基于康普頓散射的防砂評(píng)價(jià)方法的研究

唐 娜 嚴(yán)錦根 張向華 管素紅

(1.西安石油大學(xué)光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(píng)價(jià)方法的研究

唐 娜1嚴(yán)錦根2張向華2管素紅2

(1.西安石油大學(xué)光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yīng)測(cè)量密度的方法來評(píng)價(jià)礫石填充后的防砂效果。測(cè)量物質(zhì)密度時(shí),伽馬射線和物質(zhì)發(fā)生康普頓散射效應(yīng),散射射線的波長(zhǎng)隨散射角的變化而變化,散射射線的強(qiáng)度和物質(zhì)的體積密度及原子核序數(shù)等因素有關(guān)。因此,根據(jù)康普頓散射效應(yīng)的原理,探測(cè)射線與被測(cè)物質(zhì)的康普頓散射效應(yīng)前后的射線強(qiáng)度,測(cè)定出被測(cè)物質(zhì)的體積密度,進(jìn)而定性地分析礫石填充防砂的效果。

康普頓散射效應(yīng);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(yàn),而防砂的評(píng)價(jià)方法只是通過實(shí)際生產(chǎn)過程中的防砂效果進(jìn)行對(duì)比和分析,還沒有一套直接的測(cè)量技術(shù)來評(píng)價(jià)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(cè)物質(zhì)有著十分密切的關(guān)系,而且,這種關(guān)系具有一定的規(guī)律性,射線測(cè)量技術(shù)就是利用了射線的這種特性。射線測(cè)量技術(shù)具有測(cè)量速度快、測(cè)量無損性以及測(cè)量方法相對(duì)簡(jiǎn)單等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。目前,在石油工業(yè)中,射線測(cè)量技術(shù)使用非常廣泛,如自然伽馬測(cè)井、密度測(cè)井、巖石密度測(cè)井及無損探傷等領(lǐng)域。以上基于防砂工藝評(píng)價(jià)的問題和射線測(cè)量方法的特點(diǎn),提出采用康普頓散射效應(yīng)測(cè)量密度的原理,探測(cè)礫石填充后砂層的體積密度,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)礫石填充后防砂工藝的評(píng)價(jià)。本文主要介紹一種防砂評(píng)價(jià)的方法。

1 康普頓散射密度測(cè)量方法

康普頓散射[1]即康普頓效應(yīng),是入射射線(X射線或γ射線)的光子與物質(zhì)的原子核外電子相互作用時(shí),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(zhuǎn)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(shí)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(yīng)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(yīng)之前光子的波長(zhǎng),λ′為散射效應(yīng)之后光子的波長(zhǎng);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(yīng)過程示意圖

假設(shè)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(dòng)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(guān)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(zhì)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(zhǎng)增量Δ λ只與康普頓散射角有關(guān)系,與其他因素沒有關(guān)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(zhì)時(shí)與物質(zhì)發(fā)生康普頓散射效應(yīng),射線會(huì)被物質(zhì)散射和吸收,致使射線的強(qiáng)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(gè)光子在原子核外電子上的康普頓散射截面,對(duì)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(zhì)原子序數(shù);A為物質(zhì)原子量(摩爾質(zhì)量);為物質(zhì)的體積密度ρb。

若用ne表示電子密度,即每立方米物質(zhì)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(zhì)與康普頓散射效應(yīng)的關(guān)系

射線源向被測(cè)物質(zhì)放射射線,射線與物質(zhì)發(fā)生康普頓效應(yīng),射線強(qiáng)度被衰減,通過探測(cè)器探測(cè)散射射線,所得到散射射線的計(jì)數(shù)率與被測(cè)物質(zhì)的體積密度呈現(xiàn)指數(shù)衰減關(guān)系[4]:

上式中,L為放射源到探測(cè)器的距離,即源距;ρb為被測(cè)物質(zhì)的體積密度;N為源距為L(zhǎng)探測(cè)器所得的計(jì)數(shù)率;N0′為散射前的射線計(jì)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(shí)驗(yàn)觀察X散射射線與被測(cè)物質(zhì)密度及源距的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示,當(dāng)源距一定時(shí),以L0為分界點(diǎn),L0的左邊源距相對(duì)較小,體積密度較大的被測(cè)物質(zhì)產(chǎn)生較強(qiáng)的X射線散射計(jì)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(jì)數(shù)率。這是因?yàn)轶w積密度較大的物質(zhì),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(zhì),計(jì)數(shù)率隨源距的增大而減小并且交于一點(diǎn)即零計(jì)數(shù)率N0′,其對(duì)應(yīng)的源距稱為零源距L0。

圖2 射線與源距的關(guān)系

設(shè)源距L與零源距L0之差稱為視源距La,使用零計(jì)數(shù)率L0及視源距La替代式(4)中散射前的計(jì)數(shù)率N0′及源距L,修正(4)式并對(duì)其兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù),得:

2 密度測(cè)量方法總的裝置結(jié)構(gòu)

圖3 防砂工藝評(píng)價(jià)密度測(cè)量方法的基本結(jié)構(gòu)

防砂工藝評(píng)價(jià)密度測(cè)量方法的基本裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示,將測(cè)量?jī)x器安裝在油管上,測(cè)量?jī)x器主要包括X射線源、高壓源、鉛屏蔽器、閃爍探測(cè)器、井下存儲(chǔ)器。井上系統(tǒng)主要包括信號(hào)前置放大電路、濾波電路、多道分析器及微機(jī)顯示系統(tǒng)等。放射源和射線探測(cè)器均放置在待測(cè)物質(zhì)的同一側(cè),射線源和探測(cè)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(cè)器探測(cè),探測(cè)器探測(cè)到的只能是散射射線。射線與物質(zhì)發(fā)生相互效應(yīng),主要表現(xiàn)為三種:電子對(duì)效應(yīng)、康普頓散射效應(yīng)及光電效應(yīng),其中康普頓散射效應(yīng)才與所測(cè)物質(zhì)的密度成正比關(guān)系。因此要實(shí)現(xiàn)康普頓散射密度測(cè)量方法,首先要保證所探測(cè)的射線絕大部分是康普頓散射效應(yīng)后的射線。X射線與物質(zhì)發(fā)生可能各種效應(yīng)的條件是,光電效應(yīng)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(yīng),而電子對(duì)效應(yīng)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(cè)量?jī)x器的放射源,而閃爍探測(cè)器記錄X射線的起始能閾的設(shè)置應(yīng)不小于0.1 MeV,就可以確保探測(cè)器探測(cè)的X射線主要反映的是光子在物質(zhì)中的康普頓散射過程。

測(cè)量砂層密度時(shí),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(zhì)的原子核外電子發(fā)生康普頓效應(yīng)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(cè)物質(zhì)一次或散射后,部分的散射X射線被探測(cè)器所探測(cè),然后存儲(chǔ),存儲(chǔ)后的射線傳輸?shù)骄?經(jīng)過前置放大器信號(hào)放大處理和濾波處理,再經(jīng)計(jì)數(shù)裝置進(jìn)行計(jì)數(shù),最后經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理得到一條與散射物體體積密度有關(guān)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(shí)現(xiàn)對(duì)礫石填充效果的評(píng)價(jià)。

3 結(jié)束語

康普頓散射密度測(cè)量方法應(yīng)用非常廣泛,它具有測(cè)量相對(duì)簡(jiǎn)單、測(cè)量速度快等特點(diǎn)。根基康普頓散射密度測(cè)量方法及特點(diǎn),可以將其用于防砂工藝的評(píng)價(jià)。

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(duì)套管與油管之間的環(huán)形空間砂層的密度測(cè)量,從而識(shí)別人工砂的分布及含量,通過對(duì)人工砂分布和含量定性的分析,達(dá)到礫石填充后防砂效果的評(píng)價(jià)。試驗(yàn)證明,這種評(píng)價(jià)方法測(cè)量簡(jiǎn)單,具有可行性。

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

[2] 李詠梅.光電效應(yīng)和康普頓散射中光子和電子的相互作用[J].曲阜師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,35(2)

[3] 劉向君,劉堂晏,劉詩瓊.測(cè)井原理及工程應(yīng)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(cè)井的蒙特卡羅數(shù)值模擬[J].原子能科學(xué)技術(shù),2007,41(5)

[5] 徐 兵,彭 欣,安 玲.光子與物質(zhì)作用產(chǎn)生次級(jí)電子的紅限與紫限能級(jí)[J].長(zhǎng)春師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè),現(xiàn)為西安石油大學(xué)的在讀碩士研究生,專業(yè)為測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器,目前主要從事油井礫石填充后砂體識(shí)別技術(shù)的研究。郵編:710065

2010-04-01編輯高紅霞)

PI,2010,24(5):10～12

·方法研究·