Метод наведенной активности

МЕТОД НАВЕДЕННОЙ АКТИВНОСТИ

Метод наведенной активности (МНА) основан на измерении активности искусственных радиоактивных изотопов, образующихся из стабильных изотопов в результате облучения горных пород  потоком нейтронов, гамма-квантов или заряженных частиц.

Наиболее широко применяется  метод наведенной активности, в котором  исследуемое вещество облучается нейтронами. Сечение ядерной реакции, приводящей к образованию радиоактивных  ядер, называется сечением активации . Повышенные сечения активации тепловыми нейтронами характерны для большой группы элементов: Al, Si, Mn, Cl, Na, K, V, Cu, Cd и др. Высокими сечениями активации под действием быстрых нейтронов обладают элементы O, Mg, Al, Si, Cl, Cr, Mn, F.

В МНА используются ядерные  реакции взаимодействия нейтронов  с горной породой с образованием радиоактивных изотопов, распад которых  сопровождается испусканием гамма-излучения. Таким образом, регистрируется искусственное гамма-поле, создаваемое распадом активированных радиоактивных изотопов горной породы.

Принцип измерения МНА  заключается в следующем. Горную породу в заданной точке разреза  скважины в течение некоторого времени  облучения  активируют под действием нейтронного излучения, создаваемого стационарным или импульсным источником нейтронов.  

Число активированных ядер , образовавшихся в течение времени облучения среды нейтронами, описывается следующим выражением: 

,

где - поток нейтронов; - эффективное  сечение активации элемента на олно ядро; – содержание ядер активируемого элемента в единице объема вещества; – постоянная распада образующихся радиоактивных элементов.

Из формулы следует, что  максимальная активность (активность насыщения) получается при . Однако практически для получения активности насыщения достаточно облучать породу на протяжении времени (рис. 1).

После окончания облучения регистрируемая наведенная радиоактивность горных пород во времени уменьшается по экспоненциальному закону, и на момент замера наведенной гамма-активности через определенный промежуток времени число активированных ядер

.

Таким образом, зарегистрированная счетчиком гамма-активность в любой  момент времени оказывается пропорциональной числу ядер данного элемента в  горной породе, т.е. его концентрации. Благодаря этому метод наведенной активности позволяет решать две  задачи:

1. идентификацию изотопов, обусловливающих регистрируемую гамма-активность;
2. определение концентрации активируемых изотопов и элементного состава исследуемого объекта.

Первая задача решается с  учетом периода полураспада образующихся радиоактивных изотопов, а также  спектрального состава испускаемого при их распаде гамма-излучения. Решение второй задачи основано на пропорциональности величины наведенной гамма-активности числу ядер исходного элемента в горной породе.

Чаще всего в исследуемых  объектах активируется не один, а несколько  изотопов, имеющих разные периоды  полураспада и содержащихся в  различных количествах. Для уменьшения влияния короткоживущих радиоактивных  изотопов наведенная гамма-активность замеряется через определенное время  после окончания облучения горной породы потоком нейтронов, в течении которого большая часть короткоживущих изотопов распадается. Кроме того, выбирая время облучения, можно добиться, что наведенная активность одних элементов будет максимальной, а других – ничтожно малой. Однако и в этом случае не удается зарегистрировать спад наведенной гамма-активности, обусловленной только одним активированным изотопом.  

Оценка гамма-активности, связанной с активацией каждого элемента отдельно, основана на дифференцировании регистрируемой кривой на отдельные составляющие чаще всего путем её графического расчленения (рис. 2, а). Исходят из того, что после окончания облучения наведенная радиоактивность горных пород, вызванная одним радиоактивным изотопом, во времени уменьшается по экспоненциальному закону, выражающемуся графически в системе координат , в виде прямой, тангенс угла наклона которой равен постоянной распада , а отрезок, отсекаемый на оси ординат, - величие . По величине можно определить искомый элемент, а по - его содержание в породе. Кроме того, предполагается, что в области максимальных значений указанная кривая описывает закон распада радиоактивного изотопа, наиболее долго живущего из присутствующих в породе.

Исследования МНА проводят точечным способом или при непрерывном  движении прибора. Точки выбирают с  учетом поставленной задачи и имеющихся  данных о мощности пласта, его литологических особенностях и предполагаемом характере  распределения активируемых элементов  горной породы на разных глубинах. Целесообразно  намечать точки наблюдения через  интервалы, равные расстоянию от середины индикатора до нейтронного источника. Это позволяет значительно сократить  процесс исследования скважины за счет совмещения во времени замера наведенной активности в одной точке с  облучением среды на другой точке. Предварительно в каждой точке замеряют интенсивность естественного гамма-поля . После окончания облучения среды против точки устанавливают индикаторную часть скважинного прибора и регистрируют изменение во времени интенсивности . По результатам измерений строят кривую            ln , предварительно вычтя из них величину интенсивности естественного гамма-излучения, замеренную перед облучением среды: .

Метод наведенной активности при непрерывном перемещении  прибора можно применять только в случае измерения наведенной активности короткоживущих (с мин) изотопов. Его эффективность во многом зависит от скорости перемещения прибора, размера зонда и периода полураспада изотопа искомого элемента. Источник нейтронов располагается на максимальном расстоянии (обычно несколько метров) и выше индикатора гамма-излучения. В этом случае при измерении собственное гамма-излучение нейтронного источника и нейтронное гамма-излучение (радиационного захвата), возникающее в породе, скважине и материалах прибора, практически не оказывают влияния на результаты. Оптимальный размер зонда для каждого полезного ископаемого обычно устанавливается экспериментально.

Метод наведенной активности позволяет решать задачи нефтяной и  рудной геологии. При исследовании нефтяных скважин МНА можно определять характер насыщения пластов и  степень их обводнения, скорость движения пластовых вод месторождения, контролировать положение и перемещение водонефтяного  контакта в процессе разработки месторождения, а также техническое состояние  скважины.

При высокой концентрации натрия и хлора в минерализованных пластовых водах (50 г/л) разделять нефтеносную и водоносную части пласта методом наведенной активности можно по хлору или по натрию, или по ванадию (рис. 2, б). В пластовых условиях содержание хлора и натрия в водоносной части пласта выше, чем в нефтеносной. В этом случае МНА основан на регистрации гамма-излучения , образующегося в результате реакции при облучении пласта потоком тепловых нейтронов, или гамма-излучения .

Если в качестве индикаторного  элемента используют натрий, облучение  и замер спада наведенной активности проводят в течение    4 ч. При  исследовании наведенной активности хлора облучать пласт нейтронами наиболее целесообразно в течение 40 мин, а замерять спад регистрируемой интенсивности - в течение 2,0-2,5 ч. Самые надежные результаты при обивке водонефтяного контакта дает метод наведенной активности по натрию. Метод наведенной активности характеризуется повышенной чувствительностью к водонефтенасыщенности коллекторов, но он малопроизводителен.

Скорость движения пластовых  вод можно определить по степени  отклонения спада наведенной активности данного изотопа от экспоненциального  закона при взаимном движении исследуемой  среды и детектора, регистрирующего  наведенную активность.

Метод наведенной активности является одним из эффективных методов  ядерно-геофизического опробования  твердых полезных ископаемых в естественном залегании. Он успешно применяется  при исследовании скважин на месторождениях флюорита и других фторосодержащих полезных ископаемых (фосфоритов, апатитов), медных и марганцевых руд, различных видов глиноземного сырья для качественного выделения полезных ископаемых, а в отдельных случаях – и для количественной оценки их содержания в разрезах скважин, например бокситов (по наведенной активности ), марганца, меди, флюоритов (в основном по изотопу ) и др.

Большие перспективы МНА  связаны с использованием импульсного  генератора нейтронов для активации  пород, поскольку это позволит определять содержание изотопов с в несколько секунд, в частности , являющегося продуктом активации кислорода. Регистрация наведенной активности кислорода расширяет возможности метода при установлении ВНК, выделении угольных пластов, залежей серы и др.