مقدمه: 
نفوذ پذیری( تراوایی) یکی از پارامترهای مهم سازندهای حاوی نفت،گاز و آب می باشد که به واسطه آن مهاجرت سیال یا گاز را در سازندهای متخلخل باعث می شود. در واقع نفوذ پذیری به توانایی عبور سیالات از فضای خالی سازند گفته می شود که به واسطه آن عبور سیال مهیا می گردد(1).با مشخص شدن نفوذ پذیری،قابلیت استحصال یک آبخوان یا مخزن، تحت شرایط مختلف فشار و جریان، قابل پیش بینی خواهد بود.
در عمل نفوذپذیری سنگهای متخلخل، غالباً درآزمایشگاه، با استفاده از مغزه یا برش پلاگهای کوچک مغزه حاصل از حفاری تعیین می شود. در این روش، نفوذپذیری مغزه ها در حالت اشباع کامل ویا در بعضی اشباعهای جزئی ( یعنی برای نفت در حضور آب ) بدست آورده می شود که برای هر مورد نیاز به آزمایشات جداگانه می باشد(8). با وجود دقت بالای روش فوق نفوذپذیری با روش های مغزه ای به چند دلیل راهکار مناسبی نیست. اول آنکه این روش، هزینه بالایی به همراه دارد و دوم آنکه تهیه مغزه به طور پیوسته انجام می گیرد، و به همین دلیل اندازه گیری پیوسته ای از نفوذ پذیری برای تعیین قابلیت استحصال احساس می شود تا بتواند جایگزین مناسبی برای این روش پرخرج باشد(1).
امروزه از روش چاه پیمایی و نگاره های مختلف آن به طور گسترده ای برای تعیین فاکتورهای پتروفیزیکی سازند استفاده می شود. یکی از این پارامترها نفوذپذیری است که با وجود تلاش های صورت گرفته با دقت قابل توجه از نگاه های چاه قابل تعیین نبوده است. روش های سنتی تهیه نمودار پیوسته نفوذپذیری 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 دارد(12،5). روش دیگر استفاده از نگاره های کامل موج صوتی است که با استفاده از دامنه و زمان گذر موج استانلی( موج لوله ای) به تعیین نفوذ پذیری سازند می پردازد(6،13،12) که به نظر می رسد از روش قبلی بهتر باشد ولی به دلیل نیاز به اطلاعات دیگر، استفاده از مدل های مختلف و مشکلات تعیین چگونگی میرایی موج لوله ای در شرایط مختلف چاه نتایج مطمئنی ندارد(14،9،6). از میان این روش ها، روش جدید و مدرن تشدید مغناطیسی پروتون(PMR )، تنها روش راه چاه پیمایی است که به طور مستقیم نمودار پیوسته ای از نفوذ پذیری را فراهم می کند(11). 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(10). در این مقاله در نظراست ضمن شرح اصول و مبانی فیزیکی این روش، انواع ابزارهای مورد استفاده ونوآوری های موجود در تهیه چنین نگاره هایی همراه با مطالعات موردی آورده شود تا نقش و ضرورت بکارگیری آنها در مطالعه مخزن نفت و گاز کشورمان بیشتر روشن شود.
اصول و مفاهیم اولیه نمودارگیریPMR
امروزه از روش تصویر سازی تشدید مغناطیسی(MRI ) بطور فراگیردرپزشکی استفاده می شود. شیمیدانان نیز برای تمایز عناصر مختلف از یکدیگر از تکنیک طیف سنجی تشدید مغناطیسی هسته ای(NMRS ) بسیار زیاد استفاده می کنند.
نمودار تشدید مغناطیسی پروتون(PMR )، ممان مغناطیسی هسته ئیدروژن(پروتون ها) را در آب و هیدروکربنها اندازه گیری می کند. 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  T1 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. T1 با اندازه منفذ موجود در سنگ رابطه مستقیم و با گرانروی سیال موجود در آن رابطه عکس دارد. 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. (شکل 1).
شکل 1- حرکت تقدیمی پروتون حول میدان مغناطیسی (سمت چپ)و حرکت تقدیمی فرفره حول میدان جاذبه (سمت راست) (10)
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 شود(10). در ابزارهای جدید این مشکل را با اعمال ی یک رشته پالس که CPMG نام دارد، برطرف می کنند. سرعت میرایی حرکت تقدیمی یا از دست دادن مرتب بودن پروتون زمان آسایش عرضی T2 ، نامیده می شود. کمیت 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 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(10). یعنی اینکه منافذ کوچک با T2 کم و منافذ بزرگ با مقدار بیشتری از T2 مشخص می شوند از این رو زمان آسایش عرضی و توزیع آن ها ممکن است طوری تفسیر شوند که نفوذپذیری سازند، تخلخل موثر و یا اشباع غیرقابل استحصال را نشان بدهد(10).
دستگاه های رایج نمودارگیری از لحاظ نحوه راندن در گمانه به دو دسته متفاوت تقسیم می شوند. دستگاه هایی که بطور متقارن و در راستای محور گمانه (MRIL ساخت شرکت نومار ) رانده می شوند و دستگاههایی که به صورت چسبیده به دیوار گمانه (CMR ساخت شرکت شلومنرژه ) رانده می شوند. علی رغم اینکه هر دو دسته در گمانه ها رانده می شوند، ولی امروزه از دستگاه های دسته دوم بطور گسترده تری استفاده می شود. عمق بررسی این دستگاه ها یک اینچ و تفکیک قائم آن نیز شش اینچ می باشد. جدیدترین نمونه های این دو دستگاه CMR-PLUS , MRIL-Prime نام دارند که با توجه به نیازهای امروزی صنعت نفت جهت به دست آوردن پاسخی بسیار سریع برای قابلیت استحصال چاه ها طراحی شده اند(3). البته شرکت شلومبرژه در سال 2001 نوع بسیار مدرن دستگاه نمودارگیری حین حفاری را با نام Pro VISION راهی بازارکرده است (4) .
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 T2می توان تخلخل ناشی از مویینگی و آب مقید رسی (سیال های غیر قابل استحصال ) را از تخلخل ناشی از آب قابل استحصال جدا کرد ( شکل 2)
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 .
تعیین نفوذ پذیری
شاید مهمترین خصوصیت اندازه گیری PMR توانایی این روش در ثبت نمودار پیوسته ای از نفوذپذیری است. به دست آوردن این نمودار بطور مستقیم برای شرکت های نفتی دارای اهمیت بسیار زیادی می باشد، چرا که نمودار نفوذپذیری پیش بینی میزان تولید را امکان پذیر می سازد.
الف)
ب)
شکل 2- الف) مقایسه بین تخلخل حاصل از نوترون و PMR ، (ب)- یک نمونه طیف T2 و تخلخل های قابل دست یابی با این طیف برای ماسه سنگ (2و7)
در نتیجه باعث بهینه سا زی اجرای پروژه ها و شبیه سازی برنامه های شرکت های نفتی شده و از حجم آزمایشات و مغزه گیری ها می کاهد.
مدت ها پیش از مطرح شدن PMR ، تحقیقات گسترده ای در مورد ارتباط بین تخلخل و نفوذپذیری انجام شده بود ولی نتایج امیدوار کننده ای بدست نیامد. وایلی و رز با استفاده از مفهوم اشباع آب غیرقابل استحصال (Swirr) و تخلخل رابطه زیر را برای تخمین نفوذپذیری به دست آوردند که باعث شد تا تمام کارها در این راستا پیگیری شود.
(1)
با معرفی تکنیک PMR و اینکه این روش تنها روشی است که اشباع سیال غیرقابل استحصال را با دقت و بطور مستقیم بدست می آورد، تلاش ها به این سمت متوجه شد. امروزه، دو معادله تیمور- کوئیت و معادله شرکت شولومبرژه (SDR) برای تخمین نفوذپذیری براساس داده ها و مفاهیم PMR وجود دارد.
الف- معادله تیمور- کوئیت
در این روش به جای اشباع آب غیرقابل استحصال از شاخص حجم سیال مقید (BVI) با توجه به اینکه  و شاخص سیال آزاد که برابر  است، استفاده می شود. در نتیجه معادله زیر را خواهیم داشت.
(2)
که عبارت ثابت a در رابطه (2) برابر با 1mD می باشد(11).
ب- معادله SDR
روش دیگری  که امروز ه بطور رایج استفاده می شود روش SDR است که توسط مرکز تحقیقات شرکت شلومبرژه ارائه شده است. در این معادله از میانگین لگاریتم زمان آسایش T2 به همراه تخلخل بدست آمده از روش PMR در قالب رابطه زیر استفاده می شود.
(3)
که در آن ضریبی است که مقدارش برای ماسه سنگ 4 و برای سنگ های کربناته 1/0  است (10و11) .
هر دو معادله در اکثر موارد شبیه به هم و شدیدا وابسته به تخلخل می باشند. در بعضی موارد هر دو تخمین انجام می شوند و یکجا نمایش داده می شوند.
چند مثال عملی (صحرایی)
متاسفانه به دلیل عدم استفاده از این تکنیک در صنعت نفت ایران، هیچ گونه مثالی که در ایران اجرا شده باشد وجود ندارد از این رو چند مورد از کارهای انجام شده در جهان را مورد بررسی قرار می دهیم.
نمونه اول مربوط به یک مخزن ماسه سنگی میکا دار دریای شمال است که علاوه بر نگاره های مربوط به روش PMR نگاره های نوترون، چگالی نیز آمده است (شکل 3). همانطور که دیده می شود دو نمودار تخلخل، که در مسیر 2 آمده اند، همسویی خوبی نشان نمی دهند. اما نمودار نفوذپذیری حاصل از روش PMR (مسیر 3)، همخوانی بسیار خوبی با نتایج حاصل از نفوذپذیری مغزه ای دارد. نفوذپذیری با معادله تیمور- کوئیت بدست آمده است. علاوه برآن بکمک نمودار طیف T2 می توان دریافت که میزان هیدروکربور قابل استحصال بجز در بخش میانی باری سایر قسمت های مخزن بالا است.
شکل 3- نتایج حاصل از نمودارهای چاه پیمایی در یک گمانه در دریای شمال(2).
نمونه دوم به نتایج چاه پیمایی گمانه ای در استرالیا مربوط می شود(شکل 4). در این گمانه به غیر از نگاره های PMR نگاره های رایج دیگر نیز (نوترون، چگالی و گامای طبیعی ) برداشت شده اند. در این گمانه داده های PMR به دو صورت با پنج بار میانگین گیری (LEV) و با تفکیک بالا (HR) داده شده است. مورد دوم تنها با پیشرفته ترین دستگاه نمودار گیری PMR یعنی CMR-PLUS قابل انجام است. در این دستگاه از سیستم جدیدی از پالس های CPMG به نام ” پالس افزایش دقت یافته ” استفاده می شود که باعث تولید داده هایی با دقت بالا می شود. همچنین در این دستگاه طول آهنربای دائمی نیز افزایش یافته که باعث افزایش قابل توجه در سرعت نمودارگیری می شود. همان گونه که از شکل دیده می شود، همخوانی بسیار خوبی میان نمودارهای تخلخل و نفوذپذیری روش PMR (علی الخصوص PMR با تفکیک بالا) و داده های مغزه ای دیده می شود.
امروزه دیگر نمودار PMR در دنیا به عنوان یک کار رایج به حساب می آید. حسب گزارشات [7] در منطقه خاور میانه و حاشیه خلیج فارس نیز با این روش چند مورد برداشت انجام شده است. اما در صنعت نفت کشورمان متاسفانه تاکنون بنا به دلایل مختلف استفاده ای از آن نشده است.
شکل 4- نتایج نمودارگیری در گمانه ای در استرالیا، داده های PMR با دو دستگاه برداشت شده اند، 1- دستگاه با پنج بار میانگین گیری (CMR-200) و 2- دستگاه نمودارگیری با تفکیک بالا (CMR-PLUS)  [3] نتیجه گیری :
بررسی ها نشان می دهد که نفوذپذیری تعیین شده به وسیله روش تشدید مغناطیسی پروتون و نفوذپذیری مغزه ای همخوانی خیلی خوبی با هم دارند. بنابراین روش نمودارگیری PMR و نفوذپذیری حاصل از آن را می تواند در بسیاری از موارد جایگزین بسیار خوبی برای آزمایشات مغزه ای برای تعیین نفوذپذیری باشد و در هزینه اکتشاف صرفه جویی قابل توجهی را بعمل آورد. علاوه برآن روش PMR نمودار پیوسته ای از نفوذپذیری گمانه را فراهم می سازد که بسیار ارزشمند است. البته حذف کامل آزمایشات مغزه ای قابل اجرا نیست چرا که در مواردی از داده های مغزه ای برای تنظیم (کالیبراسیون) داده های PMR نیز می توان استفاده کرد.
در پایان با توجه به اینکه تکنیک PMR علاوه بر تعیین دقیق پارامترهای پتروفیزیکی همچون نفوذپذیری و قابلیت استحصال سیالات موجود در سازند، باعث صرفه جویی بسیار زیاد در هزینه ها می شود، پیشنهاد می شود از این روش ارزشمند در صنعت نفت کشورمان استفاده شود.
نويسنده : علی پور، روح اله- مرادزاده، علی- مردمی، هانیه
منابع :
[1] مرادزاده،ع،و قوامی، ر.، 1380 . چاه پیمایی برای مهندسین، دانشگاه صنعتی شاهرود،246.
[2] Allen, D., Carry, S., Freedman, B., Andreani , M., Klopf, W., Badry, R. and Flaum, C., 1997. How to use borehole magnetic resonance. Oilfreld review 9, 34-57.
[3] Allen, D., Flaum, C. and Ramakrishran, T., 2000. Trends in NMR logging. Oilfield revlew, 12, 2-19.
[4] Alvardo, R.J., Damgaard, A., Hansen, P. and Raven, M., 2003. Nuclear magnetic resonance logging while drilling. Oilfield review, 15.
[5] Brace, W.F., 1977. Permeability from resistivity and pore shape. Journal ofgeophysical research, 82, 3343-3349. [6] Bums, D.R., Cheng, C.H., Schmitt, D.P. and Toksoz, M.N., 1988. Permeability estimation from full wave acoustic logging data. The log anadyst, 112-122.
[7] Charnock, G., Standen, E. and Stares, J., 1997. The carbonate challenge. Middle Easr Well Review, 35-55. [8] Hearst, J.R., Nelson, P.H. and Paillet, F.L., 2002. Well logging for physical properties. John Willey & Sons, 483.
[9] Hsui, A.T., Zhang, J., Cheng, C.H. and Toksoz, M.N., 1985. Tube wave attenuation and in-situ permeability. SPWLA Transactions, 26th annual log. symposium, paper CC.
[ 10] Kenyon, B., Kleinberg, R. and Straley, C., 1995. Nuclear magnetic resonance imaging technology for the 21 st century. Oilfield review, 19-33.
[11] Luthi, S. M., 2000. geologist well logging. Spriger, 367.
[12] Paillet, F.L. and Saunders, W.R., 1990. Geophysical application for geotechnical investigations. ASTM (American Society for Testing and Materials), l 12.
[13] Williams, D.M., Zemanek, J., Angona, F.A., Dennis, C.L. and Caldwell, R.L., 1984. The long acoustic logging tool. SPWLA Transactions, 25th annual log. symposium, paper T.
[14] Winkler, K.W., Liu, H.L. and Johnson, D.L., 1989. Permeability and borehole stoneley waves. Geophysics, 54, 66-75.