Mélyfúrási geofizika Balázs László Mélyfúrási geofizika

Tehát a forrástól távolabbi ponton egy gamma detektorral mért gamma intenzitás kalibrálható közegsűrűségre. Így bevezethető mért mennyiségként a látszólagos sűrűség (ρ_b – bulk density), mely kőzettulajdonságok feltérképezésében fontos kőzetfizikai jellemző.

Mint ismeretes a sűrűség tekintetében a póruskitöltő anyagok és a kőzetváz alkotói között van jelentős kontraszt, ezért a látszólagos kőzetsűrűség különösen érzékeny a porozitás változásokra.

Kőzetalkotó	jellemző sűrűség (g/cm3)
Homokkő – 0% porozitás	2.65
Mészkő – 0% porozitás	2.71
Dolomit – 0 % porozitás	2.8
Agyagok	2.2 – 2.8 (kompakciótól függően)
víz	1
olaj	0.8
gáz	0.2-0.3

10.1. táblázat. Kőzetalkotók sűrűség értékei

A gamma tér lecsengését elemezve, a mérés akkor lehet hatékony, ha a detektor és forrás lyukfalhoz szorított, excentrikus helyzetben van és távolságuk a jellemző foton szabadúthossz 5-10 szeresénél helyezzük el.

A nemcsak Compton-kölcsönhatás által meghatározott kisenergiájú gammafotonokat általában a detektornál alkalmazott árnyékolással szűrik ki, így a sűrűségmérésnél GM-cső is alkalmazható detektorként.

A legkorábban végzett gamma-gamma méréseknél csak egyetlen detektorral mért impulzusszánlálási sebességet rögzítettek, amelyet a feldolgozást végző szakembernek kellett ismert litológiájú helynél sűrűséggé átszámítani az alábbi alakú közelítő függvény szerint:

.

(10.5.)

10.2. ábra. Sűrűségmérő szondák felépítése, egy detektoros (bal) és kompenzált eszköz (jobb)

A későbbiekben a sűrűségértékre vonatkozó kalibrációt modellmérésekkel végezték. Az excentrikus helyzetű mérés során is fellépnek különböző zavaró lyukkörnyezeti hatások. Elsősorban az iszaplepény illetve az olyan kavernák okozhatnak gondot, ahol a szondatest nem tudja követni a fal egyenetlenségeit.

Elsősorban az iszaplepény-hatás korrigálására fejlesztették ki a kompenzált, kétdetektoros sűrűségszondát. Ennél az eszköznél a közeli és távoli detektor eltérő kutatási mélységnek köszönhetően eltérő módon érzékeli a zavaró hatásokat így azok hatása korrigálható.

A két detektor – detektortérfogattól függő – érzékenysége általában nem egyforma, a távoli detektor nagyobb térfogata biztosítja a távoli gammafluxus azonos megbízhatóság (szórás) melletti mérését.

A korrekciós modell paraméterei az iszaplepény vastagság (h_mc) és a sűrűség különbség (ρ_b-ρ_mc). Ennek függvényében számítják (on-line) a szondatípusnak megfelelő korrekciót (Δρ) a két detektor jele alapján (10.3. ábra az un. gerinc-borda diagram). A rögzített sűrűség már a korrigált érték, de tájékoztatásul a korrekció értékeket is rögzítik, mint mélységszelvényt. Baritos iszap esetén ellenőrizni kell, hogy a korrekció ennek megfelelő volt-e.

10.3. ábra. Sűrűségmérő szonda korrekciós diagramja (Titman 1986)

A mért sűrűségérték (ρb) és a kőzetalkotók térfogati részaránya között lineáris kapcsolat áll fenn:

.

(10.6.)

Kétkomponensű kőzet (mátrix és vízzel telített pórustér) esetére ez alapján látszólagos sűrűségporozitás definiálható:

.

(10.7.)

A fenti porozitás érték meghatározásához a mátrix ismerete szükséges, és gáz esetén, a gáz víznél kisebb sűrűsége miatt túlbecsüli a valódi porozitást. Mátrixhoz viszonyítva általában kisebb sűrűsége miatt az agyagtartalom szintén növeli a sűrűségporozitás. Ezt agyagindikátorok (SP, GR) értékeiből becsült agyagtartalom (Vsh) segítségével korrigálhatjuk:

,

(10.8.)

ha ismerjük a tisztán agyagos kőzet sűrűségporozitását (). Ezt egy közeli agyagos zónánál olvashatjuk le.

Sórétegek és szénrétegek általában nagyon kissűrűségűek, így nagy sűrűségporozitás értékekkel jelentkeznek. Az üledékekben néhol előforduló pirit viszont a sűrűséget növeli. Az iszapsűrűséghez közeli kis értékek, nagyobb kavernáknál, nyitott repedéseknél jelenhet meg.

10.4. ábra. Sűrűségmérés adatainak megjelenítése (jobb oldali sáv). Szaggatottal az alkalmazott korrekció látható.

Megjegyezzük, hogy a sűrűség szelvény lényeges bemenő adata a szintetikus szeizmogram generáláshoz szükséges akusztikus impedancia szelvénynek is.

2. 10.2. Fotoelektromos abszorbciós index mérés (Lithodensity mérés)

Ha energiaszelektív detektorral vesszük fel a gamma spektrumot (pl. szcintillációs detektor alkalmazásával) a forrástól adott távolságra, a kisenergiás tartományt a kőzetekben lejátszódó fotoeffektus alakítja ki. A fotoeffektus mikroszkopikus hatáskeresztmetszete rendszámfüggő:

.

(10.9.)

A fenti hatáskeresztmetszetből (atomsűrűséggel szorozva) kapott makroszkopikus hatáskeresztmetszet határozza meg a közegbeli abszorbciót, amely a spektrum kisenergiás részének csökkenéséért felelős.

10.5. ábra. Energia ablakok a fotoelektromos abszorbciós index (Pe) meghatározásához. Látható, hogy a kisenergiás ablakban (Lith) a spektrum jelentősen függ a rendszámtól.(Ellis 2007)

A spektrumon definiált két energiaablakban érkező fotonok száma alkalmas a vizsgált kőzet összetételének átlagrendszámmal történő leképzésére. Ehhez definiálták a fotoelektromos abszorbciós indexet (Pe), mely arányos a fotoeffektus mikroszkopikus hatáskeresztmetszetével:

.

(10.10.)

A mérés során, megfelelő detektor és szondafüggő kalibrációval, az energia ablakoknál mért összimpulzus arányokat használják Pe meghatározására, az alábbi függvény szerint:

.

(10.11.)

Ahol A,B,C kalibrálási állandók. A kisenergiás ablak jellemző pozíciója (40-80 keV), míg a Compton-ablaké (200-400 keV). A spektrum gyors lecsengése miatt, a mérés különösen érzékeny az erősítés ingadozásaira. A Pe szelvény litológiai indikátorként használható. A gyakorlatban használják még a Pe index térfogategységre vonatkoztatott változatát (U), melyet az elektronsűrűséggel beszorozva kaphatunk meg. Néhány fontosabb kőzetalkotó Pe értékét tartalmazza az alábbi táblázat.

Kőzetösszetevő	Pe	U
Kalcit	5.084	13.77
Dolomit	3.142	9.0
Kvarc	1.806	4.79
Pirit	16.97	82.1
Agyag	3.42	10
Sós víz	0.807	0.85

10.2. táblázat Kőzetalkotók Pe értékei (forrás: Ellis 2007)

Megjegyezzük, hogy a sűrűségméréshez hasonlóan a legfőbb zavarótényező az iszaplepény és a fúrólyukfal egyenetlenségei. Az iszaplepény hatás különösen erős baritos iszap esetében, ekkor a Pe szelvény jelentősen eltolódhat.

10.6. ábra. A Pe mérés eredményeinek megjelenítése (PEFZ – 3. sáv). A szelvény a litológiai értelmezésnél fontos szerepet töltött be a mátrix összetétel meghatározásában.
11. fejezet - Neutronmérések

Neutronforrás körül kialakuló neutronfluxus-eloszlás Φ(r,E) segítségével leképezhetők a kőzetek neutronszórási és abszorbciós tulajdonságai, melyeket kőzetfizikai egyenletek segítségével összeköthetünk a kőzetösszetételével. A neutronok, mint semleges részecskék elsősorban az atommagokkal lépnek kölcsönhatásba. A kölcsönhatásokat energiafüggő hatáskeresztmetszetekkel jellemezhetjük. Melyeket a kőzetösszetevők hatáskeresztmetszeteiből lineáris modell szerint számíthatjuk:

.

(11.1.)

A méréseknél alkalmazható neutronforrásokból nagy energiájú (néhány MeV-es) neutronok lépnek ki, míg a geofizikai szondákba beépíthető detektorok az un. termikus neutronokat (0.1 eV>E) képesek detektálni. A detektálásig vagy a közegbeli abszorpcióig a neutron energiája a szórási folyamatokon keresztül 8 nagyságrendet csökken (11.1. ábra). A lelassult, termikus neutronok mozgási energiája már a kőzet atommagjainak hőmozgásával vethető össze, diffúziója (véletlen bolyongás) közben hol nyer, hol veszít mozgási energiájából. A termikus energiájú neutronok a közeg atomjain való sorozatos szórás következtében, kvázi gázként viselkednek (neutrongáz) Maxwell-Boltzman eloszlás szerinti, hőmérséklet függö energiaspektrummal.

Legtöbb atommag esetében az abszorpció valószínűsége a termikus neutron energiáknál meredeken megnő, ezért az abszorpció a termikus neutronokat fogyasztja.

11.1. ábra. Tipikus neutron „életút”, a forrástól az abszorpcióig.

Egy átlagos neutron „életút” tehát néhány μs-os lassulási fázissal, majd hosszabb néhány ms-os termikus diffúzióval telik a végén valamely közegbeli atommagban abszorbeálódik.

A neutrontér kialakulása szempontjából nemcsak a kölcsönhatások valószínűsége a fontos, lényeges még, hogy adott típusú atommagon a szórási kölcsönhatások során mekkora a neutron energiaváltozása. E két tényező dönti el, hogy adott közeg milyen erélyesen lassít (moderál).

A lassulási folyamatban kulcsszerepet játszó rugalmas szórás esetében az energia és a szórási szög összefüggésére az alábbi összefüggés vezethető le az energia és impulzus megmaradás alapján (Szatmáry 2000):

,

(11.2.)

ahol:

a target atommag tömegszámával (A) kifejezve.

(11.3.)

A neutronok energiavesztése láthatóan akkor maximális, ha közel hasonló tömegű target atommaggal ütköznek (billiárdgolyó modell). Centrális ütközésnél ekkor teljes energiáját is elveszítheti.

11.2. ábra. Neutronszórás mechanikai modellje

A lassítást általában egy ütközésre jutó átlagos logaritmikus energiacsökkenéssel (letargia) jellemezzük, mely a 11.2. képletből származtatható (Szatmáry 2000).

,

(11.4.)

amely közelítőleg az alábbi módon fejezhető ki a target atommag rendszámával:

.

(11.5.)

Ha a lassulás energiaintervallumát elosztjuk az átlagos energiacsökkenéssel, megkapjuk a lassuláshoz szükséges rugalmas szórások számát.

Atommag	ξ	szórások átlagos száma a termalizációig
H	1.0	16
C	0.158	110
O	0.12	131
Ca	0.05	330
Víz	0.7	22
Mészkő 20% porozitással	0.23	70
Mészkő	0.115	138

11.1. táblázat Kőzetalkotók neutron moderációs tulajdonságai (forrás:Ellis 2007)

A lassítás erélyessége a neutronfluxus térbeli eloszlását is meghatározza. Nagy neutron energiák esetén a kölcsönhatások hatáskeresztmetszete (Σ_t) általában sokkal kisebb, mint a termikus energiákon. A két kölcsönhatás közötti úthossz várhatóértékeként felírható átlagos szabadúthossz (λ):

.

(11.6.)

Így elmondható, hogy nagyobb távolságokat a gyorsneutronok futnak be, a termikus neutronok a viszonylag hosszú élettartamuk alatt csak kis távolságra juthatnak el a termalizáció helyétől.

A képletből is és a táblázatból is látható, hogy kis tömege miatta a lassulásnál a hidrogénnek kiemelt szerepe van. A neutronfluxus tér eloszlásának jellege erőteljesen változik a kőzet hidrogéntartalmával. Nagyobb hidrogénkoncentráció esetén a termalizáció gyorsabb, a termikus fluxustér a forrástól távolodva gyorsabban cseng le.

A további kőzetalkotó elemek szerepe (mátrixhatás) másodlagos. A neutronmérések tehát alkalmasak porozitáskövetőnek, mivel a hidrogéntartalom jórészt a pórusfolyadékokhoz kötődik.

A neutronszondákat a gyakorlatban vízzel telített pórusterű mészkő esetére kalibrálják, azaz detektorral mért neutronintenzitás értékek konverziója ennél a standardnál ad helyes porozitásértékeket. Az ily módon meghatározott mért látszólagos porozitás a neutronporozitás (ɸ_N). A fentiek miatt a neutronporozitás közelítőleg kifejezhető a hidrogénindexszel (HI) is, azzal közelítőleg lineáris kapcsolatban van.

A neutronteret a vázolt transzportelméleti eszközökkel (8. fejezet) tudjuk számolni. A sok nagyságrendet átfogó neutronenergiák és a hatáskeresztmetszetek erős energiafüggése miatt, a problémát un. csoportdiffúziós módszerrel oldják meg, azaz energiaintervallumokat (energiacsoportokat) definiálnak, melyeken a hatáskeresztmetszetek és az ezekből számított diffúziós állandó már konstansnak vehető. Megjegyezzük, hogy az energiacsoportokat a szórási folyamatok kötik össze. Az egyik csoportból kiszóródó neutronok a másik csoport forrás tagjánál jelennek meg.

Nagyrendszámú elemeket tartalmazó problémáknál a csoportok száma több száz is lehet, geofizikai problémák megoldása néhány csoporttal is kielégítő pontossággal megoldhatók. Példaként vegyük homogén térben 2 csoportos (gyors, termikus) esetet:

,

(11.7a.)

.

(11.7b.)

Bevezethetjük a lassulási (L_s) és a diffúziós úthosszt (L_D):

,

(11.8a.)

.

(11.8b.)

Felhasználva a Helmholtz-egyenlet alapmegoldását a két csoportfluxus térbeli változására az alábbi megoldás kapható egy Q forráserősségű pontforrás körül:

,

(11.9a.)

.

(11.9b.)

Homogén térben az úthossznak szemléletes jelentése is van, megadja a forrástól vett négyzetes távolság várhatóértékét. A gyors csoportra pl.:

.

(11.10.)

A két csoport úthossz négyzetösszegével kapjuk a migrációs úthosszat (Lm):

.

(11.11.)

Végső soron stacionárius térben a termikus neutronfelhő térbeli eloszlását és így a detektoroknál mérhető termikus fluxust is a migrációs úthossz határozza meg.

Az energiacsoportok létrehozásának fontos eleme a csoport állandó meghatározása, mely az adott mennyiség (hatáskeresztmetszet, diffúziós állandó) spektrális átlagolását jelenti. Ehhez a spektrumra vonatkozóan feltételezéssel kell élnünk. Geofizikai problémáknál elmondható, hogy a forrás tartományát a forrás spektrum alapján átlagolhatjuk, Az epitermikus tartományon a lassulásra jellemző (általában 1/E jellegű) spektrumot használhatjuk, míg termikus tartományon Maxwell-Boltzmann spektrum segítségével átlagolhatunk. Megjegyezzük, hogy a neutrongáz hőmérséklete magasabb, mint a környezeté, mivel nagy energiák felől folyamatosan pótlódik, míg kis energiák tartományán az abszorpció csökkenti a neutronfluxust.

11.3. ábra. Neutron spektrum számítás eredménye (Monte-Carlo szimuláció), pontforrástól különböző távolságokra 20%-os porozitású homokkőben (Balázs 2008)

1. 11.1. Neutronforrások

Geofizikai szondázásoknál kétféle neutronforrást alkalmaznak a stacionárius forrást, amely általában a berillium és valamilyen alfasugárzó izotóp kevertéke. A berillium gyengén kötött neutronját az alfarészecske befogása után emittálja egy ⁹Be(α,n)⁶C reakcióval. Az alfasugárzó általában Plutónium vagy Polonium (PuBe vagy PoBe források). A PuBe és PoBe források jellemző neutronenergiája 4-5 MeV körüli.

Több szondatípusnál alkalmaznak impulzusüzemű neutronforrást az un. neutrongenerátort. A neutrongenerátor egy gyorsító cső, ahol a felgyorsított deutérium ionokkal váltanak ki neutronokat a trícium targetnél. A neutronokat az alábbi reakció kelti:

.

(11.12.)