Kaivojen geofysikaalisen tutkimuksen ydinmenetelmät

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 16. tammikuuta 2014 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 20 muokkausta .

Kaivojen geofysikaalisen tutkimuksen ydinmenetelmät  ovat yksi tehokkaimmista menetelmistä useiden vaikeasti mitattavien parametrien määrittämiseksi sähköisillä kirjausmenetelmillä (luonnollinen radioaktiivisuus, irtotiheys, vetypitoisuus, alkuainekoostumus, hiilen tuhkapitoisuus ).

Lisäksi ydinmenetelmiä voidaan käyttää paitsi avoimessa (ei putkilla päällystetyssä) porakaivossa , myös suljetussa kaivossa, kun monet sähköiset menetelmät ovat pohjimmiltaan soveltumattomia.

Menetelmien ja taustan historia

Maankuoressa , erityisesti happamissa ja sedimenttikivissä , on valtavia määriä luonnossa esiintyviä radioaktiivisia alkuaineita . Nämä alkuaineet voivat olla itse mineraaleja ( radium , kaliumsuolat sisältävät K-40 ) tai ne voivat olla merkkejä muista mineraaleista (hiilessä on radioaktiivisia epäpuhtauksia ja radiumia esiintyy harvoin luonnossa erikseen uraanista , joten se toimii merkkinä sen läsnäolo uraaniesiintymien etsinnässä).

Ydinmenetelmissä ei ilmeisistä syistä käytetä kaikenlaisia ​​ydinreaktioita. Esimerkiksi kaivossa ei voi pohjimmiltaan olla olemassa alfa-hiukkasia, koska alfahiukkasten tunkeutumiskyky on erittäin alhainen (vapaa reitti ilmassa on noin 10 cm , foliolevyssä  alle mikroni ). Beta-kirjausta ei myöskään käytännössä voida soveltaa, koska beetahiukkasilla on myös alhainen tunkeutumiskyky. Tämän vuoksi vain neutroneihin ja gamma-kvantteihin liittyvät reaktiot , joilla on valtava tunkeutumiskyky, ovat tulleet todella laajalle . Yleisimmät menetelmät ovat: GK, GGK, NGK, NNK, INNK ja niiden lajikkeet, mutta muitakin on olemassa ja niitä voidaan käyttää. Niiden joukosta löydät tällaiset kirjaukset: NAK (neutroniaktivaatio), GNK (gammaneutroni), röntgenradiometrinen ja muut.

Ydinhakkuut, kuten kaikki muutkin hakkuut, riippuvat geofysikaalisen luotain laskeutumisen ja nousun nopeudesta. Jos anturin liikenopeus on liian suuri, se ei yksinkertaisesti ehdi mittaamaan muuttuvia parametreja, ja ydinmenetelmien kohdalla tämä pätee erityisesti, koska monet ydinreaktiot kestävät tunteja. Myös erilliset mittaukset ovat löytäneet käyttötarkoituksensa, kun toinen mittaus suoritetaan samassa kaivossa, samalla laitteella samalla nopeudella, mutta melko pitkän ajan kuluttua, kunnes kaikki maan alla alkaneet ydinreaktiot on saatu päätökseen.

Gamma Methods

Näillä menetelmillä voidaan tallentaa sekä luonnollista kiven radioaktiivisuutta että kaivossa syntynyttä keinotekoista radioaktiivisuutta ennen mittausta.

GK (gammasäteily)

Luonnollisen gammasäteilyn rekisteröintiin käytetään menetelmää nimeltä GK (gamma logging). Menetelmän ydin on seuraava: geofysikaalisella kaapelilla, joka koostuu vain gammasäteilyilmaisimesta , lasketaan kaivon poraukseen . Ilmaisin muuntaa siihen pudonneet gamma-kvantit sähköiseksi signaaliksi ja signaali välitetään kaapelia pitkin pintaan, jossa se analysoidaan. Mitä enemmän gamma-kvantteja, sitä enemmän lukemia, eli riippuvuus on suoraan verrannollinen. Näin ollen korkeimmat lukemat havaitaan gamma-radioaktiivisissa kivissä.

GC-menetelmää voidaan käyttää myös sekä suljetussa reiässä (vaippaputkilla koteloitu kaivo) että avoimessa reiässä (porattu kaivo, mutta vielä ilman putkia). Tämä on mahdollista gammasäteiden suuren läpäisykyvyn ansiosta.

Ilmaisin on anturin pääelementti, useimmiten valmistettu PMT :n perusteella . Muut mallit ovat vähemmän yleisiä.

Periaatteessa GC:n avulla voidaan ratkaista seuraavat tehtävät:

Mutta kaikesta edellä mainitusta GK on ensisijaisesti savipitoisuuden arviointi. Se on savi HA:lle, joka on luotettava vertailuhorisontti.

GGK (gamma-gamma logging)

Tämä menetelmä mittaa kaivon ympärillä olevien kivien keinotekoista radioaktiivisuutta (gammasäteilyä).

Menetelmän olemus heijastuu sen nimessä: kirjaimet " GG " tarkoittavat, että kivi säteilytetään ensin gammasäteilyllä, ja vastauksena tallennetaan myös vain gammasäteilyä, vaikka muitakin säteilytyyppejä esiintyy. Vaste-gammasäteily mahdollistaa kallion parametrien mittaamisen tehokkaammin kuin sen luonnollinen säteily, joka olisi voinut puuttua ilman keinotekoista säteilytystä.

Aluksi geofyysinen luotain lasketaan porausreikään. Kiinnostuksen kohteena olevassa kaivoosassa kiveä säteilytetään gammasäteilyllä ja se muuttuu radioaktiiviseksi. Vasteena kivi lähettää uusia gamma-kvantteja, jotka luotain tallentaa. Tästä syystä anturi sisältää sekä gammasäteilylähteen että ilmaisimen (samanlainen kuin GC-menetelmässä). Niiden väliin sijoitetaan lyijyseulakerros, jotta lähde ei häiritse ilmaisinta omalla säteilyllään. Näytön ansiosta ilmaisin rekisteröi vain kiven säteilyn eikä ole vuorovaikutuksessa lähteen kanssa.

Kallioon saapuvat gamma-kvantit vaikuttavat siihen eri tavoin. Geofysiikan päätyypit ovat seuraavat kvanttien vuorovaikutuksen tyypit aineen kanssa:

On myös muita, vähemmän merkittäviä vuorovaikutustyyppejä, kuten ydinvoiman valosähköinen vaikutus. Riippuen siitä, mikä niistä osoitti päävaikutuksen mittausten aikana, erotetaan itse asiassa kaksi HGC-tyyppiä:

GGK-P:tä käytetään öljy- ja kaasukentillä, koska kiven tiheys riippuu suoraan sen huokoisuudesta , ja hyville öljy- ja kaasuvarannoille on ominaista korkea huokoisuus. GGK-P:tä voidaan käyttää myös hiiliesiintymissä, mutta tämä johtuu siitä, että hiilisauman tiheys on aina pienempi kuin ympäröivien kivien tiheys.

GGK-S:ää käytetään malmi- ja hiiliesiintymissä. Sen avulla määritä esimerkiksi hiilen tuhkapitoisuus. Puhdas kivihiili koostuu hiilestä, jonka sarjanumero ( z  on Mendeleevin luku) jaksollisessa taulukossa on 6, ja hiilen palamattomat epäpuhtaudet koostuvat yleensä piidioksidista ja savesta, joiden keskimääräinen sarjanumero on 12-13 yksikköä. Malmiesiintymissä määritä malmin sisältämän metallin sarjanumero.

Neutronimenetelmät

Luonnollista - luonnollista - neutronisäteilyä ei ole olemassa. Siksi gammasäteen kirjaamisen kaltaista yksinkertaista neutronien kirjaamista ei myöskään ole olemassa. Neutronityypit toimivat vain keinotekoisesti luodun neutronisäteilyn avulla. Samasta syystä nämä menetelmät luokitellaan eri tavalla kuin gammamenetelmät. Lisäksi mitatut lukemat, toisin kuin gammamenetelmissä, eivät riipu pelkästään vuorovaikutuksen luonteesta, vaan myös altistuksen kestosta. Siksi menetelmät on jaettu kahteen suureen ryhmään:

Neutronit voivat olla vuorovaikutuksessa eri tavoin aineen kanssa, jonka läpi ne kulkevat. Siksi jokainen näistä ryhmistä on jaettu myös neutronien vuorovaikutuksen luonteen mukaan säteilytetyn kiven kanssa. Neutronien ja aineen vuorovaikutuksen päätyypit ovat seuraavat:

Geofysikaalinen koetin neutronien kirjaamista varten sisältää välttämättä neutronilähteen, joka sisältää esimerkiksi spontaanisti hajoavan Cf-252:n . Neutronien lähde spontaanisti halkeavien alkuaineiden lisäksi voi toimia myös keinotekoisesti luotuissa reaktioissa, koska ne mahdollistavat suuremman energian neutronien saamisen. Esimerkiksi neutronivuo voidaan saada deuteriumin ja tritiumin tai berylliumin reaktioista alfahiukkasen kanssa :

NGK (Neutron Gamma Ray)

Menetelmän ydin heijastuu sen nimessä (kirjaimet NG ): kiveä säteilytetään jatkuvalla neutronivuolla, ja vastauksena tuloksena oleva gammasäteily tallennetaan. Näin ollen geofyysinen luotain koostuu neutronilähteestä sekä gamma-kvanttidetektorista, kuten GK-menetelmässä.

Nopeat neutronit menettävät lukuisten törmäysten jälkeen kevyiden alkuaineiden atomien kanssa osan energiastaan ​​ja hidastuvat lämpöenergiaan (noin 0,025 eV). Tästä syystä menetelmän indikaatiot riippuvat pääasiassa tutkittavan väliaineen vetypitoisuudesta . Tämä ominaisuus mahdollistaa sekä öljyn että veden havaitsemisen säiliöissä. Lisäksi NGK mahdollistaa osittain muodostumisvesien suolaisuuden mittaamisen, koska ne sisältävät klooria, joka lisää sekundaarista gammasäteilyä. Menetelmä soveltuu myös kaivon litologiseen dissektioon ja kerrosten paksuuden määrittämiseen.

OGK:n reaktio saveen on mainittava. Huolimatta siitä, että savi on klassinen vedenpitävä materiaali, joka ei käytännössä päästä vettä läpi, se sisältää valtavan määrän subkapillaarisia huokosia, jotka ovat jo täytetty niin sanotulla sidotulla vedellä , joka ei pysty poistumaan savesta pintajännityksen vuoksi. , vetysidokset ja muut tekijät. Tästä syystä näennäisesti kuiva savi antaa epätavallisen alhaiset lukemat.

NGK:n haittana on, että se riippuu kaivon suunnittelusta. Ensinnäkin kaivon sisältämä porausneste on myös vetyä sisältävä väliaine, jolla on merkittävä osuus mittauksissa. Kun otetaan huomioon kaivon muuttuva halkaisija ja sen seurauksena porausnesteen "välikerroksen" eri paksuus porareiän seinämän ja geofysikaalisen anturin välillä, on erittäin vaikea ottaa huomioon tämän nesteen läsnäoloa. Toiseksi sama porausneste sisältää suolaa, joka sisältää klooria. Kuten edellä todettiin, kloori myötävaikuttaa sekundaarisen gammasäteilyn lisääntymiseen.

NNK (Neutron-Neutron Logging)

Tässä menetelmässä kiveä säteilytetään vakiolla neutronivuolla, vasteena myös vasteneutronivirta rekisteröidään. Jälkimmäinen voi olla kahta tyyppiä: lämpö (suhteellisen alhaisella energialla) ja supraterminen (lisätty energia). Siksi NW:itä on kahdenlaisia:

NNK-T:tä suoritettaessa mitataan anturin lähettämien lämpöneutronien muuttunut vuontiheys. Tämä tiheys riippuu sekä väliaineen neutroneja hidastavista ominaisuuksista että neutroneja absorboivista ominaisuuksista. Itse asiassa tämä tarkoittaa, että NNK-T mittaa väliaineen vetypitoisuutta ja absorboivien elementtien läsnäoloa, joilla on korkea lämpöneutronien sieppauspoikkileikkaus. Siksi NNK-T antaa samat tulokset kuin NGK .

NNK-NT koostuu epitermisten neutronien (niiden energiat 0,5 eV - 20 keV) vuontiheyden mittaamisesta. Tämä tiheys on käytännössä riippumaton väliaineen absorptioominaisuuksista ja sitä voidaan käyttää vain vetypitoisuuden määrittämiseen. Tämä on NNK-NT:n tärkein etu. Mielenkiintoinen tosiasia: jonkin aikaa epitermisen neutronien kirjaamista pidettiin teknisesti mahdottomaksi, koska epitermisiä neutroneja on vaikea havaita erillään lämpöneutroneista, jos ne kulkevat samassa virrassa. Ratkaisu tähän ongelmaan osoittautui yksinkertaiseksi: NW-NT:n geofysikaalisessa koettimessa ilmaisin ei sijoiteta epitermisille neutroneille, vaan termisille neutroneille, vaan se sijoitetaan parafiinikuoreen. Koska parafiinilla on erittäin korkea vetypitoisuus, on termisille neutroneille ylitsepääsemätöntä, jos ne menevät samaan virtaan epitermisten neutronien kanssa. Siksi vain epitermiset neutronit väliaineesta kulkevat parafiininäytön läpi, kun taas lämpöneutronit eivät pääse detektoriin. Tällöin läpäisevät epitermiset neutronit hidastuvat parafiinissa ja muunnetaan tavallisiksi termisiksi, jotka ilmaisin rekisteröi. Tästä johtuen yksinkertaisempien lämpöneutronien vuon mittaamisessa itse asiassa rekisteröidään epitermisten neutronien lukumäärä, koska rekisteröidyt lämpöneutronit olivat "vain" epitermisiä.

INNK (pulsed neutron-neutron logging)

Pulssineutroni-neutroni-logging eroaa olennaisesti muusta siinä, että kiviä ei säteilytetä jatkuvalla neutronivuolla, vaan lyhyillä purskeilla - pulsseilla. Vastauksena ei niinkään rekisteröidä itse kiven neutroneja, vaan niiden elinikää tutkitaan. Tämän indikaattorin mukaan rodut ovat pohjimmiltaan erilaisia.

Epitermisen neutronien keskimääräinen elinikä riippuu absorboivien aineiden (esim. kloori) ja vedyn pitoisuudesta kivessä. Mahdolliset arvot:

LPOR-kaavioiden melko selvän (ajallisen) eron ansiosta on mahdollista paitsi erottaa vesisäiliö öljystä, myös öljy-vesi-kontaktin ( OWC ) raja on mahdollista löytää. jos säiliössä on samanaikaisesti sekä vettä että öljyä. Usein on tarpeen etsiä kaasuöljyn rajaa (GOC), kun taas NOC ei pysty erottamaan näitä rajoja.

Kompleksointimenetelmät

Objektiivisista syistä mikään geofysiikan menetelmä ei anna täydellisiä ja luotettavia tuloksia. Siksi niiden käyttäminen yksinään on yleensä epäkäytännöllistä, vaan eri menetelmiä käytetään yhdessä. Yhdistämällä heidän avullaan saatuja tietoja on mahdollista "salata" suoliston sisältö luotettavammin.

Tietyllä osuudella syntyy monimutkainen geologinen ongelma - hiilisaumojen esiintymissyvyyden löytäminen. Näennäisresistanssimenetelmä ( RS ) on sähköinen kirjausmenetelmä, joka ei mahdollistanut hiilen erottamista kalkkikivestä tässä osiossa ilman lisätutkimuksia (molempien resistanssi on suunnilleen sama, muiden tekijöiden ollessa samat). Tiheys- GGC :n osallistuminen mahdollistaa kuitenkin kalkkikiven tunnistamisen välittömästi leikkauksessa. Yksinkertainen HA antaa uskottavuutta myös tälle näkemykselle, koska se reagoi hyvin liuskeisuuteen: hiilisaumoissa ja kalkkikivessä ei ole savea, joten HA-lukemat epäonnistuvat niitä vastaan. Vertailun vuoksi näkyy myös paksuuskaavio ( KM ) . KM-menetelmässä mitataan kaivon halkaisija, joka vaihtelee sen syvyyden mukaan. Hauraan hiilen vastakohtana kaivon seinät tuhoutuvat porauksen aikana, joten kaivon halkaisija kasvaa, ja tiheä kalkkikivi ei antanut periksi samalle tuholle, joten CM ei kirjannut sen tuhoa.

Tässä osassa löydettiin kerros bauksiittia , koska niiden luonnollinen radioaktiivisuus on suurempi kuin isäntäkivillä, joten kerros erottuu HA:n mukaan maksimissaan. CL-menetelmä päihittää muodostelman täydellisesti pienemmällä vastuksella, erityisesti sen yläosan. SP - menetelmä ( spontaani polarisaatio ) korostaa myös polarisoituvaa bauksiittikerrosta, ja OGK-lukemien epäonnistuminen viittaa korkeaan vetypitoisuuteen (bauksiteissa on paljon alumiinihydroksideja ) .

Menetelmien yhdistäminen antaa sinun laajentaa merkittävästi minkä tahansa, jopa yksinkertaisimman menetelmän toimintoja. Edullisen gammasädemenetelmän rooli säiliöiden tunnistamisessa kasvaa erityisesti, kun kaivo täytetään porausnesteellä . Tämän ratkaisun sähköinen resistiivisyys on verrattavissa muodostusvesien resistiivisuuteen. Näissä olosuhteissa PS - menetelmä erottaa ne huonosti, ja GC -tiedoista tulee pääasiallisia säiliön tunnistamisessa.

Katso myös

Kirjallisuus