§58. Импульсный нейтрон-нейтронный метод по тепловым нейтронам

Наиболее широко применяется импульсный нейтрон-нейтрон­ный метод, при котором регистрируется плотность тепловых нейтронов.

Пространственно-временное распределение плотности теп­ловых нейтронов от импульсного источника быстрых нейтронов определяется нейтронными параметрами исследуемой среды, зависящими как от коэффициента диффузии горных пород D и среднего времени жизни тепловых нейтронов т_п, так и от длины замедления L₃, характеризующей их замедляющие свой­ства. Таким образом, данные импульсного нейтрон-нейтронного метода несут в себе информацию о водородосодержанни по­род— через коэффициент диффузии и длину замедления, о со­держании в породах элементов с повышенными сечениями за­хвата аз—через среднее время жизни тепловых нейтронов.

Величина коэффициента диффузии различных пород варьи­рует в относительно небольших пределах (0,4 • 10^-5 — 3* 10 ⁵ см²/с), зависит главным образом от водородосодержа- ния и не зависит от минерализации пластовых вод.

Среднее время жизни тепловых нейтронов горных пород определяется их поглощающими свойствами и изменяется в значительно больших пределах (4,6—1065 мке), чем коэф­фициент диффузии.

В общем случае двух сред с разным водородосодержанием (D_x=£D₂) и с разными поглощающими свойствами, т. е. сред­нее время жизни тепловых нейтронов первой среды т_П| не равно Тп2 второй среды на заданном расстоянии от источника, отно­шение плотностей тепловых нейтронов этих сред

(116)

Величина п\1п₂ в большей степени зависит от поглощающих свойств горных пород, чем от замедляющих, что и находит свое отражение при использовании ИННМ-Т для изучения разрезов скважин. Основной замеряемой величиной в ИННМ-Т является среднее время жизни тепловых нейтронов. Из формулы (116) следует, что, изменяя время задержки, можно получить сколь угодно различающиеся значения плотности нейтронов (рис. 117) против нефтеносного и водоносного пластов. В этом одно из основных преимуществ импульсного нейтрон-нейтронного ме­тода.

Рис. 117. Определение ВПК в песчаном коллекторе по диаграммам ИННМ-Т и ННМ-Т с разными задержками.

/ — нефтеносный песчаник; 2 — водоносный песчаник. Штриховые кривые — контроль­ные замеры

Радиус зоны исследования ИННМ-Т /?„_с определяется водо- родосодсржанием среды и временем задержки: Я_ис«2, 1 д/От^.

С повышением водородосодержання среды уменьшается ко­эффициент диффузии тепловых нейтронов и, следовательно, радиус исследования. С увеличением времени задержки непре­рывно возрастает глубинность ИННМ-Т, но падает скорость счета импульсов, что приводит к большим статистическим по­грешностям измерений.

Благодаря большой энергии нейтронов, испускаемых сква­жинным генератором нейтронов (до 14 МэВ), при соответст­вующем выборе времени задержки (1000—1200 мке) радиус исследования ИННМ-Т (60—80 см) намного превышает глу­бинность нейтронных методов с ампульными нейтронными ис­точниками. В этом существенное преимущество ИННМ-Т.

Размер зонда оказывает влияние на расчленяющую способ­ность ИННМ-Т против маломощных пластов и точность опреде­ления среднего времени жизни тепловых нейтронов. Длина зонда равна расстоянию от мишени генератора нейтронов до середины индикатора. Точка записи условно относится к ми­шени прибора. При работе в нефтяных скважинах используется зонд длиной ¿„„ = 30 см, в газовых скважинах — зонд с £_Пи= = 50 см.

Влияние на величину плотности тепловых нейтронов в ИННМ-Т положения прибора в скважине относительно ее оси, обсадной стальной колонны и цементного кольца, зоны проникновения фильтрата промывочной жидкости и других факторов подчинено примерно тем же законам, что и в стан-

дартной модификации ПНМ-Т. Однако при достаточно боль­ших временах задержки на характере временного распределе­ния плотности тепловых нейтронов скважинные условия почти не сказываются.

Аппаратура и методика исследований ИННМ-Т

Наиболее современной аппаратурой импульсных нейтронных методов исследования нефтяных и газовых скважин является импульсный генератор нейтронов ИГН-4, состоящий из сква­жинного прибора / и наземной аппаратуры, включающей па­нель управления // и блок пересчета /// (рис. 118). Скважин­ный прибор состоит из блока генератора нейтронов и электрон­ного блока. Блок генератора нейтронов представляет собой герметизированный контейнер с ускорительной трубкой 2 и высоковольтным трансформатором /, заполненный изоляцион­ной кремннйорганнческой жидкостью. В электронном блоке для регистрации тепловых нейтронов размещены восемь парал­лельно включенных пропорциональных счетчиков 3, заполнен­ных трехфтористым бором, импульсы которых после усилителя

4. формирователя 5 и смесителя 7 вместе с маркерными им­пульсами по трехжильному геофизическому кабелю поступают на панель управления //. Блок в служит для управления уско­рительной трубкой УГК-1.

В

импульсных

ИГН-4

Рис. 118. Блок-схема аппаратуры импульсных нейтронных методов

Рис. 119. Принципиальная схема генератора нейтронов

селекторе 9 панели управления // производится разделе­ние счетных и маркерных импульсов. Счетные импульсы посту­

пают в канал интегрального счета 10 и на выходы четырех дифференциальных каналов 11—14. Маркерные импульсы, от­мечающие начало каждого нейтронного импульса, служат для запуска схем «задержки» и временного «окна» каждого диф­ференциального канала. Выходные импульсы каналов, преоб­разованные с помощью интенсиметров в постоянный ток, за­писываются в виде геофизических диаграмм фоторегистрато­рами серийных геофизических станций. В панели управления размещаются также устройства управления работой скважин­ного прибора.

Счет импульсов в каналах панели управления производится с помощью пятиканального блока пересчета ///, содержащего транзисторные пересчетные декады и электромеханические счет­чики.

Работа скважинного прибора контролируется осциллогра­фом VI геофизической станции, на экране которого можно на­блюдать счетные и маркерные импульсы.

Питание аппаратуры осуществляется от унифицированного выпрямителя УВК-2 (IV) и унифицированного генератора УГ-1 (V) через фильтр 8.

Наземное оборудование выполнено в виде отдельных бло­ков, которые размещаются в типовых стойках серийных гео­физических станций. Обмен командами управления и инфор­мации между наземным оборудованием и скважинным прибо­ром и питание глубинного прибора обеспечиваются с помощью трехжильного геофизического кабеля 15.

Принцип действия аппаратуры основан на облучении горных пород импульсами быстрых нейтронов и анализе временного распределения плотности тепловых нейтронов в зависимости от характера насыщения и элементного состава горных пород.

Основными конструктивными узлами генераторов нейтронов являются ускорительная трубка и источник питания высокого напряжения (рис. 119). Ускорительная трубка представляет со­бой стеклянный баллон, заполненный дейтерием (изотопом во­дорода ²Н). Ионизация дейтерия производится электронами, эмиссируемымн накаленным вольфрамовым катодом 2. Элект­роны ускоряются цилиндрическим анодом 4 и под действием продольного магнитного поля, образованного катушкой 3, пе­ремещаются вдоль него по спиральным траекториям. Высоко­вольтный электрод 5, в котором расположена мишень 6, пита­ется переменным синусоидальным напряжением со вторичной обмотки высоковольтного трансформатора Тр. При отрицатель­ном потенциале на электроде 5 электроны, не доходя до конца цилиндрического анода, отражаются и таким образом совер­шают внутри цилиндра колебательные движения, ионизирующие дейтерий. В это же время образовавшиеся положительно заря­женные дейтроны ускоряются и, бомбардируя мишень 6 из цир­кония или титана, насыщенных дейтерием или тритием, генери­руют нейтроны соответствующих энергий.

Расход дейтерия в ускорительной трубке восполняется с по­мощью натекателя 1, который представляет собой спираль из титановой проволоки, насыщенной дейтерием. При работе гене­ратора натекатель нагревается током, и сорбированный дейте­рий выходит из него в объем трубки.

Генератор нейтронов может работать в непрерывном и им­пульсном режимах. Импульсный режим работы обеспечивается подачей положительного потенциала. На цилиндрический анод

4. подается переменное напряжение в виде прямоугольных им­пульсов требуемой длительности от специального генератора, синхронизированного с высоковольтным трансформатором Гр. Имеются и другие конструкции генераторов нейтронов.

В аппаратуре ИГН-4 используется генератор нейтронов, ос­нованный на реакции ³Т(с/, /г)⁴Не и обеспечивающий энергию нейтронов 14,1 МэВ и средний выход (1—2) • 10⁷ нейтр./с. Длина зонда для регистрации тепловых нейтронов равна 43 см.

Аппаратура ИГН-4 обеспечивает частоту повторения им­пульсов нейтронного излучения 360—440 Гц, задержки т₃, рав­ные 50, 150, 250, 400, 600, 1000, 1300, 1600, 1900, 2200 мке, ши­рину фиксированных временных окон Дт₃ам 100 и 200 мке и постоянные времени интегрирования т_я равные 6, 12, 24, 48 с.

Существуют два варианта скважинных измерений ИННМ-Т — непрерывная запись и запись по точкам. При точечной записи получают более точные значения среднего времени жизни теп­ловых нейтронов в пласте т„ _п. Точки замеров выбирают по дифференциальным кривым ИННМ-Т (при фиксированном окне Дтзам и на различных задержках т₃). Расстояния между точками замеров в однородных нефтеносных пластах большой мощности должны быть 0,6—0,8 м, в литологически неоднородных пластах малой мощности 0,4—0,5 м, в водоносных пластах 0,8—1,0 м. Время замера в каждой точке должно обеспечивать скорость счета в интегральном канале 5(10⁵—10⁶) импульсов.

Среднее время жизни тепловых нейтронов в пласте можно определить и по непрерывным кривым ИННМ-Т, записанным при различных задержках и фиксированном временном окне, хотя погрешность измерений в этом случае больше.

При выборе времени т_а и временного окна Дт зам должно со­блюдаться условие Тз>т_{п п}>Дтзам- С целью уменьшения ста­тистических погрешностей измерения при записи кривых ИННМ-Т в нефтяных и газовых скважинах ограничиваются вре­менами задержек т₃= 1000-ь 1300 мке.

С увеличением Дт₃ам при выбранном т₃ повышается скорость счета в канале, а следовательно, уменьшаются погрешности из­мерений. Учитывая диапазон изменения т_п п в продуктивных пластах, Дт_зам для газоносных пластов следует брать больше, чем для нефтеносных. Обычно при изучении продуктивных пла­стов принимают Дтзам ⁼ 200 мке.

Масштабы записи кривых ИННМ-Т выбираются такими, чтобы в исследуемом интервале разреза скважины была макси­мальная дифференциация пластов в пределах ширины диаграм­мной ленты.

В методе ИННМ-Т, как и в других методах радиометрии скважин, от скорости записи V и постоянной интегрирования т_я зависят статистическая точность измерений и влияние на форму кривых инерционности аппаратуры, поэтому при выборе этих величин руководствуются теми же требованиями, что и при проведении гамма-метода (см. §41). Обычно и= 100-ь 120 м/ч при т_я = 12 с.

Наиболее близкие к истинным коэффициент диффузии перед­нее время жизни нейтронов получают при достаточно больших временах задержки и при условии тпп>т„_с (т_п с — время жизни тепловых нейтронов в скважине), когда характер связи п_п т=/(т) перестает зависеть от параметров скважины. В пер­вый момент времени после действия импульса быстрых нейтро­нов в скважине плотность тепловых нейтронов в ней становится выше, чем в пласте, следовательно, диффузия нейтронов на­правлена преимущественно из скважины в пласт. В следующий момент времени тепловые нейтроны быстрее поглощаются в скважине, так как тя_с<т_пп. Затем наступает момент, когда плотность тепловых нейтронов в пласте становится выше, чем в скважине, и они диффундируют, наоборот, в скважину. Ре­гистрируемая плотность тепловых нейтронов в этот момент вре­мени будет пропорциональна плотности нейтронов в горной породе, т. е. будет отражать нейтронные характеристики ис­следуемых пластов.

В случае, когда т_7<п<Тпс, промывочная жидкость в сква­жине должна быть заменена более минерализованной, чтобы выполнялось неравенство т_{п п}>Тп _с.

Области применения ИННМ-Т и решаемые им геологические задачи

Импульсный нейтрон-нейтронный метод по тепловым нейт­ронам применяется для литологического расчленения разрезов скважин, выделения полезных ископаемых, определения харак­тера насыщения и пористости пород, положения водонефтяного, газонефтяного и газоводяного контактов.

Для литологического расчленения разреза скважин исполь­зуют среднее время жизни тепловых нейтронов, определяющее поглощающие свойства горных пород, так как коэффициент их диффузии варьирует в относительно небольших пределах. На­иболее высокими значениями т_п и характеризуются такие основ­ные породообразующие минералы, как кварц (1065 мке), доло­мит (956 мкс) и кальцит (630 мкс). Из осадочных горных по­род повышенные значения т_п „ характерны для существенно кварцевых песчаников, низкопористых разностей известняков и доломитов (около 800 мкс), пониженные — для глинистых и полимиктовых песчаников и глинистых пород (300—330 мкс), а также хлорсодержащих солей, горных пород, обогащенных элементами с аномально высокими сечениями захвата нейтро­нов (В, 1л, С<1 и др.), и горных пород, содержащих марганец, железо, титан. Достаточно контрастно выделяются повышен­ными значениями т_п п угольные пласты.

Пониженными значениями т«п отличаются пласты-коллек­торы. Однако они более уверенно выделяются в комплексе с другими методами промысловой геофизики.

Определение характера насыщения коллекторов и установ­ление ВНК, ГВК и ГНК основаны на различном водородосо- держании и хлоросодержании продуктивных и водоносных пла­стов (см. рис. 117). Различное водородосодержание фиксиру­ется величинами £> и т_п, а хлоросодержание — только т„. Однако в отличие от стационарных нейтронных методов импульс­ный нейтронный метод по тепловым нейтронам позволяет ре­шать эти задачи даже при пониженной минерализации пласто­вых вод (20—50 г/л).

При высокой минерализации пластовых вод ИННМ-Т можно определить также коэффициент нефтенасыщеиия коллекторов, а следовательно, следить за текущим нефтенасыщением разра­батываемых месторождений.

Импульсный нейтрон-нейтронный метод по тепловым нейт­ронам дает положительные результаты при поиске и разведке промышленных скоплений ртути, марганца, меди и железа, об­ладающих высоким сечением поглощения тепловых нейтронов.