Phương pháp carota nơtron là những phương pháp nghiên cứu quá trình tương tác của các hạt nơtron với hạt nhân nguyên tử của các nguyên tố tạo thành đất đá. Nhóm các phương pháp nơtron gồm có phương pháp mật độ nơtron (còn gọi là phương pháp nơtron – nơtron), phương pháp nơtron – gamma.
Phương pháp nơtron – nơtron:
Thực hiện theo nguyên tắc bắn phá môi trường nghiên cứu xung quanh giếng khoan bằng một luồng các nơtron nhanh và đo ghi các nơtron có năng lượng thấp (En<1eV), kịp đi tới detector trước khi có thể bị một số nguyên tố trong môi trường chiếm giữ. Dựa vào mức năng lượng của các nơtron khi detector thu nhận, người ta chia phương pháp này thành hai biến thể :
Phương pháp nơtron- nơtron nhiệt:
Trong biến thể này phép đo ghi các nơtron đã ở trạng thái nơtron nhiệt. Ở trạng thái năng lượng nhiệt, các nơtron có đặc tính ít thay đổi năng lượng và khuếch tán lan tỏa trong môi trường đất đá cho đến khi bị bắt giữ.
Hydro có vai trò chính trong quá trình làm chậm các nơtron nhanh. Do đó, sự thay đổi mật độ các nơtron nhiệt theo khoảng cách từ nguồn đến detector sẽ thể hiện sự
33
thay đổi hàm lượng hydro trong môi trường. Ở khoảng gần nguồn, mật độ nơtron nhiệt tỷ lệ với hàm lượng hydro có trong đất đá, còn ở khoảng xa thì ngược lại. Tuy nhiên, mật độ nơtron trong môi trường không chỉ phụ thuộc vào hàm lượng hydro mà còn chịu ảnh hưởng của độ khoáng hóa nước vỉa, vì các muối khoáng thường chứa Clo là nguyên tố có tiết diện bắt giữ nơtron cao, gấp trăm lần hydro. Nhưng nói chung, ở các trường hợp nước vỉa có độ khoáng hóa thấp thì nguyên tố Clo và một số nguyên tố khác lại có vai trò rất thứ yếu trong quá trình làm chậm các nơtron nhanh, nên chúng không ảnh hưởng nhiều đến mật độ nơtron nhiệt.
Phương pháp nơtron – nơtron trên nhiệt:
Các nơtron có năng lượng trong khoảng 0,1 < En < 100eV trong kỹ thuật gọi là những nơtron trên nhiệt.
Phương pháp nơtron trên nhiệt là phương pháp đo mật độ các nơtron trong vùng năng lượng đó ở môi trường nghiên cứu.
Phương pháp này không nhạy với độ khoáng hóa của nước vỉa và dung dịch khoan mà chỉ phụ thuộc vào hàm lượng hydro trong các lớp đất đá ở thành giếng khoan, điều đó cho ta khả năng tính độ rỗng của đá chứa theo kết quả đo nơtron – nơtron trên nhiệt có độ chính xác cao hơn.
Phương pháp nơtron – gamma:
Dùng các hạt nơtron bắn phá đất đá ở thành giếng khoan và đo cường độ bức xạ gamma phát xạ từ một số nguyên tố nhất định trong đá do kết quả bắt giữ nơtron nhiệt. Các nơtron nhanh bắn ra từ nguồn va chạm với các hạt nhân trong môi trường và do đó chúng mất dần năng lượng và trở thành nơtron nhiệt. Quá trình làm chậm các nơtron nhanh để biến thành nơtron nhiệt càng mau chóng khi trong môi trường nghiên cứu có nhiều hạt nhân nhẹ.
Mật độ các nơtron nhiệt hay cũng là cường độ phóng xạ gamma chiếm giữ phụ thuộc vào hàm lượng nguyên tố hydro trong môi trường nghiên cứu, trong tự nhiên hydro có trong pha lỏng (dầu, nước) và pha khí của đá, các lưu chất này bão hòa lấp
34
kín trong lỗ rỗng của đá, do đó cường độ gamma chiếm giữ đo được sẽ có quan hệ chặt chẽ với độ rỗng φ của thành hệ đá chứa.
Hàm lượng hydro trong dầu và nước được coi là xấp xỉ bằng nhau, trong khi đó hàm lượng hydro trong pha khí thì ít hơn hẳn, dựa vào thực tế đó người ta có thể phân biệt được chất lưu bão hòa trong đá chứa là dầu, nước hay khí.
Thiết bị chủ yếu dùng cho các phương pháp này gồm có:
Nguồn nơtron (thường là hợp chất poloni – berili). Trong ĐVLGK thường dùng các nguồn phát ra nơtron có năng lượng cao như nhóm nơtron nhanh En>10KeV, chúng có thể bị bắt giữ rất dễ dàng khi mức năng lượng chỉ còn khoảng 0,025eV sau quá trình bị làm chập.
Máy chỉ thị mật độ nơtron (đối với phương pháp mật độ nơtron) hoặc là máy chỉ thị cường độ bức xạ gamma thứ sinh xảy ra sau khi có hiện tượng chiếm nơtron (đối với phương pháp nơtron – gamma). Giữa nguồn và máy chỉ thị có đặt màn chắn nhằm ngăn không cho máy chỉ thị chịu bức xạ trực tiếp của nguồn.
2.1.3.3. Phạm vi ứng dụng
Ưu điểm: phương pháp phóng xạ có khả năng nghiên cứu ở cả những phần giếng khoan có ống chống, có trám xi măng mà phương pháp điện không nghiên cứu được. Quá trình phóng xạ không chịu ảnh hưởng của sự thay đổi điều kiện vật lý trong quá trình đo không phụ thuộc vào sự thay đổi nhiệt độ, áp suất….
Nhược điểm: lớn của phương pháp phóng xạ là kết quả đo chịu ảnh hưởng nhiều bởi sự thay đổi liên tục của đường kính giếng khoan.
Kết hợp với tài liệu củacác phương pháp carota điện, một ứng dụng quan trọng hàng đầu của các phương pháp carota phóng xạ là việc phân chia cột địa tầng lỗ khoan.
Việc phân chia này dựa trên kết quả đo độ phóng xạ tự nhiên (bức xạ gamma) của các lớp đá do hàm lượng nguyên tố phóng xạ trong từng lớp (phương pháp carota gamma), kết quả đo bức xạ gamma tán xạ ở những lớp đá có mật độ khác nhau
35
(phương pháp carota gamma – gamma), kết quả đo mật độ nơtron nhiệt và đo cường độ bức xạ gamma do quá trình bắt nơtron nhiệt sinh ra ở các lớp đất đá (phương pháp carota nơtron – nơtron và nơtron – gamma). Sau khi dựng được cột địa tầng của từng lỗ khoan, sử dụng đặc điểm ổn định về độ dày ta có thể liên kết các cột địa tầng ở các lỗ khoan trong vùng lại với nhau, từ đó có thể xây dựng được lát cắt địa vật lý – địa chất trong vùng công tác.