زمین شناسی هسته ای با استفاده از گمانه[1]

 چاه پیمایی هسته ای  شامل اندازه گیری های گوناگون فیزیکی و شیمیایی- فیزیکی و روش های بکار رفته در حفر چاه برای تعببن خواص گوناگون صخره های حفاری شده، شرایط چاه و ... است.  چاه پیمایی با سوندهای شامل زوج های فرستنده - گیرنده انجام می شود.  سوند با استفاده از کابل ثبت اطلاعات [2] با استحکام و عایق الکتریکی مناسب به داخل چاه فرستاده می شود.

نمونه برداری هسته ای شاخه ای از چاه پیمایی است که در معدن کاوی نفت و زغال سنگ و نیز یافتن آب دارای اهمیت است.

از مهمترین مزایای روش های هسته ای می توان به نکات زیر اشاره کرد:

-    زمانی که کسب اطلاعات دربارهء ترکیبات شیمیایی صخره های حفاری شده با سایر روشهای حفاری غیر قابل دستیابی باشد، از این روش استفاده می شود.

-        قابلیت کاربردی در چاه های حفاری شده با استفاده از مایعات حفاری شده غیر هادی

از معایب نیز می توان موارد زیر را برشمرد:

-        محدودبودن شعاع تحت بررسی .

-        وقت گیربودن و سختی آن در مقایسه با سایر روش های نمونه برداری.

-        تأثیر افت و خیزهای آماری بر پاسخ .  

-        دشواربودن تفسیر کمی نتایج اندازه گیری شده .

-        لزوم حفاظت جدی بدلیل وجودخطر تشعشع.

طرح های کلی تجهیزات استفاده شده در نمونه برداری هسته ای هر چند که دارای ساختارهای مختلف هستند تقریباً مشابه  همان تجهیزاتی هستند که در روش های ایزوتوپی بکار می رود (بخش 1-2).

از مهمترین ویژگی های نمونه برداری هسته ای می توان به موارد زیر اشاره کرد:

-    آشکارساز ها در مسافت های قابل توجهی(تا چندین کیلومتر) دورتر از تجهیزات ثبت اطلاعات کار می کنند،  لذا انتقال سیگنال کامل و دقیق نیست.

-    تنهاتعداد محدودی(1-7) سیم برای منبع تغذیه ، کنترل سوندها و انتقال سیگنال های آشکارسازی قابل بکارگیری است.

-    سوندها باید قادر به تحمل شرایط سخت مثلاً دمای  تا  و فشار  تا  مقاوم باشند.

-     ابعاد تجهیزات گمانه ای محدود است.  ادوات استاندارد نمونه برداری  دارای قطر  تا  میلی متر هستند ولی با کاهش قطر به  تا  میلی متر می توان به بازدهی خوبی دست یافت.

در حین نمونه برداری ، سوندهای حاوی آشکارسازها، کارتریج الکترونیک (تقویت کننده ، منبع تغذیه HVو ...) و چشمه پرتوزای مناسب (شکل 1-5) با استفاده از کابلی با مقاومت شکست  با قرقره سوار بر کامیون به داخل چاه فرستاده می شود.

سیگنال های آشکارسازی شده پس از تقویت (انتخاب، یکی شدن یا جمع شدن) با استفاده از طریق کابل به پانل سطحی مناسب رفته و بصورت تابعــــی از عمـــق ثبــت می شوند.

در ابتدا در چاه پیمایی برای آشکارسازی فوتون های گاما بیشتر از شمارنده های استفاده می شد ولی امروزه در گمانه با دمای زیر  استفاده از آشکارسازهای سوسوزن متداولتر است.

 

آشکارسازهای سوسوزن برای آشکارسازی نوترون ها مناسبند. اما امروزه بر اهمیت استفاده از آشکارسازهای تناسبی هلیوم نیز افزوده می شود. آشکارسازهای نیمه هادی نیز در مطالعات چاههای بسیار باریک نیز استفاده می شوند.

در عملیات چاه پیمایی روشهای هسته ای به سه دسته کلی تقسیم می شوند:

-        اندازه گیری رادیواکتیویته طبیعی.

-        آشکارسازی پرتوهای القا شده از خارج.

-    روش های ردیابی ایزوتوپی استفاده شده در گمانه. این گروه ها می توانند زیرمجموعه پرتوهای ساطع شده و آشکارسازی شده قرار گیرد (جدول 1-5).

بر اساس هدف و شرایط کاری،  اندازه گیری ها به گروههای تحت عنوان نمونه برداری اکتشاف، نمونه برداری تولید (چاه باز) و چاه پیمایی تقسیم می شود.

این روشها بر اساس سیستم های ارائه شده در جدول 1-5 بحث می شود.منابع شامل زمینه و روش کار این روشها خواهد بود.

 

1-5 : نمونه برداری پرتو گامای طبیعی

اندازه گیری پرتو گامای طبیعی در طول گمانه ،   نمونه برداری پرتو گامای طبیعی  نامیده می شود. این روش به دو صورت انجام می گیرد که عبارتند از :

-    اندازه گیری شدت کل (مستقل از انرژی) که نمونه برداری پرتو گاما یا بطور خلاصه نمونه برداری گاما [3] نامیده می شود.

-    اندازه گیری بر اساس انتخاب انرژی که نمونه برداری طیف گاما (یا دقیق تر نمونه برداری طیف پرتو گامای طبیعی) نامیده می شود.

رادیواکتیویته صخره ها بعلت  عناصر رادیواکتیو جمع شده در آنهاست.  این عناصر نظیر اورانیوم، توریوم و  محصولات حاصل از واپاشی آنها و نیز پتاسیم است.  وقتی ایزوتوپ رادیواکتیو واپاشی می کند پرتوهای  ساطع می شود ولی فقط پرتو گاما قدرت نفوذ در محیط را دارد و لذا در گمانه قابل آشکارسازی است. در واپاشی برخی ایزوتوپها،  نوترون  نیز ساطع می شود.  آشکارسازی نوترون زیاد متداول نیست،  زیرا نوترون نیز همراه پرتو گاما است.

جدول 1-5 : روشهای هسته ای در چاه پیمایی

تابش آشکار شده

چشمه خارجی

غیرملزومات

چشمه طبیعی سیلد شده

چشمه مصنوعی

چشمه طبیعی نوترون سیلد شده

چشمه نوترون شتابدهنده

رادیو اکتیویته شیمیایی

                                         

                                Neutron-y method     photo-activation  y-y method

                                                                                     method                                     

                         Inelastic scattering method ___________________________________

 

                                                            Neutron-y                  y-activation              Selective y-y method

         Tracer _______________          spectroscopy              analysis   _____________________

                               Fast neutron activation method ____________________________     Natural y- spectroscopy

                                                           Neutron activation  Other "hard" method    Other "weak" method  

                                                           method

___________________________________________________________

 

                                           Neutron-thermal

                                            neutron method

Neutron life-time logging-_______________         -neutron method                                              --                     Neutron

                                            Neutron-epithermal

                                            neutron method

 

 

1-1-5 : مشخصه های زمین شناسی صخره های

اورانیوم  در طبیعت به فرم بصورت 4 ظرفیتی و 6 ظرفیتی است.این عنصردارای خاصیت آمفوتریک است.  بطور مثال در محیط قلیایی تشکیل اورانات و دی اورانات می دهد.  این محصولات به سختی در آب حل می شوند.

رادیوم  وقتی که با اسیدها واکنش می دهد،  نمکهایی نظیر کربونات ها و سولفات ها تولید می کند که معمولاً غیرحلالند، در حالیکه هالیدها و نیترات ها به راحتی در آب حل می شوند.  رادیوم  به تنهایی تشکیل مواد معدنی نمی دهد ولی معمولاً به صورت متفرق تشکیل می شود.

 

جدول 2-5 : محتوای مواد رادیو اکتیو

(a)صخره های آذرین

صخره

عناصر رادیو اکتیو  kg/kg

Ra,10-12

U,10-6

Th,10-6

K,10-2

اسیدیک

خنثی

پایه

فوق پایه

1.40

0.51

0.38

0.20

4.0

1.4

1.1

0.6

13.0

4.4

4.0

2.0

2.6

2.0

1.4

0.4

 

 صخره های رسوبی(b)

kg/kg  عناصر رادیو اکتیو

صخره

K,10-2

Th,10-6

U,10-6

2.40

0.20

0.13

1.20

11.40

1.16

0.47

5.00

3.00

1.38

1.20

1.20

شیل

لایم استون

دولومیت

سند استون

 

توریوم  معمولاً بصورت عنصر 4 ظرفیتی است و به صورت طبیعی به صورت اکسیدها، سیلیکات ها (نظیر توریت و نمک های مخلوط (مونازیت) یافت می شود.

پتاسیم معمولا در مقادیر هر چند کم اما بیشتر بصورت ماده معدنی (میکا، گلاکونیت، فلدسپات و ...) هر چند کم یافت می شود.

در صخره های رسوبی به خصوص در شیل علاوه بر پتاسیم موجود بصورت شیمیایی، مقدار پتاسیم جذب شده نیز حائز اهمیت است.  رادیواکتیویتهء ویژه گامای طبیعی ویژه صخره که عموما" بصورت  یا  تعیین می شود،  با میزان رادیواکتیو ایزوتوپ های جمع شده در آنها اندازه گیری می شود.

از آنجا که عناصر رادیواکتیو اصلی به فرم های گوناگون معدنی وجود دارند، رادیواکتیو در مواد معدنی یکسان نیز می تواند مختلف باشد. جدول 2-5 میزان ماده رادیواکتیورا در صخره های آتشفشانی  و نیز صخره های رسوبی  نشان می دهد.  شکل 2-5  مروری بر رادیواکتیویته مواد معدنی مختلف است.


[1] Nuclear Borehole Geophysics

[2]Logging cable

[3] logging