3.3.5 Нейтронный каротаж (стационарные нейтронные методы)

При нейтронном каротаже изучаются характеристики нейтронного и γ – излучений, возникающих при облучении горных пород источником нейтронов. В промышленности применяются стационарные и импульсные нейтронные методы исследования скважин. К стационарным относятся: нейтронный гамма – каротаж (НГК), нейтрон – нейтронный каротаж по тепловым (НК–Т) и надтепловым (НК–Н) нейтронам.

Стационарные источники нейтронов содержат смесь порошков бериллия с радиоактивным веществом, испускающим альфа–частицы (например, полоний, плутоний). При бомбардировке ядер атомов бериллия альфа–частицами радиоактивного вещества происходит ядерная реакция:

, (3.13)

где через ₀¹n обозначен нейтрон.

Эти источники представляют герметические ампулы и называются ампульными, дают быстрые нейтроны с энергией 11 МэВ; максимумы распределения по энергии приходятся на 3 и 5 МэВ. Интенсивность таких источников составляет не менее (3 ± 4)10^–6 нейтрон/с, для чего активность Ро или Ри должна быть порядка 10¹¹ Бк.

Нейтронный источник другого типа – генератор нейтронов. Титановая или циркониевая мишень с растворенным в ней изотопом водорода тритием (₁³H) бомбардируется дейтонами (ядрами тяжелого водорода ₁²H), ускоренными линейным ускорителем под напряжением около 10⁵В. По реакции образуются нейтроны с энергией 14 МэВ. Более высокая энергия нейтронов и монохроматизм излучения являются преимуществом таких генераторов. Другое преимущество – возможность выключения ис­точника, что повышает безопасность работ и позволяет доводить его интенсивность до 10⁸ – 10⁹ нейтрон/с.

Источники третьего типа – некоторые изотопы трансурановых элементов, например, калифорния (²⁵²Cf), претерпевающие интенсивное самопроизвольное деление ядер с испусканием нейтронов.

Будучи электрически нейтральными, нейтроны не испытывают действия электронной оболочки и заряда ядра, поэтому обладают большой проникающей способностью. Кроме того, при соударении с ядрами они вызывают разнообразные ядерные реакции, что делает их весьма полезными при изучении ядерного, а, следовательно, и хи­мического состава горных пород.

3.3.6 Нейтронный гамма–каротаж (нгк)

Метод НГК является одним из ведущих методов исследования скважин нефтяных и газовых месторождений. В комплексе с другими методами нейтронный гамма–каротаж применяется для литологического расчленения разрезов скважин, выделения коллекторов, оценки пористости, отбивки водонефтяного и газонефтяного контактов и т. п.

В нейтронном гамма–каротаже измеряется ис­кусственно вызванное гамма–излучение горных пород. Для возбуждения этого излучения стенки скважины бомбардируют нейтронами. НГК основан на измерении характеристик поля γ – излучения, возникающего под действием внешнего источника нейтронов.

Скважинный прибор НГК включает в себя источник нейтронов и детектор гамма–излучения. В качестве источников нейтронов в России применяют обычно ампулы, заполненные смесью порошкообразного бериллия и какой–либо соли полония. Ро–Ве источник дает около 2*10⁶ нейтронов в секунду на 1 г полония и примерно столько же гамма–квантов. Большая часть нейтронов – быстрые, с энергиями от 3,5 до 6 МэВ.

Поскольку нейтроны не имеют электрического заряда, проникающая способность их очень велика. Сталкиваясь с ядрами атомов горных пород, нейтроны теряют часть своей энергии и замедляются. При этом большая часть кинетической энергии теряется при соударении с ядрами легких атомов, главным образом, водорода. После примерно 25 соударений с ядрами водорода нейтроны замедляются до "тепловых" энергий (около 0,025 эВ) и диффундируют через породы, пока не будут захвачены. Тепловые нейтроны могут захватываться ядрами всех элементов, кроме Не. Низкие сечения захвата тепловых нейтронов имеют О и С. Аномально высокие сечения захвата у таких элементов, как T, Сd, В, С1 и некоторых других. Акт захвата теплового нейтрона сопровождается испусканием γ – квантов, которые образуют так называемое γ – излучение радиационного захвата (ГИРЗ). Часть этих γ –квантов фиксируется детектором в скважинном снаряде НГК.

Кроме радиационного гамма–излучения    (I_nγ),  детектор будет фиксировать также и гамма – кванты другого происхождения. Суммарную зарегистрированную интенсивность гамма – излучения можно представить в виде ряда:

I_Σ   = I_nγ+ I_у + I_ф + I_γγ , (3.14)

где  I_γ – естественное гамма – излучение пород; I_ф – фоновое гамма –излучение источника нейтронов; I_γγ – гамма – излучение  источника,  претерпевшее  комптоновское рассеяние в породах и обсадных трубах скважины.

Общая величина γ – излучения, регистрируемая при НГК, слагается из трех компонентов:

1) интенсивности γ – излучения Ιнгк, возникающего в результате радиационного захвата ядрами породы;

2) γ – излучения Ιггк источника нейтронов, которое воздействует на индикатор непосредственно или вследствие облучения стенок скважины γ–лучами, часть которых рассеивается породой в направлении индикатора;

3) естественного γ–излучения Ιгк, обусловленного естественной радиоактивностью породы.

Для выделения исследуемой составляющей I_nγ приходится прибегать к уменьшению влияния остальных составляющих I_у, I_ф, I_γγ. Для уменьшения влияния естественной радиоактивности  I_у выбирают, с одной стороны, мощность источника нейтронов такой, чтобы вызванное им гамма–излучение было, по крайней мере, на порядок больше естественного. С другой стороны, уровень естественной радиоактивности может быть учтен вычитанием показаний ГК из диаграмм НГК.

Для ослабления фонового гамма – излучения источника  I_ф между источником и детектором располагают мощный свинцовый экран. Для поглощения мягкого рассеянного излучения  I_γγ детектор излучения помещают в стальную гильзу (рис. 3.30).  Выделенная таким образом составляющая I_nγ  зависит, в основном, от содержания водорода в исследуемой среде. Когда скважинный снаряд проходит через формации с высоким содержанием водорода (в составе воды или нефти и газа), уровень наведенного гамма – излучения будет низким, т. к. большинство нейтронов будет замедлено и поглощено в непосредственной близости от источника и только некоторые из гамма –квантов смогут достичь детектора и будут зарегистрированы.

Если породы содержат мало водорода или не содержат вообще, нейтроны успевают распространиться далеко от источника прежде, чем они будут замедлены и захвачены.

При длине зонда 0,6 м и выше большая часть нейтронов будет поглощена где–то вблизи детектора гамма –излучения, и на диаграммах НГК будет наблюдаться высокий уровень интенсивности ГИРЗ.

При исследованиях зондами, длина которых L₃ более 40 см, плотность нейтронов в среде с большим водородосодержанием в зоне размещения индикатора мала, поскольку в такой среде нейтроны замедляются и поглощаются в основном вблизи источника. В результате породы с высоким водородосодержанием отмечаются на диаграммах НГК низкими показаниями.

В малопористых породах с низким водородосодержанием плотность нейтронов вблизи индикатора увеличивается, что вызывает повышение интенсивности показаний НГК. По нейтронным свойствам осадочные горные породы можно разделить на две группы – большого и малого водородосодержания.

 Рисунок 3.30 – Устройство зонда нейтронного гамма – каротажа.

К первой группе относятся: глины, характеризующиеся высокой влагоемкостью (пористостью) и содержащие значительное количество минералов с химически связанной водой (водные алюмосиликаты), гипсы, отличающиеся малой пористостью, а также некоторые очень пористые и проницаемые песчаники и карбонатные породы. При измерениях большими зондами (L₃ ≥ 40см) на диаграммах эти породы отмечаются низкими показаниями.

Во вторую группу пород входят – плотные известняки и доломиты, сцементированные песчаники и алевролиты, на диаграммах нейтронного гамма – каротажа эти породы выделяются высокими показаниями.

Против других осадочных пород (песков, песчаников, пористых карбонатов) показания НГК зависят от их глинистости и содержания в них водорода (насыщенности водой, нефтью и газом). Нефть и вода содержат почти одинаковое количество водорода, поэтому нефтеносные и водоносные пласты с малым содержанием хлора отмечаются приблизительно одинаковыми значениями НГК. Газоносные пласты в обсаженной скважине отмечаются на кривой НГК более высокими показаниями, чем такие же по литологии и пористости нефтенасыщенные пласты.

Интерпретация результатов НГК

Метод НГК дифференцирует породы по водородосодержанию. Как известно, среди осадочных пород наибольшее количество водорода содержат глины в составе химически связанной и поровой воды. Общее содержание воды в глинах может достигать 44%. Поэтому на диаграммах НГК глины выделяются самыми низкими значениями и представляют собой надежный "базовый" или опорный горизонт.

Самые же высокие уровни радиационного гамма – излучения наблюдаются против плотных малопористых известняков, которые могут служить другим опорным горизонтом, с минимальной пористостью (K_n ≈ 1%).

Песчаники и пески не содержат химически связанной воды, вследствие чего даже самые пористые из них отмечаются более высокими значениями НГК, чем глины. Среди гидрохимических осадков наименьшими значениями I_nγ выделяются гипсы благодаря высокому (до 48%) содержанию кристаллизационной воды, наибольшими – ангидриты.

Уровень записи I_nγ^x над пластом–коллектором (песчаник) занимает промежуточное положение между глинами и известняками и зависит от пористости и глинистости коллектора.

Определение границ и мощностей пластов. Контакты и мощности пластов в НГК определяются так же, как и в ГК, главным образом, по правилу полумаксимума аномалии.

Определение коэффициента пористости. Поскольку показания НГК зависят от полного водородо–хлоросодержания породы, включая содержание кристаллизационной воды и воды, адсорбированной глинистой частью породы, то наиболее точные результаты по определению пористости получаются в карбонатных отложениях. При количественной интерпретации диаграмм НГК величина интенсивности I_nγ, снятая против изучаемого пласта, непосредственно не используется. Причиной этого являются отсутствие строгой эталонировки радиометров и наличие сторонних излучений от самого источника нейтронов и рассеянного гамма–излучения, которые очень трудно учесть полностью.