بخشی از مقاله
چکیده
بعضی پدیده های فیزیکی کاربرددررشته های مختلف وبه ویژه درزمین شناسی واکتشاف منابع دارند.ازجمله این پدیده ها موضوع فیزیکی PMR می باشد.دراین بررسی ضمن بیان اصول فیزیکی تشدیدمغناطیسی پروتون به عنوان یکی ازجدیدترین وبهترین روش هابرای بررسی وارزیابی آب منابع وذخایر موردتحلیل قرارمی گیرد.بهینه سازی این روش کاربردآن رادراکتشاف منابع وذخایرآسان می سازد.
مقدمه
اکتشاف وارزیابی آبهای زیرزمینی وتعیین ذخایرآبی ازمهم ترین اولویت های اقتصادی واستراتژیک کشورواستان هابه خصوص مناطقی که درمعرض کم آبی وخشکسالی قراردارندمی باشد.روش های مختلفی برای بررسی وتشخیص وضعیت مخازن به کارگرفته می شود چاه پیمایی و نگاره های مختلف آن به طور گسترده ای برای تعیین فاکتورهای پتروفیزیکی سازند وتعیین چگونگی حجم وذخایرآبی استفاده می شود
روش های سنتی تهیه نمودار پیوسته چاه عمدتا به تعیین یکسری روابط تجربی بین نگاره های نخلخل و ضریب نفوذپذیری تعیین شده توسط مغزه ها برمی گردد که علی رغم مفید بودن در بسیاری از موارد به دلیل نیاز زیاد به داده های مغزه و دلایل دیگر کاربردی محدودی دارداز میان این روش ها، روش جدید تشدید مغناطیسی پروتون - - PMR، تنها روش راه چاه پیمایی است که به طور مستقیم نمودار پیوسته ای از نفوذ پذیری را فراهم می کندوبه خوبی می توان به نتایج ارزشمندی دست یافت.
این روش علاوه بر تعیین نمودار پیوسته نفوذ پذیری قادر است تخلخل مفید سازند، میزان سیال قابل استحصال، نوع سیال وبسیاری از پارامترهای دیگر سازند را تعیین نماید. در این پژوهش در بابیان اصول و مبانی فیزیکی این روش، تحلیلی درمورد کاربردآن خواهیم داشت. درمولکول آب - H2O - دارای دو اتم هیدروژن با اتم اکسیژن زاویه 105 تشکیل می دهد و یک مولکول غیر متقارن را بوجود می آورد . حرکت قطبی آب به این علت است که مرکز بارهای مثبت و منفی مولکول آب روی هم قرار ندارند و مولکول قطبی است . حرکت قطبی آب , آنرا یک حلال بسیار خوب برای مواد یونی ساخته است هر چند که مولکول آب به تنهایی کووالان است ولی مولکول قطبی آب به سطح کریستال یونی جذب می شود و هنگام جدا شدن یونها از کریستال جامد , مولکولهای آب آنرا کاملا" احاطه می کنند.
یک مولکول قطبی، مانند آب، به علت داشتن قطبهای مثبت و منفی، یک دوقطبی نیز نامیده می شود یا گفته می شود که گشتاور دوقطبی دارد. گشتاور دوقطبی میزانی از قدرت دوقطبی است و خاصیتی است که از توزیع نامتقارن بار در یک مولکول قطبی نتیجه می شود. نتیجه پیوند هیدروژنی درآب این است که آب بتواند هیدرات را بسازد. پیوند هیدروژنی باعث می شود که مولکول های آب در یک جهت منظم آرایش یابند. وجود ترکیبات خاصی باعث می شود که مولکول های آرایش یافته پایدار گردند و یک مخلوط جامد رسوب کند.
مبنای عمل بدین صورت است که ابتدابدون حضورمیدان مغناطیسی خارجی ومیدان الکتریکی سمت گیری وسوق پروتون هابه صورت تصادفی وکاتوره ای خواهدبود.امابعدازاعمال میدان مغناطیسی پروتون هاسعی می کنند همسوبابردارمیدان قرارگیرند.این میدان دراثر آهنربای دائمی است که دردستگاه قراردارد. بعدازآن یک میدان نوسانی به مجموعه اعمال می شود تاپروتون ها نسبت به راستای اولیه منحرف شوند.بعدازحذف میدان پروتون ها همسوبامیدان خارجی خواهند شد. دراثرتکراروتوالی این اتفاق ازروی نمودارهامی توان خواص موردنظررابه دست آورد
شکل -1 حالت های مختلف میدان مغناطیسی اعمال شده به اسپین ها وپالس های گوناگون حاصل ازآن ها نمودار تشدید مغناطیسی
نمودار تشدید مغناطیسی پروتون - - PMR، ممان مغناطیسی هسته ئیدروژن - پروتون ها - را در آب و هیدروکربنها اندازه گیری می کند .
معادلات اساسی تشدیدمغناطیسی پروتون به شرح زیراست:
بسامدوفرکانس پروتون برحسب میدان مغناطیسی زمین عبارت است از که درآن کمیت نسبت ژیرومغناطیس می باشد.
دراین رابطه M کمیت گشتاورمغناطیسی ماکروسکوپی ملکول های آب درشرایط تعادل وقبل ازاعمال تپ القایی است. H - r - مولفه میدان مغناطیسی عمود بر میدان مغناطیسی زمین و q گشتاور لحظه ای تابعی ازمحتوی آب است. پارامتر بیانگرمیانگین ثابت زمانی واهلش واحد حجم درنقطه در زیرسطح زمین است. تاثیرگشتاور دریک حلقه وحجم دیفرانسیلی یک میدان الکترومغناطیسی واپاشنده ایجادمی کندکه مربوط به دوقطبی مغناطیسی گردشی است.تفسیر داده های شامل مشخص کردن مقدارآب هرلایه است. تحلیل داده های خام برای کل گشتاورهای مغناطیسی پالسی مرتبط باسطوح مختلف بررسی می شود.
پروتون ها حاوی یک بار الکتریکی مثبت می باشند و اسپین آنها ممان مغناطیسی ضعیفی ایجاد می کند. دستگاه های جدید نمودار گیری PAR از آهنرباهای دایمی استفاده می کنند که میدان قدرتمندی - چند برابر میدان مغناطیسی زمین - درون سازند ایجاد می کند. اعمال چنین میدان مغناطیسی باعث می شود تا پروتون ها موجود در سیال منافذ قطبیده شوند که مدت زمان نیاز برای قطبیده شدن کامل، زمان آسایش طولی یاواهلش نام دارد. این زمان بیان می کند که پروتون ها با چه سرعتی در میدان مغناطیسی ایستا، مرتب یا قطبیده می شوند.
قطبیدگی کامل پروتون ها در سیال منافذ تا چند ثانیه طول می کشد و در حین حرکت دستگاه نمودارگیری قابل انجام خواهد بود. پس از 1 تا 2 ثانیه اعمال میدان مغناطیسی، یک سری پالس های مغناطیسی رادیو فرکانسی از آنتن دستگاه نمودار گیری به داخل سازند اعمال می شود تا مرتب شدگی پروتون ها را بهم بریزد. پروتون ها تحت تاثیر این پالس ها حول جهت میدان مغناطیسی القایی قوی، - مانند حرکت فرفره در میدان جاذبه زمین - حرکت تقدیمی می کنند.
دستگاه وتجهیزات اندازه گیری شامل دومبدل برای تولیدگشتاور تپ مناسب ژنراتور که هم نقش فرستنده وهم گیرنده رادارد.قرقره وکابل مسی برای پهن کردن لوپ آنتن واحدخازن های تیونینگ - شامل دوسری که جریان متناوب لازم دربسامدلارمور راتامین می کند - باتری قابل شارژ باظرفیت زیاد ولپ تاپ برای کنترل کیفیت وپردازش داده هامی باشد - شکل. - 3شکل 4 به صورت شماتیک چگونگی لوپ و ایجاد تشدیدرا نشان می دهد.
پروتون ها دارای حرکت تقدیمی، میدان مغناطیسی متغیر ایجاد می کنند که این میدان بنوبه خود یک جریان القایی ضعیف ولی قابل اندازه گیری را که برای مدتی کوتاه پایدار است در سیم پیچ موجود در سوند بوجود می آورد. فرکانس جریان القایی - فرکانس حرکت تقدیمی پروتون - توسط سیستم مخصوص اندازه گیری می شود.
شدت این جریان - سیگنال - القایی به سرعت کاهش می یابد، ولی از آنجا که هیدروژن موجود در سیالات منفذی دارای یک ممان مغناطیسی نسبتا بزرگ می باشد با تنظیم ابراز اندازه گیری با فرکانس تشدید مغناطیسی پروتون موجود در هیدروژن سیگنال تقویت شده و می تواند براحتی اندازه گیری شودکمیت های مورد اندازه گیری در این روش دامنه - اندازه - سگینال القایی و زمان میرایی آن است. دامنه سیگنال القایی PMR متناسب با تعداد هسته هیدروژن شکل -2 حرکت تقدیمی پروتون حول میدان مغناطیسی موجود در سیالات است و طوری کالیبره می شود تا نمودار تخلخل مستقل از سنگ شناسی را بر خلاف سایر نمودار تخلخل نتیجه دهد .
زمان میرایی سیگنال القایی در هر سیکل اندازه گیری بستگی مستقیم به اندازه منافذ و حفرات موجود در سازند دارد و از چگونگی توزیع آن بعنوان معیاری برای توزیع اندازه منافذ استفاده می شود. خصوصیت متمایز اندازه گیری های PMR با دیگر روش های چاه پیمایی از اندازه گیری متفاوت تخلخل کل است در حالی که با روش PMR با استفاده طیف می توان تخلخل ناشی از مویینگی و آب مقید رسی - سیال های غیر قابل استحصال - را از تخلخل ناشی از آب قابل استحصال جدا کرد وازطریق کمیت های نمودار دامنه برحسب عمق مشخصات آب موجودرابه دست آورد.
شکل -3 دستگاه هاوتجهیزات تشدیدمغناطیسی پروتون
شکل -4 شکل شماتیک ازنحوه اثرپالس هاوایجادتشدیدمغناطیسی پروتون درلوپ
شکل -5 تغییرات دامنه برحسب عمق برای PMR
همان طوری که اشاره شد با استفاده از نمودار PMR می توان پارامترهای پتروفیزیکی مختلفی مثل تخلخل سیال مقید ، تخلخل سیال آزاد ، اشباع سیال قابل استحصال ، اشباع سیال فیزیکی قابل استحصال و نفوذپذیری را بدست آورد . این موضوع برای شرکت های نفتی اهمیت دارد.
