Нейтрон-нейтронный каротаж

 

 

 

4. Изучение  пористости горных пород

Принципиальная возможность  определения пористости пород с  помощью ННМ основана на изменении  водородсодержания вследствие уменьшения или увеличения количества заполняющих  поры водородсодержащих жидкостей (воды, нефти) или газа (углеводорода). Подчиненный эффект вызывается изменением плотности породы.

Применение ННМ для  определения коэффициентов пористости и газонасыщенности на нефтяных и  газовых месторождениях имеет свои особенности. Используют только каротажный вариант метода (ННК-Т и ННК-НТ).

Каротаж выполняют заинверсионными  зондами длиной до 10-80 см в скважинах  большого диаметра (150-300 мм), заполненных  буровым раствором.

 

Рис.2. Связь между нейтронным полем  и коэффициентом пористости

 

Если поры горной породы насыщены водой, коэффициент пористости равен  объемной влажности (kn = m). С увеличением  пористости растет водородсодержание  и уменьшается плотность. Для  заинверсионного зонда увеличение влажности вызывает уменьшение потока нейтронов, а уменьшение плотности, наоборот, приводит к росту потока. Определяющим является влияние влажности, поэтому нейтронное поле затухает.

Как расчеты, так и многочисленные эксперименты показывают, что в ограниченном диапазоне kп наблюдается линейная зависимость между потоком нейтронов  и логарифмом коэффициента пористости:

N = a + b ln kп, (6)

где а и b - постоянные коэффициенты. Линейность нарушается в области  малых значений пористости (kп < 0,05-0,1) вследствие влияния области инверсии (даже для зондов большой длины) и  в области высоких пористостей (kп > 0,4-0,5).

Рис.3. Зависимость поля тепловых нейтронов  от пористости песчаников (аппаратура ДРСТ-1, зонд R = 50 см, Ро - Ве-источник): 1 - диаметр скважины dc = 22,5 см; 2 - dc = 25 см; 3 - dc = 22,5 см, обсадка d0 = 16 см; 4 - dc = 25 см; d0 = 16 см

 

В качестве примера на рис.3 показаны эталонировочные зависимости ННК-Т  для песчаников.

Влияние параметров пласта. Нейтронное поле зависит не только от влажности (пористости), но и от вещественного состава породы, минералогической плотности ρ0, характера и свойств заполнителя пор. Нефтяные и газовые месторождения связаны с двумя основными типами разрезов - карбонатным, в котором коллекторами являются известняки, и терригенным (пористые песчаники, иногда песчано-глинистые отложения). Песчаники, известняки и доломиты существенно различаются по нейтронным свойствам. При определении пористости эти различия приходится учитывать.

На определение пористости существенно  влияет связанная вода таких пород, как глины, ангидрид. Для вычисления истинного значения коэффициента пористости необходимо вносить поправку на глинистость.

На нефтяных месторождениях поровое  пространство коллекторов обычно заполнено  водой или нефтью. По замедляющим  свойствам пресная вода и нефть  практически не различаются, так  как они имеют одинаковое содержание водорода.

Повышенная минерализация пластовых  вод не влияет на результаты ННК-НТ, но искажает коэффициент пористости. Этот эффект можно использовать для  определения характера заполняющей  поры жидкости с помощью ННК-Т

 

Аппаратура. В СССР для определения пористости методом ННК использовалось два типа серийной каротажной аппаратуры - НГГК-62 и ДРСТ-1 (ДРСТ-3).

Аппаратура типа НГГК-62 - двухканальная па газоразрядных  счетчиках. Для регистрации тепловых нейтронов счетчик окружают слоем  кадмия толщиной 0,5 мм, а при регистрации  надтепловых нейтронов - слоем парафина и кадмия. Зонд симметричного типа без прижимного устройства имеет  длину 50 или 60 см. В качестве источника  используется Ро - Ве-источник мощностью (2-6) 106 нейтр./с.

В двухканальной аппаратуре типа ДРСТ-1 для регистрации тепловых и надтепловых нейтронов используют сцинтилляционные детекторы. Рекомендуемые  длины зондов-50-60 см. Мощность источника  нейтронов (2-4) 106 нейтр./с.

В зондах ННК пространство между источником и детектором занято поглощающим нейтроны и γ-кванты экраном. Обычно используют свинцовые  либо комбинированные (свинец + железо) экраны. Внешний диаметр зондового  устройства равен 85-110 мм.

 

 

 

 

 

 

5. Анализ  на нейтронопоглощающие элементы

Использование ННМ для анализа  на элементы с высокими сечениями  захвата медленных нейтронов (редкоземельные элементы, бор и др.) относится  к числу первых исследований в  области ядерной геофизики. К настоящему времени наиболее полно разработаны вопросы анализа на бор. Кроме того, ННМ применяют для изучения руд марганца, редкоземельных элементов, ртути, лития и др.

Поле тепловых и надтепловых  нейтронов затухает в доинверсионной и заинверсионной областях при увеличении концентрации в среде нейтронопоглощающих  элементов. Рассмотрим более подробно некоторые закономерности.

Влияние энергии регистрируемых нейтронов. Сечение захвата уменьшается с ростом энергии нейтрона, и соответственно уменьшается чувствительность нейтронного поля к содержанию нейтронопоглощающего элемента.

Рис.4. Зависимость  потока нейтронов с энергией Еп от концентрации бора                      (Ео = 2,45 МэВ)

На рис.4 показана зависимость  потока нейтронов от концентрации бора при различной энергии регистрируемых нейтронов. В тепловой области чувствительность максимальная при малых концентрациях  бора; при увеличении содержания бора чувствительность уменьшается.

По мере увеличения энергии  нейтронов уменьшается чувствительность к бору, но концентрационное вырождение наблюдается при более высоком  содержании бора.

Влияние влажности. В нейтронопоглощающей среде наблюдается инверсия поля при увеличении влажности и плотности. Инверсионная область сдвигается в сторону больших зондов при переходе к меньшим энергиям. Для одной и той же энергии нейтронов с увеличением концентрации нейтронопоглощающих элементов происходит расплывание зоны инверсии со сдвигом в сторону больших зондов. При уменьшении водородсодержания наблюдается возрастание чувствительности нейтронного ноля к поглощающим элементам.

Влияние длины  зонда. При увеличении расстояния от источника до детектора (и соответственно толщины поглощающе-рассеивающей среды) происходят такие же изменения нейтронного поля, как при уменьшении энергии нейтронов. Это объясняется смягчением спектра нейтронов по мере удаления от источника.

Влияние заполнения скважины. Замена в скважине воздуха на воду или буровой раствор существенно уменьшает чувствительность ННК к содержанию нейтронопоглощающих элементов. Эта закономерность проявляется как в доинверсионной, так и в заинверсиошюй области. Заполнение скважины водой вызывает также смещение зоны инверсии в сторону меньшей длины зондов (по сравнению с сухой скважиной или однородной средой).

Методика и  техника ННК. Для ННК на нейтронопоглощающие элементы обычно используют Ро-Ве-источники нейтронов и сцинтилляционпые детекторы тепловых нейтронов. Разделительный экран между источником и детектором изготавливают из свинца, железа, парафина с бором.

1. Изучение руд  бора. ННК успешно применяют на месторождениях бора для выделения руд в разрезе. Основные помехи - кавернозность стенок скважин и переменный диаметр. Количественные оценки содержания бора встречают значительные трудности, связанные как с помехами, так и с концентрационным вырождением эталонировочного графика в области большого содержания. Задача до конца не решена, но экспериментально оценена возможность количественного каротажа.

Следует отметить, что для  анализа руд бора при содержании В2O3 свыше 0,3 г/см3 целесообразно переходить к регистрации нейтронов более  высоких энергий 1-100 эВ.

2. Руды редкоземельных  элементов. Для редких земель (основной поглощающий элемент - гадолиний) характерны большое сечение поглощения тепловых нейтронов и сравнительно небольшое (такое же, как для пород) сечение поглощения надтепловых нейтронов. При таком условии ННК-НТ характеризует главным образом изменение водородсодержания, а сравнение ННК-Т с ННК-НТ дает возможность учесть переменную влажность при выделении поглощающих элементов.

3. Руды ртути. Имеются благоприятные предпосылки использования ННК-Т для изучения руд ртути. Симметричный 4π-зонд ННК-Т длиной 31 см обеспечивает хорошую чувствительность и дифференциацию по содержанию ртути в широком диапазоне концентрации (0-10%).

Существенные затруднения  возникают при изучении комплексных  руд ртути, содержащих сурьму, так  как последняя имеет повышенное сечение захвата тепловых нейтронов (σс = 5,5 б). Для анализа ртутно-сурьмяных  руд успешно сочетали ННК-Т и  ГГК-С с одновременным определением двух элементов.

4. Другие элементы. Перспективы применения ННК-Т имеются при изучении руд лития и марганца. При изучении руд лития возникают проблемы, аналогичные бору.

На месторождениях марганца ННК-Т применяют для выделения  руд в разрезах скважин. Метод  ННК-Т мало пригоден для количественного  определения содержаний марганца, так  как переменное водородсодержание  является серьезной помехой.

 

Заключение

В данной работе рассматривался нейтрон-нейтронный метод радиометрической разведки, который заключается в  исследовании интенсивности вторичного излучения, возникающего при облучении  нейтронами горных пород.

Типичными приложениями ННМ  являются определения влажности, пористости горных пород и содержания в них  элементов с аномально большими сечениями поглощения нейтронов. Определение  влажности W, позволяет с помощью  ННК дифференцировать осадочные  горные породы по диалогическим признакам, оценивать прочностные качества пород и изучать свойства пластов  как коллекторов нефти и газа.

Принципиальная возможность  определения пористости пород с  помощью ННМ основана на изменении  водородсодержания вследствие уменьшения или увеличения количества заполняющих  поры водородсодержащих жидкостей (воды, нефти) или газа (углеводорода).

Использование ННМ для  анализа на элементы с высокими сечениями  захвата медленных нейтронов (редкоземельные элементы, бор и др.) относится  к числу первых исследований в  области ядерной геофизики. К настоящему времени наиболее полно разработаны вопросы анализа на бор. Для ННК на нейтронопоглощающие элементы обычно используют Ро-Ве-источники нейтронов и сцинтилляционные детекторы тепловых нейтронов.

Список  литературы

1.  Мейер, Владимир Александрович. "Основы ядерной геофизики": учебное пособие / 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Изд-во ЛГУ, 1985.

2.  Арцыбашев, Владимир Александрович. "Ядерно-геофизическая разведка": учебное пособие / 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Атомиздат, 1980.

3.  Филиппов, Е.М. "Нейтрон-нейтронный и нейтронный гамма-методы в рудной геофизике": Новосибирск - Наука, 1972г.