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).

диаграмма процессов замедления быстрых нейтронов и диффузии тепловых нейтронов

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):

зависимости времени жизни нейтронов в геологических образованиях от содержания алюмокремниевых компонентов (а) и водорода при различной концентрации хлора (б)

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).

зависимость длины замедления быстрых нейтронов от водородосодержания в осадочных породах различного литологического состава

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).

изменение времени жизни тепловых нейтронов при различных энергиях для песчаника (1) и аргиллита (2)

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):

тенденция изменения времени жизни и длины замедления нейтронов в осадочных породах различного литологического состава

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):

вариационные кривые времени жизни тепловых нейтронов в водо- и нефтенасыщенных пластах

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):

тенденция изменения времени жизни и длины замедления нейтронов в жидкой и газовой фазах

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):

тенденция изменения времени жизни тепловых нейтронов в нормальном ряду магматических эффузивных пород

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).

тенденция изменения времени жизни тепловых и замедление быстрых нейтронов в зависимости от степени метаморфизма пород

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):

тенденция изменения времени жизни тепловых и замедление быстрых нейтронов в зависимости от вещественно-петрографического состава осадочных пород

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):

тенденция изменения времени жизни тепловых и замедление быстрых нейтронов в зависимости от стадий преобразования осадочных пород

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




Нейтронные свойства - Основные понятия и сведения о физических показателях горных пород

Предыдущая | Следующая