Нейтронные свойства горных пород

Нейтроныне имеют заряда и поэтому не испытывают электрического воздействия электронов и ядер и проникают достаточно далеко в горную породу. Их взаимодействие с горной породой зависит от энергии. Различают нейтроны:

тепловые (Еn <1эВ),

промежуточные (1 эВ< Еn <0,1 МэВ) и

быстрые (Еn>0.1 МэВ). При комнатной температуре энергия теплового нейтрона равна приближенно 0,025 эВ.

Нейтроны, как и гамма-кванты, испытывают в породе рассеяние и поглощение [25]. Отличие заключается в том, что взаимодействует нейтрон исключительно с ядрами, при рассеянии нейтрон не только изменяет направление движения и теряет свою энергию, но и замедляется, а при поглощении не исчезает, а входит в состав ядра. Поэтому процесс поглощения ядром нейтрона (теплового) еще называют захватом.

Потеря энергии нейтрона (а значит, и его замедление) зависит от массы ядра А и угла рассеяния нейтрона. При изотропном рассеянии логарифмическая потеря энергии нейтроном при столкновении с ядром (ξ) зависит только от массы этого ядра

, (3.17)

где Е1 и Е2 - энергия нейтрона до соударения и после соударения.

Как видим из формулы (3.17), наибольшие потери энергии нейтронов происходят при соударении с легкими ядрами, а максимально возможная потеря – при столкновении нейтрона с ядром водорода, равным ему по массе.

Быстрые нейтроны, которыми облучаются горные породы в скважине, в результате упругих и частично неупругих (с передачей части энергии ядру) соударений замедляются. Нейтроны, достигшие теплового состояния, в процессе их диффузии, в конечном счете, поглощаются (захватываются) ядрами элементов породы. Высокими поглощающими способностями обладают ядра Li, B, Cl, Cd, Hg.

В соответствии с двумя видами взаимодействий с нейтронами различают две группы нейтронных свойств горных пород: замедляющие и поглощающие.

 

 
 
Рис. 3.12. Нейтронные параметры основных групп минералов. 1 – оксиды; 2 – силикаты; 3 – карбонаты; 4 – сульфиды; 5 – минералы с аномальными свойствами; 6 – нефть; 7 – вода (с точками – рассол). А – минералы, не содержащие водород; Б – водородосодержащие минералы


Длина замедления (Ls) – среднее значение квадрата расстояния от начала движения в породе быстрого нейтрона до его замедления до тепловой энергии.

Аномальным замедлителем нейтронов в горных породах является водород. Низкие длины замедления (Ls<15 см) характерны для водородосодержащих минералов (рис. 3.12). Увеличение водородосодержания осадочной породы на 30% приводит к уменьшению длины замедления в 2.5 раза (рис. 3.13). Водород в осадочных породах присутствует в воде и нефти, а также в глинистых минералах. Состав других минералов практически не сказывается на нейтронных характеристиках осадочных пород.

Поглощающие свойства горных пород принято характеризовать двумя параметрами: τ и Ld.

Среднее время жизни теплового нейтрона τ в среде определяется отрезком времени между моментом, когда быстрый нейтрон замедлился до теплового, и моментомпоглощения теплового нейтрона ядром. Минералы, содержащие элементы – аномальные поглотители нейтронов, отличаются малыми значениями τ, меньше 1 мкс, в то время как в нормальных минералах тепловой нейтрон может не поглощаться сотни микросекунд.

Таблица 3.1

Нейтронные параметры природных сред

Природная среда σ, г/см3 Ld, см τ, 10-4 с
Вода 1,0 2,015 2,07
Глина (40% влажности) 2,28 2,28 1,75
Песок (25% влажности) 2,05 4,04 3,2
Глина сухая 1,88 18,7 9,22
Песок сухой 1,8 23,85 14,5

 

Длина диффузии Ld теплового нейтрона, аналогично длине замедления, характеризует среднее квадратичное расстояние, которое нейтрон проходит от точки замедления до точки поглощения. Длина диффузии, в отличие от Ls, зависит не только от водородосодержания породы, но и от содержания в ней элементов – аномальных поглотителей нейтронов.