Perfil Neutrônico

UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO

Departamento de Ciências Ambientais e Tecnológicas Engenharia de Petróleo

Profa.: Dr. Regina Celia O. Brasil Delgado

TÉCNICAS E ANÁLISE DE OPERAÇÕES DE PERFILAGEM Grupo : Danilo Vieira Cruz Diego Bessa Diógenes Pablo Marck Leonardo Melo Benevides

Perfil neutrônico Generalidades

• A ferramenta de perfilagem neutrônica foi a primeira ferramenta nuclear a ser utilizada para obter-se uma estimativa direta da porosidade da formação.

• Os nêutrons são partículas (Raios Gama são energia) destituídas de carga elétrica. Sendo neutras elas podem penetrar profundamente na matéria, interagindo elástica ou inelasticamente com os núcleos dos elementos que compõem as rochas.

Perfil neutrônico

• O perfil de Raios Gama consiste no registro da radioatividade natural das rochas. Os perfis neutrônicos medem uma radioatividade induzida artificialmente, por meio de bombardeio das rochas com nêutrons de alta energia ou velocidade.

• Existe, todavia, diferenças de nível energético entre os raios gama naturais e os raios gama induzidos pelo processo de bombardeamento de nêutrons. Os raios gama naturais têm energia da ordem de 0,5 - 2,0 MeV (K40 = 1,46 MeV, etc), enquanto que os induzidos por esse processo, variam entre 2 e 8 MeV (tabela 2).

Perfil neutrônico

• Diferente do raio gama ou de uma partícula carregada, que reagem com os elétrons orbitais em um meio, o nêutron interage quase que exclusivamente como os núcleos atômicos. Consequentemente, as interações neutrônica na matéria são mais raras do que as gama ou as de partículas carregadas ( Hearst & Nelson, 1985).

Perfil neutrônico

Propriedades dos Nêutrons

• O nêutron (0η1) é uma partícula não ionizante, de massa igual ao hidrogênio (1H1), não existindo livre na natureza e tem meia-vida entre 10 a 30 minutos. • Os nêutrons, cujo conceito foi

introduzido, em 1932, por Heisenberg (Ellis, 1987), classificam-se de acordo com seus níveis energéticos (Tabela 1).

Perfil neutrônico

Perfil neutrônico

Interação dos Nêutrons com a Matéria

Os nêutrons interagem com os núcleos dos elementos componentes da matéria de três modos: absorção, captura ou ainda reação (acompanhada de emissão imediata de prótons ou partículas alfa);

espalhamento elástico (o nêutron muda de direção e transfere parte de sua energia cinética para o núcleo atingido) e,

Perfil neutrônico

espalhamento inelástico (a energia cinética não é conservada porque o núcleo atingido é deixado em estado excitado).

A probabilidade de ocorrência de cada uma destas interações depende do nível de energia do nêutron incidente e da natureza do núcleo envolvido no choque.

Perfil neutrônico

• Um nêutron tem uma "vida" relativamente curta. Considera-se início de sua "existência" no instante que sai da fonte como nêutron rápido e sua “morte” como sendo o momento em que ele é absorvido ou capturado por um núcleo do meio. Ao longo da trajetória fonte - captura, um nêutron passa pelas seguintes fases: (a) colisão, (b) amortecimento, (c) termalização e (d) captura ou absorção.

Perfil neutrônico Colisão

Em cada choque o nêutron perde parte de sua energia ou velocidade. A perda relativa de energia sofrida pelo nêutron depende de sua energia inicial, do ângulo de choque e da massa do núcleo atingido.

A quantidade de energia perdida durante uma colisão pode ser definida como:

Perfil neutrônico

Onde: FE é a energia fracional perdida e m é a massa do núcleo colidido em unidade de massa atômica (u.m.a.).

Perfil neutrônico

• A energia fracional é proporcional à massa do átomo colidido. Por esse princípio, a perda mais significativa de energia ocorre quando um nêutron colide com um átomo de hidrogênio, visto que este tem praticamente a mesma massa de um nêutron, e a máxima quantidade de energia perdida é uma função da concentração de hidrogênio (Brock, 1986).

Perfil neutrônico Amortecimento ou EspalhamentoDois são os fatores relevantes no amortecimento energético dos nêutrons rápidos. Um deles é a perda de energia sofrida pelo nêutron em choques com os núcleos de uma dada espécie. O outro, é a probabilidade do nêutron entrar realmente em colisão com os mesmos.

O amortecimento do nível energético dos nêutrons rápidos, depende da quantidade de hidrogênio, por unidade de volume, das camadas próximas às paredes do poço

Perfil neutrônico

Termalização • Tendo os nêutrons adquirido um nível

energético igual ao do meio ambiente (0,025 eV), ocasionados por choques sucessivos, com os elementos presentes, continuam eles ainda em processos de colisões, porém sem maiores mudanças energéticas, cada vez mais se afastando da fonte(invariabilidade energética). • Uma vez que a fonte emite

continuamente nêutrons, a população dos nêutrons rápidos estará sempre em crescimento, bem como a dos termais (etapa final da "vida" dos nêutrons). Na realidade é estabelecido um equilíbrio em virtude dos núcleos absorverem ou capturarem os nêutrons termais, além de dispersá-los naturalmente.

Perfil neutrônico

• Tal situação é atingida durante a perfilagem enquanto a fonte se desloca no poço. O não prosseguimento do bombardeio deixa no local um número finito de nêutrons continuando o processo de interação, durante um certo período de tempo. Esta é a razão pela qual esta ferramenta deve ser a última radioativa a ser usada durante uma operação de perfilagem de poço .

Perfil neutrônico Captura ou Absorção• O processo de captura de nêutrons

termalizados se dá pela incorporação do mesmo a um núcleo, não necessariamente de hidrogênio, mas de qualquer um outro do meio.

• Liberação de energia em forma de raios gama de captura.

• A liberação dos raios gama, em termos de nível energético e quantidade, depende de cada elemento envolvido na colisão, porquanto cada um deles tem o seu próprio espectro de emissão, distinto dos demais.

Perfil neutrônico

Tabela 2. Interação dos nêutrons com algums elementos das

rochas, de acordo com a sua secção eficaz de espalhamento e

captura.

Perfil neutrônico

Figura 1 – Representação esquemática de ferramenta neutrônico com dois detectores (adaptado de Ellis, 1987).

Perfil neutrônico

• A detecção da radioatividade e o conseqüente produto final, o perfil, dependem do tipo de detector utilizado, visto que dependendo do modelo, eles captam nêutrons que variam de termais a epitermais. Na interpretação do perfil neutrônico deve-se estar atento para perturbações inerentes ao ambiente da perfilagem, tais como o efeito da argila, matriz e gás sobre a ferramenta.

Perfil neutrônico

• Quando os poros são preenchidos com gás em maior quantidade do que óleo e água haverá uma redução no valor da porosidade neutrônica. Isso ocorre porque a concentração de hidrogênio no gás é menor do que na água ou no óleo. Esse efeito é conhecido como Efeito do Gás ( Asquith & Gibson, 1982).

Perfil neutrônico

• Na situação de gás, as ferramentas de densidade e sônico não sofrem influência pela redução da densidade de hidrogênio. Este comportamento propicia a indicação imediata das zonas de gás, a partir do cruzamento da curva de porosidade neutrônica com a curva de porosidade estimada pelos perfis de densidade ou sônico.

Perfil neutrônico

•Efeito dos Absorvedores de Nêutrons Termais

• A fase de termalização pode ser afetada pela presença de elementos absorvedores que compõem a matriz da rocha e pela concentração daqueles elementos com maiores probabilidades de capturar nêutrons termais.

Perfil neutrônico

•Efeito dos Absorvedores de Nêutrons Termais

• Na prática, a concentração destes elementos de alto poder de captura é mínima, principalmente quando se trata de rochas com porosidades maiores que 10-15%. Em baixas porosidades, quando a maioria dos absorvedores é constituída pelos elementos matriciais (por escassez do próprio hidrogênio), as diferenças entre arenitos (Si) e carbonatos (Ca, Mg) podem ser significativas.

Perfil neutrônico

• Efeito dos Absorvedores de Nêutrons Termais

• A presença dos absorvedores nas rochas proporciona um efeito de importância vital na interpretação dos perfis neutrônicos, que é a redução da população termal a qualquer distância da fonte, porquanto eles atuam como se fossem hidrogênio – espalhando e absorvendo os nêutrons. A redução na contagem final dos nêutrons termais poderá ser interpretada como uma alta porosidade, caso não se leve em consideração à concentração de cloro e demais absorvedores na água da formação.

Perfil neutrônico

•Obtenção de Fontes Radioativas de Nêutrons

• Uma fonte radioativa de nêutrons resulta da junção de um material radioativo, tipo Rádio, Plutônio ou Amerício, em íntimo contato como um elemento que tenha nêutrons fracamente unidos como o Berílio. As partículas alfa produzidas pelo Ra, Pu ou Am colidindo com os núcleos de Be o fazem expulsar nêutrons. Quanto maior a energia das partículas alfa maior a energia dos nêutrons expulsos.

Perfil neutrônico

•Obtenção de Fontes Radioativas de Nêutrons

Perfil neutrônico• Princípio das Ferramentas Neutrônicas

• As ferramentas neutrônicas são constituídas por uma fonte de nêutrons e de um, dois ou quatro detectores. Os nêutrons rápidos bombardeiam as camadas adjacentes ao poço, onde sucessivas e múltiplas colisões elásticas com os átomos do meio fazem com que os nêutrons percam parte da energia com que foram lançados. Esta perda de energia depende da massa relativa (ou seção eficaz) do núcleo colidido. Onde verificou-se que as maiores perdas ocorrem justamente quando os nêutrons se chocam com núcleos de massa praticamente igual a sua.

Perfil neutrônico

• Princípio das Ferramentas Neutrônicas

Perfil neutrônico Princípios das Ferramentas Neutrônicas

•São constituídas por uma de nêutrons e de um, dois ou quatro detectores.• Os neutros bombardeiam as camadas adjacentes ao poço, perdendo enegia.

Perfil neutrônico

Emissão e detecção dos nêutron

• A detecção de níveis energéticos de fluxo de nêutron dependem do tipo de ferramenta utilizada.• As ferramentas emitem nêutrons rápidos e as capturam com diferentes tipos de energia, a depender do tipo de colisão que enfrentou.

Perfil neutrônico

Tipos de Ferramentas e Detecção

• Neutrônico Omnidirecional – Raios Gama• Neutrônico Epitermal – Nêutrons Epitermais• Neutrônico Compensado – Nêutrons Termais• Duplo Neutrônico – Nêutrons Epitermais e Termais

Perfil neutrônico Ferramentas Neutrônica

Omnidirecional• Não se usa mais, pois antes mesmo de

atingir as rochas, o fluxo de nêutron eram absorvido pela lama e o reboco, gerando uma análise criteriosa e consequentemente maiores erros na interpretação do dados.• Consistia de uma ferramenta tipo

mandril portando uma fonte omnidirecional.

Perfil neutrônico

Ferramentas Neutrôica Epitermal• Ferramenta com fonte e detector unidirecionais, montados sobre um patin pressionado contra a parede do poço.• Apenas os nêutrons com energia superior a 0,025eV penetram no detector, promovendo um pulso que é captado.

Perfil neutrônico

Ferramentas Neutrônica Termal• Tipo mandril atuando excentralizada, contendo uma fonte mais potente que as anteriores e dois detectores de nêutrons distantes a 38 e 63,5cm da fonte.• Esta disposição proporciona duas profundidades de investigação diferentes (Reboco e Rocha).

Perfil neutrônico

Ferramentas Neutrônica Dupla

•Aproveita o que há de melhor nas ferramentas Epitermal e Termal, usando uma fonte e dois pares de detectores epitermais e termais.

Perfil neutrônico

Uso dos Perfis Neutrônicos

•Registram diretamente as porosidades das rochas (poço aberto ou revestido).

Perfil neutrônico Interpretação dos Perfis Neutrônicos• .Quanto maior o diâmetro, maior a quantidade

de lama e menor as respostas provenientes das camadas

• Presença de gás ou hidrocarbonetos leves significa uma menor densidade de hidrogênio por unidade de volume de rocha. Como resultado o neutrônico lerá baixa porosidade nestas zonas.

• A Argila dentro das camadas significa um alto teor de água adsorvida, dando uma maior porosidade nas rochas argilosas do que nas limpas.

Estudo De Caso

• Caracterização das propriedades do reservatório utilizando curvas de perfilagem geofísica de poços no Campo de Namorado na Bacia de Campos-RJ.

Estudo De Caso

• O campo está localizado na parte central da Bacia De Campos-RJ.

• Cerca de 70 Km da costa.

• Aquisição de dados geofísicos Foram obtidos com perfís de RaiosGama (RG), Sônico (DT), Resistivi-Dade (ILD),Densidade (RHOB) e Neutrônico (NPHI).

Localização do Campo de Namorado na Bacia de Campos RJ

Estudo De Caso

• Porosidade neutrônica (NPHI): Índice de hidrogênio da formação. Seu funcionamento se baseia no princípio de que o nêutron não possui carga elétrica e tem massa semelhante ao hidrogênio. Os nêutrons penetram a formação geológica, e “perfuram” a eletrosfera colidindo diretamente com os átomos dos diferentes elementos. Ao colidirem, esses nêutrons desaceleram e reduzem-se a níveis termais que chegam aos detectores. Essa porosidade é dada em PU.

Estudo De Caso• A área de interesse foi fixada na faixa de

profundidade de 2990 a 3150 metros observando-se as ocorrências de crossovers entre baixos valores de densidade e altos valores de neutrão.

• Pelas curvas de Densidade e Neutrão são verificadas as áreas onde as curvas se

cruzam. Quando há uma diminuição de densidade e a reflexão de hidrogênio aumenta formando

um crossover indica arenito e possível zona de gás caso essa área formada seja

considerável. No caso de estudo é possível confirmar a

presença de gás de 2990 a 3010 metros de

profundidade.

Perfis do poço “NA01A” visualizados no LogPlot7®.

Estudo De caso• Foram obtidos os valores de densidade

porosidadeneutrônica que confirmaram a presença de

arenito nastrês fases , o topo do reservatório em 2990 m, e

a base3150 m, assim como os contatos gás/óleo a

3010 m e óleo/água a 3120 m. A porosidade neutrônica

medidafoi 21 PU, dg= 2,18 dw= 2,24 do= 2,33 g/cm³.A porosidade-densidade retornou os valores de

28,5%, 24,8% e 19,4% da mesma forma. • Nesse estudo de caso o poço foi perfurado em

um reservatório contendo óleo, onde também

identificouformação arenito onde estão presentes capa de

gás notopo, óleo no meio e aquífero na base.

Em vermelho a zona de gás, verde de óleo e azul de água.

Estudo De Caso

•Para determinação dos locais que continham fluidos, foi observado o perfil de densidade cruzado com dados de porosidade neutrão, e assinalados nas áreas onde as curvas se cruzavam. Com ajuda do perfil de resistividade foi determinado o tipo de fluido contido em cada profundidade do reservatório.

FIM