Лекция 19

Нейтронный гамма каротаж (НГК).

Геофизические методы изучения геологического разреза скважин, основанные на измерении характеристик полей ионизирующих излучений, происходящих в ядрах атомов элементов называют радиоактивным каротажем. Наиболее широкое распространение получили следующие виды РК: гамма-каротаж и нейтронный каротаж. При нейтронном каротаже изучаются характери­стики нейтронного и γ-излучений, возникающих при облучении горных пород источником нейтронов. В промышленности приме­няются стационарные и импульсные нейтронные методы исследо­вания скважин.

К числу стационарных нейтронных методов относятся: ней­тронный гамма-каротаж (НГК), нейтрон-ней­тронный каротаж по тепловым (НК-Т) и надтепловым (НК-Н) нейтронам. Результаты измерений при ней­тронном каротаже представляют в виде кривой изменения вторичного гамма-излучения (НГК) или плотности тепловых (надтепловых) нейтронов с глубиной. В скважинном приборе, кото­рый используется при нейтронном каротаже, содержатся источник и индикатор у-излучения (при НГК) или плотности нейтронов (при НК-Т и НК-Н).

Физические основы нейтронного каротажа.

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

Нейтрон — электрически нейтральная ядерная частица с мас­сой (М — 1,0086654 10 ^-24 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 за 16,83 мин на протон, электрон и антинейтрино 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.

Нейтроны, получаемые при помощи нейтронных источников, распространяются в окружающей среде и взаимодействуют с яд­рами ее химических элементов. При этом наиболее существенными процессами являются рассеяние и поглощение (захват).

Рассеяние нейтронов может быть упругим и неупру­гим. Сущность этого процесса состоит в изменении направления движения и уменьшении кинетической энергии нейтронов при их столкновении с ядрами элементов окружающей среды. При упру­гом рассеянии происходит перераспределение энергии между на­летевшим нейтроном и неподвижным ядром в соответствии с их массами и углом рассеяния, по принципу соударения упругих ша­ров. При этом внутреннее состояние ядра и кинетическая энергия системы нейтрон—ядро остаются неизменными.

Величина потери энергии нейтроном зависит от характера его столкновения с ядром и массы последнего. Максимальная потеря происходит при центральном столкновении, когда масса ядра равна или соизмерима с массой нейтрона. Так, при центральном соударении последнего с ядром водорода нейтрон может потерять всю свою энергию в одном акте. Следовательно, водород является аномальным замедлителем нейтронов.При неупругом рассеянии нейтрон сначала захватывается, а затем выбрасывается ядром, но уже с меньшей энергией и под некоторым углом к направлению начального движения. Ядро же, захватившее и потерявшее нейтрон, остается на некоторое время в возбужденном состоянии и затем возвращается в основное, испуская γ-квант:

Быстрые нейтроны, распространяясь в окружающей среде,

в процессе неупругого и упругого рассеяний сравнительно быстро (за 10 ^-4— 10 ^-8с) теряют свою энергию и скорость, и превращаются в тепловые. Последние поглощаютсяядрами вследствие реакции радиационного захвата с образованием на первой стадии составных ядер, которые затем переходят в основное состояние с испусканием γ-квантов.

Распределение нейтронов в среде (породах), т. е. плотность нейтронов на различном расстоянии от источника, зависит от ней­тронных свойств этих пород, в основном связанных с химическим составом последних. Для большинства горных пород поглощающие и замедляющие свойства определяются водородосодержанием: чем оно выше, тем быстрее убывает плотность нейтронов с удалением от источника.

Нейтрон-нейтронный каротаж основан на измерении характе­ристик полей нейтронного излучения в горных породах при облу­чении их внешним источником нейтронов.

На диаграммах нейтронного каротажа по тепловым нейтронам, полученных при помощи длинных зондов, водородосодержащие пласты выделяются, так же как и на кривых НГК, низкими зна­чениями, малопористые пласты — более высокими значениями. Однако на показания ННК-Т значительное влияние оказывают эле­менты, обладающие большим сечением захвата тепловых нейтро­нов, поэтому ННК-Т весьма чувствителен к содержанию хлора и получаемые результаты сильно зависят от минерализации про­мывочной жидкости и пластовой воды.

Нейтронный гамма-каротаж основан на измерении вторичного излучения, возникающего в горных породах в результате взаимо­действия нейтронов, испускаемых источником, с ядрами элементов пород.

α-лучи, испускаемые полонием, проникают в ядра бериллия и выбивают из них нейтроны. Быстрые нейтроны, излучаемые источ­ником со скоростью порядка 10—15 тыс. км/сек, проникают через стальную обсадную колонну и цементное кольцо и попадают в породу. В результате повторяю­щихся столкновений нейтронов с ядрами элементов, составляющих породу, нейтроны теряют свою энергию, становятся медленными (тепловыми) со скоростью около 2400 м/сек. Замедление нейтронов происходит вследствие пере­дачи ядру части кинетической энергии, присущей нейтрону. Взаимодействие медленных нейтронов с элементами породы сво­дится к двум процессам: процессу рассеивания нейтронов и про­цессу их захвата. Эти процессы характеризуются соответственно эффективным сечением рассеивания и эффективным сечением захвата.

Вероятность захвата тепловых нейтронов обратно пропорцио­нальна их скорости, а вероятность рассеивания от скорости не зависит.

В горных породах замедление нейтронов происходит главным образом вследствие их соударений с ядрами водорода. Столкновение с ядрами других элементов вызывает в основном рассеяние нейтронов.

Движение медленного нейтрона происходит до тех пор, пока в результате одного из столкновений с ядром породы нейтрон не будет им захвачен.

При захвате медленных нейтронов ядрами водорода образуются ядра дейтерия с выделением γ-кванта.. При захвате медленных нейтронов атомами хлора выделяется целый спектр γ-лучей с энергией 4—7 Мэв. В горных породах, содержа­щих в большом количестве водород или хлор, основное влия­ние на нейтроны оказывают эти элементы, так как водород является аномально сильным замедлителем и ядрам водорода и хлора присуща большая способность захвата медленных нейт­ронов.

С увеличением содержания водорода или хлора в породе сокращается область распространения нейтронов; с уменьшением содержания их эта область расширяется.

Это связано с тем, что в среде, содержащей водород и хлор, медленные нейтроны, имея весьма короткие пробеги, не диффунди­руют далеко от точки, где они стали тепловыми. Это приводит к тому, что при движении прибора, регистрирующего вторичные у-излучения, вдоль скважины показания индикатора изменяются в зависимости от содержания водорода и хлора в окружающих скважину горных породах. Получаемая при этом кривая ха­рактеризует изменение интенсивности вторичного у-излучения с глубиной и называется кривой нейтронного гамма-каротажа.

Методика и техника проведения исследований в скважине.

Для производства нейтронного гамма-каротажа в скважину опускают прибор. Источником нейтронов служит смесь полония и бериллия.

При исследованиях зондами, длина которых L₃ более 40 см, плотность нейтронов в среде с большим водородосодержанием в зоне 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. При захвате нейтрона ядром атома водорода испу­скается 1 γ-квант энергией 3,57-1013 Дж; при захвате нейтронов ядром атома хлора испускается в среднем 2,37 γ-кванта высокой энергией 13,62-1013 Дж.

Показания ННК-Н практически не зависят от содержания в окружающей среде элементов с большим сечением захвата тепло­вых нейтронов, в том числе хлора. Они определяются главным об­разом замедляющими свойствами среды — водородосодержанием. Следовательно, показания ННК-Н более тесно связаны с содержа­нием водорода в породе, чем показания НГК и ННК-Т. Методы ННК-Т и ННК-Н имеют преимущество перед НГК в том, что их показания свободны от влияния естественного у-излучения и у-излучения источников нейтронов. Длина зондов при ННК-Т и ННК-Н выбирается равной 0,4—0,5 м.

Для нейтрон-нейтронного каротажа характерна малая глубин­ность исследования, которая изменяется в зависимости от свойств пород и их водородосодержания от 20 до 30 см, уменьшаясь с ро­стом водородосодержания. Наименьший радиус исследования ха­рактерен для ННК-Н, так как область распространения надтепловых нейтронов меньше, чем тепловых.

Аппаратура и оборудование.

В общем случае зонд для радиометрии скважин состоит из источника (излучателя) радиоактивного излучения и приемника (детектора) (рисунок 12.1). Расстояние между серединами источника и приемника излучения называется длиной зонда. Выбор типа и конструкции приемника определяется видом исследуемого радиоактивного излучения (гамма-кванты, нейтроны), его энергетическим спектром, геологическими усло­виями (мощность пластов, средний уровень излучения), усло­виями эксплуатации (температура окружающей среды, вели­чина гидростатического давления) и другими факторами. В ка­честве приемников используют радиационные преобразователи различных видов — газоразрядные самогасящиеся, сцинтилляционные, пропорциональные. При измерении относительно ма­лых интенсивностей гамма-излучения газоразрядные преобразо­ватели вследствие их невысокой эффективности соединяют в группу от двух до шести штук. Иногда группируют и сцинтилляционные преобразователи (например, в аппаратуре ДРСТ-3). Для повышения термостойкости и термостабильности сцинтилляционные преобразователи термостатируются — помещаются в сосуд Дюара.

В качестве источников гамма-излучения в рас­сматриваемых зондах используют радиоактивные изотопы неко­торых элементов, различающиеся по своим техническим (вели­чина энергии и степень энергетической однородности испускаемых гамма-квантов, наличие сопровождающего излучения и др.) и эксплуатационным (скорость распада и общий выход гамма-квантов, т. е. мощность) характеристикам. Ско­рость распада источников гамма-излучения определяет срок их службы, а общий выход гамма-квантов — статистическую точ­ность результатов исследования. Обе эксплуатационные харак­теристики источников должны быть, возможно, большими.

Общий недостаток источников гамма-излучения — относи­тельно низкая (не более 3 МэВ) энергия гамма-нзлучспия.

Для создания в скважине нейтронных полей используют ампульные источники нейтронов малогабаритные генераторы нейтронов. В источниках обоих типов выход нейтронов происхо­дит за счет ядерных реакций, протекающих при бомбардировке ядер легких элементов (дейтерия, лития, бериллия, бора и др.) потоком элементарных частиц. Нейтронные источники разли­чаются по общему выходу и энергетическому составу нейтронов, природе и интенсивности сопровождающего излучения и т. п.

В ампульных источниках для получения нейтронов наибольшее распространение получили ядерные реакции типа (α, n). В качестве альфа-излучателей используют радий, поло­ний или плутоний; мишенью обычно является бериллий, реже бор. Источник представляет собой порошкообразную смесь пре­паратов альфа-излучателя и мишени, помещенную в геристичную ампулу. Выход нейтронов в основном зависит от способа приготовления источника (степени измельчения, чистоты веще­ства и других, трудно учитываемых факторов) и может коле­баться в

Рисунок 12.1. Схема установок нейтронного каротажа. а) НГК. б) НК. 1-стальной экран, 2-свинцовый экран, 3-парафин. Lз- длина зонда, I – индикатор γ-излучения, IV-источник γ-излучения.

пределах нескольких десятков процентов при одних и тех же содержаниях альфа-излучателя и мишени. Срок службы (скорость распада) ампульных источников нейтронов опреде­ляется периодом полураспада альфа-излучателей, составляю­щим соответственно 24360 лет для плутония, 1617 лет для ра­дия и 138,3 дня для полония.

Наибольшее распространение и геофизической практике по­лучили полониево-бериллиевые источники ввиду меньшей интен­сивности гамма-излучения, сопровождающего выход нейтронов.

Для получения нейтронов невысоких энергий используют ядерные реакции, при которых мишенями служат изотопы ⁹Ве и ²Н, а гамма-излучателями — препараты искусст­венных и естественных радиоактивных изотопов, у которых энергия гамма-излучения выше пороговых значений энергия гамма-излучения мишеней (соответственно 1,67 и 2,23 МэВ).

Гамма-нейтронные источники характеризуются меньшим выхо­дом нейтронов по сравнению с источниками, основанными на реакции. Наибольшее практическое распространение при скважинных исследованиях получили сурьмяно-бериллиевые ис­точники.

Получение нейтронов с помощью малогабаритного генератора основано на ядерных реакциях про­текающих при бомбардировке мишени из легких элементов (дейтерий, тритий, бериллий, литий и др.) потоком ускоренных ионов дейтерия (дейтонов) или трития. Основной частью гене­ратора является нейтронная трубка. Несмотря на значительное многообразие нейтронных трубок, разработанных в России и за рубежом, все они содержат общие элементы: ионный источник, ускоряющий зазор, тритиевую мишень и систему регулировки давления. Принципиальная схема одного из вариантов нейтрон­ной трубки показана рисунке 12.2.

Трубка представляет собой стеклянный баллон, заполненный дейтерием. Электроны, испускаемые накаленным вольфрамовым катодом 2, ускоряются разностью потенциалов 200 В, прило­женной между катодом и цилиндрическим анодом 4. Магнитное поле, создаваемое током, протекающим но катушке электро­магнита, заставляет электроны.двигаться по спиралеобразным траекториям, увеличивая эффективную длину их пробега. На электрод 5, в котором расположена мишень 6, подается пе­ременное синусоидальное напряжение со вторичной обмотки высоковольтного трансформатора Тр. При отрицательном по­тенциале на электроде 5 ускоренные электроны начинают ос­циллировать (совершать колебательные движения) между высо­ковольтным электродом 5 и катодом 2, ионизируя нейтральные молекулы дейтерия. Образующиеся при этом положительные ионы дейтерия ускоряются электрическим полем высоковольт­ного электрода и, бомбардируя мишень из циркония или титана,

насыщенных тритием, генерируют быстрые нейтроны с энергией 34 МэВ. При положительном значении потенциала па электроде 5 осцилляция электронов прекращается, и они ускоряются по направлению к высоковольтному электроду, обеспечивая элек­тронную проводимость, свойственную кенотрону.

В промежутки времени, когда потенциал на электроде 5 по­ложителен, конденсатор С, включенный в цепь вторичной об­мотки трансформатора Тр, заряжается почти до амплитудного значения напряжения электронным током трубки. Поэтому в моменты максимумов отрицательного напряжения на вторич­ной обмотке трансформатора Тр потенциал электрода 5 почти вдвое превышает амплитудное значение высокого напряжения. Таким образом, потенциал па высоковольтном электроде пуль­сирует от небольшого положительного значения до почти удво­енного амплитудного напряжения отрицательной полярности. Это позволяет существенно упростить конструкцию высоко­вольтного трансформатора.

В отпаянных ионных приборах, к которым относится и ней­тронная трубка, со временем происходит уменьшение давления вследствие ионной сорбционной откачки. Для поддержания требуемого давления в трубке используется натекатель 3, пред­ставляющий собой спираль из титановой проволоки, насыщен­ной дейтерием, или специальный контейнер из зернистого ти­тана, насыщенною дейтерием, с подогревателем. При нагрева­нии натекатель выделяет газ, компенсирующий уменьшение давления.

Основным преимуществом генераторов нейтронов перед ампульными источниками является возможность получения боль­ших потоков нейтронов высоких энергий с моноэнергетическим излучением, а также существенное улучшение безопасной ра­боты обслуживающего персонала.

При проведении радиометрических исследований источник гамма-излучения или ампульный источник нейтронов разме­щают в камере специального зондового устройства, сочленяе­мого со скважинным прибором. Камера (рис.12.3) состоит из прочного корпуса 1, имеющего с одной стороны замок для сое­динения со скважинным прибором, а с другой — отверстие с резьбой для ввинчивания вставки с источником. Капсула 2 с источником

Рисунок 12.2. Принципиальная схема ускорительной трубки.

помещается в держатель 3, закрепленный в пробке 5, и фиксируется винтом 4. Герметизация камеры осущест­вляется с помощью резиновых колец 6.

Малогабаритный генератор нейтронов размещают в отдель­ны блоке, соединяющемся с измерительным блоком скважинного прибора специальным переходником со штепсельным разъемом.

Детекторы.

В сцинтилляционном счётчике регистрация заряженной частицы происходит за счёт возбуждения атомов и молекул вдоль её траектории.

Возбуждённые атомы, живущие короткое время, переходят в основное состояние, испуская электромагнитное излучение. У ряда прозрачных веществ (фосфоров) часть спектра этого излучения приходится на световую область. Прохождение заряженной частицы через такое вещество вызывает вспышку света.

Рисунок 12.3. Камера нейтронного источника аппаратуры ДРСТ-3.

1-корпус; 2-капсула с источником; 3-держатель; 4-фиксирующий винт; 5-пробка; 6- герметизирующие кольца.

Для увеличения выхода света и уменьшения его поглощения в фосфор в последний добавляют активаторы. Вид активатора указывают в скобках после обозначения фосфора. Так, например, кристалл NaI, активированный таллием, обозначают NaI (TI).

Итак, попадание быстрой заряженной частицы в фосфор вызывает световую вспышку – сцинтилляцию. Последняя преобразуется в электрический импульс и усиливается в 105-106 раз фотоэлектрическим умножителем (ФЭУ). Регистрация γ-квантов в сцинтилляционном счётчике происходит благодаря вторичным электронам и позитронам, образующихся при поглощении γ-квантов фосфором. Поскольку фосфоры обладают хорошей оптической прозрачностью, обеспечивающей сбор света на фотокатод ФЭУ со значительного объёма фосфора, то для регистрации γ-квантов применяют фосфоры большой толщины. Это обеспечивает высокую эффективность регистрации γ-квантов сцинтилляционным счётчиком, на порядок на порядок и более превышающую эффективность газонаполненных счётчиков.. Важной характеристикой фосфоров является эффективность регистрации излучения, которая определяется плотностью δ, эффективным атомным номером Zэф фосфора и его размерами.

В ряде случаев важна также зависимость выхода света от энергии частиц. Для большинства фосфоров эта зависимость при регистрации β-частиц и γ-квантов линейна. Это наряду с линейностью характеристика ФЭУ позволяет по амплитуде импульса на выходе судить об энергии регистрируемых частиц, т.е. производить спектральный анализ излучения. Такой пропорциональности между энергией частицы и световым выходом не наблюдается для тяжёлых частиц.

В радиометрической аппаратуре в основном используются следующие виды фосфоров.

Неорганические монокристаллы, особенно NaI (Tl) и частично CsI (Tl), являются наиболее распространёнными фосфорами для регистрации γ – квантов. Их преимущество – высокая эффективность, обусловленная высокой плотностью и большим эффективным атомным номером, а также высокое энергетическое разрешение. Недостатком NaI (Tl) является высокая гигроскопичность, приводящая к помутнению кристаллов при попадании влаги. Поэтому кристаллы NaI (Tl) упаковывают в герметичные контейнеры. (Рис.12.4,а).

Для регистрации α-лучей применяют чаще всего ZnS (Ag), а для регистрации тепловых нейтронов смесь борной кислоты с ZnS (Ag). Поскольку такая смесь мало прозрачна, сцинтиллятор обычно изготавливают в виде тонких слоёв с большой удельной поверхностью.

Реже для регистрации медленных нейтронов используют монокристаллы LiI (иногда литиевые стёкла). Регистрация обусловлена реакцией 6Li (n,α).

Рисунок 12.4. Схема контейнеров некоторых типов люминофоров

А – схема герметизации кристаллов NaI(Tl): 1 – крышка, 2 – алюминиевый корпус, 3 – отражатель из окиси магния, 4 – стекло, 5 – фосфор, б – сцинтилляционная камера для регистрации α – излучения эманаций: 1 – корпус, 2 – тонкий слой ZnS(Ag), 3 – воздух

Органические монокристаллы стильбена, антрацена и других веществ применяют для регистрации заряженных частиц и быстрых нейтронов по протонам отдачи. Их преимущество – малое разрешающее время (время высвечивания). Однако из-за малой плотности они для регистрации γ-квантов почти не используются.

Растворы органических и неорганических веществ в органических жидкостях позволяют создавать весьма большие детекторы и применять их в радиометрах высокой чувствительности, например в аэрогаммарадиометрах. Примером таких фосфоров служат растворы терфенила в с ксилоле и метилбората в толуоле.

Твёрдые растворы органических веществ в пластмассах (например, терфенила в полистироле) могут быть изготовлены в больших объёмах и любой формы. Могут использоваться для регистрации γ-излучения и быстрых нейтронов (по протонам отдачи). Для регистрации заряженных частиц применяют обычно твёрдые фосфоры без упаковки, а фосфоры для регистрации γ-излучения и нейтронов, как правило (жидкие фосфоры обязательно), размещают в контейнерах.

Фотоэлектронные умножители состоят из фотокатода, умножающих электродов (динодов) и анода. Потенциал каждого последующего электрода на некоторую величину (10В) превышает потенциал предыдущего, что обеспечивает ускорение электронов между ними.

Фотоны, поступающие из фосфора на фотокатод, выбивают из последнего несколько десятков или сотен электронов. Последние, фокусируясь и ускоряясь электрическим полем, бомбардируют первый динод. Тормозясь в диноде, каждый ускоренный электрон выбивает по 5-10 вторичных электронов. Такой процесс, повторяясь на каждом последующем диноде, обеспечивает умножение электронов до многих миллионов раз.

Сцинтилляционные счётчики в ядерной геологии и геофизике используются для регистрации γ-квантов, реже нейтронов и β-частиц, ещё реже α- частиц. При регистрации тяжёлых заряженных частиц возникает трудность с обеспечением их ввода в фосфор. Поэтому для регистрации α-частиц чаще всего используют ионизационные камеры или торцовые счётчики. Лишь для регистрации α-излучения эманаций широко используется сцинтилляционная камера, внутренние стенки которой покрыты ZnS (Ag).

Из-за термоэлектронной эмиссии фотокатода и первых динодов на выходе даже полностью затемнённого ФЭУ возникает некоторый темновой ток, создающий небольшие фоновые импульсы; для их отсечения в схему регистрации вводят дискриминаторы.

Особенности использования сцинтилляционных счётчиков для спектрометрии γ-излучения.

При регистрации γ-квантов сцинтилляционным счётчиком амплитуда импульса на его выходе пропорциональна энергии электрона и позитрона, образовавшихся при взаимодействии γ – кванта с сцинтиллятором.

Если при фотоэффекте энергия фотоэлектрона равна энергии γ-кванта (за вычетом небольшой величины-энергии связи электрона), то электрону при комптоновском рассеянии и паре электрон-позитрон в эффекте образования пар передаётся лишь часть энергии кванта. При Комптон – эффекте в зависимости от угла рассеяния γ-кванта энергия электрона может меняться в широких пределах, а при эффекте образования пар – кинетическая энергия пары на 1,02 МэВ меньше, чем энергия γ – кванта. В результате спектр энергии вторичных частиц, образованных в сцинтилляторе монохроматическим пучком γ-квантов, имеет сложный вид (рис.12.5). Появление дополнительных линий EY – 0,51 МэВ и EY при эффекте образования пар обусловлено тем, что в ряде случаем один или даже оба γ-кванта с энергией 0,51 МэВ, образующихся при аннигиляции позитрона, поглощаются в сцинтилляторе в результате фотоэффекта, и вспышка от этих фотоэлектронов сливается с вспышкой от первичной пары электрон – позитрон.

Рисунок 5. Упрощенная схема распределения энергии вторичных электронов в люминофоре при фотоэффекте (а), комптоновском рассеянии (б) и эффекте образования пар (в)

Максимальная энергия комптоновского электрона (при θ = 180о) равна

Реальное амплитудное распределение импульсов на выходе ФЭУ более расплывчатое, чем спектр электронов на рис.12.7, из-за статического характера процессов в фосфоре и ФЭУ. Оно не дискретное, а непрерывное.

Аппаратурный спектр изотопа 24Na (Eγ = 1,38 и 2,76 МэВ) приведён на рис.12.6. Для линии 1,38 МэВ вклад эффекта образования пар ничтожен и соответствующие пики почти незаметны; образуется лишь пик в 1,38 МэВ, обусловленный фотоэффектом, а также менее четкий комптоновский пик с энергией 1,17 МэВ.

Для линии 2,76 МэВ наблюдаются три пика с энергиями 1,74, 2,25 и 2,76 МэВ; два первых пика обязаны эффекту образования пар. А последний пик (2,76МэВ) трём процессам: фотоэффекту, эффекту образования пар, сопровождающемуся поглощением обоих γ – квантов аннигиляции, Комптон – эффекту, когда рассеянный γ – квант также поглощается фосфором в результате фотоэффекта. Во всех трёх процессах в световую энергию превращается всё энергия γ – кванта. Поэтому этот пик называют пиком полного поглощения. Форма пика полного поглощения близка к гауссовой кривой.

Отношение η = ΔЕ/Е полуширины пика ΔЕ на половине его высоты средней энергии Е называют амплитудным разрешением счётчика. Чем меньше η, тем лучше спектрометр. Величина η обычно растёт с уменьшением энергии и для хороших сцинтилляционных спектрометров при Еγ=1,33 МэВ (60Со) составляет приблизительно 6%.

Сцинтилляционные счётчики обеспечивают гораздо большую эффективность регистрации γ – квантов (до 30-50% и более), чем газоразрядные, и дают возможность изучения спектрального состава излучения. К преимуществам сцинтилляционных счётчиков относится более низкий уровень их собственного и космического фона. Однако сцинтилляционные счётчики более сложны и требуют квалифицированного обслуживания, чем разрядные. Это обусловлено большим влиянием температуры на световой выход фосфоров, несравненно более высокими требованиями к стабилизации источника питания, а также более сильным изменениям характеристик сцинтилляционных счетчиков во времени.

Рисунок 12.6. Аппаратурный спектр γ – излучения 24Na

Назначение и возможности нейтронного каротажа.

Нейтронный каротаж используется для решения следующих задач:

а) определение положения текущего газонефтяного контакта (ГНК), интервалов прорыва газа, перетока, разгазирования нефти в пласте и оценки газонасыщенности;

б) определение положения водонефтяного контакта ВНК
в скважинах с высокой минерализацией пластовых вод — не менее
3% объемного содержания NaCl в породе (150—200 г/л при пористости 20%) (рис 12.7)

3. Интерпретация исследований Нейтронные свойства пород характеризуются длиной замедления и. длиной диффузии. Длина замедления уменьшается с увеличением сум­марного водородосодержания среды. Наименьшие длины замедления на­блюдаются в породах с большим водородосодержанием

.

Рисунок 12.7 Пример определения ГВК (а) и ГНК (б) по материалам повторных исследований НК в обсаженной скважине.

. Диффузионная длина убывает с увеличением водородосодержания и содержания в поро­дах элементов с аномально высокими ядерными сечениями захвата. В осадочных породах и пластовых водах наиболее распространенным из этих элементов является хлор. Длина замедления и диффузионная длина зависят также от минерального и химического состава скелета породы. Плотность тепловых нейтронов по мере удаления от источника ней­тронов в однородных средах с разным водородосодержанием снижается по разным законам. В среде с высоким водородосодержанием, где малы длина замедления и диффузионная длина, плотность тепловых нейтро­нов на малых расстояниях значительна и быстро убывает по мере удале­ния от источника. В среде с меньшим водородосодержанием плотность тепловых нейтронов вблизи источника меньше и снижается с удалением от него медленнее, чём в первом случае.

Область пересечения кривых, выражающих указанные зависимости, именуется областью инверсионных зондов и соответствует длинам зон­дов 15—30 см. При длинах нейтронных зондов, больших инверсионных, плотность тепловых нейтронов в среде, окружающей индикатор, убы­вает с увеличением водородсодержания. Такие зонды используются на практике. Зонды НГМ чаще всего имеют размер 60 см, ННМ-Т — 40— 50 см.

По нейтронным свойствам осадочные горные породы можно разделить на две группы — большого и малого водородосодержания. 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 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 и 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 содержаний 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.