Нейтронные характеристики горных пород

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Томский Политехнический университет

Институт геологии и нефтегазового дела

Кафедра ГЕОФ

Курсовая работа по радиометрии «Нейтронные характеристики горных пород»

Выполнил: ст. гр. 2250

Смирнов Роман

Проверил: доцент

Колмаков Ю. В.

Томск 2009



Введение

Нейтронные методы ядерной геофизики с каждым годом все шире применяются на месторождениях нефти, газа и твердых полезных ископаемых для определения коллекторских свойств горных пород, контроля разработки месторождений, элементного анализа горных порол и решения других важных задач.

Ведущая роль нейтронных методов при исследовании обсаженных скважин нефтяных и газовых месторождений определяется возможностью изучения геологического разреза через стальную обсадную колону. Такая важная задача, как, например, доразведка месторождений, в принципе не может быть решена без применения нейтронных методов.

Огромную роль нейтронные методы играют при контроле разработки нефтяных и газовых месторождений. Применение нейтронных методов исследования скважин позволяет повысить достоверность геофизических заключений и, как следствие, сократить сроки и затраты на разведку, применять более прогрессивные и экономические системы разработки месторождений, повысить коэффициент извлечения запасов. Использование нейтронных методов дает возможность значительно уменьшить ошибки при подсчете запасов и повысить удельную эффективность затрат на разведку на 20?30%.

Нейтронные методы основаны на закономерности взаимодействия нейтронов с веществом и закономерности пространственного распределения нейтронов в горных породах.

В разработке нейтронных методов ядерной геофизики можно указать три основных аспекта:

1) изучение нейтронных характеристик горных пород и теоретическое изучение распределения нейтронов и гамма-квантов в горных породах с целью обоснования способов измерений и принципов интерпретации результатов;

2) разработка измерительной аппаратуры, изучение закономерностей распределения нейтронов и гамма-квантов в горных породах при реальных скважинных условиях измерений с помощью математического и физического моделирования;

3) создание алгоритмов количественного определения нейтронных характеристик горных пород по результатам скважинных измерений и переход от них непосредственно к петрофизическим характеристикам или количественному содержанию того или иного элемента.

Таким образом, отправляясь от нейтронных характеристик горных пород, мы вновь возвращаемся к ним на заключительном этапе использования нейтронометрии скважин в нефтегазопромысловой геологии, но уже на значительно более высоком уровне требований к детальности изучения этих характеристик.

В настоящее время развитие нейтронных методов ядерной геофизики и дальнейшее совершенствование их применения и количественной интерпретации результатов измерений уже невозможно без систематического использования нейтронных характеристик горных пород.



1. Общая характеристика нейтронов и их взаимодействия с веществом

Нейтрон неустойчив, он распадается с периодом полураспада 11,7 мин, поэтому в свободном состоянии существует непродолжительное время. Благодаря ядерным силам нейтроны взаимодействуют с ядрами атомов, причем число элементарных процессов велико, а их закономерности более сложно зависят от состава вещества, чем в случае г-квантов.

Масса нейтрона (mn?1,675*10-27 кг) примерно в 1836 раз больше массы электрона или позитрона и незначительно превышает массу протона. Нейтроны устойчивы только в составе стабильных атомных ядер. Свободный нейтрон - нестабильная частица, распадающаяся на протон (p), электрон (e-) и электронное антинейтрино (нe) с выделением энергии 0,78 МэВ:

e-+ нe+0,78 МэВ.

Из всех видов излучений, используемых в методе радиометрии скважин, нейтронное обладает наибольшей проникающей способностью, поскольку нейтроны, являясь незаряженными частицами, не взаимодействуют с электронными оболочками атомов, не отталкиваются кулоновским полем ядра. Свободный нейтрон способен взаимодействовать только с самими атомными ядрами, вплоть до самых тяжелых.

Взаимодействие управляется ядерными силами, которые проявляются при каждом столкновении нейтрона с ядром, и может привести к рассеянию и поглощению нейтронов, причем поглощение сопровождается разнообразными ядерными реакциями. Исследуя рассеяние и поглощение нейтронов, можно идентифицировать химические элементы и характеризовать их количественное содержание в горной породе. Это делает нейтроны исключительно важным орудием радиометрии скважин.

Нейтроны делят на следующие условные энергетические группы: 1) холодные ( <0,01 эВ); 2) тепловые (0,01?0,025 эВ); 3) медленные (0,5 эВ); 4) резонансные (0,5?104 эВ); 5) промежуточные (104?105 эВ); 6) быстрые (105?108 эВ).

Связь между энергией нейтронов En (эВ) и их скоростью Vn (см/с), длиной волны лn (см), температурой по шкале Кельвина (К) определяется следующими соотношениями:

Vn=1,38?106 En0,5; лn =2,86?109 En-0,5; Т=1,16?104 En.

Наиболее существенными процессами, протекающими при взаимодействии нейтронов с горной породой, являются неупругое рассеяние, упругое рассеяние на ядрах элементов и поглощение (захват) ядрами элементов, слагающих горную породу, с испусканием, как правило, других частиц.

Рассеяние может быть упругим и неупругим. При неупругом рассеянии нейтронов ядро не меняется, но приходит в возбужденное состояние. Затем ядро отдачи переходит в основное первоначальное состояние с излучением гамма-квантов. Неупруго рассеянный нейтрон в результате этого взаимодействия отдает часть своей энергии, равной энергии возбуждения ядра отдачи. Ядерная реакция неупругого рассеяния записывается в виде (n, n/, г).

Неупругое рассеяние - пороговая реакция. Энергия порога, равная энергии первого возбуждения уровня ядра, уменьшается с ростом массового числа А от нескольких миллионов электрон-вольт до 100 КэВ. Следовательно, неупругое рассеяние происходит только при взаимодействии быстрых нейтронов с веществом и преимущественно на тяжелых ядрах элементов. Необходимо отметить, что на ядрах водорода невозможно неупругое рассеяние нейтронов, поскольку водород не образует составного ядра. Когда энергия нейтронов становится меньше 0,1 МэВ, неупругое рассеяние практически прекращается, и дальнейшее замедление нейтронов происходит путем упругих столкновений.

При упругом рассеянии между нейтроном и ядром происходит перераспределение кинетической энергии без изменения внутреннего состояния ядра, в результате чего быстрый нейтрон теряет часть своей энергии и рассеивается под некоторым углом к первоначальному направлению своего движения. Если кинетическая энергия нейтрона больше кинетической энергии ядра, то рассеянный нейтрон замедляется, а ядро ускоряется, и наоборот. Сечение упругого рассеяния большей части веществ зависит от энергии нейтрона только в быстрой области, а в тепловой и промежуточных областях практически постоянно. Величина потери энергии электроном зависит от типа столкновения нейтрона и ядра, а также от массы бомбардируемого ядра. Максимальная потеря энергии нейтроном происходит при центральном столкновении его с ядром, особенно при малом массовом числе А ядра. Так, при центральном столкновении с ядром водорода (А=1) нейтрон теряет всю энергию, поскольку массы ядра водорода и нейтрона равны. Меньше энергии нейтроны теряют при нецентральных столкновениях с ядрами элементов. Благодаря большому сечению рассеяния и большой потере энергии нейтрона при соударении с водородом последний является аномальным замедлителем нейтронов.

В горных породах чаще всего происходит упругое рассеяние быстрых нейтронов на ядрах легких элементов. Легкие вещества, имеющие малые массовые числа, а следовательно, обладающие наибольшей замедляющей способностью быстрых нейтронов, являются замедлителями. Наилучшие замедлители быстрых нейтронов - среды с высоким водородосодержанием.

Главными характеристиками процесса замедления за счет упругого взаимодействия являются среднелогарифмическая потеря энергии при одном соударении о и средний косинус угла рассеяния при замедлении .

о = ln,



где Em, Em+1 энергии нейтрона до и после соударения.

= .

Поглощение нейтронов сопровождается испусканием протона p, б-частицы, двух-трех нейтронов или гамма-квантов, т. е. оно происходит в реакциях (n, p), (n, б), (n,2n), (n, г) и т. д. Реакции поглощения нейтронов типа (n, p), (n, б), (n,2n) - пороговые и протекают , как правило, при En>2ч5 МэВ. В горных породах при энергии используемых нейтронов с большей вероятностью происходит захват нейтронов по реакции (n, г), при которой возбуждение ядра снимается путем испускания ядром мгновенного гамма-излучения. Реакция типа (n, г) называется радиационным захватом нейтрона элементом-поглотителем.

Радиационный захват в принципе возможен на ядрах почти всех элементов независимо от энергии нейтронов. Однако наиболее вероятен этот процесс для медленных и особенно для тепловых нейтронов и подчиняется закону 1/хn. Возможность радиационного захвата увеличивается с уменьшением энергии нейтронов. Это можно объяснить тем, что медленный нейтрон сравнительно долго находится вблизи ядра, следовательно, возрастает вероятность захвата его ядром.

Реакция (n, г) типична для полностью замедлившихся нейтронов. Энергия их соизмерима с энергией теплового движения атомов и молекул. Такие нейтроны являются тепловыми. Средняя энергия тепловых нейтронов при температуре 20 0C составляет 0,025 эВ. Тепловые нейтроны вызывают реакцию (n, г) на ядрах всех элементов, за исключением гелия. Аномальные поглотители тепловых нейтронов - кадмий, хлор, бор, литий и др.

В надтепловой области, т. е. в диапазоне энергии от долей до нескольких сотен электрон-вольт, сечения поглощения для ряда элементов характеризуются наличием резонансов. Это означает резкое увеличение вероятности реакции (n, г) для нейтронов с определенной энергией. Такие нейтроны называют резонансными.

Радиационный захват нейтронов сопровождается испусканием одного или нескольких гамма-квантов разной энергии (до 10 МэВ), причем каждый элемент имеет свой собственный энергетический спектр, который может быть использован для определения элементного состава горных пород. В большинстве случаев остаточное ядро, сформированное в результате реакции (n, г), радиоактивно. По периоду полураспада и гамма излучению, сопровождающему распад, удается определить исходное ядро, участвовавшее в реакции (n, г), т. е. идентифицировать исходный химический элемент. Следует иметь в виду, что взаимодействие нейтронов с ядрами какого-либо элемента не зависит от того, с какими другими элементами они химически связаны, т. е. от химического соединения элементов.

Таким образом, нейтроны, испускаемые источником быстрых нейтронов и попавшие в горную породу, относительно быстро (за 10-4?10-5 с) замедляются в результате упругих и частично неупругих соединений. Большая часть нейтронов избегает поглощения в области высокой энергии и захватывается ядрами по реакции радиационного захвата (n, г), уже имея очень малую энергию (около 0,025 эВ).

Вероятность взаимодействия нейтронов с ядрами характеризуется полным нейтронным сечением уn, равным сумме сечений рассеяния уn s и поглощения уn c нейтронов.

уn(E) = уn s(E)+ уn c(E).

Полное сечение представляет собой эффективную площадь ядра, которая обычно больше его геометрического сечения. Зависимость сечений от энергии нейтронов может быть очень сложной. Кроме того, сечения зависят и от сорта ядер. При данной энергии на одних ядрах преобладает рассеяние нейтронов, а на других - поглощение.

Полные нейтронные сечения можно определить экспериментально, измеряя прохождение пучка нейтронов через образец среды. Многочисленные результаты измерений полных сечений представлены в виде графиков, аналогичных графику рис. 1. Кроме того, имеются многочисленные экспериментальные данные по полным сечениям и сечениям захвата тепловых нейтронов. Часть из них приведена в табл. 1.

Макроскопическое сечение равно произведению микроскопического на плотность та ядер (атомов) среды:

ma=(ус/A)NA,

где с -- плотность; NA -- число Авогадро.

Рис. 1. Нейтронное сечение как функция энергии.

Таблица 1 - Нейтронные сечения для некоторых элементов (тепловые нейтроны).

Элемент или соединение	уn s, б	уn c, б	Элемент или соединение	уn s, б	уn c, б
H	38	0,33	Cl	16	32,6
H20	103	0,66	Ag	6	62
Li	1,4	71	Cd	7	3315
B	4	755	Tr	10-30	4000-8000
C	4,8	0,003	Hg	20	360
O	4,2	2?10-4	Pb	11	0,17
Si	1,7	0,13

Синтетическими характеристиками горных пород являются возраст фs (или длина замедления L), время замедления tз (на стадии замедления) и длина диффузии Ld, коэффициент диффузии D и время жизни нейтрона ф (на стадии диффузии).

2. Возраст и длина замедления нейтронов

В процессе замедления нейтрон двигается по сложной траектории, перемещаясь от одного ядра замедлителя к другому. Средний путь, проходимый нейтроном между двумя последовательными соударениями, называется средней длиной свободного пробега лs. Очевидно, что

лs = 1/nуs,

где n - концентрация ядер в среде; уs - эффективное сечение рассеяния.

Из формулы следует, что величина лs различна для различных разных сред и является функцией энергии нейтронов для данной среды. Величина лs (как и о) является одной из важнейших характеристик замедлителя, так как чем меньше лs, тем быстрее происходит замедление. Коэффициент о/лs называется замедляющей способностью замедлителя.

При каждом акте рассеяния нейтрон отклоняется от первоначального направления, так что его путь в замедлителе - зигзагообразный. Весь путь, пройденный нейтроном за время замедления от первоначальной энергии E0 до заданной энергии E, равен

Л = ,

где = (1/о) ln(E0/E) - среднее число соударений, необходимых для замедления нейтронов от энергии E0 до энергии E; лs(Ei) - средняя длина свободного пробега при энергии, соответствующей i-му акту рассеяния.

Рис. 2. Возможные траектории движения нейтронов в пространстве.

Если пренебречь зависимостью лs от энергии, то грубо ориентировочное значение Л можно получить, умножив на :

Л = ,

где ? длина свободного пробега, усредненная по энергетическому интервалу, в котором рассматривается замедление. При замедлении быстрых нейтронов (En > 50 кэВ) в водороде лs можно считать пропорциональной х, для нейтронов с энергией 1 эВ< En<50 кэВ лs ? const.

Для решения некоторых задач очень важно знать на какое расстояние r смещаются нейтроны в процессе замедления от первоначальной точки. Ясно, что величина Л не может служить мерой этого смещения, так как из-за статистического характера процесса замедления нейтрон в одном случае сместится почти на Л, в другом процесс замедления закончится в окрестности первоначальной точки.

Можно показать, что средний квадрат перемещения приблизительно равен



,

где = (1/о) ln(E0/E), А -- массовое число замедлителя.

Числитель формулы совпадает с известным выражением для среднего квадрата броуновского перемещения частиц. Что касается знаменателя, то в нем учитывается анизотропия рассеяния нейтронов.

Известно, что упругое рассеяние нейтрона на тяжелом ядре может происходить под любым углом и, в то время как угол рассеяния нейтрона на протоне не превосходит 90°. В связи с этим траектории движения нейтронов в водородном замедлителе больше вытянуты вперед, чем в тяжелом. Количественно это отличие может быть охарактеризовано средним значением косинуса угла рассеяния , которое равно нулю для изотропного рассеяния и растет с ростом анизотропии.

= .

Эта величина и входит в знаменатель формулы среднего квадрата перемещения. Величину часто называют транспортной длиной или длиной переноса и обозначают лt:

лt = .

Физический смысл транспортной длины -- среднее расстояние, проходимое нейтроном в первоначальном направлении (до поворота на 90°). Очевидно, что лt = лs + лs + лs()2 +…= лs/(1- ).

В связи с этим предыдущую приближенную формулу можно записать в форме

.

В частном случае водородного замедлителя

лt = = 3лs и .

На расстоянии r = от источника большинство нейтронов имеют энергию меньше конечной энергии замедления.

Все формулы являются грубо приближенными, так как при их выводе предполагалось, что лs, о и cos и не изменяются в процессе замедления. Более точная информация для имеет следующий вид:

.

Существует распространенная теория замедления для сред с малым о и слабой зависимостью лs от энергии. Эта теория называется теорией возраста. В возрастном приближении процесс замедления описывается уравнением диффузионного типа, сходным с уравнением теплопроводности:

?q(r,ф) = (?q/?ф) (r,ф),

где -- возраст нейтронов, q (r,ф) -- плотность потока нейтронов вдоль оси ф. Название ф связано с тем, что при малом сбросе энергии за одно соударение величина ф однозначно связана с энергией нейтрона и временем его замедления.

Теория возраста позволяет получить ряд результатов, имеющих большое значение для решения практических задач физики замедления нейтронов. Так, например, решение уравнения возраста для точечного источника дает

q(r, ф) = (4рф)-3/2exp (-r2/4ф), причем 2 = 6ф.

Возраст ф, а также длину замедления Ls = часто используют в качестве характеристик замедления. Методика расчета параметров замедления детально разработана Д. А. Кожевниковым.

Для конкретного источника нейтронов длина замедления зависит от плотности и вещественного состава горной породы. В качестве параметра, характеризующего нейтронные свойства замедлителя определенного состава, рассматривают массовую длину замедления

Y = сLs [г/см2].

Обычно длину замедления рассчитывают для энергии, соответствующей основному резонансу индия (Е = 1,46 эВ). На рис. 3 приведены результаты расчета длины замедления для некоторых типичных горных пород. Анализ этих данных показывает, что длина замедления слабо зависит от изменения изотопного состава пород, но существенно меняется при повышении содержания водорода (влажности). Особенно резкие изменения сL наблюдаются в области малых значений влажности (W < 5%). При W > 10% длина замедления меняется слабо.



Рис.3. Массовая длина замедления индиевых нейтронов (E = 1,46 эВ) Po - Be - источника как функция влажности различных горных пород.1? ангидрит; 2 - песчаник; 3 - известняк; 4 - доломит.

Длина замедления существенно зависит от начальной энергии нейтронов (рис. 4). Для всех горных пород эта зависимость одинакова: длина замедлений растет с увеличением энергии Ео. Длина замедления зависит от коэффициента пористости kп (поры заполнены водой). Следует учесть, что при этом L меняется в связи с изменением влажности W и плотности с влажной породы. Соотношения между W, с и kп следующие:

с = с0 ? kп (с0 - 1);

W = (kп/ с)?100%;

kп = (с0 - с)/( с0 - 1),

где с0 -- минералогическая плотность (при kп = 0).



Рис.4. Длина замедления индиевых нейтронов в известняке (с0 = 2,73 г/см3).

Длины замедления Ро -- Be- и Ra -- Ве-источников практически не отличаются друг от друга, особенно в области небольшого влагосодержания.

Теория возраста применима для рассмотрения процесса замедления в достаточно тяжелых замедлителях, например в графите. Основное условие применимости возрастной теории -- непрерывность процесса замедления -- не выполняется в водородсодержащих средах, при замедлении в которых нейтрон может потерять всю энергию за одно соударение. Поэтому она неприменима для таких сред, и в этих случаях для теоретического описания процесса замедления приходится рассматривать сложное кинетическое уравнение (или другие его приближения).

Из-за трудностей теоретического описания процесса замедления приведенные (и другие) формулы обычно дают только грубую оценку величины 2 (а также позволяют оценить влияние на 2 различных параметров замедлителя, например, плотности). Точное значение 2 обычно находят из опыта.

Для экспериментального определения 2 нейтронов точечного источника можно, например, измерить распределение плотности нейтронов в замедлителе с(r) с помощью резонансного детектора, резонансная энергия которого близка к тепловой. Тогда величина r2с(r)dr будет пропорциональна количеству нейтронов с резонансной энергией в сферическом слое радиусом r и толщиной dr, и 2 получается вычислением отношения

2 = .

Большой практический интерес представляет экспериментальное изучение замедления нейтронов, образующихся при делении урана или других делящихся ядер. На рис.5 приведена кривая распределения плотности нейтронов с энергией 1,46 эВ, образовавшихся в результате замедления нейтронов деления 235U в воде.

Рис. 5.

Подсчет величины 2 по кривой, изображенной на рис.5 дал значение

ф = см2,

или с учетом поправки на размеры источника

ф = 28 ± 1,5 см2.

Аналогичным способом можно измерить возраст нейтронов и для более сложных сред, например уран-водных решеток.

3. Диффузионные параметры

нейтрон диффузионный каротаж импульсный

После того как в процессе замедления нейтроны станут тепловыми, дальнейшее уменьшение их энергии прекращается, и они перемещаются в замедлителе, сохраняя в среднем тепловую энергию. Легко видеть, что этот процесс может быть приближенно описан простым диффузионным уравнением, известным в кинетической теории газов. Такая возможность вытекает из того, что в хорошем замедлителе (в котором сечение рассеяния уs значительно превышает сечение поглощения уc) тепловой нейтрон может испытать очень много соударений с ядрами до захвата:

N = уs/уc = лc/лs.

Кстати, сечение поглощения уc -- третья важная характеристика замедлителя (первые две о и уs, или лs). Чем меньше уc, тем лучше замедлитель. Результирующим показателем качества замедлителя является величина оуs/уc, которая называется коэффициентом замедления. Коэффициент замедления позволяет сравнить время замедления нейтрона tзам и время жизни теплового нейтрона до захвата tзахв. Так, например, можно показать, что если оуs не зависит от энергия, то tзахв/ tзам = (1/2)(оуs/уc). Наибольшими значениями коэффициента замедления обладают вода, тяжелая вода, бериллий и углерод.

Итак, в связи с малостью среднего свободного пути лs для тепловых нейтронов выполняется условие применимости диффузионного приближение -- малость изменения плотности нейтронов на протяжении лs. Наконец, скорость движения тепловых нейтронов можно считать постоянной:

? 2,2 ? 105 см/сек.

Диффузионное уравнение имеет следующий вид:

,

где с(r, t)--плотность тепловых нейтронов в точке г в момент t; ? -- оператор Лапласа; D -- коэффициент диффузии; tзахв -- среднее время жизни тепловых нейтронов; q-- плотность источников тепловых нейтронов.

Уравнение выражает баланс изменения плотности нейтронов во времени (?с/?t) за счет трех процессов: притока нейтронов из соседних областей (D?с), поглощения нейтронов (-с/ tзахв) и образования нейтронов (q).

В общем случае (с учетом анизотропии рассеяния) коэффициент диффузии

D = лtх/3,

однако для тепловых нейтронов его можно с хорошей степенью точности записать в простейшей форме:

D = лsх/3

Это связано с тем, что энергия тепловых нейтронов меньше энергии химической связи атомов в молекуле, из-за чего рассеяние тепловых нейтронов происходит не на свободных атомах, а на тяжелых связанных молекулах (или даже на кристаллических зернах среды). В соответствии с импульсной диаграммой такое рассеяние должно быть изотропным ( = 0 и лt = лs).

Возьмём частный случай решения задачи диффузионного уравнения, рассмотрев задачу о распределении тепловых нейтронов в замедлителе с точечным источником быстрых нейтронов в центре, причем ограничимся такими расстояниями г от источника, на которых процесс замедления уже закончился, т. е. не происходит образования тепловых нейтронов. В этом случае можно рассматривать уравнение для стационарной (?с/?t = 0) диффузии без источников (q = 0):

D?с - сtзахв = 0,

которое можно записать в форме

L2?с - с = 0,

где L2=Dtзахв.

Величина L = называется диффузионной длиной тепловых нейтронов. Диффузионная длина -- это мера смещения тепловых нейтронов в процессе их диффузии (подобно тому как длина замедления Ls -- мера смещения нейтронов в процессе замедления). Так как D = лsх/3, а tзахв = лс/х = Nлs/х, то

.

Ld = lрlз/3,

D = хlр/3,

ф = lз/3.

Диффузионные свойства горных пород существенно зависят от содержания в них элементов с аномально высокими сечениями рассеяния и захвата и, в частности, от влажности, содержания хлора, лития, бора, кадмия, ртути, редкоземельных элементов.

На рис. 5 показано изменение диффузионной длины и времени жизни теплового нейтрона в песчанике в зависимости от повышения влажности и концентрации хлора. Используя диффузионные параметры моноэлементных сред -- массовую длину диффузии сLd и массовое время жизни сф, можно оценить возможные пределы изменения диффузионной длины в горных породах и рудах различного изотопного состава. Рассчитанные диффузионная длина и время жизни тепловых нейтронов для некоторых пород и минералов показаны в табл. 2.

Рис. 5. Диффузионные нейтронные параметры песчаника (с0 = 2,65 г/см3) как функция влажности и минерализации воды. Концентрация в воде NaCl: 1 - 0 г/л; 2 - 96 г/л; 3 - 297 г/л.

Таблица 2 - Диффузионные параметры пород и минералов.

Название	сLd, г/см2	сф, 10-5 г/см3	Название	сLd, г/см2	сф, 10-5 г/см3
Гранит	27,4	117	Каменная соль	2,58	1,34
Глина	27,6	167	Нефть	1,75	16,6
Глина (влажность 40%)	8,8	75	Вода	2,73	20,5
Кварц	45,1	281	Уголь каменный	3,91	39,1
Кальцит	25,8	147	Гипс	7,37	57,5
Доломит	26,2	151	Гидроборацит	0,13	0,069
Магнетит	11,6	24,2	Бура	0,14	0,091

Геологические задачи, решаемые путем измерения диффузионных характеристик горных пород.

Возможность решения геологических задач путем измерения нейтронных характеристик D и ф горных пород основана на том, что некоторые минералы, являющиеся полезными ископаемыми, а также флюиды, насыщающие пласты, характеризуются аномально большими значениями сечения поглощения или сечениями переноса по сравнению с вмещающими породами.

Для типичных пород осадочного комплекса (песчаник, известняк, доломит и т. д.) величина Уа колеблется в пределах (36) 10-3 см-1. Минералы, включающие такие элементы, как В, Hg, C1 редкоземельные и др., характеризуются Уа, достигающей 1 см-1 и более.

Для осадочных пород, не содержащих связанной воды и поровой жидкости, величина Уа близка к 0,2 см-1, а для пластовых вод и нефтей -- около 2 см-1. Если учесть, что во многих случаях пластовые воды содержат соли хлора и отличаются значительно большими сечениями поглощения, чем нефть, то можно указать следующие основные геологические задачи, которые могут быть решены путем измерения параметров диффузии тепловых нейтронов в горных породах.

Определение пористости. Измеряя коэффициент диффузии (время жизни) нейтронов в пласте Dп и зная соответствующие величины для скелета Dск и флюида Dф, можно определить пористость kn:

п

Здесь предполагается, что все поровое пространство заполнено флюидом (водой или нефтью). Очевидно, что точность определения kn тем выше, чем меньше ошибка измерения величин Dп, Dск, Dф и чем больше разность () и (). Это значит, что точность определения kn повышается с увеличением пористости и величины Dск (последнее связано главным образом с уменьшением количества связанной воды).

При определении пористости требования к точности определения величины Dск меньше, чем к точности определения Dф и Dп, поэтому значение Dск может быть получено путем расчета на основании данных об элементном составе скелета.

Определение коэффициента нефтенасыщенности kн. Если известна величина kп то, измеряя среднее время жизни тепловых нейтронов ф в пласте и зная фск (скелета), фв (пластовой воды) и фн (нефти), можно в случае, когда фв фн (минерализованная вода), определить коэффициент нефтенасыщенности по формуле

kн =

При данной точности определения величин фв, фн, фск, фп ошибка в определении kн тем меньше, чем выше пористость пласта, чем больше величина фск и чем меньше величина фв (т. е. чем больше минерализация пластовых вод). По аналогичной формуле можно определить коэффициент газонасыщенности (заменяя kн на kг и фн на фг).

Величины фн, фв, фск должны определяться экспериментально на образцах вещества, поскольку расчеты могут привести к значительным погрешностям (при отсутствии данных о концентрации аномально поглощающих микропримесей).

Определение концентрации поглотителя. Определение в рудном теле концентрации Cx элемента с большим сечением поглощения нейтронов (В, Cl, Hg, Fe, редкие земли и др.) может проводиться путем измерения среднего времени жизни тепловых нейтронов в горной породе:

Cx =

где фвм, фпор, фx -- время жизни тепловых нейтронов во вмещающих породах, в породе, содержащей поглотитель, и в самом поглотителе. (По аналогичной формуле можно оценить степень доломитизации или сульфатизации известняков.)

Формула верна для случая равномерного распределения в породе всех элементов.

При данной точности определения величин фx, фвм и фпор относительная ошибка определения концентрации

дCx ? [Cx(фвм - фx)]-1

т. е. уменьшается с увеличением Cx и разности (фвм - фx).

Таким образом, для определения величин kп, kн, Cx по измеренным Dп, фп, фпор необходимо дополнительно знать Dск, Dф, фв, фн, фск, фвм, фx. Величины Dск и фx могут быть вычислены по известному химическому составу, Dн и фн -- по известной плотности нефти (при нормальных условиях) и ее газовому фактору, фв -- по известной минерализации пластовой воды (по хлору), фпор, фск и фвм целесообразно определять экспериментально.

4. Использование нейтронных характеристик в ИННК

В современной геофизической практике широкое распространение получил импульсный нейтронный каротаж. При таких измерениях применяют генераторы нейтронов, работающие в импульсном режиме. При ИННК регистрируется поток тепловых нейтронов в интервале времени Дф спустя время ф 3 (время задержки) после окончания очередного импульса.

С помощью временного анализа импульсов выполняют измерения при переменном значении времени задержки ф 3, получая при этом временной спектр тепловых нейтронов.

В импульсном нейтрон - нейтронном каротаже (ИННК) применяют установку, состоящую из импульсного скважинного генератора нейтронов и расположенного вблизи от него индикатора плотности потока тепловых нейтронов.

В течении некоторого времени Дф генератор испускает импульс быстрых нейтронов. Длительность импульса составляет Дф =10-50 мкс. Импульсы повторяются с периодом Т, который равен 2000-2500 мкс. В перерывах между импульсами производится измерение плотности потока тепловых нейтронов. Последовательно изменяя времена задержки между импульсами, при постоянном времени длительности самого импульса, изучается процесс уменьшения числа нейтронов во времени. После окончания очередного импульса происходит изменение нейтронного поля. Оно включает в себя процесс замедления нейтронов до тепловых энергий и процесс диффузии тепловых нейтронов.

В результате временное распределение тепловых нейтронов в промежутке между импульсами, на фиксированном расстоянии от источника, имеет вид ниспадающей кривой.

В результате по полученной кривой изменения плотности потока тепловых нейтронов во времени определяют среднее время жизни нейтронов в пласте, которое зависит от поглощающих свойств горной породы.

Особенно сильно процесс поглощения проявляется при содержании в горной породе элементов с аномально высоким сечением поглощения нейтронов (Li, C1, Са, и т.д.). поэтому ИННК имеет высокую чувствительность к содержанию С1 в породе. То обстоятельство, что в пластовой воде зачастую присутствуют ионы NaCl позволяет применять ИННК для наиболее точной отбивки ВНК.

Основная задача ИННК на нефтяных месторождениях - определение положения ВНК. Условием применения ИННК для отбивки ВНК является высокая чувствительность импульсного метода к хлоросодержанию среды и различное содержание хлора и нефти. ИННК возможно применять для определения ВНК при минерализации пластовой воды 20-50 г/л.

Рис. 2. График изменения плотности медленных нейтронов во времени при импульсном нейтронном каротаже.

Повышение эффективности ИННК при отбивке ВНК заключается в использовании количественных методов определения и D (длина диффузии) с учетом неоднородности разреза и использовании на каждом месторождении индивидуальных критериев нефтеносности, кроне этого необходимо использовать результаты других методов каротажа для комплексной интерпретации материалов ИННК.



Рис. 6. Пример «отбивки» ВНК с помощью ИННК.

Таблица 3 - Нейтронные диффузионные параметры минералов и горных пород

Минерал, горная порода	с, г/см3	ф, мкс	D, 105 см2/с	Ld см
Гипс	2,32	250	1,64	6,4
Гематит	5,1	50	1,1	2,6
Каменная соль	2,15	6	1,7	0,93
Вода	1,0	200	0,36	2,73
Нефть	0,85	190	0,34	1,75

При ИННК-Т нефтяных скважин используют как непрерывные, так и поточечные измерения. При непрерывных записывают одновременно, как минимум, две диаграммы плотности потока тепловых нейтронов с разным временем задержки при постоянном Дф зам. Каротаж производят при перемещении скважинного прибора снизу вверх со скоростью порядка 120 м/ч;1С и с постоянной времени прибора 12 с.

Но отношению показаний в двух каналах судят о среднем времени жизни тепловых нейтронов ф. Чем сильнее отличаются эти показания, тем меньше ф.. Количественно ф. рассчитывают по формуле:

ф = ,

где ф 1, ф 2 - время задержки для 1 и 2 каналов;

N1 и N2 - показания (скорость счета) в тех же каналах.

При выборе времени задержки ф 3 и времени замера Дф зам соблюдают условие:

ф 3 > ф n > Дф зам

В настоящее время имеется аппаратура, которая автоматически рассчитывает ф и выдает этот параметр на регистратор. Среднее время жизни тепловых нейтронов зависит от содержания водорода и содержания поглотителей нейтронов (хлора) в среде. Для пластов, насыщенных нефтью или пресной водой, ф n =0,3-0,6 мс; для пластов, насыщенных минерализованной водой ф n =11-0,33 мс; для газонасыщенных пластов ф n =0,6-0,8 мс.

Таким образом, по параметру ф пласты, насыщенные минерализованной водой, хорошо отличаются от нефте- и газонасыщенных. На этом отличии основано применение метода ИННК-Т для прослеживания изменений положения ВНК и ГВК в процессе разработки месторождений нефти и газа.

При большой минерализации пластовых вод (более 100 г/л) разделение водонасыщенных и нефтенасыщенных частей пласта возможно даже по одной кривой ИННК с большим временем задержки.

Над водонасыщенной частью Innt значительно ниже, чем над нефтенасыщенной.

Импульсный ННК с регистрацией запаздывающих нейтронов может использоваться для определения содержания урана в условиях буровых скважин. При этом применяют генератор нейтронов с малой частотой импульсов, а время задержки выбирают в 5-6 раз больше среднего времени жизни нейтронов в горной породе. При таких условиях детектор регистрирует практически только так называемые "запаздывающие" нейтроны, которые сопровождают распад некоторых продуктов деления урана, вызванный поглощением нейтронов искусственного источника.



Список литературы

1. Арцыбашев В. А. Ядерно-геофизическая разведка.

2. Ларионов В. В., Резванов Р. А. Ядерная геофизика и радиометрическая разведка.

3. Кожевников Д. А. Нейтронные характеристики горных пород и их применение в нефтегазопромысловой геофизике.

4. Мухин К. Н. Экспериментальная ядерная физика. Том I. Физика атомного ядра.

Размещено на Allbest.ru