Tài liệu thông tin đến quý độc giả phương pháp nơtron- gamma NGK; nguồn phát xạ nơtron; chiều sâu nghiên cứu của phương pháp; phương pháp nơtron- nơtron NNK; các loại máy giếng dùng trong các phương pháp nơtron; chiều sâu nghiên cứu và độ phân giải; các yếu tố ảnh hưởng lên kết quả đo nơtron... Mời các bạn cùng tham khảo tài liệu để nắm chi tiết nội dung.
Các phương pháp nơtron Nhóm phương pháp nơtron bao gồm biến thể khác nhau, chúng có sở chung dùng nguồn bắn phá môi trường nghiên cứu chùm nơtron nhanh đo ghi hiệu ứn g kết trình tương tác nơtron với môi trường vật chất Phương pháp nơtron- gamma NGK a) Cơ sở vật lý: Bắn phá đất đá thành giếng khoa n hạt nơtron đo cường độ xạ gamma phát xạ từ số nguyên tố định đá kết bắt giữ nơtron nhiệt nguyên tắc chung phương pháp nơtron- gamma Các nơtron nhanh bắn từ nguồn S, va chạm với hạt nhân môi trường nơtron bị dần lượng trở thành nơtron nhiệt Quá trình làm chậm nơtron nhanh để biến thành nơtron nhiệt mau chóng mơi trường nghiên cứu có nhiều hạt nhân nhẹ Ở mức lượng thấp, nơtron nhiệt dễ bị số hạt nhân môi trường bắt giữ Xác suất để nơtron nhiệt bị bắt giữ phụ thuộc vào tiết diện bắt giữ hiệu dụng nơtron nhiệt nguyên tử có mơi trường Sau Hình Sơ đồ ngun tắc phương pháp đo bắt giữ nơtron, hạt nhân rơi vào trạng thái Nơtronư Gamma kích thích chúng thường thoát khỏi trạng thái theo cách phát xạ lượng dạng lượng tử gamma Các lượng tử gọi gamma bắt giữ để phân biệt với Gamma Ray tự nhiên Một phản ứng điển hình trình bắt giữ nơtron nhiệt bắt giữ hạt nhân hydro: Lượng tử gamma sinh phản ứng có phổ lượng 2,23MeV b) Sơ đồ nguyên tắc: Hình sơ đồ đo theo phương pháp nơtron gamma bắt giữ Trong máy giếng (1) gồm có nguồn S phát xạ nơtron detector D để đếm lượng tử gamma bắt giữ Giữa nguồn S detector D có chì (4) để ngăn tia gamma khơng thẳng từ nguồn đến detector Tín hiệu từ máy giếng theo cáp lên mặt đất qua ngăn điều chế tín hiệu (2) sau đưa lên ghi (3) Cường độ phóng xạ gamma bắt giữ phụ thuộc vào hàm lượng nguyên tố hydro môi trường nghiên cứu Trong tự nhiên, nguyên tố có pha lỏng (dầu, nước) pha khí đá Các lưu chất bão hồ lấp kín lỗ rỗng đá, cường độ gamma bắt giữ đo Hình Mật độ nơtron nhiệt nguồn Ra-Be có quan hệ chặt chẽ với độ lỗ rỗng Φ thành hệ đá chứa Hàm lượng hydro dầu nước coi xấp xỉ Trong hàm lượng nguyên tố pha khí hẳn Dựa vào thực tế người ta phân biệt chất lưu bão hoà đá chứa dầu nước hay khí Mật độ nơtron nhiệt cường độ phóng xạ gamma bắt giữ phụ thuộc vào khoảng cách từ nguồn S đến detector D chiều dài thiết bị đo (L) Hình biểu diễn thay đổi mật độ nơtron nhiệt theo kích thước L mơi trường đá chứa có hàm lượng hydro khác (chỉ số đường cong) Theo khoảng cách, từ gần đến xa nguồn S chia làm vùng A, B C với tên gọi: Vùng gần A, vùng mù B vùng xa C Trong vùng gần, mật độ nơtron nhiệt tỷ lệ thuận với hàm lượng hydro môi trường Ở vùng xa, quan hệ ngược lại tỷ lệ nghịch với hàm lượng hydro Trong vùng mù, đường biểu diễn phân bố mật độ nơtron nhiệt cắt chéo nhau, có nghĩa mật độ nơtron khơng “nhạy” với hàm lượng hydro Đặc điểm vừa nêu nói lên để giá trị đo cường độ gamma bắt giữ phân dị theo hàm lượng hydro mơi trường nghiên cứu ta phải chọn khoảng cách từ nguồn đến detector rơi vào vùng gần vùng xa, tránh vùng mù Trong Địa vật lý giếng khoan nhằm hạn chế ảnh hưởng giếng khoan phép đo có độ nhạy cao người ta thường chọn kích thước Zond đo khoảng cách L rơi vào vùng xa (C) Thường khoảng cách L ≥ 0,4m Với kích thước Zond đo vậy, cường độ phóng xạ gamma bắt giữ tỷ lệ nghịch với tiết diện σ bắt giữ vĩ mô môi trường nơtron nhiệt Các đá chứa nước có độ khoáng hoá cao (NaCl, KCl,) đặc biệt tập muối có tầm quan trọng việc bắt giữ nơtron (với phản ứng n,γ) lớp tiết diện bắt giữ vĩ mơ tăng lên có mặt nguyên tố Clo nơtron nhiệt (σ Cl = 33 bar) Ngồi ra, nơtron bị bắt giữ có mặt nguyên tố bor, liti, cadmi, cobalt, mangan, vanadi,… đá Khi có mặt bor liti đá phản ứng bắt giữ theo kiểu (n,α ): Những phản ứng loại (n, α ) làm giảm cường độ phóng xạ gamma bắt giữ từ phản ứng (n, γ) Các lượng tử gamma sinh bắt giữ nơtron nhiệt có lượng khác Phần lớn nguyên tố bắt giữ nơtron nhiệt phát lượng tử gamma có lượng thay đổi phạm vi rộng từ vài phần mười đến vài MeV, riêng hạt nhân hydro bắt giữ nơtron nhiệt phát lượng tử gamma có lượng 2,23 MeV phổ lượng đặc trưng hạt nhân hydro bắt giữ nơtron nhiệt c) Nguồn phát xạ nơtron: Trong thực tế sản xuất người ta dùng hai loại nguồn phát nơtron: Nguồn đồng vị Máy phát nơtron Các nguồn đồng vị phát xạ nơtron phổ biến dùng cá c đồng vị Ra, Po, Pu Am dạng bột trộn lẫn với bột Be Các đồng vị Ra , Po, Pu Am phân rã bắn tia α (Heli) Các hạt α bắn vào hạt nhân Be gây phản ứng hạt nhân Các nơtron sinh từ phản ứng (5.31) có lượng từ MeV đến 13 MeV tập trung nơtron có lượng khoảng 3,2 - 5.0 MeV Nguồn Ra- Be cóưu điểm luồng nơtron ổn định chu kỳ bán rã Radi 1620 năm có nhược điểm có phơng phóng xạ gamma lớn, không lợi cho phép đo nơtron- gamma Nguồn Po- Be phát nơtron với phông gamma không đáng kể có nhược điểm chu kỳ bán rã ngắn (TPo = 140 ngày) nên nguồn cần chuẩn lại theo định kỳ Nguồn Pu- Be Am- Be phát luồng nơtron kèm với phơng gamma thấp, có chu kỳ bán rã dài (T Pu = 24300 năm T Am = 458 năm) nguồn lý tưởng sử dụng Địa vật lý giếng khoan Các nguồn phát luồng nơtron ổn định Nguồn Californium (252 Cf) nguồn đồng vị dùng phổ biến thực nghiệm phòng thí nghiệm lẫn đo giếng khoan Đồng vị 252 Cf tự phân rã phát nơtron gần đơn với luồng nơtron lớn nguồn khác (1 Curie chất Cf phát luồng 4,4.10-9 nơtron/s) Nguồn có ưu điểm kích thước bé (gần nguồn điểm), phát luồng nơtron ổn định Trong đo kích hoạt phóng xạ người ta hay dùng nguồn Californium có luồng phát nơtron gần không đổi Chu kỳ bán rã đồng vị Cf tương đối ngắn (TCf = 265 năm) so với nguồn khác Am-Be, Pu-Be nguồn dùng phép đo nơtron bình thường Các nơtron phát từ nguồn Cf có lượng tương đối thấp (En = 2,3MeV) gần đơn Khi thực phương pháp nơtron4 gamma thường dễ bị ảnh hưởng cường độ xạ gamma tự nhiên (GR) Để tránh ảnh hưởng đó, người ta thường chọn cách dùng nguồn nơtron có cơng suất lớn để trường phóng xạ gamma bắt giữ lớn gấp hàng chục lần trường GR Nếu chiều dài L = 50 cm dùng nguồn từ 2-4Ci Máy phát nơtron: Máy phát nơtron dùng Địa vật lý giếng khoan ống gia tốc hạt kiểu Van de Graff có kích thước nhỏ, phát nơtron nhờ phản ứng hạt nhân đồng vị hydro nặng deuterium tritium Trong phản ứng tạo nguyên tử Helium (hạt α ) nơtron đơn có lượng lớn (14 đến 15 MeV) Sơ đồ nguyên tắc máy phát nơtron trình bày hình Trong ống gia tốc thuỷ tinh (1) chứa nguồn deuteri (2) (Sợi dây tóc Titan có tẩm deuteri) Khi sợi Titan bị đốt nóng ống chứa deuteri áp suất 10-2 đến 10-3 atm, catot Hình Sơ đồ nguyên tắc máy phát nơtron đèn (3) bắn electron Các điện tử chuyển động chạm vào thành ống (4) tích điện dương, đường di chuyển chúng làm ion hoá nguyên tố deuteri Các ion gia tốc lên nhờ có ống dây (7) - cấu tạo vòng quấn có từ tính khơng đổi Trên đường đi, ion hội tụ lại lưới hội tụ (5) để hướng tới bia tritium (6) với lượng đủ lớn để tạo phản ứng tổng hợp Heli đồng thời làm bắn nơtron cực nhanh Các loại máy phát hay sử dụng sản xuất làm việc theo chế độ xung cho thông lượng nơtron cỡ 2,5.10^7 n/s Ngồi có kiểu máy phát nơtron khác có thơng lượng gấp mười lần lớn có th ể làm việc hai chế độ xung liên tục Các máy phát nơtron có nhiều ưu điểm: phát nơtron có lượng lớn đơn năng, luồng nơtron lớn Nhờ làm việc chế độ xung nên sở thực phương pháp xung nơtron để giải nhiều vấn đề địa chất nghiên cứu mỏ dầu khí, chẳng hạn xác định chất chất lưu đá chứa Về mặt kỹ thuật an toàn, máy phát nơtron ưu việt hẳn nguồn nơtron dùng đồng vị phóng xạ d) Chiều sâu nghiên cứu phương pháp Chiều sâu hay bán kính nghiên cứu phương pháp nơtron- gamma hiểu bề dày lớp đất đá tính từ thành giếng khoan đến bề mặt hình trụ, nơtron xuyên tới bị bắt giữ băn lượng tử gamma bắt giữ để detector ghi Như vậy, chiều sâu nghiên cứu phương pháp phụ thuộc vào chiều dài Zond đo L khoảng đâm xuyên nơtron Chiều dài L máy giếng khoảng 0,5m Chiều sâu đâm xuyên nơtron đất đá phụ thuộc vào hàm lượng hydro có đá Vì vậy, đá rắn chắc, lỗ rỗng thấp chiều sâu đâm xuyên lớn tới 0,6m Trong đá colector chứa dầu nước, khoảng đâm xuyên giảm hàng chục lần nên chiều sâu nghiên cứu phương pháp (n-γ) vào khoảng 0,05m e) Phạm vi ứng dụng Phương pháp nơtron- gamma sử dụng để phân chia lát cắt địa chất giếng khoan theo hàm lượng hydro lớp đất đá Tr ong giếng khoan dầu khí, với GR, phương pháp nơtron- gamma đóng vai trò phương pháp phóng xạ chuẩn Vì phép đo (n-γ) nhạy với hàm lượng hydro pha lỏng đá nên đá điều kiện thuận lợi (nước vỉa có độ khoáng hoá cao), phương pháp nơtron- gamma dùng để xác định ranh giới dầu-nước Tổ hợp phương pháp nơtron- gamma với phương pháp gamma- gamma mật độ để nghiên cứu giếng khoan than có hiệu Trong nghiên cứu quặng rắn, phép đo phổ gamma bắt giữ theo phương pháp nơtron- gamma giúp phát số quặng khác Phương pháp nơtron- nơtron NNK Phương pháp nơtron- nơtron thực theo ng uyên tắc bắn phá môi trường nghiên cứu xung quanh giếng khoan luồng nơtron nhanh đo ghi nơtron có lượng thấp (En < 1eV) , kịp tới detector trước bị số nguyên tố môi trường bắt giữ Dựa vào mức lượng nơtron chạm tới detector để phép đo thực người ta chia phương pháp thành hai biến thể: - Phương pháp nơtron- nơtron nhiệt - Phương pháp nơtron- nơtron nhiệt a) Phương pháp nơtron- nơtron nhiệt Trong biến thể phép đo ghi nơtron trạng thái nơtron nhiệt trạng thái lượng nhiệt, nơtron có đặc tính thay đổi lượng khuyếch tán lan toả môi trường đất đá bị bắt giữ Khi nghiên cứu giếng khoan quặng, phương pháp nơtron- gamma dùng để phát quặng có chứa Mn, Al, Li, B, Nếu kết hợp với phương pháp nơtron- nơtron, phương pháp nơtrongamma không dùng để ph át quặng Bor mà tích hợp để tính định lượng bão hồ dầu nước số đo phương pháp nơtron- gamma dùng để tính độ rỗng Sơ đồ nguyên tắc tiến hành đo nơtron- nơtron nhiệt gần giống sơ đồ đo nơtron- gamma (Hình 1) Một khác biệt detector D đếm nơtron nhiệt mà không đếm lượng tử gamma bắt giữ Để có điều kiện đó, người ta có hai việc cần làm: Một chọn khoảng cách từ nguồn đến detector (Ln-n) nhỏ đo nơtronư gamma (Ln-n < Ln-γ) Hai là, thành ống đếm có quét lớp parafil tẩm bột bor, bên chứa khí Helium (3He) Nguyên tố đồng vị He3 có tiết diện bắt giữ nơtron nhiệt lớn lại không bắt giữ nơtron mức lượng cao Mỗi nơtron nhiệt lọt vào detector sinh hạt α theo phản ứng: Hạt α ion hố chất khí detector làm cho hoạt động để phép đo nơtron nhiệt thực Hydro có vai trò q trình làm chậm nơtron nhanh Do đó, thay đổi mật độ nơtron nhiệt theo khoảng cách từ nguồn S đến detector D thể thay đổi hàm lượng hydro môi trường Ở khoảng gần nguồn, mật độ nơtron nhiệt tỷ lệ với hàm lượng hydro có đất đá, khoảng xa ngược lại, nghĩa có vùng mà mật độ nơtron nhiệt khơng khác môi trường giàu nghèo hydro Trong thực tế, người ta chọn chiều dài Ln-n ≥ 40cm (rơi vào vùng xa) để đo nơtron- nơtron nhiệt Với chiều dài Zond đo vậy, môi trường nguyên tố có tiết diện bắt giữ nơtron lớn như: B, Li, Cl, số đo nơtron-nơtron nhiệt có giá trị thấp lớp đá có hàm lượng hydro cao ngược lại Tuy nhiên, cần để ý mật độ nơtron nhiệt môi trường khơng phụ thuộc vào hàm lượng hydro mà chịu ảnh hưởng độ khống hố nước vỉa, muối khống thường chứa Clo ngun tố có tiết diện bắt giữ nơtron cao, gấp trăm lần lớn hydro Nhưng nói chung, trường hợp nước vỉa có độ khống hố thấp ngun tố Clo số ngun tố khác lại có vai trò thứ yếu trình làm chậm nơtron nhanh, chúng không ảnh hưởng nhiều đến mật độ nơtron nhiệt Nói chung, số đo nơtron- nơtron nhiệt giếng khoan chịu ảnh hưởng đất đá đường kình giếng khoan Vì vậy, sử dụng số đo phải hiệu chỉnh để loại trừ ảnh hưởng đường kính dung dịch khoan b) Phương pháp nơtron- nơtron nhiệt Các nơtron có lượng khoảng 0,1