§59. Импульсный нейтронный гамма-метод радиационного захвата

При работе со стационарным источником нейтронов в НГМ регистрируются гамма-кванты, образовавшиеся при неупругом рассеянии и радиационном захвате нейтронов породой. Однако эти два процесса взаимодействия нейтронов с веществом раз­деляются во времени: процесс неупругого рассеяния нейтронов протекает лишь в начальной стадии их замедления, а процесс радиационного захвата нейтронов — в конце их жизни.

В связи с этим при применении импульсных генераторов нейтронов появляется возможность раздельной регистрации гамма-квантов, возникающих при неупругом рассеянии и радиа­ционном захвате нейтронов породой, и более тщательного изучения разреза скважины. Кроме того, можно проследить про­странственно-временное распределение гамма-квантов радиа­ционного захвата в горной породе, которое зависит от ее плот­ности и эффективного порядкового номера.

Гамма-кванты, образующиеся при неупругом рассеянии и радиационном захвате нейтронов породой, разделяются путем изменения времени задержки. При регистрации гамма-квантов радиационного захвата время задержки должно быть больше времени замедления нейтронов в исследуемой среде.

Однако с увеличением времени задержки уменьшается аб­солютная величина интенсивности гамма-квантов радиацион­ного захвата и возрастает вклад фонового гамма-излучения, обусловленного естественным гамма-излучением горных пород и их наведенной активностью. Если регистрировать жесткую со­ставляющую гамма-излучения (>1,5 МэВ), то фон естествен­ного гамма-излучения и гамма-излучения наведенной активно­сти почти полностью исключается.

В измерительной установке импульсного метода га мм а-из­лучения радиационного захвата (ИНГМ) используются инди­каторы гамма-излучения. В остальном методика скважинных исследований ИНГМ аналогична методике измерения ИНЫМ-Т.

Импульсный нейтронный гамма-метод радиационного за­хвата имеет ряд преимуществ перед его стандартной модифи­кацией (НГМ). Он характеризуется повышенной чувствитель­ностью к изменению поглощающих свойств горных пород, боль­шим радиусом исследования, на его показания меньше влияют скважинные условия измерения. Кроме того, существует прин­ципиальная возможность оценивать по данным ИНГМ коэффи­циент диффузии и время жизни нейтронов в исследуемых гор­ных породах.

Импульсным нейтронным гамма-методом решаются те же за­дачи, что и стационарным нейтронным гамма-методом (см. § 53).

Регистрируемая величина 1_пу в ИНГМ, кроме параметров £ и Тпп, зависит от гамма-лучевых свойств горных пород (их плотности и эффективного порядкового номера), поэтому по данным этого метода в комплексе с кривыми ИННМ можно разделять газоносные коллекторы и пласты горных пород с близкими значениями т_Пп, по разными плотностями.

По результатам спектроскопии гамма-излучения ИНГМ можно идентифицировать элементы-поглотители нейтронов и оценивать их концентрацию в горных породах, что особенно важно для рудной геологии.

§ 60. Другие импульсные нейтронные методы

Импульсный нейтронный гамма-метод неупругого рассея­ния нейтронов. В основу импульсного нейтронного гамма-ме­тода неупругого рассеяния нейтронов (ИНГМР) положена зави­симость энергии гамма-квантов, возникающих при неупругом рассеянии быстрых нейтронов горной породой, от ее элемент­ного состава. Это позволяет по замеренному спектру гамма- лучей неупругого рассеяния нейтронов определять состав эле­ментов и их концентрацию в горной породе. В связи с этим появляется возможность выделять в породах углерод (4,42 МэВ), кислород (6,1 МэВ), магний (1,39 МэВ), кремний (1,78 МэВ), серу (2,32 МэВ) и некоторые другие легкие элементы с про- стымн н характерными спектрами гамма-излучения неупругого рассеяния.

Как уже указывалось, процесс неупругого рассеяния нейт­ронов породой протекает лишь в начальный момент облучения ее потоком быстрых нейтронов. Следовательно, время облучения породы потоком быстрых нейтронов Ат и время задержки т₃ должны быть минимальными, иначе на спектр гамма-излучения неунругого рассеяния будет накладываться спектр гамма-лучей радиационного захвата нейтронов. В связи с этим длительность нейтронного импульса не превышает времени замедления нейт­ронов в исследуемой среде, и возникающее гамма-излучение не­упругого рассеяния обычно регистрируют в период испускания нейтронов генератором. По этой же причине ИНГМР исследу­ется только энергетическое распределение гамма-квантов, т. е. спектроскопия гамма-излучения неупругого рассеяния.

Большой практический интерес представляет ИНГМР для определения водонефтяного контакта по содержанию углерода при низкой минерализации пластовых вод, выделения в разре­зах каменных углей, оценки содержания магния, серы и дру­гих элементов с простыми и характерными спектрами гамма- излучения неупругого рассеяния нейтронов.

Однако радиус зоны исследования ИНГМР мал (8—12см). На его показания большое влияние оказывают скважинные условия, поэтому этим методом целесообразно исследовать не­закрепленные скважины.

Импульсный нейтронный гамма-метод наведенной активно­сти. Использование импульсного генератора нейтронов позво­ляет проводить активационный анализ горных пород, содержа­щих элементы, при активации которых потоком нейтронов об­разуются радиоактивные изотопы с периодом полураспада от долей до нескольких минут.

В импульсном нейтронном методе наведенной активности (ИНГМ-НА) горная порода облучается потоком нейтронов в те­чение времени т₀бл, затем через время задержки т₃ в течение времени т„₃.м измеряется наведенная гамма-актнвность. Им­пульсный режим работы генератора нейтронов позволяет про­водить исследования с регистрацией наведенной гамма-актив­ности в интервалах между импульсами нейтронов. Это исключает влияние фона, обусловленного гамма-излучением не­упругого рассеяния и радиационного захвата, на регистрируе­мую активность наведенной активности и тем самым позволяет проводить измерения зондами малой длины, что существенно повышает чувствительность ИНГМ-НА.

При активации горных пород импульсами нейтронов энер­гией до 14 МэВ использование ускорительной трубки (¿, Т) позволяет определять кислород, фтор, кремний и другие эле­менты. Применение ускорительной трубки й) обеспечивает получение нейтронов с начальной энергией около 2,5 МэВ, что дает возможность идентифицировать алюминий, ванадий, медь, фтор и некоторые другие элементы в результате активации их преимущественно тепловыми нейтронами; при этом исключается мешающее влияние гамма-излучения, связанного с активацией быстрыми нейтронами.

При исследовании разрезов нефтяных и газовых месторож­дений наибольший практический интерес представляет опреде­ление содержания кислорода с целью выделения продуктивных отложений, так как объемное кислородосодержание достигает больших значений (значений коэффициента пористости и выше) в водоносной части разреза и минимальных — в нефтегазонос­ных пластах. При облучении устойчивого изотопа кислорода "Ю потоком быстрых нейтронов происходит реакция активации ¹⁶0(л, р)^,6Ы. Ядра ^,бЫ распадаются с периодом полураспада 7,35 с испусканием весьма интенсивных линий гамма-квантов с энергией 6,1 МэВ, поэтому водоносная часть пласта в ИНГМ-НА фиксируется повышенным по сравнению с нефте­газонасыщенной частью гамма-излучением наведенной активно­сти. Наиболее благоприятными по условиям при этом являются сухие скважины, так как активация кислорода, находящегося в заполняющей скважину жидкости, мешает определению кис­лорода в породе.

В рудной геофизике ИНГМ-НА успешно может применяться при поисках и количественной оценке промышленных скопле­ний магния, алюминия, кремния, фтора, калия, железа, меди, фосфора и других элементов.

Импульсный нейтрон-нейтронный метод резонансного погло­щения тепловых нейтронов. Элементы редкоземельной группы, а также марганец, золото, ртуть, вольфрам, индий и др. обла­дают резонансным сечением поглощения нейтронов определен­ных энергий. Энергетические уровни резонансов поглощения нейтронов для разных элементов различны. Однако между энергией резонансно поглощаемых нейтронов и средним време­нем замедления нейтронов до этой энергии существует связь (с увеличением времени замедления энергия нейтронов умень­шается), благодаря которой, задавшись известной энергией нейтронного резонанса на определенные элементы, подбирают соответствующее время замедления генерируемых нейтронов, т. е. время задержки.

Пласты, содержащие элементы с резонансным сечением по­глощения нейтронов, регистрируются минимальными показа­ниями /„_т на диаграммах импульсного нейтрон-нейтронного метода резонансного поглощения тепловых нейтронов (ИННМП-Т).

Существенный недостаток ИННМП-Т — невозможность од­нозначно идентифицировать искомые элементы. В комплексе с другими методами радиометрии скважин ИННМП-Т позво­ляет успешно решать эту задачу.

$ 61. ИСКАЖЕНИЯ ДИАГРАММ РАДИОАКТИВНЫХ МЕТОДОВ

На диаграммах радиоактивных методов исследования раз­резов скважин могут наблюдаться аномалии, связанные не с изменением радиоактивных свойств горных пород, а с поме­хами производства радиометрических работ. К основным поме­хам относятся флуктуация интенсивности измеряемого излуче­ния, нестабильный режим работы аппаратуры, утечки тока в кабеле, скважинных приборах и наземных панелях, косми­ческое излучение, непостоянство скважинных условий.

Регистрируемые радиоактивные излучения носят неравно­мерный статистический характер, поэтому замеряемые интен­сивности нейтронного излучения и гамма-излучения подвержены статистическим флуктуациям, характеризующимся средней ква­дратической погрешностью

к = ± V/срИ/Л и относительной погрешностью измерения

8= ± д/^срЛ ,

где /_ср — средняя скорость счета регистрируемого излучения против изучаемого пласта; /г — мощность пласта; V — скорость подъема скважинного прибора.

Влияние статистических флуктуаций легко обнаружить по резкой изрезанности кривых и неповторяемости их при конт­рольных измерениях. Средняя квадратическая погрешность из­мерений в нефтяных, газовых и рудных скважинах при поиско­вых исследованиях не должна превышать 5 %. при летальных — 3%. Снизить статистические флуктуации измерения можно пу­тем увеличения постоянной интегрирования т_я, а также исполь­зования нейтронных источников и гамма-источников с большим выходом излучаемых частиц.

Искажения кривых радиометрии, связанные с режимом ра­боты аппаратуры, могут быть обусловлены недопустимо боль­шой скоростью подъема скважинного прибора, большим соб­ственным фоном газоразрядных счетчиков и их разбросом по чувствительности, неправильным выбором уровня дискримина­ции и предела измерений наземной панели, неточностью гра­дуировки и т. д. Искажения диаграмм, связанные с утечками тока, выражаются в завышении или занижении регистрируемой интенсивности, вплоть до полной потери скорости счета в ка­нале.

Влияние технического состояния скважины на кривые радио­метрических исследований скважин подробно рассмотрены при описании каждого метода радиометрии.

Аномалии, обусловленные космическим излучением, могут наблюдаться при регистрации гамма-излучения в верхних уча­стках разреза скважин (20—30 м).

Искажение диаграмм радиоактивных методов исследования скважин обнаруживаются при сопоставлении их с диаграммами типового геолого-геофнзического разреза и при контрольных замерах. Помехи и меры их предотвращения подробно описаны в работе [16].