Нейтронний гамма-каротаж (НГК)

Таблиця 2.1 – Основні характеристики нейтронів

Нейтрони	Енергія Е_n, еВ	Температура T, К	Швидкість V_n, см/с	Довжина хвилі l_n, см
Холодні	0,001	11,6	4,37·10⁴	9,04·10^-8
Теплові	0,025		2,2·10⁵	1,80·10^-8
Повільні	0,5	1,16·10⁴	1,39·10⁶	2,86·10^-9
Надтеплові	30-50
Резонансні		1,16·10⁶	1,39·10⁷	2,86·10^-10
Проміжні	0,5-2·10⁵	1,16·10⁸	1,39·10⁸	2,86·10^-11
Швидкі	2·10⁵-2·10⁷	1,16·10¹⁰	1,39·10⁹	2,86·10^-12

Розсіювання нейтронів може бути пружнимі непружним.

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 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. У зв’язку з цим, всі нейтрони умовно діляться на декілька енергетичних груп, які приведені в табл. 2.1, крім того нейтрони з енергією від 0,3-0,5 до n·10² еВ називають надтепловими нейтронами.

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

При пружному розсіюванні між нейтроном і ядром проходить перерозподіл кінетичної енергії без зміни внутрішнього стану ядра, у результаті чого швидкий нейтрон втрачає свою енергію та розсіюється під деяким кутом до початкового напрямку свого руху. Якщо кінетична енергія нейтрона більша ніж кінетична енергія ядра, то розсіяний нейтрон сповільнюється, а ядро прискорюється, і навпаки. Перетин пружного розсіювання в більшості речовин залежить від енергії нейтрона тільки у швидкій області, а в тепловій та проміжній областях майже стале. Величина втрати енергії нейтроном залежить від типу зіткнення нейтрона та ядра, а також від маси бомбардуючого ядра.

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.

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.

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 потрапивши в гірську породу, відносно швидко (за 10^-4–10^-5 с) сповільнюються у результаті пружних і частково не пружних співударів. Більша частина нейтронів минає поглинання в області високих енергій та захоплюється ядрами за реакцією захоплення (n, g), маючи достатньо малу енергію (0.025 еВ).

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 перетином розсіювання σ_р і нейтронним ефективним перетином 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:

, (2.1)

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 по формулі:

, (2.2)

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

. (2.3)

Інтенсивність поглинання теплових нейтронів залежить від вмісту в породах елементів з високим ефективним перетином 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.

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:

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

б - γ-випромінювання від джерела нейтронів;

в - 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, а також вмістом елементів із високим перетином захоплення нейтронів у навколишньому середовищі.

Нейтронний гамма-каротаж проводиться за допомогою свердловинної установки, яка включає джерело нейтронів і розміщений на відстані довжини зонда L_n_g індикатор гамма-випромінювання (Рис. 2.1).

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

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

4 – парафіновий екран

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Взаємодія нейтронів з речовиною	\|	Нейтрон-нейтронний каротаж по теплових нейтронах (ННК-Т)

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.004 сек.