§ 55. Л1етод наведенной активности

Метод наведенной активности (МНА) основан на измерении активности искусственных радиоактивных изотопов, образую­щихся из стабильных изотопов в результате облучения горных пород потоком нейтронов, гамма-квантов или заряженных ча­стиц.

Наиболее широко применяется метод наведенной активно­сти, в котором исследуемое вещество облучается нейтронами. Сечение ядерной реакции, приводящей к образованию радио­активных ядер, называется сечением активации а_а. Повышен­ные сечения активации тепловыми нейтронами характерны для большой группы элементов: А1, $1, Мп, С1, N а, К, V, Си, Сс1 и др. Высокими сечениями активации иод действием быстрых нейтронов обладают элементы О, Мд, А1, С1, Сг, Мп, И.

В МНА используются ядерные реакции взаимодействия ней­тронов с горной породой с образованием радиоактивных изото­пов, распад которых сопровождается испусканием гамма-излу­чения. Таким образом, регистрируется искусственное гамма-поле, создаваемое распадом активированных радиоактивных изотопов горной породы.

Принцип измерения МНА заключается в следующем. Гор­ную породу в заданной точке разреза скважины в течение не­которого времени облучения т₀бл активируют под действием нейтронного излучения, создаваемого стационарным или им­пульсным источником нейтронов.

Число активированных ядер М₀, образовавшихся в течение времени облучения среды нейтронами, описывается следующим выражением:

= Ф_ппо* (1 —ехр (—ХрТовл)!, (115)

где Ф» — поток нейтронов; а_а — эффективное сечение актива­ции элемента на одно ядро; п — содержание ядер активируе­мого элемента в единице объема вещества; л_р — постоянная распада образующихся радиоактивных элементов.

Из формулы (115) следует, что максимальная активность Мотах (активность насыщения) получается при т₀ол—Од­нако практически для получения активности насыщения до­статочно облучать породу на протяжении времени т₀ол = 6 Т •/, (рис. 113).

После окончания облучения регистрируемая наведенная ра­диоактивность горных пород во времени уменьшается по экспо­ненциальному закону, и на момент замера наведенной гамма-

активности через определенный промежуток времени т число активи­рованных ядер

—

Рис. 113. Зависимость от­носительной наведенной активности пород Л7/Л'₀т«х от времени облучения т₀вл» выраженного в единицах периода полураспада изо­топов 7\/,

exp (—Яр Тобл)) ехр (—Я_рт).

Таким образом, зарегистрирован­ная счетчиком гамма-активность в лю­бой момент времени оказывается про­порциональной числу ядер данного элемента в горной породе, т. е. его концентрации. Благодаря этому метод наведенной активности позволяет ре- бГ^Тф шать две задачи: 1) идентификацию _— изотопов, обусловливающих регистри­руемую гамма-активность; 2) опреде­ление концентрации активируемых изотопов и элементного состава иссле­дуемого объекта. Первая задача реша­ется с учетом периода полураспада об­разующихся радиоактивных изотопов, а также спектрального состава испу­скаемого при их распаде гамма-излучения. Решение второй за­дачи основано на пропорциональности величины наведенной гамма-активности числу ядер исходного элемента в горной по­роде.

Чаще всего в исследуемых объектах активируется не один, а несколько изотопов, имеющих разные периоды полураспада и содержащихся в различных количествах. Для уменьшения влияния короткоживущих радиоактивных изотопов наведенная гамма-активность замеряется через определенное время после окончания облучения горной породы потоком нейтронов, в те­чение которого большая часть короткоживущих изотопов рас­падается. Кроме того, выбирая время облучения, можно до­биться, что наведенная активность одних элементов будет мак­симальной, а других — ничтожно малой. Однако и в этом случае не удается зарегистрировать спад наведенной гамма- активносги, обусловленной только одним активированным изо­топом.

Оценка гамма-активности, связанной с активацией каждого элемента отдельно, основана на дифференцировании регистри­руемой кривой /уа=/(т) на отдельные составляющие чаще всего путем ее графического расчленения (рис. 114,а). Исхо­дят из того, что после окончания облучения наведенная радио­активность горных пород, вызванная одним радиоактивным изотопом, во времени уменьшается по экспоненциальному за­кону, выражающемуся графически в системе координат х=т, у=\п N в виде прямой, тангенс угла наклона которой равен по­стоянной распада Яр, а отрезок, отсекаемый на оси ординат,—

Рис. 114. Примеры графического расчленения кривой /у* *=/(т) для смеси радиоактивных изотопов (а) и отбивки ВНК в крепленой скважине (б) (по В. В. Ларионову).

a: /-»CI; 2 — “V; б: /-КС; II-СП, ///-НГМ; /V-ГМ. /- нефтенос­

ный известняк; 2 — известняк; 5 — глина

величине N₀ (см. § 36). По величине Х_р можно определить искомый элемент, а по No—его содержание в породе. Кроме того, предполагается, что в области максимальных значений т указанная кривая описывает закон распада радиоактивного изотопа, наиболее долго живущего из присутствующих в по­роде.

Исследования МНА проводят точечным способом или при непрерывном движении прибора. Точки выбирают с учетом по­ставленной задачи и имеющихся данных о мощности пласта, его литологических особенностях и предполагаемом характере распределения активируемых элементов горной породы на раз­ных глубинах. Целесообразно намечать точки наблюдения через интервалы, равные расстоянию от середины индикатора до нейтронного источника. Это позволяет значительно сократить процесс исследования скважины за счет совмещения во времени замера наведенной активности в одной точке с облучением среды на другой точке. Предварительно в каждой точке заме­ряют интенсивность естественного гамма-поля 1_У. После окон­чания облучения среды против точки устанавливают индика­торную часть скважинного прибора и регистрируют изменение во времени интенсивности /_уа per- По результатам измерений строят кривую 1п/,_а = /(т), предварительно вычтя из них ве­личину интенсивности естественного гамма-излучения, замерен­ную перед облучением среды: /_уЛ=1_уа per—/_у-

Метод наведенной активности при непрерывном перемеще­нии прибора можно применять только в случае измерения на­веденной активности короткоживущих (с Г./, <10 мин) изото­пов. Его эффективность во многом зависит от скорости переме­щения прибора, размера зонда и периода полураспада изотопа искомого элемента. Источник нейтронов располагается на мак-

симальном расстоянии (обычно несколько метров) и выше индикатора гамма-излучения. В этом случае при измерении / ,_а собственное гамма-излучение нейтронного источника и нейтрон­ное гамма-излучение (радиационного захвата), возникающее в породе, скважине и материалах прибора, практически не оказывают влияния на результаты. Оптимальный размер зонда для каждого полезного ископаемого обычно устанавливается экспериментально.

Метод наведенной активности позволяет решать задачи неф­тяной и рудной геологии. При исследовании нефтяных скважин МПА можно определять характер насыщения пластов и степень их обводнения, скорость движения пластовых вод месторожде­ния, контролировать положение и перемещение водонефтяного контакта в процессе разработки месторождения, а также тех­ническое состояние скважины.

При высокой концентрации натрия и хлора в минерализо­ванных пластовых водах (>50 г/л) разделять нефтеносную и водоносную части пласта методом наведенной активности можно по хлору или по натрию, или по ванадию (рис. 114,6). В пластовых условиях содержание хлора и натрия в водонос­ной части пласта выше, чем в нефтеносной. В этом случае МНА основан на регистрации гамма-излучения ²⁴Ыа, образующегося в результате реакции ²³Ыа(и, у)²^а при облучении пласта по­током тепловых нейтронов, или гамма-излучения ³⁸С1 [³⁷С1(п, у)³⁸С1].

Если в качестве индикаторного элемента используют нат­рий, облучение и замер спада наведенной активности проводят в течение 4 ч. При исследовании наведенной активности хлора облучать пласт нейтронами наиболее целесообразно в течение 40 мин, а замерять спад регистрируемой интенсивности /_уа — в течение 2,0—2,5 ч. Самые надежные результаты при отбивке водонефтяного контакта дает метод наведенной активности по натрию. Метод наведенной активности характеризуется повы­шенной чувствительностью к водонефтенасыщенности коллек­торов, но он малопроизводителен.

Скорость движения пластовых вод можно определить по сте­пени отклонения спада наведенной активности данного изотопа от экспоненциального закона при взаимном движении исследуе­мой среды и детектора, регистрирующего наведенную актив­ность.

Метод наведенной активности является одним из эффектив­ных методов ядерно-геофизического опробования твердых по­лезных ископаемых в естественном залегании. Он успешно при­меняется при исследовании скважин на месторождениях флюорита и других фторосодержащнх полезных ископаемых (фосфоритов, апатитов), медных и марганцевых руд, различных видов глиноземного сырья для качественного выделения полез­ных ископаемых, а в отдельных случаях — и для количест­венной оценки их содержания в разрезах скважин, например

бокситов (по наведенной активности ²⁸А1), марганца, меди, флюоритов (в основном по изотопу ^,6Ы) и др.

Большие перспективы МНА связаны с использованием им­пульсного генератора нейтронов для активации пород, по­скольку это позволит определять содержание изотопов с Т•/, в несколько секунд, в частности ¹⁶Ы, являющегося продуктом активации кислорода. Регистрация наведенной активности кис­лорода расширяет возможности метода при установлении ВИК, выделении угольных пластов, залежей серы и др.