Geofizica- Cap 9.1

7/29/2019 Geofizica- Cap 9.1

1/36

9

CAROTAJUL RADIOACTIV

9.1. Radioactivitatea natural a rocilor

Prin radioactivitate se nelege proprietatea nucleelor de a sedezintegra spontan prin emisia unor radiaii de tip alfa, beta, gama saucaptarea de electroni de pe pturile interioare. Radioactivitatea este de doufeluri:

- radioactivitatea natural, descoperit de fizicianul francez HenriBacquerel (1852-1908) n anul 1896 i constnd din emisianatural a radiaiilor;

- radioactivitatea artificial, descoperit de soii Joliot-Curie n anul1934. Este provocat prin bombardarea unor nuclee stabile cuneutroni sau cu particule ncrcate.

Noiuni de radioactivitate

Atonul este cea mai mic particul elementar care mai posedproprietile chimice ale unui element. Fiecare atom se caracterizeaz prin:

- numrul de mas al nucleului "A". Dup cum se tie masa unuiatom eate concentrat n nucleu. Nucleele sunt alctuite din protoni i

neutroni. Numrul de protoni plus numrul de neutroni eate cunoscut canumrul de mas al nucleului.- numrul atomic "Z". Numrul de protoni este numit numrul

atomic al nucleului. El este notat cu "Z", sarcina electrica a nucleului esteeZ, unde e este sarcina elementar. Proprietile chimice ale unui atom suntdeterminate aproape exclusiv de sarcina nuclear deci Z este ocaracteristica a elementului chimic.

S-a constatat c exist multe familii de nuclee cu aceeai sarcin, darcu numere de masa diferite; aceste nuclee sunt denumite izotopi ai


2/36


238

elementului. Deci prin iaotopi se neleg specii nucleare cu acelai Z dar cu

numr de mas diferit.Atomii cu aceeai greutate atomic A, dar care difer prin Z se

numesc izobari, ei au proprieti chimice diferite.Atomii care au acelai numr de neutroni N, dar difer prin Z se

numesc izotoni.O categorie special o formeazizomerii care nu difer ntre ei prin

numrul de particule constitutive ale nucleului, ci prin energia pe care oposed nucleul.

Transformarea neutronului ntr-un proton i reciproc are loc conform

relaiilor: ++

01

11

10 epn i ++

01

10

11 enp (9.1)

In acest proces apar electroni sau pozitroni, precum i particule

neutrino si antineutrino

lipsite de sarcin i cu mas de repausneglijabil, ceea ce a condus la concluzia c protonii i neutronii sunt defapt unice particule nucleare numite nucleoni, particule aflate n stridistincte.

Nucleele care emit radiaii alfa , radiaii beta , sau radiaii gama poart numele de nuclizi radioactivi sau radionuclizi, iar speciile de atoniai aceluiai element care au astfel de proprieti se numesc izotopiradioactivi.

Radioactivitatea natural a elementelor uoare i medii este unfenomen rar. In cazul elementelor grele, ncepnd cu A>200,radioactivitatea natural este un fenomen general. Aceste nuclee formeaztrei serii radioactive naturale i anume:

- seria uraniului avnd cap de serie elementul 92U238;

- seria thoriului avnd cap de serie elementul 90Th232

;- seria actiniului avnd cap de serie elementul 89Ac235;

Trecerea de la un element la altul, n cadrul aceleiai serii radioactivese realizeaz prin dezintegrri sau n lan, terminndu-se cu unelement al fiecrei serii, n stare stabil. Pentru seria uraniului elementulstabil este 82Pb

26, pentru thoriu 82Pb208, iar pentru actiniu 82Pb

27.

Legile dezintegrrii radioactive

Dac notm cu N(t) numrul de radionuclizi existeni la momentul ti cu N(t)-dN, numrul de radionuclizi existeni dup scurgerea intervalului


3/36


239

de timp unitate, atunci n intervalul de timp dt, numrul de nuclee

dezintegrate este:dN = -N(t)dt (9.2)

Prin integrare se obine:

N(t) = Noe-t (9.3)

Constanta de integrare a fost obinut punnd condiia ca lamomentul iniial, t = 0, numrul de nuclee nedezintegrate s fie egal cu No,iar poart numele de conatant de dezintegrare sau constant radioactiv.

Relaia (9.3) care constituie legea de dezintegrare a unui elementradioactiv, exprim faptul c numrul de atomi radioactivi N(t) rminedezintegrai dup trecerea unui interval de timp t de la momentul iniial(cnd existau No atomi radioactivi) scade exponenial cu timpul. Cu ctconstanta de dezintegrare este mai mare, cu att viteza de dezintegrareeste mai mare.

Numrul de nuclee dezintegrate n unitatea de timp poart numele deactivitate ( ). Deci:

to eN

dt

tdNt ==

)()( (9.4)

Semnul minus din faa egalitii din relaia (9.4) arat scdereanumrului de radionuclizi. Produsul ooN = reprezint activitateasubstanei radioactive la momentul t = 0. Relaia (9.4) devine:

to et

= )( (9.5)

Dac se noteaz cu masa unui singur radionuclid rmasnedezintegrat le momentul tva fi data de relaia:

to eMtM

= )( (9.6)

unde M(t) este masa de radionuclid la momentul t, Mo - masa deradionuclid la momentul t = 0.

Numrul de radionuclizi la momentul t = 0 va fi egal cu:

oo NM = (9.7)


4/36


240

Folosind relaiile (9.5), (9.6) i (9.7) n principiu se poate determina

constanta de dezintegrare a unui radionuclid.Timpul n care numrul de nuclee iniiale se reduce la jumtate se

numete timp da njumtire T1/2. Aadar dac N(t) = No / 2, atonci relaia(9.3) devine:

2/1

20 T

o eNN = (9.8)

de unde rezulta c:

693,02ln2/1 ==T (9.9)

9.1.1. Radiaia alfa

Radiaia este alctuit din nuclee de 2He4 compuse din doi protoni

i doi neutroni. Majoritatea substanelor care emit radiaii sunt elementegrele, cu numrul atomic mai mare de 83.

Conform principiului conservrii sarcinii electrice i masei, nucleul rezultat dup dezintegrarea are numrul de mas mai mic cu patruuniti dect nucleul iniial X, iar numrul atomic mai mic cu doua uniti.

42

42 HeX

Az

Az +

(9.10)

Energia eliberate n procesul de dezintegrare apare ca energiecintetic a particulei i a nucleului rezultat, numit nucleu de recul.Energia nucleului de recul este att de mare nct poate prsi moleculainiial.

Energia particulei se pierde de-a lungul traiectoriei sale prininteraciuni cu paturile electronice ale atomilor (excitare i ionizare) i prininteraciuni cu nucleul (ciocniri elastice i reacii nucleare). Energiaparticulei este o mrime caracteristic att pentru radiaie, ct i pentruradionuclid. Energia iniial a particulei variaz ntre 2 i 8,8 MeV, ceeace la mase particulei de 6,6.10-24 grame corespunde unei viteze de 1-2.109cm/s.

Uneori, elementul nou format prin dezintegrarea radioactiv este unizomer, acesta eliminnd surplusul de energie sub form de radiaie


5/36


241

electromagnetica . Particulele alfa emise de radionuclizi au un spectru

discret de energie. Unul i acelai radioizotop poate s emit particule alfade energii diferite. In figura 9.1 este reprezentat spectrul alfa emis deradioizotopul 92U

235.

Fig.9.1. Schema de dezintegrar a 92U235

Lungimea traiectoriei unei particule se numete parcurs, acestafiind n general 1 - 8 cm n aer i de 10 - 15 m n roci. Parcursul estedeterminat de numrul de ciocniri pe care le sufer particulele cu atomiipe unitatea de distan, ciocniri n urma crora iau natere ioni primari,acetia preiau energie suficient pentru a produce la rndul lor ionizare,fenomen care poart numele de ionizar secundar. Energia particulei fiind foarte mare n comparaie cu energia necesar formrii unei singureperechi de ioni (numit energie de ionizare Wi) la o singur ciocnire,particula pierde puin energie i nu este aproape deloc deviat, atfel

nct traiectoria particulei este rectilinie. Cea mai mare parte a energiei uneiparticule se consum pentru formarea unul numr relativ mic de ioniprimari, 70% din ionizare datorndu-se ionilor secundari.

Dup cum s-a putut constata, particulele de aceeai energia auparcursuri puin diferite, fenomenul purtnd numele de difuzialongitudinal a parcursului. Aceasta este explicat prin variaia statistic anumrului de atomi ntlnii de particulele componente ale fascicoluluiradioactiv.

Intensitatea radiaiei se definete prin numrul de particule ce trecprintr-un centimetru ptrat de suprafa ntr-o secund. Intensitatea radiaiei


6/36


242

deasupra unui strat emitor crete odat cu grosimea acestuia. Aceast

cretere nceteaz atunci cnd grosimea stratului ajunge egal cu parcursulmaxim al radiaiei n mediul considerat. Un strat de substan radioactivcu aceast grosime se numete strat saturatpentru radiaia analizat. Pentrugrosimi mai mari de prob radioactiv, intensitatea rmne constant, ceeace se explic prin aceea c particulele emise de masa probei la oadncimemai mare dect parcursul maxim nu ajung la suprafa, ele atanundu-se n

nsi masa probei. Avnd n vedere puterea mic de ptrundere a radiaieii implicit valorile mici ale parcursului acesteia, rezult c n condiiile

curente de msur n teren sau laborator suntem ntotdeauna n prezena

stratelor saturate radioactive.

9.1.2. Radiaia beta

Dezintegrarea beta este procesul de transmutaie spontan a nucleelorinstabile n nuclee izobare al cror numr atomic variaz cu o unitate

1=Z , prin emisia de electroni (sau pozitroni) sau prin captarea deelectroni de pe nveliurile exterioare ale atomului.

Timpul de njumtire a nucleelor beta-active variaz de la 10

-2

secunde 2. 1015 ani.Dezintegrarea poate fi descris de una din ecuaiile:

+ ++ 0

11 eXA

zA

z (9.11)

++ +0

11 eXA

zA

z (9.12)

Energiile iniiale ale particulelor variaz continuu ntre zero i ovaloare Emax caracteristic radionuclidului generator. Ensrgia maxim

"Emax" a particulelor emise este cuprins ntre 18 MeV (pentru H13) i16,6 MeV (pentru N7

12). Acest fapt se explic prin mprirea static a

energiei dezintegrrii ntre particula , neutrino (sau antineutrino

) ielementul nou format , valoarea cea mai probabil a energiei particulei fiind 1/3Emax.

In majoritatea cazurilor dezintegrarea este nsoit de emisia deradiaii ca urmare a tranziiilor izomere.


7/36


243

Deoarece deutrinul nu are mas de repaus i este lipsit de sarcin

electric el interacioneaz extrem de slab cu materia i, ca atare, nu poatefi identificat. Din cele expuse mai sus rezult c n cazul dezintegrrii sunt observate nemijlocit numai particula i radiaia (fig.9.2).

Fig.9.2. Schema de dezintegrare a2712Mg

Interaciunea radiaiei cu materia se concretizeaz n difuzieelastic, ionizare i frnare n cmpul electric al nucleului.

- Difuzia elastic se caracterizeaz prin frecvente ciocniri ale

particulelor cu electronii i mai ales cu nucleele ntlnite, ciocniri nurma crora particulele nu-i pierd energia, ci i schimb doar direcia.Fasciculul de radiaii va fi mprtiat, difuzat i deci intensitatea radiaiei seva reduce.

- Ionizarea este fenomenul cu ponderea cea mai mare n cadrulinteraciunii radiaiei cu materia. Avnd masa mic, la o ciocnireparticula pierde o parte nsemnat din energia sa, modificndu-itraiectoria. Cedarea energiei prin ionizare depinde de viteza particulei ide elementul absorbant, fiind proporional cu numrul atomic Z al

absorbantului i invers proporional cu viteza particulei.- Frnarea n cmpul electric al nucleului, ca urmare a trecerii

particulei prin apropierea acestuia, are ca efect apariia unei radiaiielectromagnetice X.

Procesul are loc i prezint importana numai la energii mari aleparticulelor , radiaia de frnare crete odat cu creterea vitezeiparticulei i fiind proporional cu ptratul numrului atomic Z2 alabsorbantului.


8/36


244

Ca urmare a tuturor acestor fenomene de interaciune, intensitatea I a

unui fascicul de particule ce trece printr-un mediu scade exponenial cudistana d, Io fiind intensitatea n vecintatea sursei:

do eII

= (9.13)

In relaia (9.13) este coeficientul de adsorbie.

9.1.3. Radiaia gama

Radiaia electromagnetica emis de ctre nucleele atomice aflate nstare excitat se numete radiaie gama. Aceast radiaie apare n urmaproceselor de tranziie a nucleelor din strile excitate pe stareafundamental sau pe o stare excitat inferioar. Dup modul de producerese pot distinge radiaii de origine nucleara, radiaii X de frnare iradiaii de anihilare.

Din punct da vedere al frecvenelor, radiaia este caracterizat devalori foarte ridicate: 1018 1021 Hz. Energia radiaiilor electromagnetice

este emis sub forma unor uniti elementare de energie - cuante deenergie. Energia unei cuante E, depinde de frecvena a radiaiei duplegea lui Plack:

hE = (9.14)

unde h este constanta lui Planck, h = 6,62. 10-27 erg.s.Fiecrei cuante de energie i corespunde, conform dualismului unda-

particul, o particul numitfoton, a crei mas de micare echivalent estedat de legea lui Einstein:

E = m.c2 (9.15)

n care m este masa fotonului i c - viteza de propagar a radiaieielectromagnetice.

Din relaiile de nai sus rezult c pentru radiaiile de frecvenfoarte nalt corespund cuante de energie ridicati deci fotoni cu mas demicare mare, fapt care permite observarea aspectului corpuscular alcomportrii radiaiei (traiectorie, etc). Lungimea de und fiind n schimb


9/36


245

prea mic, aspectul ondulatoriu (difracie, interferen) este mai greu de

observat.

9.1.4. Proprietile radioactive ale rocilor

Proprietile radioactive naturale ale rocilor i formaiunilorgeologice sunt dependente de coninutul acestora n elemente radioactive imineralele acestora. Cunoaterea distribuiei spaiale a concentraiei lor estenecesar att n geofizica aplicat, pentru prospectarea zcmintelor de

minerale utile, ct i n fizica globului pentru lmurirea unor probleme lascara planetar (vrsta Pmntului, vrsta rocilor, probleme de cldura etc).Din numrul mare de elemente ce au izotopi radioactivi naturali,

numai cteva prezint importan n geofizica aplicat i anume: uraniul,thoriul i potasiul. Aceste elemente mpreun cu elementele radioactive cederiv din uraniu i thoriu (seriile radioactive ale U i Th) sunt sursaprincipal a radioactivitaii rocilor i joac rolul principal n toateproblemele radiometriei. De aceea, n msurtorile ce se efectueaz nprospeciunea radiometric se determin concentraia n U, Th, K i a

izotopului226

88Ra ce permite verificarea echilibrului radioactiv n seria23892U .

Concentraia relativ a acestor elemente n scoara terestr (clarck-ul)sunt redate n tabelul 9.1.

Concentraia diferit a uraniului i thoriului n diverse roci se explicprin comportarea acestora n procesele de cristalizare primar, alterare,transport i sedimentare.

Raza ionic mare, precum i numrul mare de valene ale ionilor deU i Th, mpiedic integrarea lor normal n reele cristaline a principalelor

minerale ce formeaz rocile. In schimb, ele formeaz nuneroase mineralecu o rspndire limitat.

In procesul de formare a rocilor magmatice, prin cristalizare primarU i Th neputnd fi prinse n reeaua cristalin a mineralelor obinuite, s-auconcentrat n topiturile reziduale, formnd minerale de cristalizare trziesau fiind incluse n spaiile interstiiale ale diferitelor faze cristaline. Astfelse explic coninutul sczut de uraniu i thoriu n rocile bazice, cristalizatela nceput, i creterea treptat a coninutului spre rocile acide, carecristalizeaz mai trziu. Proprietile asemntoare ale ionilor acestor


10/36


246

elemente, cnd se afl la valen minim (U4+i Th4+), determin apariia

lor n roci magmatice ntr-un raport foarte puin variabil, Th/U = 3-4.Tabelul 9.1. Clarck-urile U, Th, K (dup A.P.Vinogradov - cu completri)

Elementul Clarck-ulelementului

chimic% greutatea

Radio-izotop

Procent nelementul

natural

Clarck-ulizotopuluiradioactiv% atomi

Mecanismde

dezintegrare

Timp denjumt-

ire

Constantaradio-activ

23892U

99,2743 1,98.10-5 (8+6)serii dezint.5,4.10-5 %fisiunespontan

4,468.109 1,551.10-20U 3.10-4 %

23592U

0,7201 1,42.10-7 (7+4)serii dezint.fisiuneindus prinneutroni

7,038.108 9,848.10-20

Th 8.10-4 % 23290Th

100 7.10-5 (6+4)serii dezint.

1,401.1010 4,947.10-11

K 2,6 % 1940K

0,01167 1,54.10-4 10,5%capturelectroni89,5 %

1,250.109 5,544.10-10

Datorit capacitii sale de a oxida foarte uor (U4+U6+) i de a dacompui solubili (U6+) trece n soluiile pneumatolitice i hidrotermale idepune minerale la periferia intruziunilor magmatice. Thoriul fiindinsolubil cristalizeaz n faza pegmatitic.

Din aceleai motive n procesul de formare a rocilor sedimentare(alterare, transport, sedimentare) uraniul si thoriul se comport diferit. De

aceea, coninutul n aceste elemente n rocile sedimentare variaz n limitemai largi.Potasiul este relativ abundent n rocile magmatice, n special n cele

acide, participnd la formarea mineralelor principale. n granite,concentraia lui este relativ constant, n rocile bazice i n rocilesedimentare concentraia sa este mai variat, datorit proceselorgeochimice. n condiii exogene este luat n soluie i transportat n bazinede sedimentare, unde se poate redepune.


11/36


247

n general, radioactivitatea natural cea mai intens o au rocile

sedimentare, argilele depuse n zonele adnci ale bazinelor de sedimentare,urmeaz apoi n ordine descresctoare srurile de potasiu, argilele depuse

n zonele mai puin adnci ale bazinelor de sedimentare, marnele, argilelecalcaroase i nisipoase, nisipuri, gresii, calcare i dolomite, apoi gipsuri,anhidrite, sare gem si crbuni.

Creteri ale coninutului n elemente radioactive se nregistreaz laoricare din rocile sedimentare, dac rocile respective conin materialcoloidal.

De asemenea radioactivitatea rocilor sedimentare poate s creasc

brusc dac ele conin elemente radioactive (gresii monazitice, calcareuranifere etc.). Radioactivitatea rocilor se poate msura n unitile demsur prezentate n tabelul 9.2.

Tabelul 9.2. Unitile de msur pentru radioactivitatea rocilor

Unitatea Simbolul Definiie Submultipliifolosii

Curie ci Numrul de dezintegrri pesecund dat de un gram de radiu nechilibru radioactiv cu produsele

lui de dezintegrare. (3,7 x 1010

dez/s)

m ci = 3,7.107

dez/s

Gram Radiuechivalent/gramroc

gRa.echi/g Cantitatea de radiu, exprimat ngrame, care produce oradioactivitate egal cu cea dat detoate elementele radioactive dintr-un gram de roc.

gRa.echiv/g =10-12 gRa.echiv/g

Roentgen/or R/h Doza de radiaie gama pentru caren timp de o or, ntr-un centimetrucub de aer la 760 mm coloan demercur i temperatur de 0oC se

formeaz 2,08 x 109

perechi deioni a cror sarcin total este de 1ues de fiecare semn

R/h = 10-6 R/h

Unitatea gamaAPI

API 1/200 din devierea curbei gamantre un mediu cu radioactivitatejoasi un mediu cu radioactivitatemare care conine 0,0013% uraniu,0,0024% thoriu i 4% potasiu, ntr-o sond tubat cu o coloan de 5

n diametru


12/36


248

n tabelul 9.3 este redat radioactivitatea unor roci.

Tabelul 9.3.Radioactivitatea rocilor

Nivelulradioactivitii

Coninut nelemente

radioactivegRa.echiv/t roc

Roci

Foarte mic 1 Anhidrite, crbuni, sare gem, gipsMic 2 10 Nisipuri, gresii, calcare, dolomiteMediu 10 20 Argile continentale (ape de mic adncime),

marne, argile calcaroase i nisipoaseMare 20 80 Sruri de potasiu, argile fin dispersate (ape de

mare adncime)Foarte mare 80 Bentonite, cenue vulcanice, isturi

bituminoase i argiloase, nisipuri monazitice,calcare uranifere, nisipuri i gresiiglauconitice

9.2. Fundamentarea teoretic a carotajul neutronic

9.2.1. Interaciunea radiaiilor gama cu materia

Exist trei procese de baz prin care cuantele gama interacioneazcu materia i anume: efectul fotoelectric, efectul Compton i formare deperechii. Aceste procese au loc la anumite energii ale cuantelor gama,energii dependente de numrul atomic Z al materiei cu care cuanta gama

interacioneaz. In figura 9.3 este prezentat dependena dintre numrulatomic Z i energie.


13/36


249

Fig. 9.3.Dependena numr atomic-energie pentru efectul fotoelectric, efectul Comptoni formare de perechi, dup International Atomic Energy Agency (1976)

a) Efectul fotoelectricEfectul fotoelectric const n eliberarea de electroni de ctre o

substan, atunci cnd aceasta este iradiat cu radiaii de o anumitfrecveni energie. Aa cum rezult din figura 9.3 efectul fotoelectric esteprocesul de interaciune dominant la energii mici ale radiaiilor ale crorvalori nu depesc 1 MeV. Reprezentarea schematic a acestui fenomeneste ilustrat n figura 9.4.

Fig.9.4.Ilustrarea efectului fotoelectric

n anul 1905 Albert Einstein explic efectul fotoelectric folosind oipotez, verificat experimental de R.A. Millikan, potrivit creia o radiaieelectromagnetic sosete n porii finite (cuante), de energie h ; aceast

cuant de energie poate fi transferat complet unui electron, aceastacptnd energia hE= , pe cnd el este n substan. Dac se presupune ceste necesar un anumit lucru mechanic W, pentru a scoate electronul dinsubstan, atunci electronul va iei cu energia cinetic:

WhEcin

= (9.16)

iar atomul devine o particul ionizant.


14/36


250

Interaciunea unei radiaii cu un electron de pe o orbit dat este

foarte probabil cnd energia cuantei este egal pu energia de legturidescrete cu creterea energiei cuantei. Cnd un electron interacioneaz cuo cuant a crui energie este mai mic dect energia de legtur,electronul sare de pe o orbit pe alta, eventual cedeaz energia sa cineticla alt atom din substani revine pe orbit lui. Acest proces este nsoit deemisiune de radiaii electromagnetice caracteristice mediului care absorbradiaia . Absorbia fotoelectric a radiaiilor este fenomenul fizic cest la baza carotajului de litologie-densitate.

b) Efectul ComptonEfectul Compton este att un fenomen de mprtiere, ct i unul de

absorie. Acest efect depinde puin de elementul absorbant i este dominantla energii mai mari dect n cazul efectului fotoelectric, aa cum se poateobserva pe figura 9.3.

Prin interaciunea unei cuante (de frecven i energie hE = )

cu un electron de mas m, are loc o ciocnire elastic n urma creiaelectronul primete o parte din energia cuantei i este pus n micare sub ununghi fa de direcia de inciden; cuanta de frecven '( '< )

este mprtiat sub un unghi fa de direcia de inciden.In figura 9.5 este reprezentat schematic acest proces. Energia cuantei

mprtiate, precum i energia cinetic a electronului poate fi calculatpe baza conservrii energiei.

Fig.9.5. Ilustrarea efectului Compton

Energia radiaiei mprtiate este funcie de unghiul demprtiere, iar energia maxim pe care o primete electronul este mai micdect energia total a radiaiei . Electronul expulzat ionizeaz atomii dinmediu cu emisiunea unei radiaii electromagnetice, iar radiaia


15/36


251

mprtiat interacioneaz din nou prin efect Compton, fenomenul se

repet pn la scderea energiei sub 1 MeV - cnd are loc efectulfotoelectric sau absoria fotoelectric. Acesta este fenomenul fizic folosit ncarotajul de densitate.

c) Formarea de perechiFormarea de perechi are loc la ptrunderea unei cuante de energie

mare n cmpul de fore al nucleului. In locul cuantei se formeaz opereche electron-pozitron:

)()( + += ee (9.17)

Acest fenomen este ilustrat n figura 9.6. Pozitronul se combinimediat cu un electron formnd un pozitroneum (cu via foarte scurt 10-10s), dup care cele dou particule sunt anihilate reciproc; masa total aacestui sistem este convertit din nou n energie radiant, producndu-sedoi fotoni ndreptai n sensuri opuse. Aceast radiaie "de anihilare"poate fi sesizat de sistemul de detecie, fie direct, fie prin intermediul unuiefect de mprtiere Compton pe care-l poate provoca.

Fig.9.6. Ilustrarea formarii de perechi

9.2.2. Surse de neutroni

Neutronii sunt particule componente ale nucleului unui atom, neutridin punct de vedere electric, cu masa apropiat de masa protonului [masaneutronului Mn=1,0086654 0,0000004 uniti atomice = 939,550 0,005MeV/c2.

Interaciunea neutronilor cu nucleele reprezint cea mai largi mairspndit clas de interacii nucleare, deoarece neutronii intr ncompoziia oricrui nucleu. De asemenea, ntre neutroni, particule neutre,fora columbian este nul i ei pot interaciona cu nuclee de diferiteenergii.


16/36


252

Dup energia lor, neutronii au fost clasificai n mod convenional,

astfel:- neutroni rapizi E > 500 KeV- neuroni intermediari E = 1 KeV 500 KeV- neutroni leni E < 1 KeVNeutonii leni se subdivid n:- neutroni epitermici E = 0,1 eV 1 KeV- neutroni termici E 0,1 eVn geofizica de sond se folosesc trei tipuri de surse de neutroni, i

anume: fisiunea spontan, surse alfa neutron i generatori de neutroni.

a. Surse cu fisiune spontan

Din aceast categorie face parte sursa de californiu 252 (252Cf) careemite prin fisiune spontan un flux mare de neutroni.

Energia neutronilor emii de aceast surs este cuprins ntre 250KeV i 2 MeV. Aceast energie este mic pentru o serie de metode deinvestigare, dar poate fi folosit n lucrri experimentale de laborator i ncarotajul activrii induse continuu datorit fluxului mare de neutroni.Pentru 1 Curie de 252Cf fluxul este de 4,4 .109 neutroni/sec. Timpul de

njumtire este de (T1/2)Cf= 265 ani. Aceast surs prezint unele avantajei anume: dimensiuni fizice foarte mici, un flux intens i stabil de neutroni,nu necesit ntreinere.

b. Surse alfa - neutron ( - n )

Noile surse utilizate n geofizica de sond sunt: Ra - Be, Po Be, Pu Be, Am Be. Elementele Ra, Po , Pu, Am emit particule ( )eH

42 care

interacionez cu Be dup reaciile:

CnHB ee166

10

42

94 ++ (9.18)

eee HnHB42

10

42

94 3++ (9.19)

Neutronii rezultai din aceste reacii au energii cuprinse ntre 1 MeVi 12 MeV, energia predominant fiind de 4,5 MeV. Dintre surselemenionate mai sus, cele mai bune sunt Pu Bei Am Be datorit fonduluide radiaii gama foarte sczut, fluxuri relativ constante i timpi de

njumtire foarte mari (TPu = 24300 ani, TAm = 458 ani).


17/36


253

c. Generatori de neutroni

Generatorii de neutroni sunt acceleratori liniari de particule a crorfuncionare se bazeaz pe reacia nuclear:

nHHH e10

42

31

21 ++ (9.20)

Reacia are loc prin interaciunea unui nucleu int de tritiu ( )H31 cuo particul de deuteriu ( )H21 , avnd ca rezultat formarea unui nucleu deheliu ( )He42 asociat cu emisiunea unui neutron liber de energie En = 14,5MeV (neutron rapid) pentru un unghi de inciden = 90 . Randamentul

acestei reacii este maxim pentru energia moleculelor de deuteriu incidenteegal cu 100 KeV.n prezent, n practica cercetrii geofizice a sondelor se folosesc mai

multe tipuri de generatori de neutroni, care pot lucra i n regim deimpulsuri.

Fluxul acestor surse de neutroni este de ordinul 107 109neutroni/sec. Generatorii de neutroni sunt folosii n carotajul neutronic nimpulsuri.

9.2.3. Fenomene de interaciune

Neutronii emii de surse interacioneaz cu nucleele atomilorelementelor din mediul de propagare, n funcie de energia lor, avnd locfenomenul de mprtiere prin ciocniri inelastice i elastice, difuzianeutronilor, precum i reacii de captur sau absorbie.

I. Fenomenul de mprtiere

I.1. Ciocniri inelastice. Dac neutronul intrat n nucleul int ieseafar cu o energie mai mic dect energia incident, se spune c a avut locun proces inelastic. n acest proces are loc un transfer, att de energiecinetic, ct i de energie intern. Energia intern transferat de neutronnucleului (nucleul int fiind trecut ntr-o stare excitat) este apoi eliberatsub form de radiaie , nucleul revenind la starea lui iniial. Interaciapoate fi scris sub forma:

+++ + nXXnX AZA

Z

A

Z

0110 (9.21)


18/36


254

unde Z este numrul atomic, A numrul de mas iar 0X semnific starea

excitat a nucleului.Radiaiile care iau natere sunt caracteristice nivelelor energetice

ale nucleelor. Ele pot fi utilizate la identificarea nucleelor int.

I.2. Ciocniri elastice. Dac neutronul incident pstreaz energia sainiial n sistemul centrului de mas, iar nucleul int rmne n stareainiial, procesul se numete elastic. n acest proces toat energia cinetic aneutronului incident este convertit n energie cinetic pentru neutronul derecul i este emis un neutron. Reacia poate fi scris sub forma:

nXXnX AZA

ZAZ

10

0110 ++

+ (9.22)

Cnd un neutron interacioneaz elastic cu un nucleu, raportul dintreenergia final Efi energia iniial E0 este:

( )2

2

1

2

1

1cos2

+

++=

A

AA

E

E (9.23)

unde A este masa nuclear a nucleului int iar este unghiul de inciden

n centrul de mas al sistemului.Valoarea minim posibil a lui Efeste dat de relaia:

2

min2 1

1

+

=

A

AE (9.24)

Din relaiile (9.23) i (9.24) se observ c pierderea de energie estecu att mai mare cu ct masa particulei int este mai apropiat de masaparticulei incidente. Particula incident fiind neutronul, cea mai mare parte

a energiei ,aproximativ 50%,o pierde la interaciunea cu hidrogenul, a creimas atomic A 1. Neutronii pierd din energia lor nu numai datoritciocnirilor elastice, ci i prin ciocniri inelastice, dac energia lor incidenteste mai mare dect prima energie de excitare a nucleelor int.

II. Difuzia neutronilor

n urma fenomenului de mprtiere (elastici neelastic) neutroniipierd din energia lor i ajung la energii corespunztoare neutronilorepitermici sau termici. Ajuni la aceste energii, neutronii difuzeaz sub


19/36


255

forma unui gaz molecular printre nucleele atomilor elementelor din

mediu, din reiunile cu densiti mai mari spre cele cu densiti mai mici, nasociere cu emiterea unor radiaii gama de difuzie.

III. Reacii de captur a neutronilor

La energii termice ale neutronilor, cea mai posibil interaciune aneutronilor cu nucleele atomilor din mediu este reacia de captur sau deabsorbie. n aceste reacii neutronii termici sau epitermici sunt capturaisau absorbii de nuclee, nucleul trecnd ntr-o stare excitat, n asociere cu

emiterea unor radiaii gama de captur sau absorbie. O astfel de reaciepoate fi scris sub forma:

++ + 0)1(10 XnXA

Z

A

Z (9.25)

Radiaia gama de captur are o energie caracteristic nucleului careabsoarbe neutronul i poate fi pus n eviden cu ajutorul unui sistem dedetecie.

9.3. Seciunea transversal de interaciune a neutronilor cu mediu

n orice reacie nuclear exist o anumit probabilitate ca reacia saib loc. Aceast probabilitate este definit ca seciune transversal dereacie. Presupunnd c asupra intei cad pe unitatea de suprafa i nunitatea de timp n0 particule i c au loc n procese de interaciune, atunciseciunea transversal de reacie este dat de relaia:

0nn= (9.26)

Interaciunile prezentate sunt caracterizate de seciunea transversalmicrospopic de reacie . Cnd interaciunile au loc cu materia seciuneatransversal macroscopic de reacie, ,este definit de relaia :

= k (9.27)unde: k este numrul de atomi pe cm3.


20/36


256

S presupunem un mediu care nu absoarbe neutronii leni, ca de

exemplu grafitul. n el neutronii leni pot difuza n toate direciile. Ei sedeplaseaz n linie dreapt (n medie civa centimetrii) pn cnd suntdeviai de un nucleu n alt direcie. Pentru medii cu dimensiuni mari, spreexemplu formaiunile geoloice cu dimensiuni de ordinul metrilor i azecilor de metrii, neutronii aflai iniial ntr-un loc vor difuza n alte locuri.

Fie n(x,y,z) V numrul de neutronii aflai n elementul de volumV n punctul de coordonate (x,y,z). Din cauza micrii lor, unii neutroni

vor prsi elementul de volum V , iar alii vor intra. Va exista o scurgerenet din reiunile cu densiti mari spre reiunile cu densiti mici i mult

mai puin se vor deplasa n sens invers. Se descrie aceast curgere printr-unvector de curgereJ. Componenta xJ este egal cu numrul net de neutronicare trec n unitatea de timp i prin unitatea de arie perpendicular pedirecia x. Se poate scrie :

x

nJx

= (9.28)

unde este constanta de difuzie i este funcie de viteza medie v idrumul liber mediu l ntre dou ciocniri i are expresia :

vl =31 (9.29)

Ecuaia vectorial pentru Jr

se poate scrie:

nDJ =r

(9.30)

Fluxul neutronilor prin orice element de suprafa dat este nJr

r

dn (unde n

r

este vectorul normal unitate). Curgerea net din elementul devolum este dVJ

r

. Aceast curgere va genera o descretere n timp a

numrului de neutroni n elementul de volum V n afara cazului ca printr-un proces nuclear oarecare ar fi produi neutroni n elementul de volum

V . Dac exist surse n volum care genereaz S neutroni n unitatea detimp, ntr-un volum unitate, atunci curgerea net spre exteriorul lui V va fi

egal cu: Vt

nS

. Rezult c :

t

nSJ

=

r

(9.31)


21/36


257

Din combinaia relaiilor (9.30) cu (9.31) se obine ecuaia de difuzie

a neutronilor:

( )t

nSnD

= (9.32)

Unitatea de msur este barul (bn): = 10-28m2. Seciunea

transversal de reacie depinde att de tipul i energia particulei incidente,ct i de nucleul int.

Interaciunile prezentate mai sus sunt caracterizate de seciuneatransversal de reacie, iar seciunea transversal total t , poate fi scris

sub forma:

captinelelt ++= (9.33)

n care el, inel, capt reprezint seciunea transversal a: el mprtiereelastic, inel mprtiere inelastic, capt de captur.

Seciunea macroscopic de captur, , reprezint suma ponderat aseciunilor microscopice i , corespunztoare elementelor componentei ale mediului nmulit fiecare cu numrul atomic al elementului

respectiv, Zi:

ii

m

iZ=

=

1(9.34)

9.4. Metode radioactive de cercetare a sondelor

In practica cercetrilor geofizice a formaiunilor traversate de sonde,metodele radioactive au cptat o dezvoltare din ce n ce mai mare datorit

faptului c permite obinerea unor parametri petrofizici care caracterizeazproprietile colectoarelor de hidrocarburi, att din punct de vederecalitativ, dar mai ales cantitativ. Principalele metode folosite n investigareasondelor sunt:

- carotajul radiaiei gama naturale;- carotajul gama-gama (de densitate);- carotajul neutronic aplicat n variantele:

- carotajul neutron-gama;- carotajul neutron-neutron;


22/36


258

- carotajul neutronic n impulsuri;

- carotajul neutronic compensat.

9.4.1. Carotajul radiaiei gama naturale

Aceast metod const n msurarea intensitii radiaiei gama totalerezultat n urma dezintegrrii elementelor radioactive coninute deformaiunile geologice traversate de sond. Principalele elemente care dauradioactivitatea natural a rocilor sunt: izotopul radioactiv al potasiului

K4019 i elementele radioactive din seria uraniului i thoriului. Fiecare dinaceste elemente emit radiaii gama cu energii distincte. Energia radiaieigama emis de potasiu este egal cu 1,46 MeV, iar seriile uraniului ithoriului emit radiaii gama cu diferite valori de energie. Energia acestorradiaii descrete foarte repede cu distana datorit interaciunii cu atomiielementelor din formaiunile geologice (prin efect Compton i efectfotoelectric). Din aceast cauz, adncimea de investigare a carotajuluigama natural, n formaiuni sedimentare este cuprins ntre 15 i 25 cm dela peretele sondei.

Principiul metodei

Pentru msurarea variaiei intensitii radiaiei gama naturale cuadncimea, se introduce n sond, cu ajutorul unui cablu geofizic,dispozitivul de investigare pentru carotaj radioactiv (fig.9.8) n care se aflplasat un detector de radiaii gama (contor cu scintilaie sau contor Geiger-Muller).

Prin carcasa de presiune a aparatului realizat dintr-un tub de oeletan la ambele capete, radiaiile gama ajung la detector i provoac

apariia unor impulsuri electrice. Amplitudinea i intensitatea acestorimpulsuri electrice nu este suficient pentru a putea fi transmise prin cablula suprafa i de aceea dispozitivul de investigare este prevzut cu unamplificator electronic de impulsuri.

Ajunse la suprafa prin cablu, impulsurile sunt amplificate, egalizaten durat i amplitudine i nsumate de un panou special, astfel nct srezulte un curent electric proporional cu numrul impulsurilor i deci cuintensitatea radiaiei gama msurat n sond.

Cu ajutorul galvanometrilor din camera foto-nregistratoare sau abenzii magnetice se efectueaz nregistrarea n funcie de adncime a


23/36


259

intensitii radiaiei gama naturale. Se obine o curb de variaie a

intensitii radiaiei gama naturale n funcie de adncime, cunoscut subnumele de curba gama.

Calibrarea aparaturii

In vederea realizrii unor diagrafii gama ct mai precise, posibile deinterpretat calitativ, se aplic diverse procedee de calibrare i de etalonare aaparaturii.Un procedeu simplu const n folosirea unei surse de radiaii gama etalon,caz n care se utilizeaz uniti de msur radiometrice: micrograme

echivalent Ra/ton de roc, microroentgeni/or.

Fig.9.8. Aparat de sond pentru carotajul radioactiv: 1- carcas de presiune;

2- ecran ; 3- surs de neutroni; 4- contor de neutroni; 5- seciune electronic: 6-

contor pentru radiaii gama naturale; 7- priz electric ; 8- cablu geofizic.

Alt procedeu const n etalonarea aparaturii cu ajutorul unor machete

de strate cu radioactivitate corespunztoare unui coninut de 0,0013%uraniu, 0,0024% thoriu i 4% potasiu i a unei roci cu coninut redus nsubstane radioactive (calcar). Acest procedeu permite apropierea desituaia real a sondelor i, n acest caz, unitile de msur sunt uniticonvenionale - u A.P.I.

Forma de prezentare a carotajului gama natural i factorii care

influeneaz forma i amplitudinea curbei gama

Curba gama se nregistreaz pe trasa simpl din stnga a diagramei,

radioactivitatea este exprimat n uniti A.P.I., iar radioactivitatea cretede la stnga la dreapta (fig.9.9).Curba gama este funcie nu numai de coninutul n radioelemente a

formaiunilor geologice ci i de ali factori i anume: caracteristiciledetectorului utilizat, poziia dispozitivului de investigare n sond,diametrul sondei, densitatea fluidului de foraj din sond, numrul decoloane tubate, grosimea coloanelor i a cimentului din spatele coloanelor,densitatea formaiunilor geologice. Valoarea nregistrat a radiaiei gamadepinde de toi aceti factori care acioneaz simultan cu ponderi diferite i


24/36


260

de aceea aceast valoare msurat este diferit de nivelul real al

radioactivitii naturale.

Fig.9.9. a - Forma de prezentare a carotajului gama natural;

b exemplu de corelare PS gama (Schlumberger document).


25/36


261

Rspunsul carotajului gama natural I , dup efectuarea coreciilor

pentru sond etc., este proporional cu concentraia n substane radioactivedin formaiune conform relaiei:

=

=

n

iiii AV

I 1 (9.35)

unde: i sunt densitile mineralelor radioactive; Vi - factorii de volum aimineralelor; Ai - factorii de proporionalitate corespunztori radioactivitiimineralelor; - densitatea global a formaiunii.

Aplicaiile carotajului gama natural

Carotajul gama natural poate fi efectuat att n sonde tubate ct i nsonde netubate indiferent de natura fluidului de foraj folosit. In cazulsondelor spate cu noroaie mineralizate sau cu noroaie de foraj pe baz depetrol sau motorin, curba gama substituie curba de P.S. Aplicaiile

carotajului gama natural constau n:- diferenierea litologic a rocilor. In formaiuni sedimentare, tipice

zcmintelor de hidrocarburi, rocile se difereniaz dup nivelul lor deradioactivitate. Argilele i marnele prezint un nivel ridicat deradioactivitate fa de rocile silicioase sau carbonatice. Din aceast cauzargilele i marnele prezint valori mari pe curba gama, iar gresiile,nisipurile, calcarele curate, valori mici, ceea ce permite diferenierealitologic a acestora.

- corelri ale profilelor sondelor pe scar local sau regional.

- determinarea grosimii i limitelor stratelor poros-permeabile.Limitele i grosimea colectoarelor se determin prin acelai procedeu ca laP.S. - "metoda jumtii amplitudinii". La stratele de grosime mic estenecesar introducerea unei corecii pentru produsul v. (v = viteza de

nregistrare, = constanta de timp a circuitului de msur).- determinarea coninutului n argil a rocilor colectoare. Pentru

formaiunile grezos-nisipoase i carbonatate este caracteristic creterearadioactivitii naturale cu creterea coninutului n argil. Dependena


26/36


262

mrimii relative a radioactivitii naturale de coninutul n argil este dat de

relaia:( )

minmax

minarg

II

IIV

= (9.36)

n care:arg

V este indicele de material argilos dintr-un volum unitar de

roc; I - valoarea intensitii radiaiei gama n dreptul stratului analizat;

I max - valoarea maxim a intensitii radiaiei gama n dreptul unui strat

argilos; I min - valoarea minim a intensitii radiaiei gama n dreptul unui

strat curat, fr coninut n argil.

Pentru a obine volumul de argil n procente, cantitatea (Varg) secorecteaz n funcie de vrsta geologic a formaiunilor.

- localizarea zcmintelor de minereuri radioactive, a zcmintelorde sruri de potasiu, a stratelor de crbuni.

9.4.2. LUCRAREA NR. 8

Determinarea coninutului n argil al colectoarelor, Varg dincarotajul radiaiei gama naturale

Importana cunoaterii coninutului n argil al colectoarelor esteevident, deoarece rspunsul multor carotaje este influenat de argilaexistent n roci. O evaluare corespunztoare a formaiunilor colectoare,din punct de vedere al potenialului de inmagazinare i cedare a fluidelor,nu poate fi fcut dac nu se cunoate cantitatea de argil coninut.

Pentru determinarea acestui parametru, Varg, pot fi utilizate mai multemetode de evaluare i anume:

Metode singulare, utiliznd diagrafia unei singure metode de carotaj:- din diagrafia gama natural - GR;- din diagrafia de potenial spontan - PS;- din diagrafia de rezistivitate;- din diagrafia neutronic.Metode combinate, utiliznd diagrafia a dou metode de carotaj.Coninutul final de argil se estimeaz ca fiind egal cu minimul

valorilor determinate prin diferitele metode expuse mai sus, ntruct fiecare


27/36


263

dintre determinri aproximeaz cel mai bine coninutul n argil n anumite

situaii geologice i de coninut a formaiunilor:

Varg= min[(Varg)PS, ( Varg)GR, ( Varg), ( Varg)N] (9.37)

Curbe nregistrate n carotajul radioactivitii gamma naturale

Diagrafia gama natural cuprinde curba gama pe trasa simpl dinstnga diagramei. Radioactivitatea este exprimat in uniti A.P.I., iarradioactivitatea crete de la stnga la dreapta.

Aplicaiile carotajului gamma naturalCarotajul gama natural poate fi efectuat att n sonde tubate ct in sonde netubate.

Aplicaiile carotajului gama natural constau n:- diferenierea litologic a rocilor;- corelri ale profilelor sondelor pe scar local sau regional;- determinarea grosimii stratelor poroase-permeabile;- determinarea coninutului ]n argil[ a rocilor colectoare;- localizarea zcmintelor de minereuri radioactive, a zcmintelorde - sruri de potasiu, a stratelor de crbuni.

Mod de lucru:

- se separ pe curba gamma un strat de argil, n dreptul cruia secitete I max;

- se separ un strat poros-permeabil curat (nisip, gresie, calcar,dolomit) i se citete n dreptul lui I min;

- se citete pe curba gamma, n dreptul stratelor analizate valoareaI ;

- se calculeaz cantitatea de argil, cu relaia:

minmax

min'arg

II

IIV

= (9.38)

- se face corecia valorilor obinute cu vrsta formaiunilorgeologice, cu ajutorul unei anexe grafice (Anexa nr. 22) sauutiliznd formulele:


28/36


264

- pentru strate noi (teriare): ( )

=

1V7,3

arg

'arg2083.0V (9.39)

- pentru strate vechi: ( )

=

1V2arg

'arg233,0V (9.40)

I

Imin

Imax

I

Fig.9.10. Reprezentarea grafica a curbei gama

Aplicaie:S se determine coninutul n argil al colectoarelor din Anexa nr.

21.Rezultatele obinute se vor nscrie n tabelul urmtor:

Determinarea coninutului n argil din diagrafia gama natural

I min I maxI '

argV Varg

Strate tertiareVarg

Strate vechiNr. stratUAPI UAPI UAPI - % %


29/36


265


30/36


266


31/36


267

9.4.3. Carotajul de densitate gama-gama

Principiul carotajului de densitate gama-gama

Carotajul gama-gama const n iradierea formaiunilor traversate desond cu un flux de radiaii gama cu o anumit energie, nregistrndu-seradiaia gama rezultat ca efect al interaciunii radiaiei incidente cumediul, numiti radiaie gama dispersat. Radiaia gama rezultat este unindicator al densitii formaiunilor geologice.

Pentru efectuarea acestui carotaj, dispozitivul de investigare este

prevzut cu o surs de radiaii gama i un sistem de detecie (de msur) aradiaiei gama rezultat n urma interaciunii.Ca surse de radiaii gama sunt utilizate 60Co (energia radiaiilor

gama; E= 1,17 1,333 MeV) i 157Cs (E = 0,663 MeV). La energiileradiaiei gama emise de aceste surse (E = 0,663 1,333 MeV)interaciunea predominant este datorat efectul Compton. Numrul deinteraciuni Compton este dependent direct de numrul de electroni dinformaiune. In consecin, rspunsul dispozitivului de investigare estedeterminat n special de densitatea de electroni (numrul de electroni pe

centimetru cub) din formaiune.

a) Dependena densitate de electroni - densitatePentru o substan constituit dintr-un singur element, densitatea de

electroni, e , este dat de relaia:

=

A

Ze

2 (9.41)

unde: - este densitatea substanei; Z - numrul atomic (numrul deelectroni pe atom); A - greutatea atomic (/A este proporional cunumrul de atomi pe centimetru cub al substanei).

Pentru o substan molecular, densitatea de electroni n funcie dedensitate este dat de relaia:

=

Mol

Ze 2 (9.42)


32/36


268

unde: Z- reprezint suma numerelor atomice ale atomilor ce formeaz

molecula (egal cu numrul de electroni pe molecul); Mol este greutateamolecular.

Din ecuaiile (9.41), (9.41) rezult c numrul de electroni respectivdensitatea de electroni este direct proporional cu densitatea mediului. Cuct densitatea mediului este mai mare, numrul de electroni pe unitatea devolum este mai mare i ca urmare numrul de interaciuni Compton va fimai mare, iar intensitatea radiaie gama dispersate ajuns la sistemul dedetecie va fi mai mic. Rezult din cele prezentate mai sus c intensitatearadiaiei gama dispersate msurat (nregistrat) este o msur a densitii

mediului.

b) Dependena intensitii radiaiei gama msurate de densitatePentru un volum elementar, dv situat la distana x de surs, radiaia

gama dispersat ajuns la sistemul de detecie nu este numai rezultatulinteraciunii radiaiei gama incidente cu acest volum. O parte din radiaiagama incident poate fi mprtiat Compton sau poate fi absorbitfotoelectric, de alte volume elementare cuprinse ntre surs i volumulelementar considerat. Similar radiaia gama dispersat de volumul

elementar, dv, poate fi mprtiat din nou sau absorbit fotoelectric.Dac se consider un caz ideal n care radiaia gama ajuns ladetector este datorat numai interaciunii cu volumul elementar, dv, atunciintensitatea radiaiei gama ajuns la detector Ix, poate fi calculat curelaia:

xox eII

= (9.43)

unde: Io, - este intensitatea radiaiei gama n vecintatea sursei; -

coeficientul liniar de absorie al mediului i este funcie de energia radiaieigama i numrul atomic Z al elementului sau (Z) ale elementelor ceconstituie mediul; x - distana parcurs de radiaia gama.

Se definete coeficientul de absorie masic, m, ca fiind egal cu:

=m (9.44)

de unde rezult c:


33/36


269

= m (9.45)

Substituind pe n relaia (9.43) se obine:

xox

meII= (9.46)

sauxII mox = lnln (9.47)

Din relaia (9.45) rezult c densitatea este egal cu:

x

II

m

xo

=

lnln (9.48)

Experimental s-a constatat c pentru rocile traversate de sonde,coeficientul de absorie masic m poate fi considerat practic constant.Rezult c intensitatea radiaiei gama msurat Ix este funcie dedensitatea formaiunilor.

c) Descrierea dispozitivului de investigare

Pentru efectuarea carotajului de densitate n sond se introduce un dispozi-tiv de investigare de o construcie special (fig.9.10), care conine o sursde radiaii gama i un sistem de detecie. Sursa este separat de sistemul dedetecie de un ecran de plumb pentru ca la detector s nu ajung radiaiilegama directe. Sistemul de detecie este prevzut cu dou detectoare deradiaii gama D1, i D2 situate la distane diferite de surs. Att sursa ct idetectoarele sunt prevzute cu canale colimatoare prin care ptrundradiaiile gama de la surs n formaiune, respectiv din formaiune ladetector. Pentru a reduce influena coloanei de noroi asupra valorilor de

densitate msurate, dispozitivul este presat cu canalele colimatoare peperetele sondei cu ajutorul unui bra excentric. Acest dispozitiv este numitdispozitivul de densitate compensat.


34/36


270

Fig.9.10. Reprezentarea schematic a dispozitivului pentrucarotajul de densitate compensat (dup Schlumberger,1972)

Mediul investigat este format din turta de noroi cu densitatea, tn,igrosime htni formaiunea geologic cu densitatea . Aa cum s-a artatmai sus radiaia gama ajuns la detector este influenat de tot mediul pecare l parcurge. Rezult de aici c turta de noroi, mpreun cuneregularitile peretelui sondei influeneaz radiaia gama msurat.

Detectorul apropiat (D1) de surs are o sensibilitate mrit la mediuldirect n contact cu dispozitivul permind evaluarea influenei turtei denoroi i rugozitii peretelui sondei. Detectorul plasat la distan mai mare(D2) permite evaluarea densitii formaiunii, ns n aceast valoare esteinclus i influena turtei de noroi. Aceast influen este eliminat cuajutorul radiaiei gama msurat de detectorul D1, i se obine valoarea

densitii corectate. Corecia se execut automat i se nregistreazdensitatea formaiunii corectate i corecia care a fost aplicat.

Calibrarea aparaturii se efectueaz n mai multe etape i anume:- n prima etap se efectueaz calibrarea aparaturii n formaiuni

calcaroase de nalt puritate saturate cu ap dulce i densiti, respectivporoziti, cunoscute;

- n a doua etap se efectueaz o verificare a calibrrii cu ajutorulunor blocuri de aluminiu. Aceste blocuri au o geometrie i o compoziiespeciali caracteristicile lui sunt raportate la formaiunile calcaroase.


35/36


271

- n final, se efectueaz o calibrare la sond cu un dispozitiv care

produce un semnal cu intensitate cunoscut pentru verificarea sistemului dedetecie.

Adncimea de cercetare (raza de investigare) a mediului investigateste de 20 - 30 cm. Punctul de msur este plasat la jumtatea distaneidintre cele dou detectoare.

Prezentarea diagramelor de carotaj de densitate

In figura 9.11 este prezentat o diagram de carotaj de densitate pecare se poate observa:

- variaia densitii globale a formaiunilor geologice traversate desond n funcie de adncime este redat sub forma unei curbe continuenscris pe trasa din dreapta a diagramei. Densitatea este nscris n scarliniar, marcat grafic n antetul diagramei, i egal cu 0,05g/cm3/diviziune, ceea ce corespunde unei variaii a densitii cuprins ntre2 i 3 g/cm3. Totodat se nregistreazi curba de corecie , permindevaluarea coreciei determinat de turta de noroi i neregularitile pereteluisondei;

- simultan cu curba de densitate se nregistreaz de obicei curba

gama i cavernograma care se nscriu pe trasa din stnga.

Aplicaiile carotajului de densitate

Cea mai important aplicaie a carotajului de densitate estedeterminarea porozitii rocilor, fiind una din cele mai bune metode dedeterminare a acestui parametru. Relaiile de dependen dintre porozitatei densitate sunt redate de relaiile:

- pentru formaiuni curate:

flma

maCD

= (9.49)

n care: este porozitatea determinat; - densitatea global; ma -densitatea matricei; fl- densitatea fluidului din spaiul poros.

- pentru o roc cu coninut de argil:

argarg

arg Vflma

ma

flma

maCD

=

(9.50)

unde: arg densitatea argilei; Varg volumul de argil.


36/36


272

Fig. 9.11. Forma de prezentare a carotajului de densitate

Geofizica- Cap 9.1

Documents

Transcript of Geofizica- Cap 9.1