Импульсные нейтронные методы исследования скважин. Физические основы методов, проведение измерений в скважинах, область применения

При импульсных нейтронных методах источник испускает ней­троны в течение сравнительно коротких интервалов времени ΔТ < 100—200 мкс. Такие импульсы источника пов­торяются периодически с периодом Т = 10^-3—10^-1 с^-1, т.е. 10—10³ раз в 1 с. С помощью специальной схемы (временного анализатора) реги­страция излучения осуществляется не непрерывно, а лишь в неко­торые (специально выбранные) интервалы времени.

В настоящее время получили применение две модификации им­пульсных нейтронных методов — с регистрацией тепло­вых нейтронов (ИННМ) и гамма-квантов радиа­ционного захвата (ИНГМ). 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. После окончания процесса замед­ления, плотности нейтронов и гамма-квантов радиационного захвата уменьшаются во времени примерно: n = n₀·e^-t/τ.

Регистрируя тепловые нейтроны (ИННМ) или гамма-кванты (ИНГМ) 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.

Импульсы источника повторяются через небольшое время (обыч­но 10-400 раз в 1 с) и при ИННМ (ИНГМ) регистрируется интен­сивность тепловых нейтронов (гамма-квантов) для некоторого зна­чения времени задержки I, усредненная по большому числу импуль­сов источника. Измерения при ИННМ (ИНГМ) 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.

В первом случае о значении τ судят по отношению показаний на двух каналах: тем меньше, тем больше различаются эти показа­ния. Количественное определение τ получают по формуле (предпо­лагается, что ширина «окон» Δt в обоих каналах одинакова): τ = (t₂ - t₁)/(lnI₁ – lnI₂), где t₁ и t₂ — время задержки для двух каналов; I₁ и I₂ — показания для тех же каналов.

Разработана аппаратура 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 t_i (i = 1, 2,...) и строят график зависимости логарифма показаний lnI от t (рисунок,6). Такой график позволяет точнее определить значение τ как ве­личину, обратную коэффициенту наклона кривой lnI = f (t) при боль­ших I.

рисунок: распределение плотностей тепловых нейтронов во времени при ИННМ и пример его обработки.

При малых временах задержки t наклон кривой зависит (кроме τ) также от диаметра скважины и свойств среды, заполняющей сква­жину. При больших значениях t такое влияние постепенно исчезает, что является преимуществом импульсных методов. Другое их пре­имущество заключается в большей по сравнению со стационарными методами чувствительности к содержанию элементов, сильно погло­щающих нейтроны. В нефтяных и газовых скважинах это позволяет различать продуктивные и водоносные пласты при сравнительно малой минерализации пластовых вод (от 20 — 30 г/л). При большей минерализации вод решение этой задачи возможно даже по резуль­татам измерения при одном значении времени задержки. При прочих равных условиях водоносные пласты отмечаются гораздо меньшими показаниями ИННМ при больших временах задержки t по сравнению с нефтеносными и газоносными пластами.

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