Физические основы нейтронного каротажа. При нейтронном гамма-каротаже (НГК) изучается эффект взаимодействия потока нейтронов с ядрами элементов горных пород

Принципы построения аппаратуры радиоактивного каротажа. Для измерения интенсивности естественного гамма-излучения используют скважинный прибор, содержащий индикатор g-излучения. В качестве индикатора используют сцинтилляционные счетчики.

Сцинтилляционный счетчик имеет в своем составе два элемента: сцинтиллятор, реагирующий на ядерное излучение вспышками света, и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), преобразующий эти вспышки в электрические импульсы. В аппаратуре РК в качестве сцинтиллятора обычно применяют кристалл йодистого натрия, активированного таллием NaJ(Tl). Этот кристалл характеризуется наиболее высокой эффективностью счета. При попадании заряженной частицы в сцинтиллятор возникает световая вспышка – сцинтилляция, которая преобразуется в электрический импульс, усиливается в 10⁵ раз и подается на выход.

Естественная радиоактивность горных пород. Разрезы нефтяных и газовых скважин обычно бывают представлены горными породами осадочного комплекса. ИХ радиоактивность обусловлена наличием весьма малых количеств радиоактивных элементов – урана, тория, калия. Эти элементы находятся в осадочных породах в рассеянном состоянии. Концентрацию радиоактивных элементов в породе измеряют в грамм-эквиваленте радия на 1 грамм породы. Грамм-эквивалент радия (г×экв.Ra/г) – это концентрация, при которой возникает гамма-излучение такой же интенсивности, как при распаде 1 г Ra.

По величине естественной радиоактивности осадочные горные породы можно разделить на три группы.

1. Породы высокой радиоактивности. К ним относятся глубоководные и битуминозные глины, аргиллиты, глинистые сланцы, калийные соли. Концентрация радиоактивных элементов в них может достигать (6-80) 10^-12 г×экв. Ra/г.

2. Породы средней радиоактивности. К ним относятся континентальные глины, глинистые песчаники, мергели, глинистые известняки и доломиты. Радиоактивность этоих пород возрастает с увеличением содержания в них тонкодисперсного материала. Концентрация радиоактивных материалов достигает 5 10^-12 - 30 10^-12 г×экв. Ra/г.

3. Породы низкой радиоактивности. К ним относятся ангидриты, гипсы, пески, песчаники, известняки, доломиты, каменные угли.

Увеличение радиоактивности горных пород связано с увеличением содержания в породе глинистых частиц. В некоторых случаях повышение радиоактивности связано с содержанием монацитовых песков, скоплением урановых минералов.

Повышенная радиоактивность глинистых пород объясняется их большой удельной поверхностью и способностью к адсорбции радиоактивных элементов (урана и тория), повышенным содержанием калия благодаря селективной сорбции ионов калия в процессе накопления глин и органических остатков. Также возможно обогащение тяжелых нефтей обогащаться ураном, извлекая его из подземных вод. Легкие нефти и угли этим качеством не обладают. Повышенная радиоактивность часто присуща битумам, которые также характеризуются высокой адсорбирующей способностью.

Интерпретация результатов гамма-каротажа. При определении гамма-активности пласта при количественной интерпретации показания ГК приводят к стандартным условиям, то есть к условиям необсаженной скважины. Для этого существуют палетки, учитывающие диаметр скважины, плотность промывочной жидкости и эксцентриситет прибора.

Для оценки интенсивности естественного гамма-излучения пластов, а также для исключения влияния условий измерений, часто пользуются относительной величиной естественной гамма-активности:

J_y=(I_y -I_{y min})/(I_{y max} -I_{y min}),

где I_y, I_{y min}, I_{y max} – соответственно показания против исследуемого пласта, минимальные и максимальные показания на гамма-каротажной кривой в изучаемом интервале скважины.

По величине относительной амплитуды и эмпирической зависимости J_y=f(C_гл) определяется глинистость породы. С учетом граничного значения C_гл по разрезу скважины выделяются коллекторы. С учетом коэффициентов пористости и глинистости оценивается коэффициент проницаемости коллекторов.

Гамма-каротаж является обязательным методом, выполняемым как в открытом стволе, так и в обсаженной скважине. Кроме количественной интерпретации с целью выделения коллекторов и оценки их коллекторских свойств, метод является обязательным для проведения корреляции разрезов, так как естественная радиоактивность пород является стабильным методом, позволяющим выделять и прослеживать по площади опорные пласты как с высокой, так и с низкой радиоактивностью. Кривые ГК часто регистрируются совместно с кривыми других методов каротажа с целью увязки кривых по глубинам. Поэтому прибор для регистрации ГК может быть совмещенным со стреляющим перфоратором, локатором муфт, керноотборниками и опробователями пластов для точной установки прибора в нужном интервале с высокой точностью.

Стационарный нейтронный гамма-каротаж

Фактором, влияющим на движение нейтронов, является их столкновение с ядрами атомов, которое проявляется в виде рассеяния нейтронов и захвата их ядрами атомов.

Различают неупругое и упругое рассеяние нейтронов. В случае неупругого рассеяния при столкновении нейтрона с ядром атома большая часть кинетической энергии расходуется на возбуждение рассеивающего ядра, что сопровождается значительным снижением энергии (скорости) нейтронов. Неупругое рассеяние происходит при больших энергиях нейтронов, порядка нескольких МэВ. При энергиях нейтронов от 1МэВ до 1эВ преобладает упругое рассеяние, играющее основную роль в процессе замедления нейтронов. При упругом рассеянии часть энергии нейтрона передается ядру, в результате чего нейтрон отклоняется от первоначального направления и его энергия снижается.

В результате рассеяния быстрых нейтронов, испускаемых источником, происходит их замедление и превращение в надтепловые (Е=1эВ) и тепловые (Е=0.025эВ), т.е. в конечном счете энергия нейтронов становится равной кинетической энергии молекул.

Замедлившиеся нейтроны после столкновения с ядрами элементов продолжают двигаться и сталкиваться с ядрами, но уже без изменения средней энергии. Этот процесс называется диффузией. Конечным результатом движения теплового нейтрона является его поглощение каким-либо ядром атома. При захвате нейтрона происходит выделение энергии в виде одного или нескольких g-квантов, то есть наблюдается вторичное гамма-излучение, которое регистрируется прибором НГК.

С удалением от источника плотность нейтронов уменьшается и одновременно возрастает количество нейтронов с меньшей энергией. Плотность нейтронов зависит от замедляющих и поглощающих свойств среды. Для большинства горных пород поглощающие и замедляющие свойства определяются водородосодержанием. Следовательно, чем выше водородосодержание, тем быстрее убывает плотность нейтронов с удалением от источника и тем сильнее снижается регистрируемое вторичное гамма-излучение.

Аппаратура нейтронного гамма-каротажа. Аппаратура НГК содержит источник нейтронов и расположенный выше него индикатор. Расстояние между источником и индикатором называется длиной зонда L, которая обычно составляет 50-60 см. Источником нейтронов обычно служит смесь полония с порошкообразным бериллием. Смесь помещают в запаянную ампулу. Полоний является радиоактивным элементом, излучающим a-частицы. При взаимодействии a-частиц с бериллием образуются ядра углерода. Эта реакция сопровождается излучением нейтрона и гамма-кванта: