3.3.12 Метод наведенной активности: физические основы, методика проведения, область применения

Метод основан на изучении искусственной радиоактивности, возникающей при облучении горных пород нейтронами. По периоду полураспада Т_1/2 искусственно радиоактивных ядер и энергии их гамма–излучения определяют возникший радиоактивный изотоп и исходный изотоп горной породы, из которого он образовался. По интенсивности гамма–излучения радиоактивных ядер находят концентрацию соответствующих исходных элементов в горной породе.

Активация ядер может осуществляться как быстрыми, так и медленными нейтронами. В первом случае активация происходит обычно в результате реакций (n, ρ) и (n, α), во втором (n, γ). В разрезе нефтяных и газовых месторождений наиболее типичные реакции: ²⁷А1 (n,γ) ²⁸А1 < (Т_1/2 = 2.3 мин); ²³Na (n,γ) ²⁴Na (Т_1/2 = 15 ч); ¹⁶О (n,γ) ¹⁶N (Т_1/2 = 7,4 с); ²⁸Si (n,ρ) ²⁸А1. В обсаженных скважинах существенны также реакции в материале колонны ⁵⁶Fe (n,ρ) ⁵⁶Мn (Т_1/2 = 2,5ч) и ⁵⁶Мn(n,ρ) ⁵⁶Мn.

В методе наведенной активности используют установку, содержащую источник нейтронов и детектор гамма–излучения, удаленный от источника на большое расстояние (1.5 – 2 м), достаточное для того, чтобы интенсивностью гамма–излучения радиационного захвата у детектора (эффектом НГМ) можно было пренебречь.

В зависимости от периода полураспада изотопа, определяемого при МНА, исследования проводят при непрерывном движении прибора по скважине (для изотопов с периодом полураспада, исчисляемым секундами и первыми минутами) или на точках (при значении T_1/2 в несколько минут и более). В первом случае источник находится впереди и «наводит» искусственную радиоактивность, а индикатор движется за источником и регистрирует наведенную радиоактивность. Скорость движения прибора поддерживается строго постоянной. Точку записи относят к середине детектора. Такой способ применим лишь при наведении в породе преимущественно одного изотопа с небольшим значением T_1/2, например ²⁸Аl.

При образовании в породе нескольких изотопов в сравнимых количествах, а также в случае одного изотопа с периодом полураспада порядка нескольких минут и более проводят исследования при неподвижном приборе – по точкам. Скважинный прибор опускают на такую глубину, чтобы источник расположился против точки, намеченной к исследованию. После некоторого времени, достаточного для активации интересующих нас изотопов, прибор быстро перемещают на расстояние, равное интервалу между источником и индикатором, и последний устанавливают точно против облученной точки. Далее измеряют, интенсивность гамма–излучения при нескольких значениях времени задержки после конца облучения либо непрерывно регистрируют изменение во времени наведенной активности с помощью регистратора. Измерения продолжают в течение времени, равного примерно периоду полураспада наиболее долго живущего из определяемых изотопов. Примерно таким же берут обычно и время облучения.

При исследовании на точках данные об интенсивности наведенной активности (после вычитания естественной гамма–активности) подвергают дальнейшей обработке с целью определения периода полураспада и активности всех изотопов, активирующихся в замет ной степени. Для этого часто используют графический способ. Строят кривую спада активности, представляющую зависимость наведенной активности (в логарифмическом масштабе) от времени (в арифметическом масштабе). При наличии в породе одного активного изотопа такая кривая представляет прямую с наклоном, равным постоянной распада этого изотопа. Но и при активации нескольких изотопов (если проводить измерения в течение достаточно большого времени) к концу измерений обычно остается лишь один, наиболее долга живущий из активированных изотопов. Соответственно правая часть кривой спада активности будет иметь вид прямой линии с угловым коэффициентом, равным постоянной распада для этого изотопа. Продолжая эту прямую влево до пересечения с осью ординат, получают кривую спада активности наиболее долго живущего изотопа для любого момента времени.

Вычитая активность этого изотопа в разные моменты времени из суммарной активности, получают кривую спада активности остальных активных изотопов. Проводя, как и прежде, асимптоту к правой части этой кривой, будем иметь кривую спада активности следующего изотопа, а по наклону кривой – его период полураспада. Поступая и далее подобным образом, всю кривую расчленяют на прямолинейные (в полулогарифмической системе координат) кривые спада отдельных изотопов, сумма актив­ности которых и измеряется при МНА. В качестве величины, характеризующей активность изотопов, берут их активность к концу облучения, т. е. ординату пересечения с осью ординат соответствующих прямых для отдельных изотопов. Эту величину далее делят на мощность источника и пересчитывают на бесконечное время облучения. Переход от значений начальных активностей изотопов к концентрации элементов горной породы осуществляют на основании переходных коэффициентов, полученных по данным исследований моделей пластов с известной концентрацией элементов и с конструкцией скважины, совпадающей с конструкцией исследуемых скважин. Результаты исследований зависят (кроме конструкции скважины) от содержания в породе водорода и среднего времени жизни нейтронов.

В настоящее время МНА применяют в основном для выделения в разрезе скважины руд и оценки концентрации таких элементов, как алюминий, медь, марганец, фтор (флюорит).

При применении источников высокоэнергетических нейтронов (генераторов нейтронов) удается получить достаточно интенсивную активацию кислорода по реакции ¹⁶О (n, γ) ¹⁶N (Т_1/2=7.4 с). По изменению активности этого изотопа по стволу скважины можно выделить в разрезе скважины полезные ископаемые, бедные кислородом (каменный уголь, самородную серу, иногда нефтеносные пласты), а также изучить содержание углеводородов в жидкости, заполняющей скважину, что важно при контроле за разработкой нефтяных месторождений.