تقييم التكوين باستخدام النيوترونات المسامية

في مجال تقييم التكوينات ، تُعدّ المسامية أحد أهمّ المقاييس لتحديد كميات احتياطيات النفط والغاز. يستخدم قياس المسامية بالنيوترونات مصدرًا للنيوترونات لقياس مؤشر الهيدروجين في المكمن، وهو مؤشر يرتبط ارتباطًا مباشرًا بالمسامية. يُعرَّف مؤشر الهيدروجين (HI) للمادة بأنه نسبة تركيز ذرات الهيدروجين لكل سنتيمتر ^مكعب في المادة إلى تركيزها في الماء النقي عند درجة حرارة 75  فهرنهايت. وبما أن ذرات الهيدروجين موجودة في كلٍّ من المكامن المائية والنفطية، فإن قياس كميتها يسمح بتقدير حجم المسامية الناتجة عن السوائل.

تُصدر النيوترونات عادةً من مصادر مشعة مثل الأمريسيوم -بيريليوم (Am-Be) أو البلوتونيوم-بيريليوم (Pu-Be)، أو تُولّد بواسطة مولدات نيوترونات إلكترونية مثل المينترون. تُصدر هذه المصادر نيوترونات سريعة تتراوح طاقتها بين 4 و14 ميغا إلكترون فولت، وتتفاعل مع المادة تفاعلاً غير مرن . وعندما تتباطأ سرعتها إلى 2 ميغا إلكترون فولت، تبدأ بالتشتت المرن وتتباطأ أكثر حتى تصل إلى مستوى طاقة حرارية يبلغ حوالي 0.025 إلكترون فولت. وعندما تُمتص النيوترونات الحرارية، تنبعث أشعة غاما . ويمكن لكاشف مناسب، موضوع على مسافة محددة من المصدر، قياس عدد النيوترونات فوق الحرارية ، أو عدد النيوترونات الحرارية ، أو أشعة غاما المنبعثة بعد الامتصاص.

تُشير ميكانيكا التصادمات المرنة إلى أن أقصى انتقال للطاقة يحدث أثناء تصادم جسيمين متساويين في الكتلة. لذا، فإن ذرة الهيدروجين (H) ستُبطئ النيوترون إلى أقصى حد، نظرًا لتقارب كتلتيهما. وبما أن الهيدروجين يرتبط ارتباطًا وثيقًا بكمية الماء و/أو الزيت الموجودة في المسام، فإن قياس كثافة النيوترونات داخل الحجم المدروس يرتبط ارتباطًا مباشرًا بالمسامية.

يُعدّ تحديد المسامية أحد أهم استخدامات سجل المسامية النيوتروني. وتُعدّ معايير التصحيح الخاصة بالتركيب الصخري ، ومعايير البئر، وغيرها ضرورية لتحديد المسامية بدقة، وذلك على النحو التالي:

1. حجم البئر
2. ملوحة البئر
3. درجة حرارة وضغط البئر
4. كعكة الطين
5. وزن الطين
6. ملوحة التكوين
7. مسافة أداة الحفر عن جدار البئر

مع مراعاة الافتراضات والتصحيحات المختلفة، يمكن استخلاص قيم المسامية الظاهرية من أي سجل نيوتروني. ولا يمكن التقليل من شأن تباطؤ النيوترونات بفعل العناصر الأخرى، حتى وإن كان تأثيرها أقل. بعض التأثيرات، مثل نوع الصخور ، ومحتوى الطين، وكمية ونوع الهيدروكربونات، لا يمكن تحديدها وتصحيحها إلا بتوفر معلومات إضافية عن المسامية، على سبيل المثال من سجل الصوت و/أو سجل الكثافة. يجب أن يتم أي تفسير لسجل النيوترونات وحده مع إدراك الشكوك المصاحبة له.

تعتمد أدوات قياس النيوترونات على قياس سحابة نيوترونية ذات مستويات طاقة مختلفة ضمن الحجم المدروس. تقيس أدوات قياس النيوترونات فوق الحرارية كثافة النيوترونات فوق الحرارية ذات مستويات طاقة تتراوح بين 100 إلكترون فولت و0.1 إلكترون فولت في التكوين الجيولوجي. أما أدوات قياس النيوترونات الحرارية، فتقيس فقط عدد النيوترونات ذات مستوى الطاقة الحرارية، بينما تقيس أدوات قياس النيوترونات وأشعة غاما شدة تدفق أشعة غاما الناتج عن امتصاص النيوترونات الحرارية. تحتوي هذه الأدوات عادةً على كاشفين (أو أكثر) بمسافات مختلفة من المصدر لإنتاج نسبة معدلات العد، مما يقلل نظريًا من تأثيرات البئر.

يُعدّ العداد التناسبي المملوء بالهيليوم -3 (He-3) أكثر كواشف النيوترونات الحرارية وفوق الحرارية شيوعًا. يتميز الهيليوم بمقطع عرضي عالٍ لالتقاط النيوترونات، ويُنتج التفاعل التالي عند تفاعله مع النيوترون.

3 هيليوم + 1 نيوترون → 1 هيدروجين + 3 هيدروجين + طاقة 764 كيلو إلكترون فولت

لزيادة الشحنة الناتجة عن تفاعل الهيليوم مع النيوترون، يُطبَّق جهد عالٍ على مصعد العداد. ويُختار جهد تشغيل عالٍ لتوفير كسب كافٍ لأغراض العد. تستخدم معظم عدادات الهيليوم-3 غازًا مُخمِّدًا لتثبيت أداء الجهد العالي ومنع الانهيار.

• درجة حرارة النيوترونات
• المسامية الفعالة
• مسامية الغاز

• جون تي. ديوان، "التسجيل النووي في الآبار المفتوحة - أحدث التقنيات" - ندوة التسجيل السنوية السابعة والعشرون لجمعية مهندسي الحفريات والآبار، 9-13 يونيو 1986.