4.2.2. Методы импульсного n-поля

Принципиальное отличие методов импульсного нейтронного поля от рассмотренных выше методов стационарного заключается в возможности изучения процесса взаимодействия нейтронов с горными породами во времени.

В импульсных методах породы, слагающие стенки скважин, облучаются кратковременными импульсами (n-n*10 микросекунд) быстрых нейтронов, вырабатываемых генератором. Импульсы следуют друг за другом с периодом Т(~n миллисекунд). В процессе взаимодействия с горными породами нейтроны замедляются, диффундируют и поглощаются. В конце концов все нейтроны, относящиеся к одному и тому же импульсу источника, "вымирают" в результате захвата их ядрами химических элементов.

Е сли на расстоянии R от источника наблюдать временное распределение плотности нейтронов, то можно установить, что сразу после окончания импульса число замедлившихся нейтронов не велико, но оно увеличиваются со временем. Растет, в том числе плотность тепловых нейтронов. На этом этапе начинает сказываться поглощение последних ядрами породообразующих элементов и кривая распределения свой максимум и снижается.

Измерения проводят на спаде кривой распределения во времени потока тепловых нейтронов. Темп спада непосредственно связан со средним временем жизни тепловых нейтронов в данной среде . Детектор включают для регистрации через равные промежутки времени t_изм и подсчитывают число нейтронов, зарегистрированных детектором в каждом временном окне.

Частота следования нейтронных импульсов подбирается такой, чтобы до появления очередного импульса все нейтроны, связанные с предыдущим импульсом, полностью поглотились средой.

Пространственно-временное распределение плотности потока тепловых нейтронов на расстоянии R от источника по прошествии времени t после импульса выражается формулой:

, где

Q - число нейтронов, испущенных источников за 1 импульс; L_з - длина замедления нейтронов в данной среде; D - коэффициент диффузии;  -среднее время жизни тепловых нейтронов.

При выполнении условий t  L_з (L_з - время замедления нейтронов) и D*t >> L_з формула упрощается:

Первый сомножитель, деленный на Q, в этой формуле характеризует убыль плотности нейтронов в точке измерений за счет их дальнейшей диффузии (т.е. растекание нейтронов от детектора).

Второй сомножитель, наоборот, характеризует приток нейтронов от источника в точку измерения за счет диффузии.

Третий сомножитель определяет убыль тепловых нейтронов за счет их поглощения ядрами химических элементов.

Из последней формулы видно, что начиная с некоторого t плотность нейтронов в районе детектора не зависит от замедляющих свойств среды. При дальнейшем увеличении времени измерения формулу можно переписать в следующем виде:

Т.е. измерение плотности нейтронов на больших временных задержках позволяет непосредственно получить информацию о поглощающей способности среды.

При практической реализации метода выполняют измерения на различных временах после окончания нейтронного импульса. Определение основных нейтронных параметры среды (, D, L_з) производят по следующей схеме:

1) Используя последнюю формулу и измерения на больших задержках времени t определяют среднее время жизни тепловых нейтронов .

2) Используя среднюю формулу и величину  можно получить значение коэффициента диффузии тепловых нейтронов D.

3) Используя первую формулу и полученные величины  и D определяют длину замедления быстрых нейтронов L_з.

Отметим, что ИННК обладает большей чувствительностью к изменению , чем ННК. Действительно, если исследуются две горные породы с ₁ и ₂, то при измерении на больших временных задержках получим отношение:

при ₂>₁ и при t-> отношение n₂/n₁->;

при ₂<₁, и при t-> отношение n₂/n₁->0.

Таким образом, можно получить большие различия в показаниях ИННК при переходе скважинного прибора от одной породы к другой.

Глубинность МННК можно оценить из выражения по тепловым нейтронам:

Глубинность увеличивается при увеличении t (времени задержки) и при увеличении энергии нейтронов (т.е. при увеличении L_з).

В зависимости от того, какие ядерные реакции взаимодействия нейтронов с горными породами используются, какие при этом элементарные частицы регистрируются и при каких временных задержках исследуются импульсные нейтронные поля различают следующие модификации импульсных нейтронных методов каротажа: ИННК-НТ, ИННК-Т, ИНГК, ИНГК-С.

Метод ИННК-Т. Этот метод применяется в практике ГИС наиболее широко. Благодаря значительному увеличению энергии нейтронов, испускаемых скважинным генератором (до 14,1 МэВ) при соответствующем выборе времени задержки (1000-1200 мкс) радиус исследования ИННК-Т составляет 60-80 см, что намного превышает глубинность нейтронных методов с импульсными источниками.

Метод применяется для решения следующих задач:

1) Литологического расчленения разреза скважин.

2) Определения ряда полезных ископаемых.

3) Определения пористости горных пород.

4) Определения положения ВНК, ГНК, ГВК. Для литологического расчленения используют основные нейтронные характеристики пород - L_з,  и D. Практическими исследованиями доказано, что ИННК более информативен, чем методы стационарного нейтронного поля. Наиболее высокими значениями  характеризуются такие основные породообразующие минералы, как кварц (1340 мкс), доломит (988 мкс) и кальцит (640 мкс). Поэтому из осадочных горных пород высокими значениями  обладают кварцевые песчаники, а также для низкопористые известняки и доломиты (988 мкс). Пониженные значения  характерны для глинистых пород (~310 мкс), а также для горных пород обогащенных элементами с аномально высокими сечениями поглощения нейтронов. Достаточно контрастно выделяются угольные пласты повышенными значениями . Низкими значениями  выделяются пласты-коллекторы.

Метод ИНГК. Импульсный нейтрон-нейтронный каротаж с регистрацией -излучения радиационного захвата нейтронов решает те же задачи, что и НГ. По сравнению с методом стационарного поля он обладает теми же достоинствами, что и МННК перед ННК: более повышенная чувствительность, лучшая дифференциация показаний, высокая глубинность, возможность определения  и других нейтронных характеристик среды.

Пространственное и временное распределение -лучей может резко отличаться от характеристик порождающего их n-поля (поля тепловых нейтронов). Это связано с тем, что -излучение распространяется практически мгновенно и в некоторых точках пространства может опережать появление тепловых нейтронов. При этом поле захватного -из лучения более однородно и однородность достигается быстрее, чем в случае n-поля. Поэтому плотность квантов начинает меняться со временем по закону ехр(-t/) раньше, чем поле нейтронов. Отсюда следует, что в ИНГК могут использоваться меньшие времена задержки, что приводит к повышению скорости счета во временных окнах и улучшает статистическую погрешность измерений.

С увеличением длины зонда поток -излучения уменьшается медленнее, чем поток нейтронов, поэтому глубинность ИНГК выше, чем ИННК при прочих равных условиях примерно на 10%.

где  - линейный коэффициент ослабления -квантов.

Другим преимуществом ИНГК перед ИННК состоит в уменьшении влияния скважины. Экспериментальные работы показали, что в случае заполнения скважины минерализованной водой скорость счета ИННК уменьшается во много раз, в то время как скорость счета ИНГК практически не меняется. Показания ИНГК зависят от коэффициента диффузии тепловых нейтронов L_з, D и .

Как ИННК так и ИНГК применяется в основном на месторождениях нефти и газа.

Гамма-нейтронный каротаж (ГНК)

Основан на использовании явления ядерного фотоэффекта (т.е. на расщеплении ядер элементов под действием жестких -квантов по реакции (, n)). Самым низким энергетическим порогом такой реакции характеризуется Be, на ядрах которого она осуществлена с радиоизотопным источником ¹²⁴Sb (Е_ = 1,69 МэВ):

Таким образом, первичное излучение представляет собой поток -квантов, а регистрируемое (вторичное) - поток "фотонейтронов". Поэтому плотность потока нейтронов зависит как от -лучевых, так и от нейтронных свойств исследуемой среды. Поскольку применяется источник жесткого -излучения, то вероятность фотоэффекта ничтожно мала и преобладать будет комптоновское рассеяние. Отсюда следует - интенсивность -излучения и следовательно, генерируемого им фотонейтронного зависят от плотности горных пород и ,практически, не зависят от ее Z_эф.

Хотя длина зонда в ГНК составляет 7-12 см и фотонейтроны, образованные на расстоянии 8-10 см от детектора на пути к нему не успевают полностью замедлиться до тепловых (Е  0,02 эВ), тем не менее, их энергия гораздо меньше энергии быстрых нейтронов (Е  4 МэВ) ампульных источников. Поэтому влажность и нейтронопоглощающие свойства горных пород в ГНК сказываются примерно также как и в ННК.

Метод ГНК широко применяется при поисках и разведке бериллиевоносных редкометальных месторождении и подсчета запасов бериллия. Благодаря высокой чувствительности (10^-3-10^-4 Ве) ГНК можно использовать при поисках месторождений Ве и сопутствующих ему элементов путем исследования вторичных ореолов и потоков рассеяния Be в рыхлых отложениях. Главными элементами-помехами при этом являются редкие земли, бор, кадмий и литий, имеющие большие сечения поглощения нейтронов и встречающиеся на бериллиевых месторождениях.

Нейтронный активационный каротаж (НАК)

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

Наиболее широко применяется метод наведенной активности, в котором стенки скважины облучаются потоком нейтронов. В принципе возможна активация, как тепловыми, так и быстрыми нейтронами. Однако, как показал опыт работ, глубинность метода при активизации тепловыми нейтронами в 2 раза больше, чем быстрыми. Поэтому мы рассмотрим только активацию тепловыми нейтронами. Такая активация происходит по реакции:

(см. таблицу ниже).

Сечение реакции активации _а не превышает сечения радиационного захвата нейтронов. Из распространенных в горных породах изотопов относительно большое сечение активации имеют Mn⁶⁵, Zn⁶³, Na²³. Однако активационный эффект определяется не только _а, но также распространенностью изотопа и кларком элемента в горной породе. Так значительный эффект активации наблюдается с Al¹²⁷, Cl³⁷ и др.

Практическое значение той или иной реакции определяется в значительной степени свойствами активированного изотопа: периодом полураспада, наличием или отсутствием удобных для регистрации излучений, отличием спектра излучения от спектров сопутствующих изотопов. Некоторое представление о свойствах изотопов дает таблица.

Активация тепловых нейтронов

Реакция	Распространенность изотопа мишени, %	Сечение активации, барн	Период полураспада продукта	Е, МэВ
Na23 (n,) Na24	100	0,536	14,9 часа	2,75(100) 1,37 (100)
Mg26 (n,) Мg27	11,29	0,029	9,54 часа	1,05(30) 1,75(70)
Al27(n,) Al28	100	0,21	2,3 мин	1,78(100)
Сl37 (n,) Cl38	24,6	3,56	37,3 мин	2,15 (47) 1,6 (31)
Fe58 (n,) Fe59	0,31	0,98	45,1 дня	1,29(44) 1,10(56)
Co59 (n,) Co60	100	20	5,27 года	1,17(100) 1,33(100)
Cu63 (n,) Cu64	69,1	4,3	12,8 часа	0,51(38)
Zn64 (n,) Zn65	48,89	0,44	245 дней	1,12(44) 0,51(3)
Аs75 (n,)Аs76	100	5,4	265 часов	1,21(5) 0,65(6) 0,56(38)
Ag107 (n,) Ag108	51,35	45	2,4 мин	0.63(2) 0,51(003) 0,434(0,06)
Au147 (n,) Au148	100	96	2,7 дня	0,412(96}
V51 (n,) V52	99.76	4,5	3,8 мин	1,43(100)
Mn55 (n,) Mn56	100	13,3	2,58 часа	2,12(14) 1,81(25) 0,84(39)
F19 (n,) F20	100	0,009	2,58 часа	1,63(100)
Ir101 (n,) Ir102	38,5	700	71 ,4 дня	0,468(47) 0,316(83)

В скобках указан выход -квантов в процентах на распад продукта реакции (т.е. Х^m+1).

Во-первых, -излучение наведенной активности поглощается в промежуточной зоне и не достигает детектора. Во-вторых, увеличение диаметра скважины и наличие зоны проникновения стягивает облако нейтронов к источнику и снижает долю, попадающих в горные породы, что уменьшает число активированных атомов.

Методика проведения измерений заключается в следующем. Горные породы в заданной точке разреза скважины в течение некоторого времени активируют под действием нейтронного излучения. После окончания облучения регистрируемая наведенная активность горных пород уменьшается во времени по экспоненциальному закону. Причем зарегистрированная счетчиком - активность в любой момент времени примерно равна числу ядер данного элемента в горной породе, т.е. его концентрации.

Благодаря этому методом НАК решают две задачи:

1) Идентификации активированных изотопов;

2) Определения концентраций активированных изотопов.

П ервая задача решается путем анализа периода полураспада образующихся радиоактивных изотопов, а также путем анализа энергетического спектра - излучения. Чаще всего активируются несколько изотопов, имеющие различные периоды полураспада. Поэтому выбором времени измерений после активации можно исключить влияние короткоживущих изотопов.

Исследования НАК проводят точечным способом или непрерывным при движении скважинного прибора. Непрерывные измерения выполняют только при определении короткоживущих изотопов (T_1/2<10 мин). В этом случае источник располагают выше детектора на максимально возможном расстоянии (несколько метров). В этом случае исключается влияние на результаты измерений рассеянного гамма-излучения источника (собственного).

Метод применяется для решения задач нефтяной и рудной геологии. При исследовании нефтяных скважин он позволяет определять характер насыщения коллекторов, скорость движения пластовых вод, а также контролировать положение ВНК. Предпосылкой для решения последней задачи является наличие в минерализованной воде ионов Сl^- и Na⁺, которые активируются тепловыми нейтронам. Поэтому разработаны две методики определения положения ВНК: по хлору и натрию.

В рудной геологии метод применяют в настоящее время при исследованиях: 1) флюоритов и других фторсодержащих полезных ископаемых (фосфоритов, апатитов). При этом образуется короткоживущий изотоп F²⁰, поэтому здесь реализована методика непрерывных измерений; 2)меди; 3) марганца; 4) алюминия (также возможен способ непрерывных измерений).

Аппаратура многозондового нейтронного каротажа МНК-2

Аппаратура предназначена для измерений мощности экспозиционной дозы естественной -активности тепловых (надтепловых) нейтронов при исследованиях нефтяных и газовых скважин. -излучение регистрируется блоком детектирования 1, состоящим из кристалла NаJ(Тl) и ФЭУ, и преобразуется в поток электрических импульсов. Нормализатор канала ГК 2 преобразует их импульсы прямоугольной формы с заданной амплитудой и длительностью. Здесь происходит отделение полезных сигналов от шумов. С выхода канала ГК импульсы поступают на выходной каскад скважинного прибора 7. Два канала нейтрон-нейтронного каротажа большого и малого зондов идентичны, поэтому рассмотрим их параллельно .

О т блоков детектирования 6 и 6' импульсы поступают на вход усилителей ННК 5 и 5', отделяясь при этом от шумов. Блоки триггеров 4 и 4' служат для уменьшения потока импульсов, что позволяет снизить неравномерность их распределения во времени, при этом уменьшается статистическая погрешность.

Блоки формирователей 3 и 3' формирует импульсы длительностью 35 мкс, оптимальной для передачи по геофизическому кабелю, а также предотвращает совпадение во времени импульсов каналов малого и большого зондов, что исключает взаимное влияние каналов ННК. Далее информационные импульсы подаются на выходной каскад 7, который служит для согласования выходного сопротивления каналов с входным сопротивлением каротажного кабеля и для формирования различных полярностей импульсов, передаваемых от измерительных каналов ГК и ННК по одному каналу передачи информации.

Для питания блоков детектирования ГК и ННК служит высоковольтный преобразователь 8. Управляемое зондовое устройство содержит электромагнит, с помощью которого перемещается капсула с источником нейтронов (стационарного). Блок управления 9 предназначен для подключения скважинного прибора к пульту регистрации 10, и содержит источник питания и коммутирующие переключатели, управляющие напряжением электромагнита, а также переключатель режима работы скважинного прибора.

Экономическая эффективность применения ядерно-физических методов каротажа при разработке месторождений

Рудные месторождения

Горнодобывающие предприятия зачастую терпят убытки из-за того, что существующие способы рудничного опробования трудоемки и мало эффективны. Требуют высоких затрат средств и времени. Отбирая многие тысячи проб, геологи и горняки, тем не менее, вынуждены регулировать отбор и выдачу руды "на глаз". Это приводит к неоправданным потерям руды в недрах или к ее разубоживанию и непроизводственным расходам на транспортировку и переработку пустых пород.

С помощью ядернофизических методов эти задачи решаются с уменьшением затрат по времени и средствам. Это в первую очередь относится к применений ГГК-С на рудниках черных и цветных металлов, поскольку позволяет заменить химические анализы.

Нефтяные и газовые месторождения

1) Экономия средств достигается за счет уменьшения объема проходки нагнетающих и эксплуатационных скважин без отбора керна.

2) Контроль за качеством цементирования скважин позволяет исключить возможность некачественного тампонажа, а следовательно предотвратить необходимость остановки скважины и ее ремонта.

3) Контроль ВНК и ГЖК в обсаженных скважинах исключает необходимость бурения специальных необсаженных скважин для контроля этих параметров методами электрокаротажа.