Инструкция по проведению геофизических исследований рудных скважин

2.1.3. Гамма-нейтронный (фотонейтронный) каротаж

    2.1.3.1. Общие физико-геологические сведения и основы методики

2.1.3.1.1. Гамма-нейтронный метод, называемый иначе фотонейтронным, основан на использовании фотоядерной реакции

,

которая возникает на ядрах элементов , имеющих порядковый атомный номер и атомную массу , под воздействием гамма-квантов с энергией, превышающей потенциал связи нейтронов в атомном ядре элемента, взаимодействующего с гамма-квантом. В результате фотоядерной реакции поглощаются гамма-кванты и возникают фотонейтроны с энергией

,

где - пороговая энергия (, )-реакции для данного элемента; - энергия гамма-кванта; - энергия фотонейтрона; - энергия, выделяемая (со знаком плюс) или поглощаемая (со знаком минус) в результате фотоядерной реакции.

Среди стабильных ядер наименьший порог фотоядерной реакции имеют бериллий-9 (Ве) и дейтерий (Н), значения которого соответственно равны 1,666±0,002 МэВ и 2,226±0,003 МэВ, т.е.

МэВ;

MэB.

Для ядер всех других элементов 4 МэВ, поэтому фотоядерная реакция на них может быть осуществлена только с помощью генераторов гамма-квантов высоких энергий, в то время как на бериллии она реализуется с радиоизотопным источником сурьма-124.

2.1.3.1.2. Радиоизотопный источник сурьма-124 (Sb) имеет период полураспада 61 день, высокую удельную активность и испускает в процессе распада гамма-кванты с энергией 1,692 МэВ и 2,088 МэВ, которые достаточны для возникновения фотоядерной реакции только на ядрах бериллия. Таким образом, гамма-нейтронный метод с радиоизотопным источником сурьма-124 является прямым методом анализа горных пород и руд на содержание в них бериллия. При каротаже и опробовании используются ампульные источники типа ИГИ-Су активностью до 3,7·10 Бк, поставляемые отделениями АО "Изотоп". В гамма-спектре источника сурьма-124 суммарный выход вышеуказанных гамма-линий составляет 57%, причем интенсивность линии 1,692 МэВ почти в 10 раз больше, чем линии 2,088 МэВ.

2.1.3.1.3. Зависимость сечения фотоядерной реакции от энергии гамма-квантов носит ярко выраженный резонансный характер. Для бериллия главный резонансный максимум соответствует энергии гамма-квантов, равной примерно 1,7 МэВ.

Энергия фотонейтронов, возникающих при фотоядерной реакции на бериллий, равна 24 кэВ (от гамма-линии 1,692 МэВ) и 373 кэВ (от линии 2,088 кэВ), причем первых примерно в 10 раз больше, чем вторых. Распределение возникающих фотонейтронов в окружающей среде изотропно, а их количество пропорционально плотности потока гамма-квантов, вызывающих фотоядерную реакцию, эффективному сечению этой реакции и концентрации бериллия в веществе горной породы или руды.

2.1.3.1.4. Регистрация возникающих фотонейтронов при каротаже скважин осуществляется либо газонаполненными пропорциональными гелиевыми счетчиками СНМ-16, СНМ-17, СНМ-18, либо сцинтилляционными детекторами М-21-В или ЛДНМ в паре с ФЭУ-13. В качестве замедлителей нейтронов для их регистрации детекторами используются экраны из плексигласа.

2.1.3.1.5. Глубинность исследований при гамма-нейтронном каротаже составляет в среднем 10 см, а порог чувствительности к содержаниям бериллия 0,5·10%.

2.1.3.1.6. По своей физической сущности гамма-нейтронный метод является прямым высокоэффективным способом определения бериллия в горных породах и рудах и широко используется в практике геолого-поисковых, разведочных и горнодобывающих работ с целью выявления (поисков) и опробования бериллиевых руд в разрезах скважин для оконтуривания рудных тел, определения в них содержания бериллия и подсчета его запасов, а также для изучения ореолов рассеяния бериллия, с которыми могут быть связаны месторождения других полезных ископаемых, например редких металлов.

2.1.3.1.7. Измеряемым параметром при проведении гамма-нейтронного каротажа является поток (скорость счета) фотонейтронов, который пропорционален содержанию бериллия в изучаемом объекте, но зависит от плотности, влажности и содержания в нем нейтронопоглощающих элементов, таких как бор, литий, фтор, редкоземельных элементов, которые могут быть спутниками бериллия в горных породах и рудах, а также от диаметра скважины, наличия в ней бурового раствора и конструктивных особенностей зондового устройства. Влияние этих факторов на показания гамма-нейтронного каротажа исследуется экспериментально на моделях руд применительно к той аппаратуре, которая используется в работе, и по результатам эксперимента определяется целесообразность учета тех или иных факторов при обработке и количественной интерпретации материалов каротажа, а также размер поправок, которые обычно вводятся путем соответствующей корректировки пересчетного коэффициента.

Для снижения влияния нейтронопоглощающих элементов (бор, литий и др.) иногда измеряют поток надтепловых (надкадмиевых) нейтронов, для чего детектор помещается в кадмиевый экран толщиной 1,0-1,5 мм.

2.1.3.1.8. Модельные работы по изучению влияния мешающих факторов на результаты гамма-нейтронного каротажа проводятся индивидуально для каждого скважинного прибора на искусственных моделях руд, насыщенных по мощности. Такие модели представляют собой емкости обычно цилиндрической формы диаметром 1 м, высотой 1 м, которые заполняются исследуемой средой в дробленом виде. Наполнителем в моделях используется либо песок, либо дробленый известняк. Изменения плотности моделируются путем добавления в среду утяжелителя в виде свинцовой или железной дроби, а изменения влажности - с помощью различных количеств воды.

В центре таких емкостей помещаются трубы различного диаметра и толщины, имитирующие скважины и их обсадку.

На подобных моделях в процессе экспериментальных работ исследуются зависимости показаний скважинного прибора от изменений плотности и влажности вмещающих пород, от изменений диаметра скважины, от наличия и толщины обсадки скважины, от наличия в скважине воды или бурового раствора, от длины зонда скважинного прибора, от наличия в исследуемой среде помимо бериллия других нейтронопоглощающих элементов.

По результатам экспериментов определяются поправки, которые следует вносить результаты измерений с этим прибором в процессе дальнейших работ.

2.1.3.1.9. Зависимость потока фотонейтронов от содержания бериллия в руде (градуировочный график) может быть получена на таких же моделях, изготовленных из дробленой руды с различными содержаниями бериллия. Обычно она имеет вид прямой линии, по крайней мере, в диапазоне реальных рудных концентраций.

2.1.3.1.10. Если по результатам экспериментальных исследований на моделях руд устанавливается необходимость учета мешающих факторов и введения поправок в результаты гамма-нейтронного каротажа при количественных оценках бериллиевого оруденения, то в дальнейшем гамма-нейтронный метод используют в комплексе с другими методами каротажа, в частности:

- с нейтрон-нейтронным (нейтронно-абсорбционным или нейтронно-активационным каротажем, по данным которого определяют влажность пород и руд и содержание в них нейтронопоглощающих элементов: бора, редких земель, фтора, лития и др.);