E n. Neutronenverfahren Physikalische Grundlagen. Neutronen n : elektrisch neutrale Teilchen,

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Kurt Keller
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1 Neutronenverfahren Physikalische Grundlagen Neutronen n : elektrisch neutrale Teilchen, 27 Ruhemasse des Neutrons m = kg, entspricht der Masse eines Wasserstoffkerns (Proton), Einteilung nach der Energie der Neutronen Schnelle Neutronen: E n > 100 kev einige MeV, Epithermische Neutronen: E n = 100 kev ev, Thermische Neutronen: E < ev. E n n

2 Neutronenverfahren = aktive Messung Neutronenstrahlung einer Quelle, Wechselwirkungsprozesse (Brems- und Einfangreaktionen) mit den Atomkernen des Absorbers, Messung der Streu(Rest)strahlung am Detektor. Die Neutronenwirksamkeit der gesteinsbildenden Elemente wird mit Wirkungsquerschnitten (Brems- und Einfangquerschnitt) beschrieben.

3 Neutronenquellen ( α n) - Mischquellen: Am Be Quellen mit E = 4.5 MeV α( ) Be Am C n n Neutronengeneratoren: beschleunigter Deuteriumstrahl 2 (schwerer Wasserstoff 1 H ) trifft auf Tritiumtarget (superschwerer 3 Wasserstoff 1 H ); E = 14 MeV n H H n Vorteile Ein- und Ausschalten gegenüber stationären Quellen, Genau definierte hohe Energie, große Eindringtiefe, Pulsbetrieb, zeitliche Neutronenimpulse.

4 Detektoren abhängig von den genutzten Wechselwirkungsprozessen Gammadetektoren (Szintillationszähler), integrale oder spektrale Messung der induzierten Gammastrahlung, Neutronendetektoren (Heliumzählrohre), thermische bzw. epithermische Neutronen He n H p

5 Wechselwirkungsprozesse Neutron-Neutron-Reaktion Elastische Streuung von Neutronen an Atomkernen ( Billardstoß ), Kern bleibt unverändert, Energieabsorption des Neutrons E < E, A n1 n0 A 0 Z 1 Z + n + n E n 1 E 2 n A A E n 1 0 = + 2 cosθ + 1 ( A + 1) A - Atommassenzahl, Θ - Streuwinkel, A 1 min, Θ = π / 2 En (min) = E 1 n0 A Wasserstoffatome mit A = 1 verursachen die größte Energieabsorption infolge der Massengleichheit von Neutron und Wasserstoffkern: E = 0 n 1

6 Anzahl N von Kollisionen zum Abbremsen schneller Neutronen auf thermische Energie für verschiedene Elemente Element N (4.2 MeV) N (14 MeV) H C O Al 290 Si 297

7 Neutron-Gamma-Reaktion I Unelastische Streuung von Neutronen an Atomkernen, Atomkern wird energetisch angeregt ( + E ), Energieabsorption des Neutron ( En = E ), 1 n E 0 Atomkern geht in den Grundzustand zurück, + E wird als elementspezifische Gammastrahlung emittiert. A A * A Z n0 Z n1 Z n1 + = + = + + γ Neutron-Gamma-Reaktion II Einfang von thermischen Neutronen, Einbau in den Atomkern, Freiwerdende Bindungsenergie + E wird als elementspezifische Gammastrahlung emittiert A A+ 1 A+ 1 th Z + n Z Z + γ

8 Bei Einfangprozessen dominiert neben Bor vor allem Chlor meist in Form von NaCl im Porenwasser Einfangquerschnitte Q (1 barn = 10 m ) für ausgewählte Elemente Element Q (barn) Element Q (barn) B 759 Mg 0.06 Cl 33 Na 0.53 H 0.33 Al 0.23 O Si 0.16

9 Neutron-Neutron-Messung Bestimmung des volumetrischen Wassergehaltes ( - Konzentration), Porosität Φ für S = 1 : W w v V V w = = SW Φ Sonde: Neutronenquelle + Detektoren im Abstand L (Spacing), Messgröße: Impulsrate thermischer und epithermischer Neutronen, I nn w v H + I nn ist abhängig: Spacing L, Bremsvorgängen (elastische, unelastische Streuung) und Einfangreaktionen.

10 Zusammenspiel beider Parameter bestimmt die Wirkungsweise einer Neutronensonde: Kurzes Spacing: in Quellnähe dominieren Bremsvorgänge Zunahme der thermischen/epithermischen Neutronendichte mit Zunahme des Wasserstoffgehaltes, In wassergesättigten Gesteinen ( S = 1 ) steigt Inn mit Φ. Langes Spacing: Einfangreaktionen führen zu einer Abnahme der thermischen Neutronendichte mit steigender Porosität. W

11 Unterschiedliche Abhängigkeit I nn = f ( w ; Φ) v I nn H-Gehalt kurzes Spacing Bremsvorgänge H-Gehalt langes Spacing Einfangreaktionen Neutron-Tiefensonde S-23.2 Ingenieurgeophysik Robertson Geologging Sonde NNTS Impulszähler Führungsrohr (Eisen) L = 20cm Detektor Zählrohr Am-Be A = 3 GBq L = 150cm D L Am-Be A = 37 GBq Q

12 0.45 Containerwert: Imp. / 30 sec. Wasserpunkt: Imp. / 30 sec. Kurzes Spacing: L = 20cm, SW < 1, zmax ca. 10 m, geotechnische Probleme. w V rollig Gemisch bindig Kalibrierung der n-n-sonde S mm Eisenrohr; Datum: Kunststoffstäbe; GGD Leipzig Polynom 3. Grades w V = A 0 + A 1 I nn + A 2 I nn 2 + A 3 I nn I nn pro 30 sec rollig Gemisch bindig A A * * *10-5 A * * *10-10 A * * *10-14 Korrelationskoeffizient R = 0.990

13 Hochwasserdamm bei Speyer / Rhein W V d (g/cm³) Wasserseite Dammfuß GW-Spiegel d Tr Sondierungsgestänge d = (1- Φ ) d F + w V d W d Tr = (1- Φ ) d F

14 Kalibrierung: Langes Spacing ROBERTSON Geologging, Sonde NNTS: L = 150cm, Kalibrierung in süßwassergesättigten ( S ), tonfreien Kalkstein- W = 1 Modellzylindern mit variabler Porosität Φ, Kalibrierfunktion: Φ nn I = a ln Φ + b - Neutronen- bzw. Kalksteinporosität, a, b - empirisch zu bestimmende Größen. nn Kaliberkorrigierte (D in inch) Kalksteinporosität in %: nn Φ nn 2 3 Φ = ( ln I ) D D D nn nn

15 Neutronensonde und Kalibriereinheit Filterkuchen Relief der Bohrlochwand Wasser Kalkstein 1.9% Detektor langes Spacing Detektor kurzes Spacing thermische Phase Abbremsphase (epithermisch) 1.83m Kalkstein 19% Kalkstein 26% n-quelle 77/8"Bohrloch 1.83m

16 Cal (inch) I nn in cps KL in % z in m NPOR(gl) DPOR(gl) EPOR(SHNO,Rm) Bohrung FREIBERG 3 Sonde: NNTS (FDGS, ELGG) (Korr: auf Grasnarbe)

17 Wasserstoffindex (hydrogen index) HI Wasserstoff besitzt in Gesteinen die dominierende Rolle bei der Energieabsorption von schnellen Neutronen, Normierung der Neutronenwirksamkeit der Gesteinsbestandteile auf Wasserstoff: Süßwasser: HI = Definition = 1, Flüssige KW-Stoffe: HI = 1, Gasförmige KW-Stoffe: HI << 1, geringe H-Konzentration und Druck- bzw. Temperaturabhängigkeit, Minerale: geringer Bremsquerschnitt HI << 1, Ton, Schluff: gebundenes Porenwasser HI = , Tonkorrektur.

18 HI Werte für Gesteinskomponenten (Kalksteinkalibrierung) Gesteinskomponente HI Gesteinskomponente HI Süßwasser 1 Quarz 0 Salzwasser (200000ppm) Erdöl (Mittelwert) 0.9 Calzit Dolomit 0.01 Gas (15 C, 0.1 MPa) Kalkstein 0 Gas (93 C, 48 MPa) 0.54 Gips 0.49 Ton Kohle Kaolinit 0.37 Chlorit 0.32 Zement 0.5 Glaukonit 0.19 Montmorillonit 0.17 Illit 0.09

19 Kalibrierung mit süßwassergesättigten, tonfreien Kalksteinzylindern: HI ( Kalkstein ) = 0 Φ = Φ F nn HI F - Wasserstoffindex der Festsubstanz Für ein beliebiges poröses Gestein folgt die Neutronenporosität (kalksteinkalibrierte Sonde): Φ = (1 Φ ) HI + ΦHI nn F P HI P - Wasserstoffindex des Porenfluids Mehrkomponentenmatrix: Matrixkorrektur (z. B. Sandstein) HI = n HI V F i i i= 1 Teilsättigung: Φ = (1 Φ ) HI + Φ ( S HI + S HI + S HI ) nn F W W Öl Öl Gas Gas

20 Eindringtiefe: Beeinflussung durch Wassergehalt bzw. Porosität der Formation: Porosität in % Eindringtiefe in cm Vertikales Auflösungsvermögen: z = cm.

23 Gepulste Neutron-Gamma-Messung (Thermal-Decay-, Neutron-Lifetime-Messung) Neutronengenerator: Neutronenimpulse von schnellen Neutronen = 14 MeV, neutron burst: 1000 Impulse/s, E n Bremsvorgänge: thermische Neutronen, Einfangreaktionen: Gammastrahlung, Messung des zeitlichen Abklingens der induzierten Gammastrahlung als Maß für die Abnahme des thermischen Neutronenflusses in Zeitfenster (gates) über eine Registrierzeit bis 2 ms: I( t) I 0 τ I ( t) = I e τ - Impulsrate nach einer Zeit t im Zeitfenster, - Impulsrate zu Beginn eines Zeitfensters, - thermische Abklingzeit in µ s (Neutron-Lifetime). γ 0 t I γ ( t)

24 τ Thermische Abklingzeit und makroskopischer Einfangquerschnitt Σ 4550 = τ Σ cm 1 - Produkt aus mikroskopischer Einfangquerschnitt (barn) und Anzahl der Atomkerne pro cm³ capture units c. u. = ( cm ) Bei Anwesenheit von Chlor und Bor ist der makroskopische Einfangquerschnitt Σ extrem hoch: sehr kurze Abklingzeit τ.

25 Material in c.u. Material in c.u. Quarz 4.25 Wasser (dest.) 22 Biotit Chlorit Glaukonit Salzwasser 100 g/kg NaCl 200 g/kg NaCl Orthoklas 15 Öl (Mittelwert) 22 Dolomit 4.8 Methan 3.8 Gips Halit Sylvinit Carnalit Anhydrit Σ Sand-/Kalkstein NaCl = 100g/kg Porosität 10% 20% 30% 9.0/ / /22.3 Tonstein Eisen Antrazit 22 Zement Σ

27 Anwendungen S W Bestimmung der Wassersättigung bzw. der Kohlenwasserstoffsättigung S = 1 S in produzierenden Bohrungen: KW W [ S S ] log = (1 Φ ) +Φ + (1 ) F W W W KW S W = ( ) Φ( ) log F KW KW Φ( ) W KW F ; W ; KW Φ - Einfangquerschnitte für die Festsubstanz; Porenwasser; Kohlenwasserstoffe, - Porosität.

28 Bestimmung der Tiefenlage des KW - Wasserkontaktes in produzierenden Bohrungen Messgröße: Gammaimpulsrate in mehreren Zeitfenster, thermische Abklingzeit τ τ Speichergesteine: KW - Stoffe ist groß, Formationswässer: Mineralisation mit hohem Cl-Gehalt, kurze Abklingzeiten, großer Einfangquerschnitt. Visuelle Bestimmung des KW - Wasserkontaktes (time lapse technique) Markante Änderung von τ und. log

Balken: innere, äußere Verrohrung, ING.K; ING.L: Summenkurven der Gamma- Impulsraten über alle Zeitfenster für das kurze und lange Spacing, Ratio: Quotient ING.K / ING.L, ING.K 1.

29 Balken: innere, äußere Verrohrung, ING.K; ING.L: Summenkurven der Gamma- Impulsraten über alle Zeitfenster für das kurze und lange Spacing, Ratio: Quotient ING.K / ING.L, ING.K (kurzes Spacing) Impulsraten in Zeitintervallen t = 120 µ s Beginn: 40 µ s nach dem Burst, Sigma ( log ) des kurzen und langen Spacings. Unterhalb Rohrschuh der äußeren Verrohrung z = 627m gasführender Speicherhorizont, ING.K 1 ( s) Bohrlochnaher Bereich (BL-Inhalt, Installation), ING.K 5 ( s) Aussagen zur Formation.

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