Нейтронный каротаж

НЕЙТРОННЫЙ КАРОТАЖ (а. neutron logging; н. Neutronenlog, Neutronenmessung; ф. diagraphie aux neutrons; и. carotaje neutroniсо, carotaje de neutron) — общее название нейтронных методов изучения разреза и контроля технического состояния скважин при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых (нефти, газа, угля, руд железа, хрома и др.). Нейтронный каротаж предложен в 1941 Б. М. Понтекорво, в CCCP начал разрабатываться в конце 40-х гг. по инициативе И. В. Курчатова и Н. К. Байбакова под научным руководством Г. Н. Флёрова. При проведении нейтронного каротажа в измерительный скважинный прибор помещается источник с постоянным или импульсным потоком быстрых нейтронов (энергия нейтронов Е>=10⁶ эВ) и на некотором фиксированном расстоянии от него — один или несколько детекторов медленных (тепловых) нейтронов или гамма-излучения, возбуждённого в горной породе нейтронами. Первоначально в течение 10^-6 с нейтроны замедляются до энергии теплового движения атомов (Ет ~10^-2 эВ) за счёт упругого и неупругого взаимодействия с их ядрами. При упругом взаимодействии потеря энергии у нейтронов тем больше, чем меньше масса ядра. Аномально сильным замедлителем являются ядра водорода, с увеличением концентрации которого (С_н) в горных породах уменьшается среднее расстояние, на котором быстрые нейтроны замедляются (средняя длина замедления, L₃). Неупругое замедление нейтронов сопровождается излучением гамма-квантов и не зависит от С_н. После замедления тепловые нейтроны дифундируют в горные породы и постепенно захватываются ядрами атомов. Длительность процесса диффузии 10^-3 — 10^-2 с. Среднее время жизни тепловых нейтронов (t) определяется наличием ядер с большим сечением захвата (В, Cl, Hg, редкие земли). Коэффициент диффузии тепловых нейтронов D зависит от Сн. Средний пробег тепловых нейтронов до поглощения характеризуется средней длиной диффузии (Lg). Захватывая тепловые нейтроны, ядра излучают g-кванты с характерной для каждого изотопа энергией и периодом полураспада (например, Т_1/2 для ²⁸Al 2,5 мин, ²⁴Na 14 ч).

В CCCP разработаны различные модификации нейтронного каротажа, основанные на использовании импульсных и постоянных источников нейтронов, на регистрации надтепловых (Е~0,1 эВ) нейтронов (нейтрон-нейтронный каротаж, HHK-Н), тепловых нейтронов (нейтрон-нейтронный и импульсный нейтрон-нейтронный каротаж HHK-Т, ИННК-Т) и вторичных гамма-квантов (нейтронный гамма-каротаж, НГК, и нейтронно-активационный каротаж). Радиус (глубина) исследования прискважинной зоны для ИНГК и ИННК ~ 50 см; для НГК ~ 20 см, для HHK-Н ~ 10 см. Методика измерений осуществляется таким образом, чтобы результат определялся каким-либо одним процессом. Например, для выявления нефтеносных или водоносных коллекторов исследуют зависимость L₃ от концентрации водорода Сн путём специального подбора расстояний (r) между источником и детектором. Для коллекторов характерны уменьшение L₃ (с 25 до 15 см), более интенсивное замедление нейтронов вблизи источника и уменьшение проникновения нейтронов на расстояния r >= 2L₃. Для изучения концентраций элементов с большим сечением захвата тепловых нейтронов разработаны методики, основанные на изучении процесса диффузии и захвата нейтронов (ИННК, ИНГК). Для многоэлементного анализа горных пород применяют гамма-спектрометрические модификации НГК (в импульсном варианте отдельно регистрируют излучения при неупругом замедлении быстрых нейтронов и захвате тепловых нейтронов). Для определения концентрации Al, О, Na, F и др. используют нейтронно-активационный каротаж. Разрабатываются динамические модификации нейтронного каротажа (повторные наблюдения одного и того же объекта в процессе естественного и искусственно вызванного изменения, например в прискважинной зоне коллекторов). Нейтронный каротаж широко применяется в CCCP и за рубежом; создана серийная техника, разработан петрофизический и математический аппарат для геологической интерпретации результатов, разработана техника безопасности работы с нейтронными источниками.