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DISPOSITIVOS DE PULSACIONES DE NEUTRON Y SPECTROSCOPIA

15.1 INTRODUCCION

Evaluación de formación: el registro de die-away de distancia térmica y la espectroscopia de rayos gamma neutrón inducidos. En el corazón de estas técnicas es la generación de neutrones discutidos en el capítulo 13. En el registro die-away térmica, la capacidad de pulsación de este generador es fundamental para la determinación de las propiedades de absorción de neutrones térmicos formación - un método para distinguir aguas formaciones salinas a partir de hidrocarburos. El cloro, que es casi siempre presente en aguas de formación, tiene una gran una »- sección transversal de absorción. Medición de la sección transversal de absorción macroscópica (2) puede proporcionar los medios para la identificación de agua salada y para estimar la saturación de agua. Un análisis químico limitado de la formación se puede obtener a partir de una combinación de la inyección controlada de neutrones de alta energía en la formación y la espectroscopia de los rayos gamma inducidas por neutrones. Mediante la explotación de las reacciones de neutrones de alta energía, se puede determinar la proporción de carbono a oxígeno en la formación. Si se conocen la litología y la porosidad, esta relación también puede producir saturación de agua. Espectroscopia de rayos gamma producidos por reacciones posteriores captura de neutrones térmicos permite la detección de una docena o elementos tan importante presentes en la formación. No se limita a fuentes de neutrones pulsados, los instrumentos han sido desarrollados para uso fuentes de espectropía de neutrones química captura GR. La extracción de las concentraciones elementales de las mediciones será discutida en este capítulo, pero los métodos para producir una litología cuantitativa se describe en un capítulo posterior.

También se emplean técnicas de neutrones pulsados para monitorizar y cuantificar petróleo y el flujo en la producción de los pozos mediante la producción y la detección de la activación de oxígeno, o el paso de los trazadores inyectados de partículas radiactivas o absorbentes eficientes. Aplicaciones sugieren la posibilidad de medir densidad de la formación. El generador de pulsos de neutrones también se puede utilizar para reemplazar lo tradicional .fuente en un dispositivo para medir la porosidad de neutrón es además de otro parámetro interesante- el tiempo ralentización.

15.2 REGISTROS NEUTRON TERMAL DIE-AWAY

Dispositivos de neutrones pulsados encontraron su primera aplicación de registro en el determinar la saturación de agua en pozos productores entubados. El método tradicional para obtener, se basa en mediciones eléctricas. Sin embargo, durante muchos años

el mayoría de los casings de producción de los pozos mostraron medidas inútiles y surgio el desarrollo de métodos alternativos. Era natural pensar en el uso de neutrones que penetran el caising sin mucho diicultad y en consecuencia se una al problema del sondeo de la formación en tales situaciones. En años recientes instrumentos han aparecido que permiten la medición de la resistividad a través de los caisings descritos en la Sección 6.6. Sin embargo, el uso de la técnica de pulsos de neutrón para medir la saturación de reservorios que parezcan bien estabilizados.

El neutrón termal die-away dispositivos responden a la macroscópica térmica sección transversa(Ʃ), que depende de los componentes químicos de la matriz, los fluidos de poro. Para motivar a la medición de la Ʃ , primero mirar el relación entre la concentración de absorbedores térmicos y el valor de la macrocopica sección transversal. Esto nos dará una indicación del rango dinámica de Ʃ esperado en aplicación del registro. La técnica para determinar el valor de Ʃ de las mediciones del hueco se examina, que ilustra algunas de sus limitaciones. Un introducción de interpretación de la medición de Ʃ y algunas aplicaciones se dan a continuación.

15.2.1 CAPTURA DE NEUTRONES TERMICOS

Como se discutió en el capítulo 13, la captura de neutrones es uno de las muchas reacciones ocurridas durante las interacciones de neutrones con la materia. La sección transversal de captura como 1/v a bajas energías, donde v es la velocidad de neutrones. Por lo tanto, este es el mecanismo predominante de interacción a energías térmicas y la única forma en que los neutrones son registrados por el sistema. En la captura de neutrones, el objetivo del núcleo con numero atómico transmutado en otro isótopo del elemento con la masa A + 1 .Estos núcleos "se forma en un estado excitado que, en muchos casos, se desintegra casi inmediatamente con la emisión de uno o mas rayos gama .La energía del GR puede llagar a rangos máximos cerca de 8 MeV.

una y mil veces la cruz sección- masa normalizada es numéricamente equivalente al número de unidades de captura (cu) contribuyó por gramo de elemento por centímetro cúbico de material.

Se ve que, en términos de la absorción de masa normalizado sección transversal, cloro es mas predominante en esta lista de elementos generalmente asociados con petrofísica aplicaciones. Las excepciones son el boro y el gadolinio, que a menudo se asocia con arcillas, y cadmio, que se utiliza en la construcción de detectores de neutrones epitérmicos. El siguiente elemento más importante y frecuentemente encontrado es hidrógeno, que tiene una sección transversal atómica dos órdenes de magnitud menos de cloro. Sin embargo, debido de su concentración en el agua, desempeña un mayor función que la mayoría de los otros elementos. Figura 15.1 muestra cómo la sección transversal macroscópica (en unidades de

captura) de agua salada varía como una función de la concentración de NaCl. Los relativamente grande la sección transversal de captura de agua dulce (22 cu) se debe principalmente al hidrógeno, pero la adición de NaCl, que tiene, en su forma cristalina, una sección transversal de captura de aproximadamente 750 cu, aumenta la sección transversal de captura de la líquido dramáticamente. Debido a la falta de absorbentes eficaces en la mayoría de las matrices de roca, sus secciones eficaces de captura son generalmente menos de 10 cu. Por lo tanto, la sección transversal de captura de una formación dependerá principalmente en la salinidad del agua intersticial, la porosidad, y la saturación de agua. La saturación de agua es un ingrediente importante en el 2 de una formación, desde la captura cruzar la sección de hidrocarburos es aproximadamente la misma que la del agua fresca. Neutrón fundido a distancia o captura de neutrones pulsados (PNC) registros se presenta generalmente en una escala 0- 60 cu, que refleja el rango esperado de la variación de este parámetro formación. Un 30% formación que contiene sólo saturado de agua salada (26% de NaCl en peso), podría tener un exceso de 40 pies cúbicos, dependiendo de los absorbentes asociados con el matriz roca presencia de un aceite con saturación significativa podría consecuentemente reducir lo observado por Ʃ .

15.2.2 TECNICAS DE MEDICION

Con el fin de determinar la macroscópica sección transversal térmica de una formación, el tity que mide la vida útil, la inversa de la velocidad de desintegración, de neutrón termico en un medio de absorción. La práctica realización de un dispositivo para esta medida depende de la disponibilidad de un fuente pulsada de neutrones de alta energía. los mínimos de la producción periódica de una población rápida de neutrones termalizados absorbidos son después monitoreados.

El modo básico de operación consiste en pulsar la fuente de 14 MeV durante un breve período. Esto forma una nube de neutrones de alta energía en el hueco de la formación, que se convierte térmico a través de repetidas colisiones. El neutrón luego desaparece a una velocidad que depende de la absorción térmica adecuada la formación y el pozo de sondeo. Como se captura cada neutrón (por la mayoría típico es en la formación), los rayos gamma se emiten. La tasa local de captura de neutros es proporcional a la densidad de neutrones, lo que disminuye con el tiempo. Por lo tanto, la producción de rayos gamma de captura disminuye en el tiempo. Medición de la de la tasa de conteo de rayos gamma refleja la decadencia de la población de neutrones a razón, la herramienta de registro consiste generalmente en un detector de rayos gamma con una fuente de neutrones de 14 MeV.

El funcionamiento de un dispositivo de este tipo se resume en la Fig. 15.2. Los neutrones emitidos a alta energía se muestran, poco antes de la termalización, formando una nube de neutrones en el panel de primera en un tiempo t1. A medida que pasa el tiempo, los neutrones hacen numerosas colisiones, extienda aún más desde el punto de emisión, que se muestra en un panel que representa la situación en un tiempo t2 después. La dimensión característica de la nube de neutrones, justo antes de termalización, es la longitud ralentización. Cuando los neutrones alcanzan energías térmicas y la nube ha alcanzado un tamaño que está relacionado con la longitud de la migración, el inicio de la absorción a través del proceso de captura termal, al mismo tiempo la densidad de neutrones en las siempre crecientes disminuciones nube, dependiendo de la velocidad de absorción, como se indica en el croquis de la densidad de neutrones como una función del tiempo en la Fig. 15.2.

De una manera análoga a la desintegración radiactiva, el comportamiento dependiente del tiempo de la captura de neutrones térmicos se puede predecir. La velocidad de reacción para neutrones de absorción es dado por producto de la absorción macroscópica de la sección transversal y la velocidad del neutrón v .Así, para un sistema de neutrones N t, el número absorbida en un tiempo dt es :

dN t=−N t∑a

vdt

Cuando integramos :

N t=N i e−∑

a

vt

que se refiere el número presente en el momento t al número inicial N i en el tiempo cero. El tiempo de decaimiento constante es igual a 1 / v Ʃa. El valor de la sección transversal de captura Ʃa, a una temperatura de 300◦K, se enumera en la Tabla 15.1 para un numero de materiales de interés, incluido en la tabla es el decaimiento constante del tiempo con cada valor de Ʃa . Esto tiene que ser computarizado, usando la captura térmica de una sección transversal en cu, de la relación :

t d=1v Ʃ a

=450Ʃa

( us)

La derivación de la relación de tiempo de decaimiento se basaba en un modelo simple que se inicia con una nube de neutrones térmicos en el tiempo cero. Es interesante saber cuánto

tiempo pasa, después de la explosión de neutrones de 14 MeV, antes de que la nube de neutrones termalizados está presente. Las estimaciones basadas en el número medio de colisiones requeridas para reducir la energía de los neutrones en la región térmica y la variación de la trayectoria libre media entre colisiones indican que la escala de tiempo termalizado es del orden de 1-10 uS, mucho más cortos que las típicas horas que se muestran en la Tabla 15.1.

La simple derivación de la captura GR dependencia temporal pierde un aspecto importante encontrado en la medida real: el efecto de difusión de neutrones térmicos. La difusión de neutrones en un medio homogéneo surge de la variación espacial de la densidad de neutrones (o flux). Intuitivamente, sentimos que la nube de neutrones termales tendrá tal variación espacial; Inicialmente, el flux de neutrones térmicos será más alta cerca de la fuente y disminuirá al aumentar la distancia de ella. Físicamente, la difusión de neutrones es de esperar ya que en las regiones de alta reflujo la tasa de colisión será alto, con el resultado de que los neutrones serán dispersados con mayor frecuencia hacia regiones de menor densidad de colisión. Esto da lugar a una corriente neta de neutrones de las regiones de mayor flux para los de menor flux. La velocidad a la que se produce la difusión depende del coeficiente de difusión y el gradiente del flujo de neutron(véase el Capítulo 14). La suposición implícita en la derivación de la ecuación. 15.2 era que de alguna manera el comportamiento global de la densidad de neutrones podría ser monitoreado en todo momento. En este caso, la difusión es de ninguna consecuencia. Sin embargo, en la aplicación real de registro, la decadencia de la población de neutrones se monitoriza sólo en las proximidades del detector, y por lo tanto es una medida local. En cualquier punto de observación, la densidad de neutrones térmicos locales disminuye porque los neutrones están difundiendo y ser capturados. Para cuantificar el efecto del componente de difusión de la constante de tiempo de decaimiento local, es necesario el uso de la ecuación de difusión dependiente del tiempo. La ecuación de difusión dependiente del tiempo para la densidad de neutrones térmicos, n, viene dada por

dndt

=s−nv∑+DvV 2n

Donde v es la velocidad térmica y D es el coeficiente de difusión térmica. (Compárelo con la ecuación 14.3, que era para el caso de estado estacionario;el tiempo derivado fue cero. En esta ecuación el flujo (ɸ) ha sido sustituido por el producto de la velocidad de neutrones ( la densidad de neutrones térmicos (n). Después de la ráfaga, el término fuente, S, se convierte en cero, y la ecuación que gobierna es:

dndt

=−nv∑+DvV 2n

1ndndt

=−v∑+Dv V 2

Es el término Dv∇2nn

que está ausente en el análisis global realizado antes. Mediante la

comparación de la ecuación. 15.6 con el resultado del modelo global, un tiempo de disminución aparente de la población de neutrones t a, pueden anticiparse. El comportamiento global de la población de neutrones decayó de manera exponencial e−1 /t con el tiempo, t, y la inversa de la constante de desintegración se identificó como el producto vƩ.

De esta manera, la constante aparente de tiempo de decaimiento de la población de neutrones, t a, se puede ver de la ecuación. 15,6 a ser la suma de dos términos: una constante de tiempo intrínseca y una constante de tiempo de difusión. La constante de tiempo intrínseca está dada por:

1t∫ ¿

=vƩ ¿

Y el tiempo de difusión es definido como:

1tdiff

=−Dv ∇2nn

Así q el tiempo local aparente relacionado está dado por :

1Ta

= 1

t∫¿+1t dif

¿

El resultado es que el tiempo de decaimiento aparente de la población de neutrones local contiene dos componentes: t∫¿¿ es el tiempo de decaimiento intrínseca de la formación (es decir, que espera de vigilancia mundial de la absorción solo), y t diff f es el tiempo de difusión, que corresponde a la reducción de la densidad de neutrones como una función del tiempo debido a la fusión de los neutrones de distancia del centro de la nube. En un medio homogéneo, el valor de t diff depende de la distancia desde el punto de emisión de la fuente y el coeficiente de difusion. El resultado práctico del efecto de difusión es que, sin corrección, la medida Ʃ de una formación aparecerá mayor que el valor intrínseco debido a la velocidad de difusión de la población de neutrones térmicos en las proximidades del detector. El efecto también será más grande a baja porosidad, ya que el coeficiente de difusión D disminuye al aumentar la porosidad (véase la Fig. 13.16). Si esto parece complicado, lo es, pero palidece en comparación con el caso del mundo real que implica generalmente un instrumento que es un absorbente de neutrones térmicos en una perforación que pueden, o no, ser llenada con la absorción de salmuera. Si el pozo está lleno de salmuera y después de unas pocas decenas de microsegundos después de la explosión de neutrones de alta energía de la región perforación comenzarán a agotarse; en cualquier punto en la formación de la difusión se complica por el efecto de la competencia de difusión de la nube de neutrones y la difusión hacia el interior para el pozo de sondeo que ahora se ha convertidoEn un sumidero de neutrones. Otro caso extremo de un pozo con agua fresca y saturado con salmuera. En este caso el Ʃ de la formación es mucho más grande que el Ʃ del hueco de modo que el pozo de sondeo se convierte en una fuente adicional de neutrones en momentos posteriores. A medida que los neutrones en la formación son capturados y, neutrones no capturadas adicionales difusas de la perforación (donde la densidad inicial fue el más alto) comienzan a difundirse en la formación haciendo que la tasa de atenuación aparente en cualquier punto más lento de lo esperado. La adición de una carcasa de acero y la vaina de cemento, que se podría haber hecho con