Взаимодействия нейтронов c веществом и классификация нейтронных методов

Принципиальное достоинство нейтронных методов (НМ) – возможность телеметрического количественного изучения элементного состава пород в необсаженных и обсаженных скважинах. Благодаря этому обеспе­чивается:

количественное определение содержаний различных по ядер­но-физическим свойствам элементов (изотопов) в широком ди­апазоне их изменений;

оперативная оценка главных минеральных (при необходимости – сопут­ствующих) компонентов полезных ископаемых с большей экспрессностью и точ­ностью, чем традиционными методами геоло­гического опробования;

универсальность применений при изучении полезных иско­паемых различного состава и структурно-текстурных форм.

Пористость, глинистость, нефте-, водо-, газонасыщенность, химический состав твердой фазы пород, давление и температу­ра влияют на показания нейтронных методов не непосредствен­но, а через соответствующие нейтронные характеристики. Ха­рактеристиками пространственно-энергетического и вре­менного распределения в горных породах надтепловых и тепловых ней­тронов являются длина замедления нейтронов; время замедле­ния нейтронов; дисперсия импульсов замедленных нейтронов; длина диффузии и длина миграции, время жизни и коэффици­ент диффузии тепловых нейтронов. Знание этих параметров необходимо для петрофизического обоснования способов при­менения нейтронных методов, оптимизации условий измерений, создания алгоритмов обработки результатов, установления связей интерпретационных параметров со свойствами изучаемых сред.

Современная методология НМ нейтронных методов ориентирована на непосредственное использование нейтронных характеристик горных пород при интерпретации данных НМ (интегральных модификаций) и на элементный анализ горных пород (спектрометрические модификации).

В основе применения нейтронных методов изучения вещест­ва в геофизике лежит исследование физических процессов и явлений, сопровождающих распространение нейтронов в горных породах (Рис.7.9). Процесс замедления нейтронов охватывает широкую область энергий – от 14 МэВ (для изотопных источ­ников – от 11 МэВ) до примерно 1 эВ и протекает в сравни­тельно узком временном интервале, измеряемом временем замедления нейтронов, которое не превышает первых сотен микро­секунд. Процесс диффузии тепловых нейтронов отличается значительно большей длительностью: ширина соответствующего временного интервала, измеряемая временем жизни тепловых нейтронов, достигает (в слабопоглощающих средах) сотен миллисекунд. Область тепловых энергий ограничена сверху энер­гией химической связи и измеряется дисперсией максвелловского спектра со средней энергией 3/2 kT, где T – температура нейтронного газа в абсолютных единицах; k – постоянная Больцмана.

По характеру взаимодействия с нейтронами породообразую­щие элементы можно условно разделить (по массовому числу А) на три группы: 1) легкие (1<А<25); 2) средней массы (25<А<80); 3) тяжелые (80<А<240). Элементы первой груп­пы типичны для горных пород осадочного комплекса, второй и третьей групп – для изверженных и метаморфических пород. К первой группе должны быть отнесены также «магические» ядра, близкие по своим свойствам к легким ядрам.

Рис.7.8а,б. Схема взаимодействий нейтронов с атомными ядрами (а) и распределение нейтронных методов ядерной геофизики по физическим процессам (по Д.А.Кожевникову, б)

Взаимодействие нейтронов с ядрами различных элементов определяется не только массовыми числами ядер-мишеней, но и (весьма существенно) энергией нейтронов. Можно выделить три области энергий, ход нейтронных реакций в которых качественно различен: 1) Е<1 кэВ; 2) 1 кэВ<Е<0,5 МэВ; 3) 0,5 МэВ<Е<14 МэВ. Такое подразделение в общих чертах определяет характер ядерных реакций, типы испускаемых час­тиц, их угловое и энергетическое распределение и т. д. Напри­мер, в области низких энергий преобладает резонансное погло­щение нейтронов тяжелыми ядрами. В области средних энергий наиболее существенно упругое рассеяние. В области относительно высоких энергий конечное ядро может образоваться в нескольких возбужденных состояниях, благодаря чему возможно неупругое рассеяние нейтронов; заметной вероятностью обладают также реакции с вылетом заряженных частиц.

К петрофизически информативным явлениям относятся: 1) неупругое рассеяниебыстрых нейтронов на атомных ядрах, сопровождаемое испусканием характеристического гам­ма-излучения (гамма-излучение неупругого рассеяния – ГИНР); 2) активация атомных ядер быстрыми нейтронами; 3) резонанс­ное поглощение нейтронов; 4) упругое рассеяниенадтепловых нейтронов, при котором аномально сильным замедлителем является водород (масса ядра водорода — протона — равна массе нейтрона); 5) деление ядер надтепловыми нейтронами (для делящихся изотопов тяжелых ядер); 6) активация атомных ядер тепловыми нейтронами; 7) поглощение тепловых нейтронов, сопровождаемое испусканием характеристического гамма-излучения (захватное гамма-излучение); 8) ужестчение спектра тепловых нейтронов, обусловленное присутствием в горной породе элементов-поглотителей; 9) деление тяжелых ядер тепловыми нейтронами.

Рис.7.9. Зависимости полных микроскопических сечений от энергии нейтронов для некоторых элементов — аномально сильных поглотителей.

Рис.7.10а,б. Зависимости от энергии нейтронов полных сечений взаимодействия и средних косинусов угла рассеяния для кислорода (а) и кремния (б).

Перечисленные процессы происходят независимо от того, каков режим облучения нейтронами: стационарный или импульсный.

Рис.7.11. Элементы, количественно определяемые в горных породах нейтронными и другими методами ядерной геофизики (по Е.М.Филиппову и Я.А.Чубеку).

1 - метод наведенной активности по тепловым нейтронам; 2 - метод наведенной ак­тивности по быстрым нейтронам; 3 - нейтронный гамма-метод; 4 - нейтрон-нейтронный метод по тепловым нейтронам; 5 - активационный анализ по запаздывающим совпадениям; 6 - плотностной гамма-гамма-метод; 7 - селективный гамма-гамма-метод; 8 - метод естественной радиоактивности; 9 - фотонейтронный метод; 10 - нейтрон-нейтронный метод по надтепловым нейтронам.

Таблица 7.1. Индикаторное литолого-геохимическое значение некоторых элементов (по Дж.Швейцеру и Д.Эллису).

Измерение гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов на ядрах углерода и кислорода позволяет определять отношение атомов углерода и кислорода С/О в породе, что, в свою очередь, позволяет определять нефтенасыщенность продуктивных коллекторов независимо от минерализации пластовой воды («С/О – каротаж»).

Каждому из перечисленных процессов взаимодействия ней­тронов в горных породах соответствует один (или более) ней­тронный метод ядерной геофизики (Рис.7.8b). Использование источников нейтронов, рабо­тающих в импульсном режиме, позволяет резко увеличить объ­ем информации о составе исследуемой среды по сравнению со стационарными источниками.

Рис.7.12. Схема литологического деления осадочных пород по содержаниям основных породообразующих элементов (по Б.В.Вашакидзе, В.И.Гуме и др.). Стрелками указаны направления увеличения содержаний указанных элементов.

Разработаны следующие нейтронные методы: 1) метод спектрометрии гамма-излучения неупругого рассеяния (ГИНР); 2) метод наведенной активности (активационный анализ) на быстрых нейтронах (НАб); 3) метод резонансной акти­вации; 4) нейтрон-нейтронный метод по надтепловым нейтронам (ННМнт); 5) стационарный нейтрон-нейтронный метод по тепловым нейтронам (ННМт); 6) импульсный нейтрон-нейтронный метод по тепловым нейтронам (ИННМ); 7) стационарный нейтронный гамма-метод (НГМ); 8) спектрометрия захватного гамма-излучения (НГМ-С); 9) импульсный нейтронный гамма-метод (ИНГМ); имеет также спектроскопическую модификацию; 10) импульсный нейтронный гамма-нейтронный метод (ИНГНМ); 11) метод наведенной активности (активационный анализ) на тепловых нейтронах (НАт); 12) нейтронные методы, использующие реакцию деления; 13) фотонейтронный метод. На рис.7.12 отмечены элементы периодической системы Менделеева, определяемые в скважинных условиях различными методами ядерной геофизики.

В отличие от комптоновского рассеяния гамма-квантов, для нейтронов энергетические зависимости микросечений упругого рассеяния на ядрах различных элементов заметно отличаются, при­чем имеют сложную пилообразную («резонансную») форму (Рис.7.6a,b). Единственным исключе­нием является водород, для которого эта зависимость имеет гладкую (монотонную) форму.

При высоких энергиях (Е » 10¸14 МэВ) сечение поглоще­ния относительно невелико, и поглощение нейтронов слабо влия­ет на их распределение в горных породах. Почти у всех породообразующих эле­ментов в области надтепловых энергий сечение поглощения с уменьше­нием энергии изменяется по закону 1/u. Однако положение существенно меняется в породах и рудах, для которых характерно присутствие сильно поглощающих элементов. В резонансной области сечения поглощения ряда тяжелых (рудных) элементов дости­гают очень высоких значений, на несколько порядков (в тысячи и десятки тысяч раз) превосходящих величину сечений рас­сеяния.

Нейтрон-нейтронный метод по надтепловым нейтронам (ННМнт) состоит в измерении плотности потока нейтронов, замедленных в системе скважина — пласт, детекто­ром, находящимся на определенном расстоянии (называемом размером зонда) от стационарного источника нейтронов, в про­цессе перемещения измерительного прибора по стволу сква­жины. Регистрируемая детектором плотность потока замедлен­ных нейтронов зависит от эффективной длины замедления ней­тронов, которая при оптимальном размере зонда определяется водородосодержанием исследуемого пласта и его химико-минералогическим составом. Поэтому ННМнт используется для опре­деления объемного водородосодержания пласта, а при отсутствии в скелете породы химически связанной воды—для определения пористости и газонасыщенности.

Нейтрон-нейтронный метод по тепловым нейтронам (ННМт) заключается в регистрации плотности нейтронов, диффундирующих в системе скважина — пласт после их замедления до тепловых энергий. Плотность тепловых ней­тронов, измеряемая детектором при фиксированном размере зонда, зависит не только от эффективной длины замедления, но также от времени жизни τ и коэффициента диффузии D. По­следние два параметра характеризуют водородосодержание по­роды и содержания элементов с высокими сечениями погло­щения тепловых нейтронов (таких, как хлор, бор и т. д.).

Показания ННМт используются для оценки пористости коллекторов при неизменном их насыщении: если известна пористость — для определения газонасыщенности, если пласто­вая вода сильно минерализована — для определения типа флю­ида, насыщающего поровое пространство.

Из-за малого радиуса зоны исследования на показания ННМт и ННМнт влияют свойства среды, заполняющей сква­жину. В значительной степени ослабить это влияние позволяет использование приборов с прижимными устройствами и двухзондовых.

Нейтронный гамма-метод (НГМ) состоит в регистрации плотности потока гамма-квантов, возникающих в пласте и скважине в результате поглощения замедленных и тепловых нейтронов атомными ядрами. При фиксированном размере зонда показания детектора гамма-излучения («интенсивность» и энер­гетический спектр излучения) определяются такими нейтронны­ми характеристиками среды, как эффективная длина замедления быстрых нейтронов, время жизни и коэффициент диффузии тепловых нейтронов, а также излучающей способностью среды (спектр гамма-излучения, возникающего при поглощении одного нейтрона) и коэффициентом ослабления гамма-излучения. Все эти характеристики в свою очередь определяются водородосодержанием, химико-минералогическим составом и объемной плотностью исследуемых сред. Возможность изучения энергетического спект­ра захватного гамма-излучения повышает надежность выделе­ния пластов-коллекторов и определения типа флюида; в рудной геофизике нейтронная гамма-спектроскопия используется для элементного анализа горных пород.

Хотя радиус зоны исследования НГМ больше, чем ННМнт и ННМт, вклад излучения скважины в результирующие показания детектора при НГМ не только велик, но при известных условиях (при низких пористости пород и минерализации пластовой воды) играет даже определяющую роль. При оптимальном размере зонда излучение скважины тесно связано со свойствами пласта и не может рассматриваться как обычный фон.

Импульсный нейтрон-нейтронный метод (ИННМ) состоит в измерении спада плотности тепловых ней­тронов в зависимости от времени (времени задержки) после инжекции импульса быстрых нейтронов в исследуемую горную породу. При фиксированном размере зонда Z временное изме­нение показаний детектора тепловых нейтронов n(t; Z) зависит от времени жизни и коэффициента диффузии тепловых нейтро­нов в исследуемом пласте. В начальные моменты n(t; Z) отражает распределение нейтронов в скважине, однако с увеличе­нием времени задержки закон изменения показаний во времени стремится к е^-t/τ , т. е. определяется поглощающими свойствами пласта.

Табл. 7.2.Применения нейтронной гамма-спектрометрии (по М.М.Херрону)

*Для определения минерального состава используют также данные об объемной плотности (по данным ГГМ-П), эффективном атомном номере и водородосодержании пластов (по данным нейтронных методов).

Временное изменение отношения показаний на двух зондах n(t; Z₁)/n(t; Z₂) зависит от пространственного распре­деления тепловых нейтронов, которое в свою очередь характе­ризует рассеивающие свойства породы (водородосо­держание).

Возможность управления временем задержки позволяет осу­ществлять грубую пространственную «локацию» исследуемой породы, что обеспечивает увеличение радиуса зоны исследования ИННМ по сравнению со стационарными методами.

Импульсный нейтронный гамма-метод (ИНГМ)во многом аналогичен ИННМ и отличается тем, что регистри­рует нестационарное поле гамма-излучения, возникающего при поглощении тепловых нейтронов. Радиус зоны исследования ИНГМ больше, чем ИННМ. Особенно эффективен этот метод при измерении через насосно-компрессорные трубы, а также при исследовании скважин с нарушенным цементом.

Методы наведенной активности на быстрых (НАб) и тепловых (НАт) нейтронах основаны на облучении горной породы потоком нейтронов (от стационарного изотопного источника, импульсного или стационарного генератора, нейтрон­ного размножителя или ядерного реактора) и последующей регистрации гамма-излучения наведенной активности. Эти ме­тоды широко применяются в нефтепромысловой и рудной геофизике.

Практические возможности методов наведенной активности при элементном анализе горных пород определяются: 1) ядер­ными реакциями и элементами (изотопами)-излучателями, вно­сящими основной вклад в величину результирующего активационного эффекта; 2) формой энергетического спектра источ­ника нейтронов, которым облучается порода; 3) раздельной оценкой активации за счет реакции на быстрых и тепловых нейтронах; 4) выделением излучения искомых элементов на фоне активации других элементов; 5) величиной глубинности исследования, определяемой вкладом в общую величину активационного эффекта, даваемую участками горной породы, нахо­дящимися на различном удалении от источника нейтронов.