تسجيل الكثافة
تسجيل الكثافة (Density logging) وهو يعتبر أحد التطبيقات التي تستخدم أشعة جاما في جمع البيانات حول التكوينات التحت سطحية بواسطة إستخدام مجس الكثافة.
تعتمد أدوات تسجيل الكثافة في عملها على عاملين مهمين وهما:
- اشعة جاما المبعثرة او المتشتتة (gamma-ray scattering)
- الامتصاص الكهروضوئي (photoelectric (PE) absorption).
ظهرت الطرق النووية لقياس المسامية بعد سنة 1957. يتم قياس المسامية عن طريق قياس الكثافة الكلية (ρb) اي (bulk density) للصخور . يمكن حساب المسامية اذا كانت كثافة المادة الصخرية (matrix density) وكثافة السائل داخل المسامات معلومة. كثافة المادة الصخرية لمختلف الصخور تتراوح بين (2.87 - 2.65) g/cm3. هذه القيم تمثل معدل كثافة المادة الصخرية للصخور المكمنية. كثافة السائل تكون في اغلب الأحيان (1.0) g/cm3 حيث جهاز الكثافة يقيس في المناطق المغزوة من الطبقات النفاذة التي تتمثل بسائل راشح الطين. الطبقات المكمنية الغازية التي لها عمق الغزو فيها قليل فان استعمال هذه القيمة من الكثافة تؤدي الى اخطاء في حسابات المسامية. اذن الكثافة الكلية المقاسة للتكوينات تعتمد على مسامية هذه التكوينات اذا كانت الصفات الصخرية (lithology) ثابتة.
كثافة السائل تساوي (1.0) g/cm3 في الآبار المملؤة بطين حفر اعتيادي وتساوي (1.1) g/cm3 في الآبار المملوءة بطين ملحي. يبين الجدول التالي كثافة المادة ااصخرية لانواع مختلفة من الصخور المتواجدة في الحقول:
| نوع الصخرة | كثافة المادة الصخرية g/cm3 | كثافة المادة الصخرية المستعملة g/cm3 |
|---|---|---|
| رملي | 2.65 - 2.70 | 2.65 or 2.69 |
| كلسي | 2.71 | 2.71 |
| دولومايت | 2.83 - 2.89 | 2.83 or 2.87 |
| انهيدريت | 2.94 - 3.0 | 2.98 |
| ملح (halite) | 2.03 | 2.03 |
|
| شكل (2) مثال حقلي لتخطيط الكثافة وأشعة جاما و caliper (لشركة شلمبرجر). |
أدوات تسجيل الكثافة
تقوم أداة تسجيل الكثافة بإرسال أشعة جاما إلى التكوين وتكتشف تلك التكوينات التي يحصل لها تشتت (scattered). تتكون أداة الجس من مصدر السيزيوم 137، الذي يصدر أشعة جاما بمقدار 0.66 ميغا إلكترون فولت (MeV)، وكاشف (detector) قريب من المصدر وآخر بعيد عن المصدر. يقوم كل كاشف بالتقاط اشعة جاما المتشتته (scattered gamma rays). الكاشفان مثبتان على مسند (pad) يلتصق بجدار البئر، يقيس الكاشف البعيد الكثافة الكلية للتكوين بينها يقيس الكاشف القريب كثافة التكوين في المنطقة المغزوة القريبة من جدار البئر.
|
| شكل (3) مخطط يبين العلاقة بين مقدار أشعة جاما المسجلة وكثافة المادة أو الالكترونات وتفاعل أشعة جاما مع المادة. |
عند عدم وجود القشرة الطينية (Mud cake) على جدار البئر فان الكاشف القريب والبعيد يسجلان نفس الكثافة. يبين الشكل (4) تأثير كثافة القشرة الطينية على قياس الكثافة.
|
| شكل (4) مخطط يبين تأثير اختلاف سمك وكثافة القشرة الطينية على تسجيل الكثافة. |
يمثل الخط المستقيم في الشكل (4) الكثافة وعلى هذا الخط يكون تسجيل الكثافة متساويا بالنسبة للكاشفين، أي عند عدم وجود قشرة طينية ذات كثافة واطئة اقل من كثافة التكوین) فان الكاشف القريب يسجل كثافة أوطأ من كثافة التكوين. تمثل نقطة (x) في المخطط هذه الحالة. ايضا يقرأ الكاشف البعيد كثافة اقل من الحقيقية ولكن بمقدار اقل. كلما زاد سمك القشرة الطينية كلما زاد مقدار التصحيح كما مبين في الشكل بنقطة (Y). مقدار التصحيح او فرق الكثافة (ρb) الذي يجب اضافته مبين أيضا في الشكل. عند وجود قشرة طينية ذات كثافة عالية (نقطة z) في الشكل، فإن الجهاز سيسجل كثافة أعلى من كثافة التكوين . يؤشر اتجاه السهم طريقة التصحيح او الكثافة الصحيحة. عند التسجيل يضاف او يطرح مقدار من الكثافة (ρb) بصورة اوتوماتيكية للحصول على الكثافات الصحيحة يمثل شكل (2) تسجيل الكثافة مع تسجيل مقدار التصحيح مع العمق. عند التسجيل، يكون جهاز الكثافة ملتصقا جدار البئر وقد يحصل اختلاف في الكثافة المسجلة بعدة مرات داخل البئر. الصخور المكمنية لها كثافة الكترونات تتناسب طرديا مع الكثافة الكلية المسجلة وهذه العلاقة ممكن اثباتها.
يبين جدول (2) الكثافات الظاهرية لبعض المركبات والاختلاف بين كثافة الالكترونات وكثافة المادة. نلاحظ الاختلاف بسيط جدا بين هذه القيم، ولكن هناك بعض مركبات المعادن الممثلة لترسبات المتبخرات (evaporites) أي مركبات الأملاح مثل (KCl)، (NaCl) والانهيدرایت والجبس. فمثلا يسجل جهاز الكثافة كثافة الأنهيدرايت مساوية g/cm3(2.977) بينا الكثافة الظاهرية تساوي (2.960) g/cm3. وايضا مركب (KCl) له كثافة ظاهرية مساوية (1.984) g/cm3 بينما جهاز الكثافة يسجل قيمة اقل تساوي (1.863) g/cm3.
| المواد | الصيغة | الكثافة الكلية (ρb)، g/cm3 | كثافة الالكترون (ρe)، g/cm3 | الكثافة الظاهرية (ρc)، g/cm3 |
|---|---|---|---|---|
| الكوارتز (Cuartz) | SiO2 | 2.654 | 2.650 | 2.648 |
| الكالسيت (Calcite) | CaCO3 | 2.710 | 2.708 | 2.710 |
| الدولمايت (Dolomite) | CaCO3 MgCO3 | 2.870 | 2.863 | 2.876 |
| انهيدرايت (Anhydrite) | CaSO4 | 2.960 | 2.957 | 2.977 |
| سيلفيت (Sylvite) | KCl | 1.984 | 1.916 | 1.863 |
| هاليت (Halite) | NaCl | 2.165 | 2.074 | 2.032 |
| جبس (Gypsum) | CaS42H2O | 2.320 | 2.372 | 2.351 |
| انثراسايت (Anthracite) | CH0.358N0.009O0.022 | 1.400 | 1.442 | 1.355 |
| فحم (Coal) | 1.800 | 1.852 | 1.796 | |
| بيتومين (Bituminous) | CH0.793N0.015O0.078 | 1.200 | 1.272 | 1.173 |
| فحم (Coal) | 1.500 | 1.590 | 1.514 | |
| الماء العذب (Fresh Water) | H2O | 1.000 | 1.110 | 1.000 |
| الماء المالح (Salt Water) | 200 kppm | 1.146 | 1.237 | 1.135 |
| النفط (Oil) | n(CH2) | 0.850 | 0.970 | 0.850 |
| الغاز (Gas) | C1.1H4.2 | ρg | 1.238ρg | 1.325ρg– 1.188 |
ممكن استعمال المخطط البياني شکل (5). لاجراء التصحيح لهذه الأنواع من المركبات ان وجدت. يحتوي هذا المخطط أيضا على تصحيح الكثافة المسجلة اذا كانت التكوينات حاوية على هايدروكاربونات غازية.
 |
| شكل (5) مخطط بياني لتصحيح الكثافة المسجلة |
يتحكم معدل كثافة الإلكترون في حجم التكوين الذي تم فحصه بواسطة الأداة في معدلات تعداد أشعة جاما المبعثرة في أجهزة الكشف. كما رأينا أعلاه، فإن معدل كثافة الإلكترون، بدوره، يرتبط ارتباطًا وثيقًا (ولكن ليس تمامًا) بالكثافة الكلية (Bulk density). نظرًا لأن أشعة جاما لا يمكنها اختراق التكوين لمسافة بعيدة، لأن حجم الاستقصاء،(investigation) صغير. وإن المواجهة بين القشرة الطينية (Mudcake) والأداة لها تأثيرات قوية بشكل خاص على هذا القياس. بالنسبة لأشعة جاما الأقل نشاطًا، يتحكم الامتصاص الكهروضوئي (PE) في معدلات العد المرصودة. هنا، يحدد معدل العدد الذري (الذي يرتبط بنوع الصخور) مقدار الامتصاص الكهروضوئي الذي يظهره التكوين. مرة أخرى، جميع تأثيرات المعدل الكلية تتراكم مع مشاكل خاصة يطرحها طين الباريوم المرجح.
يتناقص عمق استقصاء أداة الكثافة مع زيادة الكثافة ولا يتجاوز 6 in، كما يوضح العامل الهندسي الكاذب (Pseudogeometric factor) في الشكل (6). يقيس المجس دائمًا المنطقة التي تم غزوها (Invaded zone)، في التكوينات المسامية النفاذه. كما هو معتاد في عائلة القياسات النووية المتبعثرة، تستخدم أداة الكثافة كاشفين كما ذكرنا. المسافة بين الكاشفات القريبة والبعيدة تحدد الدقة الرأسية، حوالي 10 in. يتم التصحيح عن طريق تقنية العمود الفقري والأضلاع (spine-and-ribs technique). العمود الفقري (spine) هو علاقة المعايرة العادية بين الكثافة المقاسة بواسطة أجهزة الكشف القريبة (near-spaced) والبعيدة (far-spaced) في غياب أي فجوة او ثغرة بين الأداة وجدار تجويف البئر.
 |
| شكل (6) الوظائف الهندسية النووية الشعاعية: مقارنة الوظائف الهندسية الشعاعية لمختلف السجلات النووية في 20 p.u. حجر الكلس. |
تفسير مجس الكثافة
في عملية التفسير القياسية، يقوم المحلل بتحديد المسامية مباشرة من سجل او مجس الكثافة. يعد هذا من الأسهل تفسيرًا لسجلات المسامية لأنه، إذا كانت أداة ما تخضع لقانون خلط الحجمي الخطي، فهي سجلات الكثافة.
في مكمن نظيف بسيط، يكون نموذج التفسير:
\({\rho _b} = \phi \,{\rho _{fl}} + \left( {1 - \phi } \right){\rho _{ma}}\)
يتم حلها من أجل المسامية، وهذا ينتج:
\({\phi _T} = \frac{{{\rho _{ma}} - {\rho _b}}}{{{\rho _{ma}} - {\rho _{fl}}}}\)
\({\rho _b} = {\phi _e}\,{\rho _{fl}} + \left( {1 - {\phi _e} - {V_{sh}}} \right){\rho _{ma}} + {V_{sh}}\,{\rho _{sh}}\)
\({\rho _{b\_\log }} = 1.0704{\rho _e} - 0.188\)
الامتصاص الكهروضوئي (PE)
 |
| شكل (7) Z وقياس العامل الكهروضوئي (PEF) يميز الصخور (lithology) المستقلة إلى حد كبير عن المسامية. تمثل أطوال الخطوط نطاقات المسامية من 0 إلى 40% في الصخر المعني. (هناك ثلاثة خطوط عمودية تقابل المسامية، تتراوح من 0 .p.u في الجزء العلوي إلى 40 .p.u في الجزء السفلي لكل من صخور المادة الصخرية (matrix) المكمن الثلاثة المشتركة. وهذا يوضح Z، وبالتالي، PE مستقلة تقريبًا عن المسامية بينما تميز بشدة الصفات الصخرية. يأخذ المحور السيني ثلاث قيم منفصلة فقط لكل من الصخور الثلاثة). |
\(\sigma = 12.1{E^{ - 3.15}}\,{Z^{ - 4.6}}\)
\(\phi = {\phi _o}\,{e^{ - mx}}\)
لكبح هذا الاعتماد على الطاقة، يتم قياس سجل PE كمؤشر أو عامل PE:
\[{P_e} = {F_{{P_e}}} = {\left[ {\frac{Z}{{10}}} \right]^{3.6}}\]
لذلك، من حيث Pe، فإن التوهين "attenuation" (وهو ما تقيسه الأداة في الواقع) لأشعة جاما منخفضة الطاقة هو ببساطة:
\(\phi \,\infty \,{\phi _o}\,{e^{ - {n_e}\,{P_e}\,x}}\)
حيث ne هي كثافة عدد الإلكترون.عامل الامتصاص الكهروضوئي المرجح بالكثافة
\[U = {F_{{P_e}}}\,{\rho _e} = \frac{{{F_{{P_e}}}\left( {{\rho _b} + 0.1883} \right)}}{{1.0704}}\]
حيث ρbهي كثافة التكوين بوحدة g/cm3.\({U_T} = \sum\limits_i {{P_{e,i}}} \,{\rho _{e,i}}\,{V_i} = \sum\limits_i {{U_i}} \,{V_i}\)
| المواد | PEF (barns/electron) | U (barns/cm3) |
|---|---|---|
| الكوارتز (Quartz) | 1.80 | 4.80 |
| كالسيت (Cacite) | 5.10 | 13.80 |
| دولومايت (Dolomite) | 3.10 | 9.00 |
| كاولين (Kaolinite) | 1.80 | 4.40 |
| ايليت (Illite) | 3.50 | 8.70 |
| كلوريت (Chlorite) | 6.30 | 17.00 |
| الماء العذب (Fresh water) | 0.36 | 0.40 |
| محلول ملحي (Brine)(120 kppm NaCl) | 0.81 | 0.96 |
| النفط (Oil) | 0.12 | 0.12 |
المصطلحات المستخدمه |
||
|---|---|---|
| e | = | قاعدة اللوغارتيم الطبيعية |
| E | = | الطاقه المعتمدة في المقطع العرضي |
| EGR | = | طاقة أشعة جاما |
| FPe | = | العامل الكهروضوئي |
| ne | = | كثافة عدد الالكترون |
| Pe | = | المقطع العرضي الكهروضوئي |
| U | = | الكثافة المرجحة بالعامل الكهروضوئي |
| UT | = | استجابة الاداة المتكاملة الى ما لا نهاية |
| Vi | = | حجم مكون معين (معدني أو مائع) من التكوين |
| Vsh | = | حجم السجيل |
| x | = | عدد معين من العد |
| Z | = | متوسط العدد الذري |
| ρb | = | الكثافة الكلية |
| ρe | = | كثافة الالكترون |
| ρfl | = | الكثافة الكلية للمائع |
| ρma | = | الكثافة الكلية لمعادن المادة الصخرية (matrix) |
| ρsh | = | كثافة السجيل |
| σ | = | الانحراف المعياري لتوزيع بواسون |
| i∑ | = | التقاط المقطع العرضي لـ i عنصر التكوين |
| Φ | = | المسامية |
| Φappi | = | المسامية المقاسة بواسطة مجس CNL في اليثولوجيا i |
| Φe | = | المسامية الفعالة |
| Φi | = | تدفق الجسيمات الاولي |
| Φo | = | تدفق الجسيمات غير المبعثرة |
| ΦT | = | المسامية الكلية |
المصادر
- "Density logging". 2015-6-24. petrowiki.org. تم الإسترجاع 2020-10-23.
- أنطوان مهران. 1988. تحليلات تسجيلات الآبار. تم الإسترجاع 2020-10-23. نسخة مطبوعة pdf.