Взаємодія нейтронів з речовиною

Нейтрон – електрично нейтральна нестабільна ядерна частинка ₀n. Маса нейтрона (m_n=1.0086654·10^{-24 г) приблизно в 1836 разів більша маси електрона або позитрона та приблизно рівна масі протона, тобто масі ядра водню. Нейтронне випромінювання володіє найбільшою проникною здатністю із всіх видів випромінювання. Дана властивість обумовлена тим, що нейтрони не взаємодіють з електронними оболонками, не відштовхуються кулонівським полем ядра. Всі нейтрони умовно діляться на декілька енергетичних груп, які приведені в табл. 3.1.}

Таблиця 3.1 – Основні характеристики нейтронів

Швидкі нейтрони, розповсюджуючись в навколишньому середовищі, в процесі пружного і непружного розсіювання, порівняно швидко (за 10^-4 - 10^-5 с) втрачають свою енергію (до 0,025 еВ) і швидкість (до 2200 м/с) та перетворюються на теплові. Останні поглинаються ядрами внаслідок радіаційного захоплення з утворенням на першій стадії складних ядер, які потім (через 10^-12 - 10^-24 с) переходять в основний стан з випуском γ– квантів.

Найбільш суттєвими процесами, які протікають при взаємодії нейтронів з гірською породою, є пружне і не пружне розсіювання на ядрах елементів та поглинання (захоплення) ядрами елементів, які складають гірську породу, з випромінюванням, як правило, інших частинок

Припружному розсіюванні відбувається перерозподіл кінетичної енергії між нейтроном і рухомим ядром відповідно до їх мас і кута розсіювання за принципом зіткнення пружних куль. При цьому внутрішній стан ядра і кінетична енергія системи “нейтрон-ядро” залишаються незмінними. Величина втрати енергії нейтроном при пружному розсіюванні залежить від характеру його зіткнення з ядром і маси останнього. Максимальна втрата енергії нейтроном відбувається при центральному зіткненні і коли маса атома співвимірна з масою нейтрона. Отже, водень є найкращим сповільнювачем нейтронів.

При непружномурозсіюванні нейтрон спочатку захоплюється ядром, а потім викидається з нього, але вже з меншою енергією і під деяким кутом до напряму початкового руху. Ядро ж, що захопило і втратило нейтрон, залишається на деякий час у збудженому стані і потім повертається в основний (спокійний) стан, випускаючи при цьому γ-квант.

Непружне розсіювання – це порогова реакція. Енергія порогу, яка рівна енергії першого збудженого ядра, зменшується із зростанням масового числа від декількох мільйонів електрон-вольт до 100 кеВ і нижче. Відповідно, непружне розсіювання нейтронів проходить тільки при взаємодії швидких нейтронів з речовиною та переважно на важких ядрах елементів.

При захопленні ядром нейтрона перший переходить у збуджений стан. Перейшовши в стан збудження, ядро розпадається різними способами в залежності від степені збудження, яка визначається енергією падаючого нейтрона.

Поглинання нейтронів супроводжується випромінюванням протона β-, α-частинки, двох-трьох нейтронів або гамма-квантів, тобто воно проходить у реакціях (n, β), (n, α), (n, 2n), (n, γ) і т. д.

Реакція типу (n, γ) називається радіаційним захоплення нейтрону. На використанні реакції даного типу базується нейтронний гамма-каротаж. Аномально поглинають теплові нейтрони такі елементи як кадмій, хлор, бор, літій та інші.

Таким чином, нейтрони, які випромінюються джерелом і потрапляють в гірську породу, відносно швидко (за 10^-4–10^-5 с) сповільнюються в результаті пружних і частково не пружних співударів. Більша частина нейтронів минає поглинання в області високих енергій та захоплюється ядрами за реакцією захоплення (n, g).

Розподіл нейтронів в середовищі залежить від нейтронних властивостей середовища, в основному від хімічного складу останнього. Для більшості гірських порід уповільнюючи і поглинаючі властивості визначаються вмістом водню: чим він вищий, тим швидше зменшується густина нейтронів з віддаленням від джерела нейтронів.

Вірогідність взаємодії нейтронів з речовиною кількісно характеризується нейтронним ефективним січенням, числове значення якого виражається в м². У практиці застосовують дрібну одиницю вимірювання вказаної характеристики - барн (1 барн = 10^-28 м²). Ефективні січення процесів розсіювання і захоплення, що відносяться до одного ядра елементу, називають відповідно мікроскопічними ядерними січеннями розсіювання σ_р і захоплення σ_з. Ефективні січення розсіювання і захоплення, що відносяться до одиниці об'єму породи, називають макроскопічними січеннями розсіювання σ_р і захоплення σ_з.

Густина теплових нейтронів залежить в загальному випадку від уповільнюючих і поглинаючих властивостей середовища і визначається довжиною уповільнення L_s, коефіцієнтом дифузії D і часу життя теплових нейтронів τ.

Часом життя теплового нейтрона називається час існування нейтрона в породі з моменту його перетворення в тепловий до моменту його захоплення ядром і визначається за формулою:

, (3.26)

де Vτ – швидкість теплових нейтронів (2200 м/с); l_ср.з – середня довжина вільного пробігу нейтрона до його захоплення ядром.

Довжиною уповільнення нейтронів (довжиною дифузії) називають середню довжину шляху нейтрона від точки, де він став тепловим, до точки захоплення і визначається за формулою:

, (3.27)

де r²_ср.d – середній квадрат відстані по прямій від точки уповільнення нейтрона до точки захоплення його ядром; D – коефіцієнт дифузії, який рівний:

. (3.28)

Інтенсивність поглинання теплових нейтронів залежить від вмісту в породах елементів з високим ефективним січенням захоплення σ_з, основним з яких в осадових породах є хлор.

Таким чином, уповільнююча і поглинаюча здатність гірських порід визначають просторовий розподіл нейтронів на різних стадіях їх взаємодії з породами, на вивченні якої і засновані нейтронні методи дослідження свердловин.

Залежно від довжини зондів свердловинних приладів ми досліджуватимемо вторинне гамма-випромінювання та теплові або надтеплові нейтрони.

Нейтронний гамма-каротаж (НГК)

Метод НГК базується на вимірюванні характеристик поля γ-випромінювання, яке виникає під впливом зовнішнього стаціонарного джерела нейтронів.

Загальна величина γ - випромінювання, яка реєструється при НГК, складається з трьох компонент:

- γ-випромінювання від радіаційного захоплення нейтрона ядрами атомів породи (вторинне випромінювання);

- γ-випромінювання від джерела нейтронів;

- γ-випромінювання від природної радіоактивності гірських порід.

Останню третю складову ми можемо врахувати якщо є гамма-каротаж по всьому розрізу свердловини. У загальному випадку на практиці перша складова є основною, і вона за своєю інтенсивністю значно перевищує другу і третю складові разом узяті.

Інтенсивність гамма-випромінювання радіаційного захоплення, в основному, залежить від кількості нейтронів, які поглинаються одиницею об’єму гірської породи та довжини зонда. Кількість нейтронів, які поглинаються одиницею об’єму породи, пропорційна густині теплових нейтронів, яка залежить від сповільнюючих і поглинаючих властивостей породи. Як згадувалось вище, дані дві властивості визначаються, в основному, водневим вмістом та вмістом елементів із високим січенням захоплення нейтронів у навколишньому середовищі.

Нейтронний гамма-каротаж проводиться за допомогою свердловинної установки, яка включає джерело нейтронів і розміщений на відстані довжини зонда L_ng індикатор гамма-випромінювання (Рис. 3.11).

Р – радіометр; О – точка запису; L_ng – довжина зонда;

1 – індикатор; 2 – джерело; 3 – свинцевий екран;

4 – парафіновий екран

Рисунок 3.11 – схема свердловинного пристрою нейтронного гамма-каротажу

На величину інтенсивності вторинного гамма-випромінювання суттєво впливає довжина зонда. При малих довжинах із збільшенням об’ємного водневого вмісту гірських порід інтенсивність зростає, при великих зондах – спадає.

Зміна розміру зонда впливає на глибинність дослідження нейтронного гамма-каротажу. Із збільшенням розміру зонда глибинність зростає, потім досягає деякого максимального значення і починає зменшуватись. На практиці радіометричних робіт у якості стандартного зонда НГК переважно використовують заінверсійний зонд проміжного розміру – 60 см.

Глибинність дослідження нейтронного гамма-каротажу невелика – 20-40 см, причому вона зменшується із підвищенням об’ємного водневого вмісту гірських порід і вмісту в них елементів з аномально високим січенням радіаційного захоплення теплових нейтронів.

На результати НГК впливають також елементи, що володіють високою здатністю захоплення теплових нейтронів: хлор, бор, літій, кадмій, кобальт і ін..

За нейтронними властивостями осадові породи діляться на дві групи – великого вмісту водню та малого вмісту.

До першої групи відносяться: глини, гіпс, пористі пісковики, пористі вапняки і виділяються вони на діаграмах НГК мінімумами.

До другої групи відносяться: мало пористі вапняки і доломіт, зцементовані пісковики і алевроліти, ангідрити і кам’яна сіль – вони виділяються на діаграмах НГК високими показами (максимумами).

Нафтоносні і водоносні пласти містять майже однакову кількість водню, тому за НГК нафтоносні і водоносні (слабомінералізовані) пласти позначаються однаково.

Газоносні пласти в обсадженій свердловині відмічаються за НГК більш високими показами ніж такі ж самі за літологією пласти, але заповнені нафтою або водою.

Нейтрон-нейтронний каротаж по теплових нейтронах (ННК-Т)

Метод густини теплових нейтронів (ННК-Т) полягає в дослідженні інтенсивності теплових нейтронів у розрізі свердловин на заданій відстані (довжині зонда) від джерела швидких нейтронів, які в результаті сповільнення породоутворюючими елементами перетворились у теплові.

Густина теплових нейтронів визначається також кількістю нейтронів, які сповільнились до теплової енергії, кількістю нейтронів, які поглинулись середовищем, а також довжиною зонда. Тому, як і в НГК, інтенсивність теплових нейтронів у ННК-Т залежить від сповільнюючої та поглинаючої властивостей гірської породи, тобто від водневого вмісту та наявності елементів з високим січенням захоплення теплових нейтронів. Вплив елементів з високим січенням захоплення теплових нейтронів обумовлений величиною січення захоплення, а також концентрацією в гірських породах елементів, що поглинають, і не залежить від емісійної властивості останніх при захопленні теплових нейтронів. Завдяки цьому ННК-Т більш чутливий до вмісту елементів, що поглинають теплові нейтрони (хлор, бор, кадмій та інші), ніж НГК.

При проведенні ННК-Т довжини зондів можуть бути до інверсійними, інверсійними та за інверсійними.

Свердловинний прилад ННК-Т відрізняється від НГК тим, що у ньому в якості детектора використовується індикатор теплових нейтронів, а фільтром для ослаблення прямого гамма-випромінювання і нейтронного випромінювання джерела служить не один свинець, а речовини із більшим січенням захоплення швидких і теплових нейтронів, переважно використовується парафін-свинцевий екран висотою 10-15 см.

У якості індикатора густини теплових нейтронів використовують пропорційні газорозрядні або сцинтиляційні лічильники із цинку збагаченого сіркою – ZnS(Cu) або ZnS(Ag).

Покази зондів ННК-Т залежать від водневого вмісту та за глибиною дослідження вони аналогічні зондам НГК. Оптимальною довжиною зонда ННК-Т при вивченні нафтових і газових свердловин вважається 30-40 см; вона визначає глибину дослідження 20-30 см.

Нейтрон-нейтронний каротаж по надтеплових нейтронах (ННК-НТ)

Метод густини надтеплових нейтронів (ННК-НТ) базується на реєстрації інтенсивності надтеплових нейтронів по розрізу свердловини, які виникають при опроміненні гірської породи джерелом швидких нейтронів.

Густина надтеплових нейтронів визначається сповільнюючими властивостями (водневим вмістом) середовища і практично не залежить від поглинаючих властивостей (наявність елементів із високим січенням захоплення теплових нейтронів). У цьому є переваги даного методу над іншими нейтронними методами дослідження свердловин.

Густина надтеплових нейтронів визначається також і довжиною зонда. Зонди, які використовуються в ННК-НТ, поділяються на до інверсійні, інверсійні та за інверсійні. Розміри до інверсійних та інверсійних зондів на небагато менші зондів ННК-Т. Це пояснюється тим, що в ННК-НТ залежність густини надтеплових нейтронів від водневого вмісту при різних довжинах зондів визначається тільки довжиною сповільнення теплових нейтронів, у той час як в ННК-Т вона обумовлена, крім того, коефіцієнтом дифузії, довжиною дифузії та часом життя теплових нейтронів.

Зв’язок густини надтеплових нейтронів із водневим вмістом при різних довжинах зондів такий же, як і в НГК і ННК-Т.

Свердловинна вимірювальна установка ННК-НТ відрізняється від свердловинного приладу ННК-Т лічильником реєстрації частинок. Індикаторами надтеплових нейтронів служать пропорційні бор-фторові газорозрядні лічильники та сцинтиляційні лічильники теплових нейтронів (люмінофори типу ЛДН), оточені ззовні парафін-кадмієвим або парафін-борним фільтром. Принцип роботи таких лічильників полягає в наступному. Із навколишнього середовища на свердловинний прилад надходять нейтрони теплових і надтеплових енергій. Теплові нейтрони поглинаються кадмієм або бором, який є зовнішнім покриттям таких індикаторів. Надтеплові нейтрони, безперешкодно пройшовши зовнішній екран, сповільнюються парафіном до теплових енергій та реєструються індикатором, так само як і в ННК-Т.

Переважно при радіометричних дослідженнях розрізів свердловин використовуються за інверсійні зонди (25-40 см). Радіус дослідження ННК-НТ менший ніж в НГК і ННК-Т, тому свердловинні умови ще в більшій степені впливають на інтенсивність надтеплових нейтронів, яка реєструється.

Методи ННК-Т і ННК-НТ вільні від впливу природного γ-випромінювання та від γ-випромінювання джерела нейтронів.

Довжина зондів в цих методах вибирається 0,4-0,5 м. Для цього виду каротажу характерна мала глибина дослідження, яка залежить від властивостей порід і вмісту в них водню і дорівнює 0,2-0,3 м. Якнайменший радіус дослідження має метод ННК-НТ, оскільки область розповсюдження надтеплових нейтронів менше ніж теплових.

Нейтронні методи із стаціонарним джерелом дають можливість виділяти в розрізі свердловини: глини, щільні породи і ділянки підвищеної пористості. У експлуатаційних обсаджених свердловинах нейтронні методи застосовуються для визначення місцеположення газорідинного і водонафтового контактів.

У обсаджених свердловинах ефективність нейтронних методів знижується. Покази методу дуже сильно залежать також від мінералізації промивної рідини.