Geophysical Methods in Oil and Gas exploration

به طور خلاصه به علم ژئوفیزیک مطالعه زمین با استفاده از روش‌های فیزیکی گویند. آغاز علم ژئوفیزیک به کشف گیلبرت درباره مغناطیس زمین و تئوری نیوتن درباره نیروی گرانی زمین بر می‌گردد. مطالعات ژئوفیزیکی برخلاف مطالعات زمین‌شناسی بیشتر کمی و غیر توصیفی‌اند تا کیفی و توصیفی. هدف اصلی بررسی‌های ژئوفیزیکی، تعیین محل ساختارهای زمین‌شناسی و درصورت امکان اندازه‌گیری ابعاد و ویژگی‌های فیزیکی آنهاست. مثلاً در اکتشاف نفت، هدف به دست‌آوردن اطلاعات ساختاری است زیرا نفت با عوارض خاصی مثل طاقدیس، گسل و … در ارتباط است.
   روش‌های ژئوفیزیکی به صورت گسترده‌ای در اکتشاف نفت استفاده می‌شوند. پیشرفت‌های این روش‌ها در اثر گسترش ابزارهای دقیق‌تر و پیچیده‌تر برای کسب اطلاعات و هم چنین ظهور کامپیوترهای بسیار سریع برای پردازش داده‌های حاصل شده است.
   به طور کلی ژئوفیزیک به دو دسته ژئوفیزیک علمی و ژئوفیزیک عملی تقسیم می‌شود:


ژئوفیزیک علمی:
  
بررسی و شناسایی بعضی از خصوصیات فیزیکی زمین که خود به بخش‌های کوچکتری تقسیم می‌شود:
   ـ ژئودزی و گرانی‌سنجی: مطالعه شکل و میدان گرانش زمین
   ـ لرزه‌شناسی: مطالعه زمین لرزه‌ها و ارتعاشات حاصل از انفجار هسته‌ای و شیمیایی
   ـ ژئومغناطیس و ژئوالکتریکی: مطالعه مغناطیس زمین و پدیده‌های الکتریکی آن
   ـ ژئوترمومتری: مطالعه ویژگی‌های حرارتی زمین
   ـ تکتونوفیزیک: مطالعه جنبه‌های فیزیکی تکتونیک جهانی و منطقه‌ای
   ـ ژئوکاسموگرافی: مطالعه و بحث درباره منشأ زمین
   ـ ژئوکرونولوژی: مطالعه و بحث درباره تاریج زمین و زمان حوادث آن
   همچنین علوم دیگر از قبیل هواشناسی و فضاشناسی در محدوده علم ژئوفیزیک قرار می‌گیرند.

ژئوفیزیک عملی (کاربردی یا اکتشافی):
  
استفاده از روش‌های ژئوفیزیکی و اندازه‌گیری خصوصیات فیزیکی سنگ‌های زیرسطحی برای اکتشاف ذخایر پنهان شده در زیر زمین (از قبیل نفت، گاز، آب، کانی‌ها و …) و یا برای مقاصد مهندسی که به سه بخش تقسیم می‌شود.

   ـ دورسنجی: مطالعه خصوصیات سنگ‌های سطح زمین با استفاده از ماهواره در مقیاس بسیار بزرگ که تشعشعات و امواج راداری، مایکروویو و مادون قرمز توسط دوربین‌های مخصوصی ثبت می‌گردند.
 

  ـ چاه‌پیمایی یا چاه‌نگاری: مطالعه و بررسی درون زمین با استفاده از دستگاههای پایین رونده که بیشتر از سایر روش‌های ژئوفیزیکی مورد توجه زمین‌شناسان است.
 

  ـ ژئوفیزیک سطحی (Surface Geophysic): مطالعه خصوصیات فیزیکی سنگ‌های سطحی و دریایی و زمینی انجام می‌شود. روش‌های مطالعه ژئوفیزیک سطحی بسیار گوناگون است به طوری که به زیربخش‌های مختلفی تقسیم می‌شود:
 

  الف) روش حرارت سنجی: اندازه‌گیری درجه حرارت را در مقیاس‌های کوچک انجام می‌دهد که منجر به شناسایی ساختارهای کم عمق از قبیل: گسل، طاقدیس و گنبد نمکی و … می‌شود. مهم‌ترین پارامتر اندازه‌گیری در این روش تغییرات درجه حرارت نسبت به عمق است.
 

  ب) روش الکترومغناطیس: اندازه‌گیری میدان مغناطیسی ثانویه زمین و ردیابی گسل‌ها، رگه‌های نازک، کابل و لوله‌های زیرزمینی و غیره.
 

  ج) روش الکتریکی: اندازه‌گیری خواص الکتریکی سنگ‌ها و تعیین مکان کانی‌ها از روی خواص الکتریکی معین آنها. این روش به دلیل عمق نفوذ کم (تا 500 متر) در اکتشافات نفتی کاربرد کمی دارد.
 

  د) کاوش گرانی سنجی (Gravity Survey): این روش برای اندازه‌گیری تغییرات گرانی زمین و شناسایی انواع مختلف ساخت‌های زیر سطحی به کار برده می‌شود. ابزار اندازه‌گیری گرانی به صورت یک فنر بسیار دقیق است که با تغییر گرانی طول آن تغییر می‌کند .گرانی سنجی بیشتر برای اکتشافات مقدماتی به کار می‌رود، به طوری که با شناسایی سطح پی سنگ، که بسیار چگال‌تر از سنگ‌های رسوبی است، حوضه رسوبی را از نظر بزرگی و ضخامت رسوبات مشخص می‌کند. این روش در ابتدا برای تعیین محل گنبدهای نمکی مکزیکی و آمریکا به کار رفت. در جاهایی که گنبد نمکی وجود دارد میدان گرانی زمین در بالای آن کمتر از سنگ‌های اطراف است، ولی برعکس در بالای قله طاقدیس‌های مدفون، میدان گرانی زمین بیشتر از سنگ‌های اطراف می‌باشد. بنابراین گرانی‌سنجی، روش بسیار مناسبی در کاوش منابع زیرزمینی (مخازن نفتی و کانسارها) است و تا حد زیادی در اکتشاف نفت و گاز (به خصوص اکتشاف مقدماتی منطقه فلات قاره) به کار می‌رود. این روش قدیمی‌ترین و اولین روش برای اکتشاف نفت بوده و با وجود مخارج زیاد باز هم از روش لرزه‌ای لرزان‌تر است.

شتاب جاذبه در سطح زمین ثابت نیست و به وسیله چندین فاکتور از قبیل عرض جغرافیایی، طول جغرافیایی، توپوگرافی و نهایتاً زمین‌شناسی منطقه کنترل می‌شود. بنابراین برای به دست آوردن اطلاعات زمین‌شناسی، نظیر عمق پی سنگ، تأثیر طول و عرض جغرافیایی و توپوگرافی باید از مقادیر اولیه اندازه‌گیری شده داده‌های گرانی حذف شود.
   واحد شتاب جاذبه گال می‌باشد. یک گال برابر با شتاب cm/s21 است. بعد از اینکه تصحیحات برای اندازه‌گیری‌های هر ایستگاه انجام شد، عموماً نتایج به صورت نقشه کانتوری نشان داده می‌شوند .با توجه به اینکه پی سنگ‌ها به دلیل چگالی بیشتر، شتاب ثقل بیشتری را ایجاد می‌کنند، با استفاده از نقشه کانتوری شتاب جاذبه، می‌توان موقعیت پی سنگ و لذا شکل و عمق حوضه را مشخص نمود.

ه) کاوش مغناطیسی (Magnetic Survey): اندازه‌گیری تغییرات میدان مغناطیسی زمین و شناسایی عمق پی سنگ و وسعت حوضه رسوبی، به خصوص در مناطق بدون کارهای اکتشافی قبلی از اهداف کاوش‌های مغناطیسی است. این روش بیشتر به عنوان ابزار اکتشاف و شناسایی مقدماتی ساختارهای زیرزمینی مربوط به نفت و گاز مطرح است به طوری که یک برنامه اکتشاف ژئوفیزیکی حداقل در مرحله شناسایی بدون استفاده از روش مغناطیسی به سختی قابل اجرا می‌باشد.
 

  در این روش یک مغناطیس‌سنج در سطح زمین، هم میدان مغناطیسی زمین و هر مغناطیس محلی ایجاد شده به وسیله سنگ‌های مغناطیسی را اندازه‌گیری می‌کند. میدان مغناطیسی زمین که به سبب طبیعت دو قطبی زمین به وجود آمده است با عرض جغرافیایی تغییر می‌کند و از حدود 60000 گاما در قطب تا حدود 35000 گاما در استوا متغیر است.
 
  سنگ‌های مختلف شدت مغناطیسی متفاوتی دارند. حساسیت مغناطیسی سنگ‌های رسوبی خیلی کمتر از سنگ‌های آذرین است. اندازه‌گیری‌های میدان ژئومغناطیسی یک منطقه در در نقطه شامل مجموع میدان مغناطیسی طبیعی و مغناطیسی سنگ‌های آنجاست. پس از کسب اطلاعات، آنها باید پردازش شوند و تأثیر مغناطیسی طبیعی حذف گردد. مقادیر باقیمانده، بازتابی از حساسیت مغناطیسی سنگ‌های منطقه است. مقادیر به دست آمده معمولاً به شکل نقشه‌های کانتوری شدت میدان مغناطیسی، نمایش داده می‌شوند.این نوع نقشه‌ها ما را قادر به دیدن موقعیت پی سنگ می‌سازد و بنابراین مناطق عمیق و کم عمق حوضه‌های رسوبی را که دارای ضخامت‌های متفاوت رسوب است نشان می‌دهد. گسل‌ها نیز در نقشه‌های کانتوری شدت مغناطیسی، به وسیله تغییرات ناگهانی در کانتورها شناخته می‌شوند.
به طور کلی کاوش مغناطیسی یک ابزار سریع، غیردقیق و نسبتاً ارزان در اکتشافات نفتی است که قادر به ساختن یک نمای منطقه‌ای از ساختمان حوضه است.
 

  و) بررسی‌های لرزه‌نگاری (Seismic Survey): این روش از نظر مخارج و تعداد ژئوفیزیکدانان شاغل در آن در صدر تمام روش‌های دیگر ژئوفیزیکی قرار دارد. از جمله مهم‌ترین برتری‌های این روش، دقت بالا، عمق بررسی زیاد و توان تفکیک بالای آن است. معمولاً در مراحل اولیه اکتشاف در حوضه‌های ناشناخته، به خاطر کمبود اطلاعات از خصوصیات ساختاری، رسوب‌شناسی و دیاژنتیکی مخزن، حفاری ممکن است بی‌نتیجه بماند. داده‌های لرزه‌ای می‌تواند کمبودهای اطلاعاتی فوق را جبران کند.
 

  روش‌ لرزه‌ای برحسب منبع تولیدکننده امواج لرزه‌ای به دو بخش تقسیم می‌شود:
   ـ لرزه‌شناسی زمین لرزه که دارای منبع انرژی طبیعی است.
   ـ لرزه‌شناسی اکتشافی که دارای منبع انرژی مصنوعی است و هدف اصلی آن به تصویر کشیدن ساختار زمین‌شناسی بخش بالایی پوسته زمین می‌باشد.
  

روش لرزه‌ای برحسب نحوه اندازه‌گیری زمان انتشار و دریافت امواج لرزه‌ای به دو بخش تقسیم می‌شود:
 

  ـ لرزه‌شناسی انکساری یا شکستی: اندازه‌گیری زمان انتشار امواج لرزه‌ای انکساری از سطح ناپیوستگی دو محیط و شناسایی عمق و سرعت لایه‌ها در زیرزمین. در این روش برخلاف روش انعکاسی فاصله گیرنده تا منبع نسبت به عمق سطح ناپیوستگی بسیار زیاد است. این روش نسبت به روش بازتابی دارای دقت کمتری است ولی آسان‌تر و سریع‌تر انجام می‌شود. این روش لرزه‌ای اولین روش کاوش لرزه‌ای برای اکتشاف نفت بوده، و در کاوش‌های مهندسی کاربرد فراوانی دارد. همچنین در شناسایی و تعیین عمق توده‌های نفوذی مثل گنبدنمکی بسیار مفید است زیرا سرعت امواج در نمک و رسوبات تبخیری بیشتر می‌شود. این روش اولین بار درسال 1934 در مسجد سلیمان انجام شد.
 

  ـ لرزه‌شناسی انعکاسی یا بازتابی: اندازه‌گیری زمان انتشار امواج لرزه‌ای بازتابی از یک سطح بازتاب کننده برای شناسایی ساختار زمین در اعماق زیاد و به نقشه درآوردن ساختمان درونی زمین. در این روش تهیه اطلاعات از سایر روش‌ها با دقت بیشتر و بهتری صورت می‌گیرد اما سرعتی کندتر و هزینه گران‌تری دارد. روش بازتابی پیشرفته‌ترین روش اکتشاف نفت است که در شناسایی ساختمان‌های زیرسطحی، تشخیص هیدروکربن‌ها (به خصوص گاز) و شناسایی سیستم‌های رسوبی منطقه به کار می‌رود. این روش، اولین بار درسال 1949 در دشت آبادان انجام شد که با توجه به اهمیت روزافزونش در اینجا به تفصیل بحث می‌شود

لرزه‌شناسی اکتشافی:
   مطالعات ژئوفیزیکی از روش‌های متداول اکتشاف مواد هیدروکربنی است. هدف اصلی این نوع مطالعات، یافتن ساختارهای زمین‌شناسی مناسب برای تجمع نفت و گاز در زیر زمین می‌باشد. در این بین روش لرزه‌نگاری به خصوص نوع انعکاسی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است، به طوری که پیشرفت روزافزون این شاخه از علم ژئوفیزیک مدیون اکتشاف مواد هیدروکربنی است.
 

قبل از یک کار لرزه‌ای باید ابتدا ناحیه از نظر زمین‌شناسی سطحی بررسی گردد. درصورت مناسب بودن شرایط ابتدا روش مغناطیس سنجی و سپس روش ثقل‌سنجی در منطقه انجام می‌گیرد تا حدود تقریبی ساختارهای زیرزمین مشخص گشته و کار اصلی اکتشاف به نقاط خاصی محدود شود. در انتها در صورت موفقیت‌آمیز بودن روش‌های قبلی، از روش لرزه‌نگاری انعکاسی برای اکتشاف و شناسایی ساختارهای زمین‌شناسی مناسب در تجمع هیدروکربن‌ها استفاده می‌شود.

انتشار امواج لرزه‌ای (Seismic Wave Propagtion):
   درک کامل یک ارتعاش لرزه‌ای طبیعی بسیار مشکل و شاید غیرممکن باشد زیرا به صورت ترکیبی است. ولی می‌توان از یک مدل ساده شده برای درک ارتعاشات لرزه‌ای استفاده کرد. تکنیک‌های صحرایی و ابزار تفسیری بر پایه این مدل‌ها طرح‌ریزی شده است. وقتی به یک جسم کشسان به طور ناگهانی تنش وارد شده و یا آزاد می‌شود تغییر مکان‌های حاصل از آن به صورت موج لرزه‌ای منتشر می‌گردد. موج لرزه‌ای وسیله اساسی اندازه‌گیری در اکتشافات لرزه‌ای است. به امواج لرزه‌ای امواج الاستیک یا کشسانی نیز می‌گویند، زیرا باعث تغییر شکل الاستیک مواد می‌شوند.

جبهه‌ها و پرتوهای موج (Wave Fronts and Rays):
   وقتی یک منبع انفجاری و یا ارتعاشی، انرژی لرزه‌ای را تولید می‌کند این انرژی به شکل کره‌ای که همیشه در حال انبساط است انتشار می‌یابد و بزرگترین لبه آن جبهه موج (wave front) نامیده می‌شود . انتشار امواج لرزه‌ای به صورت سه بعدی است. موج در راستای عمود بر جبهه موج حرکت می‌کند. به خطی که راستای حرکت انرژی موج را مشخص می‌کند پرتو موج (wave ray) می‌گویند. اگر از منبع انرژی به نقاط هم ارز در روی جبهه‌های موج خطوطی عمود کنیم جهت انتشار موج که همان پرتو موج است به دست می‌آید. بنابراین در تمام نقاط پرتوها بر جبهه‌های موج عمود می‌باشند. البته درصورتی که محیط ایزوترپ یا همسانگرد باشد.