基于康普顿散射的防砂评价方法的研究

唐 娜 严锦根 张向华 管素红

(1.西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室 陕西西安) (2.胜利油田孤东采油工艺研究所 山东东营)

基于康普顿散射的防砂评价方法的研究

唐 娜1严锦根2张向华2管素红2

(1.西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室 陕西西安) (2.胜利油田孤东采油工艺研究所 山东东营)

基于砾石填充的防砂工艺,提出了利用康普顿散射效应测量密度的方法来评价砾石填充后的防砂效果。测量物质密度时,伽马射线和物质发生康普顿散射效应,散射射线的波长随散射角的变化而变化,散射射线的强度和物质的体积密度及原子核序数等因素有关。因此,根据康普顿散射效应的原理,探测射线与被测物质的康普顿散射效应前后的射线强度,测定出被测物质的体积密度,进而定性地分析砾石填充防砂的效果。

康普顿散射效应;X射线;体积密度

0 引 言

出砂是疏松砂岩油藏主要的产能问题之一。一般情况下,采用向井下注入大约为地层砂中值粒度5～6倍的人工砂粒来防止油井出砂,这种砾石填充的作业过程和施工工艺在一定程度上依赖于填充经验,而防砂的评价方法只是通过实际生产过程中的防砂效果进行对比和分析,还没有一套直接的测量技术来评价防砂效果。射线源(X射线源或射线源)发射出的射线是一种特殊的能束,其与被探测物质有着十分密切的关系,而且,这种关系具有一定的规律性,射线测量技术就是利用了射线的这种特性。射线测量技术具有测量速度快、测量无损性以及测量方法相对简单等独特的优点。目前,在石油工业中,射线测量技术使用非常广泛,如自然伽马测井、密度测井、岩石密度测井及无损探伤等领域。以上基于防砂工艺评价的问题和射线测量方法的特点,提出采用康普顿散射效应测量密度的原理,探测砾石填充后砂层的体积密度,从而实现对砾石填充后防砂工艺的评价。本文主要介绍一种防砂评价的方法。

1 康普顿散射密度测量方法

康普顿散射[1]即康普顿效应,是入射射线(X射线或γ射线)的光子与物质的原子核外电子相互作用时,发生一次非弹性碰撞(此电子即可以为自由电子,又可以为束缚电子),碰撞主要分为两部分:一部分光子将其能量转移给核外电子,使电子脱离原子核的束缚而射出成为反冲电子,同时另一部分光子以一定的角度被散射,形成康普顿散射光子。康普顿散射效应过程如图1所示。hv和hv′分别是入射和散射光子的能量;λ为散射效应之前光子的波长,λ′为散射效应之后光子的波长;θ角为入射光子和散射光子方向间的夹角,φ称为散射角,为反冲电子的反冲角。

图1 康普顿散射效应过程示意图

假设原子核外电子是静止的、自由的,根据康普顿提出的光量子假说理论,遵循能量和动量守恒定律,可推断出入射光子的能量、散射光子的能量以及散射角之间的关系[2]:

上式方程组中,v0和v分别为康普顿散射前后光子的频率,m0和m分别为康普顿散射前后光子的质量,c为真空中光子的速度。根据上方程组可以求解出康普顿散射公式:

从式(1)中可知,康普顿散射光子的波长增量Δ λ只与康普顿散射角有关系,与其他因素没有关系。散射角越大,光子损失的能量越多。

1.1 康普顿散射衰减系数

中等能量(0.2 MeV～2 MeV)的射线通过物质时与物质发生康普顿散射效应,射线会被物质散射和吸收,致使射线的强度减弱,其减弱程度常以康普顿散射衰减系数μ表示[3]:

上式中,σe为每个光子在原子核外电子上的康普顿散射截面,对于中等能量的射线,σe可视为常数,l表征原子核外的电子;NA为阿佛加德罗常数(即6.02×1023mol-1);Z为有效的物质原子序数;A为物质原子量(摩尔质量);为物质的体积密度ρb。

若用ne表示电子密度,即每立方米物质中的电子数,则有:把电子密度代入康普顿散射线性衰减系数得:

定义康普顿散射衰减系数为:

1.2 物质与康普顿散射效应的关系

射线源向被测物质放射射线,射线与物质发生康普顿效应,射线强度被衰减,通过探测器探测散射射线,所得到散射射线的计数率与被测物质的体积密度呈现指数衰减关系[4]:

上式中,L为放射源到探测器的距离,即源距;ρb为被测物质的体积密度;N为源距为L探测器所得的计数率;N0′为散射前的射线计数率。

选用已知体积密度为ρb1=1.7 g/cm3及ρb2=2.6 g/cm3的两种物体和X射线管做射线源,实验观察X散射射线与被测物质密度及源距的关系。实验结果如图2所示,当源距一定时,以L0为分界点,L0的左边源距相对较小,体积密度较大的被测物质产生较强的X射线散射计数率;而L0右边源距较大,体积密度越大,产生越小的X射线散射计数率。这是因为体积密度较大的物质,易产生多次散射,在射线源附近的区域形成大量的散射射线。图2还显示,不同密度的物质,计数率随源距的增大而减小并且交于一点即零计数率N0′,其对应的源距称为零源距L0。

图2 射线与源距的关系

设源距L与零源距L0之差称为视源距La,使用零计数率L0及视源距La替代式(4)中散射前的计数率N0′及源距L,修正(4)式并对其两边同时取对数,得:

2 密度测量方法总的装置结构

图3 防砂工艺评价密度测量方法的基本结构

防砂工艺评价密度测量方法的基本装置结构如图3所示,将测量仪器安装在油管上,测量仪器主要包括X射线源、高压源、铅屏蔽器、闪烁探测器、井下存储器。井上系统主要包括信号前置放大电路、滤波电路、多道分析器及微机显示系统等。放射源和射线探测器均放置在待测物质的同一侧,射线源和探测器之间由屏蔽体隔开,从而保证射线源射出的射线光子不能直接被探测器探测,探测器探测到的只能是散射射线。射线与物质发生相互效应,主要表现为三种:电子对效应、康普顿散射效应及光电效应,其中康普顿散射效应才与所测物质的密度成正比关系。因此要实现康普顿散射密度测量方法,首先要保证所探测的射线绝大部分是康普顿散射效应后的射线。X射线与物质发生可能各种效应的条件是,光电效应产生的能阈是0.1 MeV,即能量小于0.1 MeV就可产生光电效应,而电子对效应产生的能阈是1.02 MeV。所以,要选用能量在0.1 MeV～1.02 MeVX射线源为测量仪器的放射源,而闪烁探测器记录X射线的起始能阈的设置应不小于0.1 MeV,就可以确保探测器探测的X射线主要反映的是光子在物质中的康普顿散射过程。

测量砂层密度时,X射线源向套管与油管之间的环形空间发射射线,X射线与物质的原子核外电子发生康普顿效应而向四周散射,散射后射线的能量大大减少,且方向发生改变,经被测物质一次或散射后,部分的散射X射线被探测器所探测,然后存储,存储后的射线传输到井上,经过前置放大器信号放大处理和滤波处理,再经计数装置进行计数,最后经过计算机处理得到一条与散射物体体积密度有关的曲线。根据体积密度曲线上不同深度体积密度的不同,确定注入的地层砂分布及深度区的注入量,最后实现对砾石填充效果的评价。

3 结束语

康普顿散射密度测量方法应用非常广泛,它具有测量相对简单、测量速度快等特点。根基康普顿散射密度测量方法及特点,可以将其用于防砂工艺的评价。

砾石填充后,由于砂层不同区域的密度发生变化,通过对套管与油管之间的环形空间砂层的密度测量,从而识别人工砂的分布及含量,通过对人工砂分布和含量定性的分析,达到砾石填充后防砂效果的评价。试验证明,这种评价方法测量简单,具有可行性。

[1] 顾金虎,刘义保,杨 波,等.康普顿效应散射装置简介[J].物理与工程,2009,19(1)

[2] 李咏梅.光电效应和康普顿散射中光子和电子的相互作用[J].曲阜师范大学学报(自然科学版),2009,35(2)

[3] 刘向君,刘堂晏,刘诗琼.测井原理及工程应用[M].北京:石油工业出版社,2006

[4] 孙培伟,张建民,岳爱忠,等.双源距密度测井的蒙特卡罗数值模拟[J].原子能科学技术,2007,41(5)

[5] 徐 兵,彭 欣,安 玲.光子与物质作用产生次级电子的红限与紫限能级[J].长春师范学院学报(自然科学版),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年毕业于西安石油大学测控技术与仪器专业,现为西安石油大学的在读硕士研究生,专业为测试计量技术及仪器,目前主要从事油井砾石填充后砂体识别技术的研究。邮编:710065

2010-04-01编辑高红霞)

PI,2010,24(5):10～12

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