唐 娜 嚴錦根 張向華 管素紅

(1.西安石油大學光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室 陜西西安) (2.勝利油田孤東采油工藝研究所 山東東營)

基于康普頓散射的防砂評價方法的研究

唐 娜1嚴錦根2張向華2管素紅2

(1.西安石油大學光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室 陜西西安) (2.勝利油田孤東采油工藝研究所 山東東營)

基于礫石填充的防砂工藝,提出了利用康普頓散射效應測量密度的方法來評價礫石填充后的防砂效果。測量物質密度時,伽馬射線和物質發(fā)生康普頓散射效應,散射射線的波長隨散射角的變化而變化,散射射線的強度和物質的體積密度及原子核序數(shù)等因素有關。因此,根據(jù)康普頓散射效應的原理,探測射線與被測物質的康普頓散射效應前后的射線強度,測定出被測物質的體積密度,進而定性地分析礫石填充防砂的效果。

康普頓散射效應;X射線;體積密度

0 引 言

出砂是疏松砂巖油藏主要的產(chǎn)能問題之一。一般情況下,采用向井下注入大約為地層砂中值粒度5～6倍的人工砂粒來防止油井出砂,這種礫石填充的作業(yè)過程和施工工藝在一定程度上依賴于填充經(jīng)驗,而防砂的評價方法只是通過實際生產(chǎn)過程中的防砂效果進行對比和分析,還沒有一套直接的測量技術來評價防砂效果。射線源(X射線源或射線源)發(fā)射出的射線是一種特殊的能束,其與被探測物質有著十分密切的關系,而且,這種關系具有一定的規(guī)律性,射線測量技術就是利用了射線的這種特性。射線測量技術具有測量速度快、測量無損性以及測量方法相對簡單等獨特的優(yōu)點。目前,在石油工業(yè)中,射線測量技術使用非常廣泛,如自然伽馬測井、密度測井、巖石密度測井及無損探傷等領域。以上基于防砂工藝評價的問題和射線測量方法的特點,提出采用康普頓散射效應測量密度的原理,探測礫石填充后砂層的體積密度,從而實現(xiàn)對礫石填充后防砂工藝的評價。本文主要介紹一種防砂評價的方法。

1 康普頓散射密度測量方法

康普頓散射[1]即康普頓效應,是入射射線(X射線或γ射線)的光子與物質的原子核外電子相互作用時,發(fā)生一次非彈性碰撞(此電子即可以為自由電子,又可以為束縛電子),碰撞主要分為兩部分:一部分光子將其能量轉移給核外電子,使電子脫離原子核的束縛而射出成為反沖電子,同時另一部分光子以一定的角度被散射,形成康普頓散射光子?？灯疹D散射效應過程如圖1所示。hv和hv′分別是入射和散射光子的能量;λ為散射效應之前光子的波長,λ′為散射效應之后光子的波長;θ角為入射光子和散射光子方向間的夾角,φ稱為散射角,為反沖電子的反沖角。

圖1 康普頓散射效應過程示意圖

假設原子核外電子是靜止的、自由的,根據(jù)康普頓提出的光量子假說理論,遵循能量和動量守恒定律,可推斷出入射光子的能量、散射光子的能量以及散射角之間的關系[2]:

上式方程組中,v0和v分別為康普頓散射前后光子的頻率,m0和m分別為康普頓散射前后光子的質量,c為真空中光子的速度。根據(jù)上方程組可以求解出康普頓散射公式:

從式(1)中可知,康普頓散射光子的波長增量Δ λ只與康普頓散射角有關系,與其他因素沒有關系。散射角越大,光子損失的能量越多。

1.1 康普頓散射衰減系數(shù)

中等能量(0.2 MeV～2 MeV)的射線通過物質時與物質發(fā)生康普頓散射效應,射線會被物質散射和吸收,致使射線的強度減弱,其減弱程度常以康普頓散射衰減系數(shù)μ表示[3]:

上式中,σe為每個光子在原子核外電子上的康普頓散射截面,對于中等能量的射線,σe可視為常數(shù),l表征原子核外的電子;NA為阿佛加德羅常數(shù)(即6.02×1023mol-1);Z為有效的物質原子序數(shù);A為物質原子量(摩爾質量);為物質的體積密度ρb。

若用ne表示電子密度,即每立方米物質中的電子數(shù),則有:把電子密度代入康普頓散射線性衰減系數(shù)得:

定義康普頓散射衰減系數(shù)為:

1.2 物質與康普頓散射效應的關系

射線源向被測物質放射射線,射線與物質發(fā)生康普頓效應,射線強度被衰減,通過探測器探測散射射線,所得到散射射線的計數(shù)率與被測物質的體積密度呈現(xiàn)指數(shù)衰減關系[4]:

上式中,L為放射源到探測器的距離,即源距;ρb為被測物質的體積密度;N為源距為L探測器所得的計數(shù)率;N0′為散射前的射線計數(shù)率。

選用已知體積密度為ρb1=1.7 g/cm3及ρb2=2.6 g/cm3的兩種物體和X射線管做射線源,實驗觀察X散射射線與被測物質密度及源距的關系。實驗結果如圖2所示,當源距一定時,以L0為分界點,L0的左邊源距相對較小,體積密度較大的被測物質產(chǎn)生較強的X射線散射計數(shù)率;而L0右邊源距較大,體積密度越大,產(chǎn)生越小的X射線散射計數(shù)率。這是因為體積密度較大的物質,易產(chǎn)生多次散射,在射線源附近的區(qū)域形成大量的散射射線。圖2還顯示,不同密度的物質,計數(shù)率隨源距的增大而減小并且交于一點即零計數(shù)率N0′,其對應的源距稱為零源距L0。

圖2 射線與源距的關系

設源距L與零源距L0之差稱為視源距La,使用零計數(shù)率L0及視源距La替代式(4)中散射前的計數(shù)率N0′及源距L,修正(4)式并對其兩邊同時取對數(shù),得:

2 密度測量方法總的裝置結構

圖3 防砂工藝評價密度測量方法的基本結構

防砂工藝評價密度測量方法的基本裝置結構如圖3所示,將測量儀器安裝在油管上,測量儀器主要包括X射線源、高壓源、鉛屏蔽器、閃爍探測器、井下存儲器。井上系統(tǒng)主要包括信號前置放大電路、濾波電路、多道分析器及微機顯示系統(tǒng)等。放射源和射線探測器均放置在待測物質的同一側,射線源和探測器之間由屏蔽體隔開,從而保證射線源射出的射線光子不能直接被探測器探測,探測器探測到的只能是散射射線。射線與物質發(fā)生相互效應,主要表現(xiàn)為三種:電子對效應、康普頓散射效應及光電效應,其中康普頓散射效應才與所測物質的密度成正比關系。因此要實現(xiàn)康普頓散射密度測量方法,首先要保證所探測的射線絕大部分是康普頓散射效應后的射線。X射線與物質發(fā)生可能各種效應的條件是,光電效應產(chǎn)生的能閾是0.1 MeV,即能量小于0.1 MeV就可產(chǎn)生光電效應,而電子對效應產(chǎn)生的能閾是1.02 MeV。所以,要選用能量在0.1 MeV～1.02 MeVX射線源為測量儀器的放射源,而閃爍探測器記錄X射線的起始能閾的設置應不小于0.1 MeV,就可以確保探測器探測的X射線主要反映的是光子在物質中的康普頓散射過程。

測量砂層密度時,X射線源向套管與油管之間的環(huán)形空間發(fā)射射線,X射線與物質的原子核外電子發(fā)生康普頓效應而向四周散射,散射后射線的能量大大減少,且方向發(fā)生改變,經(jīng)被測物質一次或散射后,部分的散射X射線被探測器所探測,然后存儲,存儲后的射線傳輸?shù)骄?經(jīng)過前置放大器信號放大處理和濾波處理,再經(jīng)計數(shù)裝置進行計數(shù),最后經(jīng)過計算機處理得到一條與散射物體體積密度有關的曲線。根據(jù)體積密度曲線上不同深度體積密度的不同,確定注入的地層砂分布及深度區(qū)的注入量,最后實現(xiàn)對礫石填充效果的評價。

3 結束語

康普頓散射密度測量方法應用非常廣泛,它具有測量相對簡單、測量速度快等特點。根基康普頓散射密度測量方法及特點,可以將其用于防砂工藝的評價。

礫石填充后,由于砂層不同區(qū)域的密度發(fā)生變化,通過對套管與油管之間的環(huán)形空間砂層的密度測量,從而識別人工砂的分布及含量,通過對人工砂分布和含量定性的分析,達到礫石填充后防砂效果的評價。試驗證明,這種評價方法測量簡單,具有可行性。

[1] 顧金虎,劉義保,楊 波,等.康普頓效應散射裝置簡介[J].物理與工程,2009,19(1)

[2] 李詠梅.光電效應和康普頓散射中光子和電子的相互作用[J].曲阜師范大學學報(自然科學版),2009,35(2)

[3] 劉向君,劉堂晏,劉詩瓊.測井原理及工程應用[M].北京:石油工業(yè)出版社,2006

[4] 孫培偉,張建民,岳愛忠,等.雙源距密度測井的蒙特卡羅數(shù)值模擬[J].原子能科學技術,2007,41(5)

[5] 徐 兵,彭 欣,安 玲.光子與物質作用產(chǎn)生次級電子的紅限與紫限能級[J].長春師范學院學報(自然科學版),2008,27(4)

A research of evaluation method for sand control based on Compton scattering theory.

Tang Na,Yan Jingen,Zhang Xianghua and Guan Suhong.

The use of Compton scattering effect of the density measurement method is proposed to evaluate effects of packed gravels,based on packed gravels for sand control technology.When detecting the volume density of substances,there is the Compton scattering effect between the-rays and substances.The Compton scattering-ray wavelengths vary with the angle of scattering.The intensity of scattering rays are related to the material volume density and the nucleus ordinal numbers of the substances and other factors.Therefore,according to the theory of Compton scattering effect,detecting the rays′intensity between the rays and substances before and after Compton scattering effect,the volume density of substances would be obtained,and the qualitative analysis of the effect of packed gravels would be also obtained.

Compton scattering effect;X-rays;volume density

P631.8+17

B

1004-9134(2010)05-0010-03

唐 娜,女,1984年生,2008年畢業(yè)于西安石油大學測控技術與儀器專業(yè),現(xiàn)為西安石油大學的在讀碩士研究生,專業(yè)為測試計量技術及儀器,目前主要從事油井礫石填充后砂體識別技術的研究。郵編:710065

2010-04-01編輯高紅霞)

PI,2010,24(5):10～12

·方法研究·