрируемых нейтронов. В тепловой области чувствительностьмаксимальная при малых концентрациях бора; при увеличении содержания бора чувствительностьуменьшается.
По мере увеличения энергии нейтронов уменьшается чувствительностьк бору, но концентрационное вырождение наблюдается при более высоком содержаниибора.
Влияние влажности. В нейтронопоглощающей среде наблюдаетсяинверсия поля при увеличении влажности и плотности. Инверсионная область сдвигаетсяв сторону больших зондов при переходе к меньшим энергиям. Для одной и той же энергиинейтронов с увеличением концентрации нейтронопоглощающих элементов происходит расплываниезоны инверсии со сдвигом в сторону больших зондов. При уменьшении водородсодержаниянаблюдается возрастание чувствительности нейтронного ноля к поглощающим элементам.
/>Влияние длины зонда.При увеличении расстояния от источника до детектора (и соответственно толщиныпоглощающе-рассеивающей среды) происходят такие же изменения нейтронного поля, какпри уменьшении энергии нейтронов. Это объясняется смягчением спектра нейтронов помере удаления от источника.
Влияние заполнения скважины. Замена в скважине воздухана воду или буровой раствор существенно уменьшает чувствительность ННК к содержаниюнейтронопоглощающих элементов. Эта закономерность проявляется как в доинверсионной,так и в заинверсиошюй области. Заполнение скважины водой вызывает также смещениезоны инверсии в сторону меньшей длины зондов (по сравнению с сухой скважиной илиоднородной средой).
Методика и техника ННК. Для ННК на нейтронопоглощающиеэлементы обычно используют Ро-Ве-источники нейтронов и сцинтилляционпые детекторытепловых нейтронов. Разделительный экран между источником и детектором изготавливаютиз свинца, железа, парафина с бором.
1. Изучение руд бора. ННК успешно применяют на месторожденияхбора для выделения руд в разрезе. Основные помехи — кавернозность стенок скважини переменный диаметр. Количественные оценки содержания бора встречают значительныетрудности, связанные как с помехами, так и с концентрационным вырождением эталонировочногографика в области большого содержания. Задача до конца не решена, но экспериментальнооценена возможность количественного каротажа.
Следует отметить, что для анализа руд бора при содержании В2O3 свыше 0,3 г/см3 целесообразно переходить к регистрациинейтронов более высоких энергий 1-100 эВ.
2. Руды редкоземельных элементов. Для редких земель (основнойпоглощающий элемент — гадолиний) характерны большое сечение поглощения тепловыхнейтронов и сравнительно небольшое (такое же, как для пород) сечение поглощениянадтепловых нейтронов. При таком условии ННК-НТ характеризует главным образом изменениеводородсодержания, а сравнение ННК-Тс ННК-НТ дает возможность учестьпеременную влажность при выделении поглощающих элементов.
3. Руды ртути. Имеются благоприятные предпосылки использованияННК-Т для изучения руд ртути. Симметричный 4π-зонд ННК-Т длиной 31 см обеспечивает хорошую чувствительность и дифференциацию по содержанию ртути в широком диапазоне концентрации(0-10%).
Существенные затруднения возникают при изучении комплексных рудртути, содержащих сурьму, так как последняя имеет повышенное сечение захвата тепловыхнейтронов (σс = 5,5 б). Для анализа ртутно-сурьмяных руд успешносочетали ННК-Т и ГГК-С с одновременным определением двух элементов.
4. Другие элементы. Перспективы применения ННК-Т имеютсяпри изучении руд лития и марганца. При изучении руд лития возникают проблемы, аналогичныебору.
На месторождениях марганца ННК-Т применяют для выделения рудв разрезах скважин. Метод ННК-Т мало пригоден для количественного определения содержаниймарганца, так как переменное водородсодержание является серьезной помехой.
/>Заключение
В данной работе рассматривался нейтрон-нейтронный метод радиометрическойразведки, который заключается в исследовании интенсивности вторичного излучения,возникающего при облучении нейтронами горных пород.
Типичными приложениями ННМ являются определения влажности, пористостигорных пород и содержания в них элементов с аномально большими сечениями поглощениянейтронов. Определение влажности W, позволяет с помощьюННК дифференцировать осадочные горные породы по диалогическим признакам, оцениватьпрочностные качества пород и изучать свойства пластов как коллекторов нефти и газа.
Принципиальная возможность определения пористости пород с помощьюННМ основана на изменении водородсодержания вследствие уменьшения или увеличенияколичества заполняющих поры водородсодержащих жидкостей (воды, нефти) или газа(углеводорода).
Использование ННМ для анализа на элементы с высокими сечениямизахвата медленных нейтронов (редкоземельные элементы, бор и др.) относится к числупервых исследований в области ядерной геофизики. К настоящему времени наиболее полноразработаны/>/>/> вопросы анализа на бор.Для ННК на нейтронопоглощающие элементы обычно используют Ро-Ве-источники нейтронови сцинтилляционные детекторы тепловых нейтронов.
Список литературы
1. Мейер, Владимир Александрович. «Основы ядерной геофизики»: учебноепособие / 2-е изд., перераб. и доп. — Л.: Изд-во ЛГУ, 1985.
2. Арцыбашев, Владимир Александрович. «Ядерно-геофизическая разведка»:учебное пособие / 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Атомиздат, 1980.
3. Филиппов, Е.М. «Нейтрон-нейтронный и нейтронный гамма-методы в руднойгеофизике»: Новосибирск — Наука, 1972г.