Устройство скважинного прибора ргп-2

Импульсы каналов ГГКб и ГГКм формируется таким образом, что на вход усилителя-смесителя 3 они подаются противоположных полярностей. Теперь они могут передаваться на поверхность по одной жиле кабеля. По второй жиле на поверхность поступают импульсы канала ГК. Третья жила кабеля служит для подачи сигнала от наземной панели прижимному устройству.

Блок-схема аппаратуры РГП-2

Итак, выходные импульсы скважинного прибора через каротажный кабель поступают на вход измерительной панели. Информация канала ГК обрабатываются в ней и может быть зарегистрирована аналоговым регистратором. Сигналы каналов ГГК после формирования по амплитуде и длительности подаются с выходов нормализаторов панели на соответствующие входы вычислительного устройства.

Импульсы каналов ГГКб и ГГКм после усиления усилителями 1 вычислительного устройства поступают на вход измерителя отношения 2.

Измеритель отношения преобразует входные импульсы в аналоговую величину (I_отн = I_б/I_м), где I_б и I_м - соответствующие токи, пропорциональные средней частоте следования импульсов в каналах ГГКб и ГГКм.

Параллельно с этим процессом измеритель скорости счета канала ГГКм 3 вырабатывает ток I_м, значение которого также примерно равно средней частоте следования импульсов в этом канале. Соответствующей коммутацией выходных цепей измерителей соотношения 2 и скорости счета I_м 3 обеспечивается получение в аналоговой форме параметра плотности горных пород:

Для калибровки вычислительного устройства, (т.е. для определения K₁ и К₂) предусмотрен калибратор 4.

Диапазон измерения плотности аппаратурой РГП-2: 1,8-2,7 г/см³ . Плотность среды, имитируемая полевым калибровочным устройством, составляет 2,7 ± 0,1 г/см³.

Полевое калибровочное устройство (ПКУ) представляет собой накладку на скважинный прибор из алюминия с выемкой по форме зондовой части прибора. Эквивалентная плотность блока 2,58 г/см³, что соответствует объемной плотности 2,7 г/см³.

4. Нейтронный каротаж

6.1. Методы стационарного n-поля

Взаимодействие нейтронов с веществом

При облучении горных пород нейтронами эти частицы, лишенные электрических зарядов, свободно проникают сквозь электронные оболочки и взаимодействуют непосредственно с ядрами атомов. Взаимодействие нейтронов с ядром управляется ядерными силами, которые проявляются при каждом столкновении нейтрона с ядром. Действие ядерных сил может привести к рассеянию и поглощению нейтронов, причем поглощение сопровождается различными ядерными реакциями.

Вероятность взаимодействия нейтронов с ядрами определенного вида характеризуется полным нейтронным сечением , равным сумме сечений рассеяния _p и поглощения _п нейтронов. Все они зависят от энергии нейтронов Е и поэтому:

(Е) = _р(Е) + _п(Е).

Полное сечение измеряется в барнах, и его можно интерпретировать, как эффективную площадь ядра (перпендикулярную к направлению движения нейтрона), попав в которую нейтрон обязательно вступает в реакцию. Эффективная площадь обычно выше геометрической.

В зависимости от энергий нейтроны условно в каротаже принято делить на следующие группы:

1. Тепловые до 0,025 МэВ

2. Надтепловые 0,025 - 0,1 МэВ

3. Быстрые 0,1 - 1000 МэВ

Нейтрон ( ) - ядерная частица. Масса 1,675*10^-27 кг, что в 1836 раз больше массы электрона. Нейтроны устойчивы только в составе стабильных ядер. Свободный нейтрон распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино. Среднее время жизни свободного в вакууме составляет около 16 мин. В веществе свободные нейтроны "живут" еще меньше (в плотных веществах - единицы, сотни микросекунд), вследствие их сильного поглощения атомными ядрами.

Зависимость сечений от энергий Е нейтронов может быть очень сложной. Кроме того, сечения зависят от типа ядер. Т.е. при одной и той же энергии для одних ядер преобладает рассеяние, а для других - поглощение нейтронов.

Основным процессом взаимодействия быстрых нейтронов с ядрами является рассеяние, которое может быть упругим и не упругим. При неупругом взаимодействии нейтрон возбуждает ядро. Это возбуждение снимается путем испускания -квантов (т.е. протекает реакция в вида (n,n',)). При рассеянии теряют часть своей энергии и замедляются. Когда их энергия становится меньше 0,1 МэВ неупругое рассеяние практически прекращается и дальнейшее замедление происходит путем упругих столкновений.

Сечение поглощения увеличивается с уменьшением энергии нейтронов, т.к. медленный сравнительно долго находится вблизи ядра). При захвате нейтрона возможны различные варианты "развала" образовавшегося составного ядра (например, испускается -частица по реакции (n,)).

С большой вероятностью может произойти реакция радиационного захвата (n,) с испусканием -квантов. Обычно остаточное ядро, сформированное в результате этой реакции радиоактивно. По периоду полураспада и -излучению, сопровождающему этот распад, удается идентифицировать исходный химический элемент. Реакция (n, ) наиболее типична для полностью замедлившихся нейтронов. Энергия их соизмерима с энергией теплового движения атомов и молекул. Такие называются тепловыми и вызывают реакцию (n, ) на ядрах всех элементов, за исключением гелия.

В надтепловой области сечения поглощения ряда элементов характеризуется наличием резонансов. Это означает резкое повышение вероятности реакции (n, ) для нейтронов с энергией, совпадающей с максимумами сечения поглощения нейтронов, как функции их энергии _п(Е). Такие нейтроны называются резонансными.

Величины _р и _п относятся к единичному ядру, поэтому их называют микроскопическим сечением. На практике пользуются макроскопическими нейтронными сечениями  ([см-11) и учитывают общее количество атомов данного типа в кубическом сантиметре вещества N:

_р/п = _р/п(Е) * N

Полное макроскопическое сечение горной породы легко вычислить, если известен ее химический состав:

,

где (Е) - полное микроскопическое сечение для ядер i-того типа; N - количество ядер i-того типа в 1 см³ породы, причем суммирование ведется по всем n химическим элементам и их изотопам, входящим в состав породы.

Необходимо отметить, что нейтронные сечения, в особенности сечения поглощения, для разных элементов варьируют в широких пределах. Поэтому некоторые элементы, даже при таком их ничтожном содержании в породе, могут вносить в  значительный вклад. К элементам с аномально повышенными сечениями поглощения относятся: ртуть, бор, кадмий, а также многие редкоземельные элементы.

Величина, обратная , называется средней длиной полного пробега нейтронов  ([см]):

Потери энергии быстрых при рассеянии приводят к замедлению последних. Замедляющие свойства среды можно характеризовать среднелогарифмической потерей энергии . Величина среднелогарифмической потери энергии зависит только от массы ядер, с которыми сталкивается нейтрон, и связана с их массовыми числами А соотношением:

Для ядер водорода, имеющих массу примерно равную массе нейтрона, потери энергии нейтронами при рассеянии максимальны (А = 1, поэтому  = 1).

В процессе рассеяния и замедления нейтрон движется по сложной ломанной кривой, напоминающей траекторию броуновского движения. Потери энергии на единице длины этого пути можно определить, умножив  на _Р. Произведение *_Р называют замедляющей способностью среды. Наибольшей замедляющей способностью обладает вода (1,53 см^-1). У всех остальных веществ замедляющая способность на 1-2 порядка ниже.

Применительно к условиям нейтронных методов каротажа полезно знать среднее расстояние по прямой, которое пройдет нейтрон с начальной энергией E_о, чтобы замедлиться до энергии Е.

Средний квадрат этого расстояния можно вычислить по формуле:

С величиной связана важнейшая нейтронная характеристика среды, а именно длина замедления:

[cm]

L₃ входит в качестве параметра в выражение для пространственно-энергетической плотности потока быстрых нейтронов. В случае точечного источника быстрых с фиксированной начальной энергией, плотность нейтронов n (R,V), достигших в безграничной однородной среде скорости V на расстоянии R от источника определяется соотношением:

, где

Q - мощность источника (количество испускаемых нейтронов в секунду).

После того как нейтроны замедлились до тепловых, дальнейшее их перемещение в среде происходит с сохранением их средней энергии путем диффузии. Тепловые нейтроны диффундируют сквозь вещество до тех пор, пока не поглотятся какими-нибудь ядрами.

Параметрами, характеризующими диффузию нейтронов, служит коэффициент диффузии D и среднее время жизни  тепловых нейтронов.

Коэффициент диффузии D играет роль "нейтронной проводимости" среды. Чем выше D, тем на большее расстояние могут диффундировать нейтроны, если в среде нет ядер с аномально высокими сечениями поглощения. В случае однородной среды:

где и - соответственно длина свободного пробега тепловых нейтронов относительно рассеяния и средняя скорость тепловых нейтронов, равная 2,2 км/с. Из формулы следует, что коэффициент диффузии D зависит от рассеивающих свойств среды. Поглощающие свойства среды по отношению к тепловым нейтронам характеризуются средним временем жизни нейтронов в этой среде , которое пропорционально средней длине пробега тепловых нейтронов относительно поглощения:

[c]

В горных породах, не содержащих элементов с большими сечениями поглощения тепловых нейтронов, нейтроны могут существовать относительно долгое время (до нескольких тысяч микросекунд). В присутствии же элементов с большими о нейтроны "вымирают" быстро.

Длина диффузии L_д:

, [см]

Обычно L_д < L_з, в особенности в средах, содержащих элементы с большими сечениями поглощения тепловых нейтронов.

Длины замедления L_з и диффузии L_д определяют пространственное распределение тепловых нейтронов:

,

где Q - мощность источника нейтронов, измеряемая числом испускаемых им нейтронов за секунду, n - плотность тепловых нейтронов на расстоянии R от источника быстрых нейтронов.

Из формулы видно, что с удалением от источника плотность тепловых нейтронов убывает по экспоненте. Это ограничивает увеличение длины зондов в нейтронных методах каротажа.

Нейтронные свойства некоторых горных пород и минералов

Минералы и горные породы	П,см-1	Р,см-1	LЗ,см	Lд,см	Р, см	*10-4, сек
Ангидрит	0,014	0,348	27,0	8,97	84,00	3,80
Антрацит	-	-	-	4,90	114,0	5,20
Вода	0,022	2,680	7,70	2,40	45,50	2,10
Гипс	0,018	1,510	11,0	3,60	55,60	2,50
Сухая глина	-	-	-	14,7	197,0	8,90
Гематит	0,0330	0,666	34,0	23,0	10,50	0,49
Доломит	0,0046	0.441	-	12,8	217,4	9,88
Кальцит	0,0071	0,432	35,0	10,4	140,8	6,40
Кварц	0,0034	0,268	37,0	19,1	294,1	13,4
Корунд	0,0112	0,364	-	9,50	18,00	4,50
Магнетит	0,0348	0,648	19,6	2,30	10,50	0,48