OSNOVI GEOFIZIČKOG KAROTAŽA Sedmo predavanje NUKLEARNI KAROTAŽNI SISTEMI KAROTAŽ PRIRODNE GAMA RADIOAKTIVNOSTI (GAMA KAROTAŽ) KAROTAŽ GUSTINE (γ γ KAROTAŽ)
TEORIJSKE OSNOVE Pre nego što počnemo da izučavamo nuklearne karotažne sisteme, obnovićemo znanje iz nuklearne fizike. Struktura atoma Supstance u prirodi se sastoje od atoma i molekula. Atomi se sastoje od negativno naelektrisanih čestica - elektrona i pozitivno naelektrisanog jezgra. Jezgro se sastoji od pozitivno naelektrisanih čestica - protona i električno neutralnih čestica - neutrona. Između jezgra i elektrona deluje elektrostatička sila. Atom se nalazi u električno stabilnom stanju sve dok, usled promene spoljašnjih uslova, to stanje nije narušeno.
Atom se obeležava opštom oznakom Z E A, gde je E - simbol elementa, Z - atomski broj (broj protona u jezgru), a A - maseni broj (atomska masa, broj približan ukupnom broju protona i neutrona u jezgru). Atomi koji se razlikuju samo po masi nazivaju se izotopi (isti broj protona, ali različit broj neutrona). Određen broj elemenata u prirodi je radioaktivan, odnosno njihova jezgra su nestabilna i tokom vremena trpe spontani raspad, te dolazi do prelaska jednog elementa u drugi. Tom prilikom se emituje određena količina energije i/ili čestice, koje mogu da se detektuju. U geofizičkom karotažu posebno su značajni oni radioaktivni izotopi, čiji radioaktivni raspad može da se detektuje u bušotini pomoću različitih geofizičkih karotažnih uređaja.
Svojstva radioaktivnog zračenja Na osnovu ponašanja radioaktivnog zračenja u električnom i magnetnom polju, utvrđeno je postojanje tri vrste zračenja: α i β čestice skreću u magnetnom i električnom polju na suprotne strane, pod različitim uglom (α čestice skreću pod manjim uglom nego β čestice), dok γ-zraci ne skreću u magnetnom i električnom polju. Ova zračenja se međusobno razlikuju i po prodornoj moći. Najveću prodornu moć imaju γ-zraci, a najmanju α-čestice. Prilikom emitovanja različitih vrsta zrčenja, nastaju različite promene u jezgru atoma. Različite vrsta zračenja se različito ponašaju i prilikom nailasaka na okolnu sredinu (dubina prodiranja, promena atoma sredine).
α-čestice predstvljaju jezgra helijuma (2 protona i 2 neutrona) i pozitivno su naelektrisane (dvostruko elementarno naelektrisanje). Sve α-čestice koje emituje jedan izotop imaju praktično istu energiju. β-čestice su brzi elektroni i nose elementarno negativno naelektrisanje. Kinetička energija β-čestica varira, mada najveći broj β-čestica ima srednju vrednost energije. Postoji još jedna vrsta čestica, čija je masa jednaka masi elektrona, ali naelektrisanje je pozitivno pozitroni. γ-zraci predstavljaju elektromagnetne talase male talasne dužine i velike energije. Električno su neutralni. γ-zraci su slični rendgenskim zracima, jonizuju vazduh i deluju na fotografsku ploču, ali imaju veću prodornu moć.
Zakon radioaktivnog raspada Brzina radioaktivnog raspada različitih supstanci je različita. Zakon radioaktivnog raspada dat je izrazom: N = N 0 e -kt, gde je N 0 - broj atoma radioaktivne supstance u početku posmatranja, odnosno računanja vremena t, N - broj atoma koji su nakon vremena t ostali neraspadnuti, (N 0 -N) je broj dezintegrisanih atoma, k - konstanta radioaktivnosti (broj atoma koji se raspadnu u jedinici vremena, podeljen ukupnim brojem atoma u uzorku elementa, koji se raspada) određuje se uglavnom empirijski.
Period poluraspada Period (vreme) poluraspada je vremenski interval u toku koga se dezintegriše polovina prvobitnog broja atoma neke supstance: ln 2 k 1 = t / 2 0.693 k te zakon radioaktivnog raspada može da se piše u obliku, N = N 0 2 t / t 1/ 2.
Srednji život radioaktivnog atoma Prema zakonu radioaktivnog raspada nemoguće je predvideti posle kog vremena će se dezintegrisati pojedini atomi. Srednji život atoma (τ) predstavlja srednju (prosečnu) vrednost vremena, posle kog će doći do dezintergacije: Brzina radioaktivnog raspada Brzina radioaktivnog raspada aktivnost) data je izrazom: τ = 1 k = t ln 2 1/ 2 1.44t1/ 2 dn = dt (brzina dezintegracije ili kn Definiše se kao broj raspada u određenoj količini radioaktivne supstance u jedinici vremena...
γ -raspad Sa aspekta geofizičkog karotaža, od svih produkata raspadanja radioaktivnih atoma, γ - zraci su najinteresantniji za proučavanje. Energija elaktromagnetnog zračenja (E) data je izrazom: hc E = hν = = λ 2 mc gde je h - Plankova konstnta, ν - frekvencija elektromagnetnog zračenja, c - brzina svetlosti, λ - talasna dužina, m masa.
Energija γ - kvanta prirodnih radioaktivnih elemenata je obično velika (do 2.62 MeV). γ - zraci imaju veoma male talasne dužine, a velike energije prouzrokuju visoke frekvencije, što uslovljava veliku prodornost γ - zraka (mogu da pređu i više desetina cm, pre nego što budu apsorbovani). Na svom putu, γ - zraci vrše jonizaciju sredina kroz koje prolaze, ali u maloj meri, uglavnom posrednim putem - razmenom energije sa elektronom. Emisija γ - zraka obično se dešava istovremeno sa emisijom α i β čestica. Usled emitovanja α i β čestica vrši se energetsko preuređenje jezgra. Novonastalo jezgro (koje je u pobuđenom - eksitovanom stanju), prelazeći u osnovno stanje, emituje γ - kvant. Pri ovom procesu se masa jezgra ne menja.
Interakcija γ -zraka sa atomima materije Od posebnog značaja su 3 procesa: fotoelektrični efekat, Komptonov efekat i produkcija para. a) Fotoelektrični efekat Fotoelektrični efekat je pojava da se pod dejstvom svetlosti male talasne dužine oslobađaju elektroni iz atoma metala.
U interakciji sa materijom, γ - zrak može da preda svoju celokupnu energiju elektronu, pri čemu elektron napušta atom. Maksimalna energija koju elektron može da primi jednaka je energiji γ - zraka. Da bi elektron napustio atom, mora da raspolaže najmanje količinom energije, koja je jednaka izlaznom radu (energiji veze elektrona i atoma).
Kada elektron od γ - zraka primi količinu energije manju od energije izlaznog rada, ne može da napusti atom i ne dolazi do fotoelektričnog efekta. Kada elektron od γ - zraka primi količinu energije veću od energije izlaznog rada, elektron napušta atom sa kinetičkom energijom, koja je jednaka razlici energija γ - fotona i izlaznog rada (važi za metale, u nemetalima uslovi su znatno složeniji).
Verovatnoća pojavljivanja fotoelektričnog efekta proporcionalna je atomskom broju jezgra atoma, a obrnuto proprcionalna količini energije γ - fotona, odnosno fotoelektrični efekat je najviše izražen pri interakciji upadnog γ - zračenja male energije sa atomima elemenata visokog atomskog broja. Fotoelektrični efekat je značajan za geofizički karotaž, jer mineralni sastav formacija može da se proceni na osnovu koeficijenta fotoelektrične apsorpcije, koji je proporcionalan atomskom broju (Spektralni gama karotaž).
b) Komptonov efekat Komptonov efekat se javlja pri sudaru γ - fotona i slabo vezanih elektrona materije, pri čemu γ - foton predaje deo svoje energije elektronu, izbacujući ga iz orbite. Nakon sudara, elektron i γ - foton nastavljaju da se kreću pod određenim uglom u odnosu na početni pravac kretanja γ - fotona. Nakon rasejavanja, talasna dužina γ -zračenja je veća od prvobitne.
Verovatnoća rasejavanja je proporcionalna broju elektrona (elektronskoj gustini) na putu γ - fotona, a obrnuto proporcionalna energiji γ - fotona. Količina predate energije zavisi od talasne dužine upadnog zračenja (energija je veća kada je talasna dužina zračenja manja). Komptonov efekat se javlja kada energija interakcije značajno premašuje energiju veze elektrona i atoma (0.5-4.7 MeV). Komptonov efekat je značajan za geofizički karotaž, jer na osnovu merenja njegovih efekata može da se odredi elektronska gustina, a time i gustina materije (Karotaž gustine).
c) Stvaranje para Kada postoji elektromagnetno zračenje velike energije, foton može da se posmatra kao čestica koja ima masu. Stvaranje para je vid kompleksne interakcije γ - fotona sa atomoma materije, pri čemu se vrši konverzija γ - fotona velike energije u jedan elektron i jedan pozitron. Proces predstavlja primer stvaranja materije (elektronskog para) iz energije (fotona), u skladu sa Ajnštajnovim zakonom E = mc2.
Pozitron se, gotovo odmah po nastanku, kombinuje sa elektronom, da bi se nakon vrlo kratkog vremena raspao, a masa sistema se ponovo pretvara u energiju, odnosno stvaraju se dva γ - fotona, koji se kreću u suprotnim pravcima. Proces stvaranja parova je dominantan pri visokim energijama upadnog zračenja, te nije od velikog značaja za metode geofizičkog karotaža.
Apsorpcija γ -zraka Na putu kroz materiju, γ - zraci stupaju u različite vidove interakcije sa atomima materije, pri čemu mogu da se dešavaju procesi, kao što su: fotoelektrični efekat, jonizacija, pobuđivanje atoma, fluorescencija, Komptonov efekat, rasejavanje, itd. Interakcije se dešavaju pojedinačno (γ - kvanti razmenjuju energiju sa atomima ili skreću sa svoje putanje), a zavise od niza parametara (talasna dužina γ - kvanta, vrsta atoma, stanje i raspored atoma, itd.).
Verovatnoća apsorpcije γ - zraka određuje se empirijski, korišćenjem izraza:, gde je I = I x 0 e μ I - intenzitet γ -zračenja nakon prolaska kroz materiju debljine x, I 0 -početni intenzitet γ -zračenja za x = 0, μ - linearni koeficijent apsorpcije (ako γ - zraci nemaju istu talasnu dužinu ili materija nije homogena, onda je to srednji koeficijent apsorpcije). U praktičnoj primeni, češće se koristi maseni koeficijent apsorpcije, koji predstavlja količnik linearnog koeficijenta apsorpcije (μ) i gustine materije (ρ), a definiše se kao slabljenje (apsorpcija) γ - zraka pri prolasku kroz jedinicu mase tela, jedinične površine poprečnog preseka. Izraz za apsorpciju γ - zraka se koristi kao osnovna postavka Karotaža gustine (određivanje gustine formacije).
Izvori radioaktivnog zračenja Kao izvori γ-zračenja najčešće se koriste Cs 137 i Co 60. Detektori radioaktivnog zračenja Detektori radioaktivnog zračenja, koji se koriste kod GFK uređaja, dele se na: - detektore koji rade na principu jonizacije gasa (Gajger - Milerov brojač, proporcionalni brojač) i - detektore, čiji rad se zasniva na efektu scintilacije (scintilacioni brojači).
Detektori radioaktivnog zračenja, koji rade na principu jonizacije gasa, predstavljaju cilindrične sudove ispunjene gasom, sa centralnom elektrodom. Centralna elektroda je obično metalna žica. Cilindrična cev je spoljašnja elektroda, napravljena od metala ili stakla presvučenog provodnim slojem sa unutrašnje strane (grafit ili srebro). Između elektroda je uspostavljen električni napon. Kada u gas dospeju radioaktivne čestice, dolazi do jonizacije gasa i zatvara se strujno kolo. Intenzitet jonizovane struje se meri galvanometrom, a srazmeran je intenzitetu radioaktivnog zračenja. Gajger-Milerov brojač Proporcionalni brojač
Gajger-Milerov brojač je otporan instrument malih dimenzija, pogodan za ugradnju u GFK uređaje. Služi samo za detekciju radioaktivnog zračenja, ali ne i za identifikaciju vrste zračenja. U GFK uređajima se uglavnom koristi za detekciju γ-zraka (karotaž prirodne radioaktivnosti, karotaž gustine). Gajger-Milerov brojač Proporcionalni brojač
Proporcionalni brojač neutrona. se koristi za detekciju γ-zraka i Intenzitet jonizovane struje proporcionalan je primarnom broju jona, koji proizvede radioaktivna čestica pri prolasku kroz gas, što omogućava detekciju radioaktivnih čestica različite energije. Instrument zahteva stabilan izvor napona, te je osetljiviji na nepovoljne uslove u bušotini (visoke temperature i pritisci). Gajger-Milerov brojač Proporcionalni brojač
Scintilacioni brojač se koristi za detekciju γ-zraka i neutrona, pri čemu, po potrebi, mogu da se detektuju neutroni određene energije. Princip rada instrumenta zasniva se na pojavi da čestice radioaktivnog zračenja izazivaju kratkotrajne emisije vidljive svetlosti (scintilaciju) pri prolasku kroz neke supstance. Scintilacioni brojač
Prozračan kristal (NaJ), koji daje slabe scintilacije pri prolasku γ-zraka, postavlja se u blizini katode fotomultiplikatorske cevi. Fotokatoda prima slabu emisiju svetlosti (fotone) i emituje elektrone ka fotomultiplikatoru. Svaka scintilacija daje električni impuls, koji se registruje. Vreme trajanja jedne scintilacije je veoma kratko, što omogućava efikasno brojanje radioaktivnih čestica. Scintilacioni brojač
Za detekciju neutrona, scintilacionom materijalu se dodaju elementi sa kojima neutroni stupaju u reakciju. Dolazi do zahvata sporih neutrona, koje prati emisija γ-zračenja, koje se zatim detektuje. Scintilacioni brojač
KAROTAŽNI SISTEMI ZA MERENJE PRIRODNE GAMA RADIOAKTIVNOSTI Prirodna radioaktivnost Zemljine kore potiče od radioaktivnih elemenata, od kojih su, za geofizički karotaž, najvažniji radioaktivni nizovi torijuma (Th 232 ) i urana (U 238 ), kao i izotop kalijuma K 40. Radioaktivnim raspadom jezgara nestabilnih elemenata emituju se α i β čestice i γ-zraci. Detektorima može da se registruje ukupno γ-zračenje, kao i spektar γ-zračenja formacija u okolini bušotine. Svaki od radioaktivnih elemenata emituje zračenje određene energije. Pri interakciji γ-zraka sa atomima stenske mase dešavaju se različiti procesi, u zavisnosti od energije γ-zraka.
GFK uređaji za merenje prirodne gama radioaktivnosti formacija su: 1 - karotaž prirodne gama radioaktivnosti (gama karotaž) i 2 - spektralni gama karotaž. Na rad oba tipa uređaja negativno utiču povečan prečnik bušotine (veća količina isplake) i upotreba radioaktivnih dodataka isplaci (KCl). GFK sistemi za merenje prirodne gama radioaktivnosti primenjuju se za litološku identifikaciju formacija, procenu zapreminskog učešća glina ili šejl komponente (time i procenu poroznosti i permeabilnosti), geološku korelaciju, procenu tipa gline, procenu depozicione sredine, itd.
Poreklo radioaktivnih elemenata u sedimentnim stenama Radioaktivni elementi su prisutni u gotovo svim stenama Zemljine kore. Magmatske i metamorfne stene imaju, obično, viši stepen radioaktivnosti, nego sedimentne stene. Sedimentne stene nastaju mehaničkim i hemijskim raspadanjem magmatskih, metamorfnih i drugih sedimentnih stena. Posebno je značajno raspadanje kiselih magmatskih stena, koje u sebi sadrže najveću količinu radioaktivnih izotopa kalijuma, kao i značajne količine radioaktivnih elemenata uranovog i torijumovog niza. Procesima transporta, deponovanja, dijageneze i litifikacije sedimentnog materijala, nastaju sedimentne stene sa različitim stepenom radioaktivnosti.
Najzastupljeniji mineral u sedimentnim stenama je kvarc, koji pri kristalizaciji teži da isključi sve nečistoće, a time i radioktivne elemente. Stene izgrađene pretežno od kvarca (kvarcni peščari) pokazuju nizak stepen radioaktivnosti. Sa druge strane, minerali feldspata i liskuna sadrže najveću količinu radioaktivnog izotopa kalijuma. Peščari koji sadrže veću količinu feldspata i liskuna pokazuju visok stepen radioaktivnosti. Minerali iz grupe feldspata i neki liskuni (biotit) imaju tendenciju da se brzo raspadaju u minerale glina. Minerale glina odlikuju veoma mala veličina zrna i otvorena struktura, što omogućava apsorpciju velike količine radioaktivnih elemenata, te minerali glina i šejla pokazuju, obično, izuzetno visok stepen radioaktivnosti. Karbonatne stene, kao i so, anhidrit, gips i ugalj imaju nizak stepen radioaktivnosti.
KAROTAŽ PRIRODNE GAMA RADIOAKTIVNOSTI (GAMA KAROTAŽ) Karotaž prirodne gama radioaktivnosti (gama karotaž) je jedna od najstarijih GFK metoda (prvi uređaj je konstruisan 1935. godine), a predstavlja prvi uređaj za GFK merenja u zacevljenim bušotinama. Gama karotaž je uređaj kojim se registruje ukupna prirodna gama radioaktivnost formacija. Za detekciju γ-zračenja koriste se Gajger-Milerovi brojači i scintilacioni brojači. U GFK-u se, kao jedinica radioaktivnosti, koristi API jedinica (American Petroleum Institute), čija je vrednost određena na osnovu merenja u test bušotini na Univerzitetu u Hjustonu (SAD).
Radijus istraživanja gama karotaža je mali, oko 90% registrovanog zračenja potiče iz zone udaljene 15cm od zida bušotine. Gama karotaž se uspešno primenjuje i u nezacevljenim i u zacevljenim bušotinama sa bilo kojim tipom radnog fluida (nafta, voda, vazduh). Zaštitna kolona i cementna obloga neznatno redukuju registrovano gama zračenje. Gama karotaž se primenjuje kako u fazi istraživanja, tako i u različitima fazama eksploatacije ležišta (za precizno lociranje položaja rudarskih alata u bušotini, za detekciju mesta utoka fluida u bušotinu, pri izvođenju operacija frakturiranja kolektora, itd.).
Prikazan je model - idealizovan odziv karotaža prirodne gama radioaktivnosti (gama karotaža) za najčešće litološke članove u sedimentnim formacijama. F - feldspat, M - liskun, * - glaukonit.
Primena Radioktivnost formacija, uglavnom, potiče od glina (šejla), te se rezultati merenja gama karotažom kortiste za procenu zapreminskog učešća glina (šejl komponente). Gama karotaž se primenjuje kao primarni indikator litologije, za razdvajanje kolektor stena od glinovitih (šejlovitih) formacija, kao i za detekciju sedimenata niske prirodne radioaktivnosti (karbonati, so, anhidrit, gips, ugalj, itd.). Pri interpretaciji krive gama karotaža mora da se uzme u obzir i prisustvo drugih, potencijalno radioaktivnih, litoloških članova - nema svaka glina (šejl) visok stepen radioaktivnosti, niti je svaki visoko radioaktivni sediment glina ili šejl. Gama karotaž se primenjuje i za geološku korelaciju, kao i za procenu depozicione sredine.
Kvantitativna primena Kvantitavna analiza se zasniva na pretpostavci da, iako ukupna radioaktivnost glina (šejla) varira u velikom opsegu, u bilo kojoj zoni bušotine vrednost radioaktivnosti čiste gline (šejla) teže konstantnoj vrednosti. Ako se usvoji da prosečna maksimalna vrednost ukupne radioaktivnosti odgovara 100% čistoj glini ili šejlu (linija glina ili šejla), a da minimalna vrednost ukazuje na potpuni izostanak gline u formaciji (linija peska), između ove dve vrednosti može da se uspostavi skala od 0-100% zapreminskog učešća gline (šejla).
Ako se uspostavi linearna skala, zapreminsko učešće glina ili šejla (V sh ) može da se odredi iz izmerene vrednosti prirodne radioaktivnosti (GR), na osnovu formule V sh GR GR GR max gde je GR max = 100% gline ili šejla, a GR min = 0% gline ili šejla (nezaglinjena formacija). min GR Ovako dobijena vrednost, generalno, nije precizna i obično daje gornju graničnu vrednost zapreminskog učešća glina ili šejla. U praksi se primenjuju modifikacije prikazanog izraza, koje se razlikuju za slabije i jače konsolidovane sedimente. = min
Kvalitativna primena Procena litologije. Peščari mogu da pokažu viši stepen prirodne gama radioaktivnosti, ukoliko sadrže feldspate, liskune, glaukonit ili teške minerale. U primeru je prikazan finozrni plitki marinski peščar sa 20% gline, ali i sa 15-30% liskuna, koji uzrokuju povišene vrednosti radioaktivnosti.
Peščar sa glaukonitom (*) pokazuje više vrednosti prirodne gama radioaktivnosti nego šejl. Pikovi na dijagramu prirodne gama radioaktivnosti su posledica povišene koncentracije teških minerala u pesku (vrednosti veće nego u šejlu).
Primer pokazuje izražen kontrast u stepenu radioaktivnosti između uglja (niska radioaktivnost) i šejla bogatog organskom materijom (visoka radioaktivnost) u sekvenci delte. Veza između sadržaja organske materije i prisustva urana omogućava da se identifikuje šejl bogat organskom materijomi i da se locira položaj matičnih stena, bitnih za formiranje ležišta ugljovodonika.
Ultrabazične i bazične magmatske stene imaju vrlo nizak stepen prirodne gama radioaktivnosti, dok intermedijarne, a naročito kisele magmatske stene pokazuju znatno viši stepen radioaktivnosti. Izuzetno niske vrednosti prirodne radioaktivnosti u bazičnim magmatskim stenama mogu pogrešno da se interpretiraju, kao interval peščara (slika).
Procena depozicione sredine analiza facija. Na osnovu oblika krive ukupne prirodne radioaktivnosti razvijene su šeme za identifikaciju facija u klastičnim sedimentima. Promene u intenzitetu gama zračenja ukazuju na promene u veličini zrna u peščarima, jer postoji veza između veličine zrna i zapreminskog učešća gline (šejla). Sadržaj gline (šejla) i ukupna radioaktivnost rastu sa smanjenjem veličine zrna.
Geološka korelacija. Karotaž prirodne gama radioaktivnosti se često primenjuje za korelaciju između bušotina. Osnovni razlozi su to što su krive relitivno jednostavne, merene vrednosti ne zavise mnogo od dubine i krive pokazuju slične vrednosti u različitim bušotinama, a često je dobar indikator litologije.
SPEKTRALNI GAMA KAROTAŽ Spektar prirodnog gama zračenja formacije predstavlja odraz količine (relativne koncentracije) svih radioaktivnih elemenata prisutnih u formaciji, a u velikoj meri zavisi od gustine i hemijskog sastava stena. Spektralni gama karotaž omogućava razdvajanje i procenu količine određenih radioaktivnih elemenata, na osnovu spektralne analize prirodnog gama zračenja formacije. Gama zraci emitovani iz formacije potiču od raspadanja radioaktivnih nizova torijuma (Th 232 ) i urana (U 238 ), kao i izotopa kalijuma K 40. Iako ima najviše izotopa kalijuma K 40, njegov udeo u ukupnoj radioaktivnosti stena je mali, u odnosu na ukupnu masu. Mala količina urana ima veliki uticaj na radioaktivnost, dok velike količine kalijuma imaju mali uticaj.
K 40 se raspada u stabilni Ar 40 (jednostavan spektar jedna vrednost energije). Th 232 i U 238 se raspadaju preko niza potomaka u stabilni izotop olova. Svaki izotop emituje gama zrake određene energije, pri čemu su energije gama zraka, emitovanih iz različitih izotopa, različite. Stene i minerali sadrže različite količine određenih radioaktivnih elemenata. Na osnovu spektra prirodnog γ - zračenja određuje se mineralni sastav stena (na slici su označeni glavni pikovi).
Mineralni sastav formacija procenjuje se na osnovu indeksa fotoelektrične apsorpcije (Pe): Pe = (Z/10) 3.6 gde je Z atomski broj elementa. Vrednosti indeksa fotoelektrične apsorpcije za različite minerale su tipične i međusobno različite. Radijus istraživanja spektralnog gama karotaža je 10-15cm, a zavisi od geometrije bušotine, gustine isplake, gustine formacije i energije gama zračenja emitovanog iz formacije.
Tipičan izgled zaglavlja snimaka Karotaža prirodne gama radioaktivnosti (gama karotaža) i Spektralnog gama karotaža
Karotaž prirodne gama radioaktivnosti (gama karotaž) i Spektralni gama karotaž - tipičan izgled krivih. F - feldspat, M - liskun, * - glaukonit.
Primena Spektralni gama karotaž se primenjuje za kompleksnu analizu litološkog sastava formacija. Kvantitativna analiza se koristi za određivanje sadržaja radioaktivnih minerala i zapreminskog učešća glina (šejl komponente) u stenama. Kvalitativana anliza obuhvata indikaciju dominantnih tipova minerala u glini i šejlu, detaljnu stratigrafsku korelaciju, procenu depozicione sredine, određivanje tipova stena, detekciju fraktura u formaciji, detekciju diskordanci i lociranje matičnih stena (kod istraživanja ugljovodonika).
Kvantitativna primena Spektralni gama karotaž se primenjuje za određivanje zapreminskog učešća glina (šejla) i sadržaja radioaktivnih minerala. Zapreminsko učešća glina (šejla). Određivanje zapreminskog učešća glina (šejla) zasniva se na sadržaju torijuma u formaciji. Ako se uspostavi linearna veza, zapreminsko učešće glina ili šejla (V sh (t)) može da se odredi iz izmerene vrednosti radioaktivnosti za torijum (Th), na osnovu formule V sh (t) = Th Th gde je Th max vrednost radioaktivnosti za torijum u čistoj glini ili šejlu, a Th min - vrednost radioaktivnosti za torijum u nezaglinjenoj formaciji (0% gline). max Th min Th min
U praksi se primenjuju modifikacije prikazanog izraza, koje se razlikuju za slabije i jače konsolidovane sedimente (stene različite starosti). Sadržaj radioaktivnih minerala. Pokušaji da se kvantifikuje sadržaj radioaktivnih minerala, kao što su feldspati i liskuni, zasniva se na dve pretpostavke: (1) ukupna radioaktivnost torijuma potiče od glina ili šejla i (2) radioaktivni minerali sadrže samo radioaktivni kalijum. Složene mešavine minarala u glinama i lokalne varijacije ne omogućavaju precizno kvantitavno određivanje sadržaja pojedinih minerala u glini i šejlu. Rezultati su lokalnog karaktera.
Kvalitativna primena Indikaciju dominantnih tipova minerala u glini i šejlu. Identifikacija prisustva pojedinačnih minerala u glini i šejlu zasniva se na varijacijama u sadržaju kalijuma, torijuma i urana, kao i njihovih međusobnih odnosa. Obično se koristi odnos Th/K. Torijum se, u značajnim količinama, nalazi samo u mineralima glina (kaolinit, montmorionit, ilit), dok se kalijum javlja i u mineralima gline i u drugim radioaktivnim mineralima (feldspati, liskuni). Odnos Th/K je, u velikoj meri, funkcija sadržaja teških minerala u peščarima, odnosno sadržaja minerala glina u glini i šejlu. Uobičajene vrednosti odnosa Th/K su od 4-6, a odstupanja od ovog opsega su rezultat povećenog sadržaja određenih teških minerala ili minerala glina.
Grafik raspodele minerala glina, teških minerala i evaporita u odnosu na sadržaj kalijuma i torijuma
Promene odnosa Th/K u glini, vezane za klimatske promene visoke vrednosti ukazuju na vlažnu klimu (veće količine kaolinita), a niske vrednosti na suvu klimu (veće količine ilita).
Procena litologije. Većina evaporita (so, anhidrit) ima izuzetno niske vrednosti prirodne gama radioaktivnosti. Izuzetak su evaporiti sa visokim sadržajem kalijuma. Često se javljaju ekstremne razlike u vrednostima radioaktivnosti između zona koje sadrže kalijum i zona bez kalijuma. Pikovi pokazuju visoku gama radioaktivnost, izazvanu prisustvom soli kalijuma u sekvenci evaporita.
Čisti karbonati nisu radioaktivni i to olakšava njihovu identifikaciju. U nekim facijama, karbonati sadrže organsku materiju i pokazuju viši stepen radioaktivnosti, zbog sadržaja urana. Prisustvo urana u karbonatima je povezano sa ranim fazama dijageneze, prisustvom organske materije i koncentracijama fosfata. Zaglinjeni karbonati pokazuju prisustvo kalijuma i torijuma.
Prisustvo organske materije i identifikacija matičnih stena. Matične stene, značajne za formiranje ležišta ugljovodonika, sadrže organsku materiju, a identifikuju se na osnovu povišenog sadržaja urana. Depozicione sredine. Odnos između sadržaja torijuma i urana može da ukaže na tip depozicione sredine (marinske U, kontinentalne - Th). Lociranje fraktura. Smatra se da mobilnost urana i njegovo prisustvo u slojnoj vodi dovodi do povišenog sadržaja urana u pukotinama i rasedima. Kada se detektiju zone povišene radioaktivnosti usled prisustva urana, drugi karotažni postupci se koriste da bi se potvrdilo prisustvo fraktura. Lociranje diskordanci. Izuzetno visoke vrednosti radioaktivnosti usled prisustva urana, koje se javljaju kao izolovani pikovi, mogu da ukažu na diskordance (ekstremni uslovi depozicije u okolini diskordance).
KAROTAŽ GUSTINE (γ γ KAROTAŽ) Karotaž gustine je prvi put primenjen 1956. godine. U početku su rezultati merenja karotaža gustine korišćeni u gravimetriji, za određivanje prosečne gustine ispitivanih formacija. Danas je osnovna primena karotaža gustine procena poroznosti formacija (na osnovu merenja srednje vrednosti gustine). Pored kvantitavne procene poroznosti, karotaž gustine se, u kombinaciji sa drugim GFK metodama, koristi i za mineralošku i litološku identifikaciju formacija, procenu mehaničkih svojstava formacije, lociranje zona sa abnormalnim pritiscima, utvrđivanje zona sa sadržajem gasa, itd.
Karotaž gustine je uređaj kojim se kontinuirano registruje prosečna gustina ispitivanih formacija. Ukupna gustina stena zavisi od gustine matriksa (minerala, koji formiraju stenu) i gustine fluida, koji ispunjavaju pore. Formacija se bombarduje γ-zracima iz izvora, koji je smešten u sondi. Promena intenziteta upadnog γ-zračenja (broj prispelih γ-zraka na detektor) je funkcija elektronske gustine materije (formacije), koja se ozračuje. Karotaž gustine ima mali radijus istraživanja i visoku vertikalnu rezoluciju.
Osnovni fizički principi Prilikom prolaska kroz formaciju, γ-zraci stupaju u interakciju sa atomima sredine, gube energiju i na kraju bivaju apsorbovani. Od energije upadnog γ-zračenja zavisi koji će tip interakcije γ- zraka sa atomima formacije biti dominantan (fotoelektrični efekat, Komptonov efekat, produkcija para). Kod karotaža gustine se, kao izvori radioaktivnog zračenja, koriste Cs 137 i Co 60, koji emituju γ-zrake niske do srednje energije, a intenzitet registrovanog γ-zračenja posledica je fotoelektričnog i Komptonovog efekta. Merenja karotaža gustine su u vezi sa interakcijom γ-zraka sa elektronima formacije, a kada je dominantan Komptonov efekat registrovani fluks γ-zračenja je proporcionalan elektronskoj gustini formacije (broj elektrona u jedinici zapremine).
Elektronska gustina je proporcionalna prosečnoj gustini formacije (kod elemenata sa malom atomskom masom, pre svega). Broj elektrona u jedinici zapremine materije (N e ) je: N e = N gde je N A - Avogadrov broj, ρ - gustina formacije, Z - atomski broj elementa, A - atomska masa elementa. U najvećem broju sedimentnih stena nalaze se uglavnom atomi lakih elemenata, te je odnos Z/A najčešće konstantan i iznosi 0.5 (pesak/peščar kvarc SiO 2-0.499, krečnjak - kalcit CaCO 3 0.500, dolomit CaMg(CO 3 ) 2 0.499), a elektronska gustina je proporcionalna gustini formacije. A ρ Z A
Apsorpcija γ-zraka Prilikom prolaska kroz formaciju γ-zraci stupaju u interakcije sa atomima formacije, gube deo svoje energije, usporavju i na kraju bivaju apsorbovani. Izraz za apsorpciju γ-zraka gustine je:, gde je I - intenzitet γ-zračenja registrovan na detektoru, I 0 - intenzitet γ-zračenja radioaktivnog izvora, μ m maseni koeficijent apsorpcije, ρ -prosečna gustina formacije, x rastojanje između radioaktivnog detektora i izvora radioaktivnog zračenja. Izraz može da se prikaže i u obliku: Veličine μ m, x i I 0 mogu da se smatraju konstantama, te je intenzitet registrovanog γ-zračenja u direktnoj zavisnosti od gustine formacije. Jednačina apsorpcije predstavlja fizičku osnovu merenja prosečne gustine formacije Karotažom gustine. ln I I = = μ I 0 e μ m ρx mρx ln I 0.
Konstrukcija uređaja Sonda Karotaža gustine sastoji se od izvora i dva detektora radioaktivnog zračenja, koji su smešteni u papuči, koja se tokom merenja priljubljuje za zid bušotine. Izvor najčešće emitije γ- zračenje energije 1.17-1.33 MeV (Co 60 ), te je intenzitet zračenja oko 10 puta veći od od intenziteta prirodne radioaktivnosti formacije.
Kao detektori se obično koriste Gajger-Milerovi brojači (visoka stabilnost i pouzdanost u nepovoljnim uslovima - visoke temperature i pritisci, male dimenzije i masa su prednost kod uređaja sa papučom - lakše se priljubljuju za zid bušotine i ostvarije se dobar kontakt sonde i formacije), a ređe scintilacioni brojači.
Između izvora i detektora nalazi se ekran (olovni čep), koji onemogućava da γ-zraci direktno kroz sondu stignu do detektora. Često se naspram detektora zračenja postavljaju filteri, koji apsorbuju tzv. meke komponente zračenja (γ-zraci energije manje od 200eV).
Izvor i detektori su smešteni u metalnu papuču, koja je zglobno vezana sa telom sonde, a elektro-hidraulički sistem omogućava daljinsku kontrolu položaja papuče tokom merenja. Tokom spuštanja u bušotinu, papuča je priljubljena za telo sonde, a pre početka merenja se otvara i priljubljuje za zid bušotine. Sonda ima još jednu papuču, koja se nalazi sa suprotne strane i koja omogućava oslonac sonde na suprotnom zidu bušotine (sila pritiska obezbeđuje stalni kontakt sonde sa formacijom) i vrši merenja prečnika bušotine.
Radijus istraživanja Karotažom gustine je mali (oko 15cm), te prisustvo kolača isplake i nazubljenost zida bušotine može da ima veliki uticaj na merenja. Usled nepovoljne geometrije profila bušotine često se ne uspostavlja se dovoljno dobar kontakt papuče i formacije, a može i da se dogodi da se između sonde i formacije nađe tanak sloj isplake. Da bi se umanjili nepovoljni efekti, koriste se dva detektora (sistem kompenzacije), a razlika intenziteta registrovanog zračenja na bližem i daljem detektoru koristi se za računanje korekcija merenja.
Korekcija gustine (Δρ) se registruje kao posebna kriva na dijagramu i obično predstavlja korekciju za uticaj kolača isplake različite debljine i gustine, za uticaj promene prečnika bušotine ili za uticaj isplake. Kalibracija sonde karotaža gustine se vrši u specijalno konstruisanim ispitnim bušotinama, sa materijalom poznate gustine. Pre i posle izvođenja merenja potrebno je da se proveri ispravnost sonde.
Tipičan izgled zaglavlja snimaka Karotaža gustine (isprekidana linija je korekcija za uticaj gustine isplake, koja se automatski primenjuje).
Primena Karotaž gustine se primenjuje, kvantitativno, za određivanje poroznosti stena (indirektno i za određivanje gustine ugljovodonika). Kvalitativno se primenjuje kao indikator litologije i za identifikaciju određenih minerala, a može da pomogne u proceni sadržaja organske materije u stenama, pri lociranju zona natpritiska i frakturiranih zona, kao i pri proceni mehaničkih svojstava formacije. 1) Procena poroznosti Karotaž gustine se, prvenstveno, primenjuje za procenu poroznosti stena. a) Procena porozonsti iz više posotupaka GFK-a Procena porozonsti se vrši na osnovu krivih karotaža gustine i neutronskog karotaža, direktnim upoređivanjem dijagrama.
b) Procena porozonsti iz Karotaža gustine Karotaž gustine predstavlja jednu od najpouzdanijih metoda za procenu porozonsti formacija. Karotaž gustine registruje srednju (prosečnu) vrednost gustine formacije (ρ), koja kod poroznih formacija zavisi od gustine čvrste faze - matriksa (ρ m ) i gustine fluida (ρ f ), koji zasićuju porni prostor: ρ = Φρ f + (1- Φ) ρ m gde je Φ - poroznost. Poroznost čiste (nezaglinjene) formacije procenjuje se iz izraza: ρ Φ = ρ m m ρ ρ f.
Realna procena poroznosti na osnovu karotaža gustine zahteva poznavanje gustine matriksa formacije (ρ m ) i gustine fluida koji zasićuju porni prostor (ρ f ). Za čiste formacije vrednost gustine se procenjuje na osnovu poznavanja litološkog sastava formacije. Za vrednost gustine fluida, koji zasićuju porni prostor, obično se uzima vrednost 1 kg/t 3, ako isplaka nije jako mineralizovana i ako u formaciji nije prisutan gas (vazduh ili bilo koja gasovita supstanca).
c) Uticaj glina Prisustvo glina u formaciji značajno utiče na vrednost poroznosti, procenjenu karotažom gustine. Gustina glina varira u širokom opsegu i zavisi od više faktora, a pre svega od mineraloškog sastava i stepena kompakcije. U slučaju da su formacije zaglinjene, prilikom računanja poroznosti mora da se uzme u obzir i zapreminsko učešće glina, kao i njihova gustina. 2) Litološka analiza formacija Za litološku analizu formacija koristi se kros-plot metoda, a vrši se procena litološkog sastava, poroznosti i zapreminskog učešća glina. Najčešće se koristi kombinacija karotaža gustine i neutronskog karotaža.
3) Lociranje zona sa abnormalnim pritiskom Lociranje zona sa abnormalnim pritiskom bazira se na praćenju trenda povećanja gustine glina sa dubinom. Odstupanje od linearne zavisnosti može da ukaže na zone sa abnormalnim pritiscima, koje nastaju kada postoji nepropusna barijera, koja sprečava migraciju fluida pod dejstvom pritiska, te se u sloju javlja povišen pritisak (natpritisak), a ukupna gustina sloja (glina) je smanjena. 4) Procena mehaničkih svojstava formacije Mehanička svojstva stena su definisana parametrima elastičnosti, a oni mogu da se definišu na osnovu brzine prostiranja elastičnih talasa (akustični karotaž) i gustine stena.
Primer odziva sonde karotaža gustine u najčešćim tipovima formacija.
Kada je veličina zrna u klastičnom sedimentu konstantna, postoji dobra korelacija između izmerene vrednosti gustine i poroznosti. Primer prikazuje korelaciju između gustine (Karotaž gustine) i poroznosti (merene na jezgrima). Gustina može da se konvertuje u poroznost korišćenjem gustine matriksa od 2.68 g/cm 3 (histogram).
Greške u određivanju poroznosti mogu da se sračunaju u slučajevima kada se menja gustina fluida. U ovom slučaju, u delu stene zasićenom prirodnim gasom, Karotaž gustine daje nerealno visoke vrednosti poroznosti. Poroznost i zasićenje vodom mogu da se odrede iz drugih karotažnih merenja, a Karotaž gustine se koristi za određivanje gustine ugljovodonika.
Identifikacija litologije Opsezi gustine za različite stene se preklapaju u velikoj meri, a na osnovu vrednosti gustine teško može da se identifikuje tip stene. Kombinacija Karotaža gustine i Neutronskog karotaža primenjuje se kao kvantitavni indikator litologije.
Kompakcija gline (šejla) Promena stepena kompkacije gline (šejla) sa dubinom može da se prati na dijagramu Karotaža gustine, predstavljenom u sitnoj vertikalnoj razmeri. Sa povećanjem stepena kompakcije sa dubinom, raste i gustina sedimenata.
Lociranje diskordance i procena starosti gline (šejla) Nagla promena gustine ukazuje na diskordantnu granicu između erodovanih krednih glina u podini i tercijatnih glina u povlati.
Identifikacija minerala. U primeru je prikazana identifikacija sloja uglja, vrlo male gustine i pojava pirita, velike gustine na dijagramu Karotaža gustine (litologija je data na osnovu analize jezgra bušotine).
Lociranje fraktura. Prikazan je različit uticaj fraktura na rezultate merenja Karotažom gustine i Akustičnim karotažom. Naspram sloja frakturiranih peščara javljaju se izuzetno niske vrednosti na dijagramu Karotaža gustine, dok se na dijagramu Akustičnog karotaža ne uočava uticaj fraktura. Frakturirani sloj peščara registrovan je i na dijagramu Kalipera (povećanje prečnika bušotine). Slična situacija javlja se i u intervalu sa šejlom.
Za pripremu predavanja korišćeni su materijali iz knjiga: Martinović, S. i drugi, 2000: Geofizički karotaž obrada i interpretacija. Naftagas, Novi Sad. Rider, M., 2002: The Geological Interpretation of Well Logs. Rider-French Consulting, Ltd., Scotland. Ellis, D.V., Singer, J.M., 2008: Well Logging for Earth Scientists. Springer, Netherlands.
Hvala na pažnji!
Da li ima pitanja?