Физические основы

При НК исследования ведутся с помощью скважинного прибора, содержащего источник нейтронов и детектор нейтронов или гамма-излучений (см. рис. 1).

Рис. 1. Схема установок радиоактивного каротажа. а-для гамма каротажа; б-для гамма-гамма-каротажа; в-для нейтронный гамма-каротаж; г-для НКН. 1-стальной экран; 2-свинцовый экран; 3-парафин; L-длина зонда. I-точка записи результатов измерений; II-индикатор гамма излучения; III-источник гамма излучения; IV-индикатор плотности нейтронов; V-источник нейтронов

Нейтроны не имеют электрического заряда, не ионизируют среду и, следовательно, не теряют энергии при взаимодействии с электрическими зарядами электронов и ядер. Этим объясняется их высокая проникающая способность. Масса нейтрона близка к массе протона (1,66×10^-24 г). Нейтрон - частица с массовым числом, равным единице, и с зарядом, равным нулю (n⁰).

Энергия нейтрона Е так же, как и гамма-излучение, измеряется в МэВ или в эВ, характеризуется скоростью его движения v и пропорциональна v²: Различают быстрые нейтроны с энергией 1-15 МэВ, промежуточные - 1 МэВ - 10 эВ, медленные или надтепловые - 10-0,1 эВ и тепловые нейтроны со средней скоростью 0,025 эВ.

Единственный фактор, влияющий на движение нейтронов, их столкновение с ядрами атомов, которое проявляется в виде рассеяния нейтронов и захвата их ядрами атомов. В результате рассеяния происходят уменьшение энергии нейтронов и изменение направления его движения.

Различают неупругое и упругое рассеяние нейтронов. В случае неупругого рассеяния при столкновении нейтрона с ядром атома большая часть кинетической энергии расходуется на возбуждение рассеивающего ядра, что сопровождается значительным снижением энергии (скорости движения) нейтронов. Неупругое рассеяние происходит при больших энергиях нейтронов и характерно для быстрых нейтронов.

При энергиях нейтронов от нескольких мегаэлектронвольт до 0,1 эВ преобладает упругое рассеяние, играющее основную роль в процессе замедления нейтронов. Упругое рассеяние вызывает перераспределение кинетической энергии между нейтроном и ядром (часть энергии нейтрона передается ядру), отклонение движения нейтрона от первоначального направления и снижение его энергии. Величина потери энергии при упругом рассеянии определяется массой ядра: чем меньше масса ядра, тем больше потеря энергии. Наибольшая потеря энергии происходит при столкновении нейтрона с ядром атома водорода, масса которого почти равна массе нейтрона. Потеря энергии нейтроном в этом случае может быть полной. Средняя потеря энергии составляет половину начальной энергии. Следовательно, после i столкновений энергия нейтронов снизится до 0,5ⁱ от его начальной энергии.

В результате рассеяния быстрых нейтронов, испускаемых источником, происходит их замедление и превращение в надтепловые и тепловые, т. е. в конечном счете энергия нейтронов становится равной кинетической энергии атомов и молекул. Такие нейтроны, участвуют в тепловом движении атомов и молекул, сталкиваются с ними, не теряя и не приобретая энергии. Этот процесс получил название диффузии нейтронов.

В горной породе замедляющая способность нейтронов определяется содержанием водорода в единице ее объема (водородосодержанием). Наличие в породе даже малого количества воды или нефти, содержащих много водорода (порядка 10 % по массе), приводит к тому, что замедление нейтронов происходит в основном на ядрах водорода.

Одним из основных нейтронных параметров среды является длина замедления нейтронов L_s. Длиной замедления называют среднее расстояние по прямой линии от места вылета нейтрона до точки, в которой нейтрон становится тепловым. Величина L_s зависит от водородосодержания и при содержании воды и нефти в порах породы изменяется от 15 до 35 см, а в воде составляет несколько сантиметров.

Нейтроны, достигшие теплового состояния, продолжают двигаться (диффундировать) из областей большей плотности в области пониженной плотности, испытывая столкновения с ядрами элементов без изменения средней энергии и длины звеньев между отдельными столкновениями. В результате происходит поглощение (захват) нейтрона ядром атома. Скорость пространственной диффузии тепловых нейтронов характеризуется коэффициентом

где v_т скорость движения тепловых нейтронов, равная 2200 м/с при Т=20°С, с увеличением температуры скорость возрастает; k —число элементов, составляющих вещество; σ_pi —сечение рассеяния тепловых нейтронов ядрами i-гo элемента в см², отражает вероятность встречи нейтронов с ядром элемента и их рассеяния; z_i —количество ядер i-ro элемента в 1 см^з.

Коэффициент диффузии обратно пропорционален содержанию водорода в среде. Чем больше водонасыщенность среды, тем медленнее «расползается» облако тепловых нейтронов (диффузия происходит в течение 10²-10⁴ мкс).

Для диффузионной фазы движения тепловых нейтронов характерны величины L_d —среднее расстояние от точки возникновения теплового нейтрона до точки его поглощения и τ_cp —среднее время жизни нейтрона:

где - эффективное макроскопическое сечение захвата нейтронов, выражающее способность среды поглощать нейтроны.

Захват медленного нейтрона сопровождается испусканием и квантов (радиационный захват), являющимся основной причиной вторичного гамма-излучения. Энергия γ-лучей захвата колеблется в больших пределах и достигает 10 МэВ. Возникают γ -лучи захвата в водородсодержащей среде в результате реакции, . При захвате нейтронов в ядре создается некоторый избыток энергии, и оно приходит в возбужденное состояние. Переход в устойчивое состояние сопровождается испусканием γ-квантов, число и энергия которых зависит от того, какому элементу (и какому его изотопу) соответствует ядро.

С удалением от источника плотность нейтронов (число нейтронов в единице объема) в среде уменьшается, и одновременно возрастает число нейтронов с меньшей энергией. Значительный интерес представляет характер изменения плотности надтепловых и тепловых нейтронов с изменением расстояния от источника. Плотность нейтронов зависит от замедляющих и поглощающих свойств среды. Для большинства горных пород поглощающие и замедляющие свойства определяются водородосодержанием. Следовательно, чем выше водородосодержание, тем быстрее убывает плотность нейтронов с удалением от источника.

Из рис. 2 видно, что с удалением от источника плотность тепловых нейтронов n_т быстро убывает; при повышении пористости (в данном случае водородосодержания) плотность нейтронов уменьшается более резко. Для надтепловых нейтронов картина аналогична, но значения плотности нейтронов меньшие.

Рис. 2. Изменение плотности тепловых нейтронов от расстояния до источника для однородной среды (песчаника различной пористости). Зоны: 1-малых расстояний, 2-пересечения кривых (зона инверсии), 3-больших расстояний, соответствующих обычно длинам применяемых зондов

Изучение разреза методами НК сводится к облучению горных пород быстрыми нейтронами и к регистрации гамма-излучения радиационного захвата нейтронов, плотности тепловых или надтепловых нейтронов. В соответствии с этим различают: нейтронный гамма-каротаж (НГК), нейтрон-нейтронный каротаж по тепловым (ННКТ) и по надтепловым (ННКН) нейтронам.

В зависимости от применяемых нейтронных источников различают: нейтронный каротаж со стационарным источником нейтронов и импульсный нейтронный каротаж (ИНК) с импульсным нейтронным источником - генератором нейтронов. К НК со стационарными источниками нейтронов относятся: НГК, ННКТ, ННКН. Скважинные приборы, которые используются при НК, содержат нейтронный источник и детекторы гамма-излучения при НГК и тепловых нейтронов при ННКТ и ННКН. Расстояние от источника нейтронов до середины детектора является характерной величиной, соответствующей длине зонда L.

НЕЙТРОННЫЙ ГАММА-КАРОТАЖ (НГК)

Рис. 3. Расчленение разреза по водородосодержанию пород по диграм-

мам ГК, НГК и электрометрии: 1 – песчаник нефтеносный; 2 – глина;

3 – известняк глинистый; 4 – известняк; 5 – алевролит глинистый;

6 – точки, соответствующие границам пластов на кривых ГИС

Рис. 4. Сопоставление кривых радиоактивного каротажа:

1 – глина; 2 – известняк плотный; 3 – песчаник;

4 – известняк глинистый; 5 – аргиллит; 6 – алевролит

На результаты НГК значительное влияние оказывают также элементы, обладающие аномально высокой способностью захвата тепловых нейтронов: хлор, бор, литий, кадмий, кобальт и др. Из них наиболее широко распространенным в осадочной толще является хлор. При захвате нейтрона ядром атома водорода испускается γ-квант энергией 3,57×10^-13 Дж; при захвате нейтронов ядром хлора испускается в среднем 2,37 γ-кванта высокой энергией 13,62×10^-13 Дж.

По нейтронным свойствам осадочные горные породы можно разделить на две группы – большого и малого водородосодержания.

К первой группе пород относятся глины, характеризующиеся высокой влагоемкостью (пористостью) и содержащие значительное количество минералов с химически связанной водой (водные алюмосиликаты), гипсы, отличающиеся малой пористостью, но содержащие химически связанную воду, а также некоторые очень пористые и проницаемые песчаники и карбонатные породы, насыщенные в естественных условиях жидкостью. При измерениях большими зондами (Lз ≥ 40 см) на диаграммах НГК эти породы отмечаются низкими показаниями.

Во вторую группу пород входят малопористые разности – плотные известняки и доломиты, сцементированные песчаники и алевролиты, а также гидрохимические образования (ангидриты, каменная соль). На диаграммах НГК, зарегистрированных большими зондами, эти породы выделяются высокими показаниями. Против других осадочных пород (песков, песчаников, пористых карбонатов) показания НГК зависят от их глинистости и содержания в них водорода (насыщенности водой, нефтью или газом).

Нефть и вода содержат почти одинаковое количество водорода, поэтому нефтеносные и водоносные пласты с малым содержанием хлора отмечаются приблизительно одинаковыми значениями НГК. Газоносные пласты в обсаженной скважине отмечаются на кривой НГК более высокими показаниями, чем такие же по литологии и пористости пласты, заполненные нефтью или водой, т. к. газ, имеющий низкую плотность, отмечается меньшим водородосодержанием. В необсаженной скважине из - за проникновения фильтрата промывочной жидкости в пласт и малой глубинности метода (40–60 см) выделение газоносных пластов по кривой НГК в общем случае затрудняется.