Прилад нейтронного каротажу для визначення об’ємного вологовмісту і вмісту аномальних поглиначів нейтронів у геологічних середовищах

Прилад нейтронного каротажу для визначення об'ємного вологовмісту і вмісту аномальних поглиначів нейтронів у геологічних середовищах, що містить розміщені у захисному кожусі блок елект 3 25396 Приблизно такий вміст хлору часто зустрічається в приповерхневих гірських породах півдня України, а подібний вміст бору можна зустріти в глинистих породах, збагачених ілітовим компонентом. Отже, при підвищеному вмісті аномальних поглиначів нейтронів прилад ВПГР-1 вносить недопустимо великі похибки у визначення Wv гірських порід. Разом з тим, визначення вмісту елементу (мінералу, хімічної сполуки) з аномальним поглинанням теплових нейтронів також є важливою задачею в ряді досліджень (наприклад, вивчення ступеня засолення ґрунтів при зрошувальному землеробстві; визначення вмісту заліза та низки інших корисних компонентів у відвалах збагачувальних комбінатів тощо). Метою створення корисної моделі є: - визначення об'ємного вологовмісту W v природних і техногенних геологічних середовищ при наявності в них аномальних поглиначів нейтронів; - підвищення точності визначення Wv в присутності аномальних поглиначів; - визначення вмісту аномальних поглиначів. В основу корисної моделі поставлено задачу реєстрації надтеплових нейтронів, узгодженої з реєстрацією повільних нейтронів. Під узгодженою реєстрацією надтеплових і повільних нейтронів розуміються однакові умови вимірювань (технічні, геологічні, свердловинні). Схема корисної моделі на основі серійного свердловинного приладу ВПГР-1 приведена на Фіг.1, де цифрами позначено: 1 - захисний кожух; 2 - лічильник повільних нейтронів; 3 - джерело швидких нейтронів; 4 - блок електроніки; 5 - реєстратор нейтронів; 6 - циліндрична кадмієва насадка. Для використання надтеплових нейтронів прилад ВПГР-1 оснащено циліндричною кадмієвою насадкою, яка щільно прилягає до захисного кожуха і при свердловинних вимірюваннях закріплена напроти розташування лічильника. Товщина стінки кадмію 0,5-1мм, довжина кадмієвої насадки на 510см більша довжини лічильника. При конкретній реалізації корисної моделі було вибрано товщину 4 стінки кадмієвої насадки рівною 0,8мм, довжину на 10см більшу довжини лічильника. Екран-насадка 6 із кадмію перекриває лічильник 2 і поглинає теплові нейтрони, що рухаються від гірської породи до лічильника. Прилад ВПГР-1 з кадмієвою насадкою реєструє надтеплові нейтрони (швидкість лічби IНТ), а без насадки - повільні нейтрони (швидкість лічби IП). Показання детектора надтеплових нейтронів IНТ (прилад з насадкою, Фіг.1) практично не залежать від вмісту в геологічному середовищі аномальних поглиначів теплових нейтронів і мають високу чутливість до водню (вологовмісту). Використання градуювальної залежності показань приладу, що працює за надтепловими нейтронами (прилад з кадмієвою насадкою), дозволяє з достатньою точністю визначати вологовміст геологічних середовищ незалежно від присутності в них аномальних поглиначів. Теплові нейтрони мають високу чутливість до вмісту аномальних поглиначів. Тому швидкість лічби теплових нейтронів можна використати для визначення вмісту С аномального поглинача в досліджуваному геологічному середовищі. Величину IТ отримують після повторного вимірювання в свердловині приладом ВПГР-1 (без кадмієвої насадки), шляхом віднімання показань IНТ від показань детектора повільних нейтронів IП. Ця величина має назву кадмієвої різниці і позначається D Cd [3]: DCd(С)=IП(С)-IНТ»IТ. (1) Чутливість параметрів реєстрації DCd(C) і IП(C) до концентрації аномального поглинача С падає з ростом С. Тому в якості параметра інтерпретації доцільно використати так зване кадмієве відношення NCd(C)=IНТ/DCd(C). Градуювальна залежність цього безрозмірного параметра має лінійний характер [3]: NCd(C)=f(C)=aC+b, (2) де а і b - сталі величини, що визначаються емпірично. Дослідний зразок корисної моделі випробуваний у циліндричній ємності об'ємом 200л, яка заповнювалась водним розчином солі NaCl різної концентрації. В таблиці приведені результати вимірювань. Таблиця Результати експериментальних вимірювань С 0 0,0105 0,0534 0,1491 0,2380 åа 0 0,00329 0,01674 0,04674 0,07460 IП 929,6±0,3 867,5±0,5 661,1±0,9 436,3±0,5 335,6±3,2 Позначення в таблиці: С, г/см 3 - вміст хлору (аномального поглинача теплових нейтронів); å а, см -1 - макроскопічний переріз поглинання; IП, імп/с - швидкість лічби повільних нейтронів; IНТ 48,9±2,0 47,2±1,3 47,5±0,3 47,1±0,3 47,9±0,2 DСd 880,7±2,3 820,3±1,8 613,6±1,2 389,2±0,8 287,7±3,4 NCd 0,0556±0,0045 0,0575±0,0031 0,0775±0,0009 0,1209±0,0017 0,1664±0,0031 IНТ, імп/с - швидкість лічби надтеплових нейтронів; DСd, імп/с - кадмієва різниця (швидкість лічби теплових нейтронів); NCd - кадмієве відношення. Параметр å а визначається за формулою: 5 25396 å а=nsa (3) n - число атомів аномального поглинача теплових нейтронів в одиниці об'єму; sa, 10-24см 2 (барн, б) - мікроскопічний переріз поглинання теплових нейтронів при швидкості 2200м/с (Е=0,025еВ). Наприклад, для кадмію sa=2550б; для бора 769б; для хлора - 31,6б; для заліза - 2,53б. Зв'язок між параметрами å а і С має вигляд: å а=(NA·sa/A)C. (4) NА=6,023·1023моль -1 - число Авогадро; А - атомна маса хімічного елементу - аномального поглинача. При наявності в гірській породі декількох аномальних поглиначів значення їх макроскопічних перерізів å а сумуються. На Фіг.2 показана залежність вимірюваних параметрів IП та IНТ від концентрації солі NaCl у воді. Видно, що залежність IП(CNaCl) має нелінійний характер і виположується з ростом С NaCl (тобто чутливість падає), тоді як IНТ є практично постійною величиною. На Фіг.3 показана градуювальна залежність інтерпретаційного параметра NCd від величини макроскопічного перерізу поглинання теплових нейтронів å а Ця залежність для досліджуваного середовища (в даному випадку води) фактично є універсальною, тобто придатна для будь якого аномального поглинача. Визначивши за отриманим значенням параметра NCd величину å а і використавши апріорні відомості відносно шуканого аномального поглинача та лінійний зв'язок типу (4) між å а і С, отримаємо кількісний вміст хімічного елемента (мінерала, сполуки) з розглядуваними аномальними властивостями. Корисна модель (модифікований прилад ВПГР-1) була використана на гідрогеологічному 6 полігоні "Лютіж", Київської області, при визначені низхідного потоку вологи і модуля інфільтраційного живлення грунтового водоносного горизонту методом хлорного індикатора [4]. За допомогою корисної моделі тут визначався розподіл Wv та СNaCl на різних глибинах залягання гірських порід зони аерації. Технічним результатом корисної моделі є: - визначення об'ємного вологовмісту W v геологічних середовищ при на явності аномальних поглиначів теплових нейтронів; - підвищення точності вимірювання Wv; - визначення вмісту в геологічних середовища х аномальних поглиначів нейтронів (хлору, бору, марганцю, заліза і інших); - оперативна кількісна оцінка шуканих параметрів вздовж свердловинного розрізу (на місці залягання). Джерела інформації: 1. Радиоизотопные методы исследования в инженерной геологии и гидрогеологии. / Ферронский В.И., Данилин А.Н., Дубинчук В.Т. и др. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Атом-издат, 1977. 304с. 2. Влагомер поверхностно-глубинный радиоизотопный ВПГР-1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. / Изд. "Полтава", 1982. 43с. 3. Звольский СТ., Кулик В.В., Месропян B.C. и др. Показания приборов с 3Не-детекторами нейтронов при исследовании природных сред // Геофиз. журн. - 1999. - №5. - С.29-40. 4. Звольський С.Т., Кулик В.В. Визначення вмісту вологи і солі в гр унта х методом ДШС // Вісн. КНУ ім. Т. Шевченка. Сер. Геологія. 2002. - Вип.23-24. - С.20-23. 7 Комп’ютерна в ерстка А. Рябко 25396 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601