В зависимости от регистрируемого детектором излучения нейтронные методы каротажа можно подразделить на собственно нейтронные методы, в которых измеряется плотность потока нейтронов в горных породах, и нейтрон-гамма-методы, основанные на регистрации вторичного γ-излучения. К изучаемой нами группе принадлежит нейтрон-нейтронный каротаж по тепловым (ННК-Т) и надтепловым (ННК-НТ), в том числе и резонансным (ННК-Р), нейтронам.

3. Определение влажности грунтов и почв

Типичными приложениями ННК являются определения влажности горных пород и содержания в них элементов с аномально большими сечениями поглощения нейтронов. Определение влажности W, которая непосредственно связана с пористостью, позволяет с помощью ННК дифференцировать осадочные горные породы по диалогическим признакам, оценивать прочностные качества пород и, что особенно важно, изучать свойства пластов как коллекторов нефти и газа.

Изменение показаний ННК с увеличением влажности связано с различным геометрическим расположением облака замедлившихся и рассеянных нейтронов относительно детектора. При малой влажности в связи с небольшим содержанием в горной породе водорода, служащего наиболее эффективным рассеивателем нейтронов, средняя длина пробега их в среде велика, и нейтронное облако формируется на значительном удалении от детектора, которого достигает лишь небольшое число нейтронов. С увеличением водородосодержания благодаря уменьшению длины пробега λ, нейтронное облако постепенно приближается к детектору, чем и вызвано появление максимума на кривой IННК (w). При большой влажности облако нейтронов снова удаляется от детектора, теперь уже приближаясь к источнику, и показания ННК уменьшаются.

Инверсия зависимости данных ННК от влажности характерна как для надтепловых, так и для тепловых нейтронов, поскольку плотности их в среде взаимосвязаны. На плотность тепловых нейтронов сильнее влияют вещественный состав пород и минерализация пластовых вод. Однако чувствительность ННК-Т выше, чем ННК-НТ. Поэтому определения влажности и пористости пластов с пресной водой ведут по ННК-Т, а пластов с минерализованной водой - по ННК-НТ.

Для перехода от ННК-Т к ННК-НТ достаточно окружить детектор нейтронов кадмиевым экраном, который полностью поглощает тепловые нейтроны. Надтепловые же нейтроны замедляются в этом экране до тепловых и регистрируются детектором.

Для измерения влажности используют ампульные источники нейтронов нескольких типов: Ро - Be, Pu - Be. В качестве детекторов в нейтронных влагомерах чаще всего используют пропорциональные борные счетчики, реже - сцинтилляционные счетчики медленных нейтронов.

Качество нейтронного влагомера определяется следующими показателями, связанными с эталонировочным графиком: высокой скоростью счета, низким фоном в точке m = 0, линейным характером графика в широком диапазоне влажности.

Промышленные образцы нейтронных влагомеров обычно работают по ННМ-Т. Отказ от использования надтепловых нейтронов объясняют потерей в скорости счета из-за низкой эффективности детекторов.

Влияние вещественного состава и плотности. Рассмотрим применение нейтрон-нейтронного каротажа для определения элементов с большим сечением поглощения нейтронов. В данном случае для уменьшения влияния водородосодержания выгодно применять инверсионные зонды.

В почвогрунтах могут присутствовать следующие элементы с высокими сечениями захвата - бор, хлор, марганец, железо, калий. Увеличение концентрации поглощающих элементов приводит к снижению скорости счета тепловых нейтронов и к погрешности в определении m.

Характерным примером элементов с большим σп служит бор, поглощающий нейтроны по реакции (n, а). Одной из проблем, которую приходится решать при разведке месторождений боратов, является определение больших содержаний бора. Сечение поглощения нейтронов бором, а следовательно, и чувствительность нейтронной борометрии настолько велики, что ННК-Т практически не позволяет различать содержания бора выше 1,5 %. Поэтому большие содержания В определяются с помощью ННК-НТ. Сечение реакции σ (n, α) убывает с увеличением энергии нейтронов как 1/v, и градуировочный график ННК-НТ линеен в существенно большем диапазоне содержаний В, чем график ННК-Т.

Плотность грунта. Нейтронное поле зависит от плотности среды так же, как γ-поле. В частности, скорость счета, измеренная доинверсионным зондом, растет с увеличением плотности. При изучении влажности грунтов в условиях неполного влагонасыщения результаты измерений будут зависеть от плотности скелета грунта.

Если погрешность измерения влажности принять равной ∆m = 0,005, то допустимые колебания плотности скелета грунта составят ∆ρc = 0,02-0,05 г/см3. При значительных колебаниях плотности грунта в измерения влажности следует вносить поправку. Целесообразно сочетать измерения влажности ННМ с измерениями плотности ГГМ-П.

Глубинность исследований. Под глубинностью исследований ННМ обычно понимают радиус r0,9 цилиндрического слоя, из которого поступает к детектору 90% нейтронов. Установлены следующие закономерности.

Глубинность связана с длиной замедления нейтронов. Для зондов небольшой длины (R = 0-25 см)

r0,9 = 2,1 L, (5)

где L - длина замедления. С увеличением длины зонда глубинность меняется незначительно. Анализ пространственного распределения надтепловых нейтронов показывает, что максимальное число нейтронов находится в сферическом слое, удаленном от источника на расстояние около 2 ρL.

Поскольку и длина замедления, и длина диффузии существенно уменьшаются с ростом влажности, глубинность ННМ определяется главным образом влажностью среды. Кроме того, глубинность, выраженная в линейных единицах, уменьшается пропорционально росту плотности среды.

Влияние промежуточной зоны. Обычно измерения влажности грунтов выполняют в обсаженных скважинах малого диаметра. В этом случае на результаты измерений будут влиять диаметр обсадной трубы, характер заполнения скважины (вода, воздух), толщина и материал обсадной трубы, каверны в затрубном пространстве и их заполнение. При поверхностных измерениях влияют неровности исследуемого участка.

Для ННМ решающее значение имеет различие не столько плотностей, сколько нейтронных параметров промежуточной зоны и основной среды. Увеличение водородсодержания или концентрации поглощающих нейтроны элементов в промежуточной зоне резко изменяет скорость счета и характер эталонировочного графика. При увеличении диаметра заполненной воздухом скважины чувствительность нейтронного влагомера уменьшается. Заполнение скважины водой значительно увеличивает эффект. Обсадные дюралюминиевые трубы практически не влияют на скорость счета.

4. Изучение пористости горных пород

Принципиальная возможность определения пористости пород с помощью ННМ основана на изменении водородсодержания вследствие уменьшения или увеличения количества заполняющих поры водородсодержащих жидкостей (воды, нефти) или газа (углеводорода). Подчиненный эффект вызывается изменением плотности породы.