Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Kar Geofizikai és Térinformatikai Intézet Geofizikai Tanszék
A hazai mélyfúrási geofizikai gyakorlatban alkalmazott természetes gamma spektroszkópiai módszerek vizsgálata Szakdolgozat
Készítette: Majoros Péter Földtudományi alapszakos hallgató
Belső konzulens: Dr. habil. Szabó Norbert Péter, egyetemi docens
Külső konzulens: Bara Péter, okl. fizikus, szerviztámogatási szakértő Geoinform Kft. 2017.05.12
Miskolc 2017
Eredetiségi nyilatkozat Alulírott Majoros Péter, a Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Karának hallgatója büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában kijelentem és aláírásommal igazolom, hogy a „A hazai mélyfúrási geofizikai gyakorlatban alkalmazott természetes gamma spektroszkópiai módszerek vizsgálata” című szakdolgozat (a továbbiakban: dolgozat) önálló munkám, a dolgozat készítése során betartottam a szerzői jogról szóló 1999. évi LXXVI. tv. szabályait, valamint az Egyetem által előírt, a dolgozat készítésére vonatkozó szabályokat. A dolgozatban csak az irodalomjegyzékben felsorolt forrásokat használtam fel. Minden olyan részt, melyet szó szerint, vagy azonos értelemben, de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelműen, a forrás megadásával megjelöltem. Kijelentem, hogy az elektronikusan feltöltött és a papír alapú dokumentum mindenben megegyezik. Jelen nyilatkozat aláírásával tudomásul veszem, hogy amennyiben bizonyítható, hogy a dolgozatot nem magam készítettem, vagy a dolgozattal kapcsolatban szerzői jogsértés ténye merül fel, a Miskolci Egyetem megtagadja a dolgozat befogadását és ellenem fegyelmi eljárást indíthat. A dolgozat befogadásának megtagadása és a fegyelmi eljárás indítása nem érinti a szerzői jogsértés miatti egy (polgári jogi, szabálysértési jogi, büntetőjogi) jogkövetkezményeket. Miskolc, 2017.05.10 ……………………………………… a hallgató aláírás
Tartalomjegyzék 1
Bevezetés ........................................................................................................................ 1
2 A természetes radioaktivitás jelensége, és mérésének módozatai, fúrólyukbeli módszereket kiemelve ........................................................................................................... 2 2.1
A radioaktivitás jelensége ....................................................................................... 2
2.2
A radioaktív sugárzás eredete ................................................................................. 3
2.2.1
Az alfa bomlás jelensége ................................................................................. 3
2.2.2
A béta bomlás jelensége .................................................................................. 3
2.2.3
A gamma bomlás jelensége ............................................................................. 5
2.3
Radioaktivitás alapegyenlete és egyéb mutatók ..................................................... 5
2.4
Gamma foton és az anyag reakciói ......................................................................... 6
2.4.1
Fotoelektromos abszorpció jelensége .............................................................. 6
2.4.2
Compton szóródás jelensége ........................................................................... 7
2.4.3
Párkeltés jelensége ........................................................................................... 8
2.4.4
Visszaszóródás jelensége................................................................................. 9
2.5
Radioaktivitás megnyilvánulása a természetben .................................................... 9
2.6
Természetes gamma sugárzás mérése ................................................................... 13
2.7
Természetes gamma sugárzást mérő műszerek .................................................... 14
2.7.1
Ionizációs kamra ............................................................................................ 14
2.7.2
GM cső, vagy Geiger-Müller számláló ......................................................... 14
2.7.3
Proporcionális számláló................................................................................. 14
2.7.4
Szcintillációs detektor.................................................................................... 15
2.8
Természetes gamma sugárzás mérésére alkalmas eljárások ................................. 17
2.8.1
Természetes gamma módszer ........................................................................ 17
2.8.2
Spektrális természetes gamma mérés ............................................................ 19
3 Hazai gyakorlatban használt spektrális természetes gamma szondák, és a kiértékelés során használt számítások.................................................................................................... 22 3.1
A spektrális természetes gamma szondák felépítése ............................................ 22
i
4
3.2
Szondaműködés ismertetése ................................................................................. 24
3.3
Kiértékeléshez használt alapvető számítások ....................................................... 28
Természetes gamma méréseket befolyásoló korrekciós tényezők ............................... 30 4.1
Korrekciós tényezők nyitott lyukakban ................................................................ 30
4.1.1
Szondapozíció korrekciója ............................................................................ 30
4.1.2
Lyukátmérő korrekciója ................................................................................ 30
4.1.3
Iszapsúly korrekciója ..................................................................................... 31
4.1.4
Kálium tartalom korrekciója .......................................................................... 31
4.1.5
Barit faktor korrekciója ................................................................................. 31
4.2
Csövezett lyukakban fellépő korrekciós tényezők ................................................ 32
4.2.1
Szondapozíció korrekciója ............................................................................ 32
4.2.2
Lyukátmérő korrekciója ................................................................................ 32
4.2.3
Iszappal kapcsolatos korrekciók .................................................................... 32
4.2.4
Egyszerű csövezésnél fellépő korrekció ........................................................ 32
4.2.5
Összetett csövezésnél fellépő korrekció ........................................................ 33
4.2.6
Cement súly korrekciója ................................................................................ 34
4.2.7
Visszaszóródás korrekciója ........................................................................... 34
4.2.8
Hőmérséklet korrekciója: .............................................................................. 34
5 Természetes gamma mérések során alkalmazott kalibrációs eljárások, valamint a mérést befolyásoló hibalehetőségek .................................................................................... 36 5.1
WTS 1329XA kalibrációja ................................................................................... 38
5.1.1
GR mérési mód kalibrációja .......................................................................... 38
5.1.2
SL mérési mód kalibrációja ........................................................................... 38
5.1.3
SL-II mérési mód kalibrációja ....................................................................... 39
5.2
CSNG-I műszer kalibrációja ................................................................................. 39
5.2.1 5.3 6
Spektrum kontrolláció ................................................................................... 39
Mérést befolyásoló hibalehetőségek ..................................................................... 40
Kútszakasz vizsgálat, méréseket befolyásoló tényezők szemléltetésével .................... 41 ii
7
6.1
Szondapozíció hatása ............................................................................................ 42
6.2
Lyukbőség hatása: ................................................................................................. 43
6.3
Fúróiszapban lévő kálium hatása: ......................................................................... 44
6.4
Iszap sűrűségének hatásai: .................................................................................... 46
A dolgozat eredményei és javaslattétel ........................................................................ 49
Összefoglaló: ....................................................................................................................... 51 Summary: ............................................................................................................................ 52 Köszönetnyilvánítás ............................................................................................................ 53 Szakirodalom jegyzék: ........................................................................................................ 54 Ábrajegyzék: ........................................................................................................................ 56 Táblázatjegyzék ................................................................................................................... 58
iii
1 Bevezetés A mélyfúrási geofizika is, mint minden mérési módszer a vizsgálati tárgy, vagy környezet egy vagy több adott tulajdonságáról igyekszik információkat szerezni. Ennek a mérési technikának az első megnyilvánulásait a 19. század végén 20. század elején hajtották végre. Ezek a mérések még hőmérsékletre és fajlagos ellenállásra irányultak. 1927-ben készítette el Doll az első fajlagos ellenállás szelvényt, a Schlumberger fivérek által készített szondával. Ezt a dátumot tekintik a fúrólyuk szelvényezés kezdetének. (Pethő és Vass, 2011) A fúrólyukbeli radioaktív mérések 1937-38 az évektől indultak meg. (Pethő és Vass 2011). Ekkorra már ugyanis sikerült annyira megértenie az emberiségnek a radioaktivitást, hogy azt információ szerzés céljából alkalmazni tudják, és a technológiai szint most már lehetővé is tette. Az első mérések óta igen komoly fejlődésen mentek keresztül a természetes radioaktivitásra irányuló vizsgálati módszerek és eszközök. Gondolok itt a különböző detektor típusok kialakulására, és a vizsgálati eredmények feldolgozására irányuló eljárások fejlődésére, nem beszélve az informatika és az elektrotechnika robbanásszerű gyorsasággal történő fejlődéséről. Manapság már nem nagyon végeznek fúrólyukbeli vizsgálatokat úgy, hogy az alkalmazott szondák között ne lenne valamilyen természetes radioaktivitást mérő szonda is. Persze az ilyen irányultságú mérések egyre inkább szélesedő alkalmazásával együtt megjelentek a különböző szondagyártó cégek is. A szondáknak melyek ezek által a cégek által készültek, a világ bármely pontján alkalmazhatóaknak kell lenniük, és bármely mérnök által értelmezhető adatokat kell szolgáltatnia. Ennek okán szükségszerűvé vált egy kalibrációs eljárás kidolgozása, mely referenciaként szolgál minden gyártónak, és közérthetővé teszi az eredményeket bármely mérnök számára. Ezt az eljárást az Amerikai Petróleum Intézet és a Houstoni egyetem együttesen dolgozta ki, és a mai napig kalibrációs célokat szolgál. (Bateman, 2015) Az eszközök, módszerek, kalibrációk fejlődése mellett is, még mindig vannak olyan tényezők, melyek hatásai nem teljes mértékben ismertek a méréseket végzők előtt. Ezeknek az ismeretleneknek a megoldásán a mai napig dolgoznak a mérnökök, hogy ezáltal még pontosabb információkhoz juthassunk. Dolgozatomban szeretném ismertetni a természetes radioaktivitás mérésével kapcsolatos eszközöket és eljárásokat, valamint esetlegesen felvetődő problémákat. 1
2 A természetes radioaktivitás jelensége, és mérésének módozatai, fúrólyukbeli módszereket kiemelve 2.1 A radioaktivitás jelensége A radioaktivitás egy olyan természeti jelenség, melynek alapja az energetikailag instabil atomok nyugalmi állapotba kerülése. E folyamat (radioaktív bomlás) során a felesleges energiájuktól sugárzás formájában szabadulnak meg. A kibocsájtott sugárzás kapcsolatban van az atomok felépítésével (1. ábra), ezért tekintsünk be egy kicsit, hogy is néznek ki az atomok. Az atomok alapvetően atommagból és az azt körülvevő elektron felhőből állnak. Az atommagot alkotják a protonok és neutronok. A protonok pozitív töltéssel rendelkező részecskék, melyek száma meghatározza egy adott atom rendszámát (Z), ezzel együtt tulajdonságait, és részben hozzájárul egy atom tömegéhez (A). A neutron egy semleges, töltéssel nem rendelkező részecske, mely az atom tömegéhez (A) járul szintén hozzá, és izotópok kialakulását eredményezi. (Halliburton, 2008)
1. ábra: Egy atom felépítése (forrás: Baker Hughes, 2006) Egy atom általános jelölése: 𝐴𝑍𝑋 ahol X az atom vegyjele, Z az atom rendszáma, A pedig az atom tömegszáma. Az elektronok negatív töltésű részecskék, tömegük elhanyagolható a 2
másik kettőhöz képest, az elektron felhőnek elnevezett térben veszik körül az atommagot, mely így tart fent töltésegyensúlyt az atommaggal. Az izotóp fogalmának meghatározó szerepe van a radioaktivitás kialakulásában. Adott rendszámmal rendelkező atomnak több eltérő tömegszámmal rendelkező izotópja lehet, melyek az eltérő neutronszámból adódnak. Fontos, hogy egy atomnak lehet stabil és nem stabil izotópja egyaránt. Ilyen atom például a Kálium. A
39 19𝐾
stabil izotóp, míg a
40 19𝐾
radioaktív izotópja a kálium atomnak (Halliburton,
2008).
A radioaktív sugárzás eredete
2.2
A radioaktív atomok sugárzással szabadulnak meg felesleges energiájuktól. Ennek a sugárzásnak több fajtája lehet a bomlás típusától függően. Alapvetően 3 fő bomlás típust különböztetünk meg.
2.2.1 Az alfa bomlás jelensége Alfa bomlás során a radioaktív atom egy 2 protont és 2 neutront tartalmazó részecskétől szabadul meg. Ez a részecske egy Hélium atommagnak felel meg. Ezek a részecskék alkotják az alfa sugárzást. Az alfa sugárzásról tudni kell, hogy a kőzetben gyorsan veszti el energiáját, így alacsony áthatoló képességű. Ezen felül bármilyen anyaggal kapcsolatba lépve igen erős gerjesztő, vagy ionizáló hatása van. Egy alfa bomlás általánosan így írható le (Halliburton, 2008): 𝐴 𝑍𝑋
→
𝐴−4 𝑍−2𝑌
+ 𝛼,
(1.1)
ahol X az anya, vagy bomló elem, Y pedig a leány, vagy keletkező elem, α pedig a felszabaduló alfa sugárzás. Ilyen alfa bomló például a 232-s tömegszámú Bizmut (Halliburton, 2008): 212 83𝐵𝑖
→
208 81𝑇𝑙
+𝛼
(1.2)
2.2.2 A béta bomlás jelensége Béta bomlás tekintetében is 3 fajta reakciót különíthetünk el. Általánosságban elmondható a béta bomlás során felszabaduló sugárzásról, hogy az áthatoló képessége valamivel nagyobb, mint az alfa sugárzásé, de még ennek sem jelentős, mivel energiáját még ez is hamar elveszti a kőzetben. Ionizáló vagy gerjesztő hatása azonban már gyengébbnek mondható, mint az alfa sugárzásé (Halliburton, 2008).
3
2.2.2.1 Negatív béta bomlás jelensége Ez a fajta bomlás akkor következik be, amikor az atommagban található neutronok egyike protonná alakul át. Az átalakulás során keletkezik egy proton, egy elektron mely a 𝛽 − sugárzásként távozik, továbbá egy elektron-antineutrínó. Egy negatív béta bomlás általánosan így írható le (Halliburton, 2008): 𝐴 𝑍𝑋
𝐴 𝑍+1𝑌
→
+ 𝛽−,
(1.3)
ahol X az anyaelem, Y a leányelem, 𝛽 − pedig a sugárzás. Ilyen béta bomló például a 208-s Tallium (Halliburton, 2008): 208 81𝑇𝑙
→
208 82𝑃𝑏
+ 𝛽−
(1.4)
2.2.2.2 Pozitív béta bomlás jelensége Pozitív béta bomlást szenved az az atom, melyben egy proton alakul át egy neutronná. Az átalakulás során a neutron mellett egy pozitron és egy elektron-neutrínó keletkezik. Ebben az esetben a pozitron alkotja a 𝛽 + sugárzást. Általánosan így írható le a bomlás (Halliburton, 2008): 𝐴 𝑍𝑋
→
𝐴 𝑍−1𝑌
+ 𝛽+,
(1.5)
ahol X az anyaelem, Y a leányelem, 𝛽 + a keletkező sugárzás. Pozitív béta bomláson megy keresztül például a 12-s Nitrogén (Halliburton, 2008): 12 7𝑁
→
12 6𝐶
+ 𝛽+
(1.6)
2.2.2.3 Elektron befogás jelensége Ilyen reakció esetén az atomban a maghoz közellévő elektron és a magban lévő proton kapcsolódik össze, és alkotnak egy neutront. A pozitív béta bomlással, kompetitív helyzetben vannak. Az átalakulás során a képződő neutronon kívül egy elektron-neutrínó keletkezik. A folyamat általánosan így írható le (Halliburton, 2008): − 𝛽𝑏𝑒𝑓𝑜𝑔𝑜𝑡𝑡 + 𝐴𝑍𝑋 →
𝐴 𝑍−1𝑌 ,
(1.7)
− ahol 𝛽𝑏𝑒𝑓𝑜𝑔𝑜𝑡𝑡 a befogott elektron, X az anyaelem, Y pedig a leányelem. Elektron befogás
figyelhető meg például a 40-s Kálium izotópnál (Halliburton, 2008): − 𝛽𝑏𝑒𝑓𝑜𝑔𝑜𝑡𝑡 + 40 19𝐾 →
40 18𝐴𝑟
(1.8)
4
2.2.3 A gamma bomlás jelensége Az alfa és béta bomlások során keletkező atomok gerjesztett állapotúak. Ez nem stabil állapot, így a stabil állapot eléréséhez a felesleges energiát gamma foton formájában adják le. Fontos megjegyezni, hogy míg az alfa és béta bomlás során a sugárzást töltéssel rendelkező részecskék alkotják, a gamma sugárzás esetében részecske hullám kettős tulajdonsággal rendelkező fotonok alkotják azt. Ez a sugárzás az elektromágneses sugárzások spektrumában a legnagyobb frekvenciájú és legkisebb hullámhosszú. Áthatoló képességét tekintve a gamma foton igen erős áthatoló, ionizáló, vagy gerjesztő hatása azonban a másik két sugártípushoz képest fajlagosan kicsi. A kőzetek természetes gammaintenzitása jól mérhető a felszínen vagy fúrólyukban. Általános gamma reakció a következőképpen írható fel (Halliburton, 2008): 𝑋 → 𝑌𝐺 , 𝑌 𝐺 → 𝑌 𝐾𝐺 + 𝛾,
(1.9) (1.10)
ahol X az anyaelem, 𝑌 𝐺 a gerjesztett leányelem, 𝑌 𝐾𝐺 a kevésbé gerjesztett, vagy stabil leányelem, 𝛾 pedig a gamma sugárzás (Halliburton, 2008).
2.3 Radioaktivitás alapegyenlete és egyéb mutatók A radioaktivitás jelenségéről elmondható az is, hogy statisztikus jelenségnek számít. Alapvetően az, hogy egy instabil radioaktív atom mikor bomlik el, csupán az idő függvénye. Különböző időpontokban mérve eltérő bomlásszámokat kaphatunk, de amennyiben ezek a mérések ugyanolyan időintervallum hosszúságúak, úgy megfigyelhető, hogy egy átlagérték körül ingadoznak azok. Így a bomlás és az idő között felírható egy kapcsolat (Ellis, 2007): 𝑃(𝑑𝑡) = 𝜆𝑑𝑡,
(1.11)
ahol P(dt) a bomlás valószínűsége egy adott dt időintervallumban, 𝜆 pedig a bomlási állandó. (A bomlási állandó megadja az 1 másodperc alatt elbomlott és a bomlás előtt meglévő atomok hányadosát, mely anyag jellemző mennyiség). Folytatva az idő és a bomlások kapcsolatát, ha az előző képletet (1.11) kibővítjük NP darab bomló részecskével, az alábbi összefüggéshez jutunk (Ellis, 2007): 𝑑𝑁 = 𝑁𝑃 𝑃(𝑑𝑡) = −𝜆𝑑𝑡𝑁𝑃 ,
(1.12)
ahol dN az NP részecskékben végbemenő bomlások száma. Ebből (1.12) az összefüggésből eljuthatunk a radioaktív bomlás alapegyenletéhez (Ellis, 2007): 𝑁𝑃 = 𝑁𝑖 𝑒 −𝜆𝑡 ,
(1.13)
5
amelyben NP a megmaradt részecskék száma t időpillanatban, Ni pedig a kezdeti időpillanatban meglévő részecskék száma. A bomlás alapegyenlete és a bomlási állandó elvezethet minket ahhoz a mennyiséghez, mely megadja, hogy adott anyagnak mennyi idő szükséges, hogy bomlással felére csökkenjen a mennyisége. A felezési idő így megkapható az alábbi módon: 𝑡1⁄ =
0,693
2
𝜆
,
(1.14)
ahol a 𝑡1⁄ az adott elemre jellemző felezési idő, a 𝜆 pedig a már korábban említett bomlási 2
állandó (Ellis, 2007). A radioaktív sugárzás energiája igen fontos jellemző méréstechnika szempontból. A sugárzás energiáját elektronvolt (eV) egységben szokás megadni. Egy részecske energia változása 1 eV, amennyiben vákuumban 1 V potenciálkülönbségű téren halad át (Hursán, 1996).
2.4 Gamma foton és az anyag reakciói Mélyfúrási geofizikai alkalmazások szempontjából alapvető fontosságú a gamma fotonok reakciója a kőzettel. Ebben az esetben a gamma foton energiájától függően 3 fajta reakció típust különítünk el.
2.4.1 Fotoelektromos abszorpció jelensége Fotoelektromos abszorpció vagy fotoelektromos effektus (ld. 2. ábra): az a reakció, amikor a gamma foton egy atommal, azon belül is egy elektronnal ütközik, és a foton teljes energiája átadódik az elektronnak. Amennyiben ez az energia kellően nagy, akkor az érintett elektron leszakad az atomról, és egy szomszédos atommal léphet reakcióba. Az atomból kiszakadt elektron miatt az atom gerjesztődik. A nyugalmi állapotba való visszatéréshez átrendeződik az atom elektron szerkezete, és eközben a fölös energiájától röntgen sugárzás formájában szabadul
meg,
ami
atomszámtól
függően
specifikus.
Fotoelektromos
effektus
bekövetkezésének valószínűsége csökken a gamma foton energiájának növekedésével, így a jelenség 0,5 MeV alatt következik be és 100 keV környékén a domináns. A reakció érzékeny az átlagos atomszámra is (Ellis, 2007).
6
2. ábra: Fotoeffektus egy atom elektronfelhőjében (forrás: Hursán, 1996)
2.4.2 Compton szóródás jelensége A gamma foton elektronnal ütközve ekkor is átadja energiáját, azonban ebben az esetben nem az egészet. Az ütközés és energia közlés hatására az elektron elmozdul egy adott irányba, és a gamma foton is az ütközést megelőző pályairányától adott mértékben eltérve folytatja útját (ld. 3. ábra). Ezeket az elmozdulás irányokat befolyásolja a beérkező gamma foton energiája. Alapvetően a szóródás során a szóródási szög, azaz az elmozdulás iránya anizotrop tulajdonság. Magas energiájú fotonoknál a 0° felé közelít a szög. Az energia csökkenésével növekszik ez a szög és a reakció közelít az izotróp eset felé. Egy szóródott gamma foton amennyiben ismét ütközik egy elektronnal, úgy újabb szóródást szenvedhet, tehát ismét veszíthet az előző reakcióban megmaradt energiájából, és ismét módosul a pályája. Compton szóródásra a 1,022 MeV energiaszint alatti gamma fotonok hajlamosak. A reakciót nagyban befolyásolja az anyag sűrűsége (Ellis, 2007).
7
3. ábra: Compton szóródás folyamata egy atomban (forrás: Hursán, 1996)
2.4.3 Párkeltés jelensége Az 1,022 MeV-nál nagyobb energiájú gamma fotonok reagálnak ilyen módon az anyaggal. Az atom elektron felhőjébe jutva a gamma foton egy elektron- pozitron párrá alakul (ld.4. ábra). Az elektron és pozitron létrehozásához szükséges energia egyaránt 0,511 MeV. A beérkező foton energiája megegyezik a keletkező pozitron és elektron energiájának valamint a képződésükhöz szükséges energia összegével. A reakció során keletkező pozitron megsemmisülése közben 2 darab 511 keV energiájú gamma fotont bocsát ki. A reakció nagyban függ az atom töltésétől, és a rendszámától is (Ellis, 2007).
8
4. ábra: Párkeltés folyamata egy atom elektron felhőjében (forrás: Hursán, 1996)
2.4.4 Visszaszóródás jelensége Ezekhez a reakciókhoz, valamint a bomlások során keletkező eltérő energiájú gamma fotonok meglétéhez köthető a visszaszóródás jelensége. Ekkor a tórium bomlási sor elemeiből kilépő gamma fotonok között van olyan energiájú, mely megjelenhet az urán és/vagy a kálium bomlása során keletkező fotonok energia szintjén, továbbá az urán bomlási sorában szereplő elemekből emittálódó fotonok közül van, ami a kálium szintjén jelenhet meg. Ennek méréstechnikai következményeit később tárgyalom (Baker Hughes, 2002).
2.5 Radioaktivitás megnyilvánulása a természetben A természetes radioaktivitás jelenségéért alapvetően három elem és bomlástermékei felelősek. Ez a három elem a kálium az urán és a tórium. A Kálium tekintetében a 40 19𝐾 izotóp az, ami felelős a radioaktív sugárzás kibocsátásáért. A belőle negatív béta bomlás mellett belőle elektron befogással
40 18𝐴𝑟 ,
40 20𝐶𝑎 ,
40 19𝐾
izotóp 2 módon bomlik, lehet
ami nem jár gamma sugárzással, valamint lehet
ami viszont már emittál gamma fotont 1,46 MeV
energiával. (Baker Hughes, 2002) Urán tekintetében az
238 92𝑈
valamint az
235 92𝑈
izotópok szerepe jelentős, bár arányaiban az
első jóval nagyobb mennyiségben van jelen a természetben és a méréstechnikai jelentősége is annak nagyobb. Az urán a káliummal ellentétben jóval hosszabb bomlási soron (1. táblázat) keresztül jut el a stabil állapú leányeleméig (Halliburton, 2008).
9
1. táblázat: Urán bomlási sora, kiemelve a méréstechnikában fontos bizmut izotóp (forrás: Baker Hughes 2002)
A tórium esetében a
Elem
Bomlás típusa
Felezési idő
238 92𝑈
α
4,51 ∙ 109 év
234 90𝑇ℎ
β
24,1 nap
234𝑚 91𝑃𝑎
β
1,18 min
234 91𝑃𝑎
β
6,6 h
234 92𝑈
α
2,48 ∙ 105 év
230 90𝑇ℎ
α
8 ∙ 104 év
228 88𝑅𝑎
α
1620 év
222 86𝐸𝑚
α
3,82 nap
218 84𝑃𝑜
α, β
3,05 min
218 85𝐴𝑡
α, β
~2 s
218 86𝐸𝑚
α
1,3 s
214 82𝑃𝑏
β
26,8 min
𝟐𝟏𝟒 𝟖𝟑𝑩𝒊
α, β
19,7 min
214 84𝑃𝑜
α
1,6 ∙ 10−4 s
210 81𝑇𝑙
β
1,32 min
210 82𝑃𝑏
β
19,4 év
210 83𝐵𝑖
α, β
5,01 nap
210 84𝑃𝑜
α
138,4 nap
206 81𝑇𝑙
β
4,2 min
206 82𝑃𝑏
stabil
---------
232 90𝑇ℎ
izotóp a természetben előforduló és a radioaktivitásért felelős.
Az uránhoz hasonlóan ez az elem is bomlási soron (2. táblázat) keresztül bomlik (Halliburton, 2008).
10
2. táblázat: Tórium232 bomlási sora, kiemelve a méréstechnikában fontos tallium izotóp (forrás: Baker Hughes, 2002) Elem
Bomlás típusa
Felezési idő
232 90𝑇ℎ
α
1,42 ∙ 1010 év
228 88𝑅𝑎
β
6,7 év
228 89𝐴𝑐
β
6,13 h
228 90𝑇ℎ
α
1,91 év
224 88𝑅𝑎
α
3,64 nap
220 86𝐸𝑚
α
51,5 s
216 84𝑃𝑜
α
0,16 s
212 82𝑃𝑏
β
10,6 év
212 83𝐵𝑖
α, β
60,5 min
212 84𝑃𝑜
α
0,3 µs
𝟐𝟎𝟖 𝟖𝟏𝑻𝒍
β
3,1 min
208 82𝑃𝑏
stabil
--------
A kőzetekben az ásványos összetétel, azaz a 3 elem aránya határozza meg a radioaktív tulajdonságaikat (lásd 4. táblázat). A radioaktív ásványok megjelenése nagyban függ a kőzet képződési körülményeitől (Schlumberger CH, 1989). Kálium átlagos előfordulása a földkéregben 2,6% megközelítőleg (Halliburton, 2008). Alapvető forrásai a magmás kőzetek, melyekben a földpátok, csillámok és néhány egyéb ásvány kálium tartalma jelentős, például ortoklász, mikroklin, glaukonit, biotit, muszkovit. Magasabb kálium tartalmat figyelhetünk meg e magmás kőzetalkotók mállása után keletkező agyagásványokban is, például: illit, montmorillonit, klorit. A kálium vízoldékonysága jó, és széles pH tartományban oldatban is marad, azonban kevés része jut el sósvizes környezetbe, mivel az agyagásványok és a növények megkötik a víz kálium tartalmát. A sósvízbe jutott kálium - aminek átlagosan 380 ppm a koncentrációja - egy része élőlényekben kötődik meg, más része pedig evaporitként (lásd pl.: 3. táblázat) kristályosodik ki, mint például szilvin, kainit (Halliburton, 2008).
11
3. táblázat: Kálium tartalmú evaporitok (forrás: Ellis, 2007) K tartalom
Ásvány neve
Összetétele
Szilvin
KCl
52,44
Langbeinit
K2SO4(MgSO4)2
18,84
Kainit
MgSO4KCl(H2O)3
15,7
Karnallit
MgClKCl(H2O)6
14,07
Polihalit
K2SO4MgSO4(CaSO4)2(H2O)2
13,4
Glasszerit
(KNa)2SO4
24,7
(tömeg %)
Az urán átlagosan 3 ppm koncentrációban van jelen a kéregben (Halliburton, 2008), szintén megfigyelhető magmás kőzetekben, például gránit, granodiorit, szienit, riolit. Vízben, alkáli vagy oxidatív környezetben oldékony, savas vagy reduktív környezetben oldhatatlan. Oldhatósága miatt igen mobilis elem, így felszíni képződményekben nem található, főleg a karbonátokban ritka. Függőleges áramlási zónákban is képes közlekedni, például vetők, repedések, töredezett zónák mentén, ami főleg nagyobb mélységekben ahol reduktívabb a környezet figyelhető meg. Változatos hőmérséklet, nyomás, pH, áramlási körülmények között képes kikristályosodni. Vasvegyületek képesek megkötni. Jól kötődik szulfidokhoz, vagy szerves anyagokhoz. Ezen okból előfordulásai sókhoz is köthetőek, továbbá megfigyelhető magas urán koncentráció savas reduktív permeábilis tároló kőzetekben, főleg ha magas a szerves anyag vagy kénhidrogén tartalma. Képes kiválni olaj/víz réteghatáron is, amit szintén elősegít a magas kéntartalom (Halliburton, 2008). A tórium 12 ppm átlagos koncentrációval fordul elő a földkéregben (Halliburton, 2008). Akárcsak a másik két elem, ez is megtalálható magmás kőzetekben, sőt, az uránhoz viszonyított koncentrációja kőzettípusonként állandó. Vízben nem oldódik, alacsony a mobilitása, emiatt nehézásványokhoz kötődik, mint például monacit, cirkon. Továbbá mivel nem oldódik vízben és alapvetően stabil oxidatív körülmények között, így megfigyelhető megjelenése bármely tengeri ülepedési környezetben. Reziduális üledékekben gyakran koncentrálódik, ilyen például a bauxit, vagy különböző agyagásványok is. Palákban 8-20 ppm koncentrációval jelenhet meg agyagásvány tartalomtól függően (Halliburton, 2008).
12
A három elem ásványokban/kőzetekben való koncentrációinak szemléltetésére a 4. táblázatot mutatnánk be a teljesség igénye nélkül. 4. táblázat: Néhány ásvány/kőzet kálium, urán, tórium koncentrációja (forrás: Halliburton, 2008) Ásvány/Kőzet neve
K koncentráció U koncentráció Th koncentráció (%)
(ppm)
(ppm)
Allanit
30-700
500-5000
Apatit
5-150
20-150
Epidot
20-50
50-500
Monacit
500-3000
2500-20000
Andezit (átlagosan)
1,7
0,8
1,9
Alkáli bazalt
0,61
0,99
4,6
Karbonátok (átlagosan)
0-2 (0,3)
0,1-9 (2,2)
0,1-7 (1,7)
3-30
10-130
Bauxit Glaukonit
5,08-5,3
Illit
4,5
Biotit
6,7-8,3
<0,01
Muszkovit
7,9-9,8
<0,01
Diorit
1,1
Plagioklász
0,54
<0,01
Ortoklász
11,8-14
<0,01
Gránit
2,75-4,26
Foszfátok
6-50 1,5
2
6-19
8,5
3,6-4,7
19-20
100-350
1-5
2.6 Természetes gamma sugárzás mérése A természetes gamma mérések során a kőzetek természetes radioaktív sugárzását mérjük. Passzív módszerek, nem használnak sugárforrást csupán a mérés környezetéből érkező természetes sugárzást mérik. A természetes gammasugárzás mérésére többfajta eszköz is felhasználható a mérés helyétől és céljától függően.
13
2.7 Természetes gamma sugárzást mérő műszerek 2.7.1 Ionizációs kamra A detektor alapvetően egy kamrából és a kamrában 2 elektródából áll. A kamrát gázzal, vagy nemesgázzal töltik fel, az elektródákba pedig feszültséget vezetnek úgy, hogy kellően nagy potenciálkülönbség legyen a két elektróda között. A kamrába érkező radioaktív sugárzás hatására a benne lévő gáz ionpárokra bomlik. Ezek az ionpárok a pozitív és a negatív pólusnak megfelelő elektródák felé mozdulnak, majd azokat elérve impulzust hoznak létre. Egy impulzus egy sugárzó részecskének felel meg, az impulzus nagysága pedig a sugárforrás erősségének. Bármilyenfajta sugárzás mérésére alkalmas, felszíni alkalmazásai vannak, például erőművekben sugárvédelmi célok, vagy a Nagy Hadronütköztető egy detektorának részeként (Nagy Sándor, Nukleáris Glosszárium).
2.7.2 GM cső, vagy Geiger-Müller számláló A detektor egy fém henger, amiben egy elektróda szál fut tengelyirányban, mely szigetelve van a hengertől, és nagy feszültség különbséget tartanak fent a kettő között. Javítható a hatásfoka, ha a hengert nagy atomszámú abszorbenssel bélelik ki például ezüsttel. A hengert feltöltik szigetelő gázzal (pl. argonnal). A beérkező sugárzás a hengerben fotoelektromos abszorpció vagy Compton szóródás során elektronokat generál melyek gerjesztik a belső gázt. A körkörös elektromos tér gyorsítja ezeket az elektronokat, melyek újabb elektronokat generálnak. Az elektronok az elektródán összegyűlve impulzust generálnak. Minden a műszer holtidején kívül érkező részecske impulzust generál, így ez a műszer is alkalmas a sugárforrás erősségének meghatározására. Főleg felszíni alkalmazásai vannak ennek az eszköznek is, sugárvédelmi célokra, radioaktív sugárzás kimutatására, de vannak LWD azaz fúrás közbeni fúrólyukas alkalmazási technikák is, melyek ezt a detektortípust alkalmazzák (Ellis, 2007).
2.7.3 Proporcionális számláló Ez a detektor típus ötvözi az ionkamra és a GM-cső működési aspektusait, azaz gáz ionizáció megy végbe benne, és feszültség különbséget tartanak fent a detektorba, mely segíthet elektronlavinát kialakítani, és kontrollálni azt. Ennek következtében nem csupán a beérkező sugárzás mennyiségét képes meghatározni a detektor, de megfelelő beállítások mellett a beérkező sugárzás energiájával arányos jelet is képes generálni. Viszont a detektorban végbemenő folyamatok korlátozzák a mérési pontosságot, és a mérés sebességét is. Ennek a 14
detektor típusnak is felszíni alkalmazásai a jelentősek. Szintén alkalmas radioaktív sugárzás meghatározására, az előzőekkel szemben akár spektrális módon is, felhasználják még a Nagy Hadronütköztető detektoraiban is (Nagy Sándor, Nukleáris Glosszárium).
2.7.4 Szcintillációs detektor Miután a dolgozatom később erre a detektor típusra épül, így ennek a detektor típusnak a részletezése mélyebb lesz az ezt megelőzőekénél. A szcintillációs detektor felépítése alapvetőn 2 részre osztható (5. ábra). Az első része a detektor, a másik része pedig a fotoelektron-sokszorozó. Ahhoz, hogy megértsük a különböző detektor típusok létezését, először nagyvonalakban tisztázni kell, a működési elvét. A környezetből érkező sugárzás beérkezik a detektor részbe, ahol a felszabaduló részecskék felvillanásokat eredményeznek. A felvillanásokból származó részecskék a sokszorozó fotokatódjához ütköznek, mely szinte a teljes elektromágneses spektrumra érzékeny. Az ebből felszabaduló részecskék a dinódákhoz gyorsulva érkeznek, ahol újabb részecskéket felszabadítva megsokszorozódnak, és a végén az anódhoz érkezve egy elektromos impulzussá alakulnak. Egy foton hatására is kialakulhat ilyen impulzus. A képződő impulzus nagysága pedig, a megfelelő manipulációk után, arányos lesz a detektorba érkező sugárzás energiájával (Ellis, 2007).
5. ábra: Szcintillációs detektor felépítése (forrás: Bateman, 2015) A detektorral nem lehet azt meghatározni, hogy a felvillanás során keletkezett részecske milyen módon jött létre. A már korábban leírt gamma reakciók bármelyike eredményezheti azt (6. ábra), egy vagy akár több reakción keresztül, így a detektor hatékonysága függ a detektor méretétől, sűrűségétől, átlagos atomszámától, az optikai kapcsolásától a detektornak és a sokszorozónak, és a beérkező sugárzás energiájától (Ellis, 2007).
15
6. ábra: Gamma reakciók a szcintillációs detektorban: 4,44 MeV energiával rendelkező gamma foton reakciói egy NaI kristályban (forrás: Ellis, 2007) Megkülönböztetünk szerves és szervetlen detektor kristályokat egyaránt, de a fúrólyuk geofizikában a szervetlen detektortípusok az uralkodóak. A legáltalánosabban használt detektor a NaI(Tl) (nátrium-jodid) kristály, amit talliummal szennyeznek, hogy a felvillanások a megfelelő elektromágneses hullámtartományba essenek. Jó abszorpciós tulajdonságokkal rendelkezik, és elég rövid a holtideje, vagyis az az időintervallum, ami alatt nem képes egy beérkezés után elkülöníteni a következő beérkezéstől. A NaI kristály esetében ez 0,23 µs-ra tehető. Ez magas beütésszám érzékelését teszi lehetővé. Két új detektor típust dolgoztak még ki az utóbbi időben. Az egyik egy félvezető detektor, ami bizmut és germánium tartalmú. Félvezető tulajdonsága révén nagyobb mennyiségű információ hordozót képes generálni érzékelésenként, energiatakarékosabb jelszállítást tesz lehetővé, így nagyobb energia felbontásra képes. Sűrűsége duplája a nátrium-jodidos detektorénak,
16
így kisebb méretű is attól, azonban ez rontja az általános hatékonyságát. Holtideje 0,3 µs, ami még mindig elég kedvező, azonban félvezető tulajdonságának hátránya, hogy nagyon érzékeny a hőre. A hőmérséklet emelkedésével csökken a detektorban keletkező felvillanások száma, ami alapvetően is kevesebb, mint a nátrium-jodidban keletkezőé, így komolyabb hőszigetelést igényel. A másik detektor típus egy gadolínium ortoszilikát tartalmú detektor. Holtideje 50 ns amivel az előzőekhez képest is nagyon magas beütésszámot képes érzékelni, szintén nagy sűrűségű. Alapvetően a NaI detektorhoz képest ez is kevesebb felvillanást tud eredményezni, és működése ennek is nagyon hőmérséklet függő. Alkalmazhatóságát tovább korlátozza, hogy a gyártási nehézségek és költségek miatt csak kisméretű detektorok érhetőek el ezzel az anyaggal. Miután a keletkező impulzus arányos a beérkező sugárzás energiájával, így alkalmas az eszköz spektrális mérések kivitelezéséhez. Felszíni és fúrólyukbeli alkalmazásai egyaránt vannak, a legáltalánosabban használt eszköz a természetes gamma mérésére a fúrólyuk geofizikában (Ellis, 2007).
2.8 Természetes gamma sugárzás mérésére alkalmas eljárások Miután megismerkedtünk a természetes gamma sugárzás mérésére használt eszközökkel, bemutatjuk a természetes gamma sugárzás mérését érintő módszereket, melyeket fúrólyukakban is alkalmaznak.
2.8.1 Természetes gamma módszer Az integrális természetes gamma méréssel meghatározzuk a vizsgált közegben lévő radioaktív anyagok által spontán kibocsátott összes sugárzás mennyiségét. Ehhez semmilyen radioaktív forrást nem használunk fel, csupán az anyagok természetes úton kibocsátott sugárzását érzékeljük (Smolen 1996). Fontos, hogy ebben az esetben nem különítjük el a beérkező sugárzást energia szintenként, hanem a teljes beütésszámot egyben vizsgáljuk. Ezt a teljes beütésszámot API egységben szokás megadni, melynek eredetét későbbiekben tárgyalom. Ennek a mérésnek a kivitelezésére lehetőségünk van nyitott és csövezett lyukakban egyaránt. Agyagtartalom meghatározására alkalmas módszer (Bateman 2015). A természetes gamma index meghatározásával lehatárolhatóak a magas és kevésbé magas agyagtartalmú részek. A 𝐺𝑅−𝐺𝑅𝑚𝑖𝑛
𝐺𝑅𝐼 = 𝐺𝑅
𝑚𝑎𝑥 −𝐺𝑅𝑚𝑖𝑛
(1.15)
képlet alapján határozható meg a gamma index, ahol GR a mért beütés szám, GRmin az a beütés szám, ami az elméletileg szennyezetlen kőzetben mérhető (praktikusan a vizsgált
17
intervallum minimális GR kitérése), GRmax az a beütés szám, ami az elméletileg 100%-os agyagtartalom esetén mérhető (Bateman, 2015). Az (1.15) képlet alapján meghatározott gammai index nyújt alapot ezek után a vizsgált formáció agyagtartalmának meghatározására vonatkozó számításoknak. Lineáris közelítés esetében azzal a feltételezéssel élünk, hogy a gamma index megközelítőleg megegyezik a vizsgált kőzet agyagtartalmával. 𝑉𝑠ℎ ≅ 𝐺𝑅𝐼,
(1.16)
ahol GRI az (1.15) képletben meghatározott gamma index Vsh pedig a vizsgált kőzet agyagtartalma (Bateman, 2015). Nem lineárisan közelítő módszerekből több is kidolgozásra került. Ezek közé tartoznak például a Larionov formulák (Larionov, 1969): 𝑉𝑠ℎ = {
0,083 ∙ (23,7∙𝐺𝑅𝐼 − 1) 𝑡𝑒𝑟𝑐𝑖𝑒𝑟 , 0,33 ∙ (22∙𝐺𝑅𝐼 − 1) 𝑝𝑟𝑒𝑡𝑒𝑟𝑐𝑖𝑒𝑟
(1.17)
a Clavier formula (Bateman, 2015): 𝑉𝑠ℎ = 1,7 − √[3,38 − (𝐺𝑅𝐼 + 0,7)2 ] ,
(1.18)
és a Stieber formula is (Bateman, 2015): 0,5∙𝐺𝑅𝐼
𝑉𝑠ℎ = (1,5−𝐺𝑅𝐼) .
(1.19)
Ezekben a formulákban is a Vsh a formáció agyagtartalmát jelenti, a GRI pedig ismét az (1.15) képlettel meghatározott gamma indexet. Alkalmazás tekintetében a lineáris formula a legegyszerűbb, azonban ennek pontossága függ a mérés során meghatározott gamma indextől. Gyakorlati megfigyelések során arra a következtetésre jutottak, hogy ez a módszer durva becslésre alkalmas, és általában túlbecsüli az agyagtartalmat. A nem lineáris közelítések ezzel szemben már sokkal jobban közelítik a valóságot, ugyanis a lineárissal szemben más tényezőket is figyelembe vesznek a számításoknál. Ez figyelhető meg például az (1.17) képletnél, ahol a vizsgált kőzet kora alapján két különböző számítási mód van, tercier a fiatalabb pretercier az idősebb kőzetek esetében (Szabó és Kormos, 2012). A gamma index és az agyagtartalom kapcsolatát grafikonon ábrázolva is látható az eljárások közötti különbség (7. ábra). Az integrális gamma mérést elsősorban litológia meghatározására alkalmazzák. Manapság a legtöbb mélyfúrási információ szolgáltató cég a természetes gamma mérést kiegészítő mérésként és elsősorban mélységpontosításra használja nyitott és csövezett lyukakban egyaránt, továbbá rétegkorrelációs célokra is alkalmas (Smolen, 1996).
18
7. ábra: Gamma index és az agyagtartalom kapcsolata (forrás: Szabó, 2011)
2.8.2 Spektrális természetes gamma mérés Ahogy a neve is utal rá, ez a módszer is a vizsgált közeg természetes radioaktivitásából származó sugárzást méri. Szintén nem használ radioaktív forrást, és használható a módszer nyitott és csövezett lyukban egyaránt, bár ennél a módszernél a nyitott lyukas alkalmazás a számottevőbb. Azonban ez a módszer már nem csak a teljes beütésszámot méri, hanem a beérkező fotonok energiája alapján, egy beütésszám-energia spektrumot hoz létre (Smolen, 1996). Ennek a módszernek számtalan felhasználási módja van. A spektrum kiválóan alkalmazható arra, hogy meghatározzuk a már korábban említett radioaktivitásért felelős elemek ( 40 19𝐾
238 232 92𝑈 90𝑇ℎ),
továbbá azok leányelemeinek koncentrációját az adott közegben.
238 232 A 40 19𝐾 tömeg %-s koncentrációban, 92𝑈 és 90𝑇ℎ ppm-s (parts per million, azaz egy egység
milliomod része, 10−6 nagyságrend vagy µ prefixum) koncentrációban adható meg. Ez úgy lehetséges, hogy minden sugárzó elem által kibocsátott gamma foton energiája más és más, és ez az energia izotóp-specifikus. Kálium bomlásánál az 40 18𝐴𝑟 1,46 MeV energiájú sugárzás a meghatározó, a tórium bomlási sorából a 208 81𝑇𝑙 2,62 MeV energiájú sugárzása a lényeges, az urán esetében pedig a 214 83𝐵𝑖 1,76 MeV energiával rendelkező sugárzása fontos, ugyanis a hozzájuk tartozó csúcsok által határozható meg a három fő anyaelem koncentrációja (Schlumberger CH, 1989). Pontosabb agyagtartalom meghatározásra is képes, mint a 19
természetes gamma. A gamma index elemspecifikus változatai lehetővé teszik az agyagásványok elemenkénti vizsgálatát. Igen fontos eljárás e tekintetben a K/Th szintek alapján történő ásvány meghatározás, ugyanis az agyagásványok összetételében ásványra jellemző e két elem aránya (ld. 8. ábra) (Smolen, 1996). Geokémiai alkalmazásai is vannak. Más módszerekkel csatolva komplex litológia meghatározására alkalmazható (Bateman, 2015). A fotoelektromos abszorpciós index megállapításához használható, ami szintúgy litológiai térképezési célokat szolgál. A fotoelektromos abszorpciós index ugyanis függ a vizsgált anyag sűrűségétől és átlagos atomszámától, ami alapján következtetéseket vonhatunk le a vizsgált kőzetről (Ellis, 2007). Szénhidrogén tárolók helyzetét is képes behatárolni, litológia feltérképezésével meghatározhatóak a tároló szerkezetek, vagy például a szerves anyagban feldúsuló uránszint érzékelésével nem konvencionális tárolók esetében (Bateman, 2015). Radioaktív nyomjelző anyagok követését teszi lehetővé, akár többfajta forrásét is. Vízbeáramlási helyek kimutathatóak vele, például a beáramlás helyszínén kiülepedő urán detektálásával. Rétegkorreláció felállítására is alkalmas, nyitott és csövezett lyukak között (Schlumberger CH, 1989).
8. ábra: Agyagásványok K/Th koncentrációjának aránya (forrás: Ellis, 2007)
20
Az alábbi alfejezetekben bemutatunk néhány példát a módszer felhasználását illetően: 2.8.2.1 Réteghatár kimutatás bányákban Száraz robbantott lyukban alkalmazták a módszert szén/kőzet réteghatár kimutatására. Ennek során, a fotoelektromos abszorpció jelenségét használták fel. A kőzetekben nagy rendszámú elemek találhatóak, míg a szén inkább kis rendszámú elemekből épül fel, így más a fotoelektromos abszorpciós indexük. A spektrális szondát úgy állítják be, hogy alacsony energiaszinten érzékenyebben mér, így jobb felbontást kapnak abban a tartományban, ahol ez a reakció végbemegy. Meg kell jegyezni, hogy a módszer hatékonyságának javítása érdekében gyenge radioaktív forrásokat ( 137 55𝐶𝑠 és
133 56𝐵𝑎 )
alkalmaztak a mérés során
(Asfahani és Borsaru, 2007). 2.8.2.2 Szénhidrogén tárolók kimutatása Másik felhasználása során Egyiptomban több mérési területen határoztak meg szénhidrogén tároló kőzetet tórium normalizációs eljárást felhasználva (melyet először Al Alfy alkalmazott 2009-ben). A mérések során, a normálást követően, a mért K és U szinteket matematikai módszerekkel átalakítva (Saunders és társai, 1993) 𝐾𝐷% =
𝐾𝑠 −𝐾𝑖 𝐾𝑠
, 𝑒𝑈𝐷% =
𝑒𝑈𝑠 −𝑒𝑈𝑖 𝑒𝑈𝑠
,
(1.20)
ahol KD% és eUD% a mért értékek szórása, KS és eUS a mért értékek, Ki és eUi pedig a tórium normalizált K és U értékek, jutnak el egy mutatóhoz (𝐷𝑅𝐴𝐷 = 𝑒𝑈𝐷% − 𝐾𝐷%).
(1.21)
Ezt a mutatót összevetve a porozitással, szaturációval, agyagtartalommal lehetőség van elkülöníteni a szénhidrogént tartalmazó rétegeket. A több mérési területről származó adatokat összevetve az eljárás során kapott eredmények 70-80%-os egyezést mutattak, ami megfelelőnek tekinthető (I. M. Al-Alfy és társai, 2013). 2.8.2.3 Komplex litológia meghatározás további mérésekkel társítva Modellezések során sikerült bebizonyítani, hogy a kompenzált gamma (azaz a teljes gamma intenzitásból kivonva az urán által kibocsátott sugárzást) mérés párosítva sűrűség szelvényezéssel igen jó módszer ásványos összetétel meghatározására, így komplex litológiai vizsgálatokra. Az együtt történő használatuk ki tud küszöbölni olyan hibákat, melyek a módszerek egyéni használata során keletkeznének. Kiváló lehetőséget ad elkülöníteni egymástól az agyagásványokat, csillámokat, földpátokat, kvarcot, kalcitot, dolomitot, evaporitokat (John A. Quirein és társai, 1982). 21
3 Hazai gyakorlatban használt spektrális természetes gamma szondák, és a kiértékelés során használt számítások Az általános áttekintés után, mely a radioaktív mérések eszközeit és fajtáit érintette, szeretném bemutatni azokat a műszereket, melyekkel ma hazai és világviszonylatban ezeket a méréseket végzik. Alapvetően az ilyen méréseket végző szondák gyártásában három uralkodó céget vehetünk számításba. Ezek a Schlumberger, a Baker Hughes, és a Halliburton (Smolen, 1996). A Schlumberger üzletpolitikája miatt az általuk készített szonda nem elérhető a hazai mélyfúrási információ szolgáltatással foglalkozó cégeknek, így csak a másik két cég által gyártott szonda kerül bemutatásra.
3.1 A spektrális természetes gamma szondák felépítése A Baker Hughes által gyártott szonda, WTS 1329XA szonda, mely spektrális természetes gamma mérésére képes (Baker Hughes, 2002). A szonda általános felépítése: egy szcintillációs detektor és a segédelektronika található a szondában. A szcintillációs detektor egy CsI (cézium-jodid) kristályt tartalmaz. Ez a kristály jobban ellenáll a rezgésnek és a különböző sokkhatásoknak, mint más kristályok. A szonda és az érzékenyebb elektronika egy vákuum palackban helyezkedik el, mely hőszigetelőként szolgál (Baker Hughes, 2002). A WTS 1329XA szondáról tartalmaz néhány adatot az 5. táblázat, a teljesség igénye nélkül.
5. táblázat: WTS 1329XA szonda adatok (forrás: Baker Hughes, 2002) Maximális működési hőmérséklet: 400°F (204°C) 0,5 óráig vagy 350°F (177°C) 3 óráig
Maximális működési nyomás: 20000 psi (137,9 MPa)
Külső átmérő (szonda):
Minimális cső/lyuk belső átmérő
3,625 in. (9,2 cm)
4,75 in. (12,07 cm)
Hosszúság (szonda):
Maximális cső/lyuk belső átmérő
8 ft-9 in. (2,67 m)
központosítótól függ
Maximális szondázási sebesség: Spectralog módban:
Spectralog II módban
Természetes Gamma módban
10 ft/min (3 m/min)
30 ft/min (9 m/min)
30 ft/min (9 m/min)
Mérés tartomány 0,04-3,5 MeV
22
Erőhatás Eszköz tűrőképesség
Húzás
Nyomás
78000 lbs
78000 lbs
(35381 kg)
(35381 kg)
A Halliburton gyártmányú szondák közül a CSNG-I szonda említésre méltó. Ez a szonda szintén spektrális természetes gamma mérésére lett kifejlesztve (Halliburton, 2008). Alapvető felépítése ugyanaz, mint a másiké: szcintillációs detektor és segédelektronika. Ebben a műszerben azonban két detektor kristály és két sokszorozó található meg. Az első detektor egy NaI(Tl) kristály, a másik pedig egy CaF (kalcium-fluorid) kristály, amiben 241 95𝐴𝑚
található (ld. 9. ábra). A szonda maga titánium borítású, amiben az érzékenyebb
részek a másik szondához hasonlóan egy vákuum palackban találhatóak (Halliburton, 2008).
9. ábra: CSNG-I szonda amerícium forrásos szcintillációs detektora (forrás: Halliburton, 2008)
23
A CSNG-I szonda néhány adatát tartalmazza a 6. táblázat, ismételten csak a teljesség igénye nélkül: 6. táblázat: CSNG-I szonda adatok (forrás: Halliburton, 2008) Maximális működési hőmérséklet:
Maximális működési nyomás:
350°F (177°C)
19200 psi (132.379 kPa)
Maximális külső átmérő (szonda):
Minimális cső/lyuk belső átmérő
3,625 in. (9,2 cm)
4,5 in. (11,45 cm)
Hosszúság (szonda):
Maximális cső/lyuk belső átmérő
8,17 ft (2,49 m)
20 in. (50,80 cm)
Fúrólyuk, amiben üzemeltethető: Sós, édes víz, olaj bázisú, iszapban, levegő Ajánlott szondázási sebesség: 15 ft/min (5 m/min) Mérés tartomány 0-1500 API Erőhatás Eszköz tűrőképesség
Húzás
Nyomás
Forgató nyomaték
130000 lbs 130000 lbs
600 lb-ft
(59000 kg) (59000 kg)
(815 N-m)
3.2 Szondaműködés ismertetése A WTS 1329XA szonda felépítésének ismeretében szeretném bemutatni annak működési mechanizmusát. Mint azt már korábban bemutattuk a szcintillációs detektor a beérkező sugárzást elektromos impulzussá alakítja. Az ekkor keletkezett feszültség egy szűrőn és egy lineáris erősítőn keresztül egy többcsatornás mikroprocesszor által vezérelt spektrum analizátorba kerül. Itt az impulzust digitalizálják és a spektrum memóriába kerül. Egy energia szinthez egy 16 bites memóriacím tartozik, ami egy csatornának számít. A műszer 256 csatornára osztja a teljes spektrumot, ami ebben az esetben 0,15-3 MeV energiatartományban van (ld. 10. ábra). Minden egyes csatorna 64 ezer pulzust képes tárolni. Egyes csatornáknak az értéke lehet 0, ami annyit jelent, hogy az adott energia szinten nem érkezik be sugárzás. A beérkező sugárzás ezen felül energia ablakokba osztható, melyeknek meghatározott alsó és felső energia határa és csatornaszáma van, és az ablak intervallumának közepén valamely meghatározó radioaktív elemhez tartozó csúcs található. Miután a digitalizálás a műszeren belül történik, így az analóg jelnek nem kell hosszú utat megtennie, ami növelné annak az esélyét, hogy a jel gyengüljön, vagy megváltozzon útja során. Az 24
adatgyűjtés két lépcsőben történik. Először a teljes beütésszámot méri és továbbítja, majd a spektrális mérés következik. Általánosan alkalmazott eljárás során 4 minta/láb a mintavételezési arány, de lehetséges a 2 vagy 8 minta/láb is. Az adatok továbbításáról a telemetria gondoskodik, mely a mért adatokon túl a szonda állapotáról is információkat gyűjt. Mérés közben változhatnak a mérési környezet tulajdonságai, melyek hatással lehetnek a mérési pontosságra. Ilyen tulajdonságok a hőmérséklet és a nyomás. A bekövetkező változás elcsúszást eredményezhet a spektrumban, és a már korábban említett energia ablakok pozíciója elmozdulhat. Ezt megakadályozandó, mérés közben szabályozott nagyfeszültségű áramot vezetnek a sokszorozóba. Ez a feszültség olyan változásokat eredményez a beérkező jelben, ami hatására az ablakokat mindig a megfelelő energiaintervallumokban lehet tartani egy csúcskövető algoritmussal. A feszültséget a műszer maga is tudja szabályozni a mérés során, de lehetőség van a manuális beavatkozásra is. A műszer alapvetően három fajta mérési módban képes üzemelni: GR, SL, SL-II. A mérési módok részletesebb leírása az 5.1 fejezetben található (Baker Hughes, 2002). 7. táblázat: Adott elemekhez és a teljes gamma sugárzáshoz tartozó energia ablakok energia szint és csatorna határai, valamint az egyes elemekhez tartozó emissziós csúcsok csatorna és energia értéke (forrás: Baker Hughes, 2002) Csúcs
Energia ablak Elem
Csatorna Energia szint (MeV) Csatorna Energia szint (MeV) K
U
Th
Teljes gamma
94
1,31
113
1,57
115
1,6
139
1,93
177
2,46
211
2,93
28
0,39
255
3,46
105
1,46
127
1,76
188
2,62
25
10. ábra: A spektrális mérés során kapott energia spektrum ablakokba és csatornákba való felosztása (forrás: Baker Hughes, 2002) A CSNG-I szonda működése részben hasonlít, részben eltér az előzőétől. A szcintillációs detektorokból az impulzus ebben az esetben is feldolgozásra kerül, digitalizáljuk, majd három darab spektrumot származtatunk belőlük, egy kis energiájú (0-350 keV) (ld. 11. ábra) egy nagy energiájú (0-3 MeV) (ld. 12. ábra) és egy stabilizáló (ld. 13. ábra). Itt is 16 bites memória cím jut minden energia szintre, és ugyanúgy 256 csatornára osztja fel az egész spektrumot a műszer (ld. 10. ábra). Tizenhárom energia ablakot alakít ki a műszer, amelyeknek ugyanúgy, mint a másik típusnál alsó és felső határai vannak központjában a fontosabb energia csúcsokkal. A jeldigitalizálás itt is a műszerben történik, és a telemetria továbbítja a jelet a felszínre. A mérési körülmények itt is befolyásolhatják a pontosságot, ezért mérés közbeni kalibrálásra nagyfeszültséget alkalmaznak. Ennél a műszer típusnál azonban a feszültséget nem az ablakok elmozdulása alapján szabályozzák, hanem a korábban említett kalibráló harmadik spektrum alapján. Az
241 95𝐴𝑚
bomlása közben alfa és
gamma sugárzás szabadul fel. Az alfa sugárzás a CaF detektorban kerül átalakításra elektromos impulzussá, és az alacsony energiájú spektrumból kerül kivonásra. A gamma sugárzás kb. 20%-t detektáljuk a NaI kristályban és 60 keV energiával jelennek meg. Így a 26
műszer minden az alfa sugárzáshoz kötődő gamma sugárzást a kalibráló spektrumon jelenít meg. Amikor a mérés során valamilyen körülmény miatt ez a 60 keV-hoz tartozó jel eltér a spektrumban lévő helyétől, a jelfeldolgozó egység ezt érzékeli és automatikusan korrigálja a spektrumot a nagyfeszültség változtatásával (Halliburton, 2008).
11. ábra: CSNG-I szonda által mért kis energiájú spektrum (forrás: Halliburton, 2008)
12. ábra: A CSNG-I szonda által mért nagy energiájú spektrum (forrás: Halliburton, 2008) 27
13. ábra: A CSNG-I szonda által mért kalibráló spektrum (forrás: Halliburton, 2008)
3.3 Kiértékeléshez használt alapvető számítások A mérési eredmények kiértékelése alapvetően történhet a szelvényen ábrázolt adatok értelmezésével, de történhet különböző számítások elvégzésével is. Az integrális gamma mérés tárgyalása során említett 1.15, 1.16, 1.17, 1.18, 1.19. egyenlet mind ezek közé a számítások közé sorolható. Ezek segítségével határozható meg ugyanis az integrális természetes gamma mérési eredményekből a vizsgált kőzet agyagtartalma. A spektrális természetes gamma mérésnél szóba került, hogy pontosabb agyagtartalom meghatározásra képes. Ennek alapvető oka, hogy a gamma index meghatározása ebben az esetben elemspecifikusan történhet, az alábbi módon (Smolen, 1996): 𝐺𝑅𝐼𝐾 = 𝐾
𝐾−𝐾𝑚𝑖𝑛
𝑚𝑎𝑥 −𝐾𝑚𝑖𝑛
,
(2.1)
ahol GRIK a káliumra vonatkoztatott gamma index, K az aktuálisan mért kálium koncentráció, Kmin a vizsgált intervallum minimális kálium koncentrációja, Kmax a vizsgált intervallumban maximálisan mért kálium koncentráció. Hasonló analógiával határozható meg a tóriumhoz tartozó gamma index is (Smolen, 1996):
28
𝑇ℎ−𝑇ℎ𝑚𝑖𝑛
𝐺𝑅𝐼𝑇ℎ = 𝑇ℎ
𝑚𝑎𝑥 −𝑇ℎ𝑚𝑖𝑛
,
(2.2)
ahol GRITh az tórium vonatkoztatott gamma index, Th az aktuálisan mért tórium koncentráció, Thmin a vizsgált intervallum minimális tórium koncentrációja, Thmax pedig a vizsgált intervallumban mért maximális tórium koncentráció. A tórium és káliumhoz tartozó gamma index meghatározása (Smolen, 1996): (𝐾+𝑇ℎ)−(𝐾+𝑇ℎ)𝑚𝑖𝑛
𝐺𝑅𝐼𝐾𝑇 = (𝐾+𝑇ℎ)
𝑚𝑎𝑥 −(𝐾+𝑇ℎ)𝑚𝑖𝑛
,
(2.3)
ahol GRIKT a tóriumhoz és káliumhoz együttesen tartozó gamma index, Th, K az aktuálisan mért tórium és kálium koncentráció, Thmin Kmin a vizsgálati intervallumon mért minimális tórium és kálium koncentráció, Thmax Kmax pedig a vizsgálati intervallumon mért maximális tórium és kálium koncentráció (Smolen, 1996). A 2.1, 2.2, 2.3 egyenletek által definiált gamma indexekről elmondhatóak, hogy az integrális természetes gamma mérés során számítható gamma indexhez hasonlóan, különböző formulákkal közelíthetőbbek a valós agyagtartalom meghatározáshoz. Így például az 1.16 egyenlet által szemléltetett lineáris, vagy az 1.17 egyenlet által leírt Larionov formulával jobb közelítés adható az agyagtartalomra (Smolen, 1996) (ld. 7. ábra). Mindazonáltal így is hatékonyabb agyagtartalom becslésre képes, ugyanis az elemekre bontott gamma indexekkel pontosabban meghatározható egy ásvány/kőzet elemi összetétele. Ez alapján pedig, főként a kálium és tórium szinteket figyelembe véve a konkrét ásványtípus meghatározható (lásd 8. ábra valamint 4. táblázat).
29
4 Természetes gamma méréseket befolyásoló korrekciós tényezők Alapvetően bármilyen mérést végez az ember elmondható, hogy a mérés során beérkező adathalmazban a számára szükséges információt számtalan külső, vagy belső tényező befolyásolhatja. Ezeknek a befolyásoló tényezőknek a kiküszöbölésére korrekciókat szoktak használni. A korrekciók a befolyásoló körülményekhez hasonlóan nagy változatosságban fordulnak elő. Elvégzésükben is vannak különbségek, léteznek olyanok, melyeket mérés közben végeznek el, másokat elég a mérés befejezte után. A természetes radioaktivitást fúrólyukban mérő módszerek körében alapvetően két környezet különíthető el, csövezett és nyitott lyukak. Így a mérési környezet függvényében alakulnak ki a legfőbb korrekciós lépések is. Ebben az esetben nincs szükség az egyes gyártókhoz tartozó szondák külön tárgyalására, mivel minden típusú szondánál ugyanúgy szükségesek az alábbi korrekciós eljárások, melyeket a hozzájuk tartozó szoftverek segítségével végeznek el.
4.1 Korrekciós tényezők nyitott lyukakban Nyitott lyukakban az alábbi korrekciók nélkülözhetetlenek a mérések során:
4.1.1 Szondapozíció korrekciója Korrekciós
szempontból
két
alapvető
szondahelyzetet
különböztetünk
meg,
a
központosítottat, és a külső középpontos, vagy excentrikus helyzetet (Halliburton, 2012) (ld. 14. ábra). Az első esetben a szondavonatban megtalálható centralizálók segítségével a szondát a fúrólyuk középtengelyében igyekeznek tartani. A másik esetben a középtengelytől eltérő pozícióban helyezkedik el a szonda.
14. ábra: Szondapozíció megadása: (Yes centralizált, No excentrális pozíciót jelent) (forrás: Halliburton, 2010)
4.1.2 Lyukátmérő korrekciója Fontos, hogy a megfigyelő mindig tisztában legyen a fúrólyuk belső átmérőjével, amelyet két forrásból szerezhet meg. Vagy a fúrási naplóból, vagy a szondavonatban lévő caliper szonda segítségével (ld. 15. ábra). A caliper mérés feladata, a lyuk tényleges átmérőjének 30
mérése mechanikus karjai segítségével. A legtöbb esetben a caliper szonda megbízhatóbb információt ad, mint a fúrási napló (Halliburton, 2010).
15. ábra: Lyukbőség megadásának lehetősége korrekcióhoz, valamint caliper szonda adatok felhasználásának lehetősége: (Yes caliper szonda adat használatot, No állandó lyukátmérő használatot jelent) (forrás: Halliburton, 2010)
4.1.3 Iszapsúly korrekciója Amennyiben olyan fúrási környezetben történik a mérés, ahol valamilyen fúróiszap került alkalmazásra, úgy fontos megadni a lyukban található iszap súlyát árnyékoló hatása miatt (Halliburton, 2010). Ezt szemlélteti a 16. ábra.
16. ábra: Iszapsúly megadása korrekcióhoz (forrás: Halliburton, 2010)
4.1.4 Kálium tartalom korrekciója Fúróiszapok készítése során igen gyakran használnak fel kálium tartalmú anyagokat (pl.: KCl tartalmú iszapoknál) (Halliburton 2008). A kálium, ahogy már korábban írtam, fontos a természetes radioaktivitást mérő technikákban, így a fúróiszapban található kálium ismerete elengedhetetlen. Általában tömegszázalékban szokták megadni (ld. 17. ábra).
17. ábra: Iszap kálium tartalmának százalékos értékben megadása korrekciók elvégzéséhez (forrás: Halliburton, 2010)
4.1.5 Barit faktor korrekciója A baritot igen gyakran használják fel fúróiszapokban. Az ok, amiért fontos a mennyiségének ismerete, az összetételében esetenként előforduló kálium tartalomra vezethető vissza. A barit okozta eltéréseket, a barit faktor segítségével korrigálják (ld. 18. ábra).
18. ábra: Barit faktor megadása a szükséges korrekciókhoz (forrás: Halliburton, 2010)
31
4.2 Csövezett lyukakban fellépő korrekciós tényezők Csövezett lyukakban is felhasználhatóak egyes nyitott lyukas korrekciók, de másfajta korrekciós tényezők applikálására is szükség van. Az alábbi csövezésre vonatkozó korrekciók elvégzése minden esetben szükségszerű (ld. 19, 21, 23, 24. ábra) (Halliburton, 2010).
19. ábra: Csövezettség beállításának lehetősége további korrekciókhoz (Yes csövezett lyukat, No nyitott lyukat jelent) (forrás: Halliburton, 2010)
4.2.1 Szondapozíció korrekciója Nyitott lyukhoz hasonlóan a két eltérő szondapozíció itt is megjelenhet. A kezelő szoftver ismételten csak más és más korrekciókat végez külpontos és központosított méréseknél.
4.2.2 Lyukátmérő korrekciója Csövezett lyukaknál a nyitottakkal ellentétben nincs lehetőség a caliper szonda által meghatározni a lyukbőséget, így a fúrási naplóra kell hagyatkozni. Fontos megjegyezni, hogy a lyukátmérő továbbra is a fúrólyukra vonatkozik, nem pedig a belehelyezett cső átmérőjére .
4.2.3 Iszappal kapcsolatos korrekciók Vannak esetek, amikor fúróiszap jelenlétére csövezett kutakban is lehet számítani. Ilyenkor a nyitott lyukakhoz hasonlóan az iszap súlya, kálium tartalma, és barit tartalma fontos korrekciós paraméter. Ami a csövezést illeti, a kútszerkezet kialakításakor használhatnak egy vagy több különböző átmérőjű csövet, így a korrekciók e tekintetben eltérhetnek (Halliburton 2010).
4.2.4 Egyszerű csövezésnél fellépő korrekció Egyszerű csövezettség esetében (ld. 20. ábra) a cső külső átmérője és a cső súlya az a paraméter melyre korrekció szükséges (ld. 21. ábra). Csövezettség esetében ugyanis a vizsgált közegből érkező gamma sugarak nem a szondába érkeznek közvetlen. Ebben az esetben még át kell hatolniuk a csövezésen, aminek következtében különbözőképpen módosulhat a sugárzás, így a csövezés árnyékoló hatást fejthet ki (Halliburton 2010).
32
20. ábra: Egyszerű csövezés felépítése (forrás: Halliburton 2010)
21. ábra: Egyszerű csövezésnél beállítandó korrekciós paraméterek (forrás: Halliburton, 2010)
4.2.5 Összetett csövezésnél fellépő korrekció Összetett csőrakatok esetében (ld. 22. ábra) minden csőnek meg kell adni a külső átmérőjét és súlyát (ld. 23. ábra). Ebben az esetben az árnyékoló hatás még jelentősebb lehet (Halliburton 2010).
22. ábra: Összetett csövezés felépítése (forrás: Halliburton, 2010) 33
23. ábra: Összetett csövezés esetében fellépő korrekciós paraméterek (forrás: Halliburton, 2010)
4.2.6 Cement súly korrekciója Csövezett kutak esetében a csövön kívüli tér kitöltésére cementezést használhatnak, melynek súlya szintén fontos korrekciós faktor (ld. 24. ábra), és a csövezéshez hasonlóan komoly árnyékoló hatást fejthet ki (Halliburton 2010).
24. ábra: Cementezés során beállítandó korrekciós paraméterek (forrás: Halliburton, 2010)
4.2.7 Visszaszóródás korrekciója A korábban már említett visszaszóródás jelenségét (ld. 1.1.3.4 fejezet) Stripping eljárással szokták korrigálni. Ez az alábbi módon történik: 𝑇ℎ = 𝑇ℎ𝑧 ,
(3.1)
ahol Thz a mért tórium szint, Th a korrigált tórium szint, 𝑈 = 𝑈𝑧 − 1,04 ∙ 𝑇ℎ𝑧 ,
(3.2)
ahol Uz a mért urán koncentráció U a korrigált urán koncentráció, Thz a már előbb említett tórium szint, 𝐾 = 𝐾𝑧 − 1,19 ∙ 𝑈 − 1,08 ∙ 𝑇ℎ𝑧 ,
(3.3)
ahol Kz a mért kálium tartalom, K a korrigált kálium tartalom, U és Thz pedig az előzőekben már leírt mutatók (Baker Hughes, 2002).
4.2.8 Hőmérséklet korrekciója: Mérést befolyásoló tényezőként meg kell említenem a hőmérsékletet is. A hőmérséklet hatása alapvetően az energia spektrum görbéjének alakján figyelhető meg. A kapott emissziós spektrum ugyanis nem vonalas színkép jelleget vesz fel (ld. 25. ábra), hanem görbe alakot (ld. 10. ábra), mely visszavezethető a részecskék rezgésére és a doppler effektusra, melyre hatással van a környezet hőmérséklete. Elmondható, hogy a mérés sebessége és a hőmérséklet viszonylag lassú változása miatt nem okoz olyan látványos
34
változást a mérési eredményekben, a hőmérséklet hirtelen megváltozására lenne szükség a jelentősebb befolyásoló hatás eléréséhez (Bara, 2017).
25. ábra: Adott radioaktív elemekhez tartozó emissziós vonalak (forrás: Ellis, 2007)
35
5 Természetes gamma mérések során alkalmazott kalibrációs eljárások, valamint a mérést befolyásoló hibalehetőségek Az előző részben említett korrekciós tényezők használata mit sem ér abban az esetben, ha a mérőműszer, mellyel a mérést végzik, nem felel meg nemzetközi szabványoknak, melyek biztosítják a mérés megismételhetőségét. Ennek okán vezették be a kalibrációs és verifikációs lépéseket, melyeket a szondák gyártóinak ajánlása alapján is, érdemes 30 naponta elvégezni, valamint javítások után, vagy szoftveres frissítéseket követően is. Ezeknek a lépéseknek a sorrendje és mennyisége a mérésre használt műszertől függ, de nagyvonalakban hasonlítanak egymásra. A Baker Hughes WTS 1329XA szondája esetében ezek a lépések függnek a mérési üzemmódtól (Baker Hughes, 2002). A Halliburton CSNGI szonda esetében nincs ekkora változatosság (Halliburton, 2008). Fontos megemlíteni, hogy mindkét szondatípusnál az elsődleges kalibráció az API egységre történő kalibráció, mely egy amerikai szabvány alapján bevezetett mennyiség és a sugárzás mértékét hivatott jellemezni. Ehhez az eljáráshoz a Houstoni Egyetemen készítették el az API referencia kutakat. A gamma sugárzás mérésére kialakított kútnak a felépítése a következő: 3 darab 4 ft átmérőjű és 8 ft hosszúságú betongyűrűből alakították ki, mely gyűrűkből a felső és az alsó gyűrű alacsony aktivitású, míg a középső magas aktivitású, amit a cement mellé adagolt sugárzó anyaggal értek el (ld. 26. ábra). A magas és az alacsony aktivitású részen mért sugárzás értékek közti különbséget végül 200 egyenlő részre osztották, innen származik a korábban már említett API mértékegység. Vannak lehetőségek arra, hogy a műszert nem az API kutakban kalibrálják, hanem más ahhoz hasonló kalibrációs környezetben, azonban a legfőbb szondagyártók az eredeti API kutakat preferálják (Bateman, 2015).
36
26. ábra: Gamma szonda kalibrációra használt API gödör felépítése (forrás: Pap József, 2016)
37
5.1 WTS 1329XA kalibrációja Amint azt korábban is bemutattuk, a műszer képes három fajta módban mérni, mely módoknak kis mértékben eltér a kalibrációs és verifikációs lépései, és alapvetően ez képezi az SL és SL-II mérési eljárás közti különbséget (Baker Hughes, 2002).
5.1.1 GR mérési mód kalibrációja Ebben a módban csak a teljes beütésszámot méri a műszer. GR módban az API kalibrációt követően a telephelyen elvégeznek egy ellenőrzést, mely 2,5 µCi aktivitású
226 88𝑅𝑎
forrást
tartalmazó hitelesítő eszközzel történik. Az eljárás során először a háttérsugárzást regisztrálják, majd megfelelő eszközzel a sugárforrást a műszer közelébe juttatják, és mérik az általa okozott sugárzást is. Mivel mindkét mérés során ugyanakkora háttérsugárzás feltételezhető, így ha kivonjuk a sugárforrás alkalmazásakor kapott értékekből a háttérsugárzást, tudva, hogy a forrás mekkora mennyiségű sugárzást képes kibocsátani, ellenőrizhető a műszer kalibrációs beállítása. Ezután következhet a mérés előtti ellenőrzés, melynél az eljárás hasonlóan történik, mint a telepi ellenőrzésnél. Bár a terepen eltérhet a háttérsugárzás, de a két mérés közötti különbségnek ebben az esetben is megközelítőleg ugyanannyinak kell lennie. Megfelelő az ellenőrzés, ha a kapott API érték ±10%-ban tér el a telepitől. A mérés elvégzése után is szokás ellenőrizni a műszert. Az eljárás megegyezik az azt megelőzővel, és a hibahatár ebben az esetben is ±10% (Baker Hughes, 2002).
5.1.2 SL mérési mód kalibrációja Ennél a mérési módnál a teljes beütésszámon túl már spektrális méréseket is végez a műszer. SL módban az API kutas kalibráció helyett, egy 50 µCi aktivitású és ismert K, U, Th tartalmú homokkal teli “Spectralog Bucket” segítségével történik a műszer kalibrálása. Mivel ez a mód spektrális gamma mérésére képes, így a kalibráció során a megfelelő energia szinteket a megfelelő energia ablakokba igyekeznek beállítani. A kalibráció során a káliumot %-ban az uránt és tóriumot pedig ppm egységben adják meg. Ezt a kalibrációt követi egy elsődleges ellenőrzés mely során a terepi kalibrátorral leellenőrzik a műszer beállítását. Ezt követi a mérés előtti ellenőrzés, mely során az előző ellenőrzési pontban használt eszközzel ismét ellenőrzik a műszert. Amennyiben a kapott értékek K esetében ±10%-al U és Th esetében pedig ±7%-al térnek el, úgy a műszer használatra alkalmas. Mérés utáni ellenőrzésre ebben az esetben is sor kerül. A műszert továbbra is alkalmasnak tekinthetjük, ha az eltérések az előző ponthoz hasonlóan nem haladják meg a ±10% és a ±7%-t (Baker Hughes, 2002). 38
5.1.3 SL-II mérési mód kalibrációja Ilyen mérési eljárásnál az SL módhoz hasonlóan mér a teljes beütésszámot és spektrális értékeket is. SL-II módnál a kalibráció során a korábban már említett
226 88𝑅𝑎
sugárforrást
tartalmazó eszközt használják. A rádium több ismert energia szinten bocsát ki gamma sugárzást, amik adott energia ablakokba tartoznak, így a kalibráció során ezeket az energia ablakokat állítják be a megfelelő helyre. Ezt követi a terepi kalibrátorral történő verifikáció. A mérést megelőző ellenőrzés során ismételten a terepi kalibrátor kerül használatra, és hasonlóan az SL mérési módhoz, a hibahatár ±10% K esetében és ±7% U és Th esetében. A mérést követően ellenőrzésre kerül itt is sor. Megfelelő az eszköz, ha az eltérés ismét csak a már korábban említett intervallumokba esik (Baker Hughes, 2002).
5.2 CSNG-I műszer kalibrációja Ez a műszer alapvetően egyetlen mérési módban használatos, így a kalibrációja és verifikációja kevésbé sokrétű. Ennél az eszköznél a kalibrációt megelőzően ellenőrzik, hogy a műszer által mért három spektrum a megfelelő energia ablakokba esik-e. Ezt követően kalibrálják a műszert. A kalibrációt először API tesztegységben végzik (26. ábra), majd telepi kalibráció során Th tartalmú takaró segítségével. Telepi kalibráció során először megmérik a háttérsugárzást, majd csatlakoztatják a Th takarót. Ezt követően tudván, hogy a Th 4 energia csúcsot eredményez bizonyos ablakokban, szoftveresen beállítódnak az energia ablakok a háttérsugárzást felhasználva. Ezután jöhet a terepi kalibráció. Ennek során ismételten a háttérsugárzást valamint a Th takarót használják fel. Sikeresnek tekinthető egy kalibráció abban az esetben, ha a mért értékek megfelelő hibahatáron belül adott energia ablakokba esnek. A mérést követően elvégzett ellenőrzés során hasonlóan járnak el, mint a mérést megelőzően, és a műszer megfelelőségének feltételei is azonosak (Halliburton, 2008).
5.2.1 Spektrum kontrolláció Fontos megjegyezni, hogy a műszerek működése során említett magas feszültséggel működő spektrum kontrolláció szintén kalibrációs célokat szolgál, az előzőektől eltérően viszont ez képes mérés közben biztosítani a műszer megfelelőségét, természetesen bizonyos határok között.
39
5.3 Mérést befolyásoló hibalehetőségek A méréseket befolyásoló egyéb hibalehetőségek száma igen sok, így a teljesség igénye nélkül megemlítenék párat. Ilyen tényező lehet a mérési sebesség. Amint azt korábban láttuk, a radioaktivitás statisztikus jelenség, melynek időfüggése van. A mérési sebesség meghatározhatja, hogy adott mérési ponton mennyi ideig tart egy mérés, így hatással van a pontosságra és megismételhetőségre. Vannak bizonyos mérési módok, ahol éppen ezért fontos a jól megválasztott húzási sebesség, és általánosságban elmondható, hogy érdemesebb lassabb sebességgel húzni a szondát radioaktív méréseknél (Baker Hughes, 2002). Másik hibalehetőség abban rejlik, hogy manapság a mérések során már nem egy, hanem sokkal több szondatípusból álló szondavonatokat alkalmaznak, és vannak olyan szondatípusok, melyek hatással lehetnek a természetes gamma sugárzást mérő szondák méréseire. Azok a szondatípusok, melyek sugárforrásokat használnak, főleg a neutron források, képesek a mérési környezetet felaktiválni. Ennek eredményeként a környezetből további sugárzás érkezhet a természetes gamma szondákba, melyek nem a vizsgált közegről adnak információt, így hibás irányba mozdíthatja a mérési eredményeket. Ezért érdemes figyelmet szentelni erre a jelenségre, és sugárforrásos módszerek után, a természetes gamma méréseket megfelelő fenntartásokkal végezni (Baker Hughes, 2002).
40
6 Kútszakasz vizsgálat, méréseket befolyásoló tényezők szemléltetésével Az előző pontban felsorolt befolyásoló tényezőkből szeretném bemutatni a legfontosabbakat és azok hatását a spektrális gamma mérésekre. Szeretném szemléltetni a centralizáltság, a lyukátmérő, az iszap kálium tartalom, és az iszapsűrűség hatásait. Ehhez felhasználom egy közép-európai fúrásban végzett szelvényezés adatait, majd számítógépes szimulációkkal előállítok különböző mérési körülményeket, melyek az említett tényezők hatásait hivatottak demonstrálni. Szeretném megjegyezni, hogy a szimuláció (a feladatkiírásnak megfelelően) csak a lyuk egy adott szakaszára vonatkozik, mivel a szimulációk ilyen rövid szakaszon is megterhelőek bármilyen számítógép számára. Továbbá minden szimuláció során csupán egy adott paramétert változtattam meg, a jobb átláthatóság, valamint időre való tekintettel. Az eredményeket szelvényeken ábrázoltam, melyeket méretükből adódóan mellékletként csatolnék, azonban a szembetűnőbb változások szemléltetésére, a szelvények egyes részeit ábrák formájában a dolgozatban bemutatom. A görbéken megfigyelt változásokat pedig számszerűen is szeretném jellemezni, ezért egy RMS (relatív négyzetes eltérés) vizsgálatot is végrehajtottam. Ennek során bizonyos mélységpontokból a mérési eredményeket felhasználva meghatároztam, hogy az egyes paraméterek változása, milyen szintű eltéréseket eredményezett az adott görbéken. Ehhez az alábbi egyenletet használtam fel: 1
𝑅𝑀𝑆 = √𝑁 ∑𝑁 𝑖=1
(𝑥𝑖𝑎 −𝑥𝑖𝑣 )2 2 𝑥𝑖𝑎
,
(4.1)
ahol N a vizsgálati pontok száma, xia alaphelyzetű görbéről i pontban leolvasott érték, xiv a változtatott paraméterű görbéről i pontban leolvasott érték. Majd a 4.1 egyenletben meghatározott RMS mutatót százalékosítottam 𝑅𝑀𝑆 (%) = 𝑅𝑀𝑆 ∙ 100.
(4.2)
A kapott eredményeket táblázatba foglaltam (ld. 8, 9, 10. táblázat). Mielőtt elkezdeném a szemléltetést, pár adatot szeretnék megosztani a lyukról. Az általam vizsgált szakasz kb. 200m hosszú 952,58-1151,71 m mélység között van ábrázolva. Alaphelyzetben a lyuk átmérőjének meghatározása caliper méréssel történik, a benne lévő iszap sűrűsége 𝑔 1,12 ⁄𝑐𝑚3 , nem található az iszapban kálium, és excentrális pozícióban található a szonda. Az első szelvény maga az eredetileg mért adatokat ábrázolja (ld. 27. ábra). Látható rajta 2 szonda által mért természetes gamma szelvény (Gamma Total, valamint Gamma API) továbbá az egyikhez mérési pontosság is van társítva (Gamma Total Error). Megtalálható 41
rajta az urán kompenzált görbe, azaz amely a kálium és tórium okozta sugárzást méri (GammaKT), és a hozzá tartozó mérési pontosság (Gamma KT Error). Ezen kívül rajta van a spektrális mérésekből származó kálium (potassium) urán (uranium) és tórium (thorium) görbe a hozzájuk tartozó mérési pontossággal. Az értékek minden szelvényen ugyanazon az intervallumon belül fognak mozogni, mint az alapszelvényen, azaz a természetes gamma 0150 API között, a kálium 0-10% koncentráció között, az urán 0-10 ppm koncentráció között, a tórium pedig 0-30 ppm koncentráció között.
27. ábra: Alapszelvény
6.1 Szondapozíció hatása Az első szimulált szelvényen (ld. 28. ábra), a kiindulási paraméterek közül a szonda pozícióját változtattam meg, és centrális helyzetbe került a szonda. A szimuláció lefuttatása után az alábbi változások figyelhetőek meg. A természetes gamma értékek megnövekedtek (Gamma Total Cent). Növekedés jellemzi a kálium (Potassium Cent) urán (Uranium Cent) és a tórium (Thorium Cent) koncentrációit is. Alapvetően elmondható minden új görbéről, hogy jellegét tekintve igen jól korrelál az alapszelvénnyel (Gamma Total, Potassium, Uranium, Thorium), az értékekben való növekedés az egész görbére nézve viszonylag egységesnek tekinthető. A 8. táblázatban láthatóak az adatokban bekövetkezett növekedés. 42
Az relatív négyzetes eltérés (RMS) értékek szemléltetik a görbékben bekövetkezett változások mértékét. Az eredmények alátámasztják az összes görbében bekövetkezett változásokat, főként az urán és a tórium értékeknél. Hasonló változásokat tapasztalnánk, ha egy centralizált szonda kerülne excentrikus pozícióba. Ezzel a változtatással azt mutatnám be, hogy a szonda pozíció megváltozása minden mért értékben változást eredményezett, mely befolyásolhatja a későbbi értelmezést. A pozíció változásával ugyanis megváltozhat az a közeg, melyről az információkat kapjuk. Illetve a szonda mérési adatait kezelő program a korrekciók során máshogy számol központosított és máshogy külpontos szondapozíció esetén, amely így hol megnövelheti, hol lecsökkentheti az eredetihez képest a mérési adatokat. Gyakorlati vonatkozása akkor nyilvánul meg, mikor a vizsgálat közben a lyukban nem sikerül a szondát egy adott pozícióba rögzíteni és a szonda a lyukban pozíciót téveszt.
28. ábra Szondapozíció változtatásának hatásait bemutató szelvény (saját szerkesztés)
6.2 Lyukbőség hatása: A második szimuláció (ld. 29. ábra) során úgy állítottam be a paramétereket, hogy nem a korábban caliperrel meghatározott lyukátmérők alapján történjen a mérés, hanem egy előre beállított konstans lyukátmérővel. A lyuk átmérője 8,5 inch lett, mivel a fúrási naplóban ez volt megadva, mint a lyuk belső névleges átmérője. A szimuláció lefutása után az alábbi jelenségekre lettem figyelmes. Kismértékű eltérések ezúttal is minden görbén (Gamma Total Bitsize, Potassium Bitsize, Uranium Bitsize, Thorium Bitsize) megjelentek. 976,5-978,5 m 1001-1007,2 m 1054,8-1061 m 1076-1080 m 1095,2-1098,4 m mélység intervallumokon 43
figyelhető meg a legjelentősebb változás, de több más mélységű zónában is megjelenik kisebb változás. A 8. táblázatban ezúttal is számszerűsítve láthatóak a görbékben bekövetkezett változások, melyek alátámasztják, hogy ebben az esetben is minden mért értékre hatással volt a megváltoztatott tényező. Általánosan elmondható, hogy azokban a zónákban ahol a változások bekövetkeztek, a mért értékek csökkenése figyelhető meg. Ennek az az oka, hogy az a lyukátmérő melyet korrekciók szempontjából megadtam a programnak, nem jellemzi jól a teljes vizsgálati szakaszát a fúrólyuknak. Gyakorlati vonatkozásban ez annyit jelent, hogy a lyukfal több esetben eltér a tervezettől, ami visszavezethető kioldódásra, kavernákra, esetlegesen a lyukfal beomlására, stb. Ezen jelenségek következtében, miután a caliper használat híján nem volt részletes információnk a lyukátmérőről, a mérés során kapott adatok falsch eredményekre utalhatnak.
29. ábra: Lyukátmérő használat hatásait bemutató szelvény (saját szerkesztés)
6.3 Fúróiszapban lévő kálium hatása: A harmadik szimuláció (30. ábra) két részből tevődött össze. Mindkét esetben a lyukban található fúróiszap kálium tartalmát változtattam meg. Első esetben 10%-al második esetben 3%-al változtattam meg az iszap kálium tartalmát. Első esetben a változások igen drasztikusnak mondhatóak. A teljes gamma beütés szám látványosan csökkent (Gamma Total K10p). A megnövelt iszapbeli kálium, a mért kálium szint 0-ra való csökkenését eredményezte (Potassium K10p). A tórium görbén élesebben jelennek meg a koncentráció 44
változások (Thorium K10p), az urán görbe pedig az urán koncentráció többszörös növekedésére utal (Uranium K10p). Az előző két esettel szemben, ahol a változások viszonylag minden görbén azonos mértékűnek tekinthetőek, ennél a változtatásnál teljesen eltérő változásokat eredményezett. A szelvény ránézésre használhatatlannak tűnik. A második esetben mikor 3%-al növeltem meg a kálium szintet, már moderáltabb változásokat eredményezett. A természetes gamma ebben az esetben is csökkent (Gamma Total K3p), a kálium görbéről elmondható, hogy enyhén kisimult, nem jelennek meg rajta olyan mértékű változások, mint az alapszelvényen (Potassium K3p). Tórium esetében az eltérések enyhék, de itt is akárcsak a 10% esetében a koncentráció változások mértéke változott (Thorium K3p). Az urán koncentráció pedig megint csak megnövekedett (Uranium K3p). A 9. táblázatban számszerűsítve a görbékben bekövetkezett eltéréseket, mind a 10%-s mind a 3%-s adatok utalnak az előbb leírtakra. Jól látható, hogy a 10%-os változásnál kapott értékek legalább kétszeresük a 3%-os változásnál kapottaknak, ami jól mutatja az első esetben bekövetkezett drasztikus változásokat. Ezekkel az eljárásokkal azt próbáltam bemutatni, hogy milyen hatásai lehetnek annak, ha az iszapvegyész nem megfelelő kálium tartalmat oszt meg a mérést végzőkkel. A mérések során ugyanis az iszap kálium tartalmára vonatkozó korrekciók teljesen megváltoztathatják a mért értékeket, és elfedhetik a valóságot. A 3%-os eltérés életszerűbb, és mint látható már az is hatással van a mérési eredményekre, mely befolyásolhatja az értelmezést. A 10%-os változás kicsit meredekebb, de szakmabeliek szerint van, olyan iszap mely ilyen mértékben tartalmazhat káliumot, és ilyen esetekben jól láthatóan szinte teljesen elfedi a vizsgált közegben található kálium tartalmat, mely így szinte ellehetetleníti a mérést.
45
30. ábra: Iszap kálium szint változtatás hatásait bemutató szelvény (saját szerkesztés)
6.4 Iszap sűrűségének hatásai: Következő esetben (31. ábra) az iszap sűrűségét változtattam meg. Az előzőhöz hasonlóan 𝑔 ebben az esetben két részben végeztem a vizsgálatot. Először egy 1,65 ⁄𝑐𝑚3 sűrűségű, majd 𝑔 1 ⁄𝑐𝑚3 sűrűségű iszapot szimuláltam a lyukban. A sűrűbb iszap esetében minden görbén növekedés figyelhető meg (Gamma Total mw1.65, Potassium mw1.65, Uranium mw1.65, Thorium mw1.65) továbbá a növekedések egységesnek mondhatóak, nincsenek kiugró változások. A hígabb iszap esetében a természetes gammán (Gamma Total mw1), és tórium (Thorium mw1) görbén enyhe csökkenés figyelhető meg, a kálium esetében pedig némi növekedés (Potassium mw1), az urán (Uranium mw1) görbén nem figyelhető meg komolyabb eltérés.
A változások ebben az esetben is a teljes görbén egységesnek
mondhatóak, nem láthatóak rajta kiemelkedő eltérések. A 10. táblázat adatai az iszapsűrűség változása okán bekövetkezett, görbéken tapasztalható eltéréseket hivatottak bemutatni. Látható, hogy minél nagyobb léptékben változik a sűrűség, annál nagyobb léptékű eltérések tapasztalhatóak az eredményekben is. 46
Az első esetben, azaz a sűrűbb iszapnál, a változások visszavezethetőek az iszapsűrűséggel kapcsolatos korrekciók megváltozására, és/vagy az iszap sűrűségéért felelős anyagok között van olyan, amely tartalmazhat káliumot, és esetleg ez az előző pontban nem kerül korrigálásra. Egyúttal szemléltetheti ez a változás az iszapban bekövetkező ülepedést a fúrólyuk mélyebb részei felé, ugyanis az ülepedés következtében növekedhet az iszap sűrűsége, mely így a modellezett változásokhoz vezethet. A kisebb sűrűségű iszap esetében szintén köthető a változás a korrekciókban való eltéréshez, de az ülepedés jelensége is okozhat ilyen eltéréseket. Ilyenkor ugyanis az ülepedő anyag a mélyebb régiókba kerülve a magasabb részeken sűrűség csökkenést eredményezhet. Az iszapsűrítő anyagok, melyek tartalmazhatnak káliumot, ismételten csak elfedhetik a valós értékeit a vizsgált közegnek, a sűrűségre vonatkozó korrekciók következtében, amire a káliumban megfigyelhető enyhe növekedés utal csökkent iszapsúlynál.
31. ábra: Iszapsúly változtatás hatásait bemutató szelvény (saját szerkesztés)
47
8. táblázat: RMS adatok a centralizáltságban és a lyukméretben változtatott szelvényekről (saját szerkesztés) Változtatott paraméter Centralizáltság Lyukméter GR K U Th GR K U Th (API) (%) (ppm) (ppm) (API) (%) (ppm) (ppm) 0,097 0,099 0,119 0,364 0,021 0,078 0,157 0,032
Mért mennyiség RMS
9,749
RMS %
9,891 11,924 36,365 2,128 7,828 15,740 3,247
9. táblázat: RMS adatok az iszap kálium koncentrációjában változtatott szelvényekről (saját szerkesztés) Változtatott paraméter Kálium tartalom 10% Kálium tartalom 3% GR U Th GR U Th K (%) K (%) (API) (ppm) (ppm) (API) (ppm) (ppm) 0,397 1,000 0,954 0,074 0,115 0,439 0,280 0,028
Mért mennyiség RMS RMS %
39,695 100,000 95,370 7,393 11,454 43,947 27,990 2,778
10. táblázat: RMS adatok az iszap sűrűségében változtatott szelvényekről (saját szerkesztés)
Mért mennyiség RMS RMS %
Változtatott paraméter Iszapsúly 1,65 Iszapsúly 1 GR U Th GR K U Th K (%) (API) (ppm) (ppm) (API) (%) (ppm) (ppm) 0,093 0,291 0,220 0,870 0,025 0,034 0,000 0,032 9,322
29,106 22,014 86,984 2,539 3,425 0,000 3,248
48
7 A dolgozat eredményei és javaslattétel A dolgozat elején bővíthettem ismereteimet a természetes radioaktivitás jelenségét illetően, továbbá az eljárásokat és műszereket is lehetőségem volt megismerni, melyek e jelenségnek a mérését szolgálják. Ezek alapján elmondhatom, hogy a természetes radioaktivitás mérése manapság már rutinszerű és nélkülözhetetlen a mélyfúrási geofizikában ennek megfelelően a technológia és a mérési adatok feldolgozása már elég jól kiforrott. Azonban meg kell jegyezni, hogy a mérés továbbra sem tökéletes. A mérések során, mint ahogy igyekeztem azt szemléltetni is, mindig akadnak anomáliák, melyek befolyásolhatják a mérést végző számára az adatok valósághű értelmezését. Ahogy a szelvényen is látszik (28. ábra) a megfelelő szondapozíció megválasztása, azaz a centralizált vagy excentralizált pozíció megválasztása a mérést végző által igen lényeges, mivel a korrekciók és az eltérő behatolás miatt nem biztos, hogy arról a térrészről kap információt, amelyre a vizsgálat irányulna. Lyukbőséget érintő korrekciók tekintetében, a caliper szonda használata elengedhetetlen, mivel ez biztosít megfelelő pontosságú információt a fúrólyuk belsejéről (ld. 29. ábra). A fúrólyukban található iszap teljes és pontos ismerete is lényeges, mivel ahogy az korábban látszott (30 és 31. ábra), az összetételbeli pontatlanságok teljesen elfedhetik a valóságot, és az iszapban fellépő ülepedés, illetve a sűrűségében lévő eltérések, korlátozhatják a vizsgált közeg pontos feltérképezését. A táblázatos adatokat összevetve pedig arra a következtetésre jutottam, hogy az iszap kálium tartalmában bekövetkezett változások vannak a legmeghatározóbb hatással a mért értékekre (9. táblázat). Megfigyelhető az is, hogy minden megváltoztatott paraméter más és más mértékben befolyásolta az egyes mért értékeket (28, 29, 30, 31. ábra és 8, 9, 10. táblázat). Egyik esetben sem figyelhető meg ugyanolyan mértékű hatás a teljes gamma, kálium, urán és tórium szintek változásában. Persze az általam szemléltetett változások igazából nem csak magukban, hanem együttesen is megjelenhetnek. A mérnökök számára pedig az a feladat, hogy ezeket a hatásokat felismerjék és kiküszöböljék. Ehhez segítséget nyújthat, ha az általam bemutatni kívánt változásokat ismerik. Megeshet, hogy az elvégzett mérések után hibás a kapott szelvény, ezeknek az ismereteknek a tudatában azonban vissza tudják vezetni, hogy bizonyos változásokat mi okozhatott. A terepi értelmezés, a szelvény minőség megállapításának folyamatát tehát ezek az ismeretek előrébb lendíthetik. 49
A befolyásoló hatásokat természetesen fejlesztésekkel is ki lehet küszöbölni. Ezeknek a fejlesztéseknek véleményem szerint, ebben az esetben inkább az adatokat feldolgozó algoritmusokat, korrekciókat, valamint a korrekciós tényezők mérését (elsősorban az iszap K tartalma) kell érintenie, mintsem a szonda műszaki felépítését. Ezt arra alapoznám, hogy a szondák műszaki és elektronikai szempontból manapság már elég fejlettek, felbontó képességük a szükséges szintet eléri, és az általam vizsgált befolyásoló tényezőket, inkább matematikai úton lehetne kiszűrni, mintsem a szonda változtatásával.
50
Összefoglaló: A nyáron lehetőségem volt Szolnokon a Geoinform Kft csövezett lyukas mélyfúrási geofizikai
méréseket
végző
részlegén
gyakorlatot
teljesítenem.
Ennek
során
megismerkedhettem közelebbről a fúrólyuk geofizika szépségeivel, és a mérések fortélyaival. Később mikor eljött a szakdolgozat téma és ipari konzulens választásának az ideje, így esett a választás a konzulensemre és az általa ajánlott témára. A dolgozat első pontjában igyekeztem megfelelő és szükséges módon bemutatni a természetes
radioaktivitás
elengedhetetlenek szempontjából
jelenségét,
méréstechnikai
ismertettem
a
kiemelve
azokat
a
jelenségeket,
szempontból.
Ezután
a
mélyfúrási
radioaktivitásért
felelős
elemek
melyek geofizika
kőzetekben
való
előfordulásának lehetőségeit. Ezt követően pedig e sugárzás mérésére irányuló módszerek és eszközök általánosan kerültek bemutatásra. A következő pontban a hazai viszonylatban alkalmazott spektrális természetes gamma méréseket végző szondák kerültek bemutatásra, felépítésüket és működésüket illetően. Ez alapvetően a Halliburton és a Baker Hughes egy-egy szondáját érintette. A harmadik pontban ismertettem azokat a hatásokat, melyek a természetes spektrális gamma méréseket befolyásolják. Ezt követően a következő pontban bemutattam azokat a kalibrációs eljárásokat melyekkel biztosítják a mérések pontosságát, és megismételhetőségét, majd említést tettem olyan hatásokról melyek ronthatják a mérés pontosságát. Ezt követően szemléltettem egy fúrólyukban, pontosabban annak is egy részletén végzett mérésen keresztül néhány, a mérést befolyásoló tényező hatását a mérési adatokra. Majd igyekeztem a kapott szelvények alapján konklúziókat levonni. Végezetül pedig a szemléltetett befolyásoló tényezők alapján kifejtettem véleményemet a tekintetben, hogy szerintem mik a lehetőségek e zavaró hatások kiküszöbölésére. A dolgozat elkészítése során igyekeztem megfelelni a feladat kiírásában leírtaknak, és a készítéshez felhasználni az általam elérhető magyar és idegen nyelvű szakirodalmakat, melyek e témát érintik.
51
Summary: In the summer I had the opportunity to practice in Geoinform Kft. in Szolnok with cased borehole drilling geophysics. In doing so, I could learn more about the beauties of the borehole geophysics and the knack of the measurements. Later when the time of the thesis topic and industrial consultant's choise came, this was the choice for my consultant and the topic she recommended. At the first point of my dissertation, I tried to present the natural phenomena of radioactivity properly and necessarily, highlighting the phenomena that are indispensable from a metrological point of view. Then, in terms of borehole geophysics, I described the possibility of the occurrence of radioactivity elements in rocks. Subsequently, methods and tools for measuring this radiation were generally presented. At the next point, the probe with spectral natural gamma measurements applied at home was presented for their construction and operation. This basically affected Halliburton and Baker Hughes one probe. In the third point, I described the effects that influence natural spectral gamma measurements. Subsequently, in the next section, I presented the calibration procedures that ensure the accuracy and repeatability of the measurements. I have also mentioned some of the effects that can affect the accuracy of the measurement. Subsequently, I demonstrated the effect of some measurement factors on the measurement data in a borehole, or more precisely by measuring it on a single portion. Then I tried to draw inferences based on the obtained coupons. Finally, on the basis of the factors influencing my view, I expressed my opinion regarding the possibilities of eliminating these disturbing effects. During the dissertation I tried to comply with the description given in the thesis and to use the available Hungarian and foreign language literature for this subject.
52
Köszönetnyilvánítás Szakdolgozatom
elkészítése
nem
bizonyult
egyszerű
feladatnak.
Elkészítésének
megkönnyítése érdekében nem egy esetben számíthattam segítségre, melyet most szeretnék megköszönni. Köszönettel tartozom Dr. habil. Szabó Norbert Péternek, amiért volt szíves elvállalni a belső konzulens szerepét, valamint az ezzel járó nehézségeket, és a kezdetektől fogva segítette munkámat. Külön köszönet illeti Bara Pétert, aki, mint ipari konzulensem hozzájárult ahhoz, hogy szakmai tapasztalatai és tudása által, a dolgozatom első betűitől az utolsóig kellőképpen megfelelő legyen. Köszönetet mondanék Krégár Csaba a Geoinform Kft. munkatársának, aki bemutatta nekem a modellezéshez használt program működését. Hálával tartozom a Geoinform Kft. munkatársainak, hogy időt és fáradtságot nem spórolva segítettek engem a nyári gyakorlaton és a dolgozat készítése közben egyaránt. Végül, de nem utolsó sorban köszönetet mondanék a családomnak és barátaimnak, akik támogattak a dolgozat elkészítésében, biztatásukkal sokat segítettek.
53
Szakirodalom jegyzék: Baker Hughes (2002): 1329 DSL WTS Digital Spectralog. Montrose Training Centre oktatóanyag Baker Hughes (2006): Gamma Ray – Spectralog oktatóanyag Bara P. (2017): Természetes gamma mérés, Szolnok Darwin V. Ellis és Julian M. Singer (2007): Well Logging for Earth Scientists 2nd Edition. Springer Donald F. Saunders, K. Ray Burson, Jim F. Branch, és C. Keith Thompson (1993): Relation of thorium-normalized surface and aerial radiometric data to subsurface petroleum accumulations. Geophysics 58, (10) 1417-1427 Halliburton (2008): Compensated Spectral Natural Gamma Logging Tool (CSNG-I) Field Operations Manual Halliburton (2010): Compensated Spectral Natural Gamma Operations Principles oktatóanyag Halliburton (2012): GTET Operations Principles AFP Open Hole oktatóanyag Hursán L. (1996): Mélyfúrási geofizika. oktatási segédlet I.M. Al-Alfy, M.A. Nabih és E. A. Eysa (2013): Gamma ray spectrometry logs as a hydrocarbon indicator for clastic reservoir rocks in Egypt. Elsevier Applied Radiation and Isotopes 73, 90-95. J. Asfahani és M. Borsaru (2007): Low-activity spectrometric gamma-ray logging technique for delineation of coal/rock interfaces in dry blast holes. Elsevier Applied Radiation and Isotopes 65, 748-755 James J. Smolen, Ph.D. (1996): Cased Hole And Log Evaluation. Pennwell John A. Quirein, John S. Gardner és John T. Watson (1982): Combined Natural Gamma Ray Spectral/Litho-Density Measurements Applied to Complex Lithologies. Society of Petroleum Engineers of AIME Annual Technical Conference and Exhibition, 26-29 September, New Orleans, Louisiana Larionov VV (1969): Radiometry of boreholes (in Russian). Nedra, Moscow
54
Nagy Sándor, Nukleáris Glosszárium http://nagysandor.eu/nuklearis/glosszarium.html letöltés dátuma: 2017.04.18. Pap József, (2016): Radioaktív elvű mélyfúrási lyukműszerek kalibrációs, verifikációs és validációs módszerei. Szakdolgozat Pethő G. és Vass P. (2011): Geofizika alapjai. elektronikus jegyzet http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop425/0033_SCORM_MFGFT6001T/adat ok.html letöltés dátuma: 2017.05.08 Richard M. Bateman (2015): Cased-Hole Log Analysis and Reservoir Performance Monitoring Second Edition. Springer Schlumberger, (1989): Cased Hole Log Interpretation Principles/Applications Schlumberger, (1989): Log Interpretation Principles/Applications Szabó N, (2011): Mélyfúrási Geofizika oktatási anyag letöltés dátuma: 2017.04.23 Szabó N.P. és Kormos K. (2012): Édesvíztároló rétegek agyagtartalmának meghatározása fúrólyukszelvények faktoranalízise alapján. Magyar Geofizika 53. évf. 2. szám, 2-11
55
Ábrajegyzék: 1. ábra: Egy atom felépítése (forrás: Baker Hughes, 2006)................................................... 2 2. ábra: Fotoeffektus egy atom elektronfelhőjében (forrás: Hursán, 1996)........................... 7 3. ábra: Compton szóródás folyamata egy atomban (forrás: Hursán, 1996) ......................... 8 4. ábra: Párkeltés folyamata egy atom elektron felhőjében (forrás: Hursán, 1996) .............. 9 5. ábra: Szcintillációs detektor felépítése (forrás: Bateman, 2015) ..................................... 15 6. ábra: Gamma reakciók a szcintillációs detektorban: 4,44 MeV energiával rendelkező gamma foton reakciói egy NaI kristályban (forrás: Ellis, 2007) ......................................... 16 7. ábra: Gamma index és az agyagtartalom kapcsolata (forrás: Szabó, 2011) .................... 19 8. ábra: Agyagásványok K/Th koncentrációjának aránya (forrás: Ellis, 2007)................... 20 9. ábra: CSNG-I szonda amerícium forrásos szcintillációs detektora (forrás: Halliburton, 2008) .................................................................................................................................... 23 10. ábra: A spektrális mérés során kapott energia spektrum ablakokba és csatornákba való felosztása (forrás: Baker Hughes, 2002).............................................................................. 26 11. ábra: CSNG-I szonda által mért kis energiájú spektrum (forrás: Halliburton, 2008).... 27 12. ábra: A CSNG-I szonda által mért nagy energiájú spektrum (forrás: Halliburton, 2008) ............................................................................................................................................. 27 13. ábra: A CSNG-I szonda által mért kalibráló spektrum (forrás: Halliburton, 2008) ...... 28 14. ábra: Szondapozíció megadása: (Yes centralizált, No excentrális pozíciót jelent) (forrás: Halliburton, 2010) ................................................................................................... 30 15. ábra: Lyukbőség megadásának lehetősége korrekcióhoz, valamint caliper szonda adatok felhasználásának lehetősége: (Yes caliper szonda adat használatot, No állandó lyukátmérő használatot jelent) (forrás: Halliburton, 2010) ................................................. 31 16. ábra: Iszapsúly megadása korrekcióhoz (forrás: Halliburton, 2010) ............................. 31 17. ábra: Iszap kálium tartalmának százalékos értékben megadása korrekciók elvégzéséhez (forrás: Halliburton, 2010) ................................................................................................... 31 18. ábra: Barit faktor megadása a szükséges korrekciókhoz (forrás: Halliburton, 2010) ... 31 19. ábra: Csövezettség beállításának lehetősége további korrekciókhoz (Yes csövezett lyukat, No nyitott lyukat jelent) (forrás: Halliburton, 2010) ............................................... 32 20. ábra: Egyszerű csövezés felépítése (forrás: Halliburton 2010) ..................................... 33 21. ábra: Egyszerű csövezésnél beállítandó korrekciós paraméterek (forrás: Halliburton, 2010) .................................................................................................................................... 33 22. ábra: Összetett csövezés felépítése (forrás: Halliburton, 2010) .................................... 33 56
23. ábra: Összetett csövezés esetében fellépő korrekciós paraméterek (forrás: Halliburton, 2010) .................................................................................................................................... 34 24. ábra: Cementezés során beállítandó korrekciós paraméterek (forrás: Halliburton, 2010) ............................................................................................................................................. 34 25. ábra: Adott radioaktív elemekhez tartozó emissziós vonalak (forrás: Ellis, 2007) ....... 35 26. ábra: Gamma szonda kalibrációra használt API gödör felépítése (forrás: Pap József, 2016) .................................................................................................................................... 37 27. ábra: Alapszelvény ........................................................................................................ 42 28. ábra Szondapozíció változtatásának hatásait bemutató szelvény (saját szerkesztés) .... 43 29. ábra: Lyukátmérő használat hatásait bemutató szelvény (saját szerkesztés) ................. 44 30. ábra: Iszap kálium szint változtatás hatásait bemutató szelvény (saját szerkesztés) ..... 46 31. ábra: Iszapsúly változtatás hatásait bemutató szelvény (saját szerkesztés) ................... 47
57
Táblázatjegyzék 1. táblázat: Urán bomlási sora, kiemelve a méréstechnikában fontos bizmut izotóp (forrás: Baker Hughes 2002) ............................................................................................................ 10 2. táblázat: Tórium232 bomlási sora, kiemelve a méréstechnikában fontos tallium izotóp (forrás: Baker Hughes, 2002) .............................................................................................. 11 3. táblázat: Kálium tartalmú evaporitok (forrás: Ellis, 2007) .............................................. 12 4. táblázat: Néhány ásvány/kőzet kálium, urán, tórium koncentrációja (forrás: Halliburton, 2008) .................................................................................................................................... 13 5. táblázat: WTS 1329XA szonda adatok (forrás: Baker Hughes, 2002) ............................ 22 6. táblázat: CSNG-I szonda adatok (forrás: Halliburton, 2008) .......................................... 24 7. táblázat: Adott elemekhez és a teljes gamma sugárzáshoz tartozó energia ablakok energia szint és csatorna határai, valamint az egyes elemekhez tartozó emissziós csúcsok csatorna és energia értéke (forrás: Baker Hughes, 2002) .................................................... 25 8. táblázat: RMS adatok a centralizáltságban és a lyukméretben változtatott szelvényekről (saját szerkesztés) ................................................................................................................ 48 9. táblázat: RMS adatok az iszap kálium koncentrációjában változtatott szelvényekről (saját szerkesztés) ................................................................................................................ 48 10. táblázat: RMS adatok az iszap sűrűségében változtatott szelvényekről (saját szerkesztés) .......................................................................................................................... 48
58
