Импульсный нейтронный каротаж (ИНК)

 

В последнее время для решения некоторых задач нефтепромысловой геологии широко применяются импульсные методы нейтронного каротажа. При этом в качестве источника нейтронов используются скважинные генераторы нейтронов, обеспечивающие периодическое генерирование мощных доз нейтронов. Генератор работает в импульсном режиме, т.е. нейтроны «впрыскиваются» в окружающую среду через определенные промежутки времени. Имеющимся в приборе детектором нейтронов фиксируется их плотность через выбранные временные интервалы после прекращения «нейтронного импульса». Преимущества импульсных методов заключаются в большей глубинности по сравнению с обычными методами. Кроме того, поскольку эти методы более чувствительны к хлоросодержанию окружающей среды, они применяются для установления местоположения водонефтяного контакта (ВНК).

В качестве источника излучения в скважинном генераторе нейтронов используют нейтронную трубку, в которой титановая или циркониевая мишень с растворенным в ней изотопом водорода тритием () бомбардируется дейтонами (ядрами тяжелого водорода ), ускоренными линейным ускорителем под напряжением около 10⁵В. По реакции  образуются нейтроны с энергией 14 МэВ. Более высокая энергия нейтронов являются преимуществом таких генераторов. Другое преимущество – возможность выключения источника, что повышает безопасность работ и позволяет доводить его интенсивность до 10⁸ – 10⁹ нейтрон/с.

При импульсном облучении процессы замедления быстрых и диффузии тепловых нейтронов происходят последовательно и могут быть исследованы раздельно в зависимости от времени задержки. Плотность потока тепловых нейтронов сначала увеличивается за счет замедления быстрых нейтронов и через 10–100 мкс достигает максимума, а затем уменьшается за счет того, что тепловые нейтроны начинают диффундировать вдоль оси скважины, а из скважины – в пласт и поглощаться. Время замедления быстрых нейтронов (10–10² мкс) характеризует замедляющие свойства, т.е. водородосодержание горных пород, а время диффузии тепловых нейтронов (10²–10⁴ мкс) определяется и водородосодержанием, и наличием ядер с большим сечением захвата тепловых нейтронов (например, Сlв пластовых водах).

Поскольку время жизни тепловых нейтронов в пласте больше, чем в скважине (из-за большего количества водорода), то, спустя некоторое время после испускания импульса, количество тепловых нейтронов в скважине становится меньше, чем в пласте, и они начинают диффундировать из пласта в скважину. С увеличением времени задержки детектор регистрирует все меньшее количество тепловых нейтронов, но эти нейтроны представляют наибольший интерес, т.к. они идут из наибольшей глубины пласта.

Длительность потока нейтронов зависит от времени подачи напряжения на анод и составляет обычно от 10 до 20 мкс. Длительность нейтронного импульса обозначают Δ t, а интервал времени между импульсами – t. Частота следования импульсов – от 10 до 500 Гц. Через некоторое время после испускания импульса, называемое временем задержки , производят измерение плотности потока нейтронов или продуктов их взаимодействия с веществом в среде в течение какого-то интервала времени замера Δ . Изменяя время задержки при постоянном Δ , можно получить зависимость плотности нейтронов (тепловых или надтепловых) или интенсивности радиационного γ-излучения от времени задержки. Таким образом, ИНК позволяет исследовать не только пространственно-энергетическое, но и временное распределение нейтронов в среде и, следовательно, более полно изучить нейтронные характеристики горных пород.

Импульсный нейтронный каротаж возможен в вариантах ИННК-НТ, ИННК-Т, ИНГК и ИНГК-С (со спектрометрией ГИРЗ).

В настоящее время получили наибольшее распространение две модификации импульсных нейтронных методов – с регистрацией тепловых нейтронов (ИННК-Т) и гамма-квантов радиационного захвата (ИНГК). Регистрация нейтронов (и гамма-квантов) в этих методах осуществляется в интервале между двумя импульсами источника через некоторое время задержки t после каждого импульса. Быстрые нейтроны замедляются до тепловой энергии и при дальнейшей диффузии поглощаются ядрами среды. Регистрируя тепловые нейтроны (ИННК-Т) или гамма-кванты (ИНГК) при двух значениях времени задержки или более, можно определить среднее время жизни тепловых нейтронов в горной породе τ, которое позволяет судить о концентрации элементов, имеющих высокое сечение поглощения тепловых нейтронов (рис. 3.35).

Импульсный нейтронный каротаж в разновидности ИННК применяют при исследовании скважин в условиях низкой минерализации пластовых вод (до 0,3 % обьемного содержания NaCl в породе), а метод ИНГК – для изучения действующих скважин в условиях высокой минерализации пластовых вод.

Измерения при ИННК-Т (ИНГК) выполняют либо при движении прибора по стволу скважины (и в результате получают непрерывные диаграммы для двух-трех каналов с различными значениями времени задержки), либо иногда при неподвижном приборе (на точках) для повышения точности.

 

 

Рис. 3.35. Распределение плотностей тепловых нейтронов

во времени при ИННК-Т

 

Количественное определение τ получают по формуле (предполагается, что ширина «окон» Δ t в обоих каналах одинакова):

                                         ,                               (3.29)

где  и  – время задержки для двух каналов;  и  – показания для тех же каналов.

 

Разработана аппаратура и для непрерывного вычисления τ в процессе замеров и получения непосредственно диаграмм изменения τ по стволу скважины. В случае измерений на точках (с неподвижным прибором) интенсивность нейтронов или гамма–квантов обычно определяют при большом числе значений времени задержки  (i = 1, 2,...) и строят график зависимости логарифма показаний ln I от t. Такой график позволяет точнее определить значение τ как величину, обратную коэффициенту наклона кривой ln I = f (t) при больших I.

Оба импульсных метода дают примерно одинаковые результаты. При ИНГК влияние скважины несколько меньше, чем при ИННК-Т, но преимуществом последнего является отсутствие влияния естественного гамма-излучения, доля которого при ИНГК на больших временах задержки значительна. Точка записи зонда ИННМ и ИНГМ совпадает с серединой детектора.