microbik.ru
  1 2 3 4 ... 15 16

1.1. Физические основы метода

1.1.1. Взаимодействие нейтронов с веществом


Как известно 27, 52, при облучении горных пород быстрыми нейтронами последние испытывают различные взаимодействия с ядрами вещества, передавая им часть своей энергии. В процессе замедления до энергии теплового движения атомов (Е1·10 -2 эВ), происходят упругие и неупругие рассеяния нейтронов на ядрах атомов, кроме того, тепловые нейтроны участвуют в процессах термализации, процессах диффузии и, наконец, поглощаются ядрами.

В результате первых соударений (1-2 акта) наиболее вероятным взаимодействием является неупругое рассеяние, при этом нейтроны замедляются до энергии ~1 МэВ, передавая большую часть энергии на возбуждение ядра-мишени. Вероятность неупругого рассеяния тем выше, чем выше энергия нейтронов. Возврат ядра-мишени из возбуждённого состояния происходит за 10-14 с и сопровождается вторичным гамма-излучением, которое называется гамма-излучением неупругого рассеяния (ГИНР) [16]. Спектр ГИНР является индивидуальной характеристикой ядра.

Дальнейшее замедление нейтронов происходит в процессе упругого рассеяния, при котором кинетическая энергия нейтрона до соударения переходит в кинетическую энергию нейтрона и ядра-отдачи после соударения, эти процессы продолжаются до достижения нейтроном тепловой энергии. Наибольшим сечением упругого рассеяния обладает водород, его присутствие в окружающей среде играет основную роль в процессе замедления. Упругое рассеяние не сопровождается гамма-излучением.

Таблица 1  Основные породообразующие элементы и их характеристики

гамма-излучения неупругого рассеяния и радиационного захвата нейтронов

Элемент

Среднее содержание в горных породах, %

Eпор,

МэВ

Ơнеупр,

барн

Ơзахв,

барн

Энергия ГИНР, МэВ (мбарн)

Энергия ГИРЗ,

МэВ (выход на 100 захватов)

12 C

0.02298

4.80

0.446

3.410-3

4.43 (13,1),

4.95(68), 3.68(32), 1.26(32),

16 O

46.89

6.44

0.318

1.210-3

6.13(10.4), 7.12(5.0)

2.18(82), 1.09(82), 3.27(18),

40 Ca

2.87

4.55

0.380

0.44

3.73(9.0), 3.90(3.8)

1.94(81), 6.42(40), 4.42(15),

28 Si

28.54

1.90

0.460

0.16

1.78(29), 2.84(5.3),

3.54(62), 4.93(58), 1.27(12),

56 Fe

4.26

0.86

0.900

2.62

1.24(23), 2.61(3.7)

7.63(25.6),7.65(20.8), 5.9(7.8),

1Н

0.99985

-

0.0

0.33

-

2.23(100).

Замедлившись до тепловой энергии, нейтроны захватываются ядрами элементов горных пород. Последствием радиационного захвата теплового нейтрона почти всегда является немедленное (10-23 с) излучение гамма-квантов (ГИРЗ).

Спектр ГИРЗ также является индивидуальной характеристикой ядра. Наиболее полный список энергий гамма-квантов радиационного захвата приведён в работах [7, 17]. Реже захват тепловых нейтронов приводит к активации ядра  оно становится радиоактивным с некоторым периодом полураспада.

Энергия связи большинства породообразующих элементов составляет 78 МэВ, следовательно, при радиационном захвате тепловых нейтронов возникает жесткое гамма-излуче­ние. При поглощении одного теплового нейтрона испускаются 34 гамма-кванта [16, 17].

Процесс замедления быстрых нейтронов в результате упругих и неупругих взаимодействий длится порядка нескольких первых микросекунд [16], таким образом, через несколько микросекунд после облучения вещества быстрыми нейтронами (вспышка) возникает излучение радиационного захвата. Время жизни тепловых нейтронов в типичных разрезах нефтегазовых скважин колеблется от 100 до 500 мкс, следовательно, во время вспышки тепловые нейтроны от предыдущих вспышек, а также те нейтроны, энергия которых приблизилась к энергии теплового движения во время вспышки, продолжают генерировать гамма-излучение захвата. При регистрации спектров ГИНР гамма-излучение радиационного захвата является фоновым (рисунок 1.1). Фоновую составляющую спектров измеряют при выключенном генераторе нейтронов (“фоновая пауза”). Таким образом, для получения “чистых” спектров ГИНР необходимо регистрировать спектр ГИРЗ и вычитать его из измеренных спектров ГИНР.

Ввиду сложности спектров ГИНР и ГИРЗ ограничимся рассмотрением тех элементов горных пород и насыщающих их флюидов, присутствие которых имеет основное значение для решения поставленной задачи, в первую очередь элементы С, О  для определения присутствия углеводородов, и Ca, Si  как основные элементы, характеризующие состав горных пород (известняк, песчаник). Для основных породообразующих элементов в таблице 1 [7, 15] приведены: энергии порога неупругого рассеяния Eпор, нейтронные сечения неупругого рассеяния  Ơнеупр, сечения поглощения тепловых нейтронов Ơзахв, а также наиболее характерные энергетические линии ГИНР и ГИРЗ.

Данные, приведённые в таблице 1, позволяют сделать следующие выводы:

  • сечение радиационного захвата Ơзахв тепловых нейтронов ядрами элементов 12С и 16О очень мало, кроме того, эти элементы не обладают аномальными ядерными свойствами, в связи с этим определение элементов 12С и 16О методом радиационного захвата  проблематично. Однако, как видно из таблицы 1, сечение неупругого рассеяния выше названных элементов достигает значительной величины, что создаёт предпосылки для их определения методом спектрометрии неупругого рассеяния;

  • характерные энергетические линии ГИНР и ГИРЗ основных породообразующих элементов лежат в пределах 18 МэВ  это позволяет ограничить диапазон регистрируемых энергий шкалой до 10 МэВ;

  • пороговая энергия ГИНР для углерода и кислорода составляет 4.8 и 6.44 МэВ, следовательно, для возбуждения реакции неупругого рассеяния необходимо применение излучателя нейтронов с энергией более 6.44 МэВ.

Основой выбора методики углеродно-кислородного каротажа служит различие содержания углерода и кислорода в нефти и воде. Содержание “С” в различных нефтях колеблется от 82 до 87 % , О от 0.02 до 1.65 %. Содержание “О” в воде по массе составляет 85.82 %, при определении нейтронно-активационным анализом проб пластовых вод [17] присутствия углерода обнаружено не было.

Таким образом, основа метода углеродно-кислородного каротажа состоит в том, что энергия ГИНР и ГИРЗ характерна для каждого элемента, содержащегося в скважине. В результате неупругих рассеяний на ядрах углерода (С) образуется ГИНР с энергией 4.43 МэВ, на ядрах кислорода  6.13 МэВ. Вместе с тем, количество гамма-квантов, зарегистрированных детектором в определенных энергетических областях, пропорционально концентрации элементов, испускающих данные гамма-кванты. Следовательно, измерение скоростей счета в различных, характерных для каждого элемента энергетических областях, даёт возможность определения относительного содержания элементов в горных породах.


<< предыдущая страница   следующая страница >>