Нейтронные свойства - Основные понятия и сведения о физических показателях горных пород
Нейтроны представляют собой электронейтральные частицы. Их свойство - беспрепятственно проникать в ядра веществ. Происходит упругое и неупругое столкновение и захват. Захват приводит к различным ядерным реакциям. Нейтроны рождаются при взаимодействии б-частиц с ядрами легких элементов (бериллием, бором), вызывая реакции типа (б, n), а также при фотоядерных взаимодействиях типа (г, n). В свободном состоянии нейтрон с периодом полураспада T1/2 = 12 мин распадается на протон, электрон, антинейтрино.
По энергетическому принципу нейтроны можно разделить на группы:
1) Быстрые E = 2107 - 5105 эВ возникает ядро в нескольких
Возбужденных состояниях
- (неупругое рассеяние, захват и и упругое соударение) 2) Промежуточные E = 5105 - 1103 эВ упругое рассеяние
Нейтронов
- 3) Медленные Е = 1103 - 100 эВ 4) Резонансные Е = 100 - 1 эВ резонансное поглощение 5) Надтепловые Е = 1 - 0,1 эВ нейтронов тяжелыми ядрами 6) Тепловые Е = 0,025 эВ 7) Холодные Е = 0,001 эВ
При взаимодействии нейтронов с природными объектами разделяют два основных процесса: 1) замедление быстрых нейтронов; 2) диффузия тепловых нейтронов. Эти процессы разделяются во времени (рис. 29).
Рис. 29. Диаграмма процессов замедления быстрых нейтронов и диффузии тепловых нейтронов
Из приведенной схемы следует: так как процессы замедления быстрых нейтронов и диффузии тепловых нейтронов разграничены во времени, можно раздельно регистрировать гамма-излучение неупругого рассеяния замедляющихся нейтронов, гамма-излучение, возникающее при поглощении тепловых нейтронов, и гамма-излучение наведенной радиоактивности.
Замедление быстрых нейтронов в горных породах
Закономерности пространственного распределения нейтронов в среде произвольного состава невозможно описать одной достаточно простой и наглядной универсальной формулой. Можно привести два наиболее простых выражения, обладающих достаточно высокой количественной достоверностью:
1) В средах низкого водородосодержания и на малых расстояниях от источника справедлив результат "возрастного" приближения:
; (8)
2) В средах высокого водородосодержания (kп > 15%) и на больших расстояниях от источника справедлив результат "одногруппового диффузионного" приближения:
(9)
В уравнениях (8) и (9) ф0(E) и фs(E) - начальный и полный возраст нейтронов, N(r, E) - пространственно-энергетическое распределение замедленных нейтронов;
Показатель фs(E) является важнейшей характеристикой нейтронных свойств и позволяет оценить:
- 1) состав твердой фазы; 2) содержание и состав флюидов; 3) глубинность исследования.
По различию пространственно-энергетического и временного распределения замедленных нейтронов разделяют среды неодинакового состава. Выделяют группы:
- 1) высокого водородосодержания; 2) "резонансные" замедлители; 3) "тяжелые" замедлители.
Горные породы относят преимущественно к группе "резонансных" замедлителей. Для них характерна высокая концентрация ядер кислорода, что определяет изменения спектра быстрых нейтронов. Присутствие ядер водорода ужесточает спектр при сохранении его резонансной структуры. Оба эффекта усиливаются с удалением от источника.
Диффузия тепловых нейтронов в горных породах
Распределение тепловых нейтронов в среде является результатом большого числа рассеяний.
Стационарное пространственное распределение тепловых нейтронов N(Z) описывается уравнением диффузии
, (10)
Где и Q(r) - плотности замедления надтепловых нейтронов;
D - коэффициент диффузии;
Ld - длина диффузии.
На больших расстояниях от источника быстрых нейтронов пространственное распределение тепловых нейтронов зависит от свойств среды или через длину замедления Ls, или через длину диффузии Ld:
. (11)
При взаимодействии нейтронов с горными породами основную роль играют: 1) водород и породообразующие минералы различных классов; 2) содержание химически связанной воды.
Интенсивность замедления быстрых нейтронов наименьшая в карбонатах и наибольшая в галоидах:
Карбонаты сульфаты сульфиды галоиды
Параметры замедления в воде и дегазированной нефти совпадают.
Природные газы, представляющие смесь углеводородов и не углеводородов, при низких давлениях на взаимодействие нейтронов с горными породами не влияют, а при высоких влияют, так как повышается водородосодержание.
Зависимости времени жизни нейтронов ф в геологических образованиях от содержания алюмокремниевых компонентов и водорода при различной концентрации хлора, обладающего большим сечением поглощения, имеют вид (рис. 30):
Рис. 30. Зависимости времени жизни нейтронов в геологических образованиях от содержания алюмокремниевых компонентов (а) и водорода при различной концентрации хлора (б):
1 - песчаник, где концентрация хлора в воде меньшая; 2 - песчаник, где концентрация хлора в воде большая; ДН - водородный показатель
Количественное содержание водорода в породах влияет на длину замедления, а следовательно, и время жизни нейтронов. Соотношения Ls и ?H отличаются между собой в породах различного вещественно-петрографического состава (рис. 31).
Рис. 31. Зависимость длины замедления быстрых нейтронов от водородосодержания в осадочных породах различного литологического состава: 1 - песчаник, 2 - известняк, 3 - доломит, 4 - вода
Приведенные графики взаимозависимости длины замедления нейтронов от содержания водорода в породах показывают, что при относительно большой пористости длины замедления для всех пород примерно одинаковы. С уменьшением водородосодержания на пространственно-временное распределение нейтронов начинает влиять минеральный состав пород: чем меньше кремния, тем сильнее "затухание". Еще одна важная особенность нейтронов заключается в линейной зависимости их времени жизни от энергии: чем больше энергия, тем меньше время замедления нейтронов. Замедление зависит от литологической характеристики, то есть от минерального состава (рис. 32).
Рис. 32. Изменение времени жизни тепловых нейтронов при различных энергиях для песчаника (1) и аргиллита (2)
Твердая фаза
Пространственно-энергетическое и временное распределение нейтронов в минералах преимущественно определяется их химическим составом, влияющим на сечение поглощения (захвата). Определенную роль играет содержание водорода, входящего в состав минералов и связанной воды.
Тенденция изменения показателей s и Ls имеет вид (рис.33):
Рис. 33. Тенденция изменения времени жизни и длины замедления нейтронов в осадочных породах различного литологического состава
Жидкая фаза
Вода и нефть являются природными объектами, которые содержат много водорода. Следовательно, они являются сильными поглотителями нейтронов. Время жизни и длина замедления больше в нефтеносных пластах по сравнению с водоносными (рис. 34):
Рис. 34. Вариационные кривые времени жизни тепловых нейтронов в водо - и нефтенасыщенных пластах
Минерализация воды, определяемая содержанием солей, существенно изменяет время жизни нейтронов. Особенно уменьшаются показатели ф и Ls при наличии хлора (Cl), который обладает большим сечением поглощения.
Газовая фаза
Природные газы: метан, пентан, пропан, - содержащие водород, характеризуются, по сравнению с воздухом, меньшими значениями времени жизни и длины замедления нейтронов, но большими по отношению к нефти и, тем более, к воде (рис. 35):
Рис.35. Тенденция изменения времени жизни и длины замедления нейтронов в жидкой и газовой фазах
С ростом давления значения коэффициента диффузии D и времени жизни нейтронов ф заметно уменьшаются, но они увеличиваются с повышением температуры. Изменение химического состава газа влияет на нейтронные характеристики главным образом через плотность. Чем больше д, тем меньше ф.
Магматические породы
В магматических породах нормального ряда от кислых к основным имеет место тенденция увеличения параметров ф и Ls, что вызывается с одной стороны уменьшением пористости, а с другой - уменьшением содержания кремнезема, оксидов калия и натрия. Последние, то есть K и Na, являются элементами с высокими сечениями поглощения тепловых нейтронов.
В относительных единицах для s и Ls тенденция имеет вид (рис. 36):
Рис. 36. Тенденция изменения времени жизни тепловых нейтронов в нормальном ряду магматических эффузивных пород
По абсолютным значениям ф и Ls магматические породы относятся к разряду слабых замедлителей. Время жизни тепловых нейтронов у них составляет 800ч1000 мкс, а длина замедления 35ч45 см.
Метаморфические породы
Метаморфические породы, как и магматические, относящиеся к разряду кристаллических с низкими значениями пористости, не превышающей 5%, относятся к слабым замедлителям. Показатели ф и Ls у метаморфических пород примерно такие же, как и у магматических. Тенденция закономерного увеличения этих показателей наблюдается с ростом метаморфизма (рис. 37).
Рис. 37. Тенденция изменения времени жизни тепловых и замедление быстрых нейтронов в зависимости от степени метаморфизма пород
Осадочные породы
Нейтронные свойства осадочных пород по сравнению с кристаллическими имеют широкий спектр изменений.
При одноименных стадиях преобразования наибольшими значениями ф и Ls характеризуются чистые кварцевые песчаники и доломиты, а наименьшими - ангидриты, гипсы, глинистые и углистые породы.
Увеличение ф и Ls наблюдается в ряду от углистых к глинистым, далее карбонатным, силикатным и рудным породам (рис. 38):
Рис. 38. Тенденция изменения времени жизни тепловых и замедление быстрых нейтронов в зависимости от вещественно-петрографического состава осадочных пород
Процессы окаменения пород приводят к увеличению ф и Ls в соответствии с уменьшением пористости. Наибольшие изменения этих показателей происходят у терригенных (песчаники, алевролиты, аргиллиты) и наименьшие у хемогенных (известняки, мергели, доломиты) пород. Тенденция изменения ф и Ls для терригенных пород имеет вид (рис. 39):
Рис. 39. Тенденция изменения времени жизни тепловых и замедление быстрых нейтронов в зависимости от стадий преобразования осадочных пород
В осадочных породах наличие газа и нефти в поровом пространстве увеличивает время жизни нейтронов по сравнению с водоносным пластом, так как в воде больше водорода.
Похожие статьи
-
Как объект горных разработок горные породы характеризуются различными технологическими свойствами - Крепостью, абразивностью, твердостью, буримостью,...
-
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГОРНЫХ ПОРОДАХ Земная кора сложена главным образом изверженными и метаморфическими горными породами, на которых прерывистым покровом...
-
Крепость горных пород - характеристика сопротивляемости пород их добыванию - технологическому разрушению. Это понятие крепости введено профессором М. М....
-
В случае контактового метаморфизма происходят изменения вмещающих горных пород, обусловленные тепловым и химическим воздействием на них интрузивных...
-
Общие сведения о горных породах - Построение паспорта прочности горной породы
Горные породы - это природные агрегаты одного или нескольких минералов, образующие самостоятельные геологические тела По происхождению горные породы...
-
Коллекторские свойства горных пород - Коллекторы и флюидоупоры
Под пористостью горной породы понимается наличие в ней пор (пустот). Пористость характеризует способность горной породы вмещать жидкости и газы. В...
-
Понятия и основные показатели состава и структуры населения Статистика состава человеческого общества является важнейшим разделом статистики населения,...
-
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ БУРЕНИИ - Бурение нефтяных и газовых скважин
Основной вид деформации, под действием которой породы в процессе бурения разрушаются, -- вдавливание. Рассмотрим явления, происходящие в породе при...
-
Определение статических упругих свойств горной породы - Построение паспорта прочности горной породы
Упругие свойства горных пород характеризуются модулем упругости Е при одноосном напряженном состоянии (модуль Юнга), модулем сдвига модулем объемной...
-
Сосна обыкновенная PinussylvestrisL. Географический ареал сосны простирается по всему бореальному поясу лесов Евразии. Сосна малотребовательна к теплу,...
-
Горные породы: Известняк, песчаник, гнейс - Почвоведение и инженерная геология
Известняк -- осадочная горная порода органического (биогенного), реже хемогенного происхождения, состоящая преимущественно из карбоната кальция,...
-
Динамические характеристики определяются по известным скоростям прохождения упругих волн через образец: Динамический коэффициент Пуассона...
-
Акустические свойства горной породы - Построение паспорта прочности горной породы
Акустические свойства характеризуют закономерности распространения в породах знакопеременных, упругих деформаций (упругих волн). По своей природе упругие...
-
Определение плотностных свойств горной породы - Построение паспорта прочности горной породы
Плотностные свойства обусловлены действием на породу гравитационного поля сил Земли (силы земного притяжения). К плотностным свойствам относятся:...
-
Продуктивный пласт К приурочен к самой верхней части каширского горизонта и представлен тремя прослоями пористо-кавернозных доломитов и известняков,...
-
МИНЕРАЛОГИЯ (от минерал и греч. льгпт - логос, слово, учение / англ. Mineralogy; нем. Mineralogie; фр. Minйralogie; ит. Mineralogнe) - наука о минералах....
-
ФОРМЫ ЗАЛЕГАНИЯ ОСАДОЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД - Геология земной коры
Характерный признак осадочных горных пород -- их слоистость, т. е. свойство располагаться параллельными или почти параллельными слоями, отличающимися...
-
Для решения каких задач целесообразно проводить отбор образцов горных пород - Радиометрия скважин
Метод отбора образцов горных пород из стенок скважины боковыми сверлящими керноотборниками на кабеле позволяет получать надежную информацию для...
-
Оценка степени закарстованности горных пород - Особенности карста
Степень закарстованности горных пород - скважность по Ф. П. Саваренскому (1934г.), образовавшаяся в результате развития карста и характеризующая...
-
Основные понятия и определения В озерах нашей планеты содержится в четыре раза больше воды, чем в реках, но их жизнь гораздо менее продолжительна. И если...
-
Классификации магматических горных пород - Магматические горные породы и принципы классификации
Магматические горные породы классифицируются, исходя из фациальной принадлежности, химического состава, минералогического состава, структурных...
-
Интрузивный магматизм и его горные породы - Магматические горные породы и принципы классификации
Мировые полевые наблюдения показывают, что большая часть магмы (9/10 или более) не изливается на поверхность в виде вулканического материала, а...
-
Состав и особенности образующихся из магмы горных пород определяются сочетанием следующих факторов: исходным составом магмы, процессами ее эволюции и...
-
Состав растворенного в нефти газа исследовался в 19 пробах, отобранных из 12 скважин. Как видно из результатов анализа (таблица 2.3.3.) основными...
-
Основные показатели разработки Заводнение нефтяных месторождений применяют с целью вытеснения нефти водой из пластов и поддержания при этом пластового...
-
Состав атмосферы Атмосфера - это газообразная воздушная оболочка, окутывающая Землю. Воздух представляет собой механическую смесь газов, с содержанием...
-
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ПЛАСТАХ КОЛЛЕКТОРАХ - Бурение нефтяных и газовых скважин
Восстановление притока из пласта, после проведения буровых и ремонтных работ, базируется на знании следующей исходной информации: Глубина скважины...
-
Состав и объем инженерно-геологических изысканий Строительная площадка № 6 размером 82*22 м. Поверхность площадки имеет абсолютные отметки -...
-
Магматические горные породы образуются при затвердевании магмы в глубинах Земли или излившейся на поверхность лавы и выброшенного пирокластического...
-
Горные породы - Буровые установки
По происхождению горные породы делятся на три группы: магматические (изверженные), осадочные и метаморфические. Магматические горные породы образуются в...
-
Определение буримости и взрываемости горной породы - Построение паспорта прочности горной породы
Буримость принято оценивать по длине шпура или скважины, пробуренной в исследуемой породе за 1 мин. чистого времени бурения в стандартных условиях, или,...
-
Эффузивный магматизм и его горные породы - Магматические горные породы и принципы классификации
Магма горный вулканический интрузивный Эффузивный магматизм или Вулканизм Почти единственное геологическое явление, которое можно наблюдать и изучать в...
-
Электроимпульсное разрушение горных пород
При дроблении горных пород важное значение имеет проблема их избирательного разрушения. Это связано с тем, что традиционные механические методы...
-
Понятие выветривания Выветривание представляет собой процесс изменения (разрушения) горных пород и минералов вследствие приспособления их к условиям...
-
Механизм зарождения магмы - Магматические горные породы и принципы классификации
Магматический расплав образуется путем плавления локальных участков мантии или земной коры. Большинство очагов плавления располагается на относительно...
-
Паспорт (диаграмма) прочности представляет собой график функциональной зависимости между касательными нормальными напряжениями, при которых происходит...
-
Упругость - способность горных пород полностью восстанавливать свои первоначальные формы и размеры после снятия нагрузки. Предел упругости У -...
-
Метод гидростатического взвешивания - Построение паспорта прочности горной породы
Метод основан на определении объема образца горной породы по весу вытесненной им жидкости. Для проведения опыта из пробы горной породы отбираются 5-6...
-
Начальная стадия магматической деятельности - образование магмы, тела расплавленных пород в недрах Земли. Магматический расплав может содержать...
-
Первый предполагает переменное давление и наличие буферного объема газа, второй основан на вытеснении газа рассолом при извлечении газа и рассола газом...
Нейтронные свойства - Основные понятия и сведения о физических показателях горных пород