СКАЧАТЬ:  pgm-kursovaya.zip [254,75 Kb] (cкачиваний: 170)

Содержание

Введение……………………………………………….........................................1

1. Физические основы радиометрии…………………………………………2

1)    Основы нейтронного каротажа……………………………………….4

2)    Нейтронные методы исследования скважин (нейтронный каротаж)………………………………………………………………...8

3)    Нейтрон – нейтронный метод…………………………………………9

4)    Нейтрон – нейтронный метод с регистрацией надтепловых нейтронов…………………………………………………………….…9

5)     Нейтрон – нейтронный метод с регистрацией тепловых нейтронов……………………………………………………………...13

6)    Нейтронный гамма каротаж……………………………………….…16

7)    Импульсные нейтронные методы……………………………………17

8)    Радиометрическая аппаратура……………………………………….20

1.   Прибор радиоактивного каротажа РКМ-3Ц……………………….…24

1)    Устройство прибора РКМ-3Ц…………………………………….. ..27

2)    Принцип работы прибора РКМ-3Ц…………………………………28

1. Приложение 1………………………………………………………………32
2. Приложение 2………………………………………………………………33
3. Приложение 3………………………………………………………………34
4. Список использованной литературы……………………………………35

1.Физические основы радиометрии

Ядра некоторых изотопов могут самопроизвольно превращаться в ядра других элементов. Этот процесс называется радиоактивностью. Превращение ядра обычно происходит путём излучения альфа – или бета – частиц (), реже наблюдается захват ядром одного из электронов оболочки атома (К-захват). Каждый вид захвата сопровождается испусканием гамма - квантов.

Альфа -  и Бета- лучи представляют собой соответственно поток ядер гелия (т.е. частиц состоящих из двух протонов и двух нейтронов) и поток быстрых электронов. Проходя через вещество, они замедляются, затрачивая энергию на ионизацию атомов. Пробег бета – частиц в твёрдых телах и жидкостях составляет обычно не более нескольких миллиметров; пробег альфа – частиц в несколько сот раз меньше.

Гамма – лучи представляют поток «частиц» (квантов) высокочастотного электромагнитного излучения наподобие света, но с гораздо меньшей длиной волны, т.е. с большей энергией кванта. Пробег гамма – квантов в веществе в несколько десятков раз больше пробега для бета – частиц той же энергии.

Энергию гамма- квантов и других ядерных частиц принято выражать в электрон – вольтах (эВ) или миллионах электрон - вольт (МэВ): 1эВ = Дж. Энергия альфа – и бета – частиц и гамма – квантов, испускаемых радиоактивными ядрами, изменяется от долей до 3 МэВ.

Число ядер радиоактивного элемента уменьшается со временем экспоненциально:

                                                                               (1.1)

Где - число ядер радиоактивного элемента в начальный момент времени (t=0)

- период полураспада, т.е. время, в течение которого распадается в среднем половина атомов радиоактивного изотопа;

Количественной характеристикой радиоактивности некоторого вещества (препарата) является число распадов за единицу времени. Для данного радиоактивного изотопа количество распадов А за 1 с прямо пропорционально числу его атомов N, т.е.

                                                                                         (1.2) 

Коэффициент пропорциональности , называемы постоянной распада, связан с периодом полураспада соотношением

                                                                                    (1.3)

Таким образом, чем меньше период полураспада, тем при одинаковом количестве радиоактивного изотопа больше радиоактивного препарата.

Абсолютная радиоактивность (активность) вещества определяется числом распадов 1с. (расп./с). Активность в 1 расп./с принимается за единицу радиоактивности и носит название беккерель (Бк). Существует внесистемная единица Кюри (Ки), равная активности 1г  (1Ки = ). Для понимания зависимости показаний многих радиоактивных методов исследования скважин от свойств горных пород необходимо представить себе закономерности прохождения гамма – квантов через вещество. Для тех энергий, которые встречаются при радиометрии скважин (до 10 МэВ), существует три типа взаимодействия:  образование  электрон-позитронных   пар,   фотоэффект и эффект Комптона.

Эффект образования пар проявляется при очень высоких энер­гиях гамма-квантов (выше 5..10 МэВ для атомов горных пород). При этом гамма-квант, взаимодействуя с ядром атома, исчезает, образуя в поле ядра пару электрон-позитрон.

При фотоэффекте гамма-квант передает всю свою энергию од­ному из электронов внутренней оболочки, т. е. полностью погло­щается. Вероятность фотоэффекта резко увеличивается с увели­чением Z и уменьшением энергии излучения. Поэтому примеси в породе, или скважине элементов с большим атомным номером оказывают существенное влияние. В веществах, содержащих элементы с Z < 20, для гамма-излучения с Е > 200 кэВ влияние фотоэффекта очень мало.

При эффекте Комптона электрону передается часть энергии гамма-кванта; при этом гамма-квант изменяет направление движения (рассеивается). Этот вид взаимодействия является основным для излучения с энергией 0,1-1 МэВ, распространяющегося в  среде, содержащей легкие (Z < 20) элементы. После нескольких актов рассеяния энергия кванта уменьшается до величины, при которой он поглощается за счет фотоэффекта. Число актов рассея­ния до поглощения для квантов с начальной энергией Е = 0,5..1 МэВ, проходящих через горные породы, составляет в сред­нем 6-8. Вероятность эффекта Комптона на пути гамма-кванта пропорциональна количеству электронов в единице объема среды. Используя таблицу Мен­делеева, можно подсчитать, что отношение Z/A для элементов с Z < 20 (кроме водорода) с точностью до 3% равно 0,5. Таким образом, вероятность рассеяния гамма-квантов пропорциональна с указанной точностью только плотности горных пород.

Основы нейтронного каротажа (НК)

Вторым видом ядерных частиц, имеющим важнейшее значение при исследовании скважин, являются нейтроны.

В качестве источников нейтронов используют чаще всего смесь порошков бериллия с радиоактивным веществом, испускающим альфа – частицы (например, полоний, плутоний и др.). При бомбардировке ядер атомов бериллия альфа – частицами радиоактивного вещества происходит ядерная реакция:

                                                                       (1.4)

Где через  обозначен нейтрон

Такие источники, представляющие небольшие герметические ампулы и потому называемые ампульными, дают быстрые нейтроны с энергией, достигающей для полоний – бериллиевых источников 11 МэВ; максимумы распределения по энергии приходятся на 3 и 5 МэВ. Интенсивность таких источников при исследовании скважин, как правило, составляет не менее (3-4) нейтр./с., для чего активность Ро или Ри должна быть порядка .

Нейтронным источником другого типа, используемым при исследовании скважин, является генератор нейтронов. В нём титановая или циркониевая мишень с растворённым в ней изотопов водорода тритием бомбардируются дейтонами (ядрами тяжёлого водорода ), ускоренными линейным ускорителем под напряжением около. По реакции:

                                                                         (1.5)

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 нейтр./с.

Источники третьего вида – некоторые изотопы трансурановых элементов, например Калифорния () претерпевающие интенсивное самопроизвольное деление ядер с испусканием нейтронов.

Будучи электрически нейтральными, нейтроны не испытывают действие электронной оболочки и заряда ядра, поэтому облают большей 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.

Реакции с участием нейтронов подразделяются на две группы: рассеяние и поглощение нейтронов. Рассеяние бывает упругое и неупругое.

Упругое рассеяние аналогично столкновению двух идеально упругих шаров: часть кинетической энергии нейтрона передаётся ядру без изменения внутреннего состояния последнего. Сечение упругого рассеяния большинства ядер при  почти постоянно, а при большей энергии нейтронов существенно зависит от энергии последних. Из основных элементов горных пород наибольшее сечение упругого рассеяния (20-80) характерно для водорода.

Потеря энергии нейтрона при его упругом соударении зависит от массы ядра. Наибольшее изменение энергии достигается при соударении с ядром водорода, масса которого наиболее близка к массе нейтрона. При столкновении с ядром водорода нейтрон в среднем  уменьшает свою энергию в 2 раза, тогда как, например, для ядер кислорода и кремния это уменьшение составляет 11 и 6 %. Благодаря высокому сечению рассеяния и большой потере энергии при соударении водород является аномальным замедлителем нейтронов.

При неупругом рассеяние энергия нейтрона расходуется не только на создание кинетической энергии ядра, но и на его возбуждение, т.е. увеличение его внутренней энергии. Потеря энергии в среднем больше, чем при упругом рассеяние. Однако, неупругое рассеяние на лёгких элементах происходит лишь при больших энергиях нейтронов ив радиометрии скважин играет меньшую роль, чем упругое рассеяние.

Поглощение нейтронов сопровождается испусканием какой-либо ядерной частицы. Это может быть протон (обозначается  p), альфа – частица (), один или несколько гамма – квантов и т.д. Соответствующие ядерные реакции принято обозначать (n, p), (n, ) и .  Последняя реакция с испусканием гамма – квантов называется радиационным захватом нейтрона.         

Реакция радиационного захвата с заметной вероятностью происходит лишь при малой энергии нейтрона (для лёгких ядер менее 1-10 эВ). Сечение этой реакции убывает обратно пропорционально скорости нейтронов. Реакции (n, p), (n, ), наоборот, происходят обычно лишь при очень высоких энергиях нейтронов (как правило, больше 5 МэВ) и при радиометрии скважин имеют ограниченное значение. Исключение составляет реакция  (n, )на некоторых лёгких элементах (бор, литий), реакция (n, p) на очень редком изотопе гелия и некоторых других.  Они аналогично реакции  наиболее интенсивно протекают с медленными нейтронами.

Нейтроны, испущенные источником и попавшие в горную породу, относительно быстро замедляются в результате упругих и частично неупругих соударений. Поэтому большинство из них избегает поглощения в области высокой энергии и захватывается ядрами по реакции радиационного захвата, уже имея очень малую энергию, близкую к энергии теплового движения атомов среды (порядка 1/40 эВ). Поэтому результатом поглощения нейтронов обычно являются гамма – кванты, за исключением пород, богатых бором и литием, где кроме гамма – квантов образуются так же альфа – частицы.

При поглощении нейтронов атомами некоторых изотопов они становятся радиоактивными. Поэтому кроме гамма – излучения радиационного захвата, испускаемого практически в момент захвата и поэтому наблюдаемого лишь одновременно с облучением породы нейтронами, существует ещё гамма – излучение активизированных ядер, которое можно наблюдать и после выключения или удаления источника нейтронов.

        Нейтронные методы исследования скважин (нейтронный каротаж)

Методы, при которых горная порода облучается нейтронами, носят название нейтронных. Нейтронные методы различаются видом регистрируемого вторичного излучения, вызванного воздействием на породу первичных нейтронов источника, а также режимом источника.

Источник может быть импульсным, т.е. испускать нейтроны в течение небольших интервалов времени, между которыми источник включен, или стационарным, т.е. излучать нейтроны практически непрерывно. Соответственно говорят об импульсных (ИНМ) и стационарных нейтронных методах (СНМ).

В различных методах могут регистрироваться либо нейтроны, рассеянные ядрами атомов горной породы (нейтрон - нейтронный метод), либо гамма излучение радиационного захвата нейтронов (нейтронный гамма-метод), или, наконец, гамма излучение искусственных радиоактивных изотопов, образующихся при поглощении нейтронов ядрами (нейтронный активационный метод).

Установка для любого нейтронного метода содержит источник нейтронов и соответствующий детектор нейтронов или гамма – квантов (в зависимости от метода), расположенный на некотором расстоянии от источника, называемом размером (длиной) зонда. Между источником и детектором размещается фильтр, задерживающий прямое излучение от источника.

Наиболее массовое применение в настоящее время имеют нейтрон- нейтронный и нейтронный гамма – методы, менее широко импульсный нейтрон – нейтронный метод. Остальные модификации используются ещё реже.

Нейтрон-нейтронный метод

Испускаемые источником быстрые нейтроны с энергией в несколько мегаэлектрон – вольт в результате многочисленных соударений с ядрами атомов окружающей среды уменьшают свою энергию до величины порядка энергии теплового движения атомов (при комнатной температуре в среднем 0,025 эВ). Дальнейшие столкновения нейтрона с ядрами могут привести как к уменьшению, так и росту энергии нейтрона, но в среднем она остаётся вблизи указанной величины средней энергии теплового движения атомов. Поэтому такие нейтроны называют тепловыми, а процесс их распространения в среде – диффузией тепловых нейтронов. Часть истории нейтрона от момента вылета из источника до достижения тепловой энергии называется процессом замедления нейтронов. Диффузия тепловых нейтронов заканчивается поглощением последних каким-либо ядром и испусканием гамма квантов радиационного захвата. При нейтрон - нейтронном методе  (ННМ) регистрируются либо тепловые нейтроны, либо надтепловые нейтроны, энергия которых несколько больше тепловой энергии (от нескольких десятых долей до единиц электрон – вольт). Соответственно эти две разновидности метода называются нейтрон – нейтронными методами по тепловым нейтронам (ННМ-Т) и надтепловым  (ННМ-НТ) нейтронам.

 Аппаратура и методика работ

В ИННК применяется измерительная скважинная установка, состоящая из импульсного скважинного генератора нейтронов и расположенного на некотором фиксированном расстоянии (длина зонда) от него детектора нейтронов.  Модель скважинного прибора для работ методом ИННК представлена на рисунке.

Принцип работы скважинного генератора нейтронов следующий. Мишень, представляющая собой один из легких элементов (дейтерий, тритий, бериллий, литий и др.), бомбардируется потоком ускоренных заряженных реакций 2D( d,n) 3He и 3T(d,n) 4He бомбардировки потоком ионов дейтерия (дейтонов) или трития.

Основными конструктивными узлами генератора нейтронов являются ускорительная трубка и источник питания высокого напряжения (рис.). Ускорительная трубка представляет собой стеклянный баллон, заполненный дейтерием (изотопом водорода 2Н).

Рис2. Ускорительная трубка генератора нейтронов

 Ионизация дейтерия осуществляется электронами, эмиссируемыми накаленным вольфрамовым катодом электроны ускоряются цилиндрическим анодом  и под действием продольного магнитного поля, образованного катушкой, перемещаются вдоль него по спиральным траекториям. Высоковольтный электрод, в котором расположена мишень, питается  переменным синусоидальным напряжением с вторичной обмотки высоковольтного трансформатора Тр. При отрицательном потенциале на электроде электроны, не доходя до конца цилиндрического анода, отражаются и таким образом совершают внутри цилиндра колебательные движения, ионизирующие дейтерий. В это же время образовавшиеся положительно заряженные дейтроны ускоряются и, бомбардируя мишень 6 из циркония или титана, насыщенных тритием, генерируют нейтроны с энергией до 14 МэВ.

Расход дейтерия в ускорительной трубке восполняется с помощью натекателя, который представляет собой спираль из титановой проволоки, насыщенной дейтерием. При работе генератора натекатель нагревается током, и сорбированный дейтерий выходит из него в объем трубки.

Генератор нейтронов может работать в непрерывном и импульсном режимах. Импульсный режим работы осуществляется подачей положительного потенциала. На цилиндрический анод подается переменное напряжение в виде прямоугольных импульсов требуемой длительности от специального генератора, синхронизированного с высоковольтным трансформатором Тр. Имеются и другие конструкции генераторов нейтронов.

Существуют два варианта скважинных измерений ИННК – непрерывная запись и запись по  точкам.

При точечной записи ИННК получают более точные значения среднего времени жизни тепловых нейтронов а пласте. Его определяют по графикам спада плотности тепловых нейтронов в эталонных скважинах.

Точки замеров выбираются по дифференциациальным кривым ИННК (при фиксированном окне и на различных задержках). Расстояния между точками измерений в однородных нефтеносных пластах большей мощности должны быть 0,6-0,8 м, в литологически неоднородных пластах малой мощности 0,4-0,5 м, в водоносных пластах 0,8-1,0 м. Время замера в каждой точке должно обеспечивать скорость счета в интегральном канале (105-106) импульсов.

Среднее время жизни тепловых нейтронов в пласте можно определить и по непрерывным кривым ИННК, записанным при различном фиксированном временном окне, хотя погрешность измерений в этом случае больше.

При выборе времени задержки и временного окна должно соблюдаться условие τ > τn > τз.

С целью уменьшения статистических погрешностей измерения при записи кривых ИННК в нефтяных и газовых скважинах ограничиваются задержками    τз=1000 – 1200 мкс.

С увеличением временного окна ∆τз при выбранной задержке повышается скорость счета в канале, а следовательно, уменьшается погрешности измерений. Учитывая диапазон измерения в продуктивных пластах, ∆τ для газоносных пластов следует брать больше, чем для нефтеносных пластов. Обычно при изучении продуктивных пластов принимают  ∆τз=200 мкс.

Масштабы записи кривых ИННК выбираются таким, чтобы в исследуемом интервале разреза скважины была максимальная дифференциация пластов в пределах ширины диаграммной ленты.

В методе ИННК, как и в других методах радиометрии скважин, от скорости записи V и постоянной интегрирования  τя зависит статистическая точность измерений и влияние на форму кривых инерционности аппаратуры, поэтому при выборе этих величин руководствуются теми же требованиями, что и при проведении гамма-метода. Обычно в практике ИННК V=100-120 м/ч при τя =12 с.

Наиболее близкие к истинным значениям исследуемых пород коэффициент диффузии D и среднее время жизни нейтронов τn получают при достаточно больших временах задержки τз и при условии (время жизни тепловых нейтронов в пласте и скважине), когда характер связи n=f(τ) перестает зависеть от параметров скважины. В первый момент после действия импульса быстрых нейтронов в скважине плотность тепловых нейтронов в ней становится выше, чем в пласте, следовательно, диффузия нейтронов направлена преимущественно из скважины в пласт. В следующий момент времени тепловых нейтронов быстрее поглощаются в скважине, так как .

Затем наступает момент, когда плотность тепловых нейтронов в пласте становиться выше, чем в скважине, и тепловые нейтроны диффундируют, наоборот, в скважину. Регистрируемая плотность тепловых нейтронов в этот момент времени будет пропорциональна плотности нейтронов в горной породе, т.е. будет отражать нейтронные характеристики исследуемых пластов.

В случае , промывочная жидкость в скважине должна быть заменена более минерализованной, чтобы выполнялось неравенство.

Импульсный нейтрон-нейтронный каротаж применяется для литологического расчленения разрезов скважин, выделения полезных ископаемых, определения характера насыщения и пористости пород, водонефтяного, газонефтяного и газоводяного контактов.

Для литологического расчленения разреза скважин используют среднее время жизни тепловых нейтронов, определяющее поглощающие свойства горных пород, так как коэффициент их диффузии варьирует в относительно небольших пределах.

Наиболее высокими значениями τn характеризуются такие основные породообразующие минералы, как кварц (1065 мкс), доломит (956 мкс) и кальцит (630 мкс).

Из осадочных горных пород повышенными значениями обладают существенно кварцевые песчаники, низкопористые разности известняков и доломитов (около 800 мкс), пониженными – глинистые и полимиктовые песчаники и глинистые породы (300-330 мкс), а также хлоросодержащие соли и горные породы, обогащенные элементами с аномально высокими сечениями захвата нейтронов (B, Li ,Cd и др.), и горные породы, содержащие марганец, железо, титан.

Достаточно контрастно выделяются повышенным значениями угольные пласты.

Пониженным значениями τnn   пласты – коллекторы. Однако они более уверенно выделяются в комплексе с другими методами промысловой геофизики.

Определение характера насыщения коллектора и установление ВНК, ГВК и ГНК основано на различном водосодержании и хлоросодержании продуктивных и водоносных пластов. Различное водородосодержание фиксируется величинами D и  τn. В отличие от стационарных нейтронных методов импульсный нейтронный метод по тепловым нейтронам позволяет решать эти задачи даже при пониженной минерализации пластовых вод (20-50 г/л).

При высокой минерализации пластовых вод ИННК можно определить также коэффициент нефтенасащения коллекторов, а, следовательно, следить за текущим нефтенасыщением разрабатываемых месторождений.

 Нейтрон-нейтронный метод с регистрацией надтепловых нейтронов

Количество нейтронов, достигающих индикатора при ННМ-НТ, определяется особенностями процесса замедления нейтронов в среде, в которой находится прибор ННМ. Рассмотрим этот процесс подробнее. Потеря энергии при соударении нейтрона с ядром, также как и расстояние, проходимое им между соударениями, является случайной, поэтому замедление отдельных нейтронов до надтепловой энергии происходит на разном расстоянии от источника. Плотность надтепловых нейтронов, т.е. число последних в единице объёма среды, уменьшается при удалении от источника так, как изображено на рисунке 1.

                Рис.1 Изменение плотности надтепловых (а) и тепловых (б) нейтронов в однородном водонасыщенном песчанике в зависимости от расстояния r от источника быстрых нейтронов. Песчаник насыщен 1-пресной водой, 2-солёной водой (200 г/л NaCl).

 Закон уменьшения плотности потока нейтронов Ф в зависимости от расстояния r до источника весьма сложен. Грубо приближённо в однородной среде его можно представить в виде следующей относительно простой формулы:

                                                                                        (1.6)

где -интенсивность («мощность») источника, нейтр./с;

-замедляющая способность среды;

-параметр замедления, характеризующий среднеквадратичное расстояние, проходимое нейтроном до замедления.

Это расстояние сокращается при уменьшении пробега между соударениями (т.е. сростом сечения рассеяния нейтронов), а также при уменьшении числа соударений, необходимых для замедления. Число же соударений, очевидно, тем меньше, чем больше потеря энергии нейтронов при одном соударении. Среди основных преобразующих элементов водород является аномальным элементом, как в отношении сечения рассеяния, так и потери энергии нейтронов при соударении. Он обладает наибольшим сечением рассеяния, и при соударении с ним нейтрон теряет больше всего энергии. Поэтому параметр замедления   уменьшается с ростом концентрации водорода в горной породе. Влияние остальных элементов гораздо меньше по сравнению с влиянием содержания водорода и для разных элементов практически одинаково. То же самое можно сказать и о сомножителе . Поэтому показания ННМ-НТ почти однозначно связаны с концентрацией водород, присутствующего в основном в составе воды или углеводородов, заполняющих поры горной породы. Влияние изменения химического  состава скелета горной породы в большинстве случаев эквивалентно влиянию изменений водосодержания породы не более 5 - 6% от объёма породы.

Из формулы (1.6) следует, что характер зависимости показаний ННМ-НТ от водородосодержания горной породы (от параметра замедления) различен на разных расстояниях от источника. На небольших расстояниях от источника (обычно 10-30 см), где сомножитель   меняется слабо, зависимость Ф от водосодержания определяется сомножителем    и (как показывают расчёты) с уменьшением водородосодержания показания метода уменьшаются. На больших расстояниях, наоборот, преобладает влияние сомножителя  и показания растут с ростом параметра замедления, т.е. с уменьшением содержания водорода в горной породе.

При средних величинах r, при которых происходит пересечение кривых зависимости Фдля различных значений коэффициента пористости  (рис.1), зависимость показаний от   слабая.

Зонды с таким расстоянием между индикатором и источником принято называть инверсионным (область 2 на рис.1), зонды меньшего размера – доинверсионными (область 1) и зонды большего размера – заинверсионными (область 3 на рис. 1). В скважинах очень малого размера, заполненных жидкостью, доинверсионная область выражена слабо или даже практически отсутствует. Поэтому при ННМ-НТ в таких условиях зонды размером менее 20-30 см обычно не используют.

В заинверсионной области, чем больше длина зонда, тем выше чувствительность метода к изменению водородосодержания пород, а также больше радиус зоны исследования метода. Однако очень большие зонды (более 60 см) не применяют, так как с увеличением размера зонда резко уменьшается плотность нейтронов и для получения измерительной плотности нейтронов необходимо применять источники очень большой интенсивности, что повышает опасность работ. На практике используют зонды ННМ-НТ размером 30-40, реже 50 см. При таких зондах показания метода растут с уменьшением водородосодержания породы. Наибольшее количество водорода обычно характерно для глин, аргиллитов и мергелей. Они имеют большую пористость и содержат значительное количество химически связанной воды в составе глинистых минералов. Наконец, против этих пород часто наблюдаются каверны (увеличение диаметра скважины), что также способствует росту среднего количества водорода вблизи зонда ННМ. Эти породы, а также гипсы, содержащие много связанной воды, отмечаются на кривых ННМ-НТ минимальными показаниями. Плотные малопористые известняки, ангидриты, неразмытые соли, магматические и метаморфические породы и другие, содержащие в своём составе мало водорода, характеризуются самыми высокими показаниями на кривых ННМ-НТ      

Рис.2 Схематические диаграммы, полученные ядерными методами в разрезе осадочных пород.

1-каменная соль; 2-калийная соль;3-глина; 4-размытый пласт с глубокой каверной; 5-гипс; 5-ангидрит; 7 - известняк низкопористый; 8-известняк высокопористый (песчаник (песок)); 9 – газоносный; 10-нефтеносный; 11-водоносный; 12- метаморфизированная порода

Нейтрон-нейтронный метод с регистрацией тепловых нейтронов

       На показания ННМ-Т оказывают влияние как процесс замедления, так и процесс диффузии тепловых нейтронов. В результате диффузии тепловые нейтроны удаляются от источника в среднем на несколько большее расстояние, чем надтепловые нейтроны, поэтому уменьшение их плотности с расстоянием происходит несколько медленнее, чем в случае надтепловых нейтронов. Однако качество зависимости сохраняет вид, подобный изображённому на рисунке 1,а.   

    В однородной среде изменение плотности тепловых нейтронов  с расстоянием r приближённо можно описать формулой:

                                                (1.7)

Где -среднее время жизни нейтронов в тепловом состоянии (от момента их замедления до момента поглощения ядром); - длина диффузии тепловых нейтронов (среднеквадратическое расстояние, проходимое нейтроном от точки, где он стал тепловым, до точки его поглощения).

Среднее время жизни тепловых нейтронов обратно пропорционально макроскопическому сечению поглощения нейтронов средой. Оно определяется в основном присутствием и концентрацией в породе элементов с аномально высоким сечением поглощения тепловых нейтронов, таких как бор, хлор, марганец, редкие земли и т. п. В осадочных горных породах основным элементом с аномальным сечением поглощения нейтронов является хлор, присутствующий, как правило, в составе солёных пластовых вод. Соответственно среднее время жизни большинства осадочных пород уменьшается с увеличением коэффициента пористости горных пород и минерализации пластовых вод. Нефтеносные и газоносные породы имеют большее время жизни тепловых нейтронов по сравнению с водоносными пластами, насыщенными солёной водой. Некоторое значение, особенно при  малой минерализации пластовых вод, имеет также поглощение нейтронов водородом, а в глинистых породах – калием, железом и другими элементами.

Длина диффузии подобно параметру замедления уменьшается с увеличением водородосодержания, но в отличии от него несколько зависит также от поглощающих элементов, уменьшаясь с ростом концентрации последних. Однако обычно  (как и ) определяется в основном водородосодержанием пород.

Итак, показания ННМ-Т, также как и ННМ-НТ, зависят в основном от содержания в породе водорода. Характер зависимости определяется длиной зонда. Здесь существуют, как и при ННМ-НТ, доинверсионная область, где показания растут с ростом водородосодержания, и заинверсионная область, где показания уменьшаются при увеличении концентрации водорода. Кроме того, на показания ННМ-Т в отличии от ННМ-НТ некоторое влияние оказывают также элементы с аномальным поглощением нейтронов. При равном водородосодержании показания меньше для пород с большим содержанием таких поглотителей нейтронов, как хлор, бор, редкие земли и т.п. Например, водоносные пласты, содержащие по сравнению с нефтеносными больше хлора, отмечаются при равной пористости несколько меньшими показаниями ННМ-Т (см.рис 2, рис. 1,б).

Однако в скважине влияние среднего времени жизни нейтронов ощущается гораздо слабее, чем это следует из формулы (1.7), не учитывающей влияние скважины.

В результате для больших зондов, применяемых в нефтяных скважинах, основным фактором, влияющим на показания ННМ-Т, остаётся водородосодержание пласта, в частности, пористости пластов (см. рис.2, рис. 1,б). Влияние поглощающих свойств в терригенных и корбанатных породах обычно не превышает 20-30% измеряемых величин.

Таким образом, в нефтяных и газовых скважинах ННМ-Т, как и ННМ-НТ, применяют в основном для расчленения пород с различным водородосодержанием и определения коэффициента пористости пород. В последнем случае достаточно точные данные получаются лишь при учёте содержания хлора в буровом растворе и прилегающей к скважине части пласта (в пласте или зоне проникновения). При благоприятных условиях (высокая минерализация вод и постоянная пористость пласта, обсаженные скважины, где нет зоны проникновения фильтрата) ННМ-Т можно применять также и для определения положения ВНК (водонефтяного контакта).

Нейтронный гамма-метод

При изучении нейтронным-гамма методом (НГМ) регистрируют гамма-излучение, образующееся при захвате тепловых нейтронов ядрами горной породы (гамма излучение радиационного захвата). Интенсивность этого излучения в однородной среде уменьшается при удалении от источника примерно по такому закону, как интенсивность нейтронов (см. рис.1), однако несколько медленнее. Количество гамма-квантов, достигающих детектора, прямо пропорционально количеству нейтронов, поглощаемых единицей объёма в зоне расположения детектора, и числу квантов, образующихся при захвате одного нейтрона.

Форма кривой НГМ обычно оказывается близкой к таковой для ННМ и определяется в первую очередь содержанием водорода в горной породе и в скважине: при больших зондах, применяемых обычно на практике, показания НГМ растут при уменьшении водородосодержания среды, окружающий скважинный прибор (см. рис.2).

На втором месте по влиянию на показания НГМ после водорода стоят элементы, обладающие одновременно высоким сечением поглощения тепловых нейтронов и аномально высокой или (аномально низкой) интенсивностью гамма-излучения радиационного захвата. В осадочных породах таким элементом является хлор, дающий при захвате одного нейтрона в среднем 2,3 относительно высокоэнергетических гамма-квантов.

  При отсутствии хлора основное количество нейтронов в осадочных горных породах поглощается, как правило, водородом, дающим всего один гамма-квант на один поглощённый нейтрон. Поэтому повышение концентрации хлора в горной породе сопровождается при равном водородосодержании увеличением среднего числа гамма-квантов на один нейтрон, и следовательно, ростом показаний НГМ. В частности, водоносные пласты, насыщенные минерализованной пластовой водой, отмечаются большими показаниями по сравнению с нефтеносными пластами той же пористости. Хотя этот эффект невелик (обычно до 15-20%), но в благоприятных условиях (высокая минерализация пластовых вод и малые изменения пористости) он может использоваться для определения положения водонефтяного контакта в обсаженных скважинах.

В нефтяных и газовых скважинах НГМ применяют для решения тех же задач, что и  ННМ-Т, т.е. для расчленения пород, различающихся водородосодержанием, количественного определения коэффициента пористости, а также установления газожидкостного и реже водонефтяного контактов в обсаженных скважинах.

    Импульсные нейтронные методы

При импульсных нейтронных методах источник испускает нейтроны в течение сравнительно коротких интервалов времени  (рис. 3,а)

 Рис.3. Распределение плотностей тепловых нейтронов  во времени при ИННМ (а) и пример обработки его результатов (б) (заштрихован импульс источника)

Такие импульсы источника повторяются периодически с периодом , т.е.  раз в 1 с. С помощью специальной схемы – временного анализатора регистрация излучения осуществляется не непрерывно, а лишь в некоторые (специально выбранные) интервалы времени.

В настоящее время получили применение две модификации импульсных нейтронных методов – с регистрацией тепловых нейтронов (ИННМ) и гамма-квантов радиационного захвата (ИНГМ). Регистрация нейтронов (и гамма-квантов) в этих методах осуществляется в интервале между двумя импульсами источника через некоторое время задержки t после каждого импульса, составляющее от нескольких сотен до двух-трёх тысяч микросекунд (см. рис. 3,а).

Быстрые нейтроны, испускаемые импульсным источником, замедляются до тепловой энергии в среднем за время, составляющее не более нескольких десятков микросекунд, и при дальнейшей диффузии поглощаются ядрами среды. После окончания процесса замедления плотности нейтронов и гамма-квантов радиационного захвата уменьшается во времени примерно по закону:

                                                                                    (1.7)

т.е. на каждые  уменьшается в е раз.

Регистрируя тепловые нейтроны (ИННМ) или гамма – кванты (ИНГМ) при двух значениях времени задержки или более, можно определить среднее время жизни тепловых нейтронов в горной породе , которое как указывалось выше, позволяет судить о концентрации элементов, имеющих высокое сечение поглощения тепловых нейтронов.

Импульсы источника повторяются через небольшое время (обычно  раз в 1 секунду) и при ИННМ (ИНГМ) регистрируется интенсивность тепловых нейтронов (гамма – квантов) для некоторого значения времени задержки t, усреднённая по большому числу импульсов источника. Измерения при ИННМ (ИНГМ) выполняют либо при движении прибора по стволу скважины (и в результате получают непрерывные диаграммы для двух – трёх каналов с различными значениями времени задержки), либо иногда при неподвижном приборе (на точках) для повышения точности.

В первом случае о значении  судят по отношению показаний на двух каналах: чем меньше , тем больше различаются эти показания.

В настоящее время разработана аппаратура для непрерывного вычисления  в процессе замеров и получения непосредственно диаграмм изменения  по стволу скважины. В случае измерений на точках (с неподвижным прибором) интенсивность нейтронов или гамма – квантов обычно определяют при большом числе значений времени задержки , и строят графики зависимости логарифма показаний от t (см. рис.3,б). Такой график позволяет точнее определить значение  как величину, обратную коэффициенту наклона кривой при больших t.

При малых временах задержки t наклон кривой зависит (кроме ) также от диаметра скважины и свойств среды, заполняющей скважину. При больших значениях t такое влияние постепенно исчезает, что является преимуществом импульсных методов. Другое их преимущество заключается в большей по сравнению со стационарными методами чувствительности к содержанию элементов, сильно поглощающих нейтроны. В нефтяных и газовых скважинах это позволяет различать продуктивные и водоносные пласты при сравнительно малой минерализации пластовых вод (от 20-30г/л). При большей минерализации вод решение этой задачи возможно даже  по результатам измерения при одном значении времени задержки. При прочих равных условиях водоносные пласты отмечаются гораздо меньшими показаниями ИННМ при больших временах задержки  t по сравнению с нефтеносными пластами.

Радиометрическая аппаратура

Радиометрическая аппаратура для различных методов исследования имеет много общего. Основная функция её – измерение интенсивности нейтронов или гамма – квантов, поэтому она содержит электронные схемы для различных методов исследования, базирующиеся на одних и тех же принципах. Главные отличия аппаратуры для различных методов связаны с конструкцией зондов, источника, фильтров и детекторов излучения. Учитывая общую функцию всех типов радиометрической аппаратуры – измерение интенсивности радиации (излучения), эту аппаратуру принято называть скважинными радиометрами.

Конструктивно все радиометры состоят из скважинного прибора (заключённую в прочную стальную или иногда дюралюминиевую гильзу) и наземного пульта, соединённых между собой геофизическим кабелем.

Упрощённая блок – схема измерительной части радиометрической аппаратуры показана на рисунке 4.

Рис.4. Блок - схема  скважинного радиометра

Детекторы излучения – важнейшие элементы радиометров. В качестве детекторов излучения в скважинной аппаратуре применяют газонаполненные (газоразрядные) или сцинтилляционные счётчики.

Газоразрядные счётчики конструктивно представляют собой цилиндрический баллон, по оси которого натянута металлическая нить, служащая анодом рисунок 5.

Рис.5.Устройствои схема включения цилиндрического счётчика

1-      анод; 2 – катод; 3 – изолятор; 4 – стеклянный баллон; 5 – электрический вывод катода

Металлическая (или металлизированная изнутри  стеклянная) боковая поверхность баллона служит катодом. Между катодом и анодом подаётся постоянное напряжение, равное для разных типов счётчиков от 300 – 400В до 2 – 3 кВ.

     Счётчики для регистрации гамма – квантов заполняются смесью инертного газа с парами высокомолекулярных органических соединений или с галогенами. При взаимодействии гамма – излучения с катодом из него выбивается электрон в результате одного из процессов рассмотренных ранее. Электрон, попадающий в заполненный газом объём счётчика, осуществляет ионизацию газа, т.е. в свою очередь, вырывает электроны из атомов газа, превращая их в положительно заряженные ионы. Эти электроны, называемые первичными, ускоренные электрическим полем, по пути к аноду вызывают вторичную ионизацию и т.д. В результате число электронов лавинообразно возрастает, превышая число первичных электронов в тысячи и сотни тысяч раз – в счётчике возникает разряд. При относительно небольшом напряжении общее число электронов оказывается пропорциональным числу первичных электронов, а следовательно, энергии ядерной частицы, регистрируемой счётчиком. Поэтому счётчики работающие в таком режиме называются пропорциональными. При большом напряжении между анодом и катодом общее число электронов перестаёт зависеть от числа первичных электронов и от энергии регистрируемой частицы. Такие счётчики называются счётчиками Гейгера – Мюллера. Для регистрации гамма- квантов скважинных приборах применяют счётчики Гейгера – Мюллера.

На рисунке 5 показана схема включения газоразрядного счётчика. Высокое напряжение подаётся  на счётчик через сопротивление R; импульс напряжения (сигнал), возникающий на нём при прохождении разрядного тока, через ёмкость C подаётся на первый каскад усилительно – формирующего  каскада.

Нейтроны непосредственно не ионизируют газ в счётчике. Поэтому счётчики, предназначенные для регистрации нейтронов, заполняют газом, в молекулу которого входит вещество, при взаимодействии нейтронов с которым возникают быстрые заряженные частицы, производящие ионизацию. Таким веществом является газ фтористый бор  или один из изотопов гелия .  При поглощении медленных нейтронов ядром изотопа образуется альфа – частица. Поэтому при попадании тепловых и надтепловых нейтронов в счётчик, заполненный соединением бора, возникают альфа – частицы, вызывающие разряд в газовом объёме счётчика импульс напряжения на его выходе. При захвате нейтроном ядра  возникает быстрый протон.

Счётчики нейтронов работают в пропорциональном режиме, что позволяет исключить импульсы от гамма – квантов, которые имеют гораздо меньшую величину, чем импульсы от альфа – частиц, или протонов.

Сцинтилляционный счётчик состоит из сцинтиллятора, сопряжённого  с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). При падении гамма – кванта в сцинтиллятор происходит возбуждение атомов последнего. Возбуждённые атомы испускают электромагнитное излучение, часть которого лежит в световой области. Кванты света от сцинтиллятора попадают на фотокатод ФЭУ и выбивают из него электроны.

Рис.6.Принципиальная схема сцинтилляционного счётчика

1-      сцинтиллятор; 2 – корпус; 3 – отражатель; 4 – фотон; 5 – корпус ФЭУ; 6 – фотокатод; 7 – фокусирующий электрод; 8 – диноды; 9 – собирающий электрод (анод);  - делитель напряжения.

Фотоэлектронный умножитель кроме катода содержит анод и систему электродов (динодов), размещённую между катодом и анодом (см. рис.6). На диноды подаётся положительное (относительно катода) напряжение от делителя напряжения  ,при этом, чем дальше анод от катода, тем его потенциал выше. В результате электроны, испускаемые фотокатодом при попадании на него света, ускоряются, бомбардируют первый из динодов и выбивают из него вторичные электроны. В дальнейшем эти электроны ускоряются под действием разности потенциалов, приложенным между первыми вторым динодами, бомбардируют второй динод и выбивают из него «третичные» электроны. Так происходит на каждом из динодов, вследствие чего общее количество электронов возрастает в геометрической прогрессии. Общее усиление потока в ФЭУ (на анодном сопротивлении  (см. рис.6)) образуется импульс напряжения, через ёмкость С подаваемый на вход усилителя.

В качестве сцинтилляторов для регистрации гамма – квантов в скважинной аппаратуре используют кристаллы йодистого натрия. Для регистрации нейтронов применяют смесь сцинтиллятора (сернистого цинка) с одним из соединений бора.

В скважинном приборе кроме индикаторов располагается усилитель, или усилительно – формирующий  каскад, а также блок питания счётчиков.