OSNOVI GEOFIZIČKOG KAROTAŽA

1. OSNOVI GEOFIZIČKOGKAROTAŽA Osmo predavanje NUKLEARNI KAROTAŽNI SISTEMI NEUTRONSKI KAROTAŽ

2. TEORIJSKE OSNOVE Neutroni su električno neutralne čestice, čija masa približno jednaka masi atoma vodonika. Pri prodiranju u formaciju, neutroni stupaju u interakciju sa jezgrima atoma sredine, a kao posledica elastičnih ili neelastičnih sudara sa atomima, dolazi do redukcije kinetičke energije neutrona.

3. Interakcije neutrona sa jezgrima atoma Od trenutka kada napusti jezgro atoma, kinetička energija neutrona stalno opada usled elastičnih i neelastičnih sudara neutrona sa jezgrima atoma formacije (i sonde). Na osnovu nivoa kinetičke energije, neutroni se dele na: brze neutrone 2107 - 5105 eV intermedijalne neutrone 5105 - 1103 eV spore neutrone 1103 – 0 eV rezonantni 1000 - 1 eV epitermalni 1 – 0.1 eV termalni 0.025eV hladni 0.001eV . Prilikom interakcije neutrona sa jezgrima atoma, mogu da nastanu dva procesa: rasejavanje neutronaizahvat neutrona.

4. Rasejavanje neutrona Prilikom sudara neutrona sa jezgrom atoma, neutroni gube deo svoje kinetičke energije i skreću sa prvobitne putanje. Razlikuju se elestičnoineelastično rasejavanje.

5. Elastično rasejavanje Elastično rasejavanje neutrona je najprostiji vid nuklearne reakcije, pri kome ne dolazi do promena stanja jezgra atoma. Neutron, prilikom sudara sa jezgrom atoma, gubi deo svoje kinetičke energije. Količina kinetičke energije, koju neutron gubi prilikom sudara sa jezgrom atoma, zavisi od ugla pod kojim su se neutron i jezgro atoma sudarili, kao i od relativne mase jezgra atoma.Direktan sudar neutrona sa jezgrom atoma priližno jednakih dimenzija i mase (jezgro atoma vodonika - H), prouzrokovaće potpuni gubitak kinetičke energije neutrona.

6. Ukoliko prilikom sudara neutron i jezgro atoma vodonika zaklapaju određeni ugao, pri svakoj takvoj interakcije neutron izgubi prosečno 67% svoje početne kinetičke energije. Ukoliko se neutron sudari (pod izvesnim uglom) sa jezgrom veće mase, doći će do gubitka dela kinetičke energije neutrona. Neutrom gubi najviše kinetičke energije prilikom sudara sa jezgrom atoma vodonika, dok većina ostalih elemenata prisutnih u formaciji ne utiče značajnije na usporavanje neutrona.

7. Posle niza sudara sa jezgrima atoma elemenata, brzina neutrona je smanjena do te mere da je njegova kinetička energija približno jednaka kinetičkoj energiji atoma i molekula sredine. Ta energija iznosi približno 0.025 eV (na 200C) i naziva se termička energija, a termalizovani (usporeni) neutroni se nazivaju termalni neutroni. Maksimalan gubitak kinetičke energije neutrona je različit, pri njihovoj interakciji sa jezgrima atoma različitih elemenata. Potreban je različit broj sudara sa jezgrima atoma različitih elemenata, da bi se neutron određene energije termalizovao.

8. Neutroni najveći deo kinetičke energije gube u sudarima sa jezgrima atoma vodonika, koji ulazi u sastav vode, gasa, nafte, ali i čvrste faze stenskih masa. Broj neutrona, prispelih na detektor, obrnuto je proporcionalan sadržaju vodonika u formaciji.Broj registrovanih neutrona je, u slučaju “čistih” formacija, funkcija količine fluida u formaciji, tj. veličine pornog prostora koji sadrži fluide, pa je fenomen elastičnog rasejavanja iskorišćen kao fizička osnova određivanja neutronske poroznosti.

9. Neelastično rasejavanje Prilikom neelastičnog rasejavanja, neutron predaje jezgru atoma kako kinetčku, tako i unutrašnju energiju. Brzi neutron se prvo sjedini sa jezgrom, čime nastaje složeno jezgro. Potom se emituje neutron manje energije, a jezgro ostaje u pobuđenom stanju. Vraćanje jezgra u osnovno stanje prati emisija viška energije u vidu g-zraka. Proces se obavlja toliko brzo, da pobuđeno stanje atoma u suštini i ne postoji nezavisno.

10. Aktivacija je poseban oblik rasejavanja brzih neutrona, pri kome atom sporo prelazi iz pobuđenog u osnovno stanje (karakteristično za teške ekemente). U slučaju kada neutron poseduje energiju veću od 10MeV, dolazi do posebnog vida interakcije, pri čemu se emituje a-čestica iz pogođenog jezgra. Pomenute nuklearne reakcije predstavljaju fizičku osnovu impulsnih neutronskih karotaža.

11. Zahvat neutrona Nakon većeg broja sudara sa jezgrima atoma, neutron predaje najveći deo svoje kinetičke energije i biva termalizovan (ima istu kinetičku energiju kao atomi i molekuli sredine). Termalizovani neutron nastavlja haotično da se kreće, sve dok u nekom trenutku ne bude zahvaćen od strane nekog atoma.

12. Novonastalo jezgro, sa zahvaćenim neutronom, prelazi u pobuđeno (eksitovano) stanje. Da bi se pobuđeno jezgro vratilo u osnovno (stacionarno) stanje, jezgro emituje energiju u vidu g-zraka, koji mogu da se registruju. Emitovana energija je različita za različite elemente, a to je iskorišćeno kao fizička osnova impulsnih neutronskih karotaža.

13. Nuklearni efektivni presek Nuklearni efektivni presek je efektivna površina poprečnog preseka jezgra atoma za određenu nuklearnu reakciju, odnosno verovatnoća da će se odigrati određena nuklearna reakcija, pri prolasku jedne čestice kroz jediničnu površinu materije. Jezgro jednog atoma ima različite vrednosti nuklearnog efektivnog preseka za različite nuklearne reakcije

14. Primeri: Prikaz efektivnih preseka gubitka dela energije neutrona (%) prilikom sudara sa jezgrima nekih atoma. Prikaz efektivnih preseka zahvata termalnih neutrona za neke elemente.

15. Izvori radioaktivnog zračenja Kao hemijski izvor neutrona najčešće se koristi smeša berilijuma (4Be9) sa jakim emiterom a-čestica (radijum, plutonijum, americijum). Mnogi laki elementi, kada se bombarduju a-česticama, emituju izvesnu količinu neutrona.

16. NEUTRONSKI KAROTAŽ Neutronski karotaž se zasniva na praćenju i merenju efekata interakcije neutrona sa jezgrima atoma formacije. Emisija neutrona može da se ostvari: - kontinuirano – hemijski izvori neutrona, - diskontinuirano – impulsno (generatori brzih neutrona). U zavisnosti od energije emitovanih neutrona dolazi do različitih nuklearnih reakcija (elastično ili neelastično rasejavanje, aktivacija, zahvat termalnih neutrona), pri kojima emitovani neutroni predaju deo svoje energije atomima formacije ili bivaju zahvaćeni od strane atoma formacije.

17. Na osnovu registrovanog broja neutrona prispelih na detektor ili na osnovu registrovanog spektra g-zračenja (neelastičnog rasejavanja, zahvata termalnih neutrona), vrši se procena sadržaja vodonika u formaciji (indeks vodonika), odnosno prisustva određenih elemenata u formaciji. Prema konstrukciji, neutronski karotaži se dele na: - neutronske karotaže sa hemijskim izvorima i - impulsne neutronske karotaže.

18. Neutronski karotaž, u kombinaciji sa drugim karotažnim uređajima, koristi se za: - procenu poroznosti formacije, - procenu mineralnog i litološkog sastava formacije, - procenu zasićenja vodom formacije, - lociranje zona zasićenih gasom, - procenu petrofizičkih svojstava glinovitih (šejlovitih) kolektora, - utvrđivanje i praćenje kontakta različitih fluida u kolektoru, itd. Impulsni neutronski karotažni sistemi, pored navedenih primena, koriste se u zacevljenim bušotinama za praćenje kretanja fluida u ležištu u toku eksploatacije.

19. Sredina Indeks vodonika (HI) Mineral Indeks vodonika (HI) čista voda 1 limonit 0.63 slana voda (20% NaCl) 0.92 hlorit 0.32 prirodni gas 0.0017 montmorionit 0.17 Neutronski karotaž Neutronski karotaž (NL) je u upotrebi od 1941. godine i bio je prvi GFK uređaj za kvantitavnu procenu poroznosti ispitivanih formacija, bilo u zacevljenim ili nezacevljenim bušotinama. Primena neutronskog karotaža za procenu poroznosti formacija zasniva se na merenju sadržaja vodonika – indeks vodonika (HI) u formaciji. Vrednosti indeksa vodonika za neke sredine i minerale prikazan je u tabeli:

20. U slučaju “čistih” formacija, indeks vodonika je funkcija pornog prostora formacije, koji je zasićen fluidima. Kako voda i nafta imaju približno isti sadržaj vodonika (HI), za procenu poroznosti nije od značaja koji fluid zasićuje porni prostor. Zbog izuzetno niskog sadržaja vodonika u gasu (u odnosu na zapreminu koju zauzima), neutronski karotaž ne pokazuje realne vrednosti poroznosti (pokazuje nižu vrednost poroznosti od realne), pa se u formacijama zasićenim gasom koristi kao kvalitativni pokazatelj prisustva gasa, a poroznost se procenjuje na osnovu rezultata kombinovanih GFK merenja (neutronski karotaž i karotaž gustine, najčešće).

21. Ranije opisane pojave predstavljaju fizičku osnovu neutronskog karotaža. Bez obzira da li se registruju epitermalni ili termalni neutroni, ili pak intenzitet g-zračenja zahvata termalnih neutrona (stariji modeli), rezultati merenja predstavljaju funkciju sadržaja atoma vodonika u formaciji (indeks vodonika - HI). Fluidi, koji zasićuju porni prostor, sadrže najznačajnije količine vodonika (voda, nafta, gas), te je lako uspostaviti vezu između registrovanog indeksa vodonika i poroznosti formacije.

22. Broj neutrona, prispelih na detektor, obrnuto je proporcionalan sadržaju vodonika u formaciji. U visokoporoznim formacijama, čiji je porni prostor zasićen fluidima, emitovani neutroni bivaju termalizovani neposredno po ulasku u formaciju, pa će samo relativno mali broj neutrona biti registrovan. U niskoporoznim formacijama, relativno veliki broj registrovanih neutrona ukazuje na nizak sadržaj vodonika u formaciji, odnosno malu poroznost. 

23. Konstrukcija uređaja Sonda neutronskog karotaža sastoji se od izvora neutrona i 1-4 detektora. Kao izvor neutrona, obično se koristi smeša berilijuma i radioaktivnog elementa, koji emituje a-čestice (radijum, plutonijum, americijum). Smeša se stavlja u kapsulu, koja je štiti od povišenog pritiska i temperature u bušotini. Spontanim raspadom radijuma emituje se značajna količina a-čestica (jezgra He) i g-fotona. Emitovane a-čestice, prilikom sudara sa berilijumom, prouzrokuju nuklearnu reakciju, pri čemu se javlja emisija neutrona energije 1-13 MeV (prosečno 4.6 MeV).

24. Kod sondi neutronskog karotaža koriste se dva tipa detektora radioaktivnog zračenja. Neutron-gama uređaji koriste Gajger-Milerove ili scintilacione brojače, a registruju g-zračenje zahvata termalnih neutrona. Sonde epitermalnog i termalnog karotaža koriste proporcionalne brojače, a registruju epitermalne ili termalne neutrone. Oba tipa uređaja registruju gustinu termalnih i/ili epitermalnih neutrona u blizini detektora radioaktivnog zračenja, na osnovu koje se kvantitativno procenjuje indeks vodonika formacije, odnosno njena poroznost.

25. a) Neutron-gama karotaž (GNT) Neutron-gama karotaž sadrži izvor neutrona i jedan detektor g-zračenje zahvata termalnih neutrona. Intenzitet g-zračenja je proporcionalan gustini zahvaćenih termalnih neutrona, te se na osnovu toga kvantitativno procenjuje indeks vodonika formacije, odnosno njena poroznost. Na merenja ovog uređaja značajan uticaj ima tip i salinitet radnog fluida (isplake), temperatura, pritisak, prisustvo isplačnog kolača, a kod zacevljenih bušotina prisustvo kolone i cementne obloge.

26. Radni fluid, kolona, cementna obloga i telo sonde sadrže elemente velikog efektivnog preseka zahvata termalnih neutrona (posebno je značajno prisustvo hlora u vidu NaCl), što prouzrokuje dodatnu emisiju g-zračenja, čiji intenzitet zavisi od količine i efektivnog preseka prisutnih apsorbera termalnih neutrona. Ovako formirani fon g-zračenja nije jednostavno odvojiti od g-zračenja iz formacije, te neutron-gama karotaž ne daje dovoljno precizne (realne) podatke o poroznosti formacije i danas se retko primenjuje.

27. b) Epitermalni neutronski karotaž (SNP) Detektor kod Epitermalnog neutronskog karotaža je proprcionalni brojač, koji detektuje samo neutrone čija je energija veća od 0.4eV (epitermalni neutroni), čime je minimalizovan uticaj termalnih neutrona i g-zračenja nastalog zahvatom termalnih neutrona. Kako promene hemijskog sastava formacije i prisustvo elemenata velikog efektivnog preseka zahvata termalnih neutrona nemaju značajnog uticaja na rezultate merenja, ovaj karotaž daje dobre rezultate u slučajevima kada litološki sastav formacije i salanitet fluida u pornom prostoru nisu poznati, kao i u slučaju šejlovitih (glinovitih) formacija i formacija kompleksnog litološkog sastava.

28. Izvor i detektor neutrona nalaze se na metalnoj papuči, koja obezbeđuje kontakt sa formacijom. Time se redukuje negativni uticaj radnog fluida (SNP može da se primenjuje kada je radni fluid gas ili vazduh) i povećanog prečnika bušotine na rezultate merenja. U slučaju nazubljenih zidova bušotine, javlja se problem uspostavljanja kontakta između sonde i formacije. Danas se SNP, u ovom obliku, retko primenjuje, ali savremeni neutronski karotaži koriste kombinaciju različitih neutronskih uređaja, te vrše i registraciju epitermalnih neutrona.

29. c) Termalni neutronski karotaž (CNL) Nova generacija uređaja kompenzovanog termalnog neutronskog karotaža sadrži izvor neutrona (smesa americijima i berilijuma) i 2 ili 3 detektora termalnih neutrona. Kao detektor se koristi 2He3 proporcionalni brojač (2He3 pokazuje veoma veliki efektivni presek zahvata termalnih neutrona, a mali efektivni presek zahvata epitermalnih neutrona - neutrona veće energije). Sonda kompenzovanog neutronskog karotaža

30. Na osnovu rezultata brojanja registrovanih termalnih neutrona na bližem i daljem detektoru, procenjuje se neutronska poroznost formacije. Korišćenjem 2 detektora obezbeđuje se kompenzacija merenja, čime se smanjuju nepovoljni uticaji radnog fluida i geometrije bušotine. CBL obezbeđuje i veći radijus istraživanja i bolju vertikalnu rezoluciju u odnosu na druge neutronske karotaže. Može da se primenjuje u nezacevljenim i zacevljenim bušotinama, ali ne može da se primenjuje kada je radni fluid gas. CBL sonda se tokom merenja priljubljuje za celom dužinom za zid bušotine. Sonda kompenzovanog neutronskog karotaža

31. Detektori, u manjoj ili većoj meri, reaguju i na g-zračenje zahvata termalnih neutrona, pa dolazi do formiranja fona, iz koga je teško izdvojiti deo signala koji je u vezi sa poroznošću formacije. Ova pojava je veoma izražena u slučaju prisustva elemenata velikog efektivnog preseka zahvata termalnih neutrona u formaciji (prisustvo hlora u vidu NaCl ili elemenata matriksa stene poput Ca i Si u niskoporoznim formacijama mogu značajno da utiču na rezultate merenja). Pošto hemijski sastav stena ima veliki uticaj na merenja, mora de se uvede korekcija za litologiju.

32. Uticaj gline (šejla) na CBL uređaj je izuzetno veliki. Glina i šejl sadrže veliku količinu vezane vode i izvesnu količinu retkih elemenata sa izuzetno velikim efektivnim presekom zahvata termalnih neutrona, koji mogu značajno da utiču na rezultate merenja, čak da maskiraju prisustvo gasa u šejlovitim kolektorima.

33. d) Savremene sonde neutronskog karotaža Savremene sonde predstavljaju kombinaciju SNP i CNL uređaja. Poseduju dva detektora termalnih neutrona i dva detektora epitermmalnih neutrona. Kao izvor koriste smesu americijum - berilijum. Dvostruko merenje neutronske poroznosti značajno povećava kvalitet rezultata. U relativno “čistim” formacijama, vrednosti neutronske poroznosti iz oba merenja se dobro slažu.

34. U glinovitim i šejlovitim formacijama, koje sadrže veliku količinu vezane vode i elemenate sa izuzetno velikim efektivnim presekom zahvata termalnih neutrona, iz registracije epitermalnih neutrona dobija se znatno niža vrednost neutronske poroznosti (koja odgovara poroznosti dobijenoj iz karotaža gustine), nego iz registracije termalnih neutrona. Poređenje ove dve vrednosti omogućava procenu zapreminskog učešća gline (šejla). Registrovanje epitermalnih neutrona omogućava računanje korekcije za uticaj radnog fluida i povećanog prečnika bušotine, kao i procenu zasićenja gasom u šejlovitim kolektorima. Savremene sonde neutronskog karotaža su snabdevene mikroprocesorima, koji omogućavaju direktno prikazivanje neutronske poroznosti u procentima.

35. Radijus istraživanja neutronskog karotaža Radijus istraživanja neutronskog karotaža iznosi oko 20cm. Na radijus istraživanja najviše utiču poroznost formacije i fluidi koji je ispunjavaju. U “čistim” nisko-poroznim formacijama, emitovani neutroni pretrpe veliki broj interakcija sa jezgrima atoma sredine, pre nego što budu termalizovani, pa prodiru i više desetina centimetara u formaciju (veći radijus istraživanja). U visoko-poroznim formacijama i glinovitim ili šejlovitim formacijama (visok sadržaj vododnika), neutron brzo biva termalizovan, na 5-10cm od zida bušotine (mali radijus istraživanja).

36. Interpretacija - Kvalitativna interpretacija Procena poroznosti – Obavlja se direktno, na osnovu merenja neutronskog karotaža i karotaža gustine. Litološka analiza formacije – Koristi se kros-plot metoda (najčešće prosečna gustina - neutronska poroznost), na osnovu koje se vrši procena litološkog sastava, poroznosti i zapreminskog učešća glina (šejla). Detekcija zona zasićenih gasom – Zbog malog sadržaja vodonikovih atoma u gasu (niska koncentracija), neutronski karotaž pokazuje nerealno niske vrednosti poroznosti, kada je formacija zasićena gasom. Geološka korelacija – Primena neutronskoh karotaža za geološku korelaciju između bušotina naročito je značajna kod formacija koje ne pokazuju radioaktivnost, pa je isključena primena gama karotaža, koji je pouzdani indikator geoloških markera za korelaciju.

37. Interpretacija - Kvantitativna interpretacija Procena zapreminskog učešća glina ili šejl komponente (Vsh) Vrši se na osnovu izraza Vsh=Fn/Fnsh, gde su Fn – izmerena neutronska poroznost i Fnsh– neutronska poroznost glina (šejla). Postupak daje dobre rezultate u formacijama niske poroznosti ili pri visokom zasićenju ugljovodonicima, a nije preporučljiva pri visokim vrednostima Fnsh, kao ni pri velikim varijacijama poroznosti. Za procenu Vsh često se koristi kros-plot metoda prosečna gustina - neutronska poroznost.

38. Procena poroznosti – najznačajniji vid primene neutronskog karotaža Prvo je potrebno da se eliminišu svi nepovoljni uticaji radnog fluida i geometrije bušotine, uvođenjem korekcija. Ako je porni prostor zasićen naftom ili vodom, neutronski karotaž daje realne vrednosti poroznosti. Glina (šejl) i gas utiču na smanjenje registrovane vrednosti poroznosti i njihov uticaj mora da se uzme u obzir. Direktna procena poroznosti zadovoljava samo jednostavne slučajeve (“čisti” kolektori monomineralnog sastava), a kada su formacije kompleksnog litološkog sastava ili glinovite (šejlovite), neophodno je korišćenje većeg broja metoda geofizičkog karotaža. Najbolje rezultate daje kros-plot metoda prosečna gustina - neutronska poroznost, koja omogućava procenu poroznosti, litološkog sastava i zapreminskog učešća glina, odnosno šejl komponente.

39. Primer odziva sondi neutronskog karotaža i karotaža gustine u najčešćim tipovima formacija.

40. Impulsni neutronski karotaž Impulsni neutronski karotaž je savremeni uređaj, koji se uspešno primenjuje u zacevljenim i nezacevljenim bušotinama. Princip rada se bazira na registraciji spektra g-zračenja nastalog neelastičnim rasejavanjem neutrona i spektra g-zračenja nastalog zahvatima termalnih neutrona. Određene elemente (C, O, Si, Ca, Cl, Fe, S, H, Al, itd.) karakterišu diskretne vrednosti g-zračenja, nastalog interakcijom neutrona sa atomima materije. Analizom spektra g-zračenja može da se proceni zapreminsko učešće određenih elemenata u formaciji.

41. Primena impulsnog neutronskog karotaža obuhvata početne faze istraživanja, faze praćenja eksploatacije i faze primene dopunskih metoda eksploatacije ugljovodonika, mada može da se primenjuje i kod drugih vrsta istraživanja. Primenjuju se i za: - utvrđivanje i praćenje zona zasićenih određenim fluidom (voda, nafta, gas) i kontakta faza u kolektoru, - procenu poroznosti i zasićenja vodom formacije, - određivanje mineralnog i litološkog sastava formacije, na osnovu zapreminskog sadržaja određenih elemenata, što omogućava uspešnu kvantitavnu procenu petrofizičkih svojstava formacije (i kod glinovitih - šejlovitih kolektora), kao i uslova depozicije na osnovu prisustva određenih minerala, - procenu permeabilnosti, itd.

42. Hvala na pažnji!

43. Da li ima pitanja?