Импульсный спектрометрический нейтронный гамма-каротаж

Основы метода

Импульсный спектрометрический нейтронный гамма-каротаж (ИНГКС) основан на регистрации гамма-излучения неупругого рассеяния (ГИНР) и радиационного захвата (ГИРЗ) нейтронов, генерируемых высокочастотным излучателем быстрых нейтронов.

В модификации углеродно-кислородного каротажа используемый генератор излучает импульсы нейтронов 14 МэВ с частотой -10 кГц. Первые соударения нейтронов с энергией 14 МэВ с ядрами окружающей среды обычно являются неупругим рассеянием, при котором нейтрон теряет большую часть энергии, передавая ее рассеивающему ядру.

Возврат ядра из возбужденного состояния сопровождается ГИНР, имеющим характерный для каждого элемента энергетический спектр. После потери энергии на неупругих соударениях примерно до 1 МэВ последующие соударения представляют собой упругое рассеяние, при котором нейтроны постепенно теряют энергию, пока не замедлятся до тепловой энергии. Упругое рассеяние не сопровождается гамма-излучением. Замедлившись до тепловой энергии, нейтроны захватываются ядрами. При этом возникает мгновенное ГИРЗ, характерное для каждого элемента. Параллельно часть нейтронов вступает в ядерные реакции, при которых захват нейтрона приводит к образованию радиоактивного ядра другого элемента. Вновь возникшее ядро распадается с испусканием бета- или гамма-излучения наведенной активности (ГИНА), характеризующегося величиной энергии и периодом полураспада. Процесс замедления быстрых нейтронов длится порядка первых нескольких микросекунд, поэтому спектры ГИНР регистрируются в процессе излучения импульса нейтронов, длительность которого составляет 15-25 мкс. Время жизни тепловых нейтронов в типичных разрезах колеблется от 100 до 500 мкс. Таким образом, во время нейтронного импульса тепловые нейтроны от предыдущих импульсов, а также те нейтроны, энергия которых приблизилась к энергии тепловых нейтронов во время импульса, продолжают вызывать гамма-излучение радиационного захвата. При регистрации спектров ГИНР это излучение, наряду с гамма-излучением наведенной активности, является фоновым. Через несколько микросекунд после окончания вспышки, когда ГИНР практически отсутствует, гамма-излучение наведенной активности является фоновым уже для спектров ГИРЗ. Спектр ГИНР для последующего анализа получают после вычитания из измеренного спектра во время нейтронного импульса соответствующего фонового спектра.

С/О – каротаж

Углерод-кислородный (С/О) каротаж - одна из модификаций импульсной нейтронной гамма - спектрометрии, изучающей энергетические и временные распределения плотности потока гамма-излучения, возникающего в результате различных нейтронных реакций на ядрах породообразующих элементов. При С/О – каротаже определяется параметр, характеризующий распространенность в породе углерода по отношению к кислороду. Этот параметр связан с содержанием в породе углеводородных соединений, и поэтому С/О – каротаж применяют для оценки нефтенасыщенности пород Кн в обсаженных скважинах. В основу метода положены процессы неупругого рассеяния быстрых нейтронов на ядрах элементов, слагающих горные породы. При взаимодействии быстрых нейтронов с ядрами углерода и кислорода с наибольшей вероятностью возбуждение происходит на уровни 4.43 и 6.1 МэВ. Последующий мгновенный переход ядер в нормальное состояние сопровождается испусканием гамма - квантов соответствующей энергии.

Однако, из-за невысокого энергетического разрешения сцинтилляционных детекторов и повышенного уровня фонового гамма-излучения выделение «чистых» парциальных эффектов от ядер углерода и кислорода по спектрам гамма-излучений неупругого рассеяния (ГИНР) представляется непростой задачей. Поэтому в качестве основного интерпретационного параметра используют отношение спектральных потоков, регистрируемых в каналах углерода и кислорода. Использование С/О- отношения позволяет с одной стороны усилить регистрируемый эффект за счет разнонаправленного изменения концентрации ядер углерода и кислорода в нефтяных пластах при их обводнении, с другой – исключить влияние ряда дестабилизирующих факторов, в том числе изменение выхода нейтронов генератора во времени, эффективности детектора и отчасти скважинных условий измерений.

Возможности и ограничения С/О каротажа

Углеродно-кислородный каротаж (С/О-каротаж) является наиболее сложным геофизическим методом контроля разработки месторождения. Это связано с его малой глубинностью (10-12 см), слабой чувствительностью к изменению нефтенасыщенности пласта статистической природой метода. Для получения качественных и достоверных результатов исследования должны проводится в неперфорированном пласте после расформирования зоны проникновения, образовавшейся при бурении. Основным методом контроля является электромагнитный каротаж, имеющий существенно большую глубинность и чувствительность к изменению нефтенасыщенности коллекторов, чем С/О-каротаж.