Нейтрон-нейтронный каротаж по надтепловым нейтронам

Нейтрон-нейтронный каротаж по надтепловым нейтронам (ННК-НТ) заключается в измерении плотности потока надтепловых нейтронов, образующихся в результате замедления в горных породах быстрых нейтронов от стационарного источника.

Надтепловыми считаются нейтроны с энергией от 100 эВ до 20 кэВ. Плотность потока надтепловых нейтронов определяется, главным образом, замедляющими свойствами среды, т.е. ее водородосодержанием, и практически не зависит от ее поглощающих свойств (от содержания ' элементов с большим сечением захвата тепловых нейтронов). В этом заключается преимущество ННК-НТ перед ННК-Т и НТК.

Детекторами надтепловых нейтронов служат бор-фтористые газоразрядные и сцинтилляционные счетчики тепловых нейтронов ЛДН, окруженные парафин-борным фильтром.

Поскольку в среде, где размещается детектор, существуют и надтепловые, и тепловые нейтроны, бор, содержащийся в фильтре, поглощает тепловые нейтроны, поступающие на счетчик, а парафин, в котором содержится много водорода, замедляет надтепловые до тепловых энергий, которые затем попадают на счетчик и регистрируются им.

В ННК-НТ так же, как и в других нейтронных методах, могут использоваться как большие (заинверсионные), так и малые (доинверсионные) зонды. При работе сбольшими зондами, чем больше водородосодержание, тем меньше показания 1_тт; при работе с малыми -наоборот.

Для нейтрон-нейтронного каротажа характерна небольшая глубинность исследования, которая в зависимости от свойств пород и их водородосодержания составляет от 20 до 30 см (уменьшаясь с ростом водрродосодержания). Наименьшая глубинность характерна для ННК-НТ, т.к. область распространения надтепловых нейтронов меньше, чем тепловых.

Контрольные вопросы

1. Поясните, в чем заключается физическая сущность рентген-радиометрического метода (РРМ)?

2. В чем заключаются трудности применения РРМ в скважинных условиях?

3. Почему метод РРК не применим на элементы с атомным номером меньше 25?

4. В чем заключается метод спектральных отношений?

5. Укажите преимущества и недостатки РРК.

6. По какому свойству горных пород дифференцирует разрез НТК?

7. Почему результаты НТК зависят от водородосодержания породы?

8. Какие породы характеризуются минимальными и какие максимальными показаниями на диаграммах НТК?

9. Почему при определении пористости пластов по НТК нужно учитывать их глинистость?

10. В чем преимущество ННК-Т перед НТК?

11. В чем преимущество ННК-НТ перед ННК-Т и НТК?

12. Какова глубинность нейтронных методов каротажа?

Лекция 14

Импульсный нейтронный каротаж (ИНК)

Физические основы метода

В этом методе горные породы облучают кратковременными потоками быстрых нейтронов и изучают результаты их взаимодействия с окружающей средой.

В качестве источника используют скважинный генератор нейтронов, основную часть которого составляет "отпаянная" нейтронная трубка (рис. 14.1). Эта трубка представляет собой стеклянный баллон, заполненный дейтерием при низком давлении порядка 0,02-0,05 Па. Внутри трубки с одной стороны располагается катод, с другой -высоковольтный электрод, внутри которого находится титановая мишень, насыщенная тритием. На высоковольтный электрод подают отрицательное напряжение порядка 150 кВ. Между катодом и высоковольтным электродом располагается полый цилиндрический анод, на который подают положительное напряжение в несколько сотен В. Снаружи трубки вокруг анода располагается катушка индуктивности.

Электроны, эмиссируемые катодом, ускоряются полем анода и ионизируют атомы дейтерия в трубке. Одновременное действие электростатического поля анода и магнитного поля катушки индуктивности заставляют электроны двигаться по спирали, что увеличивает длину их пути и усиливает их ионизирующее действие. Положительно заряженные ионы дейтерия притягиваются полем отрицательного высоковольтного электрода, ускоряются и бомбардируют мишень, насыщенную тритием. В результате ядерной реакции:

₁Н²+_[Н³=₂Не⁴+₀п¹

образуется поток нейтронов с энергией до 14 МэВ. Выход нейтронов -10⁶ -10⁹ нейтр/с. Длительность потока зависит от времени подачи напряжения на анод и составляет обычно от 10 до 20 мкс. Расход дейтерия компенсируется за счет его выделения из хранилища при пропускании через него электрического тока.

Длительность нейтронного импульса обозначают Дг, а интервал времени между импульсами - т. Частота следования импульсов - от 10 до 500 Гц. Через некоторое время после испускания импульса, называемое временем задержки г₃, производят измерение плотности потока нейтронов или продуктов их взаимодействия с веществом в среде в течение какого-то интервала времени замера ∆τ_зам(рис. 14.2").

Изменяя время задержки при постоянном ∆τ_зам,можно получить зависимость плотности нейтронов (тепловых или надтепловых) или

интенсивности радиационного у-излучения от времени задержки. Таким образом, ИНК позволяет исследовать не только пространственно-энергетическое, но и временное распределение нейтронов в среде и, следовательно, более полно изучить нейтронные характеристики горных пород.

При импульсном облучении процессы замедления быстрых и диффузии тепловых нейтронов происходят, грубо говоря, последовательно и могут быть исследованы раздельно в зависимости от времени задержки.

Как видно из рис. 14.2, плотность потока тепловых нейтронов сначала увеличивается за счет замедления быстрых нейтронов и через 10-100 мкс достигает максимума, а затем уменьшается за счет того, что тепловые нейтроны начинают диффундировать вдоль оси скважины, а из скважины - в пласт и поглощаться. Количество их убывает по закону

(14.1)

где τ_п - среднее время жизни тепловых нейтронов (от момента замедления до момента поглощения).

Время замедления быстрых нейтронов (10-10² мкс) характеризует замедляющие свойства, т.е. водородосодержание горных пород, а время диффузии тепловых нейтронов (10² -10⁴ мкс) определяется и водородосодержанием, и наличием ядер с большим сечением захвата тепловых нейтронов (например, Сl в пластовых водах).

Импульсный нейтронный каротаж возможен в вариантах ИННК-НТ, ИННК-Т, ИНГК и ИНГК-С (со спектрометрией ГИРЗ). Наибольшим распространением пользуется вариант ИННК-Т.