En el campo de la evaluación de formaciones , la porosidad es una de las mediciones clave para cuantificar las reservas de petróleo y gas. La medición de la porosidad mediante neutrones emplea una fuente de neutrones para medir el índice de hidrógeno en un yacimiento, que está directamente relacionado con la porosidad. El índice de hidrógeno (HI) de un material se define como la relación entre la concentración de átomos de hidrógeno por cm3 en el material y la del agua pura a 75 °F. Como los átomos de hidrógeno están presentes tanto en yacimientos llenos de agua como de petróleo, la medición de la cantidad permite estimar la cantidad de porosidad llena de líquido.
Los neutrones son emitidos típicamente por una fuente radiactiva como el americio-berilio (Am-Be) o el plutonio-berilio (Pu-Be), o son generados por generadores electrónicos de neutrones como el minitron. Los neutrones rápidos son emitidos por estas fuentes con rangos de energía de 4 MeV a 14 MeV, e interactúan de forma inelástica con la materia. Una vez que se desaceleran a 2 MeV, comienzan a dispersarse elásticamente y desaceleran aún más hasta que los neutrones alcanzan un nivel de energía térmica de aproximadamente 0,025 eV. Cuando los neutrones térmicos son absorbidos, se emiten rayos gamma . Un detector adecuado, ubicado a cierta distancia de la fuente, puede medir la población de neutrones epitermales , la población de neutrones térmicos o los rayos gamma emitidos después de la absorción.
La mecánica de las colisiones elásticas predice que la máxima transferencia de energía ocurre durante las colisiones de dos partículas de igual masa. Por lo tanto, un átomo de hidrógeno (H) hará que un neutrón se desacelere más, ya que tienen aproximadamente la misma masa. Como el hidrógeno está fundamentalmente asociado a la cantidad de agua y/o petróleo presente en el espacio poroso, la medición de la población de neutrones dentro del volumen investigado está directamente relacionada con la porosidad.
La determinación de la porosidad es uno de los usos más importantes del registro de porosidad de neutrones. Los parámetros de corrección para la litología , los parámetros del pozo y otros son necesarios para una determinación precisa de la porosidad, como se indica a continuación:
Sujeto a diversas suposiciones y correcciones, los valores de porosidad aparente pueden derivarse de cualquier registro de neutrones. No se puede subestimar la desaceleración de los neutrones por otros elementos, incluso si son menos efectivos. Ciertos efectos, como la litología , el contenido de arcilla y la cantidad y tipo de hidrocarburos, pueden reconocerse y corregirse solo si se dispone de información adicional sobre la porosidad, por ejemplo, a partir de registros sónicos o de densidad. Cualquier interpretación de un registro de neutrones solo debe realizarse teniendo en cuenta las incertidumbres involucradas.
La respuesta cuantitativa de la herramienta de neutrones a los hidrocarburos gaseosos o ligeros depende principalmente del índice de hidrógeno y del "efecto de excavación". El índice de hidrógeno se puede estimar a partir de la composición y la densidad de los hidrocarburos.
Dado un volumen fijo, el gas tiene una concentración de hidrógeno considerablemente menor. Cuando se excavan los espacios porosos de la roca y se reemplazan con gas, la formación tiene una característica de desaceleración de neutrones menor, de ahí el término "efecto de excavación". Si se ignora este efecto, un registro de neutrones mostrará un valor de porosidad bajo. Esta característica permite que un registro de porosidad de neutrones se utilice con otros registros de porosidad (como un registro de densidad) para detectar zonas de gas e identificar contactos gas-líquido.
Las herramientas de neutrones se basan en la medición de una nube de neutrones de diferentes niveles de energía dentro del volumen investigado. Las herramientas de neutrones epitermales miden la densidad de neutrones epitermales con niveles de energía entre 100 eV y 0,1 eV en la formación. Las herramientas de neutrones térmicos solo miden la población de neutrones con un nivel de energía térmica, y las herramientas de neutrones gamma miden la intensidad del flujo gamma generado por la captura de neutrones térmicos. Las herramientas suelen tener dos detectores (o más) con diferentes espaciamientos desde la fuente para producir una relación de tasas de conteo, que teóricamente reduce los efectos del pozo.
Un contador proporcional lleno de helio-3 (He-3) es el detector de neutrones térmicos y epitermales más común. El helio tiene una sección eficaz de captura de neutrones alta y produce la siguiente reacción cuando interactúa con un neutrón.
3 He + 1 n → 1 H + 3 H + 764 keV de energía
Para aumentar la carga producida por la interacción entre el helio y un neutrón, se aplica un alto voltaje al ánodo del contador. Se elige un alto voltaje de funcionamiento para dar suficiente ganancia para fines de conteo. La mayoría de los contadores de helio-3 utilizan un gas de extinción para estabilizar el rendimiento de alto voltaje y evitar el descontrol.