Transport neutronów w ośrodku o złożonej strukturze geometryczno-materiałowej. Zastosowania dla jądrowej geofizyki poszukiwawczej Urszula Woźnicka Seminarium IFJ PAN 23 luty 2006

Neutronowe metody pomiarowe Rzeczywiste i pozorne parametry neutronowe ośrodka Półempiryczna metoda kalibracji geofizycznych sond neutronowych Dwustrefowa i trójstrefowa geometria otworowa

Transport neutronów w ośrodku

Transport neutronów w ośrodku jednorodnym, nieskończonym

s [barn] – przekrój czynny (rozproszenia, absorpcji) Parametry neutronowe Parametry mikroskopowe charakteryzujące nuklid: s [barn] – przekrój czynny (rozproszenia, absorpcji) m – cosinus kąta rozpraszania Parametry makroskopowe charakteryzujące ośrodek: r – gęstość ośrodka, NA – liczba Avogadro, pi – udział wagowy nuklidu o liczbie atomowej Ai Transport (przemieszczenie): Parametry geometryczne Parametry czasowe Ls – długość spowalniania Ld – długość dyfuzji ts – czas spowalniania Dd – współczynnik dyfuzji t – czas życia

Transport neutronów w ośrodku o złożonej strukturze geometryczno-materiałowej Fizyka reaktorów jądrowych Geofizyka jądrowa www.bath.ac.uk/ math-sci/images/fig2.jpg

Absorpcja neutronów termicznych pierwiastków skorupy ziemskiej

Absorpcja neutronów termicznych pierwiastków skorupy ziemskiej

Absorpcja neutronów termicznych pierwiastków skorupy ziemskiej

Absorpcja neutronów termicznych pierwiastków skorupy ziemskiej sa * Na * abundancja / A

Nieskończony ośrodek jednorodny Jeżeli Źródło neutronowe to: L – długość relaksacji Odpowiednio: - migracji lub - spowalniania L Izolinie strumienia neutronów wokół punktowego izotropowego źródła w jednorodnym nieskończonym ośrodku skalnym

Ośrodek niejednorodny: dwustrefowa geometria cylindryczna Źródło neutronowe Pozorna (apparent) długość migracji wewnątrz otworu „widziana” przez detektor neutronów Lmap Lm Otwór wypełniony wodą Długość migracji charakterystyczna dla ośrodka skalnego Izolinie strumienia neutronów wokół punktowego izotropowego źródła umieszczonego na osi otworu wypełnionego wodą

Ośrodek niejednorodny: dwustrefowa geometria cylindryczna Pozorna (apparent) długość migracji wewnątrz otworu „widziana” przez detektor neutronów Lmap Źródło neutronowe Długość migracji charakterystyczna dla ośrodka skalnego Lm Otwór pusty Izolinie strumienia neutronów wokół punktowego izotropowego źródła umieszczonego na osi otworu wypełnionego powietrzem

Sygnał detektora neutronów w funkcji parametrów neutronowych Źródło neutronowe Detektor Lm Ośrodek jednorodny analogicznie: Sygnał detektora neutronów umieszczonego na osi otworu jako funkcja pozornych (apparent ) parametrów neutronowych Źródło neutronowe Lm Detektor Lmap

Parametry neutronowe ośrodka jednorodnego (rzeczywiste) n-ty moment funkcji strumienia neutronów: analogicznie: Parametry neutronowe ośrodka niejednorodnego (pozorne) n-ty moment funkcji strumienia neutronów liczony wzdłuż osi otworu: Parametry neutronowe

Ith = f Korelacja sygnału detektora z parametrami geologicznymi Lmap porowatość, średnica otworu, wypełnienie otworu, litologia, wypełnienie porów Ith = f

Przykład pomiaru neutronowego w otworze wiertniczym CaCO3 Porowatość: 2 % 5 % 10 % 20 % 30 % Średnica otworu: 152 mm 178 mm 203 mm 229 mm Kalibracja sondy: Ith = f (porowatość)

Przykład pomiaru neutronowego w otworze wiertniczym

Przykład pomiaru neutronowego w otworze wiertniczym Ith = f (porowatość) Ith = f (Lmap)

Uogólniona krzywa kalibracji sondy neutronowej Generalny Parametr Neutronowy:

Półempiryczna metoda kalibracji sond neutronowych

Kompleksowe profilowania otworów Zestaw profilowań: Elektryczne - opornościowe - indukcyjne Akustyczne Jądrowe - neutronowe - gamma - promieniotwórczość naturalna Magnetyczny rezonans jądrowy (…) Wielkości zmierzone: Gęstość objętościowa Porowatość neutronowa Czas interwałowy fali akustycznej Zawartość K, U, Th Oporność warstwy i strefy filtracji Zawartość niektórych pierwiastków (…) Pomiary na próbkach rdzeni

EO G W IN Kompleksowa interpretacja profilowań geofizyki otworowej Równania opisujące model skały wiążą porowatość  i zawartości poszczególnych składników mineralnych V z odpowiednimi profilowaniami wykonanymi w odwiercie. INTERLOG N =  (Sx0 Nmf + (1-Sx0) Nhr) + Vcl Ncl + Vp Np. + Vw Nw + Vd Nd + Σ Vm(k) m(i) b =  (Sx0 mf + (1-Sx0) hr) + Vcl cl + Vp p + Vw w + Vd d + Σ Vm(k) m(i) dt =  (Sx0 dtmf + (1-Sx0) dthr) + Vcl dtcl + Vp dtp + Vw dtw + Vd dtd + Σ Vm(k) dtm(i)  =  Sx0 mf + Vcl cl + Vp p + Vw w + Vd d + Σ Vm(k) m(i) U =  (Sx0 Umf + (1-Sx0) Uhr) + Vcl Ucl + Vp Up + Vw Uw + Vd Ud + Σ Vm(k) U m(i) Th =  Sx0 Thmf + Vcl Thcl + Vp Thp + Vw Thw + Vd Thd + Σ Vm(k) Thm(i) Ur =  Sx0 Urmf + Vcl Urcl + Vp Urp + Vw Urw + Vd Urd + Σ Vm(k) Urm(i) Po =  Sx0 Pomf + Vcl Pocl + Vp Pop + Vw Pow + Vd Pod + Σ Vm(k) Pom(i) Rt = f (, Rw, Rcl, Sw) Rx0 = f (, Rmf, Rcl, Sx0) 1.0 =  (Sx0 1.0 + (1-Sx0) 1.0) + Vcl 1.0 + Vp 1.0 + Vw 1.0 + Vd 1.0 + Σ Vm(i) 1.0 (równanie bilansu) J. Jarzyna: Przetwarzanie i interpretacja profilowań geofizyki wiertniczej system GeoWin, Kraków, 2002

Kompleksowa interpretacja profilowań geofizyki otworowej WODA NIEREDUKOWALNA WĘGLOWODORY KWARC GŁĘBOKOŚĆ WODA RUCHOMA INTERLOG W G EO IN IŁ POROWATOŚĆ J. Jarzyna: Przetwarzanie i interpretacja profilowań geofizyki wiertniczej system GeoWin, Kraków, 2002

Trójstrefowa geometria otworowa Zwiększenie dokładności interpretacji profilowań geofizycznych „Trudne” struktury geologiczne polskich złóż surowców energetycznych Obecność strefy pośredniej pomiędzy otworem wiertniczym a nienaruszoną formacją geologiczną: zarurowanie cement strefa przemyta Pozorne parametry neutronowe (analogicznie jak dla układu dwustrefowego) Numeryczne metody obliczeniowe (monte carlo)

Wpływ strefy pośredniej w utworach gazonośnych Wpływ zmiennego nasycenia przestrzeni porowej gazem na wyniki pomiarów w otworach CH4

J.A. Czubek (1992) Scaling Neutron Fields in Well Logging, Nucl. Geophys. 6 (1992) 445; J.A. Czubek (1994) Neutron Tool Calibration by a Scaling Procedure, Nucl. Geophys. 8 (1994) 261; J.A. Czubek and U. Woźnicka (1998) Neutron flux and axial moments in three-region cylindrical geometry applied for neutron log calibration. Part I: Theoretical description. Acta Geophys. Pol. 46,(No. 4), 427; A. Drabina (2000) Neutron Flux and Axial Moments in Three-Region Cylindrical Geometry Applied for Neutron Log Calibration. Part II: Numerical Results, Acta Geoph. Pol. XLVIII No. 4, 523; A. Drabina, D. Dworak, J. Łoskiewicz, T. Zorski (2000) Comparison between Results of Computations Using the Theree-Layer Borehole Model and Results of Laboratory Measurements (in Polish), Conf. "GEOPETROL 2000", Research and Progress in Prospecting and Exporation of Oil and Gas, Zakopane, Poland, 25-28 September 2000, (Publish. of Institute of Oil and Gas Mining 110), 289; U. Woźnicka, A. Drabina, D. Dworak (2004) Analytical and Numerical Calculation of the Neutron Parameters in the Media of Complex Geometry. Part one: The Real Physical Neutron Parameters (in Polish), Nafta - Gaz 07-08/2004 (2004) 334; Part two: Apparent Physical Parameters (in Polish), Nafta - Gaz 12/2004 (2004) 627; D. Dworak, A. Drabina, U. Woźnicka (2006) Numerical estimation of the real and apparent integral neutron parameters as applied in nuclear borehole geophysics, Applied Radiation and Isotopes

Ośrodek jednorodny Długość spowalniania neutronów prędkich Ls średnia z kwadratów odległości w linii prostej pomiędzy źródłem neutronów, a punktem w którym neutron prędki osiąga energię termiczną. Długość migracji … Długość dyfuzji …

Ośrodek jednorodny Strumień neutronów prędkich Strumień neutronów termicznych Przekrój czynny absorpcji nuklidu

Sygnał detektora neutronów umieszczonego na osi otworu jako funkcja pozornych (apparent ) neutronowych ośrodka niejednorodnego Detektor neutronów termicznych Pozorna długość migracji Pozorny przekrój czynny absorpcji Detektor neutronów prędkich (nadtermicznych) Pozorna długość spowalniania Pozorne prawdopodobieństwo uniknięcia absorpcji w procesie spowalniania