§ 14. Нейтронный каротаж
Сущность нейтронного каротажа (НК) сводится к облучению горных пород быстрыми нейтронами и регистрации гамма-излучения радиационного захвата нейтронов, а также характеристик надтепловых или тепловых нейтронов.
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
При НК исследования ведутся с помощью скважинного прибора, содержащего источник нейтронов и детектор нейтронов или гамма-излучений (см. рис. 64,в и г). Нейтроны не имеют электрического заряда, не ионизируют среду и, следовательно, не теряют энергии при взаимодействии с электрическими зарядами электронов и ядер. Этим объясняется их высокая проникающая способность. Масса нейтрона близка к массе протона (1,66·10-24 г). Нейтрон — частица с массовым числом, равным единице, и с зарядом, равным нулю (01n).
Энергия нейтрона Е так же, как и гамма-излучение, измеряется в МэВ или в эВ, характеризуется скоростью его движения v и пропорциональна v2. Различают быстрые нейтроны с энергией 1—15 МэВ, промежуточные—1 МэВ—10 эВ, медленные или надтепловые— 10—0,1 эВ и тепловые нейтроны со средней скоростью 0,025 эВ.
Единственный фактор, влияющий на движение нейтронов,— их столкновение с ядрами атомов, которое проявляется в виде рассеяния нейтронов и захвата их ядрами атомов. В результате рассеяния происходят уменьшение энергии нейтронов и изменение направления его движения.
Различают неупругое и упругое рассеяние нейтронов. В случае неупругого рассеяния при столкновении нейтрона с ядром атома большая часть кинетической энергии расходуется на возбуждение рассеивающего ядра, что сопровождается значительным снижением энергии (скорости движения) нейтронов. Неупругое рассеяние происходит при больших энергиях нейтронов и характерно для быстрых нейтронов.
При энергиях нейтронов от нескольких мегаэлектрон-вольт до 0,1 эВ преобладает упругое рассеяние, играющее основную роль в процессе замедления нейтронов. Упругое рассеяние вызывает перераспределение кинетической энергии между нейтроном и ядром (часть энергии нейтрона передается ядру), отклонение движения нейтрона от первоначального направления и снижение его энергии. Величина потери энергии при упругом рассеянии определяется массой ядра: чем меньше масса ядра, тем больше потеря энергии. Наибольшая потеря энергии происходит при столкновении нейтрона с ядром атома водорода, масса которого почти равна массе нейтрона. Потеря энергии нейтроном в этом случае может быть полной. Средняя потеря энергии составляет половину начальной энергии. Следовательно, после i столкновений энергия нейтронов снизится до 0,5i от его начальной энергии.
В результате рассеяния быстрых нейтронов, испускаемых источником, происходит их замедление и превращение в надтепловые и тепловые, т. е. в конечном счете энергия нейтронов становится равной кинетической энергии атомов и молекул. Такие нейтроны участвуют в тепловом движении атомов и молекул, сталкиваются с ними, не теряя и не приобретая энергии. Этот процесс получил название диффузии нейтронов.
В горной породе замедляющая способность нейтронов определяется содержанием водорода в единице ее объема (водородосодержанием). Наличие в породе даже малого количества воды или нефти, содержащих много водорода (порядка 10 % по массе), приводит к тому, что замедление нейтронов происходит в основном на ядрах водорода.
Одним из основных нейтронных параметров среды является длина замедления нейтронов Ls. Длиной замедления называют среднее расстояние по прямой линии от места вылета нейтрона до точки, в которой нейтрон становится тепловым. Величина Ls зависит от водородосодержания и при содержании воды и нефти в порах породы изменяется от 15 до 35 см, а в воде составляет несколько сантиметров.
Нейтроны, достигшие теплового состояния, продолжают двигаться (диффундировать) из областей большей плотности в области пониженной плотности, испытывая столкновения с ядрами элементов без изменения средней энергии и длины звеньев между отдельными столкновениями. В результате происходит поглощение (захват) нейтрона ядром атома.
Скорость пространственной диффузии тепловых нейтронов характеризуется коэффициентом диффузии
где vт — скорость движения тепловых нейтронов, равная 2200 м/с при T=20°С, с увеличением температуры скорость возрастает; k — число элементов, составляющих вещество; σpi — сечение рассеяния тепловых нейтронов ядрами i-го элемента в см2, отражает вероятность встречи нейтронов с ядром элемента и их рассеяния; zi— количество ядер i-гo элемента в 1 см3.
Коэффициент диффузии обратно пропорционален содержанию водорода в среде. Чем больше водонасыщенность среды, тем медленнее «расползается» облако тепловых нейтронов (диффузия происходит в течение 102—104 мкс).
Для диффузионной фазы движения тепловых нейтронов характерны величины Ld — среднее расстояние от точки возникновения теплового нейтрона до точки его поглощения и τcр — среднее время жизни нейтрона:
где ∑3 — эффективное макроскопическое сечение захвата нейтронов, выражающее способность среды поглощать нейтроны.
Захват медленного нейтрона сопровождается испусканием γ-квантов (радиационный захват), являющимся основной причиной вторичного гамма-излучения. Энергия γ-лучей захвата колеблется в больших пределах и достигает 10 МэВ. Возникают γ-лучи захвата в водородсодержащей среде в результате реакции 11Н + 01п = 12Н+γ. При захвате нейтронов в ядре создается некоторый избыток энергии, и оно приходит в возбужденное состояние. Переход в устойчивое состояние сопровождается испусканием γ-квантов, число и энергия которых зависит от того, какому элементу (и какому его изотопу) соответствует ядро.
С удалением от источника плотность нейтронов (число нейтронов в единице объема) в среде уменьшается, и одновременно возрастает число нейтронов с меньшей энергией. Значительный интерес представляет характер изменения плотности надтепловых и тепловых нейтронов с изменением расстояния от источника. Плотность нейтронов зависит от замедляющих и поглощающих свойств среды. Для большинства горных пород поглощающие и замедляющие свойства определяются водородосодержанием. Следовательно, чем выше водородосодержание, тем быстрее убывает плотность нейтронов с удалением от источника.
Из рис. 68 видно, что с удалением от источника плотность тепловых нейтронов nт быстро убывает; при повышении пористости (в данном случае водородосодержания) плотность нейтронов уменьшается более резко. Для надтепловых нейтронов картина аналогична, но значения плотности нейтронов меньшие.
Изучение разреза методами НК сводится к облучению горных пород быстрыми нейтронами и к регистрации гамма-излучения радиационного захвата нейтронов, плотности тепловых или надтепловых нейтронов. В соответствии с этим различают: нейтронный гамма-каротаж (НГК), нейтрон-нейтронный каротаж по тепловым (ННКТ) и по надтепловым (ННКН) нейтронам.
В зависимости от применяемых нейтронных источников различают: нейтронный каротаж со стационарным источником нейтронов и импульсный нейтронный каротаж (ИНК) с импульсным нейтронным источником — генератором нейтронов.
К НК со стационарными источниками нейтронов относятся: НГК, ННКТ, ННКН. Скважинные приборы, которые используются при НК, содержат нейтронный источник и детекторы гамма-излучения при НГК и тепловых нейтронов при ННКТ и ННКН. Расстояние от источника нейтронов до середины детектора является характерной величиной, соответствующей длине зонда L.