Области применений нейтронных методов

Нейтронные методы первоначально применялись исключи­тельно для решения задач нефтепромысловой геологии, позд­нее — в рудной, угольной, горной геофизике и инженерной гео­логии, при полевой разведке, скважинных и лабораторных исследованиях. Этими методами определяется элементный со­став горных пород и руд как в лабораторных и полевых условиях, так и в условиях естественного залегания пород — в сква­жинах, карьерах, обнажениях и т. д.

Стимулом бурного развития нейтронных методов явились интенсивная разведка и разработка нефтяных месторождений, приуроченных к карбонатным отложениям, которые трудно изучать традиционными электрическими методами, особенно при сложной структуре емкостного пространства.

Если бурение скважин осуществляется на известково-битумном растворе или на растворах, изготовленных на нефтяной основе, применение электрических методов (кроме индукционного) полностью исключается.

В газонефтепромысловой геологии при разведке, разработке и доразведке месторождений нейтронными методами решаются следующие основные задачи:

1) расчленение разреза по литологии и газоводонефтенасыщенности;

2) корреляция разрезов скважин;

3) количественное определение коллекторских свойств горных пород, оценка начальной, текущей и остаточной нефтенасыщенности;

4) контроль продвижения пластовых вод, определение интервалов обводне­ния пластов и положения водо-нефтяного контакта;

5) определение поглощающих и неработающих пластов;

6) контроль гидроразрыва, солянокислотных обработок пластов и испытаний скважин;

7) контроль технического состояния скважин и т. д.

Измерения проводятся в неработающих нефтяных скважи­нах и в процессе работы скважин (через насосно-компрессорные трубки). Нейтронные исследования проводятся во всех бурящихся скважинах с целью уточнения литологической характеристики пластов и выделения коллекторов нефти и газа. В последние годы одной из важнейших стала задача количественной оценки остаточной нефтенасыщенности коллекторов после их заводнения.

Высокий уровень добычи нефти и газа не может быть до­стигнут только за счет открытия и своевременного ввода в разработку новых месторождений. Большую роль играет совершен­ствование методов добычи, обеспечивающих наиболее полное извлечение нефти и газа из недр при длительных периодах безводной эксплуатации. Это выдвигает задачу обеспечения разрабатываемых месторождений методами изучения процессов, протекающих в залежах при извлечении нефти и газа, а также контроля эффективности мероприятий по интенсификации до­бычи, капитальному ремонту скважин и т. д. Эти методы необ­ходимы также при создании и эксплуатации подземных хра­нилищ газа.

Применение нейтронных методов для контроля обводнения коллекторов при различных способах интенсификации добычи нефти — важное звено в общем комплексе контроля и регулирования разработки месторождений. Рас­членение пород по водо-нефтенасыщенности и определение водо-нефтяного контакта (ВНК) особенно важно в условиях приме­нения законтурного и внутриконтурного заводнения, когда наряду с закономерным подъемом ВНК может происходить прорыв закачиваемой воды по наиболее проницаемым участкам , вызывающий неравномерное обводнение последнего. В этом случае становится необходимым не только определение положения границы
вода — нефть в пласте, но и выделение участков пласта, обводнившихся в результате прорыва нагне­таемой воды. Своевременный контроль обводнения месторожде­ний позволяет обоснованно корректировать отбор нефти и закачку воды в пласт, управлять перемещением (стягиванием) контуров нефтеносности и в конечном итоге увеличить отбор нефти из недр.

Среди задач, решаемых нейтронными методами, особое значение имеет количественное определение водородосодержания. Водород содержится в нефти, природных газах, газогидратах и воде, заполняющих поровое пространство горных пород, а также присутствует в химически связанном состоянии в некоторых минералах, глинах, гипсе. В осадочных горных породах, не содержащих химически связанной воды, водородосодержание зависит от пористости. Количественное определение пористости необходимо для решения многих задач, начиная с поисков и разведки нефтяных и газовых месторождений и кончая контролем их выработки.

Область применений нейтронных методов количественного определения водоро­досодержания вещества очень широка:

1) в нефтяной и газовой промышленности — выделение и оценка продуктивных нефте- и газоносных коллекторов; контроль разработки месторождений; доразведка месторождений по измерениям в обсаженных скважинах старого фонда; контроль сооружения и эксплуатации подземных газохранилищ; измерение влажности пород для прогноза и контроля воздействии на пласт при мирном использования подземных ядерных взрывов с целью интенсификации разработки месторождений нефти и газа;

2) в нефтехимической промышленности —определение концентрации во­дорода и отношения атомов С/Н в углеводородах в автоматизированных си­стемах нефтепереработки и транспорта;

3) в промышленности строительных материалов — автоматизация управ­ления производством цемента на основе непрерывного контроля влажности при обжиге цементной массы;

4) в строительстве — контроль влажности при сооружении плотин, шос­сейных дорог, аэродромов;

5) в сельском хозяйстве — определение влажности почвы для контроля зоны деятельности корневой системы растений и фиксации изменения структуры почвы.

Важное применение получили нейтронные методы при изучении газовых месторождений и подземных газохранилищ. Они позволяют однозначно выделять газоносные пласты даже в низкопористых и низкопроницаемых коллекторах, контролировать разработку газовых месторождений.

Автоматизация управления технологическими процессами в нефтеперерабатывающей промышленности выдвинула задачу не­прерывного определения химического состава смесей углеводо­родов при условии, чтобы время между измерением и получе­нием результата было возможно меньшим. Химический состав смесей углеводородов определяется по величине С/Н, т. е. по весовому соотношению углерода и водорода в жидкости. Применение метода замедления нейтронов позволило полностью решить эту задачу, сняв ограничения, присущие β-фотометрии.

Для решения геологических и геохимических задач важное значение имеет нейтронный активационный анализ (как в стационарном, так и в импульсном режимах), позволяющий получить информацию о макросодержаниях О, F, N, Na, Mg, Al, Si, P, Си в силикатных, карбонатных и других породах и некоторых типах руд. Особенно эффективен активационный анализ при исследовании образцов горных пород с применением ядерных реакторов. Чувствительность метода дает возможность определять в геологических образцах многие микрокомпоненты на уровне кларковых и закларковых содержаний (10^-2—10^-9 %).

Кислородный нейтронно-активационный метод (КНАМ), реализуемый с генератором нейтронов одновременно с ИНГМ, применяется для установления границы подвижной и застойной воды в эксплуатационных скважинах, выделения интервалов притока воды из перфорационных отверстий и нарушений обсадной колонны, выявления интервалов затрубной циркуляции воды.

Нейтронные методы применимы для количественного определения содержаний урана в горных породах посредством регистрации мгновенных или запаздывающих нейтронов деления. Особенно эффективны они на урановых месторождениях сложного тектонического строения, характеризующихся нарушением радиоактив­ного равновесия.

В связи с большим значением бериллия, как металла новой (сверхзвуковой и ракетной) техники, распространение получил фотонейтронный метод, обеспечивающий бесфоновое количественное определение бериллия.

В лабораторных условиях применяется нейтронный осколко-радиографиче­ский метод изучения шлифов. Его можно назвать «нейтронной петрографией» [87, 92]. Он позволяет изучать с высокой чувствительностью пространственное распре­деление, локальные концентрации и формы нахождения таких элементов, как U, Th, В, Li и др. Концентрация этих элементов определяется непосредствен­но в шлифах (без их разрушения) Разрешающая способность метода выявления пространствен­ного распределения делящихся ядер составляет величину по­рядка размеров трека, т. е. около 10 мк, поэтому им могут быть исследованы образцы минералов размером несколько десятков микрон.