مقدمه
استفاده از تکنولوژی هسته ای برای شناسائی خصوصیات تحت الارضی برای اولین بار در سال 1939 انجام شد. این تکنولوژی نقش مهمی در حل مشکلات پتروفیزیکی ناشی از اکتشاف و بهره برداری هیدروکربنها ماند نفت و گاز، مطالعات علمی زمین، برآورد ساختارهای زمین شناسی و همچنین معادن ایفا نمود.
بسته به نوع کاربرد، این تکنولوژی بر اساس تشعشع طبیعی مواد رادیواکتیو از دستگاهها بصورت فعل و انفعال نوترون ها یا فوتون ها یا هر دو و انعکاس امواج رسیده از جسم مقابل عمل می نماید.
تکنولوژی هسته ای توانائی مشاهده مشخص کردن مخازن زیرزمینی، مشاهدة وضعیت چاهها (نمودارگیری)، اندازه گیری حرکت مشخصات سیالات را دارد.
روشهای تخمین این دستگاهها یا بر اساس روشهای شبیه سازی انتقال رادیواکتیو و ارتباط بین فعل و انفعالات هسته ای مونت کارلو (Monte-carlo) یا بر اساس روش عددی معادلة انتقال بولتزمن (Boltzman)می باشد که نقش موفقی در شبیه سازی مشکلات و مسائل از سال 1960 ایفا نموده است .
بعضی از مواردی که میتواند با استفاده از ابزارهای هسته ای در مخازن نفت و گاز مشخص شود عبارتند از :
1) میزان تخلخل با استفاده از پرتو اشعه ? گاما- دانسیته
2) حرکت سیالات در مخازن با استفاده از روش نوترونها و فوتون ها
3) مشخصات خواص رژیم سیال
4) میزان مقاومت
5) لیتولوژی سنگ مخزن و ماتریکس سنگ
6) تشخیص شکستگیهای مخزن
7) اشباع سیالات مخزن و مشخص نمودن لایه های دارای قابلیت تولید هیدروکربن
مواد رادیو اکتیو
هر عنصری که قادر به تشعشع ذرات ? ، ? و ? باشد ، رادیواکتیو نام دارد.
اشعه ? (آلفا) : هسته اتم هلیم بوده که دارای عدد اتمی جرم 2 و جرم اتمی 4 می باشد.
اشعه ? (بتا) : تشعشات ? در واقع انتشار الکترونها از یک ماده رادیواکتیو می باشند. چون این ذرات دارای بارالکتریکی بوده و دارای جرم کمی هستند، دارای قدرت نفوذپذیری پائینی می باشند ولی قدرت نفوذ آنها از ذرة ? بیشتر است.
اشعه ? (گاما) : امواج ? تشعشعات الکترومغناطیسی هستند که فاقد بار الکتریکی و جرم می باشند ولی دارای انرژی زیادی می باشند. قدرت این اشعه با عدد اتمی جسمی که در آن تشعشع می نماید نسبت عکس دارد، بدین معنی که هر چه سنگین تر باشد قدرت نفوذ این کمتر است.
اشعه نوترون : فاقد بار الکتریکی و دارای جرمی معادل پروتون می باشد. قدرت نفوذ این اشعه بسیار بیشتر از اشعة گاما می باشد. این اشعه بطور آزاد در طبیعت یافت نمی شود بلکه میتوان آن را بطور مصنوعی تولید نمود.
یکی از منابع تولید نوترون استفاده از مخلوط عناصر هسته ای پلوتونیوم- بریلیوم می باشد. امتیاز این منبع عمر بیشتر این منابع (حدود 24000 سال) و تولید کمتر اشعة مزاحم گاما می باشد.
از منابع دیگر تولید نوترون تاباندن اشعة ? یا ? به یک هدف مناسب، نوترون آزاد می شود. یکی از این منابع استفاده از مخلوطی به میزان یک گرم رادیوم و چند گرم پودر بریلیوم می باشد. این مخلوط میتواند تعداد زیادی نوترون در ثانیه ایجاد کند. نیمه عمر رادیوم تقریباً 1620 سال بوده و مخلوط رادیوم- بریلیوم میتواند بطور ثابتی اشعة نوترون منتشر نماید. این منبع اشعة ? نیز همزمان تولید می نماید.
پراکندگی مواد رادیواکتیو در سنگها
ایزوتوپهای عناصر طبیعی رادیواکتیو بطور فراوانی در طبیعت یافت می شوند و حتی گاهی جمع غیرعادی از این عناصر در یک محل نیز دیده شده است ولی آنهائی که از نظر زمین شناسی دارای اهمیت بیشتر بوده و همراه با طبقات دیده میشوند عبارتند از اورانیوم، توریم و ایزوتوپ پتاسیم 40 . باید متذکر گردید که ایزوتوپ پتاسیم یکی از عناصر رادیواکتیو طبیعی می باشد که برخلاف عناصر دیگر که بعد از تغییرات در نهایت تبدیل به سرب می گردند، این عنصر در نهایت به کلسیم تبدیل می گردد. نسبت فراوانی پتاسیم رادیواکتیو در حدود 01/0% از پتاسیم موجود در طبیعت می باشد. سه عنصر ذکر شده رادیواکتیو به نسبتهای مختلف بسته به جنس لایه های رسوبی میزان تراکم آنها متغیر می باشد.
در بین طبقات رسوبی لایه های شیل بعلت خاصیت جذب شدید و قادر بودن به تبادلات یونی در نتیجه دارای مقدار بیشتری مواد رادیواکتیو می باشند. البته در بین شیلها آنهائی که مربوط به دریاهای عمیق تر هستند دارای عناصر رادیواکتیو بیشتری هستند. لایه های رسوبی دیگر از قبیل سنگ آهک و دولومیت با وجود اینکه در دریا تشکیل می گردند ولی بعلت اینکه قسمت اعظم مواد تشکیل دهنده این نوع سنگها از پوسته حیوانات دریائی است و این حیوانات بطور طبیعی قادر به جذب عناصر رادیواکتیو نیستند میزان تراکم این مواد در سنگهای آهکی کم است، ولی عوامل بعدی که باعث پیدایش تخلخل ثانویه در سنگ می گردند (از قبیل Dolomitization) و رسوباتی که از دریا در این حفره ها رسوب می نماید چون دارای کمی مواد رادیواکتیو می باشند باعث بالا رفتن میزان تراکم این عناصر در این نوع سنگها می گردند.
نمودار پرتو گاما (- Ray Log?) : منحنی نمودار پرتو گاما بازتابی از اندازه گیری رادیواکتیویتة طبیعی سازندهاست. این منحنی در تعیین و ارزیابی رسوبات مواد رادیواکتیو مانند پتاس و سنگهای اورانیوم مفید می باشد. تقریبا تمام تشعشع گامای موجود در زمین توسط ایزوتوپ رادیو اکتیو سدیم با وزن اتمی 40 و عناصر رادیواکتیو سری های توریم، اورانیم و رادیم ساطع می شود.
در سازندهای رسوبی منحنی نمودار پرتو گاما معمولاً منعکس کنندة شیل سازند است و این بدان علت است که مواد رادیواکتیو تمایل بر جمع شدن در مواد رسی (Clay) و شیل ها را دارند. منحنی نمودار پرتو گاما در چاههای لوله پوش (Cased Hole) نیز میتواند ثبت گردد که استفاده از آن در عملیات تعمیر و تکمیل چاهها بسیار مفید است. این منحنی نمودار غالباً بجای منحنی نمودار پتانسیل خود را در چاههای لوله پوش هنگامی که نمودارگیر پتانسیل خودزا در دسترس نباشد یا در چاههای بدون لوله پوش (open hole) هنگامیکه پتانسیل خودزا نتیجه رضایت بخش ندهد بکار میرود. در هر دو حالت این منحنی در تعیین محل لایه های بدون شیل و برای هم ترازی (Correlations) مفید است.
کاربردهای نمودار پرتو گاما:
استفاده از منحنی نمودار پرتو گاما ً برای تعیین بسترهای شیلی و شاخص مقدار شیل لایه ها
-
تعیین و ارزیابی مواد معدنی رادیواکتیو نظیر پتاس و کانیهای اورانیوم.-
تعیین مواد معدنی غیر رادیواکتیو مثل زغال سنگ.-
هم ترازی (Correlation) در چاههای Cased Holes . ثبت همزمان پرتو گاما و سایر نمودارهااین امکان را فراهم می آورد که تفنگهای مشبک کاری دقیقاً در محل مورد نظر قرار گیرند.تغییرات منحنی نمودار در چاههای Cased Hole در مقایسه با چاههای Open Hole کمتر است و این بعلت جذب پرتوهای گاما در لوله های جداری فولادی و سیمان می باشد.-
منحنی نمودار پرتو گاما برای تعیین ضخامت سازندها در زمین شناسی استفاده می شود.-
نمودار اصلاحی نوترون (Compensated Neutron Log):
این نمودار برای تشخیص لایه های متخلخل و محاسبه تخلخل آنها بکار میرود. ثبت کننده این دستگاه نمودارگیر تحت تأثیر هیدروژن سازند قرار گرفته و منعکس کنندة مقدار هیدروژن موجود در لایه های بصورت درصد تخلخل بر روی یک مقیاس خطی می باشد. بنابراین در لایه های تمیز (بدون شیل) که خلل و فرج آنها با آب یا نفت پر شده، نمودار نوترون نشان دهندة فضای پر از مایع است.
کاربرد این منحنی همراه با سایر نمودارها جهت بررسی صحیح تر لایه از نظر تخلخل، درجه اشباع سیالات (Fluid Saturation)، نوع سازند، وجود شیل و همچنین وجود گاز امری طبیعی است، منحنی نمودار نوترون می تواند از چاههای لوله پوش (Cased Holes) نیز ثبت گردد.
نمودار اصلاحی جرم مخصوص سازند (Compensated Formation Density Log)
منحنی نمودار جرم مخصوص وسیله ای مفید برای اندازه گیری تخلخل سازند است. استفاده دیگر آن تشخیص گاز، جرم مخصوص هیدروکربن و شناخت لیتولوژی (نوع سنگ) لایه هاست.
منبع فرستنده دستگاه این نمودار نیز رادیواکتیو و از عناصر هسته ای می باشد (معمولاً سزیوم (137)) . این منبع اشعه گاما را با انرژی متوسط بداخل لایه ساطع می کند.
منابع و مأخذ :
1- Well logging-petrophysic department of NISOC , (Khordad 1376).
