Нейтронный каротаж от А до Я: чем отличаются С/О и литосканер, почему нейтрон называют тепловым и причем тут атомная электростанция

Текст написан для телеграм-канала Записки петрофизика

В университете меня (думаю как многих) учили что есть три реакции взаимодействия нейтронов с веществом: упругое, неупругое рассеяние и радиационный захват.

Но на самом деле все не совсем так - реакций много. Но их можно разделить на две большие группы:

• без поглощения нейтрона (упругое рассеивание)
• и с поглощением нейтрона и последующим испусканием другого нейтрона, протона, альфа-частицы, дейтрона (ядра гелия-2), гамма-кванта или последующим делением ядра.

В атомной теме используется именно последняя реакция - деление (фиссия) ядер. Этот процесс происходит, когда тяжелые ядра, такие как уран-235 или плутоний-239, поглощают нейтрон и становятся неустойчивыми, что приводит к их расщеплению на более легкие ядра. При этом выделяется большое количество энергии и дополнительные нейтроны, которые могут вызвать дальнейшие деления соседних ядер, создавая цепную реакцию.

Хотя нам не это интересно, но прикольно знать, что нейтронный каротаж максимально близок к атомной электростанции.

Сначала откуда берутся нейтроны?

В естественных условиях залегания горных пород нет поля нейтронов. Поэтому его нужно создать искусственно. Для этого применяются два типа источников:

• Постоянные источники представляют собой радиоактивный элемент (Полоний Ро210, Плутоний Pu239 или Америций Am241), испускающий альфа-частицы, которые попадают в гелий-бериллиевую смесь (He4+Be9), преобразуя атомы смени в атомы углерода с испусканием нейтронов. Вот такая многоходовочка! Эти источники испускают быстрые нейтроны - их энергия зависит от типа источника, но в среднем 4 МэВ (4000 кэВ).
• Импульсные источники, грубо говоря, представляют собой микросхему, которая преобразует электрический сигнал в импульс нейтронов. Энергия нейтронов от этих источников будет гораздо больше - 14 МэВ (14000 кэВ).

Здесь необходимо сказать, что различают такие виды нейтронов:

• быстрые >1 МэВ
• медленные < 1 МэВ
• надтепловые 0,001 - 0,00025 кэВ
• тепловые 0,00025 кэВ
• холодные 5*10^(-5) - 10^(-7) кэВ
• ультрахолодные <10^(-7) кэВ

Нас интересуют только две группы: тепловые (около 0,00025 кэВ) и надтепловые потому что наша аппаратура работает именно в этом диапазоне энергий.

Другие типы нейтронов также используются в других типах экспериментов в физике элементарных частиц. Например, холодные нейтроны чувствительны к магнитным полям и используются для изучения магнитных свойств материалов. А также холодные нейтроны применяются для изучения биологических молекул и процессов, таких как взаимодействия белков и нуклеиновых кислот.

Интересно почему нейтроны называют "тепловыми"? Такие нейтроны имеют низкую кинетическую энергию, близкую к температуре окружающей среды. Или, по-другому, находятся в термодинамическом равновесии с окружающей средой. Т.е. нейтроны должны быть реально теплыми на ощупь :)

И интересный факт как они были открыты. В 1934 года группа итальянских физиков-атомщиков, возглавляемая Энрико Ферми, обнаружила, что если между мишенью и источником нейтронов случайно разместить бассейн с золотыми рыбками, то ядра атомов мишени в сотни раз эффективнее захватывают нейтроны.

Итак, источник испускает быстрые нейтроны и они попадают в горные породы. Там они начинают взаимодействовать с ядрами элементов двумя способами:

• Неупругое рассеяние: если энергия нейтрона больше энергии связи элементарных частиц в ядре элемента, то такой нейтрон выбивает нейтрон ядра атома и сам замещает его место, а ядро переходит в возбужденное состояние с последующим испусканием гамма-кванта (гамма-излучения неупругого рассеяния - ГИНР).
  И здесь есть несколько мнений: либо первичный нейтрон занимает место в ядре (как я на написал) или это он же продолжает движение, а нейтроны ядра остаются в ядре - т.к. все нейтроны одинаковы, никто не знает как оно там на самом деле.
• Упругое рассеяние: если энергия нейтрона меньше энергии связи элементарных частиц в ядре элемента, то нейтрон взаимодействует с ядром атома, не вызывая изменений в структуре ядра и не образуя новых частиц. Т.е. после взаимодействия нейтрон может отскочить от ядра, изменив свою скорость и направление, но не вызывая изменений в ядре.
  При этом нейтрон теряет свою энергию тем быстрее, чем меньше масса ядра элемента, с которым он контактирует. Поэтому ядро водорода является наилучшим замедлителем нейтронов - при взаимодействии с ядром водорода нейтрон теряет половину своей энергии.

После замедления нейтрона до тепловой энергии (около 0,00025 кэВ) он уже может быть поглощен ядрами некоторых элементов - больше всего водорода и хлора (реакция радиационного захвата). Ядра-поглотители после этого переходят в возбужденное состояние и при возвращении в свое стабильное состояние испускают гамма-квант (гамма излучение радиационного захвата - ГИРЗ).

Изобразил это все в виде схемы:

1. быстрый нейтрон вылетает от источника
2. претерпевает (или нет) неупругое рассеяние (образуется спектр ГИНР)
3. теряет энергию при упругом рассеянии на ядрах водорода
4. становится тепловым
5. и полностью поглощается (т.ч. тем же водородом) с образованием спектра ГИРЗ

Если рассматривать процесс во времени то количество тепловых нейтронов будет выглядеть примерно как изображено на рисунки ниже.

Как я уже говорил, спектры ГИНР и ГИРЗ возникают при взаимодействиях нейтрона с разными элементами. При этом энергии гамма-квантов, испускаемых разными элементами также различается. И можно ассоциировать гамма-кванты отдельных энергий с отдельными элементами.

Ниже на рисунках показано какой вклад вносят гамма-кванты от отдельных элементов в общий спектр.

В принципе это все, что касается физических основ. Дальше будем говорить про отдельные модификации метода. А их достаточно много. Ниже приведена схема-классификация всех существующих вариантов. Пустые ячейки на самом деле когда-то содержали свои модификации, но они были недостаточно эффективны и уступали место тем кто остался.

Модификации можно разделить по типу источника и типу приемника. Давайте сначала остановимся на стационарном источнике и поговорим про детекторы - можно фиксировать надтепловые, тепловые нейтроны и гамма-кванты. Но все три варианта позволяют нам определять суммарное водородосодержание горных пород.

Нейтрон-нейтронный каротаж по надтепловым нейтронам (ННКнт) основан на облучении горных пород быстрыми нейтронами из стационарного источника и регистрации плотности надтепловых нейтронов на некотором расстоянии.

Плотность надтепловых нейтронов зависит только от замедляющих свойств среды (упругое рассеивание). А т.к. самый лучший замедлитель нейтронов - это водород, то показания ННКнт зависят только от водородосодержания и нечувствительны к минерализации пластовых вод. Это неоспоримое преимущество этого метода.

Но, конечно, есть и минус. Он заключается в очень маленьком радиусе исследования. Это является следствием того, что пробег надтепловых нейтронов в горных породах очень маленький.

Интересной конструктивной особенностью аппаратуры этой модификации является то, что в ней регистрируются тепловые нейтроны. Для этого надтепловые нейтроны из нашего поля охлаждаются с помощью специального экрана из водородсодержащего материала (например, капролона).

Помните как были открыты тепловые нейтроны? Чтобы зарегистрировать нейтроны был поставлен аквариум с рыбками. Так и здесь нужно замедлить нейтроны до тепловых и потом их уже можно зарегистрировать.

Нейтрон-нейтронный каротаж по тепловым нейтронам (ННКт) регистрирует уже тепловые нейтроны (и без всяких экранов).

Пробег нейтрона здесь складывается из длины замедления надтеплового и длины замедления теплового нейтрона. Поэтому радиус исследования уже приемлемый.

Но на плотность тепловых нейтронов влияет уже и замедляющие (упругое рассеивание) и поглощающие (радиационный захват) свойства среды. А, следовательно, на него помимо водорода оказывает влияние и наличии хлора, т.е. минерализация.

Поэтому эта модификация получила максимальное распространение на территории Западной Сибири, где минерализация пластовых вод низкая.

Нейтронный гамма каротаж (НГК) основан на регистрации плотности вторичных гамма-квантов, образующихся при радиационном захвате тепловых нейтронов ядрами элементов горной породы (спектр ГИРЗ).

Водород лучше всех атомов замедляет нейтроны и очень хорошо их поглощает с испусканием гамма-кванта. Именно поэтому вторичное поле нейтронов также позволяет определять суммарное водородосодержание.

У этой модификации радиус исследования будет еще больше - он складывается из длины пробега надтеплового нейтрона, длины пробега теплового нейтрона и длины пробега гамма-кванта.

Однако на показания еще большее влияние оказывает минерализация - ядра хлора при поглощении теплового нейтрона испускают даже два гамма-кванта!

Наибольшее распространение НГК получил при исследовании скважин в регионах Урало-Поволжья и Восточной Сибири, т.к. в условиях высокоминерализованных пластовых вод месторождений (до 250-600 г/л) НГК обеспечивает большую дифференциацию диаграмм и, следовательно, позволяет более точно оценивать водородосодержание [3].

И вот именно здесь остановимся на вопросе студента: “почему с уменьшением гамма-квантов увеличивается водородосодержание, ведь должно быть наоборот?”

Все верно: с ростом водородосодержания растет плотность тепловых нейтронов (т.к. надтепловые замедляются) и растет вторичное гамма-излучение (т.к. водород поглощает тепловые нейтроны и испусканием гамма-квантов).

Но почему нейтронный каротаж действительно пишет обратное?

Все дело в конструкции зондов, а точнее в удалении приемника от источника. Вот в чем дело: если водорода много, то надтепловые нейтроны замедляются сразу при выходе из источника и до приемника (который расположен далеко) долетят только единицы. А если водорода мало, то ничего не будет препятствовать распространению движения водорода и они долетят до приемника.

Этот процесс я показал в виде графика.

Тогда вопрос - почему нельзя передвинуть источник поближе? Ответ прост - тогда радиус исследования будет совсем маленький!

Вроде с этим разобрались! Как переходить от водородосодержания к коэффициенту пористости здесь уже не буду рассказывать, но это можно посмотреть в книге по интерпретации.

Дальше переходим к импульсным методам, а они кроме суммарного водородосодержания позволяют еще определить характеристику среды, где этот водород пребывает.

Импульсный нейтрон-нейтронный каротаж (ИННК) основан на регистрации декремента затухания поля нейтронов - характеристики скорости спадания поля нейтронов после воздействия импульса. И этот декремент затухания будет больше в воде и меньше в нефти (как показано на рисунке ниже).

Т.е. в ИННК регистрируется две величины: суммарное водородосодержание и декремент затухания нейтронов.

Интерпретацию показаний этого метода можно примерно проиллюстрировать графиком ниже.

А на планшете это выглядит примерно так (кривая водородосодержания в обратном масштабе - от большего значения к меньшему):

Нужно отметить, что ИННК используется для определения коэффициента нефтегазонасыщенности на качественном уровне (как на рисунке выше) для целей контроля разработки залежи. На количественном уровне он очень сильно уступает в точности данным электрометрии и, как следствие, не используется для определения начальных геологических запасов.

С/О каротаж (вариация импульсного нейтронного гамма каротажа) имеет такие же ограничения использования - он тоже применяется для контроля за разработкой. Его принцип работы основан на анализе спектра гамма-излучения неупругого рассеяния (ГИНР).

Как я уже писал выше, энергия нейтронов от стационарного источник достаточно низкая и не может инициировать неупругое рассеяние (при этой реакции нейтрон должен быть выбить нейтрон из ядра, а для этого он сам должен быть очень быстрым).

Импульсные источники испускают очень быстрые нейтроны (14 МэВ) и поэтому здесь добавляется возможность работы с неупругим рассеянием (спектр ГИНР).

Чтобы не листать выше, снова приведу картинку со спектрами. В начальный момент регистрируются оба спектра одновременно. И чтобы выделить спектр ГИНР отдельно, из общего спектра “вычитают” спектр ГИРЗ.

Методика предполагает измерение интенсивности гамма-квантов в энергетических окнах углерода и кислорода (зависящих от флюидонасыщенности), а также кальция и кремния (зависящих от минерального состава твердой фазы породы). Отсюда и название С/О-каротаж. Т.е. спектр не раскладывается на отдельные элементы, а только снимаются значения с суммарного спектра в интервалах определенных энергий.

На рисунке ниже на спектре ГИНР показаны эти окна с помощью заливок.

На каротажке выглядит примерно так:

Импульсный нейтронный гамма каротаж спектрометрический (ИНГКс или литосканер) отличается от С/О каротажа тем, что в нем обрабатываются оба спектра и они раскладываются на спектры отдельных элементов, т.е. оценивается вклад каждого элемента в общий спектр. А этот вклад пересчитывается в объем каждого элемента.

Определяется объем таких элементов: Ca, Si, Fe, Mg, S, Al, K, Na, Mn, Ti, Gd, O, H.

Просто так использовать эти элементы для интерпретации не получится. Поэтому они пересчитываются в объемы минералов, из которых уже складывается горная порода.

Результат можно представить в виде объемно-компонентной модели

Ну и в принципе на этом всё!!

Ссылки на литературу:

1. Ayodele I. J., Kabon S., Cavalleri C. Generating value through new logging technology and analytical methods: case study from offshore West Africa. Search and Discovery Article #41915. Опубликовано 17 октября 2016 года.

2. Litho Scanner - спектрометрия высокого разрешения / Schlumberger // https://www.slb.ru/upload/iblock/757/lithoscanner_brochure_rus_.pdf

3. Нейтронный каротаж нефтегазовых скважин: его модификации, обработка и интерпретация результатов : учебно-методическое пособие / Э. Г. Урманов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 80 с.

4. Углеродно-кислородный каротаж определения текущей нефтенасыщенности  / НПП Энергия // https://power-np.ru/f/4.pdf

5. Определение текущей нефтенасыщенности по времени жизни тепловых нейтронов / НПП Энергия // https://power-np.ru/f/1.pdf