Свойства нейтронов

Искусственная радиоактивность связана с радиоактивным распадом искусственных радиоактивных изотопов химических элементов, образующихся при облучении их элементарными частицами (электронами, протонами, нейтронами, -частицами и др.) в результате изменений в ядре, происходящих вследствие проникновения в него заряженной частицы или нейтрона.

Нейтрон — электрически нейтральная ядерная частица с массой (Мп = 1,0086654 *10²⁴ г), примерно в 1836 раз большей массы электрона (позитрона) и приблизительно равной массе протона (ядра водорода). Так как он представляет собой нестабильную ядерную частицу, то распадается с Т_1/2 ~ 16,83 мин на протон, электрон и с выделением энергии 0,78 • 10^-13 Дж. Нейтроны не взаимодействуют с электронными оболочками атомов и не отталкиваются кулоновским полем ядра, что обусловливает их высокую проникающую способность. По величине энергии различают нейтроны: холодные — 10^-21 Дж; тепловые — 25*10^-21 Дж; медленные — 5*10^-20 Дж; надтепловые—0,3—5*10^-18 Дж, резонансные— 10^-17 Дж, промежуточные (0,5—2)-10^-14 Дж и быстрые— 2•10^-14—2•10^-12 Дж.

В нейтронных методах каротажа изучаются ядерные процессы, происходящие при облучении пород быстрыми нейтронами. Если порода содержит большое количество ядер водорода (вода, нефть, газ), то быстрые нейтроны превращаются в тепловые после небольших путей пробега (до 30 см) или вблизи источника. На больших расстояниях (свыше 40 см) плотность тепловых нейтронов будет меньшей. Поскольку тепловые нейтроны подвержены радиационному захвату с сопровождающим его вторичным гамма-излучением, то с ростом тепловых нейтронов растет вторичное гамма-излучение, а там, где тепловых нейтронов мало, гамма-излучение будет слабым.

При нейтрон-нейтронном каротаже (ННК), или нейтрон-нейтронном методе (ННМ), измеряется плотность тепловых нейтронов или их интенсивность . При нейтронном гамма-каротаже (НГК), или нейтрон-гамма методе (НГМ), измеряется интенсивность вторичного гамма-излучения , возникающего при радиационном захвате тепловых нейтронов ядрами элементов горной породы. Наблюдения в методах ННК и НГК проводятся с зондами большого размера (40 - 60 см от источника нейтронов).

Нейтронные методы каротажа (ННК и НГК) применяются для расчленения геологических разрезов и особенно для выявления водород- и хлорсодержащих пород, а также оценки их пористости.

2. Нейтронный гамма-каротаж (НГК)

Радиоактивный каротаж основан на измерении характеристик поля -излучения, возникающего под действием внешнего источника нейтронов. Общая величина -излучения, регистрируемая при НГК, слагается из трех компонентов: 1) интенсивности -излучения _нгк возникающего в результате радиационного захвата ядрами породы (радиационное или вторичное -излучение); 2) -излучения _ггк источника нейтронов, которое воздействует на индикатор непосредственно или вследствие облучения стенок скважины -лучами, часть которых рассеивается породой в направлении индикатора (для ослабления непосредственного -излучения нейтронного источника между ним и индикатором устанавливается свинцовый экран); 3) естественного -излучения _гк, обусловленного естественной радиоактивностью породы. Влияние естественного -излучения при количественных определениях учитывается по данным гамма-каротажа.

При исследованиях зондами, длина которых L₃ более 40 см, плотность нейтронов в среде с большим водородосодержанием в размещения индикатора мала, поскольку в такой среде нейтроны замедляются и поглощаются в основном вблизи источника. В результате породы с высоким водородосодержанием отмечаются на диаграммах НГК низкими показаниями. В малопористых породах с низким водородосодержанием плотность нейтронов вблизи индикатора увеличивается, что вызывает повышение интенсивности радиационного захвата, а следовательно, показаний НГК. На результаты НГК значительное влияние оказывают также элементы, обладающие аномально высокой способностью захвата тепловых нейтронов: хлор, бор, литий, кадмий, кобальт и др. Из них наиболее широко распространенным в осадочной толще является хлор.

По нейтронным свойствам осадочные горные породы можно разделить на две группы — большого и малого водородосодержа. К первой группе пород относятся глины, характеризующиеся высокой влагоемкостью (пористостью) и содержащие значительное количество минералов с химически связанной водой (водные алюмосиликаты), гипсы, отличающиеся малой пористостью, но содержащие химически связанную воду, а также некоторые очень пористые и проницаемые песчаники и карбонатные породы, насыщенные в естественных условиях жидкостью. При измерениях большими зондами (L₃ 40 см) на диаграммах нейтронного гамма-каротажа эти породы отмечаются низкими показаниями.

Во вторую группу пород входят малопористые разности — плотные известняки и доломиты, сцементированные песчаники и алевролиты, а также гидрохимические образования (ангидриты, каменная соль). На диаграммах нейтронного гамма-каротажа, зарегистрированных большими зондами, эти породы выделяются высокими показаниями. Против других осадочных пород (песков, песчаников, пористых карбонатов) показания НГК зависят от их глинистости и содержания в них водорода (насыщенности водой, нефтью и газом).

Нефть и вода содержат почти одинаковое количество водорода, поэтому нефтеносные и водоносные пласты с малым содержанием хлора отмечаются приблизительно одинаковыми значениями НГК. Газоносные пласты в обсаженной скважине отмечаются на кривой НГК более высокими показаниями, чем такие же по литологии и пористости пласты, заполненные нефтью или водой, так как газ, имеющий низкую плотность, отмечается меньшим водородосодержанием. В необсаженной скважине из-за проникновения фильтрата промывочной жидкости в пласт и малой глубинности метода (40—60 см) выделение газоносных пластов по кривой НГК в общем случае затрудняется.