Определение влажности грунтов и почв. Типичными приложениями ННК являются определения влажности горных пород и содержания в них элементов с ано¬мально большими сечениями поглощения нейтронов.
Определение влажности W, которая непосредственно связа¬на с пористостью, позволяет с помощью ННК дифференциро¬вать осадочные горные породы по диалогическим признакам, оценивать прочностные качества пород и, что особенно важно, изучать свойства пластов как коллекторов нефти и газа. Изменение показаний ННК с увеличением влажности свя¬зано с различным геометрическим расположением облака за¬медлившихся и рассеянных нейтронов относительно детектора.
При малой влажности в связи с небольшим содержанием в горной породе водорода, служащего наиболее эффективным рассеивателем нейтронов, средняя длина пробега их в среде велика, и нейтронное облако формируется на значительном удалении от детектора, которого достигает лишь небольшое число нейтронов.
С увеличением водородосодержания благода¬ря уменьшению длины пробега λ, нейтронное облако постепенно приближается к детектору, чем и вызвано появление макси¬мума на кривой IННК(w). При большой влажности облако нейтронов снова удаляется от детектора, теперь уже приближаясь к источнику, и показания ННК уменьшаются. Инверсия зависимости данных ННК от влажности харак¬терна как для надтепловых, так и для тепловых нейтронов, поскольку плотности их в среде взаимосвязаны.
На плотность тепловых нейтронов сильнее влияют вещественный состав по¬род и минерализация пластовых вод. Однако чувствительность ННК-Т выше, чем ННК-НТ. Поэтому определения влажности и пористости пластов с прес¬ной водой ведут по ННК-Т, а пластов с минерализованной во¬дой — по ННК-НТ. Для перехода от ННК-Т к ННК-НТ достаточно окружить детектор нейтронов кадмиевым экраном, который полностью поглощает тепловые нейтроны.
Надтепловые же нейтроны за¬медляются в этом экране до тепловых и регистрируются де¬тектором. Для измерения влажности используют ампульные источники нейтронов нескольких типов: Ро — Be, Pu — Be. В качестве детекторов в нейтронных влагомерах чаще всего исполь¬зуют пропорциональные борные счетчики, реже — сцинтилляционные счетчики медленных нейтронов. Качество нейтронного влагомера определяется следующими пока¬зателями, связанными с эталонировочным графиком: высокой ско¬ростью счета, низким фоном в точке m = 0, линейным характером графика в широком диапазоне влажности.
Промышленные образцы нейтронных влагомеров обычно работают по ННМ-Т. Отказ от использования надтепловых нейтронов объяс¬няют потерей в скорости счета из-за низкой эффективности детекто¬ров. Влияние вещественного состава и плотности. Рассмотрим применение нейтрон-нейтронного каротажа для определения элементов с большим сечением поглощения ней¬тронов.
В данном случае для уменьшения влияния водородосо¬держания выгодно применять инверсионные зонды. В почвогрунтах могут присутствовать следующие элементы с высо¬кими сечениями захвата — бор, хлор, марганец, железо, калий. Увеличение концентрации поглощающих элементов при¬водит к снижению скорости счета тепловых нейтронов и к погрешно¬сти в определении m. Характерным примером элементов с большим σп служит бор, поглощающий нейтроны по реакции (n, а). Одной из про¬блем, которую приходится решать при разведке месторожде¬ний боратов, является определение больших содержаний бора. Сечение поглощения нейтронов бором, а следовательно, и чув¬ствительность нейтронной борометрии настолько велики, что ННК-Т практически не позволяет различать содержания бора выше 1,5 %. Поэтому большие содержания В определяются с помощью ННК-НТ. Сечение реакции σ(n, α) убывает с увеличением энергии нейтронов как 1/v, и градуировочный график ННК-НТ линеен в существенно большем диа¬пазоне содержаний В, чем график ННК-Т. Плотность грунта.
Нейтронное поле зависит от плотности среды так же, как γ-поле. В частности, скорость счета, из¬меренная доинверсионным зондом, растет с увеличением плотности.
При изучении влажности грунтов в условиях неполного влагонасыщения результаты измерений будут зависеть от плотности скелета грунта. Если погрешность измерения влажности принять равной ∆m = 0,005, то допустимые колебания плотности скелета грунта составят ∆ρc = 0,02-0,05 г/см3. При значительных колебаниях плотности грунта в измерения влажности следует вносить поправку.
Целесооб¬разно сочетать измерения влажности ННМ с измерениями плотности ГГМ-П. Глубинность исследований. Под глубинностью исследований ННМ обычно понимают радиус r0,9 цилиндрического слоя, из которого поступает к детектору 90% нейтронов. Установлены следующие закономерности. Глубинность связана с длиной замедления нейтронов. Для зондов небольшой длины (R = 0-25 см) r0,9 = 2,1 L, (5) где L — длина замедления.
С увеличением длины зонда глубинность меняется незначительно. Анализ пространственного распределения надтепловых нейтронов показывает, что максимальное число нейтронов находится в сферическом слое, удаленном от источника на расстояние около 2 ρL. Поскольку и длина замедления, и длина диффузии существенно уменьшаются с ростом влажности, глубинность ННМ определяется главным образом влажностью среды. Кроме того, глубинность, вы¬раженная в линейных единицах, уменьшается пропорционально росту плотности среды.
Влияние промежуточной зоны. Обычно измерения влажности грунтов выполняют в обсаженных скважинах малого диаметра. В этом случае на результаты измерений будут влиять диаметр обсадной трубы, характер заполнения скважины (вода, воздух), толщина и материал обсадной трубы, каверны в затрубном пространстве и их заполнение. При поверхностных измерениях влияют неровности исследуемого участка. Для ННМ решающее значение имеет различие не столько плотно¬стей, сколько нейтронных параметров промежуточной зоны и основной среды.
Увеличение водородсодержания или концентрации поглощаю¬щих нейтроны элементов в промежуточной зоне резко изменяет ско¬рость счета и характер эталонировочного графика. При увеличении диаметра заполненной воздухом скважины чувствительность нейтронного влагомера уменьшается. Заполнение скважины водой значительно увеличивает эффект. Обсадные дюралюминиевые трубы практически не влияют на скорость счета. 4.