القائمة الرئيسية

الصفحات

مجسات أشعة جاما | Gamma ray logs

مجسات أشعة جاما | Gamma ray logs


مجسات أشعة جاما

تم استخدام النشاط الإشعاعي للصخور لسنوات عديدة للمساعدة في اشتقاق صفات او بيانات الصخور. تشمل المواد المشعة الطبيعية (NORM) عناصر اليورانيوم والثوريوم والبوتاسيوم والراديوم والرادون إلى جانب المعادن التي تحتوي عليها. عادة لا توجد علاقة أساسية بين أنواع الصخور المختلفة وكثافة أشعة جاما المقاسة، ولكن توجد علاقة عامة قوية بين محتوى النظائر المشعة وصفات المعادن (mineralogy). تم تطوير أدوات الجس لقراءة أشعة جاما المنبعثة من هذه العناصر وتفسير بيانات الصخور من المعلومات التي تم جمعها منها.


تتراوح مجسات أشعة غاما من مجسات أشعة غاما بسيطة تستم في ترسيم السجيل وحدود الطبقة إلى مجسات أشغة جاما الطيفية المستخدمة في كتابة الطين والجس الجيوكيميائي.


 على الرغم من البساطة الواضحة لمجسات أشعة كاما، إلا أن البئر والتأثيرات البيئية، مثل البوتاسيوم المشع بشكل طبيعي في طين الحفر، يمكن أن يؤثر عليها بسهولة.


ربط النشاط الإشعاعي بأنواع الصخور

في الشكل (1)، تم رسم توزيعات مستويات الإشعاع التي لاحظها العالم راسل للعديد من أنواع الصخور. عادة ما تحتوي المبخرات (ملح كلوريد الصوديوم والأنهيدرايت) والفحم على مستويات منخفضة. في الصخور الأخرى، يظهر الاتجاه العام نحو نشاط إشعاعي أعلى مع زيادة محتوى السجيل. في أقصى نشاط إشعاعي يوجد صخور غنية بالمواد العضوية والبوتاس (KCl). يمكن أن تشمل هذه القيم المرسومة النشاط الإشعاعي بيتا وكذلك جاما (تم جمعها باستخدام عداد جيجر "Geiger counter"). تركز التقنيات الحديثة على الكشف بأشعة جاما.
مجسات أشعة جاما | Gamma ray logs
الشكل (1) توزيع مستوى النشاط الإشعاعي النسبي لأنواع الصخور المختلفة (من العالم Bigelow بعد Russell).


النظائر المشعة في الصخور

النظائر المشعة الأولية في الصخور هي البوتاسيوم (K40) وسلسلة نظائر اليورانيوم والثوريوم. يوضح الشكل 2 توزيع التوازن لمستويات الطاقة المرتبطة بكل من هذه المجموعات.
ينتج البوتاسيوم (K40) شعاع جاما واحد من الطاقة من 1.46 ميجا إلكترون فولت حيث يتحول إلى كالسيوم مستقر.


من ناحية أخرى، يتحلل كل من الثوريوم (Th) واليورانيوم (U) لتشكيل سلسلة من المنتجات الوليدة المشعة. ينتج عن الانهيار اللاحق لهذه النظائر غير المستقرة مجموعة متنوعة من مستويات الطاقة. تقيس مجسات أشعة جاما القياسية نطاقًا عريضًا جدًا من الطاقة بما في ذلك جميع القمم الرئيسية وكذلك القمم الوليدة منخفضة الطاقة. كما هو متوقع من الشكل (2)، يمكن أن يهيمن إشعاع الانحلال منخفض الطاقة على العدد الإجمالي.

مجسات أشعة جاما | Gamma ray logs
شكل (2) مستويات طاقة أشعة جاما الناتجة عن تفكك النظائر غير المستقرة (مقتبس من Tittman وآخرون).


قد تصبح النيوكليدات المشعة (Radionuclides)، بما في ذلك الراديوم أكثر قدرة على الحركة في مياه التكوين الموجودة في حقول النفط. عادة، كلما زادت القوة الأيونية (الملوحة)، زاد محتوى الراديوم. يمكن أن يكون للمياه المنتجة نشاط إشعاعي أعلى قليلاً من النشاطات التي تحصل في الخلفية. بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما تتركز النيوكليدات المشعة في الرواسب الصلبة المتكونة في معدات حقول النفط. عند وجود هذه المواد في معدات التدفق (الأنابيب، الخزانات، إلخ)، فإن هذا التركيز المرتفع ليس مهمًا. ومع ذلك، قد تحدث مخاطر صحية عند تنظيف المعدات لإعادة استخدامها أو عند وضع المعدات القديمة في تطبيقات مختلفة. يسرد الجدول (1) أنواع الصخور ومحتواها


جدول (1) أنواع الصخور الشائعة ومحتواها النموذجي من البوتاسيوم واليورانيوم والثوريوم
أنواع الصخور البوتاسيوم (%) اليورانيوم ppm الثوريوم ppm
نطاق كربونات الصخور والمعادن 0.0 — 2.0 0.1 — 9.0 0.1 — 7.0
الكالسيت (Calcite)، الطباشير(chalk)، الحجر الجيري(Limestone)، الدولوميت(dolomite) (النقي) أصغر من 0.1 أصغر من 0.1 أصغر من 0.5
الحجر الجيري (النظيف)
الطباشير (تكساس) Cretaceous (Texas) أصغر من 0.3 1.5 — 15 أصغر من 2.0
نطاق الحجر الرملي (Sandstones) 0.7 – 3.8 0.2 — 0.6 0.7 – 2.0
النطاق النموذجي للسجيل (Shale) 1.6 — 4.2 1.5 — 5.5 8 — 18
المعادن (Minerals)
ألانايت (Allanite) 30 – 700 500 — 5000
الأباتايت (Apatite) 5 — 150 20 — 150
إبيدوت (Epidote) 20 — 50
مونزونيت (Monzanite) 500 — 5000 2.5 × 104— 20 × 104
سيفين (Sphene) 100 — 700 100 — 600
زناتايم (Xenotime) 500 – 3.4 × 104 منخفض
زايكرون (Zircon) 300 – 3000 100 — 2500
الأطيان (Clays)
بوكسيت (Bauxite) 3 — 30 10 — 130
جلوكونيت (Glauconite) 5.08 — 5.3
بنتونيت (Bentonite) أصغر من 0.5 1 — 20 6 — 50
مونتموريلونيت (Montmorillonite) 0.16 2 — 5 14 — 24
كاولينيت (Kaolinite) 0.42 1.5 — 3 6 — 19
إيليت (Illite) 4.5 1.5
ميكا (Mica)
البيوتايت (Biotite) 6.7 — 8.3 أصغر من 0.01
مسكوفيت (Muscovite) 3.8 — 7.9 أصغر من 0.01
الفلسبار (Feldspars)
بلاجيوجلاز (Plagioclase) 0.54 أصغر من 0.01
أورثوكلاز (Orthoclase) 11.8 — 14.0 أصغر من 0.01
ميكروكلين (Microcline) 10.9 أصغر من 0.01
كوارتز (سيلكا) Quartz (silica) أصغر من 0.15 أصغر من 0.4 أصغر من 0.2


عنصر البوتاسيوم متوفر بكثرة في القشرة الأرضية، لذلك يتم توزيع K40 المشع على نطاق واسع (الجدول 2). البوتاسيوم والفلسبار والميكا مكونات شائعة في الصخور النارية والمتحولة. يمكن أن تحتفظ الأحجار الرملية غير الناضجة بوفرة من هذه المكونات. بالإضافة إلى ذلك، فإن البوتاسيوم شائع في الطين. في ظل ظروف التبخر الشديدة، سوف يترسب كلوريد البوتاسيوم ("sylvite"سيلفيت) وينتج عنه مستويات عالية جدًا من النشاط الإشعاعي. 


جدول (2) توزيع البوتاسيوم
المواد محتوى البوتاسيوم حسب الوزن النطاق
سيلفيت (Sylvite) 54
البوتاس (Potash) 44.9
لانغبينيت (Langbeinite) 20
ميكروكلين (Microcline) 16
كاينيت (Kainite) 15.1
كارناليت (Carnallite) 14.1
أورثوكلاز (Orthoclase) 14
بوليهاليت (Polyhalite) 12.9
موسكوفايت (Muscovite) 9.8
بيوتايت (Biotite) 8.7
إيليت (Illite) 5.2 3.51 — 8.31
أركوز (الحجر الرملي) Arkose (sandstone) 4.6 4.4 — 5.1
سينيت (Synite) 4.53
جلوكونيت (Glauconite) 4.5 3.2 — 5.8
جرانيت (Granite) 4.0 0.2 — 0.6
نوريت (Norite) 3.3
جرانوديوريت (Granodiorite) 2.90
سجيل (Shale) 2.7 1.6 — 9.0
الصخور النارية العامة (igneous rock) 2.6
جرايروك (الحجر الرملي) Grayrock (sandstone) 1.5 1.2 — 2.1
ديوريت (Diorite) 1.66
بازلت (Basalt) 1.3
الحجر الرملي (Sandstone) 1.1 5.1
جابرو (Gabbro) 0.87
دياباس (Diabase) 0.75
الكاولين (Kaolinite) 0.63 0 — 1.49
الحجر الجيري (Limestone) 0.27 0 — 0.71
المونتموريلونيت (Montmorillonite) 0.22 0 — 0.60
أورثوكوارتزيت (حجر رملي) Orthoquartzite (sandstone) 0.08 0 — 0.12
الدولوميت (Dolomite) 0.07 0.03 — 0.1
دونيت (Dunite) 0.04
مياه البحر (Sea Water) 0.035


من ناحية أخرى ، فإن اليورانيوم والثوريوم أقل شيوعًا. كلاً من U و Th تم العثور علية في الطين (عن طريق الامتصاص) والرماد البركاني والمعادن الثقيلة.


تاريخ مجسات أشعة جاما

كان مجس أشعة جاما هو أول مجس نووي يدخل الخدمة، حوالي عام 1930 (انظر الشكل 3). تُستخدم مجسات او سجلات أشعة جاما في المقام الأول للتمييز بين الفواصل الزمنية النقية التي يُحتمل أن تكون منتجة والفترات الزمنية الصخرية غير المنتجة المحتملة.


يتم استخدام القياس لتحديد موقع طبقات السجيل وتحديد حجمه. تتشكل معادن الطين من تحلل الصخور النارية. نظرًا لأن المعادن الطينية لها قدرات كبيرة على تبادل الآيونات الموجبة، فإنها تحتفظ بشكل دائم بجزء من المعادن المشعة الموجودة بكميات ضئيلة في الميكا النارية والفلسبار الأم. وبالتالي، فإن السجيل عادة ما يكون أكثر إشعاعًا من الصخور الرسوبية.


يمكن أن تؤدي حركة الماء عبر التكوينات إلى تعقيد هذا النموذج البسيط. يمكن للأملاح المشعة (خاصة أملاح اليورانيوم) الذائبة في الماء أن تترسب في تكوين مسامي، مما يجعل الرمال النظيفة تبدو مشعة.

مجسات أشعة جاما | Gamma ray logs
شكل (3) يسلط الجدول الزمني للجس النووي الضوء على إدخال وتطور قياسات الجس النووي التجارية.


أداة الجس

قبل الدخول في كيفية استخدام قراءات المجس، دعونا نفكر في طريقة عمل الأداة. على عكس جميع الأدوات النووية الأخرى (وفي الواقع، جميع قياسات المجسات الأخرى)، فهي سلبية تمامًا، حيث هذه المجسات لا تصدر أي إشعاع، بل تعمل بدلاً من ذلك على كشف أشعة جاما الواردة من التكوين و (للأسف) البئر أيضا. أشعة جاما هي إشعاع كهرومغناطيسي، يتراوح بشكل عام بين 0.1 و 100 ميغا إلكترون فولت (MeV). كضوء، هذا يتوافق مع أطوال موجية قصيرة جدًا بالفعل. الفرق بين أشعة جاما والأشعة السينية كبير (كما هو الفرق في اللفظ) لأنها تتداخل في الطاقة.


في الأصل، كان الكاشف عبارة عن أنبوب جيجر مولير (Geiger-Müeller)، تمامًا كما في عداد جيجر. في الآونة الأخيرة، تم تحويل الكواشف إلى بلورات وميض الحالة الصلبة مثل يوديد الصوديوم (NaI). عندما تصطدم أشعة جاما بمثل هذه البلورة، فقد يتم امتصاصها. إذا كان الأمر كذلك، فإن البلورة تنتج وميضًا من الضوء. هذا الضوء "يُرى" بواسطة مُضخم ضوئي (photomultiplier) يحدق في نهاية البلورة. يقوم المضخم الضوئي بتشكيل الضوء إلى نبضة كهربائية تحسبها الأداة. وبالتالي، مثل جميع الأدوات النووية، يتم حساب الكمية المقاسة الخام في مجس أشعة جاما. هذا يعني أن دقة قياسات مجس أشعة جاما تحددها إحصائيات العالم بواسون. الدقة هي الجذر التربيعي لإجمالي عدد الأعداد المسجلة عند عمق معين. تتناسب الأعداد المسجلة بشكل أساسي مع حجم بلورة الكاشف مضروبًا في كثافته (التي تحدد احتمالية التقاط أشعة جاما داخل البلورة) أضعاف طول الوقت المحسوب. كما هو الحال مع جميع قياسات الجس النووي، فإن الجزء الوحيد من هذا الذي يتحكم فيه المسجل هو وقت العد. نظرًا لأن قياسات المجس تعتمد على العمق، فإن طول الوقت الذي يحسبه المجس يتناسب عكسياً مع سرعة الجس.


من الناحية التاريخية، سجلت مسابير أشعة جاما التدفق الكلي لإشعاع جاما المدمج على جميع الطاقات المنبثقة من التكوين كمعدل تعداد فردي في منحنى أشعة جاما. أدوات التسجيل ليست موحدة في حساسيتها للطاقة. لا يوجد كاشف يستجيب لجميع أشعة جاما التي تصطدم به. يمر الكثير من دون أي تأثير. تؤثر أحجام الكاشف ، والزاوية الصلبة التي يقابلها، وسمكه، وكذلك تكوينه (خاصة كثافته)، على كفاءته في الكشف عن أشعة جاما. يمكن لجسم أداة الجس التي تحيط بالكاشف، والبطانة، وحتى كثافة سائل البئر أن ترشح أشعة جاما القادمة من التكوين. كل هذه العوامل لا تقلل من كفاءة الأداة الإجمالية فحسب، بل تؤدي أيضًا إلى اختلافات في كفاءة أشعة جاما ذات الطاقات المختلفة. باختصار، معدل العد المسجل في طبقة سجيل مشعة معينة ليس خاصية فريدة للسجيل فحسب بل إنه تسجيل تحت ظروف معقدة لتصميم الأداة وظروف البئر بالإضافة إلى النشاط الإشعاعي للتكوين الفعلي.


المقياس المشترك

على الرغم من أن قراءات أشعة جاما تستخدم بشكل عام فقط بالمعنى النسبي، مع تحديد قيم المكمن (نظيف) والسجيل في الموقع، إلا أن هناك مزايا للمقياس المشترك. في الولايات المتحدة ومعظم الأماكن خارج الاتحاد السوفيتي السابق، يتم قياس سجلات أشعة جاما بأستخدام وحدات معهد البترول الأمريكي (API). يعود هذا إلى الرغبة في مقارنة السجلات من أدوات ذات تصميمات مختلفة. لن تتمتع الأدوات ذات الأحجام والتركيبات المختلفة للكاشف بنفس الكفاءة وبالتالي لن تعطي نفس معدل العد حتى في نفس الفتحة خلال نفس الفترة الزمنية. لتوفير مقياس مشترك، قامت API ببناء منشأة معايرة في الولايات المتحدة بهيوستن. وهو يتألف من حفرة مملوءة بالخرسانة، يبلغ قطرها 4 أقدام، مع ثلاثة طبقات بارتفاع 8 أقدام متغلغلة بـ 5 1/2 بوصة. التجويف مبطن ببطانة 17 lbm. تتكون الطبقات العلوية والسفلية من الخرسانة ذات النشاط الإشعاعي المنخفض للغاية. تم صنع الطبقة الوسطى من النشاط الإشعاعي مرتين تقريبًا مثل السجيل النموذجي في منتصف القارة الأمريكية، مما أدى إلى احتواء المنطقة على 13 ppm من اليورانيوم ، و 24 ppm من الثوريوم ، و 4% من البوتاسيوم. تُعرَّف وحدة واجهة برمجة تطبيقات أشعة جاما بأنها 1/200 من الفرق بين معدل العد المسجل بواسطة أداة التسجيل في منتصف الطبقة المشعة وتلك المسجلة في منتصف الطبقة غير المشعة.


على الرغم من أنها عملت بشكل جيد إلى حد ما لأكثر من 40 عامًا، إلا أن هذه طريقة سيئة لتحديد الوحدة الأساسية. قد تعطي مجموعات مختلفة من النظائر وتصميمات الأدوات وظروف التجويف نفس معدل العد، لذلك لا تنتقل المعايرة بعيدًا جدًا عن ظروف حفرة المعايرة. في المقابل، يتم عادةً تحجيم مجسات أشعة جاما الروسية في microroentgens (μR) / hr، والتي تتوافق مع كمية محددة من الإشعاع. يتم تعريف تحويل هذا إلى وحدات API بشكل غامض بعض الشيء، ولكن يُقترح غالبًا أن يكون عامل التحويل 

1 μR / hr = 10  API 

لكاشفات أنبوب جيجر (Geiger)، ولكن 

15 μR / hr = 10 API 

لكاشفات التلألؤ (scintillation). يقع هذا مع المناقشة السابقة للعديد من العوامل التي يمكن أن تؤثر على قراءات أشعة جاما. تتفاقم المشكلة بشكل أكبر في قياسات الجس أثناء الحفر (LWD). توفر وحدة API درجة من التوحيد القياسي، ولكن على الرغم من الجهود الجبارة لمصممي الأدوات، لا يمكن للمرء أن يتوقع أدوات من تصميمات مختلفة لقراءة نفس الشيء تمامًا في ظل جميع الظروف. لحسن الحظ، لا شيء من هذا مهم جدًا لأن قياسات أشعة جاما تستخدم بشكل عام فقط بطريقة نسبية.


العوامل المؤثرة في القراءات

نظرًا لأننا نستخدم سجلات أشعة جاما كقياسات نسبية، فإن المعايرة الدقيقة ليست مهمة جدًا باستثناء ميزة عرض السجل المرئي. الآثار البيئية أكثر أهمية بكثير. ضع في اعتبارك حجمًا مشعًا من الصخور التي اجتازها تجويف البئر. تخبرنا الفيزياء النووية أنه يتم امتصاص أشعة جاما أثناء مرورها عبر التكوين. بالنسبة للتكوينات النموذجية، فإن هذا يحد من عمق الفحص إلى ما يقرب من 18 in. وبالنظر إلى الهندسة فقط، فإن معدل العد المقابل لنوع صخري معين سيكون أقل بكثير في تجويف أكبر يكون فيها الكاشف بعيدًا عن مصدر أشعة جاما. في الآبار المفتوحة، يكون لحجم البئر دائمًا التأثير الأكبر على معايرة معدل العد. يمكن أن تتجاوز هذه المشكلة التغييرات في حجم الحفاره (Bit). خاصة إذا تم غسل السجيل أو الرمال بشكل انتقائي، يمكن لحجم تجويف البئر أن يطبع نفسه من التباين المتوقع لأشعة غاما بين السجيل والرمال. إذا كان تجويف البئر كبير بما يكفي، فإن كثافة السائل الذي يملأ البئر يمكن أن تؤثر أيضًا على المعايرة عن طريق امتصاص بعض أشعة جاما قبل وصولها إلى أداة الجس.


الباريت (Barite) الموجود في الطين يعتبر تعقيد آخر، حيث يقوم بتصفية أشعة جاما الواردة. وبالتالي ، فإن حجم أشعة جاما لتجويف البئر وتصحيحات الموائع غالبًا ما تكون مهمة جدًا ويجب إجراؤها إن أمكن. من الواضح أن البطانة تمتص جزءًا كبيرًا من أشعة جاما التي تمر خلالها إلى تجويف البئر، لذلك إذا تم تشغيل أداة الجس في تجويف مبطن، فيجب إجراء تصحيحات البطانة. تصميم الأداة له تأثير كبير على التصحيحات البيئية. يقوم كل من البطانة وموقع الكاشفات بتصفية أشعة جاما الواردة. من المهم استخدام التصحيحات البيئية الصحيحة للأداة التي يتم تشغيلها. ينطبق هذا بشكل خاص على أدوات LWD التي قد تتكون من أجهزة كشف متعددة مضمنة في أطواق حفر ثقيلة وكبيرة تقوم بتصفية أشعة جاما الواردة بطرق فريدة.


تفسير مجسات أشعة جاما

تحليل المجس

الآن بعد أن عرفنا كيفية عمل الأدوات، نحن جاهزون لمناقشة كيفية استخدام مجسات أشعة جاما في تحليل المجس. في حين أن سجل مجس أشعة جاما يستخدم تقليديًا في المقام الأول للترابط بين بئر وبئر، فإنه يلعب أيضًا دورًا في تحليل المجس الكمي. كما ذكرنا في البداية، تُستخدم مجسات أشعة جاما في المقام الأول لتحديد وتقدير الفترات الإنتاجية. كما تمت مناقشته أعلاه، لا يوجد سوى ثلاثة عناصر مشعة تحدث بشكل طبيعي - البوتاسيوم واليورانيوم والثوريوم (أو K و U و Th برموزها الأولية) - وكل هذه العناصر تميل إلى الارتباط بالسجيل وليس نسيج المعادن النظيفة (على سبيل المثال، رمل الكوارتز SiO2، الحجر الجيري CaCO3).


طريقة التفسير الأكثر شيوعًا هي قانون الخلط الخطي الحجمي البسيط:

1................مجسات أشعة جاما | Gamma ray logs


على الرغم من أننا نعلم أن توزيع الطين في السجيل وصخور المكمن أمر معقد للغاية، فمن الدرجة الأولى، يقوم محللو المجس في كثير من الأحيان بتبسيط قانون الخلط الخطي الحجمي لتحديد حجم السجيل:

2................مجسات أشعة جاما | Gamma ray logs


تحليل المجس القياسي يعمل على فصل مشكلة تحليل المجس إلى سلسلة من الخطوات المتسلسلة والمستقلة. نظرًا لأن تحديد حجم السجيل عادة ما يكون الخطوة الأولى في العملية المتسلسلة لتقييم التكوين من المجسات، فإن المسامية وأحجام السوائل غير معروفة بعد. نتيجة لذلك، يتم تبسيط المعادلة بشكل أكبر إلى:

3................مجسات أشعة جاما | Gamma ray logs

نضيفهما مع بعض:

4................مجسات أشعة جاما | Gamma ray logs

يؤدي إلى الصيغة المألوفة لحساب حجم السجيل من مجس أشعة جاما لتجويف البئر المصحح:

5................مجسات أشعة جاما | Gamma ray logs

حيث تمثل المصطلحات "النظيفة" الاستجابة المجمعة لحبيبات مادة الأساس والسوائل في المسامية. تنشأ تعقيدات أخرى لأن قيم السجيل مأخوذة من طبقات السجيل التي تعلوها. من شبه المؤكد أن الاطيان (Clays) الموزعه في صخر المكمن ليست مجرد نسخ مشتتة من السجيل، إلا إذا ظهرت على شكل صفائح رقيقة. على أقل تقدير، ستكون هناك اختلافات بين السجيل والمكون من معادن طينية، والمياه المربوطة بالطين، وجزيئات حجم الطمي (Silt-size)، ومعادن الطين وحدها الموزعة في النسيج الصخري. والأسوأ من ذلك، نظرًا للاختلافات في العمليات الجارية عندما تم وضع السجيل مقابل الرمال السجيلية (Shaly sands)، فقد لا تكون معادن الطين الموجودة في الرمال هي نفسها الموجودة في النسيج. للتعويض عن ذلك، تم اقتراح العديد من العلاقات غير الخطية. هذه لها أسماء ذات دلالة جيولوجية مثل صخور Larinov older القديمة ولكنها ببساطة تجريبية وليس لها أساس مادي. يتم استخدامها لتحسين الارتباط بين أحجام السجيل المشتقة من أشعة جاما والتقديرات الأخرى لحجم السجيل، خاصة من نماذج اللباب (Core). تبدأ جميع المعادلات بمؤشر أشعة جاما الخطي الذي تمت مناقشته أعلاه وتقليل القيم المتوسطة من هناك. يسرد الشكل (4) بعض المعادلات الأكثر شيوعًا. يوضح الشكل (5) درجة تقليل السجيل التي تتحملها النماذج المختلفة. إذا كان لا بد من استخدام أحد هذه النماذج، فحدد النموذج الذي يناسب التقديرات الأخرى المتوفرة لحجم الطين.

مجسات أشعة جاما | Gamma ray logs
شكل (4) ملخص لمختلف نماذج السجيل غير الخطية المستخدمة لتقليل كمية السجيل أسفل تنبؤ قانون الخلط الخطي الحجمي.

مجسات أشعة جاما | Gamma ray logs
شكل (5) رسم توضيحي لمقدار تقليل السجيل الذي تنبأت به العديد من نماذج الحجم السجيلي غير الخطية المدرجة في الشكل 4.

أحد عيوب اللباب او أخذ النماذج (core) التجريبية وغير الخطية المختلفة هو أنها تتطلب عمومًا بيانات أساسية للمعايرة أو على الأقل شرح للتفسير. هذه مشكلة عامة مع نماذج أكثر تعقيدًا؛ تتطلب المزيد من المعلمات لتوصيفها. لتعيين هذه المعلمات أو معايرتها ، يتطلب الأمر مزيدًا من قياسات الجس أو قياسات اللباب.


يُفترض أيضًا أن مواد المكمن النظيفة (مجموع الموائع المسامية ومعادن النسيج الصخري الام) لها كمية ثابتة من الإشعاع مرتبطة بها. طالما أن قراءة أشعة جاما المرتبطة بمواد المكمن النظيفة صغيرة مقارنة بالسجيل، فإن هذا الافتراض آمن. عندما تصبح الرمال أكثر سخونة (أكثر نشاطًا إشعاعيًا)، يصبح تجميع الموائع والنسيج معًا مشكلة، خاصة إذا كانت المسامية كبيرة.


الدقة

ضع في اعتبارك بإيجاز بعض التفاصيل حول كيفية عمل أداة أشعة جاما القياسية ذات المعدل الإجمالي. تستخدم معظم الأدوات الحديثة (في التسجيل النووي، الوسائل "الحديثة" خلال الـ 25 عامًا الماضية) بلورة وميض الحالة الصلبة (غالبًا يوديد الصوديوم NaI) للكشف عن أشعة جاما. عندما يصطدم شعاع جاما بالبلورة، هناك بعض الاحتمال بأنه سيتم التقاطها. يتناسب هذا الاحتمال في الغالب مع حجم وكثافة البلورة. إذا تم التقاطه، فإنه يعطي وميضًا من الضوء. يقوم المضاعف الضوئي المركب على أحد طرفي البلورة بتحويل هذا الضوء إلى نبضة كهربائية، والتي يتم تغذيتها بعد ذلك إلى عداد نبض إلكتروني. لقياس معدل العد بدقة معينة في المختبر، يقوم الشخص بالعد حتى يتم تسجيل أعداد كافية لإعطاء المستوى المطلوب من الدقة (إقرأ مناقشة إحصائيات العد أعلاه). بعد ذلك، يقسم المرء هذا العدد من الارقام على الوقت الذي يستغرقه للحصول على هذا العدد للحصول على معدل العد. لسوء الحظ، في أداة التسجيل (الجس)، تستند جميع القياسات إلى العمق. لقياس معدل العد، تحسب الأداة طول الوقت الذي تستغرقه الأداة لتحريك 1/2 قدم (أو أيًا كانت زيادة العمق)، ثم تقسم على طول الوقت الذي استغرقته الأداة للتحرك خلال تلك المسافة. هذا يعني أن دقة قياس التسجيل النووي في ليثولوجيا (صخارية) معينة تتناسب مع واحد على الجذر التربيعي لسرعة التسجيل. تذكر أن رقم الاعداد التي يتم تلقيها عند عبور نصف قدم نظيف سيكون أقل بكثير من الرقم عند عبور نصف قدم سجيلي.


التشوهات البيئية

يساعد التفكير البسيط في مناقشة الانتقال الإشعاعي في توضيح التأثيرات البيئية التي تشوه سجل (مجس) أشعة جاما بشكل خطير. تخيل ما قد يحدث مع زيادة حجم تجويف البئر. يوجد القليل من المواد الاشعاعية المشعة بالقرب من الكاشف، وينخفض ​​معدل العد المقاس، على الرغم من أن المستوى الفعلي للنشاط الإشعاعي في التكوين يبقي كما هو. تخيل كذلك الحالة النموذجية إلى حد ما التي يتآكل فيها السجيل ويتكسر بينما تبقى الرمال في المقياس. هذا من شأنه أن يثبط معدل تعداد أشعة جاما الظاهر في طبقات السجيل المتآكلة أكثر بكثير مما هو عليه في الرمال، مما يؤدي إلى قمع تباين أشعة جاما بين صخور السجيل المتآكلة والرمال. يعد هذا عادةً أحد أكبر التأثيرات البيئية على معدل تعداد أشعة جاما. مرة أخرى من مناقشة نقل الإشعاع، فإن المواد الأثقل في المسار الذي يجب أن تتبعه أشعة جاما من التكوين من خلال الكاشف سوف تمتص أشعة جاما أكثر من المواد الأخف (كما سنرى في قسم لاحق، يعتبر هذا هو أساس مجس الكثافة، ولكن هذه قصة أخرى وسجل مختلف). والأسوأ من ذلك، أن الباريت هو ممتص كبير لأشعة جاما. الدرس الذي يجب نفهمه الان هو أن حجم تجويف البئر و وإجراء تصحيحات الموائع مهمان دائمًا تقريبًا عند تشغيل مجس أشعة جاما.


تفاعلات أشعة جاما مع التكوينات

تتفاعل أشعة جاما مع التكوينات بثلاث طرق مختلفة:

  • ظاهرة كومبتون (Compton scattering)
  • امتصاص كهروضوئي (Photoelectric absorption)
  • إنتاج زوجي (إلى حد محدود) (Pair production)
واحد من هؤلاء سوف يهيمن اعتمادًا على طاقة أشعة جاما، كما يوضح الشكل 6.
مجسات أشعة جاما | Gamma ray logs
شكل (6) توضيح لتفاعلات أشعة جاما السائدة مع التكوين كدالة لطاقة أشعة جاما.


ظاهرة كومبتون
أهم تفاعل لتسجيل القياسات التي تتضمن أشعة جاما هو ظاهرة كومبتون، الذي يهيمن في نطاق الطاقة المتوسطة. تم تصميم مجس الكثافة نفسه لاستغلال ظاهرة كومبتون. تتحكم ظاهرة كومبتون أيضًا في نقل أشعة جاما الطبيعية من خلال التكوين إلى أداة أشعة جاما القياسية. تشتت كومبتون او ظاهرة كومبتون هي عبارة عن تشتت إلكترون ذري. في هذه العملية، تفقد أشعة جاما بعض طاقتها للإلكترون. تشتت كومبتون هو الشكل السائد لتفاعل أشعة جاما مع التكوين، من عدة مئات من KeV (كيلو إلكترون فولت، وحدة طاقة) وصولاً إلى 10 MeV (ميجا إلكترون فولت). لا يتغير المقطع العرضي لظاهرو كومبتون إلا قليلاً مع الطاقة. يتناسب فقدان أشعة جاما مع:
6................مجسات أشعة جاما | Gamma ray logs


حيث Z هو متوسط ​​العدد الذري للتكوين. قانون التوهين (Attenuation) لانخفاض شدة أشعة جاما هو إذن:
7................مجسات أشعة جاما | Gamma ray logs


لكي تكون ظاهرة كومبتون مقياسًا حقيقيًا للكثافة الكلية (Bulk Density)، ρb، يجب أن يكون Z/A ثابتًا. بالنسبة لجميع عناصر التكوين تقريبًا، Z/A = 1/2، وقياس توهين أشعة جاما في النطاق من 1 إلى 10 MeV يمكن بالفعل معايرته إلى الكثافة الكلية. الاستثناء الملحوظ هو الهيدروجين، حيث Z/A = 1. يسرد الجدول (3) بعض قيم الكثافة للمقارنة.

جدول (3) قيم الكثافة الكلية (Bulk density) وكثافة الإلكترون (Electron density) والكثافة الظاهرية (Apparent density) (كما تقرأ بواسطة أداة الجس) لبعض المعادن والموائع الشائعة
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


الامتصاص الكهروضوئي (PE)
ليس من المستغرب أن يستند المجس الكهروضوئي (PE log) على الامتصاص الكهروضوئي لأشعة غاما، وهي عملية التشتت التي تسود عند الطاقة المنخفضة. في هذه العملية، يمتص إلكترون ذري شعاع غاما الوارد، ويتخلى عن كل طاقته للإلكترون في هذه العملية. إذا كانت أشعة جاما نشطة بدرجة كافية، فإن الطاقة المضافة تؤدي إلى تحرر الإلكترون من ذرته. عندما يقع إلكترون آخر في مكان الالكترون المتحرر تنبعث أشعة سينية مميزة، تقل عمومًا عن 100 KeV. هذه الأشعة السينية تكون ذات طاقة منخفضة جداً للمساهمة في قياسات الجس.

 ينخفض ​​المقطع العرضي لـ PE بشدة مع زيادة طاقة أشعة جاما الواردة. المقطع العرضي يتناسب مع:
8................مجسات أشعة جاما | Gamma ray logs


إنه عامل مهم في تشتت أشعة جاما فقط للطاقات الأقل من 100 KeV. هذا يعني أنه من السهل فصل تأثيرات امتصاص البولي إيثيلين عن تأثيرات ظاهرة كومبتون ببساطة عن طريق حصر طاقات أشعة جاما المكتشفة. يمكن للأداة نفسها إجراء كلا القياسين في وقت واحد. من خلال فحص انخفاض تدفق أشعة جاما منخفض الطاقة، يمكن معايرة أداة الجس لقياس العامل الكهروضوئي (PEF). هذا العامل بدوره حساس بشكل أساسي لمتوسط ​​العدد الذري، Z، للتكوين. نظرًا لأن الهيدروكربونات والمياه لها قيم Z منخفضة جدًا، فإنها تساهم بشكل ضئيل جدًا في متوسط ​​PE للتكوين. على العكس من ذلك، نظرًا لأن الانسجة الصخرية الرئيسية لها Zs مختلفة جدًا، فإن عامل PE هو مؤشر صخور مستقل تقريبًا عن المسامية.


الانتاج الزوجي
العملية النهائية التي تتفاعل من خلالها أشعة جاما مع التكوين تحتاج فقط إلى تعليق عابر لأن تأثيرها على قياسات الجس ضئيل. تحدث هذه العملية، الانتاج الزوجي، فقط عند طاقات عالية جدًا من أشعة جاما. إنها عملية امتصاص أخرى بحد 1.022 MeV. تتفاعل أشعة جاما الواردة مع المجال الكهربائي للنواة ويتم امتصاصها إذا كانت تحتوي على طاقة كافية. هذا يولد زوجًا من الإلكترون والبوزيترون. يتم إبادة البوزيترون (في الواقع هو مجرد إلكترون من المادة المضادة) بسرعة، مما ينتج عنه شعاعي جاما بقوة 511 KeV. هذا له تأثير ضئيل على قياسات أشعة جاما السلبية أو قياسات كثافة تشتت جاما ولكنه يلعب دورًا في ظهور وتحليل أطياف أشعة جاما من مجسات أشعة جاما المستحثة بالنيوترونات.


التطبيقات

تمتلك مجسات أشعة جاما على عدد من التطبيقات المتخصصة. على سبيل المثال، يمكن وسم الموائع المحقونة بأجهزة التتبع الإشعاعي وتقدمها من خلال حقل يتم رصده بواسطة مجسات أشعة جاما في الآبار المجاورة لموقع الحقن. يتم وصف التطبيقات الأكثر شيوعًا أدناه.

تحديد الليثولوجيا
تعد خاصية مجس أشعة جاما إحدى الطرق الأساسية المستخدمة لربط المقطع الطبقي. بالنسبة لمعظم التطبيقات الهندسية والجيوفيزيائية، يتم استخدام مجس أشعة جاما بشكل أساسي لاستخراج التقديرات الصخرية أو المعدنية أو النسيجية.

تعتمد استجابة المجس على الإشعاع وخصائص الأداة ومعلمات الجس. إن بلورة التلألؤ من يوديد الصوديوم 30 سم مع أنبوب مضاعف ضوئي هي المكونات الشائعة للكاشف. يمكن اكتشاف طبقات رقيقة عالية النشاط الإشعاعي، ولكن لا يمكن حلها تحت حوالي 0.25 متر. يخمد الإشعاع بشكل أساسي عن طريق كثافة إلكترون مادة التكوين وظاهرة كومبتون. هذا يحد من عمق البحث إلى حوالي 30 سم، على الرغم من أنه سيعتمد على مستويات الطاقة. نظرًا لأن التحلل الإشعاعي هو عملية إحصائية، فإن معدلات الجس او التسجيل البطيئة تؤدي إلى نتائج أفضل. لا يمكن زيادة العدد المنخفض للأعداد الناتجة عن التسجيل بسرعة كبيرة عن طريق عوامل تصحيح معدل التسجيل. عادة ما تكون معظم الأدوات خارج المعايرة إذا لم تكن متمركزة في تجويف البئر. يمكن لطين الباريت الثقيل أيضًا خفض معدل العد الإجمالي، خاصةً لأشعة جاما منخفضة الطاقة.

بدلاً من مجرد قياس إجمالي إشعاع جاما، يمكن اكتشاف مستويات الطاقة بشكل منفصل. يسمح هذا باشتقاق تركيزات K و U و Th كمعلمات مستقلة. يوضح الشكل (7) نوافذ الطاقة المستخدمة في أداة Baker-Atlas. سيسمح هذا على سبيل المثال، بفصل الفلسبار في الرمال غير الناضجة عن الطين (Clay) باستخدام U أو Th.
مجسات أشعة جاما | Gamma ray logs
شكل (7) نوافذ طاقة أشعة جاما المستخدمة لتسجيل أشعة غاما الطيفية (من Bigelow).


تحديد أحجام السجيل
الاستخدام الأكثر شيوعًا لمجسات أشعة جاما هو تقدير "حجم" السجيل في الصخور. من المهم أن تتذكر أن الأداة تقيس النشاط الإشعاعي، وأن الارتباط بالمحتوى السجيلي تجريبي. من المفترض أن يتكون السجيل من معادن طينية. وبالتالي، يُفترض أن يكون مستوى أشعة جاما مرتبطًا بحجم الحبيبات. في الواقع، يمكن أن يتكون السجيل من 30% أو أكثر من الكوارتز والمعادن الأخرى. قد لا يكون الطين الموجود داخل السجيل مشع، وقد تحتوي الرمال المجاورة على نظائر مشعة. ومع ذلك، ترتبط مستويات النشاط الإشعاعي عادةً بحجم الحبوب، كما هو موضح في الشكل (8). هنا، تم تحليل نماذج اللباب لمتوسط ​​حجم الحبوب ومستوى النشاط الإشعاعي المقاس مباشرةً؛ علامة الزائد عبارة عن رمال دقيقة الحبيبات، بينما النقاط عبارة عن طمي وصخور غنية بالطين.
مجسات أشعة جاما | Gamma ray logs
شكل (8) قياس متوسط ​​حجم الحبيبات مقابل مستويات أشعة جاما (معايرة لقيمة API) لعينات الكلاستك (clastic).  يمكن رؤية التطابق التقريبي لقيمة أشعة جاما، لكن العلاقة ليست بسيطة (البيانات من Georgi وآخرون).


لاستخراج محتوى السجيل الموجود في الصخور، يتم استخدام علاقة خطية أو شبه خطية لتحويل مؤشر أشعة جاما، Igr، إلى حجم صخري Vsh. نظرًا لأن الرمال المحلية يمكن أن تحتوي على مكونات مشعة، وقد تختلف صخور السجيل باختلاف العمق، يتم اختيار مستويات خط الأساس المحلي بالقرب من منطقة المهتم بها.
9................مجسات أشعة جاما | Gamma ray logs

حيث R هو مستوى الإشعاع المقاس، Rcleansand هو المستوى الأساسي من خلال رمل مرجعي، و Rshale هو خط الأساس من خلال سجيل نموذجي. تم تطوير العديد من العلاقات لاشتقاق حجم السجيل (الشكل 9). تضع العلاقة الخطية ببساطة محتوى السجيل المساوي لمؤشر أشعة جاما.
10................مجسات أشعة جاما | Gamma ray logs

يتم تحديد العلاقات المقترحة الأخرى الموضحة في الشكل (9) في الجدول (4). وقد تم وضع افتراضات عديدة في هذه العلاقات:
  • تراكيب مكونات الرمل والسجيل تكون ثابتة.
  • يتم اختيار خطوط الأساس (Baseline) على  "سجيل" نموذجي ورمال "نظيفة" (على الرغم من أن هذه المصطلحات ذاتية للغاية).
  • تطبق قوانين الخلط البسيطة.
  • النسيج ليس مهما.
قد تكون العديد من هذه الافتراضات تقريبية ضعيفة
مجسات أشعة جاما | Gamma ray logs
شكل (9) بلاغ عن مؤشر أشعة جاما لتحويلات حجم السجيل (من Bigelow).

مجسات أشعة جاما | Gamma ray logs
جدول (4)

الافتراض الأكثر ترجيحًا هو أن مستوى الإشعاع يعتمد على كثافة الخليط وليس على الأحجام. في هذه الحالة، يمكن أيضًا إجراء تحليل النسيج. قام كاتاهارا بنمذجة المكون السجيلي للرمل السجيلي كما هو موجود في ثلاثة أشكال:
  • بنائي (Structural) – شكل حبيبي ترسيبي أصلي.
  • مشتت (Dispersed) – يتم توزيع الطين من خلال مساحة الصخر والمسام.
  • مغلفة (Laminated) – طبقات رقيقة من السجيل تقطع طبقات الرمل.
في الشكل (10)، تظهر نتائجه شكلاً بسيطًا بشكل مدهش. الاستنتاج هو أنه في معظم الحالات، تكون العلاقة الخطية البسيطة مناسبة.
مجسات أشعة جاما | Gamma ray logs
شكل (10) استجابة أشعة غاما النموذجية لتوزيعات مختلفة من الطين ضمن سلسلة رمال سجيلية (معدلة من Katahara).


كمثال على هذه العملية، يتم تقدير محتوى السجيل لمنطقة في خليج المكسيك جيدًا. في الشكل (11)، يعطي تسلسل السجيل الرملي نطاق أشعة جاما من حوالي 20 إلى 90 وحدة API. يتم اختيار خط أساس يبلغ حوالي 25 من خلال الرمال، ويتم اختيار خط أساس يبلغ حوالي 98 للسجيل. استخدام العلاقات في المعادلات. ينتج عن 9 و 10 تقديرات حجم السجيل المقاس في الجزء السفلي من المنطقة المسجلة.
مجسات أشعة جاما | Gamma ray logs


ربط اللباب بعمق الجس
يمكن أيضًا قياس مستويات إشعاع جاما على نماذج اللباب. توفر هذه التقنية لمحة عن المستويات على طول النموذح. الاستخدام الأساسي هو ربط أعماق اللباب بأعماق الجس. ويرد مثال في الشكل (12). يمكن استخدام هذا الإجراء لتحديد ميزات المجس أو تحديد موضع الفاصل الزمني للباب.  خاصة عندما يكون استعادة اللباب ضعيفاً، تكون هذه الطريقة مفيدة جدًا في ربط فتات النماذج بالأعماق الحقيقية. يمكن أيضًا قياس عينات اللباب، على الرغم من أنه يجب استخدام معدات خاصة لتسجيل المستويات المنخفضة من الإشعاع المرتبط بالعينات الصغيرة. بشكل عام ، تكون ارتباطات الخصائص بمستويات أشعة غاما المقاسة أفضل بكثير بالنسبة إلى اللباب مقارنةً بالمجس بسبب متوسط العمق في المجس.
مجسات أشعة جاما | Gamma ray logs
شكل (12) مقطع اللباب المقاس بأشعة غاما مقابل البيانات المسجلة في مقطع الكربونات. توضح مقارنة القمم الإزاحة في العمق المقاس (مقتبس من بيانات Core Labs).



المصطلحات المستخدمه

A = الوزن الذري
EGR = طاقة أشعة جاما
NA = عدد أفوجادرو = 6.02 × 1023 جزيء / غرام من الوزن الجزيئي
Vcn = حجم التكوين النظيف
Vf = حجم المائع
Vi = حجم مكون معين (معدني أو مائع) من التكوين
Vma = جزء الحجم من معدن النسيج الصخري او المادة الصخرية (matrix)
Vsh = حجم السجيل
Z = متوسط ​​العدد الذري
Y = قراءة أداة أشعة جاما بوحدات API
Yf = تدفق أشعة جاما من مائع 100%
Ycn = تدفق أشعة جاما من عنصر تكوين نظيف 100%
Yma = تدفق أشعة جاما من النسيج الصخري او المادة الصخرية 100%
Yns = قراءة أداة أشعة جاما في غير السجيل
Ysh = قراءة أداة أشعة جاما في 100% سجيل
ρb = الكثافة الكلية
σco = ظاهرة كومبتون المقطع العرضي
i = التقاط المقطع العرضي لـ i عنصر التكوين



المصادر

"Gamma ray logs". 2015-6-24. petrowiki.org. تم الإسترجاع 2020-10-16.
التنقل السريع