Фізичні основи нейтронного каротажу.
Ядерні дослідження свердловин діляться на методи вивчення природної радіоактивності (гамма-методи) і штучно викликаної радіоактивності (гамма-гамма і нейтронні методи).
У штучних методах ядерних досліджень свердловин вивчаються явища поглинання, уповільнення, розсіювання гамма-променів і нейтронів, а також викликане, вторинне радіоактивне випромінювання. Ці методи є ядерно-фізичними. Для цього в свердловину опускається глибинний зонд з джерелом гамма-променів або нейтронів, що опромінює гірські породи. У цій же свердловині за екраном (свинець для гамма-променів або парафін для нейтронів), що перешкоджає прямій дії опромінювань, поміщається реєстратор гамма-променів або нейтронів (рис. 9.1).
Рис. 9.1. Схема пристрою глибинного приладу для штучного ядерного каротажу: 1 – джерело гамма-променів або нейтронів; 2 – умовні шляхи руху гамма-променів або нейтронів; 3 – екран; 4 – лічильник; 5 – блок живлення; 6 – попередній підсилювач; 7 – кабель; 8 – підсилювач; 9 – реєстратор; 10 – глина; 11 – вапняки; 12 – піски
Методи у яких опромінення породи проводиться нейтронами називають нейтронними. Їх поділяють за видом вторинного випромінювання, що реєструється, і режимом джерела. У різних методах можуть реєструватися чи нейтрони (нейтрон-нейтрон каротаж (ННК)), чи гамма-випромінювання радіаційного захоплення нейтронів (нейтронний гамма-каротаж (НГК)), чи гамма-випромінювання штучних радіоактивних ізотопів, які утворюються при поглинанні нейтронів ядрами (нейтронний активаційний каротаж (НАК)). Джерело може випромінювати нейтрони безперервно чи імпульсами, тобто на протязі коротких інтервалів часу, між якими джерело відключається (імпульсний нейтрон-нейтронний каротаж (ІННК)). Найбільше поширені зараз ННК і НГК, менше використовується ІННК.
У нейтронних методах каротажу вивчаються ядерні процеси, що відбуваються при опромінюванні порід швидкими нейтронами. Якщо порода містить велику кількість ядер водню (вода, нафта, газ), то швидкі нейтрони перетворюються на теплові після невеликих шляхів пробігу (до 30 см) або поблизу джерела. На великих відстанях (понад 40 см) щільність теплових нейтронів буде меншою. Оскільки теплові нейтрони схильні до радіаційного захоплення з супроводжуючим його вторинним гамма-випромінюванням, то із зростанням кількості теплових нейтронів росте вторинне гамма-випромінювання, а там, де теплових нейтронів мало, гамма-випромінювання буде слабким.
Таким чином, на великих відстанях від джерела (40 – 60 см), тобто на зондах великої довжини, в породах, що містять важкі елементи, щільність теплових нейтронів і вторинне гамма-випромінювання будуть вищі, ніж у водневмісних породах. Радіус обстеження порід нейтронними методами міняється від 20 до 60 см.
При нейтрон-нейтронному каротажі (ННК), вимірюється щільність теплових нейтронів або їх інтенсивність. При нейтронному гамма-каротажі (НГК), або нейтрон-гамма методі (НГМ), вимірюється інтенсивність вторинного гамма-випромінювання що виникає при радіаційному захопленні теплових нейтронів ядрами елементів гірської породи. Спостереження в методах ННК і НГК проводяться із зондами великого розміру (40 – 60 см від джерела нейтронів).
Нейтронні методи каротажу (ННК і НГК) застосовуються для розчленовування геологічних розрізів і особливо для виявлення водне- і хлорвмісних порід, а також оцінки їх пористості.
У нейтронних методах породи, що вивчаються, опромінюються нейтронами при різних енергіях, відстанях і часі опромінювання і вимірювання різних випромінювань. Розглянемо деякі з них.
1. Активаційний аналіз. Суть активаційного аналізу зводиться до опромінювання зразків гірських порід швидкими або повільними нейтронами і вивченню наведеної радіоактивності, з утворенням радіонуклідів певного періоду напіврозпаду. При цьому змінюється як час опромінювання, так і час вивчення наведеної альфа-, бета- або гамма-активності. Змірявши інтенсивність вторинного гамма-випромінювання протягом деякого часу після закінчення опромінювання, по графіку залежності від Inү(t) можна оцінити період напіврозпаду, а значить, наявність того або іншого хімічного елементу в зразку. Активаційний метод характеризується підвищеною чутливістю до елементів, що відрізняються високою активаційною здатністю, таким, як Al, Cd, Cl, Cu, K, Mn, Na, P, Si і ін.
2. Нейтронний аналіз. Нейтронний аналіз гірських порід зводиться до опромінювання їх швидкими нейтронами і визначення щільності потоку теплових нейтронів або інтенсивності вторинного гамма-випромінювання. Графіки залежності щільності потоку теплових нейтронів або інтенсивності вторинного гамма-випромінювання від відстані до джерела характеризують поглинаючі властивості речовини. По ним виділяють елементи, ядра яких володіють аномально високим перетином поглинання повільних нейтронів (B, Fe, Cd, Cl, Li, Mn, Hg, рідкоземельні елементи і ін.). Широко використовують автомобільну і пішохідну борометричні зйомки для виявлення бору в шарі завтовшки до 25 см.
На виявленні аномалій уповільнення нейтронів засновані методи вивчення водневміщуючих порід. Зокрема, за допомогою вологомірів визначають вологість гірських порід, якщо їх щільність визначена іншими методами (наприклад, щільністний гамма-гамма-метод).
3. Гамма-спектральний метод. Гамма-спектральним методом вивчають енергетичний склад вторинного гамма-випромінювання радіаційного захоплення. Можливість таких досліджень заснована на тому, що кожен елемент опромінюваної породи, захоплюючи теплові нейтрони, дає випромінювання певної енергії і спектру. Гамма-спектральний метод застосовують для аналізу руд, що містять Fe, Cu, Ni, Al, K, Na і інші елементи.