§ 5. Другие методы радиометрии

Нейтронный активационный анализ

(метод наведенной активности)

Метод наведенной активности (МНА) 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, а следовательно, 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 особенно медленными нейтронами. В первом случае актива­ция происходит обычно в результате реакций (n, p) и (n, α), во втором (n, γ). В разрезе нефтяных и газовых месторожде­ний наиболее типичны реакции: ²⁷Аl (n, γ) ²⁸Al (T_1/2 = 2,3 мин); ²³Na (n, γ) ²⁴Na (T_1/2 = 15 ч); ¹⁶О (n, γ) ¹⁶N (T_1/2 = 7,4 с); ²⁸Si (n, p) ²⁸Аl. В обсаженных скважинах существенны также реакции в материале колонны ⁵⁶Fe (n, p) ⁵⁶Mn (T_1/2 = 2,5 ч) и ⁵⁶Мn (n, γ) ⁵⁶Mn.

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 Т_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) обычно подвергают дальнейшей обработке с целью определения периода полураспада и активности всех изотопов, активирующихся в заметной степени. Для этого часто используют графический способ. Строят кривую спада активности, пред­ставляющую зависимость наведенной активности (в логарифми­ческом масштабе) от времени (в арифметическом масштабе) (рис. 45).

Рис. 45. Изменение во времени активности изотопов ²⁵Na (1), ⁵⁶Мn (2) и их суммарной актив­ности (3)

При наличии в породе одного активного изотопа та­кая кривая представляет прямую с наклоном, равным постоян­ной распада этого изотопа (кривые 1 и 2 на. рис. 45). Но и при активации нескольких изотопов (если проводить измерения в течение достаточно большого времени) к концу измерений обыч­но остается лишь один, наиболее долго 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 (см. рис. 45).

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. Поправку за их влияние вводят по ре­зультатам измерений другими нейтронными методами.

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, p) ^l6N (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 (см. гл. X).

Метод радиоактивных изотопов

(меченых атомов)

Метод радиоактивных изотопов основан на том, что в буровой раствор вводят некоторое количество радиоактивного изотопа и продвижение такого меченного раствора прослеживают путем измерения гамма-излучения по стволу скважины. Наибольший интерес при изучении геологического разреза представляет об­наружение проницаемых горных пород (коллекторов) по повы­шению их радиоактивности в результате проникновения в них активированного бурового раствора или его фильтрата. Такие исследования проводят как в необсаженных, так и в обсажен­ных скважинах, например, для определения зон поглощения в нагнетательных скважинах. Другое применение метода — разде­ление водо- и нефтенасыщенных пород путем закачки активи­рованного раствора, преимущественно проникающего либо в водоносные (например, раствор на водной основе), либо в неф­теносные пласты (раствор на нефтяной основе). Наконец, до­вольно широко этот метод используют при изучении техническо­го состояния скважин (см. гл. VIII).

Работы с радиоактивными изотопами проводят в следующей последовательности: а) исследуют разрез скважины гамма-ме­тодом («фоновый» замер); б) вводят радиоактивный изотоп в буровой раствор, заполняющий ствол скважины; в) выжидают время, необходимое для проникновения меченного раствора в пласты, пройденные скважиной (во многих случаях, особенно при малой плотности раствора, осуществляют искусственное «продавливание» раствора; после этого ствол скважины промы­вают для удаления остатков радиоактивного вещества); г) пов­торяют измерения гамма-методом; д) сопоставляя два замера ГМ, обнаруживают интервалы, радиоактивность которых суще­ственно изменилась между двумя замерами.

Для активирования раствора применяют радиоактивные ве­щества, хорошо растворимые в буровом растворе. Иногда ис­пользуют взвеси порошкообразных веществ, обогащенных ра­диоактивным изотопом. Чтобы уменьшить срок радиоактивного заражения скважины, период полураспада изотопа следует брать небольшим. Наиболее широко в СССР применяются изо­топы ⁵⁹Fe (Т=45 дней), ¹³¹I (8 дней) и ⁹⁵Zr (65 дней). Активность раствора обычно порядка 10⁸ Бк на 1 м³ раствора.

Для обеспечения безопасности работ вводить радиоактивный препарат в раствор следует в стволе скважины. Лучше всего вводить изотопы с помощью специальных инжекторов — глу­бинных приборов, в которых размещены камеры для отдельных порций радиоактивного вещества и устройство, позволяющее вводить это вещество в раствор на любой заданной глубине.

Помехами при применении метода радиоактивных изотопов является сорбция радиоактивных соединений непроницаемыми породами, особенно глинами, а в обсаженных скважинах — об­садной колонной. Благодаря этому наблюдается некоторое по­вышение показаний ГМ почти по всему стволу скважины. Кро­ме того, возможны ложные аномалии на забое (вследствие скопления активных осадков) и на верхней границе нефти или эмульсии в стволе скважины (из-за сорбции нефтью радиоак­тивного изотопа и других причин).

Поскольку при работе методом изотопов происходит радиоактивное загрязнение скважинного прибора из-за сорбции радиоактивного вещества его корпусом, такие приборы не следует применять при обычном ГМ.

Работы с использованием открытых радиоактивных изотопов относятся к числу весьма опасных и требуют исключительно тщательного соблюдения установленных мер техники безопасности. Указанные недостатки метода изотопов стимулируют разработку способов решения тех же задач с применением растворов, меченных нерадиоактивными веществами, к которым чувствите­лен тот или иной метод исследования скважин. Среди них важное место занимают вещества с высоким сечением поглощения нейтронов и частично вещества, хорошо активирующиеся ней­тронами. Пути движения таких растворов определяют с по­мощью соответственно импульсных нейтронных методов и мето­да наведенной активности.

Совокупность таких методов, применяющих меченные веще­ства (включая и метод изотопов), называют методом индика­торных веществ.

Ядерно-магнитные методы

Применение ядерно-магнитных методов (ЯММ) основано на наличии магнитных и механических моментов у ядер атомов.

При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные мо­менты отдельных ядер хаотически направлены во все стороны и их суммарный магнитный момент равен нулю. Если ядро по­местить во внешнее постоянное магнитное поле , то магнит­ные силы будут стремиться ориентировать магнитный момент ядра по направлению внешнего поля. Однако подобно вращаю­щемуся волчку в поле тяготения Земли полного совпадения маг­нитного момента μ отдельного ядра с направлением не произойдет. Вектор магнитного момента подобно оси волчка будет прецессировать вокруг направления поля т. е., непрерывно двигаясь, описывать коническую поверхность с осью, совпадаю­щей с направлением . Круговая частота прецессионного вра­щения зависит от магнитного момента ядра и напряженности магнитного поля. Для протона (ядра водорода) в магнитном поле земли частота прецессии близка к 2000 Гц.

Наблюдение относительно слабой ядерной намагниченности среды на фоне более сильного атомного диамагнетизма облег­чается механизмом свободной прецессии ядер. Чтобы наблю­дать свободную прецессию, создают неравновесное состояние ядер. В применяемом варианте метода этого добиваются при­ложением сильного поляризующего поля, направленного под уг­лом к направлению поля Земли . Этим достигается значи­тельное увеличение ядерной намагниченности и поворот ее направления по отношению к магнитному полю Земли. После выключения поляризующего поля среда остается в неравновес­ном состоянии — вектор намагниченности имеет гораздо боль­шую величину, чем в состоянии равновесия с полем Земли , и повернут относительно направления последнего. В результате начинается свободная прецессия вектора намагниченности вокруг направления .

Рис. 46. Схема получения свободной прецессии ядер в маг­нитном поле Земли .

А - поляризация дополнительным полем ; б - свободная пре­цессия вектора намагниченности после выключения поля; К - поляризующе-приемная катушка

Таким образом, при ЯММ принят следующий способ наблю­дения свободной прецессии ядер. Пропуская ток через катуш­ку, ось которой направлена под углом к магнитному полю Зем­ли, создают поперечное магнитное поле , поляризующее гор­ную породу, т. е. изменяющее направление и величину ее ядер­ной намагниченности (рис. 46). Величина должна быть во много раз больше поля Земли Н₀, поэтому результирующая на­магниченность практически совпадает с направлением по­ля .

Через некоторое время поляризации t_п поляризующее по­ле выключается настолько быстро, чтобы за время выключения вектор не успел заметно изменить свое направление.

После этого вектор намагниченности , прецессируя вокруг (см. рис. 46), постепенно возвращается в первоначальное поло­жение ; его поперечная составляющая уменьшается по за­кону

(II.13)

где M_1,0 - начальное значение к моменту выключения поля; T — время поперечной релаксации, показывающее скорость затухания свободной прецессии ядер.

При прецессии ее поперечная составляющая , враща­ясь вокруг оси , пересекает витки катушки в разных направ­лениях и наводит в последней переменную ЭДС с частотой 2000 Гц. Амплитуда колебаний этой ЭДС уменьшается во вре­мени по тому же экспоненциальному закону , что и . (здесь U₀ - амплитуда ЭДС в момент выключения поляризую­щего поля).

Значение U₀ — основная величина, определяемая при ЯММ. При методике, основанной на принципе свободной прецессии, регистрируется сигнал от ядер водорода. Ядра других элемен­тов (фтор, алюминий, углерод-13 и др.), обладающие ядерным: магнитным моментом, создают более слабый и быстро затухаю­щий сигнал, который практически не регистрируется прибором.

Таким образом, величина U₀ пропорциональна концентра­ции ядер водорода в горной породе. Причем несущественно, входит ли водород в состав воды или нефти. В связи с этим: метод ядерного магнитного резонанса используют для опреде­ления количества водорода в горных породах. Преимущество-метода заключается в том, что водород в составе воды, химически связанной или прочно адсорбированной на поверхности зерен породы, не дает вклада в измеряемую ЭДС, ибо создает очень быстро затухающий сигнал. Таким образом, определяе­мое ядерным магнитным методом количество водорода позволяет установить количество несвязанной (свободной) воды или нефти в породе. Это количество соответствует величине эффек­тивной пористости пород, представляющей важнейший пара­метр коллекторов. Другими методами, кроме метода ядерного, резонанса, этот параметр прямо не определяется.

Величину U₀, измеряемую таким образом при ЯММ, приня­то выражать в условных единицах, называемых индексом-свободного флюида (ИСФ). Сто таких единиц соответ­ствуют сигналу в воде. Величина ЭДС, соответствующая этой единице, определяется в результате эталонного замера в воде. Показания метода в единицах ИСФ после внесения поправок (за влияние диаметра скважины, глинистой корки и т. п.) соот­ветствуют эффективной пористости k_{п эф} коллекторов. Точку записи ЯММ относят к середине катушки зонда.