Метод наведенной активности: физические основы, методика проведения, область применения

Основан на изучении ис­кусственной радиоактивности, возникающей при облучении горных пород нейтронами. По периоду полураспада Т_1/2 искусственно ра­диоактивных ядер и энергии их гамма-излучения определяют возникший радиоактивный изотоп и исходный изотоп горной породы, из которого он образовался. По интенсивности гам­ма-излучения радиоактивных ядер находят концентрацию соответ­ствующих исходных элементов в горной породе.

Активация ядер может осуществляться как быстрыми, так и осо­бенно медленными нейтронами. В первом случае активация проис­ходит обычно в результате реакций (n, ρ) и (n, α), во втором (n, γ). В разрезе нефтяных и газовых месторождений наиболее типичные реакции: ²⁷А1 (n, γ) ²⁸А1 < (Т_1/2 = 2,3 мин); ²³Na (n, γ) ²⁴Na (Т_1/2 = 15 ч); ¹⁶О (n, γ) ¹⁶N (Т_1/2 = 7,4 с); ²⁸Si (n, ρ) ²⁸А1. В обсаженных скважинах существенны также реакции в материале колонны ⁵⁶Fe (n, ρ) ⁵⁶Мn (Т_1/2 = 2,5ч) и ⁵⁶Мn(n, ρ) ⁵⁶Мn.

В методе наведенной активности используют установку, со­держащую источник нейтронов и детектор гамма-излучения, уда­ленный от источника на большое расстояние (1,5 — 2 м), достаточное для того, чтобы интенсивностью гамма-излучения радиационного захвата у детектора (эффектом НГМ) можно было пренебречь.

В зависимости от периода полураспада изотопа, определяемого при МНА, исследования проводят при непрерывном движении при­бора по скважине (для изотопов с периодом полураспада, исчисляе­мым секундами и первыми минутами) или на точках (при значении T_1/2 в несколько минут и более). В первом случае источник находит­ся впереди и «наводит» искусственную радиоактивность, а индика­тор движется за источником и регистрирует наведенную радиоак­тивность. Скорость движения прибора поддерживается строго посто­янной. Точку записи относят к середине детектора. Такой способ применим лишь при наведении в породе преимущественно одного изотопа с небольшим значением T_1/2, например ²⁸Аl.

При образовании в породе нескольких изотопов в сравнимых ко­личествах, а также в случае одного изотопа с периодом полураспада порядка нескольких минут и более проводят исследования при не­подвижном приборе — по точкам. Скважинный прибор опускают на такую глубину, чтобы источник расположился против точки, наме­ченной к исследованию. После некоторого времени, достаточного для активации интересующих нас изотопов, прибор быстро перемеща­ют на расстояние, равное интервалу между источником и индикато­ром, и последний устанавливают точно против облученной точки. Далее измеряют интенсивность гамма-излучения при нескольких значениях времени задержки после конца облучения либо непрерыв­но регистрируют изменение во времени наведенной активности с помощью регистратора. Измерения продолжают в течение времени, равного примерно периоду полураспада наиболее долго живущего из определяемых изотопов. Примерно таким же берут обычно и вре­мя облучения.

При исследовании на точках данные об интенсивности наведенной активности (после вычитания естественной гамма-активности) подвергают дальнейшей обработке с целью определения периода полураспада и активности всех изотопов, активирующихся в замет ной степени. Для этого часто используют графический способ. Строят кривую спада активности, представляющую зависимость наведенной активности (в логарифмическом масштабе) от времени (в арифмети­ческом масштабе) (рис. 50). При наличии в породе одного активного изотопа такая кривая представляет прямую с наклоном, равным постоянной распада этого изотопа (кривые 1 и 2 на рис. 50). Но и при активации нескольких изотопов (если проводить измерения в тече­ние достаточно большого времени) к концу измерений обычно остает­ся лишь один, наиболее долга живущий из активированных изотопов. Соответственно правая часть кривой спада активности будет иметь вид прямой линии с угловым коэффициентом, равным постоянной рас­пада для этого изотопа. Продолжая эту прямую влево до пересечения с осью ординат, получают кривую спада активности наиболее долго живущего изотопа для любого мо­мента времени (см. рис. 50).

Вычитая активность этого изо­топа в разные моменты времени из суммарной активности, получают кривую спада активности осталь­ных активных изотопов. Проводя, как и прежде, асимптоту к правой части этой кривой, будем иметь кривую спада активности следую­щего изотопа, а по наклону кривой — его период полураспада. Посту­пая и далее подобным образом, всю кривую расчленяют на прямоли­нейные (в полулогарифмической системе координат) кривые спада отдельных изотопов, сумма актив­ности которых и измеряется при МНА. В качестве величины, харак­теризующей активность изотопов, берут их активность к концу об­лучения, т. е. ординату пересечения с осью ординат соответствующих прямых для отдельных изотопов. Эту величину далее делят на мощность источника и пересчитывают на бесконечное время облу­чения. Переход от значений начальных активностей изотопов к кон­центрации элементов горной породы осуществляют на основании переходных коэффициентов, полученных по данным исследований моделей пластов с известной концентрацией элементов и с конструк­цией скважины, совпадающей с конструкцией исследуемых скважин. Результаты исследований зависят (кроме конструкции скважины) от содержания в породе водорода и среднего времени жизни нейтро­нов. Поправку за их влияние вводят по результатам измерений дру­гими нейтронными методами.

В настоящее время МНА применяют в основном для выделения в разрезе скважины руд и оценки концентрации таких элементов, как алюминий, медь, марганец, фтор (флюорит).

При применении источников высокоэнергетических нейтронов (генераторов нейтронов) удается получить достаточно интенсивную активацию кислорода по реакции ¹⁶О (n, γ) ¹⁶N (Т_1/2 = 7,4 с). По изме­нению активности этого изотопа по стволу скважины можно выде­лить в разрезе скважины полезные ископаемые, бедные кислородом (каменный уголь, самородную серу, иногда нефтеносные пласты), а также изучить содержание углеводородов в жидкости, заполняющей скважину, что важно при контроле за разработкой нефтяных место­рождений.