Mélyfúrási geofizika Balázs László Mélyfúrási geofizika



Yüklə 0,93 Mb.
səhifə7/11
tarix11.04.2018
ölçüsü0,93 Mb.
#37221
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11

A keletkező neutronok izotróp szögeloszlásúak és 14.1 MeV energiával rendelkeznek, a reakcióban felszabaduló energia többi részét az alfa-részecske viszi magával. Ez az energia már több atommag gerjesztésére is elég. A neutronok μs-os impulzusokban termelődnek.

2. 11.2. Neutrondetektorok

Az eddig ismertetett nukleáris detektorok közös tulajdonsága volt, hogy a sugárzásokat ionizáló hatásuk alapján detektálták. A neutronok esetében – töltésük nem lévén – ezt közvetve valamilyen magreakció közbeiktatásával kell megvalósítani. Erre olyan izotópokat választanak, amelyeknél a neutronok kis energiával (termikus tartományban) is képesek a magból töltött részecske kibocsátását kiváltani (11.2. táblázat).

A legfontosabb neutrondetektálásra alkalmas izotópok és termikus neutron magreakciók.




Izotóp

magreakció

felszabaduló energia (MeV)

10B

(n,α)

2.79

6Li

(n,α)

4.78

3He

(n,p)

0.764

11.2. táblázat. Neutron detektálásban alkalmazható magreakciók

A felsorolt reakciók következtében alfa vagy proton kibocsátása történik, amely már ionizálhatja a detektor anyagát. A 10B és 3He izotópokat töltőgázként felhasználva egy un. proporcionális kamránál, termikus neutronok detektálására alkalmas eszközt kapunk.

A proporcionális kamra a GM-csőhöz hasonló gáztöltésű detektor, de nem alakul ki az a töltés lavina, csak megsokszorozódnak a primer ionizációból származó töltéshordozók, úgy hogy a jel arányos marad a primer ionizációval, azaz a sugárzás által a detektorban leadott energiával.

A neutronok által kiváltott reakciótermékek (töltött részecske és a visszalökődő ionizált atommag) ionizálja a gázt (primer ionizáció), mely a kamra kimenetén többszörös ionizáció után felerősödött impulzust eredményez. A neutrondetektorok tervezésének kulcskérdése, hogy a gammasugárzástól elválasztható legyen a neutronjel. Ez az ismert detektorban könnyen megoldható egy amplitúdó diszkriminációval, hiszen a háttér gamma fotonoktól származó primer ionizáció jóval kisebb, mint a neutron reakcióban keletkező töltött részecskék által okozott primer ionizáció (11.4. ábra). A 6Li izotópra alapozva szcintillációs detektor állítható elő, mely alkalmas termikus neutronok detektálására.



11.4. ábra. He-3 töltésű neutrondetektor amplitúdó spektruma, a neutronok és gamma fotonok által keltett jelek jól diszkriminálhatók. (Balázs, Gyurkócza 2002)

Bizonyos szondák esetében epitermikus neutronok detektálása is szükséges, ezt többnyire hasonló detektorokkal oldják meg, egy termalizáló réteg beiktatásával.

3. 11.3. Neutronszondák

A neutronszondázás során a szondatestben elhelyezett forrás terét vizsgáljuk különböző távolságra elhelyezett neutrondetektorokkal. A detektorok jelét közelítőleg arányosnak vehetjük a detektornál kialakuló termikus fluxussal. A szondák tervezésénél, a detektortávolság megválasztásánál fontos szempont, hogy a termikus neutrontér általában rendelkezik egy maximummal, melynek pozíciója a kőzetösszetételnek megfelelően elmozdul. A detektorok távolságát úgy választják meg, hogy a porozitás növekedése csökkenést okozzon az impulzusszámban (11.5. ábra).

Kezdeti időszakban használatos szondák esetében közvetlenül a mért impulzusszámlálási sebességet rögzítették. Ezt az értelmező próbálta porozitáshoz kötni pl. magminták alapján. A kezdeti méréseknél nem is neutronokat, hanem az abszorpciós gamma fotonokat detektálták (n-γ mérések).



11.5. ábra. Neutrondetektor jele és a porozitás közötti összefüggés különböző litologiáknál (Ellis 2007)



11.6. ábra. Neutrondetektor típusok. Egy detektoros (SNP) (bal), két detektoros lyukkompenzált (CNL) (középen) és 4 detektoros klór hatásra is kompenzált (jobb) neutronszondák.

A neutron detektor által mért impulzusszámlálási sebességet megfelelő kalibrációval neutron porozitássá konvertálják. A legelső szondák egy forrás és egy detektort tartalmaztak (SNP Sidewall Neutron Porosity). Itt is hamar megjelentek a lyukkompenzált eszköz (CNL Compensated Neutron Log), mellyel a lyukfal, iszaplepény zavaró hatásait kívánták csökkenteni. Ezeknél az eszközöknél a két detektor impulzusszámlálásának hányadosát konvertálták neutron porozitássá.



11.7. Lyukkompenzált neutronszonda kalibrációja különböző litológiáknál a közeli és távoli detektor impulzusszámainak arányával. (Ellis 2007)

A rétegvízben levő klórnak viszonylag nagy a termikus abszorpciós hatáskeresztmetszete, így a termikus fluxus csökkentésével a nagy klórtartalom megnöveli a látszólagos neutronporozitást. A klór – és esetleges további termikus neutronabszorbens – zavaró hatása kiküszöbölhető, ha epitermikus tartományban is végzünk méréseket, melyeket nem zavar a klór hatása. Epitermikus detektorok alkalmazásával pontosítható a porozitásmérés. A neutronszondák kutatási mélysége általában nagyobb a gamma-gamma szondákénál: 30 – 40 cm.

4. 11.4. Neutronporozitás

A neutronporozitás lineáris függvénye a kőzetalkotók neutronporozitásának:






(11.13.)

-

A neutronporozitás értékeket több zavaró hatás is terhelheti. Kalibráláskor a referencia mátrix a mészkő, ha a mátrix eltér, ennek megfelelő korrekciót kell alkalmazni. Ez többnyire szondatípustól függő néhány százalékos eltolással közelítjük.

Ha póruskitöltő anyag nem víz, különösen, ha kis sűrűsége miatt kisebb hidrogénkoncentrációval jellemezhető gáz tölti ki, akkor a kevésbé erélyes termalizálás és abszorbció miatt, a szonda jóval kisebb neutronporozitást mér (11.8. ábra). Felfoghatjuk úgy, mintha a gázban levő hidrogén mennyiséget a víznek megfelelő koncentrációra préseljük össze, hogy megkapjuk a gáztartalmú kőzet mért porozitását. A becslést tovább kell pontosítani, mert a fennmaradó üres tér egyáltalán nem termalizál, nem ekvivalens a mátrix hatásával. Ezt az eltérést nevezzük exkavációs effektusnak.

Az agyagoknál a kötött víz és egyéb termikus neutron abszorbensek miatt nagyon nagy neutronporozitást (35-40 %) mérhetünk. Agyagtartalmú kőzetek esetében a látszólagos porozitásértéket korrigálni kell az agyaghatással:




.

(11.14.)

Az agyag neutronporozitását (ϕNsh) a szomszédos agyagrétegeknél olvashatjuk le.

Ugyancsak nagy (50 %), porozitások mérhetők gipsz csíkoknál. Só rétegeknél a Cl abszorpciós hatása miatt kis neutronporozitás értékek láthatók.



11.8. ábra. Neutronporozitás mérés eredményének megjelenítése (Phin szelvény – 3. sáv). Az ábrán látható, hogy a sűrűségszelvényezés és neutronmérések eredményeinek megfelelően skálázott megjelenítésével (neutron-density overlay), a gázhatás jellegzetes elválással jelentkezik (sárgával satírozott tartományok)

5. 11.5. Pulzált forráshoz kapcsolódó neutronmódszerek

5.1. 11.5.1. Neutronélettartam szelvényezés

A neutrongenerátor impulzusszerű gyorsneutron csomagot küldd a mérendő közegbe (14 MeV-es energiával). A neutronok néhány μs alatt lassulnak a termikus energiákra, majd az abszorpcióval végződő diffúzió fázisa következik. A probléma közelítő leírására alkalmas, termikus neutronokra vonatkozó időfüggő diffúziós egyenlet:




.

(11.15.)

A termikus neutronsűrűség megváltozása két tényezőtől függ. Ha nagy kiterjedésű, közel egyenletes eloszlású neutron felhőből indulunk, akkor 11.14 egyenletben az első tag (térváltozók szerinti deriváltak) elhanyagolható. A termikus neutronok kezdeti eloszlása valóban kiterjedt, aszerint, hogy a gyors neutronok a termalizációig mekkora távolságra jutottak el. A kiterjedt termikus felhő abszorpciójának leírására, ekkor egy exponenciálisan lecsengő folyamat differenciálegyenletét kapjuk:


.

(11.16.)

Melynek megoldása a kezdeti termikus neutronsűrűséggel (n0):


.

(11.17.)

A megoldásként kapott exponens időállandója:


.

(11.18.)

A képletben szereplő termikus neutron sebesség 2200 m/s körüli, hőmérséklettől függő érték.

Az elhanyagolt tag a termikus fluxustér térbeli inhomogenitásaiból származó diffúziós veszteség. Ehhez is rendelhetünk időállandót, ha korrigálni akarjuk az egyenletes eloszlású termikus térre felírt időfüggést.

A gyakorlatban ezt a hatást elhanyagolják és az időállandó méréséből látszólagos makroszkopikus abszorpciós hatáskeresztmetszetet származtatnak (11.17.), melyre felírható a lineáris kőzetfizikai egyenlet:


.

(11.19.)

Tároló kőzetek esetére:


.

(11.20.)

A fenti összefüggés felhasználható víztelítettség becslésekre ismert porozitású tárolók esetén.

Néhány kőzetalkotó makroszkopikus abszorpciós hatáskeresztmetszete:




Kőzetalkotó

Σa (1/cm)

Homokkő

0.00432

Mészkő

0.0071

Dolomit

0.0047

Anhidrit

0.0047

Víz

0.022

Olaj

0.016-0.02

Agyag

0.02-0.06

11.3. táblázat Kőzetalkotók makroszkopikus abszorpciós hatáskeresztmetszetei(forrás: Ellis 2007)

A szénhidrogének és víz közötti kontraszt kialakulása és így a víztelítettségre való érzékenység nagyban függ a rétegvíz sótartalmától, amely meghatározza a rétegvíz termikus abszorpciós hatáskeresztmetszetét. (11.9. ábra)



11.9. ábra. A rétegvíz makroszkopikus abszorpciós hatáskeresztmetszetének szalinitás függése. (a használt egység c.u. = 10-3 cm-1 ) (Ellis 2007)

A neutron élettartammérések leggyakoribb felhasználási területe a beléscsövezett fúrásokban történő rezervoár állapotfelmérés, víz-olaj vagy víz-gáz fázishatár meghatározása. A vascső hatása a neutronteret kevéssé módosítja.

Az eszköz forrása neutrongenerátor, melynek impulzusait követő 1-2 ms-os időtartamnál mérik a termikus neutronoktól származó jel lecsengését. A mérést leginkább a neutron abszorpciót követő karakterisztikus gammafoton intenzitásra alapozzák (PNC – Pulsed Neutron Capture) a könnyebb detektálás miatt, és nem termikus neutronmérésre. Ugyanis a neutronbefogásnál a felszabaduló neutron kötési energia az atommagot gerjeszti és a gerjesztett állapotból a mag a gerjesztési energiát részben-vagy egészben gamma foton formájában kisugározva kerülhet alapállapotba (befogási gamma foton).



11.10. ábra. Neutronélettartam mérések időbeli lefolyása és a regisztrálható impulzusszám-idő függvény. Időben is jól elkülönül a fúrólyukban termalizálódótt neutronoktól származó jel. A hatáskeresztmetszet meghatározása a lecsengő jel időállandója alapján, függvényillesztéssel történik

A tér lecsengését gamma detektorral meghatározott időkapunkban rögzített gamma intenzitás alapján határozzák meg. A lecsengési görbe első 100 μs-os szakaszán eltérő meredekségű szakasz látható, amely a fúrólyukban (a magas hidrogén koncentráció miatt) gyorsan termalizálódó neutronoktól származik. A fúrólyuk jel tehát időben szeparálható a formáció jelétől.

Több (közeli és távoli) detektor alkalmazásával a diffúziós komponens is becsülhető.

A mérés kivitelezhető neutrondetektorok alkalmazásával is (PNN szonda), a termikus neutrontér lecsengésének közvetlen mérésével. (11.11. ábra) Neutron mérések esetén az adatrendszer szórását növelő háttér kisebb. Két neutron detektor alkalmazásával, az időkapukban mért jelek hányadosával a neutron porozitás is becsülhető, hasonlóan a CNL eszköznél alkalmazott eljáráshoz.



11.11. ábra. Neutronélettartam mérés eredménye és interpretációja. A makroszkopikus hatáskeresztmetszet a 3. sávban látható.

5.2. 11.5.2. Neutronaktivációs módszerek

Az impulzusüzemű neutronmérések felhasználhatók a vizsgált kőzet elemösszetételének meghatározására is. A 14 MeV-es neutronok a vizsgált közeg atommagjaival már többféle karakterisztikus gamma kibocsátásával járó magreakcióban is részt vehetnek. Gamma spektrum mérésével, a karakterisztikus gamma fotonok energiájának meghatározásával általában azonosítható a kibocsátó atommag, míg a fotonok száma a kibocsátó atommagok koncentrációjával lesz arányos.

A legfontosabb gamma kibocsátással járó magreakciók, a rugalmatlan szórás, mikor a neutron gerjeszti a szóró atommagot, illetve a neutronbefogás vagy más néven (n,γ) reakció, mikor a befogott neutron felszabaduló kötési energiája gerjeszti a befogó magot. Az előbbi – az atommag energianívóinak megfelelően – főként magasabb neutron energiákon jellemző küszöbenergiás reakció, míg a befogás a termikus neutronok jellemző reakciója, melynél nincs küszöbenergia.

A fenti folyamatok modellezése csatolt neutron-gamma transzport probléma megoldását jelenti. Azaz a rugalmatlan szórással generált gamma kibocsátásnál, a gyorsneutron fluxus (Φ1) eloszlásra van szükségünk, hogy a gammatranszport egyenlet forrástagját megadjuk (Sis), míg a befogási gamma fotonok esetében a termikus fluxus (Φ2) térbeli eloszlása segítségével származtatható a megfelelő forrástag (Sa).

A forrástag, amely a fluxus és a makroszkopikus hatáskeresztmetszet szorzatával kifejezett reakciósebesség és az adott gamma foton kibocsátási valószínűségének (y) szorzata:




,

(11.21a.)




.

(11.21b.)

A rugalmatlan szórás esetében a hatáskeresztmetszet és a kibocsátási valószínűség is erősen energiafüggő.

A gammatranszport leírása viszonylag egyszerű, hiszen a detektorban csak a nem szóródott fotonokat tudjuk azonosítani teljesenergia-csúcsként, amelyek a keletkezés helyétől közvetlenül a detektorba kerülnek. A vizsgált gamma-energiáknál jórészt a Compton-szórás az egyetlen szórási folyamat, amely kőzetek esetén közelítőleg a sűrűséggel arányos makroszkopikus hatáskeresztmetszettel rendelkezik.

Vizsgáljuk most adott elemtől (adott izotópjától) származó befogási gamma fotonok detektálást. Ha feltételezzük, hogy a sűrűség kevéssé változik akkor detektornál mérhető – adott energiához köthető – gamma fluxus az alábbi egyszerűsített integrállal fejezhető ki:


.

(11.22.)

Ha az adott elem koncentrációja konstans, akkor a makroszkopikus hatáskeresztmetszet kiemelhető az integrál () elé.


.

(11.23.)

Ha egy másik természetes izotóp jellemző befogási gamma fotonjára felírjuk ugyanezt az integrált, kiemelve szintén a makroszkopikus hatáskeresztmetszeteket, akkor az izotóp arányokra vonatkozóan viszonylag egyszerű közelítést kapunk, a megfelelő gamma intenzitás arányokból (azaz a spektrumban mért teljesenergia csúcsok arányából (Ai)):


.

(11.24.)

Azaz az izotóp arányok meghatározását egyszerűen a csúcsterületek arányából tudjuk meghatározni. A rugalmatlan szórás kezelése némiképp bonyolultabb a többféle atommag gerjesztési lehetőség miatt.



11.12. ábra. Fontosabb természetes izotópok rugalmatlan szórásból származó gamma spektruma. (Ellis 2007)

A rugalmatlan szórás által kiváltott gamma fotonok alapján kimutatható elem köre: O, Si, C, Ca, S, Fe, Mg (11.12. ábra), míg a befogási gamma fotonok alapján kimutatható leglényegesebb elemek: H,Cl, Si, Fe (11.13. ábra).



11.13. ábra. A neutronbefogásból származó karakterisztikus gamma fotonok spektruma (Ellis-2007)

Az előbbiek miatt a módszer interpretációja sokkal egyszerűbb, ha izotóp arányokat vagy elemarányokat képezünk. Az elemarányokból a folyadék összetételre vagy a kőzetösszetételre vonatkozó indikátorokat származtathatunk.

A mérési technológiát igazítani kell az impulzusszerű gerjesztéshez. A vizsgált gamma fotonokat szinte késési idő nélkül bocsátja ki a mag. A spektrumon a kiértékelés alapjául szolgáló csúcs területek (A) relatív szórása a terület növekedésével csökken. Maga a terület szórásnégyzete a feltételezhető Poisson eloszlású fluktuációja miatt magával a területtel egyenlő, de ehhez még az ugyancsak Poisson jellegű háttérfolyamat (B) is járul:


.

(11.25.)


Yüklə 0,93 Mb.

Dostları ilə paylaş:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©genderi.org 2024
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə