petrophysics2004

Ведущая роль НМ при исследовании обсаженных скважин опре­

деляется возможностью изучения геологического разреза через

стальную обсадную колонну. Такие важные задачи, как, например, доразведка месторождений и контроль их разработки на поздней ста­

дии эксплуатации, в принципе не могут быть решены без примене­

нии нейтронных методов.

Применение нейтронных методов повышает достоверность геофи­ зических исследований и, как следствие, сокращает сроки и затраты на

разведку, позволяет надежно оценивать геологические и извлекаемые

запасы, применять более прогрессивные и экономичные системы раз­

работки месторождений, повышать коэффициент извлечения запасов. Темпы роста разведанных запасов нефти и газа в мире отстают от темпов роста потребностей в них: все более острой становится про­

блема повышения нефтеотдачи. Поэтому еще более возрастает роль нейтронных исследований, контролирующих соблюдение оптималь­

ных условий разработки месторождений, позволяющих определять начальную, текущую и остаточную нефтенасыщенность. С помощью

псЙ'l'РОIШЬiх методов выявляют характер обводнения по мощности и

пJющади залежи, оценивают степень выработанности продуктивных шшс·•·он, умепьшают невосполнимые потери нефти и снижают соот­ нс·•·с·•·нующие затраты разведочных и нефтедобывающих предприя­ 'I'ИЙ как па прирост запасов, так и на добычу.

Пористость, глинистость, нефте-, водо-, газонасыщенность, хими­ ческий состав твердой фазы пород, давление и температура влияют па показания нейтронных методов не непосредственно, а через соот­ ветствующие нейтронные характеристики. Характеристиками про­

странетвенно-энергетического и временного распределения в горных

породах надтепловых и тепловых нейтронов являются длина замед­

ления нейтронов; время замедления нейтронов; дисперсия импульсов ·

замедленных нейтронов; длина диффузии и длина миграции, время жизни и коэффициент диффузии тепловых нейтронов. Знание этих

параметров необходимо для петрафизического обоснования способов

применении нейтронных методов, оптимизации условий измерений, создания алгоритмов обработки результатов, установления связей

интерпретационных параметров со свойствами изучаемых сред.

Современная методология НМ нейтронных методов ориентирова­

нананепосредственное использование нейтронных характеристик

горных пород при интерпретации данных НМ (интегральных моди­ фикаций) и на элементный анализ горных пород (спектрометричес­ кие модификации).

11.1.ТИПЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НЕЙТРОНОВ С ВЕЩЕСТВОМ

ИИХ ПЕТРОФИЗИЧЕСК.АЯ ИНФОРМ.АТИВНОСТЬ

Воснове применении нейтронных методов изучения вещества в гео­ физике лежит исследование физических процессов и явлений, сопро­ вождающих распространение нейтронов в горных породах (рис. 74).

Процесс замедления нейтронов охватывает широкую область энер­

I'ИЙот 14 МэБ (для изотопных источниковот 11 МэБ) до пример-

260

б

14МэВ

2МэВ

1 эВ

kTu

о

Время,мкс

Рис. 89. Схема взаимодействий нейтронов с атомными ядрами (а) и расnреде­ ление нейтронных методов ядерной геофизики no физическим nроцессам (б)

но 1 эВ и протекает в сравнительно узком временном интервале, изме­ ряемом временем замедления нейтронов, которое не превышает пер­ вых сотен микросекунд. Процесс диффузии тепловых нейтронов от­ личается значительно большей длительностью: ширина соответству­

ющего временного интервала, измеряемая временем жизни тепловых

нейтронов, достигает(в слабопоглощающих средах) сотен миллисекунд (рис. 89). Область тепловых энергий ограничена сверху энергией хи­ мической связи и измеряется дисперсией максвелловского спектра со

средней энергией 3/2 kT, гдеТ-температура нейтронного газа в аб­ солютных единицах; k - постоянная Больцмана.

261

По характеру взаимодействия с нейтронами породообразующие

элементы можно условно разделить (по массовому числу А) на три

группы: 1) легкие (1 <А <25); 2) средней массы (25<А <80); 3) тяже­

лые (80 <А< 240). Элементы первой группы типичны для горных по­

род осадочного комплекса, второй и третьей группдля извержен­

ных и метаморфических пород. К первой группе должны быть отне­ сены также «магические» ядра, близкие по своим свойствам клегким

ядрам.

БзаимодеЙС'I'оие пейтронов с ядрами различных элементов опре­

деляется пс ·голько массовыми числами ядер-мишеней, но и (весьма существсшю) ::шсрrией нейтронов. Можно выделить три области энер­

гий, ход пcЙ'l'POIIIIЫX реакций в которых качественно различен: 1) Е< 1

кэБ; 2) l1taБ <Е< 0,5 МэБ; 3) 0,5 МэБ<Е< 14 МэБ. Такое подразделе­ ние в общих чср1·ах определяет характер ядерных реакций, типы ис­

пускаемых час·гиц, их угловое и энергетическое распределение и т.д.

:Нuнримср, о области низких энергий преобладаетрезонансное погло­ щснис IIсй·гронов тяжелыми ядрами, в области средних энергий нaи­ бoJit!t! сущсс•госнно упругое рассеяние, в области относительно высо­ ких :·)IЮРI'ИЙ конечное ядро может образоваться в нескольких возбуж­ дщшых сос·rояпиях, благодаря чему возможно неупругое рассеяние Ш!Й'I'ршюо; о последней заметной вероятностью обладают также ре­

акции с IJЬIJieтoм заряженных частиц.

1~ иаучасмым в горных породах физическим явлениям относятся:

1) ••су••ругос рассеяние быстрых нейтронов на атомных ядрах, сопро­

вождаемое испусканием характеристического гамма-излучения (гам­ ма-изJiучение неупругого рассеяния - ГИНР); 2) активация атом­

пых ядер быстрыми нейтронами; 3) резонавевое поrлощевие нейт­ ронов; 4) упругое рассеяние надтепловых нейтронов, при котором

аномально сильным замедлителем является водород (масса я др а в о д о род а - пр о т о н а -равна массе нейтрона); 5) делениеядер надтепловымивейтронами (дляделящихся изотопов тяжелых ядер);

6) активация атомных ядер тепловыми нейтронами; 7) поглощение

тепловыхнейтронов, сопровождаемое испусканием характеристичес­

кого гамма-излучения (захватное гамма-излучение); 8) ужестчение спектра тепловых нейтронов, обусловленное присутствием в горной

породе элементов-поглотителей; 9) деление тяжелых ядер тепловы­ ми нейтронами.

Перечисленные процессы происходят независимо от того, каков режим облучения нейтронами: стационарный или импульсный.

Таккакпроцессызамедлениябыстрых нейтронов идиффузиитеп­ ловых нейтронов разграничены во времени, можно раздельно регист­ рировать гамма-излучениенеупругогорассеяниязамедляющихсяней­

тронов, гамма-излучение, возникающее при поглощении тепловых

нейтронов, и гамма-излучение наведенной радиоактивности. Энерге­

тический спектр каждого из этих типов гамма-излучений является характеристическим, поскольку определяется структурой энергети­

ческих уровней ядер излучателей и набором квантовых параметров Ituждш'О уровня (четности, спины, электрические и магнитные момен-

262

ты). Линии в спектре однозначно характеризуют каждое ядро-излу­ чатель в их совокупности; амплитуда линий зависит от концентрации соответствующих элементов (изотопов). Поэтому нейтронная гамма­

спектрометрия является инструментом количественного элементного

анализа горных пород в условиях их естественного залегания (как в

необсаженных, так и обсаженных скважинах). Знание элементного со­ става позволяет получить обширную и ценную информацию о литоти­

пах отложений, их водо-и нефтенасыщенности (табл. 24, рис. 90).

Измерение гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов на

ядрах углерода и кислорода позволяет определять отношение ато­

мов углерода и кислорода С/0 в породе, что, в свою очередь, позво­

ляет определять нефтенасыщенность продуктивных коллекторов не­ зависимо от минерализации пластовой воды.

Каждому из перечисленных процессов взаимодействия нейтронов в горных породах соответствует один (или более) нейтронный метод ядерной геофизики (рис. 89). Использование источников нейтронов,

работающих в импульсном режиме, позволяет резко увеличить объем

информации о составе исследуемой среды по сравнению со стацио­

нарными источниками.

В настоящее время известны следующие нейтронные методы:

метод спектроскопии гамма-излучения неупругого рассеяния

(ГИНР); метод наведенной активности (активационный анализ) на быстрых нейтронах (НАб); метод резонансной активации; нейтрон-

Т а блиц а 24. Индикаторная геологическая значимость некоторых эле­ ментов (по Дж. Швейцеру и Д. Эллису).

Эле-

Присутствие в минералах, индикаторный смысл

мент ~--------------------------------------------------------

о Силикаты, карбонаты, окислы, глины

нВода, углеводороды, глины, слюды

в Индикатор nалеосалености бассейна осадконакоnления. Si Силикаты, глины, слюды; индикатор акремнения

AI Силикаты, nолевые шnаты, глины, слюды; индикатор глинистости Fe Силикаты, сидерит, гематит, хлорит, лимонит, nолевые шnаты,

слюды

Mn Индикатор окислительной обстановки бассейна Са Карбонаты, фосфаты, смектит, ангидрит

Na Полевые nшаты, смектит, индикатор осолонения (NaCl)

кК-nолевые шnаты, гидрослюда, слюды

Mg Некоторые силикаты, доломиты, хлорит, слюды; индикатор доло­

митизации.

s Индикатор сульфатизации

u Индикатор битуминизации, nалеосолености, восстановительной обстановки бассейна осадканакоnления

Th Индикатор глинистости

263

Si

Mg

Si

Cll

!

Са

Al

:а

111

Cll

~

1

1

11е

1

11:1.

1

о

~

1

iа

;

1

~

~

i

а

У>4

У=2

2<У<4

Рис. 90. Схема пито.лоrического депения осадочных пород по содержанИJUI[

оспшшых 11ородообразующих эпементов. Стрепками указаны наоравпения УIШJIИ'Iснии содержаний указанных ЗJiементов.

пейтршшый метод по надтепловым нейтронам (ННМнт); стацио­

парпый нейтрон-нейтронный метод по тепловым нейтронам

(НИМт); импульсный нейтрон-нейтронный метод по тепловым ней­

тронам (ИННМ); стационарный нейтронный гамма-метод; спект­ роскопия захватного гамма-излучения (НГМ-С); импульсный ней­ тронный гамма-метод (ИНГМ), имеет также спектроскопическую модификацию; импульсный нейтронный гамма-нейтронный метод

(ИНГМ); метод наведенной активности (активационный анализ) на

тепловых нейтронах (НАт); нейтронные методы, использующие

реакцию деления.

t t.1. НЕЙТРОННЬIЕ ЭФФЕКТИВНЫЕ СЕЧЕНИЯ И ИХ ЗАВИСИМОСТИ ОТ ЭНЕРrИИ НЕЙТРОНОВ И СОСТАВА ВЕЩЕСТВА

В отличие от комптоновского рассеяния гамма-квантов, для ней­ тронов энергетические зависимости микросечений упругого рассе­

яния на ядрах различных элементов заметно отличаются, причем

имеют сложную пилообразную («резонансную») форму (рис. 91). Единственным исключением является водород, для которого эта за­

висимость имеет гладкую (монотонную) форму.

При высоких энергиях (Е= 10 + 14 МэБ) сечение поглощения отно­ сительно невелико, и поглощение нейтронов слабо влияет на их рас­ пределение в горных породах. Однако положение существенно меня­

ется в области надтепловых энергий в горных породах и рудах, для

которых характерно присутствие сильно поглощающих элементов.

Почти у всех породообразующих элементов в надтепловой области

сечение поглощения с уменьшением энергии изменяется по закону

1/u. В резонансной области сечения поглощения ряда тяжелых

264

	а
а,,	10-24 см2; IJ.o, • 102
100
	!10				\1
		1\	1\	"'
	-		\J	,	i1o
		\
10

	-	\	al
а(		v	ll
		\i
		а, ..	l/\

0,2

10						Е,МэВ
	б
а,, 10-24 см2; J1o, · 102
60									/
						,.....	r.--		,,..,

r\"'-\,,~/iio \

10

1\ ,

\\

/

\

.".

а( \

llf

cr,l-

'

1\

1'---

'

"---<

а,

/

v "'

iio

\ f.'iL

v

\....

0,4

10Е,МэВ

Рис. 91. Полное сечение взаимодействия и сfеедний косинус угла рассеяния

нейтронов для кислорода 8160 (а) и кремния 814Si (б)

265

(рудных) элементов достигают очень высоких значений, на несколь­ ко порядков (в тысячи и десятки тысяч раз) иревосходящих величи­ ну сечений рассеяния.

При расчетах нейтронных характеристик и распределения нейтро­ нов в горных породах концентрации породообразующихэлементов зада­

ются ПJIO'l'IIOCTЫO их ядер (числоядер в 1 смЗ). В табл. 25 приведены сред­

ние плотности ядер различных элементов в осадочных горных породах.

НаибоJiее распрос'I'раненным в земной коре элементом является

кислород, содержание которого составляет около 50% (по массе). Гор­

ные нороды coc'I'OSI'r почти исключительно из кислородных соедине­

ний, n ос1юшюм иа СИJiикатов алюминия, кальция, магния, натрия и

жеJюаа. В CIJН::IИ с этим для многих пород величины отношений Al/Si, I•'e/Si и Mg/Si иаменяются в сравнительно узких пределах.

В осадочных I'Орных породах, поровое пространство которых зa­ IШJIШ~IJO IIJIUC'J'onoй водой, плотность ядер кислорода очень слабо за­ виси'!' o'J' JIИ'I'ОJюгического состава. Если поровое пространство пород 1шсыщшш не водой, а нефтью, то плотность ядер кислорода по-пре­

жш~му JIO'I'I'И не зависит от литологического состава, но от пористос­

'I'И а1111ИСИ'I' С'I'оль же сильно, как и плотность протонов. Это обстоя­

'I'РJIЫ~'I'ВО учи•J•ывается при определении нефтенасыщенности коллек­ торовJю веJiичине отношения С/0 ядер углерода и кислорода.

:~eмнaSIItopa обогащена кремнием, алюминием и особенно калием, но <>UC/\HCHa элементами группы железа. Восемь элементов (0, Si, Al, li'c, Са, К, Mg) составляют 99% всей массы земной коры. Геохимичес­

Jtое новедение микрокомпонент в ней практически не зависит от их

U'I'OMHЫX МаСС.

В '1·абл. 25 приведены сечения взаимодействия с нейтронами при

/\ВУХ существенно различных энергиях: полное сечение

cr1=a.el+cr8in+aa, сечения упругого a 8 el инеупругого сr8inрассеяния, со­ О'l'Ветствующие вероятности рассеяния hel=a.elfat и hin::a8infat, по­

рог пеупругого рассеяния Е*, полные вероятности рассеяния h= а8/at

и поглощения g= aafat. Некоторые породообразующие элементы слабо поглощают тепловые нейтроны (кислород, кремний, магний), но при Е=14 МэБ становятся заметными поглотителями (в реакциях с вы­ Jiетом заряженных частиц). Есть и противоположные примеры (каль­ ций, калий, железо).

В области тепловых энергий нейтронов особенно важен учет из­

менения концентрации поглощающих элементов.

Величина одного из важнейших параметров горных породвре­

мени жизни тепловых нейтронов, определяется микроскопическим

сечением захвата их ядрами элементов, входящих в состав скелета

нороды и пластовых флюидов (для минерализованных пластовых вод наиболее существенно присутствие хлора).

Наряду с основными породообразующими элементами, которые об­ Jшдают сравнительнонебольшими (от десятых долейдо единиц барна)

сечениями поглощения cra, в горных породах присутствуют, как пра­

IJИЛО, внебольших количествах элементы с аномально большими зна­

•юниями cra (кадмий, бор, иридий), а также элементы из группы редко-

266

Т а б л и ца 25. Основные породообразующие элементы (природнав смесь изотопов) и сеченив ихвзаимодей:ствив (барн)

с нейтронами

	ш~		Средняя плотность ядер												Е=14,1 МэБ											Е=О,О25эВ
				в породах, ·10				-22;смз
	*.;			с	о		:а			:а
	~g.			ь	:;!	><				><
						=				5!
	~:.:		><		0:										ltl
Элемент	O>:s:
			~ ..				f<			..
	"	о			::r	.,									;:21"'
				:r	111	8				!ii!			cr8 el	<J8 in			hel	hin				g					h	g
	....	:;!=										<It				<Ia							<It		<Is	<Ia
	=о::{"'..			о::{.,		~									*~
										~
				о	х	\0				~
	8,111			g ~		=				~
	u		ltl		~		ltl			ltl
Кислород	49,13		5,2700				4,960			4,9300		1,620	0,964	0,318	6,44	0,338	0,595	0,1%		0,209			3,75		3,75	1,2·1о-з	1,00	0,00
Кремний	26,00		1,3600				о;о580			1,4900		1,801	0,822	0,460	1,90	0,519	0,552	0,254		0,287			1,86		1,70	0,160	0,91	0,09
Алюминий	7,45		0,6170				0,0128			0,6800		1,832	0,798	0,830	-	0,204	0,435	0,453		0,111			1,64		1,40	0,236	0,856	0,144
Железо	4,20		0,0950				0,0062			0,1130		2,240	1,187	0,900	0,86	0,153	0,530	0,402		0,068			13,62		11,0	2,62	0,808	0,192
Кальций	3,25		0,1010				1,3600			0,0690		2,190	1,395	0,380	4,55	0,414	0,637	0,174		0,189			3,44		3,00	0,44	0,872	0,128
Натрий	2,40		0,0458				0,0043			0,0607		1,690	0,772	0,680	0,46	0,238	0,457	0,402		0,141			4,53		4,00	0,534	0,883	0,117
Калий	2,35		0,0935				0,0045			0,0594		2,040	1,137	0,400	2,60	0,503	0,557	0,196		0,247			3,60		1,50	2,10	0,417	0,58
Магний	2,35		0,0882				0,3700			0,0818		1,820	0,519	0,660	1,42	0,581	0,285	0,363		0,319			3,66		3,60	0,063	0,983	0,017
Водород	1,00		-				0,0602			1,000		-	-	0,00	-	0,00	1,00	0,00		0,00			20,63		20,3	0,33	0,984	0,016
Углерод	-		0,1330				1,6200			0,0117		1,270	0,744	0,446	4,80	0,08	0,586	0,351		0,063			4,80		4,80	3,4-lо-з	1,00	0,00

Пр и меч а н и е: cr,- полное сечение взаимодействия; cr,- сечение рассеяния; cr.'1 -	сечение упругого рассеяния; cr.'•- сечение
неупругого рассеяния; Е* - порог неупругого рассеяния; cr. - сечение поглощения; h -	вероятность рассеяния; h'1 - вероятность

упругого рассеяния; g - вероятность поглощения; hi• -вероятность неупруrого рассеяния.

~

'1' u б Jl и ц а 26.	Элементыаномальные поrлотители тепловых и резонан­
СIIЫХ 11ейтроJrов в rорных породах
				Сечение поrлощения нейтро-									Содержание в осадочных по-
							нов•								родах, г/т
				Тепло-							1<				1<	~		cu
Элемент							резонансных						:il		u~	os	1<	!!!
				вых								11:
							О"ар·10-3,барн		...				cu~		11:	.8	~	~
															:s:
				О"а, барн			(Е0,зВ)"			vp		1::			Ё	os		()
																:.:
Гадолиний Gd				49000	1,3(2,58)					-		0,7			5	-		4,5
СамарийSm				5800		16(0,096)				4		3,7			5	1,4		5,25
ЕвропийЕu				4600		11(0,46)				3		0,7			1	-		1,1
КадмийСd				2450		7,2(0,178)				1		-			0,37	0,03		0,3
Дисnрозий Dy				930		7,5(5,5)				1		2,6			4	0,8		3,4
Бор В				760		-				-		4			150	12		110
РтутьНg				375		1(34)				-			0,03		0,015	0,02		0,023
Индийln				194		29(1,46)				1			0,3		3	-		0,05
ЭрбийЕr				162		2,6(0,46)				1			-		2,5	-		2,5
ТулийТm				103		16(3,9)				1			-		0,2	-		0,4
ЛютецийLu				77		1,7(5,2)				-			-		0,2	-		0,4
ГафнийШ				102		9,8(7 ,6)				3			-		4-13	-		6,0
Золо'I"О Au				99		30(4,9)				1			-		-	-		0,001
РенийRе				88		3,5(2,1)				1			-		-	-		-
Литий Li				71			-			-			7-17		60	26		60
Гольмий Но				67			5,1(3,9)			2			-		1	-		0,95
СереброАg				64			12,5(5,12)			1			-		0,9	-		0,1
НеодимNd				51		-				-			-		18	-		25
ТорбийТЬ				25		-				-			-		0,9	-		0,9
Кобальт Со				37			7(134)			-			-		23	-		-
ИттербийУЬ				37			-			-			1,4		2,2	20		2,1
ХлорСl				33		-				-			-		-	-		-

*По данным атласа BNL-325, 1973 r. **В скобках указана энергия основного ре­ зонансного максимума ••• Vp - количество резонансных максимумов с О"ар>2·1Q3 барн

земельных (гадолиний, самарий, евроnий и т.д.). В табл. 26 nриведены элементы с аномально большими сечениями nоглощениятеnловых ней­

тронов.

Основная масса редких земель накаnливается в кислых и щелоч­

ных nородах, а также в некоторых nородах осадочного nроисхожде­

ния. Несмотрянанезначительное содержание гадолиния и самария

11 осадочных nородах, указанные в табл. 26 количества их, особенно I"адоJiипия (в акцессорном минерале цирконе, который одновременно

'ГаJ(ЖС обогащен торием), существенно nовышают макроскоnическое

268

сечение поглощения пород, что, в свою очередь, обусловливает зна­

чительное уменьшение времени жизни тепловых нейтронов.

Накопление бора в осадочных породах связано с наличием бор­ ных минералов в материнских породах, с концентрацией бора в вод­

ной среде (солевые воды), откуда он сорбируется пелитовыми фрак­

циями осадка и входит в решетку глинистых минералов, а также с

накоплением в осадке органических веществ. Основные носители бора в глинахсорбирующие его гидрослюды, монтмориллонитовые ми­

нералы и отчасти каолинит.

11.3. ЗАМЕДЛЕНИЕ БЫСТРЫХ НЕЙТРОНОВ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ

Нейтронные характеристики вещества, определяющие законо­ мерности замедления нейтронов, выявляются при изучении про­

странетвенно-энергетического и временного распределения нейтро­

нов. Одна из важнейших закономерностей состоит в свойстве муль­ типликативности функции распределения нейтронов для точечного

импульсного моноэнергетическ?го источника быстрых нейтронов [20]:

N(r, t, E)=N(E)N(t, E)N(r, Е),

(11.1)

где N(r, t, Е)- плотность нейтронов в единице объема фазового про­ странства (r, t, Е); N(E)- энергетический спектр замедленных нейтро­ нов; N (t, Е)- энергетически-временное распределение; N(r, Е)- про­ странетвенно-энергетическое распределение замедленных нейтронов.

Для водородсодержащих сред спектр нейтронов хорошо описы­

вается выражением

(11.2)

здесь 1::4 - макросечение поглощения; re8 - замедляющая способ­

ность, равная re8 =I;L8 , где 1::8 - макросечение рассеяния;~- средняя

логарифмическая потеря энергии, или среднее изменение летаргии

~=ln (Е'/Е). В среде сложного многокомпонентного состава

~= Lhi~i·

i

где h;- вероятность рассеяния на ядрах i-го элемента;

~· =1 (А;-1)2ln(A; +1)

1 2А; А; -1

Влияние концентрации поглотителя на плотность нейтронов по­ казывает рис. 92, на котором отражена зависимость отношения плот­ ности нейтронов в поглощающей среде к плотности нейтронов в той

же среде без поглощения Ра от параметра 1::4 / re8 •

Для вещества произвольнаго состава и сечений взаимодействия, изменяющихся с изменением энергии нейтронов, функция N (t, Е) опи­

сывается гамма-распределением с плотностью
N(t, E)=a.(a.t)re exp(-a.t)/8Г(re + 1)	{11.3)

где 8=Л/u- время свободного пробега при конечной энергии Е; па­

раметры а=а.(Е) и re =re(E) определяются интегральными характери-

269