A kutak geofizikai kutatásának nukleáris módszerei

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt hozzászólók, és jelentősen eltérhet a 2014. január 16-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 20 szerkesztést igényelnek .

A kutak geofizikai kutatásának nukleáris módszerei  az egyik leghatékonyabb módszer számos olyan paraméter meghatározására, amelyek elektromos naplózási módszerekkel nehezen mérhetők (természetes radioaktivitás, térfogatsűrűség, hidrogéntartalom, elemi összetétel, a szén hamutartalma ).

Ezen túlmenően, a nukleáris módszerek nemcsak nyitott (csövekkel nem burkolt) kútfúrásokban alkalmazhatók , hanem zárt fúrásokban is, amikor sok elektromos módszer alapvetően nem alkalmazható.

A módszerek és a háttér története

A földkéregben hatalmas mennyiségű természetben előforduló radioaktív elem található , különösen a savas és üledékes kőzetekben . Ezek az elemek lehetnek maguk ásványok ( rádium , K-40-et tartalmazó káliumsók ), vagy más ásványok jelei (a szénben radioaktív szennyeződések találhatók, a rádium az urántól külön-külön is ritkán található meg a természetben , ezért jelként szolgál jelenléte az uránlelőhelyek felkutatásában).

A nukleáris módszerek nyilvánvaló okokból nem alkalmaznak minden típusú nukleáris reakciót. Például egy kútban alapvetően nem létezhet alfa-naplózás, mivel az alfa-részecskék rendkívül alacsony behatolási képességgel rendelkeznek ( levegőben a szabad út körülbelül 10 cm , fóliában  kevesebb, mint egy mikron ). A béta naplózás szintén gyakorlatilag nem alkalmazható, mivel a béta részecskéknek is alacsony a behatolási ereje. Emiatt a csak a neutronokhoz és a gamma-kvantumokhoz kapcsolódó reakciók váltak igazán elterjedtté , amelyeknek hatalmas áthatolóerejük van . A legelterjedtebb módszerek: GK, GGK, NGK, NNK, INNK és ezek fajtái, de léteznek és használhatók más is. Ezek között megtalálható az ilyen típusú naplózás: NAK (neutronaktiválás), GNK (gamma-neutron), röntgen-radiometrikus és mások.

A nukleáris fakitermelés, mint minden más naplózás, a geofizikai szonda le- és felemelkedési sebességétől függ. Ha a szonda túl nagy mozgási sebességgel rendelkezik, előfordulhat, hogy egyszerűen nincs ideje a változó paraméterek mérésére, és ez különösen igaz a nukleáris módszerekre, mivel sok nukleáris reakció órákig tart. Sőt, külön mérések is alkalmazásra találtak, amikor a második mérést ugyanabban a kútban, ugyanazzal a készülékkel, azonos sebességgel, de meglehetősen hosszú idő elteltével végzik el, amíg a föld alatt megindult összes magreakció be nem fejeződik.

Gamma módszerek

Ezekkel a módszerekkel mind a természetes kőzet radioaktivitása, mind a mérés előtt a kútban keletkezett mesterséges radioaktivitás rögzíthető.

GK (gamma-sugár)

A természetes gamma-sugárzás regisztrálására a GK (gamma logging) nevű módszert alkalmazzák. A módszer lényege a következő: egy geofizikai kábelen egy szondát engednek le a fúrólyukba, amely csak egy gamma-sugárzás detektorból áll . A detektor a beleesett gamma-kvantumokat elektromos jellé alakítja, és a jelet kábelen keresztül továbbítja a felszínre, ahol elemzi. Minél több a gamma-kvantum, annál több a leolvasás, vagyis a függés egyenesen arányos. Ennek megfelelően a legmagasabb értékeket a gamma-radioaktív kőzetekben figyelték meg.

A GC-módszer használható zárt lyukban (köpenycsővel burkolt kút) és nyitott lyukban (fúrt kút, de még csövek nélkül) is. Ez a gamma-sugarak nagy áthatoló ereje miatt lehetséges.

A detektor a szonda fő eleme, leggyakrabban PMT alapján készül . Más kialakítások kevésbé gyakoriak.

Elvileg a következő feladatokat lehet megoldani a GC segítségével:

De a fentiek közül a GK elsősorban az agyagtartalom értékelése. Az agyag a HA számára megbízható referenciahorizont.

GGK (gamma-gamma naplózás)

Ezzel a módszerrel a kút körüli kőzetek mesterséges radioaktivitását (gammasugárzását) mérik.

A módszer lényege a nevében is tükröződik: a " GG " betűk azt jelentik, hogy a kőzetet először gamma-sugárzással sugározzák be, és válaszul csak gammasugárzást rögzítenek, még akkor is, ha más típusú sugárzások is jelen vannak. A válaszreakciós gammasugárzás lehetővé teszi a kőzetparaméterek hatékonyabb mérését, mint a természetes sugárzása, amely mesterséges besugárzás nélkül hiányozhatott volna.

Kezdetben egy geofizikai szondát engednek le a fúrólyukba. A vizsgált kútszakaszban a kőzetet gamma-sugárzással sugározzák be, és radioaktívvá válik. Válaszul a kőzet új gamma-kvantumokat bocsát ki, amelyeket a szonda rögzít. Emiatt a szonda gamma-sugárforrást és detektort is tartalmaz (hasonlóan a GC-módszerben használthoz). Közöttük egy ólomszűrő réteget helyeznek el, hogy a forrás saját sugárzásával ne zavarja a detektort. A képernyőnek köszönhetően a detektor csak a kőzet sugárzását regisztrálja, és nem lép kölcsönhatásba a forrással.

A kőzetbe belépő gamma-kvantumok különböző módon hatnak rá. A geofizika fő típusai a kvantumok és az anyag közötti kölcsönhatások következő típusai:

Vannak más, kevésbé jelentős kölcsönhatások is, mint például a nukleáris fotoelektromos hatás. Attól függően, hogy melyik mutatta a fő hatást a mérések során, a HGC két típusát különböztetjük meg:

A GGK-P-t olaj- és gázmezőkön használják, mivel a kőzet sűrűsége közvetlenül függ a porozitásától , a jó olaj- és gáztározókat pedig nagy porozitás jellemzi. A GGK-P szénlelőhelyekben is használható, de ez annak köszönhető, hogy a széntelep sűrűsége mindig kisebb, mint a környező kőzeteké.

A GGK-S-t érc- és szénlelőhelyekben használják. Segítségével például meghatározza a szén hamutartalmát. A tiszta szén szénből áll, amelynek sorszáma ( z  a Mengyelejev-szám) a periódusos rendszerben 6, a szén nem éghető szennyeződései általában szilícium-dioxidból és agyagból állnak, amelyek átlagos sorozatszáma 12-13 egység. Az érctelepeknél határozza meg az ércben lévő fém sorozatszámát.

Neutron módszerek

Természetes - természetes - neutronsugárzás nem létezik. Ezért a gammasugár-naplózáshoz hasonló egyszerű neutronnaplózás sem létezik. A neutron típusú fakitermelés csak mesterségesen létrehozott neutronsugárzás segítségével működik. Ugyanezen okból kifolyólag ezeket a módszereket másképpen osztályozzák, mint a gamma módszereket. Ráadásul a mért értékek a gamma módszerekkel ellentétben nemcsak a kölcsönhatás jellegétől, hanem az expozíció időtartamától is függenek. Ezért a módszereket két nagy csoportra osztják:

A neutronok különböző módon léphetnek kölcsönhatásba az anyaggal, amelyen áthaladnak. Ezért ezen csoportok mindegyike a neutronok és a besugárzott kőzet kölcsönhatásának jellege szerint is fel van osztva. A neutronok anyaggal való kölcsönhatásának fő típusai a következők:

A neutronnaplózásra szolgáló geofizikai szondák szükségszerűen tartalmaznak egy neutronforrást, például, amely spontán bomló Cf-252- t tartalmaz . A neutronforrás a spontán hasadó elemek mellett mesterségesen előidézett reakciókon is működhet, mivel nagyobb energiájú neutronok kinyerését teszik lehetővé. Például neutronfluxust kaphatunk a deutérium és a trícium vagy a berillium alfa-részecskékkel való reakciójából :

NGK (Neutron Gamma Ray)

A módszer lényege a nevében is tükröződik ( NG betűk ): a kőzetet állandó neutronfluxussal sugározzák be, és válaszul a keletkező gammasugárzást rögzítik. Ennek megfelelően a geofizikai szonda egy neutronforrásból, valamint egy gamma-kvantumdetektorból áll, mint a GK módszernél.

A gyors neutronok a könnyű elemek atomjaival való számos ütközés után elveszítenek energiájuk egy részét, és hőenergiára (körülbelül 0,025 eV) lelassulnak. A módszer indikációi ezért elsősorban a vizsgált közeg hidrogéntartalmától függenek . Ez a tulajdonság lehetővé teszi az olaj és a víz észlelését a tartályokban. Emellett az NGK részben lehetővé teszi a képződményvizek sótartalmának mérését is, mivel ezek klórt tartalmaznak, ami növeli a másodlagos gamma-sugárzást. A módszer alkalmas a kút litológiai boncolására és a rétegek vastagságának meghatározására is.

Meg kell említeni az OGK-k reakcióját az agyagokra. Annak ellenére, hogy az agyag egy klasszikus vízálló anyag, amely gyakorlatilag nem engedi át a vizet, rengeteg szubkapilláris pórust tartalmaz, amelyek már tele vannak úgynevezett kötött vízzel , amely a felületi feszültség miatt nem képes elhagyni az agyagot. , hidrogénkötések és egyéb tényezők. Emiatt a látszólag száraz agyag abnormálisan alacsony értékeket ad.

Az NGK hátránya, hogy a kút kialakításától függ. Egyrészt a kútban lévő fúrófolyadék egyben hidrogén tartalmú közvetítő is, amely jelentős részt vesz a mérésekben. Figyelembe véve a kút változó átmérőjét, és ebből adódóan a fúrófolyadék "közrétegének" eltérő vastagságát a fúrólyuk fala és a geofizikai szonda között, nagyon nehéz figyelembe venni ennek a folyadéknak a jelenlétét. Másodszor, ugyanaz a fúrófolyadék sót tartalmaz, amely klórt tartalmaz. Mint fentebb megjegyeztük, a klór hozzájárul a másodlagos gamma-sugárzás növekedéséhez.

NNK (Neutron-Neutron Logging)

Ennél a módszernél a kőzetet állandó neutronfluxussal sugározzák be, válaszul a válasz neutronfluxust is rögzítik. Ez utóbbi kétféle lehet: termikus (viszonylag alacsony energiájú) és szupratermális (megnövelt energiájú). Ezért kétféle NW létezik:

Az NNK-T végrehajtása során a szonda által kibocsátott termikus neutronok megváltozott fluxussűrűségét mérjük. Ez a sűrűség mind a közeg neutron-moderáló tulajdonságaitól, mind a neutronelnyelő tulajdonságaitól függ. Ez valójában azt jelenti, hogy az NNK-T méri a közeg hidrogéntartalmát és a nagy termikus neutronbefogási keresztmetszetű abszorber elemek jelenlétét. Ezért az NNK-T ugyanazt az eredményt adja, mint az NGK .

Az NNK-NT az epitermális neutronok fluxussűrűségének méréséből áll (0,5 eV és 20 keV közötti energiájúak). Ez a sűrűség gyakorlatilag független a közeg elnyelő tulajdonságaitól, és csak a hidrogéntartalom meghatározására használható. Ez az NNK-NT fő előnye. Érdekes tény: egy ideig az epitermális neutronok rögzítését technikailag lehetetlennek tartották, mivel nehéz az epitermális neutronokat elkülönítve kimutatni a termikus neutronoktól, ha azok ugyanabban az áramban mennek. A probléma megoldása egyszerűnek bizonyult: az ÉNy-NT geofizikai szondájában nem epitermális, hanem termikus neutronokhoz helyeznek el egy detektort, hanem egy paraffinhéjba. Mivel a paraffin nagyon magas hidrogéntartalmú, a termikus neutronok számára leküzdhetetlen, ha egy áramban mennek az epitermikusakkal. Ezért a közegből csak epitermális neutronok jutnak át a paraffin képernyőn, míg a termikus neutronok nem juthatnak be a detektorba. Ebben az esetben az átvitt epitermikus neutronok paraffinban lelassulnak, és közönséges termikusakká alakulnak, amelyeket a detektor regisztrál. Emiatt az egyszerűbb termikus neutronok fluxusának mérése során tulajdonképpen az epitermikus neutronok számát regisztráljuk, mivel a regisztrált termikus neutronok "csak" epitermálisak voltak.

INNK (impulzusos neutron-neutron naplózás)

Az impulzusos neutron-neutron naplózás alapvetően különbözik a többitől, mivel a kőzetet nem folyamatos neutronfluxussal, hanem rövid kitörésekkel - impulzusokkal - sugározzák be. Válaszul nem annyira magukat a kőzetből származó neutronokat regisztrálják, hanem azok élettartamát. E mutató szerint a fajták alapvetően különböznek egymástól.

Az epitermikus neutronok átlagos élettartama a kőzetben lévő abszorberek (például klór) és hidrogéntartalmától függ. Lehetséges értékek:

Az LPOR diagramok ilyen meglehetősen egyértelmű (időbeli) különbségének köszönhetően nem csak a víztározót lehet megkülönböztetni az olajtól, de még az olaj-víz érintkezés ( OWC ) határát is meg lehet találni. ha egyszerre van víz és olaj a tartályban. Gyakran meg kell keresni a gáz-olaj határt (GOC), miközben a NOC nem tud különbséget tenni e határok között.

Komplexálási módszerek

Objektív okokból egyetlen geofizikai módszer sem ad teljes és megbízható eredményt. Ezért általában nem praktikus önmagukban használni őket, ezért különböző módszereket alkalmaznak együtt. A segítségükkel szerzett információk egyesítésével megbízhatóbban lehet „megfejteni” a belek tartalmát.

Az adott szakaszon összetett geológiai probléma merül fel - a széntelepek előfordulási mélységének megtalálása. A látszólagos ellenállás -módszer ( RS ) egy elektromos fakitermelési módszer, amely nem tette lehetővé a szenet a mészkőtől ebben a szakaszban további kutatások nélkül (mindkettőnek megközelítőleg azonos az ellenállása, más tényezők azonosak mellett). A sűrűségi GGC bevonása azonban lehetővé teszi a mészkő azonnali azonosítását a szakaszon. Az egyszerű HA is hitelt ad ennek a nézetnek, mivel jól reagál a palásosságra: nincs agyag a széntelepekben és a mészkőben, így a HA-leolvasások kudarcot vallanak ellenük. Összehasonlításképpen egy tolómérő diagram ( KM ) is látható . A KM módszernél a kút átmérőjét mérik, amely a mélységétől függően változik. A rideg szénnel szemben a fúrás során a kút falai tönkremennek, így a kút átmérője megnő, és a sűrű mészkő sem engedett ugyanilyen pusztulásnak, így a CM nem rögzítette a pusztulását.

Ezen a szakaszon bauxitréteget találtunk , mivel ezek természetes radioaktivitása nagyobb, mint a befogadó kőzeteké, ezért a HA szerint a réteg maximálisan kiemelkedik. A CL módszer csökkentett ellenállással tökéletesen leveri a formációt, különösen a tetejét. Az SP módszer ( spontán polarizáció ) is kiemeli a polarizálható bauxitréteget, az OGK-leolvasások hibája pedig magas hidrogéntartalomra utal (a bauxitokban sok alumínium - hidroxid van).

A módszerek kombinálása lehetővé teszi bármely, még a legegyszerűbb módszer funkcionalitásának jelentős bővítését is. Egy olcsó gamma-sugárzási módszer szerepe a tározók azonosításában különösen megnő, ha a kút meg van töltve fúrófolyadékkal . Ennek a megoldásnak az elektromos ellenállása a képződményvizek fajlagos ellenállásához hasonlítható. Ilyen körülmények között a PS módszer rosszul különbözteti meg őket, és a GC adatok a tározó azonosításának fő adataivá válnak.

Lásd még

Irodalom