Чтобы определить, из каких химических элементов состоит порода вокруг определённого места, в скважину опускают источник нейтронов. Нейтроны легко пролетают сквозь металлическую стенку колонны скважины и взаимодействуют с веществом снаружи: рассеиваются, отражаются, замедляются, поглощаются и рождают в ядерных реакциях новые частицы – гамма-кванты. Расположив в скважине недалеко от источника нейтронов детектор частиц, можно получить информацию об этом взаимодействии – такая технология получила название «нейтронный каротаж».
Раньше в качестве источника нейтронов использовали ампулы, в которых расположено радиоактивное вещество (например, плутоний или полоний), при распаде которого рождается альфа-частица (ядро гелия). При попадании альфа-частицы на лёгкое ядро, например бериллий, в ядерной реакции рождается нейтрон. Минусом таких источников является то, что это источники постоянной радиации, что резко усложняет и удорожает обращение с ними. С точки зрения каротажа их недостатком является то, что нейтроны испускаются непрерывно и имеют широкий спектр (большой разброс по энергии). Если нейтроны испускаются периодическими импульсами, то у нас появляется возможность добавить время-пролетные методы анализа полученных сигналов (по разнице времени между началом или окончанием испускания нейтронов и началом и окончанием детектирования частиц), то есть повысить достоверность анализа данных.
Альтернатива – генераторы нейтронов, в которых они рождаются в ядерных реакциях при бомбардировке мишени с помощью ускоренных ионов. Например, можно электрическим полем ускорить ядра дейтерия, направить их на дейтерий или тритий, и в результате термоядерной реакции родятся ядра гелия и быстрые нейтроны, имеющие строго определённую энергию. Дейтерий (D) и тритий (Т) – это тяжёлые изотопы водорода, причём дейтерий не радиоактивен и содержится в обычной воде. Плюсами ускорительных генераторов нейтронов является то, что в выключенном состоянии они практически не радиоактивны; генерировать нейтроны они могут импульсами или непрерывно, а рождённые быстрые нейтроны имеют фиксированную энергию (2,5 МэВ в DD-реакции или 14,2 МэВ в DT). Если известна исходная энергия нейтронов в источнике, мы можем повысить точность результатов каротажа (например, мы точно знаем, насколько нужно замедлиться нейтрону, чтобы стать тепловым).
Создать компактный ускоритель с напряжением около 100 киловольт (при такой энергии DD- и DT-реакции идут наиболее эффективно), который разместится внутри скважины (то есть размером меньше ладони), – дело непростое, но такие технологии были созданы в том числе и в России.
В зависимости от того, какая порода расположена вокруг источника нейтронов, частицы будут с разной скоростью рассеиваться, замедляться и поглощаться. При захвате нейтрона многие ядра испускают гамма-кванты фиксированной энергии, причём у разных элементов разная энергия квантов. Расположив недалеко от источника нейтронов детектор нейтронов или гамма-квантов, мы получим информацию о том, какие материалы находятся в этом месте вокруг скважины.
Нейтроны быстро замедляются на лёгких ядрах, а особенно сильно – при столкновении с протонами, поэтому по скорости замедления мы можем оценить количество водорода в породе. Нефть состоит из углеводородов, поэтому в её составе много протонов (по количеству атомов водорода в молекулах), углерод также является лёгким элементом.
Собрав большую статистику сигналов (для чего генератор нейтронов должен производить их в большом количестве) и проанализировав данные с детектора, можно сделать вывод о том, достигнут ли скважиной нефте- или газоносный слой или требуется бурить дальше.
В зависимости от вида детектора нейтронный каротаж разделяют на несколько типов: по надтепловым нейтронам (даёт информацию о рассеивающих свойствах элементов), по тепловым нейтронам (информация о скорости замедления либо о химическом составе), по гамма-квантам (основные данные – химический состав породы по ядерным реакциям).
Одним из видов часто используемых детекторов являются сцинтилляторы, в которых прилетевшая частица вызывает небольшую короткую вспышку света. Зарегистрировав и усилив эту вспышку с помощью фотоэлектронного умножителя, мы получим сигнал в виде электрического импульса, повторяющего во времени форму вспышки. Этот сигнал можно оцифровать с помощью аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) и дальше анализировать, используя вычислительные процессоры.
После получения цифровых данных с детектора о свойствах зарегистрированных частиц данные нужно расшифровать: нейтроны активно вступают в реакции с разными элементами, и количество возможных реакций очень велико. Нейтроны и гамма-кванты разных энергий вызывают различный отклик у детекторов, поэтому одной из задач является разделение зафиксированных частиц по типу и энергии.
Ещё более полувека назад было известно, что вспышка света в сцинтилляторе от нейтронов и гамма-квантов отличается – у них разное отношение яркости в пике сигнала и на этапе затухания вспышки. Но быстрых АЦП не существовало (со скоростью счёта более 100 МГц), и воспользоваться этой возможностью определить, какая частица прилетела в детектор, было нельзя.
Институт ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН первым в мире разработал быстрые АЦП для этой задачи. В ИЯФ СО РАН продемонстрировали эту технологию при регистрации частиц на расположенных в институте термоядерных установках и ускорителе для лечения рака методом бор-нейтронозахватной терапии. Оборудование позволяет в режиме реального времени по форме вспышки света сразу определять тип обнаруженной частицы и её энергию. Использование такой технологии сделает нейтронный каротаж скважин более точным, чем сейчас.
Иллюстрация Елены Рюминой
