6.3. Геометрия измерений. Доинверсные и заинверсные зонды.

Взаимное пространственное расположение источника, стенки скважи­ны и детектора излучения называют геометрией измерения. При геофизичес­ких исследованиях скважин наиболее широко распространены геометрия измерений 2π и 4 π, показанные на рисунке ниже.

Основной геометрической характеристикой зонда является его длина R, равная расстоянию между источником и детектором. В методе рассеян­но­го излуче­ния (геометрия «широкого пучка» 2π или 4 π) оптимальное R равно ρd = 40 ÷ 100 г/см² (в массовых едини­цах), так что в зависимости от плотнос­ти пород следует менять длину зонда R. Длина экрана должна быть такой, чтобы надежно защитить от прямого попадания на детектор излучения от источника (10 – 15 см свинца для гамма излучения).

Самой важной особенно­с­тью измерений в геометрии 4π является инверсия зави­си­мости интенсивности вторичного излу­че­ния от поглощающих свойств породы с изменением длины зонда. Ψ(ξ)/Ψ(ξ=1) – функция, определяющая интенсивность вторичного излучения в зависимости от безразмер­ного параметра ξ = μ’ρR. Произведение массового коэффициента поглощения μ’ на плотность ρ есть ли­нейный коэф­фициент ослабления μ. Величина, обратная μ – это величина, характеризую­щая среднюю длину пробега нейтрона в породе (l ≈ 1/μ). Отсюда следует, что параметр ξ представляет длину зонда R/l, выраженную в длинах среднего пробега нейтрона в веществе.

На рисунке показаны зависимости функция рассеяния от параметра ξ, различные кривые относятся к различным средам с разным коэффициентом μ’. Так как для каждой кривой значение μ’ фиксировано, а длина зонда R со­храняется постоянной при измерениях, графики Ψ(ξ)/Ψ(ξ=1) отражают изме­не­ние интенсивности вторичного излуче­ния в зависимости от поглощающих свойств и плотности.

Из графи­ков видно, что с увеличением плотности интенсивность сна­чала возрастает, дости­гая максимума в точке инверсии, а затем монотонно умень­шается. Положение точки инверсии для пород с различными поглоща­ю­щими свойствами разное.

В зависимости от того, что предстоит исследовать - либо поглощающие свойства породы (водородосодержание пород в нейтрон-нейтронном карота­же ННК), либо плотностные свойства пород (в гамма-гамма методе ГГК-П), выбирают до- или заинверсные зонды так, чтобы регистрируемые значения в меньшей степени зависели от мешающего параметра. В доинверсной области показания с увеличением параметра ξ растут, а в заинверсной – уменьшают­ся.

6.4. Нейтрон-нейтронный каротаж (ннк).

Плотность нейтронного пото­ка, сфо­р­мированного взаимодей­ствием нейтронов источника с ядра­ми элеме­нтов горных пород, в геометрии скважи­н­ных измерений, определя­ется пол­ным нейтронным сечением Σ. Поэтому показания нейтрон-ней­тро­н­ного каротажа зависят и от водородо­содержания, и от ве­щественного со­става горных пород (плотности). Раз­де­лить вклад рассеяния и поглощения при одно­временных изменениях Σ_Р и Σ_п довольно трудно. Однако во многих случаях влияние одного из этих па­ра­метров можно уменьшить, либо учесть, соот­ве­тствующим вы­бором зонда или энергии регистрируемых нейтронов.

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 литологическим приз­накам, оценивать прочностные качества пород и, что особенно важно, изучать свойства пластов как коллекторов нефти и газа. Остановимся лишь на основных поло­жениях, которые позволяют выяснить принципы выбора зондов и методики нейтронных методов.

Изменение показаний ННК в зависимости от влажности горной породы определяется рядом факторов, в том числе кон­струкцией экрана между источником и детектором нейтронов. Общим свойством всех гра­дуировочных кривых является инвер­сионный характер зависимости реги­стрируемой плотности по­тока нейтронов от водонасыщения среды. При фиксированной длине зонда R показания ННК с увеличением влажности сна­чала возрастают, достигают максимума при некотором значе­нии W и затем уменьшаются. Так же изменяются показания ННК при фикси­рованной влажности, но разной длине зонда

Изменение показаний ННК с увеличением влажности свя­зано с различным геометрическим расположением облака за­медлившихся 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 L, 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 приближаясь к источнику, и пока­зания ННК уменьшаются.

Инверсия зависимости данных ННК от влажности харак­терна как для надтепловых, так и для тепловых нейтронов, по­скольку их плотности в среде взаимосвязаны. На плотность тепловых нейтронов сильнее влия­ют вещественный состав пород и минерализация пластовых вод, в особе­нности содержание хло­ра, который имеет большое сечение захвата тепловых нейтро­нов. 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 кадмиевым экраном, который полностью поглощает тепловые нейтроны. Надтепловые же нейтроны за­медляются в этом экране до тепловых и регистрируются де­тектором.