Giáo trình Địa vật lý giếng khoan

256 trang huongle 2800

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Địa vật lý giếng khoan", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_dia_vat_ly_gieng_khoan.pdf

Nội dung text: Giáo trình Địa vật lý giếng khoan

Giỏo trỡnh địa vật lớ giếng khoan
Mở đầu ịa vật lý giếng khoan (ĐVLGK) là một lĩnh vực của địa vật lý ứng dụng bao Đgồm việc sử dụng nhiều ph−ơng pháp vật lý hiện đại nghiên cứu vật chất để khảo sát lát cắt địa chất ở thành giếng khoan nhằm phát hiện và đánh giá các khoáng sản có ích, thu thập các thông tin về vận hành khai thác mỏ và về trạng thái kỹ thuật của giếng khoan. Việc ứng dụng các ph−ơng vật lý để nghiên cứu lát cắt địa chất giếng khoan qua các thời kỳ và từng đối t−ợng khác nhau đ∙ từng có những tên gọi khác nhau. Những năm 1960 về tr−ớc lĩnh vực này đ−ợc gọi bằng cái tên “Carota”. Thuật ngữ này có gốc từ tiếng Pháp: Carottage xuất phát từ Carotté nghĩa là mẫu lõi khoan, hay cũng có nghĩa là củ cà rốt. Trong hệ thống Anh ngữ các ph−ơng pháp Địa vật lý giếng khoan đ−ợc gọi bằng thuật ngữ Log, Logging - có nghĩa là đo vẽ liên tục một tham số vật lý theo trục giếng khoan, chẳng hạn Log điện trở, Log siêu âm, Log nhiệt độ Với tốc độ phát triển nh− vũ b∙o hiện nay của khoa học công nghệ, Địa vật lý giếng khoan này càng phong phú về số ph−ơng pháp, hiện đại về công nghệ và sâu sắc về nội dung khoa học. Trong sự phát triển nhanh chóng đó có một đặc điểm dễ nhận thấy là từ nghiên cứu lý thuyết đến triển khai công nghệ là một khoảng cách rất ngắn, d−ờng nh− những ý t−ởng khoa học hôm nay thì ngày mai đ∙ trở thành công nghệ áp dụng trong sản xuất. ở Việt Nam các ph−ơng pháp địa vật lý giếng khoan đ∙ đ−ợc ứng dụng để nghiên cứu các lỗ khoan than từ cuối những năm 50 đầu những năm 60 của thế kỷ vừa qua khi Liên Xô và các n−ớc XHCN anh em lúc bấy giờ đ∙ bắt đầu giúp chúng ta đẩy mạnh công tác điều tra địa chất ở miền Bắc. Từ những thời gian đó ở sản xuất những ng−ời làm công tác địa vật lý của Việt Nam đ∙ quen với thuật ngữ Carota để chỉ một loại hình công việc đo địa vật lý trong các lỗ khoan thăm dò than và tìm kiếm các khoáng sản có ích khác. Bắt đầu sang thập kỷ 80 khi công tác đo địa vật lý trong các giếng khoan thăm dò và khai thác dầu khí phát triển nhanh cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp dầu khí non trẻ ở Việt Nam. Từ đó trong ngành dấu khí quen với việc dùng thuật ngữ Địa vật lý giếng khoan để chỉ các loại hình công việc nghiên cứu giếng khoan thăm dò và khai thác dầu khí bằng các ph−ơng pháp địa vật lý thay cho thuật ngữ Carota không còn đủ để bao quát hết các nội dung của hoạt động này. Trong tình hình đó ở chúng ta song song tồn tại hai từ: Carota và Địa vật lý giếng khoan, cùng để chỉ công tác đo vẽ địa vật lý ở d−ới mặt đất, một trong lĩnh vực thăm dò than, quặng và n−ớc d−ới đất, và một trong lĩnh vực thăm dò khai thác dầu khí. Về máy móc trang thiết bị trong địa vật lý giếng khoan cũng đang có nhiều thay đổi nhờ có những tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ điện tử và tự động hoá. Ngày càng nhiều các máy thiệt bị đo địa vật lý trong giếng khoan đ−ợc cải tiến, xuất hiện mới rồi lại tiếp tục cải tiến, xuất hiện mới, Có tác giả đ∙ nhận xét: Trên thế giới cứ 5
sau 5 năm thì một thế hệ máy mới đ∙ ra đời và gần thay thế hoàn toàn các máy móc của thế hệ tr−ớc đó, lại cũng có ý kiến cho rằng: thậm chí còn sớm hơn! ở Việt Nam tuy sự thay đổi về trang thiết bị trong các cơ sở sản xuất, Viện nghiên cứu và các Tr−ờng đại học ch−a đến mức nhanh nh− vậy những rõ ràng 10 năm trở lại đây các thế hệ máy Địa vật lý giếng khoan mới đ∙ thay thế hoàn toàn các máy móc thiết bị cũ kỹ tr−ớc đây, đặc biệt là trong ngành công nghiệp dầu khí. Cùng với những thay đổi đó ở n−ớc ta đội ngũ những ng−ời làm công tác địa vật lý giếng khoan ngày càng đông đảo, những ng−ời có sử dụng các tài liệu đo vẽ địa vật lý giếng khoan và quan tâm đến lĩnh vực khoa học công nghệ này ngày càng nhiều hơn. Sau nhiều năm giảng dạy ở tr−ờng đại học và công tác trong ngành dầu khí các tác giả quyết định biên soạn giáo trình này. Giáo trình sẽ là một tài liệu phục vụ giảng dạy ở các tr−ờng đại học có đào tạo chuyên ngành kỹ s− địa vật lý thăm dò, kỹ s− địa chất dầu khí. Ngoài ra giáo trình này sẽ là tài liệu tham khảo tốt cho các kỹ s− địa vật lý và kỹ s− địa chất dầu khí đang làm việc tại các cơ sở sản xuất, viện nghiên cứi và các đơn vị có sử dụng tài liệu đo địa vật lý giếng khoan. Giáo trình chia làm hai phần. Phần thứ nhất là nội dung chính dạy ở tr−ờng đại học trong đó giới thiệu nội dụng các ph−ơng pháp đo địa vật lý giếng khoan, chú trọng cơ sở vật lý - địa chất, nguyên lý đo vẽ thu thập tài liệu gợi ý phạm vi ứng dụng của các ph−ơng pháp. Trong giáo trình không chú trọng mô tả các máy móc thiết bị đo Địa vật lý giếng khoan mà trong mỗi ph−ơng pháp hay nhóm ph−ơng pháp chỉ trình bày nguyên lý hoạt động của máy và sơ đồ khối của các máy đó. Phần thứ hai của giáo trình sẽ đ−ợc trình bày nh− các tài liệu chuyên khoa về phân tích địa chất các tài liệu địa vật lý giếng khoan theo từng chuyên đề (nghiên cứu địa tầng, môi tr−ờng địa chất, cấu kiến trúc của đá chứa, xác định thành phần vật chất, tính toán trữ l−ợng mỏ dầu khí và các mỏ khoáng sản rắn, các phần mềm phân tích tài liệu Địa vật lý giếng khoan ) đáp ứng các yêu cầu tìm hiểu sâu về Địa vật lý giếng khoan của các kỹ s− đang công tác trong ngành dầu khí và các ngành có liên quan. Chúng tôi cho rằng việc biên soạn một giáo trình chuyên ngành Địa vật lý giếng khoan, một sự thu nhỏ của ngành địa vật lý ứng dụng trong các giếng khoan không phải là việc làm dễ dàng do tính đa ngành và phát triển nhanh chóng của nó. Chắc chắn trong lần biên soạn đầu tiên này không thể tránh khỏi những thiếu sót về nội dung, thuật ngữ và sắp xếp các phần của giáo trình mong đ−ợc các đồng nghiệp đóng góp ý kiến. Các tác giả bày tỏ lòng cảm ơn đối với các đồng nghiệp ở tr−ờng Đại học Mỏ - Địa chất và ở Vietsovpetro đ∙ cho nhiều ý kiến đóng góp trong quá trình biên soạn giáo trình này, đặc biệt xin cảm ơn kỹ s− Nguyễn Trung Quân ở tr−ờng Đại học Mỏ - Địa chất và các kỹ s− ở Xí nghiệp Địa vật lý giếng khoan – Vietsovpetro đ∙ góp nhiều công sức trong việc trình bày và soạn thảo để kịp cho in phần thứ nhất của giáo trình. Các tác giả. 6
Ch−ơng 1 Đối t−ợng và các tham số nghiên cứu 1.1. Đối t−ợng nghiên cứu Đối t−ợng nghiên cứu của địa vật lý giếng khoan là các giếng khoan tìm kiếm thăm dò, khai thác các khoáng sản có ích: Than, dầu khí, các loại quặng và n−ớc d−ới đất. Giếng khoan là một công trình tìm kiếm thăm dò hoặc khai thác. Loại công trình này đ−ợc tạo bằng ph−ơng pháp cơ học - ph−ơng pháp khoan giếng, nhằm mục đích lấy mẫu đất đá, tạo ra một vết lộ địa chất còn “t−ơi”, ch−a bị phong hoá, hoặc để khai thác các chất l−u nh− dầu khí, n−ớc d−ới đất, n−ớc nóng có chứa năng l−ợng nhiệt. Thông th−ờng việc lấy mẫu lõi khoan khó thực hiện đ−ợc tốt và giá thành cao, trạng thái kỹ thuật và độ ổn định của công trình phụ thuộc vào nhiều yếu tố kỹ thuật và địa chất. Để thay thế cho việc lấy mẫu lõi, xác định trạng thái kỹ thuật và theo dõi độ ổn định của các giếng khoan, ng−ời ta khai thác triệt để các thông tin địa chất và kỹ thuật trên vết lộ địa chất (lát cắt địa chất trên thành giếng khoan) của công trình. Ưu điểm của vết lộ địa chất này là ở chỗ nó còn “t−ơi” nguyên, ch−a bị phong hoá lại xuyên cắt mọi lớp đất đá tới chiều sâu đáy giếng. Việc khai thác các thông tin địa chất và kỹ thuật trên vết lộ địa chất ở thành giếng khoan đ−ợc thực hiện bằng các ph−ơng pháp vật lý, hoá học. Nhờ các ph−ơng pháp này ta có thể xác định đ−ợc thành phần vật chất ở các lớp đất đá trong lát cắt, trạng thái kỹ thuật và độ ổn định của công trình tại chiều sâu bất kỳ ở thời điểm cần thiết. Xác định thành phần vật chất, xây dựng lát cắt địa chất ở thành giếng khoan, xác định trạng thái kỹ thuật và độ ổn định của công trình, đánh giá hiệu suất khai thác của giếng là mục đích của địa vật lý giếng khoan. 1.2. Phân loại đá theo thành phần, điều kiện thành tạo và các đặc tr−ng vật lý thạch học Đá là những tập hợp có quy luật của những khoáng vật tạo thành những thể địa chất độc lập ở vỏ Quả đất. Thể địa chất độc lập ở đây là nói đến những sản phẩm đặc tr−ng của một quá trình địa chất nhất định. Vậy đá phải là kết quả của một quá trình địa chất nào đó chứ không phải là một tập hợp ngẫu nhiên các khoáng vật hay các nguyên tố. Trong địa chất học th−ờng dựa vào nguồn gốc của đá để phân loại chúng, vì nguồn gốc thể hiện rất rõ trên các đặc tr−ng vật lý, hoá học, cơ học của đá. Theo nguồn gốc sinh thành của đá, ng−ời ta phân đá ở vỏ Quả đất thành 3 nhóm: macma, trầm tích và biến chất; mỗi nhóm có những đặc tr−ng riêng nh−ng khi nghiên cứu chúng đều cần làm rõ ba vấn đề: 7
1. Thế nằm của đá và quan hệ của nó với các đá khác xung quanh, nghĩa là đá gặp trong tự nhiên nh− thế nào? 2. Kiến trúc và cấu tạo của đá, tức là các phần tử hợp thành đá đ−ợc sắp xếp ra sao? 3. Thành phần khoáng vật và hoá học của đá? Ba vấn đề vừa nêu chứa đựng các thông tin về địa tầng, kiến tạo, môi tr−ờng địa chất, tiềm năng khoáng sản có ích (quặng, than, dầu khí ). Địa vật lý giếng khoan trong nghiên cứu dầu khí có đối t−ợng chủ yếu là đá trầm tích. Khi phân tích tài liệu địa vật lý giếng khoan, mô hình đá đ−ợc xem là môi tr−ờng có lỗ rỗng cấu tạo từ 3 pha: Cứng, lỏng và khí. Pha cứng bao gồm x−ơng đá (matrix) là những hạt khoáng vật tạo đá, xi măng gắn kết th−ờng là sét, cacbonat ; pha lỏng bao gồm n−ớc, dầu; pha khí bao gồm các khí hydrocacbon, khí CO2, H2S, N2 Cũng có một mô hình đơn giản bao gồm hai thành phần: matrix và sét; trong không gian, lỗ rỗng của đá đ−ợc lấp đầy chất l−u (dầu, khí, n−ớc). Hai thành phần cấu thành pha cứng của đá (matrix và sét) có ảnh h−ởng rất khác nhau không chỉ lên các phép đo địa vật lý, mà lên các tính chất vật lý thạch học của đá chứa (độ thấm, độ b∙o hoà ). Sét trong nhiều tr−ờng hợp đ−ợc phân biệt: sét nén (shale), hạt sét xâm tán trong đá ở dạng cấu trúc (clay), bột sét (silt) là các hạt mịn có kích th−ớc 1/16 - 1/256 mm. Matrix: Trong phân tích tài liệu matrix đ−ợc hiểu là bao gồm mọi thành phần cứng của đá (các hạt, matrix, xi măng) không kể sét. Đá đơn khoáng là đá có matrix chỉ bao gồm một loại khoáng vật (ví dụ nh− canxit, thạch anh ). Đá đa khoáng trong matrix bao gồm nhiều khoáng vật, ví dụ xi măng trong đá có thành phần và bản chất khác với các hạt vụn (cát thạch anh có xi măng gắn kết là canxit). Thành hệ sạch là thành hệ không chứa các hạt sét hay sét nén quá hàm l−ợng cho phép (< 5%). Giới hạn hàm l−ợng sét đó phân biệt tên thành hệ (Đá) là sạch hay cát sét. Các phụ lục 1.1a và 1.1b là tập hợp các đặc tr−ng vật lý (phóng xạ, điện trở, chỉ số hydro, mật độ khối, tốc độ sóng đàn hồi ) của một số khoáng vật chính th−ờng gặp trong đá trầm tích. Sét: Phân biệt sét nén, hạt sét xâm tán và bột sét. - Sét nén (shale). Sét nén hay đá phiến sét có cấu tạo phân phiến phát sinh trong các loại đá sét bị biến đổi d−ới tác dụng của áp suất. Trong đá cát sét, sét nén th−ờng có cấu tạo lớp mỏng, có chiều dày < 0,5 mm, song song cới mặt phân lớp. Thành phần khoáng vật của sét nén có tới 50% bột sét, 35% hạt sét hay hạt mịn mica và 15% là các khoáng vật tại sinh. - Sét xâm tán (clay) là các hạt mịn có đ−ờng kính không quá 1/256 mm, có nguồn gốc tại sinh hoặc thứ sinh, trộn lẫn hay bám trên các hạt khoáng vật tha sinh. - Bột sét (silt) là những mảnh đá hay những hạt có đ−ờng kính trong khoảng tử 1/256 - 1/16 mm, chứa nhiều hạt sét với hàm l−ợng cao và chứa thạch anh, felspat và các khoáng vật khác nh− mica, zircon, apatit, turmalin 8
Vậy là thuật ngữ sét trong phân tích địa vật lý giếng khoan có phần không hoàn toàn giống với các thuật ngữ th−ờng dùng trong địa chất. Trong địa vật lý thuật ngữ phiến sét (shale) để chỉ các lớp đá sét có trên 95% là hạt khoáng vật sét đ−ợc gắn kết nhờ nén ép, có cấu tạo phân phiến. Trong đá chứa cát sét, sét nén (shale) chỉ các lớp màng sét có chiều dày < 0,5 mm nằm xen kẹp trong các lớp cát. Sét nén là một dạng tồn tại của sét trong đá cát sét (sét phân lớp mỏng). Màng sét, hay sét xâm tán (clay) là các hạt sét có đ−ờng kính nhỏ hơn 1/256 mm, lấp đầy hay một phần lỗ rỗng của đá hoặc bám trên thành các khe lỗ rỗng nh− màng sét bọc lấy các hạt cứng. Dạng sét xâm tán làm thay đổi đặc điểm thấm chứa (độ rỗng, độ thấm) của đá mạnh hơn các dạng tồn tại khác của sét. Các khoáng vật sét Kích Khối Chỉ Nhóm th−ớc % K l−ợng số riêng H 0 Tên Công thức A (g/cm3) (%) Bảng 1.2. Đặc tr−ng của các khoáng vật sét Do khả năng hấp phụ của các hạt sét nên sét th−ờng ngậm các ôxit nhôm, mangan, sắt và các chất hữu cơ. Sét có đặc tính chịu uốn dẻo, đàn hồi và không thấm, có kiến trúc ô mạng. ớc các tinh thể sét sét thể các tinh ớc Các ô mạng tinh − thể của sét có chiều dày, Kích th phân bố không gian và ngậm hydro và n−ớc khác nhau tuỳ từng loại. Sét xâm tán ngậm hydro cao hơn sét nén. Hydro có trong: a) Các ion Khả năng hấp phụ của sét (méq./100g) hydroxit trong các phân Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc ô mạng của một số loại sét 9
tử khoáng vật sét; b) Trên bề mặt (lớp n−ớc màng) của hạt khoáng vật sét; c) N−ớc trong không gian giữa các màng tinh thể của sét. L−ợng n−ớc tự do trong sét thay đổi phụ thuộc độ nén ép lên các mạng tinh thể của sét. Các đặc điểm vừa nêu của sét nói lên rằng thành phần khoáng vật này trong đá có ảnh h−ởng rất mạnh mẽ lên các thông số vật lý đo đ−ợc trong giếng khoan. L−u chất Trong không gian rỗng giữa các hạt vụn của đá đ−ợc lấp đầy chất l−u (n−ớc, dầu, không khí, các khí tự nhiên ). Vậy có bao nhiêu l−u chất có trong đá tr−ớc hết phụ thuộc không gian rỗng trong đá, tức vào độ lỗ rỗng của đá (Hình 1.2). Kênh dẫn Nếu chất l−u chứa trong lỗ rỗng của đá là Hạt vụn n−ớc vỉa thì giữa matrix và n−ớc b∙o hoà có đặc tính dẫn điện hoàn toàn khác nhau. Th−ờng thì các Lỗ rỗng khoáng vật tạo đá trong matrix là những khoáng vật kém dẫn điện, trong khi đó n−ớc vỉa có độ khoáng hoá nhất định trở thành chất dẫn điện rất tốt. Trong môi tr−ờng lỗ rỗng có chứa n−ớc thì khả năng dẫn điện của môi tr−ờng đó phụ thuộc chủ yếu vào n−ớc và độ khoáng hoá của n−ớc. Dòng điện một chiều hay dòng điện tần số thấp chủ yếu Hình1.2. Độ rỗng giữa hạt của đi trong các kênh lỗ rỗng trong đá. đá clastic b∙o hoà chất l−u Đến đây ta thấy kiến trúc không gian lỗ rỗng có ảnh h−ởng lên khả năng dẫn điện của đá. Nếu các phần lỗ rỗng trong đá thông nối với nhau theo những kênh thẳng và rộng thì đá sẽ dẫn điện tốt, ng−ợc lại các kênh thông nối hẹp lại cong queo thì độ dẫn điện giảm. Sự khác nhau đó đ−ợc đánh giá bằng một tham số không thứ nguyên gọi là độ cong kênh rỗng. Độ cong kênh dẫn không chỉ ảnh h−ởng lên độ dẫn điện mà còn ảnh h−ởng lên độ thấm cơ học của đá - độ cong càng lớn thì độ thấm càng kém. Trong tr−ờng hợp chất l−u b∙o hoà trong không gian lỗ rỗng của đá không chỉ có n−ớc vỉa mà còn có hydrocacbon (dầu khí) là các chất không dẫn điện hoặc dẫn điện rất kém thì điện trở của đá tăng khi l−ợng n−ớc trong đá giảm, l−ợng hydrocacbon tăng. Trong tr−ờng hợp này, độ dẫn điện của đá là một hàm số của độ b∙o hoà n−ớc trong đá đó. 1.3. Đá chứa, các tham số vật lý của đá chứa Đá chứa ở đây là các đá (hay thành hệ) có lỗ rỗng và có khả năng chứa chất l−u (dầu, khí, n−ớc) trong không gian rỗng của đá. Các chất l−u nh− dầu khí chủ yếu là di chuyển từ nơi khác đến và lấp đầy trong lỗ rỗng của đá chứa. Đá chứa th−ờng là đá có độ rỗng và độ thấm cao nh− các đá cát, cacbonat và đá móng nứt nẻ. Đá chứa là cát kết hay cát sét kết, lỗ rỗng chủ yếu là lỗ rỗng giữa hạt (độ rỗng nguyên sinh) có vai trò quan trọng, còn độ rỗng thứ sinh, nh− khe nứt, rửa lũa gặm mòn là lỗ rỗng ít quan trọng hơn. 10
Đá chứa là cacbonat (đá vôi, dolomit) không gian rỗng quan trọng nhất là các khe nứt nẻ và lỗ gặm mòn hang hốc. Đá cacbonat là loại đá không chịu uốn, nên dễ bị nứt nẻ d−ới tác dụng của lực kiến tạo. Đá chứa là đá macma, nh− tr−ờng hợp của mỏ Bạch Hổ và một số mỏ khác ở bể Cửu Long, thì độ rỗng trong các khe nứt lại là quan trọng. Độ rỗng khe nứt trong đá macma (hay đá móng nh− vẫn quen gọi) có độ mở thông nối rất tốt nên mặc dù có giá trị độ rỗng thấp mà các thân dầu trong đá móng vẫn cho giá trị khai thác cao. Các khe nứt trong đá macma đ−ợc hình thành do tác dụng của lực kiến tạo, do bị co ngót khi nguội, và do phá huỷ phong hoá nếu lộ trên mặt đất. Độ thấm của đá chứa là một hàm số phức tạp phụ thuộc vào kiến trúc lỗ rỗng của đá, đặc điểm của chất l−u. Độ thấm của đá chứa cát sét phụ thuộc vào độ rỗng, độ hạt, hàm l−ợng sét Độ mở hay độ thông nối của kiểu lỗ rỗng khe nứt lớn hơn lỗ rỗng giữa hạt nên có cùng độ rỗng nh−ng độ thấm trong các tầng chứa là đá cacbonat và đá móng bao giờ cũng lớn hơn trong đá cát sét. 1.3.1. Độ rỗng Định nghĩa: Độ rỗng là tỉ phần không gian không đ−ợc lấp đầy chất rắn trong thể tích toàn phần của khối đá (hay cũng có thể phát biểu: Tỷ số thể tích của lỗ rỗng với thể tích của khối đá). Căn cứ vào những đặc điểm riêng ng−ời ta chia lỗ rỗng ra các loại: a) Độ rỗng toàn phần (Φt) hay độ rỗng chung là tỷ phần thể tích của tất cả không gian rỗng (giữa hạt, kênh thông nối, nứt nẻ, hang hốc, bọt ) cộng lại có trong đá. vt − vs v p Φ t = = (1.1) vt vt Trong đó: vp: Thể tích của mọi không gian trống trong đá (thông th−ờng trong vp có chứa dầu, n−ớc, khí) vs: Thể tích của vật liệu rắn vt: Thể tích toàn phần của khối đá. Độ rỗng toàn phần gồm 2 phần: Lỗ rỗng nguyên sinh (Φ1) và độ lỗ rỗng thứ sinh (Φ2). Độ lỗ rỗng Φ1 là lỗ rỗng giữa hạt hay giữa các tinh thể, nó phụ thuộc vào kiểu, kích th−ớc hạt và cách sắp xếp của các hạt trong pha cứng. Φ2 là phần lỗ rỗng đ−ợc tạo thành do các quá trình phát triển của đá, do các lực nén kiến tạo theo các chiều khác nhau, và còn do quá trình biến đổi của vật chất hữu cơ mà để lại các lỗ hổng. b) Độ lỗ rỗng thông nối hay lỗ rỗng hở (Φthn) đ−ợc tạo thành từ các phần lỗ trống có thông nối với nhau. Độ lỗ rỗng thông nối Φthn th−ờng nhỏ hơn lỗ rỗng toàn phần Φt bởi có nhiều tr−ờng hợp các bọt rỗng trong đá không thông nối đ−ợc với nhau. Chẳng hạn đá bọt có độ rỗng Φ1 vào cỡ 50%, nh−ng vì các bọt không có kênh thông nối với nhau nên Φthn = 0. 11
c) Độ lỗ rỗng tiềm năng (Φp) là phần lỗ rỗng hở có đ−ờng kính các kênh thông nối đủ lớn để cho dòng các chất l−u có thể đi qua dễ dàng (lớn hơn 50 àm đối với dầu, và 5 àm đối với khí). Độ lỗ rỗng tiềm năng (Φp) đôi khi có giá trị nhỏ hơn độ rỗng hở (Φthn). Ví dụ các lớp sét có độ rỗng hở rất cao từ 50 - 85% nh−ng hoàn toàn không có lỗ rỗng tiềm năng vì lẽ lỗ rỗng và kênh thông nối trong đá sét rất bé, sét lại có đặc điểm hấp phụ bề mặt cao nên độ thấm rất kém, các lớp sét có vai trò lớp màn chắn. d) Độ lỗ rỗng hiệu dụng (Φef) là thuật ngữ đ−ợc sử dụng trong phân tích tài liệu địa vật lý giếng khoan. Đây là phần lỗ rỗng chứa chất l−u tự do trong không gian của lỗ rỗng hở Φthn hoặc lỗ rỗng Φp, nghĩa là không tính đến phần thể tích của các lớp n−ớc bao, n−ớc hydrat sét (n−ớc hấp phụ trên bề mặt các hạt sét), n−ớc tàn d−. Chú ý: Độ rỗng, hay tỷ phần thể tích lỗ rỗng trong đá là đại l−ợng không thứ nguyên có thể biểu thị bằng phần trăm (ví dụ 30%), bằng số thập phân (0,3) hay đơn vị độ rỗng (30 pu). Các yếu tố địa chất hay môi tr−ờng trầm tích ảnh h−ởng lên độ rỗng của đá sẽ đ−ợc đề cập chi tiết ở phần sau của giáo trình này. 1.3.2. Điện trở suất và độ dẫn điện Điện trở suất (R) của vật chất là số đo đánh giá sự cản dòng điện đi qua chất đó. Điện trở suất đ−ợc đo bằng đơn vị Ohm.m2/m hay Ohm.m (Ωm). Một khối đá đồng nhất đẳng h−ớng có hình lập ph−ơng với kích th−ớc 1 mét có trở kháng 1Ω giữa hai mặt đối diện, sẽ có điện trở suất R = 1Ωm. Độ dẫn điện (C) là số đo thể hiện khả năng dẫn điện tích của vật chất. Đây là số nghịch đảo của điện trở suất và biểu thị bằng đơn vị millimho/m (mmho/m) hay mS/m (millisiemen/metre). 1 (mmho/m) = 1000/R (Ωm) = 1 mS/m Có hai kiểu dẫn điện là: - Dẫn điện điện tử: Là đặc tính dẫn điện của các chất rắn nh− graphit, các kim loại (đồng, bạc ), oxit kim loại (hematit), sunfua kim loại (pyrit, galenit ). - Dẫn điện ion (hay dẫn điện điện môi): Là đặc tính dẫn của các dung dịch, ví dụ n−ớc có hoà tan các muối. Các đá khô và không chứa các chất dẫn điện điện tử nêu trên thì có điện trở rất lớn đến mức gần nh− không dẫn điện. Đặc tính dẫn điện của đá trầm tích chủ yếu là dẫn điện ion vì trong đá trầm tích th−ờng xuyên có n−ớc và phân bố liên tục trong đá. Điện trở suất của đá phụ thuộc vào: - Điện trở suất của chất l−u trong lỗ rỗng. Điện trở này thay đổi theo bản chất, nồng độ muối hoà tan trong n−ớc và nhiệt độ. 12
- L−ợng n−ớc chứa trong đá, nghĩa là phụ thuộc vào độ rỗng và độ b∙o hoà n−ớc của đá. - Loại đá, ví nh− bản chất và sự tồn tại của sét, dấu hiệu của các kim loại dẫn điện. - Kiến trúc của đá: Phân bố lỗ rỗng, sét và các khoáng vật dẫn điện. - Nhiệt độ, đặc biệt là các đá có đặc tính dẫn điện ion. Đá, đặc biệt đá trầm tích, là môi tr−ờng không đẳng h−ớng về khả năng dẫn điện cũng nh− dẫn dòng thấm. Theo chiều phân lớp (dọc theo các mặt phân lớp), điện trở suất dọc (R//) th−ờng thấp hơn theo chiều vuông góc (R⊥). Đặc điểm đó của đá đ−ợc đánh giá bằng hệ số bất đẳng h−ớng λ: 1 2  R⊥  λ =   (1.2)  R//  Hệ số λ có thể thay đổi trong phạm vi 1,0 ≤ λ ≤ 2,5. Các phép đo điện trở trong giếng khoan bằng các thiết bị đo sâu khác nhau (laterolog, cảm ứng) th−ờng đo đ−ợc giá trị điện trở suất R: 1 2 R = ()R⊥ ì R// (1.3) Bất đẳng h−ớng trong phạm vi một vỉa đồng nhất đ−ợc xem là bất đẳng h−ớng vi mô; khi xét trong phạm vi một tập vỉa hay một đoạn lát cắt trầm tích thì gọi là bất đẳng h−ớng vĩ mô. Bất đẳng h−ớng vĩ mô sẽ ảnh h−ởng lên mọi giá trị đo của các thiết bị đo điện trở khác nhau. Bất đẳng h−ớng vi mô chỉ thể hiện trong sét và lớp vỏ sét ở thành giếng. ở thành giếng giá trị điện trở đo dọc theo trục giếng khoan thì nhỏ hơn khi đo theo h−ớng vuông góc với thành giếng. ảnh h−ởng đó thể hiện lên giá trị đo bằng hệ thiết bị MLL hoặc PML. Tóm lại khi gọi là điện trở suất thực (Rt) của thành hệ là điện trở phụ thuộc vào hàm l−ợng chất l−u và bản chất cũng nh− cấu hình của x−ơng đá. Quan hệ phụ thuộc giữa điện trở suất với độ khoáng hoá Ta có nhận xét rằng điện trở suất của một dung dịch thì phụ thuộc vào nồng độ và loại muối hoà tan. Hình 1.3 cho thấy quan hệ phụ thuộc giữa độ dẫn C với nồng độ muối hoà tan trong dung dịch tính bằng ppm. ở nồng độ thấp d−ới 100.000ppm, quan hệ này là đồng biến. Nh−ng khi nồng độ tiếp tục tăng lên thì đ−ờng biểu diễn quan hệ này của các muối khác nhau bắt đầu chuyển sang quan hệ nghịch biến với những giá trị nồng độ khác nhau. Hiện t−ợng 13
quan hệ phụ thuộc của độ dẫn vào nồng độ muối hoà tan là đồng biến ở nồng độ thấp và nghịch biến ở nồng độ cao đ−ợc giải thích là ở nồng độ b∙o hoà và quá b∙o hoà, các ion trong dung dịch mất dần hoạt tính và kém linh động, khả năng dẫn điện của dung dịch giảm. Các dung dịch muối trong nhóm halogen, KCl và NaCl là các dung dịch có hoạt tính dẫn điện mạnh hơn CaCl2 và MgCl2 và mạnh hơn nhóm sunfat (xem hình 1.3). Trong điều kiện tự nhiên muối NaCl vừa có hoạt tính mạnh vừa có hàm l−ợng lớn nên trong /m 2 nghiên cứu ng−ời ta th−ờng đ−a nồng độ các muối khoáng của dung dịch về nồng độ t−ơng đ−ơng muối NaCl. Quan hệ phụ thuộc của điện Độ dẫn mMho m trở với nhiệt độ Điện trở suất của dung dịch giảm khi nhiệt độ tăng. Bản chuẩn ở hình 1.4 đ−ợc dùng để chuyển đổi điện trở đo đ−ợc ở nhiệt độ thứ nhất Nồng độ ppm (T ) về điện trở ở nhiệt độ T bất kỳ. 1 2 Hình 1.3. Quan hệ giữa độ dẫn và nồng độ khoáng hoá. Nồng độ NaCl ộ t đ ệ Nhi Điện trở suất dung dịch (Ωm) Hình 1.4. Bản chuẩn quy đổi điện trở suất của dung dịch từ nhiệt độ T1 và nồng độ C1 về điện trở suất ở nhiệt độ T2 bất kỳ. 14
Cơ sở để xây dựng bản chuẩn ở hình 1.4 là công thức gần đúng của Arps:  T + 6,77  R = R  1  (1.4) WT2 WT1    T2 + 6,77  khi dùng thang đo °F, và T + 21,5 R = R 1 (1.5) WT2 WT1 T2 + 21,5 khi dùng thang đo °C. Trong đó R và R là điện trở suất dung dịch ở thiệt độ T và T . WT1 WT2 1 2 Điện trở suất của sét Ngoại trừ một số khoáng vật quặng hay vật liệu bán dẫn nh− graphit, pyrit, hematit và một vài khoáng vật khác, còn lại các khoáng vật khô hầu nh− không dẫn điện. Có một vài khoáng vật bề ngoài d−ờng nh− là vật dẫn điện ở thể rắn, sét là một thí dụ nh− thế. Theo Waxman và Smits (1968), vật liệu trầm tích sét bản thân nó giống nh− một thành hệ sạch có độ rỗng, độ cong kênh dẫn và chất l−u b∙o hoà ngoài n−ớc, d−ờng nh− dẫn điện tốt hơn ta t−ởng do bề mặt khối của nó (hình 1.5a). (a) (b) Hình 1.5. Độ dẫn C0 của đá cát sét phụ thuộc vào độ dẫn của n−ớc CW (a); Quan hệ giữa độ dẫn mặt và độ rỗng của các loại sét (b) Sét giống nh− màng rất mỏng nh−ng có diện tích bề mặt riêng rất lớn, tuỳ từng loại khoáng vật sét (1.5b). Có sự thiếu hụt điện tích d−ơng ở các màng sét. Điều này làm nảy sinh tr−ờng điện âm vuông góc với bề mặt màng sét, hút các ion d−ơng (Na+, K+, Ca2+ ) và đẩy các ion âm (Cl- ) có trong n−ớc. Kết quả của sự trao đổi trung hoà điện tích ấy sẽ hình thành dung tích hấp phụ cation, th−ờng ký hiệu bằng CEC (meq/g đá khô) hoặc QV 3 (meq/cm thể tích rỗng toàn phần). CEC quan hệ chặt chẽ với diện tích riêng Sq của sét 15
và phụ thuộc vào loại khoáng vật sét. Đại l−ợng này thấp nhất ở sét caolimit và cao nhất ở sét montmorilonit và vermiculit. Sét không chỉ gặp phổ biến ở các vỉa riêng biệt mà còn trộn lẫn trong các đá khác nh− cát kết, đá vôi. Khi đề cập tới sét trong đá ta có thể xem phần x−ơng đá là không dẫn điện. Thành phần sét sẽ đ−ợc tính đến trong tính toán dựa trên các phép đo điện trở (yếu tố thành hệ, độ lỗ rỗng, độ b∙o hoà ). ảnh h−ởng của sét sẽ phụ thuộc vào tỷ phần, tính chất vật lý và dạng hình tồn tại của sét trong đá. 1.4. Cấu kiến trúc của đá Các đá trong vỏ Quả đất đều có nguồn gốc và hoàn cảnh sinh thành riêng của mỗi loại. Nghiên cứu cấu trúc và kiến trúc của đá là một vấn đề hết sức có ý nghĩa trong thực tế, là mối quan tâm chung của các nhà địa chất và địa vật lý mỏ. Khái niệm về kiến trúc bao gồm các đặc tính về kích th−ớc, hình dáng, đặc tính bề mặt và số l−ợng t−ơng đối của các phần tử tạo nên đá. Còn cấu trúc của đá thì phản ánh các đặc điểm phân bố của các phần tử đó trong đá. Nói đến kiến trúc là nói đến bản thân các phần tử tạo nên đá, còn nói về cấu trúc là nói về sự phân bố và mối t−ơng quan giữa các phần tử tạo đá. 1.4.1. Yếu tố thành hệ - mối liên hệ giữa độ rỗng với điện trở suất Trong đá cát sạch chứa n−ớc có điện trở RW, khi đó điện trở suất của đá R0 tỷ lệ với điện trở RW: R0 = FRW (1.6) Trong đó hệ số tỷ lệ F có tên gọi là yếu tố thành hệ hay tham số độ rỗng: R F = 0 (1.7) RW Tham số F là hàm số của kiến trúc đá. Trong thực tế dòng điện đi qua môi tr−ờng lỗ rỗng theo các kênh thông nối từ các lỗ rỗng giữa hạt. Đ−ờng dẫn đó rất phức tạp, phụ thuộc vào kiến trúc của đá và cấu hình của hệ thống kênh dẫn nh− những mao quản xen chéo và cắt l nhau. Mức độ phức tạp của đ−ờng dẫn trong đá đ−ợc đánh giá bằng hệ số độ cong kênh dẫn, là tỷ số giữa chiều dài thực l của kênh dẫn trên chiều dài l của mẫu đá (hình 1.6). 0 l0 l Hình 1.6. Hệ số độ cong T = ≥1 Với một tập hợp lớn số đo của các mẫu đá l Archie (1942), cho thấy yếu tố thành hệ của đá 0 cát sét có quan hệ với độ rỗng Φ theo ph−ơng trình mang tên ông: 16
a F = (1.8) Φ m Với a là một hệ số có giá trị thay đổi 0,6 - 2,0 tuỳ từng loại đá; m là hệ số gắn kết, hay yếu tố độ cong mao quản, m thay đổi trong khoảng từ 1 đến 3, phụ thuộc vào loại trầm tích, kiểu dạng và đặc điểm phân bố của lỗ rỗng cũng nh− độ gắn kết xi măng 1 của đá. Đối với kiểu lỗ rỗng nứt nẻ ở dạng hẹp không kéo dài th−ờng lấy m = 1; F = Φ Các đá cát kết thạch anh có lỗ rỗng giữa hạt là chính. Công thức Humble th−ờng 0,62 đ−ợc dùng để đánh giá lỗ rỗng trong các tr−ờng hợp này: F = . Φ 2,15 1 Đối với các đá có độ gắn kết tốt, F = có vẻ thích hợp hơn. Các đá cacbonat Φ m 1 cấu tạo khối độ rỗng thấp th−ờng phù hợp với công thức Shell: F = với Φ m 0,019 m =1,87 + . Φ Bản chuẩn ở hình 1.7 thể hiện sự phụ thuộc của F vào độ rỗng Φ với các giá trị của hệ số a và m khác nhau. (%) (%) Φ ộ lỗ rỗng Đ Yếu tố thành hệ F Hình 1.7. Quan hệ phụ thuộc F với Φ (theo Schlumberger) 17
Việc đánh giá chính xác các tham số a và m th−ờng đ−ợc thực hiện nhờ một đồ thị dựng trên toạ độ vuông góc loga kép, của tỷ số R 0 (trục tung), và độ rỗng Φ (trục RW hoành), lấy từ số đo của phần cát sạch chứa n−ớc 100% của tầng sản phẩm (hình 1.8). Các giá trị độ rỗng lấy từ các số đo mẫu lõi hoặc từ số đo của ph−ơng pháp địa vật lý giếng khoan khác (ví dụ neutron - density). Trên hình vẽ đ−ờng đậm nét đi qua phía “tây nam” của tập hợp Hình 1.8. Đồ thị F với Φ dựng trên toạ độ các điểm hàm ý rằng đ−ờng vạch loga kép để xác định a và m. này là “đ−ờng n−ớc” của thành hệ (các điểm trên đ−ờng này không có liên quan đến dầu). Trên đồ thị với các giá trị F1 và F2 ta có thể tìm đ−ợc các giá trị Φ1 và Φ2 t−ơng ứng. Từ 2 cặp số (Φ1, F1) và (Φ2, F2), R0 a dựa vào (1.8) = F = m có thể xác định các giá trị m và a nh− sau: RW Φ log F − log F m = 1 2 (1.9) log Φ 2 − log Φ1 m m và a = F1Φ1 = F2Φ 2 (1.10) Vậy ta có thể thấy rằng các số đo R0 (bằng các phép đo sau: LLd, lLd) hay Rx0 (bằng các vi hệ điện cực) có thể đ−ợc dùng để tính độ lỗ rỗng Φ nếu biết a và m (dĩ nhiên khi dùng Rx0 thay cho R0 thì cũng phải dùng Rmf thay cho RW trong các biểu thức tính). Chú ý: Trong tr−ờng hợp vừa xét điện trở suất chỉ phụ thuộc vào độ rỗng có thông nối Φthn hay độ rỗng hở. 1.4.2. Quan hệ giữa độ b∙o hoà và điện trở suất - Công thức Archie Độ b∙o hoà của một chất l−u nào đó trong đá chứa đ−ợc định nghĩa bằng tỷ số thể tích lỗ rỗng mà chất đó chiếm so với thể tích độ rỗng toàn phần của đá. Nếu chất l−u là n−ớc vỉa thì đó là độ b∙o hoà n−ớc SW và tính bằng: VW SW = (1.11) V p 18
Tr−ờng hợp trong lỗ rỗng không có các chất l−u khác, VW = Vp, thì SW = 1,0; khi đó đá chứa gọi là đá chứa n−ớc, tầng chứa n−ớc (aquifer). Nếu trong lỗ rỗng có cả các thành phần chất l−u khác, nh− hydrocacbon (Vhy) thì VW = Vp - Vhy, nên: VW V p − Vhy SW = = (1.12) V p V p Chú ý: Cũng nh− độ rỗng, độ b∙o hoà là đại l−ợng không thứ nguyên, có thể biểu thị độ b∙o hoà bằng phần trăm (%), bằng số thập phân 0 ≤ SW ≤ 1,0. Trên thế giới có nhiều phòng thí nghiệm thực hiện các phép đo và chỉ ra rằng SW có quan hệ với điện trở suất theo ph−ơng trình có dạng: n R0 SW = (1.13) Rt Trong đó: R0 là điện trở của đá có độ rỗng hiệu dụng Φef, chứa b∙o hoà 100% n−ớc có điện trở RW. Rt là điện trở suất thực của chính đá đó có b∙o hoà cả n−ớc và hydrocacbon (b∙o hoà n−ớc SW, b∙o hoà hydrocacbon Sh = 1 - SW) n là số mũ b∙o hoà, đ−ợc xác định bằng thực nghiệm và thay đổi trong phạm vi 1,2 ữ 2,2. R Tỷ số t có tên gọi khác nhau: chỉ số tăng điện trở, tham số b∙o hoà; ký hiệu I, R0 hoặc RI. Chỉ số I = 1 khi SW = 1,0 và lớn hơn 1 khi có hydrocacbon xuất hiện trong lỗ rỗng của đá chứa. Hình 1.9 mô tả ph−ơng pháp xác định số mũ n theo các số đo trong phòng thí nghiệm. Trên toạ độ loga kép mỗi điểm là toạ độ của cặp số (I; SW). Đ−ờng vạch đậm nét là đ−ờng hồi quy tuyến tính đặc tr−ng cho tập các giá trị I I và SW. (I ≥ 1; 0 ≤ SW ≤ 1). Từ đ−ờng hồi quy ta có thể viết: Hình 1.9. Đồ thị xác định số mũ n theo SW và I  1  n log SW = log  = − log I (1.14)  I  19
 1   1  Vậy log SW = −  log I và −   là hệ số góc của đ−ờng biểu diễn.  n   n  Từ đó có thể tính: log I n = − (1.15) log SW Trong tr−ờng hợp chung, với gần đúng bậc 1, n lấy bằng 2. Nếu theo (1.6) ta thay R0 = FRW thì: FRW Rt = n (1.16) SW Ph−ơng trình (1.16) gọi là ph−ơng trình Archie thứ hai cho tr−ờng hợp đá sạch. Hydrocacbon không bao giờ b∙o hoà 100% trong đá chứa vì th−ờng chúng di dời từ nơi khác đến. Khi hydrocacbon đẩy n−ớc để choán chỗ trong lỗ rỗng của đá chứa thì n−ớc luôn luôn còn sót lại do lực mao dẫn. N−ớc l−u lại trong vỉa dầu tạo nên độ b∙o hoà n−ớc d− S . Giá trị S phụ thuộc vào loại lỗ rỗng, kích th−ớc kênh rỗng, Wir Wir tính chất của hạt đá, một số chất rắn sót lại trong n−ớc cũng ảnh h−ởng lớn đến hiện t−ợng này. Dầu khí đ∙ b∙o hoà trong đá chứa thì cũng có đặc điểm là dầu bám vào thành lỗ rỗng với lực bám khá bền vững. I.4.3. ảnh h−ởng của độ sét lên giá trị điện trở suất và độ b∙o hoà của đá Khi có thành phần sét trong đá là thêm yếu tố dẫn điện trong đá đó và vì vậy sét có ảnh h−ởng đến số đo điện trở. Chẳng hạn có hai mẫu đá, một là đá sạch, mẫu kia là có sét, và chúng b∙o hoà cùng thứ n−ớc trong lỗ rỗng. Điện trở suất của các mẫu đá này lại hoàn toàn khác nhau. Điện trở suất của đá sét phụ thuộc vào loại sét, hàm l−ợng và kiểu phân bố của sét. Trong phân tích địa vật lý ng−ời ta chú ý đến ba kiểu phân bố Cát sạch Sét phân lớp Sét cấu trúc Sét phân tán của sét trong đá nh− hình vẽ 1.10. Mỗi kiểu phân bố của sét đều có ảnh h−ởng lên điện trở suất, thể tự phân cực và tốc độ sóng siêu âm, làm thay đổi độ thấm, độ b∙o hoà của tầng chứa theo cách khác nhau. a) Sét phân lớp: Đây là các lớp mỏng hay màng sét kẹp giữa Hình 1.10. Các kiểu phân bố khác nhau của sét các lớp của tập đá chứa (cát, vôi ) trong đá chứa nh− hình 1.11. 20
Bởi vậy trong tr−ờng hợp này sét không làm thay đổi độ rỗng hiệu dụng, độ b∙o hoà hay độ thấm trong vỉa chứa, nó không tạo ra những bờ chắn thấm theo chiều dọc mặt phân lớp. Cố nhiên theo chiều vuông góc với bề mặt vỉa chứa thì sét phân lớp làm triệt tiêu khả năng thấm theo chiều thẳng đứng của tầng. Nói cách khác các lớp sét mỏng ngăn đ−ờng thấm giữa các lớp cát có lỗ rỗng ở bên trên và d−ới chúng. Hình 1.11. Sơ đồ phân bố của sét Về mặt dẫn điện, sét phân lớp tạo phân lớp trong tập vỉa cát sét ra một hệ thống các đ−ờng dẫn song song với các lớp có độ dẫn lớn hoặc nhỏ hơn. Vận dụng mô hình đ−ờng dẫn song song ta có thể viết ph−ơng trình tính điện trở Rt của tập vỉa cát sét: 1 V 1− V = sh + sh (1.17) Rt Rsh Rsd Trong đó: Vsh và Rsh là tỷ phần sét trong tập vỉa (hình 1.11) và điện trở suất của sét Rsd là điện trở suất của cát sạch và có quan hệ với các tham số khác trong tập nh− sau: Fsd RW Rsd = 2 (1.18) SW Với Fsd là yếu tố thành hệ của cát sạch. Thay (1.18) vào (1.17) ta có: 1 V (1 −V )S 2 = sh + sh W (1.19) Rt Rsh Fsd RW Từ đó: 1  1 V  F R  2  sh  sd W SW =  −   (1.20)  Rt Rsh  1 −Vsh  b) Sét xâm tán: ở dạng xâm tán sét bám phủ trên bề mặt các hạt đá tạo thành lớp màng bao và lấp nhét một phần kênh thông nối giữa các nang rỗng. Sét xâm tán làm thay đổi các tính chất vật lý của đá nhiều hơn là sét phân lớp. Độ thấm rõ ràng giảm đi nhiều nhất, vì sét xâm tán làm bít các kênh thông nối trong hệ thống lỗ rỗng, 21
chất l−u khó l−u thông trong hệ đó hơn là tr−ờng hợp sét phân lớp. Mặt khác sét tr−ơng nở ngậm nhiều n−ớc, n−ớc bám vào các hạt sét bằng lực lớn hơn khi bám vào hạt thạch anh. Các yếu tố đó dẫn đến trong vỉa đá có sét xâm tán thì độ b∙o hoà n−ớc lớn hơn, nh−ng n−ớc linh động (n−ớc tự do) lại ít đi thành thử độ thấm giảm nhiều. Về khả năng dẫn điên, ở đá có sét xâm tán cơ chế dẫn hỗn hợp của các đ−ờng dẫn hợp bởi n−ớc lỗ rỗng và sét xâm tán. De Witte (1950) đ∙ đề xuất một phép gần đúng cho hỗn hợp n−ớc - sét theo chất điện giải đơn để tính điện trở Rt, từ các điện trở Rcl và RW của sét xâm tán và n−ớc vỉa:  q   SWZ − q      1  S Z   S Z  1  q S Z − q  = + =  −  (1.21) Rt Rcl RW S Z  Rcl RW  Trong đó: q là phần lỗ rỗng Φt chứa sét xâm tán Rcl là điện trở suất của sét xâm tán SZ là phần lỗ rỗng Φt chứa hỗn hợp n−ớc sét. SZ = SW (1 - q) + q (1.22) q là tỷ phần của sét xâm tán trong hỗn hợp n−ớc + sét S Z S − q Z là tỷ phần n−ớc trong hỗn hợp nói trên S Z a FZ = m là yếu tố thành hệ t−ơng ứng với mô hình cát sét xâm tán. Ph−ơng Φ 2 trình Archie khi đó có dạng: FZ RZ Rt = 2 (1.23) S Z Từ các biểu thức cuối cùng ta có: 2 1 S Z 1  q S Z − q  = .  +  (1.24) Rt F2 S Z  Rcl RW  Từ (1.22) và (1.23) ta tính Rt, rồi tính SW: 22
1 2  aR  q(R − R )  q(R + R ) 2  W +  cl W  − cl W  2   Φ Z Rt  2Rcl  2Rcl  S =   (1.25) W 1 − q Điện trở suất Rcl của sét xâm tán th−ờng đ−ợc lấy bằng 0,4Rsh (Rsh là điện trở suất của vỉa sét nén bênh cạnh). Nếu Rsh >> RW thì một số số hạng trong (1.25) trở nên nhỏ đơn giản, nên sẽ có dạng: 1  aR q 2 q  2  W + −   Φ 2 R 4 2  S =  Z t  (1.26) W 1− q Φz tính theo độ rỗng của ph−ơng pháp siêu âm; q xác định theo: Φ − Φ q = S D (1.27) Φ S Độ rỗng ΦS chỉ độ rỗng chung bao gồm phần chứa n−ớc hay sét, trong khi đó ΦD chỉ độ rỗng hiệu dụng (gộp phần mật độ sét ngậm n−ớc nh− chính mật độ của hạt cát sạch). c) Sét cấu trúc: Sét cấu trúc là các hạt hay phiến sét cấu thành một phần của pha cứng nh− những hạt thạch anh hoặc các khoáng vật khác. Loại hình tồn tại của loại sét này có nhiều đặc tính giống với sét phân lớp vì chúng cùng phụ thuộc vào độ nén ép nh− nhau. Tuy nhiên các ảnh h−ởng của chúng lên độ thấm và điện trở suất thì ít hơn nhiều so với sét xâm tán, mặc dù chúng là một phần của sét trong đá. Sét phân lớp và sét cấu trúc có cùng một nguồn gốc lắng đọng, trong khi đó sét xâm tán lại rất khác nhau về thành phần khoáng vật (fieldspar ) hoặc điều kiện lắng đọng. Tất cả ba kiểu tồn tại của sét có thể đồng thời có trong thành hệ cát sét. Không có loại đá chỉ có sét phân lớp mà không có sét xâm tán hay sét cấu trúc, cũng không có tr−ờng hợp chỉ có sét xâm tán mà không có loại hình sét khác. Điều đó cũng giống nh− trong các đá trầm tích lục nguyên không có đá là cát sạch và cũng không tồn tại một lớp đá thuần sét không có cát. Vậy ta phải hiểu rằng khi nói lớp đá cát thì đó là đá có nhiều cát, ít sét, cũng nh− khi nói đến lớp sét ta hiểu rằng thành phần khoáng vật chính của lớp đó là sét, ít cát. 1.5. Độ thấm Đá thấm là đá có độ lỗ rỗng mở. Độ thấm của đá là khả năng cho chất l−u có độ nhớt nhất định đi qua đá đó d−ới một đơn vị gradien áp lực. Độ thấm tuyệt đối k biểu thị dòng chất l−u đồng nhất không có những tác động hoá học với đá ở pha cứng đ−ợc biểu thị theo định luật Darcy nh− sau: 23
S Q = k. ( p − p ) (1.28) àh 1 2 Trong đó: Q: L−u l−ợng (cm3/s) à: Độ nhớt của chất l−u (cp) S: Diện tích tiết diện ngang (cm2) h: Chiều dài tính bằng cm của phần môi tr−ờng qua đó có dòng thấm đi theo ph−ơng thấm p1, p2: áp suất (atmosphere) ở hai mặt phẳng chắn vuông góc với dòng thấm ở đầu và cuối dòng k: Độ thấm tuyệt đối tính bằng Darcy. a) Quan hệ giữa độ thấm và độ rỗng Ch−a tìm đ−ợc một quan hệ chung về mặt toán học giữa độ thấm và độ rỗng để dùng cho mọi tr−ờng hợp. Đối với các đá hạt vụn chiều h−ớng quan hệ giữa hai tham số này đ−ợc thể hiện trong hình 1.12 và 1.13. Tuy vậy trong thực tế có tr−ờng hợp độ rỗng rất cao nh−ng độ thấm lại rất kém. Có thể lấy thí dụ tr−ờng hợp của đá bọt và đá sét. Tr−ờng hợp các đá bọt có độ rỗng rất cao nh−ng độ thấm bằng không vì các bọt rỗng trong đá không có kênh thông nối với nhau; tr−ờng hợp của đá sét thì do lực ma sát bề mặt của dung dịch thấm với mạng tinh thể sét là rất lớn. Cả hai tr−ờng hợp vừa nêu có thể độ rỗng của đá tới 80%, nh−ng độ thấm thì gần triệt tiêu. Điều đó cho thấy rằng giá trị độ rỗng không quyết định cho khả năng thấm của đá mà kiến trúc lỗ rỗng mới là quan trọng. b) Hiện t−ợng mao dẫn trên bề mặt tiếp xúc giữa n−ớc và đá Lỗ rỗng hay thông nối với nhau qua các đ−ờng ống có đ−ờng kính r cỡ d−ới 1àm. Trên thành các ống đó xảy ra hiện t−ợng kéo n−ớc thấm dâng lên tới chiều cao h tạo ra một áp lực Pe gọi là áp lực mao dẫn (hình 1.14). Ph−ơng trình Laplace biểu thị quá trình trên nh− sau: 2T cosθ P = (1.29) e r Trong đó: 2 Pe là áp lực mao dẫn (dyn/cm ) T là sức căng trên bề mặt tiếp xúc giữa n−ớc với thuỷ tinh (dyn/cm) θ là góc tiếp giáp giữa mặt cong với thành ống (độ) r là bán kính ống (cm) 24
Có thể tính (1.29) t−ơng đ−ơng nh− sau: 2T cosθ P = = hρg (1.30) e r với h là chiều cao cột n−ớc (cm); ρ là mật độ của n−ớc (g/cm3); g là gia tốc trọng lực (cm/s2) ộ thấm K (md) Đ Độ rỗng Φ (%) Hình 1.12. Quan hệ giữa độ thấm và độ rỗng của các đá cát sét có độ hạt khác nhau (%) Φ ộ rỗng rỗng ộ Đ K r (àm) Hình 1.13. Quan hệ giữa độ thấm, độ rỗng và bán kính rỗng 25
Từ (1.30): 2T cosθ h = (1.31) rρg Ph−ơng trình (1.31) là ph−ơng trình chiều cao cột n−ớc theo định luật Jurin. Từ (1.31) ta thấy ngay là khi bán kính ống mao dẫn càng nhỏ thì chiều cao dâng cột n−ớc càng lớn. Đối với n−ớc trong ống thuỷ tinh, ví dụ T = 73 dyn/cm ở 20°C và θ = 0°; nếu r = 1mm thì Hình 1.14. Hiện t−ợng hình thành h = 1,5cm, và nếu r = 1àm thì h = 15m. áp lực mao dẫn áp lực mao dẫn trong đá cát phụ thuộc vào độ hạt của đá, và thay đổi trong khoảng 3000 dyn/cm2, đối với cát hạt thô, và 60000 dyn/cm2 đối với cát hạt rất mịn. c) Độ thấm hiệu dụng và độ thấm t−ơng đối Trong phần lớn các đá chứa là đá trầm tích, thoạt đầu chúng b∙o hoà n−ớc, khi dầu di c− từ nơi khác tới thì dầu sẽ lấn dần choán chỗ thay n−ớc trong lỗ rỗng. Sự lấn dần đó chỉ xảy ra khi lực đẩy n−ớc của dầu trên bề mặt tiếp xúc dầu - n−ớc lớn hơn lực mao dẫn giữa n−ớc với đá. Với các đá có độ hạt càng mịn, đ−ờng kính kênh dẫn càng nhỏ, lực mao dẫn càng lớn thì dầu không thể đẩy đ−ợc n−ớc khỏi không gian lỗ rỗng. Trong tr−ờng hợp đó đá sẽ không thấm dầu. Vì vậy một cách t−ơng đối (phụ thuộc áp lực) đá có thể chỉ thấm n−ớc, không thấm dầu và có tr−ờng hợp đá có thể thấm cả hai l−u chất dầu n−ớc. Nếu trong hệ thấm chỉ có một trong hai chất l−u kể trên thì dòng thấm sẽ phù hợp với định luật Darcy (1.28). Tr−ờng hợp tồn tại cả hai, hoặc nhiều hơn số chất l−u trong hệ thì hoạt động động học của các pha thành phần đó sẽ không đơn giản nh− vậy. Ví dụ trong hệ thấm có cả dầu lẫn n−ớc, độ thấm hiệu dụng tính cho mỗi thành phần đó sẽ là: - Đối với pha dầu: Q à h k = 0 0 (1.32) 0 ∆PS - Đối với pha n−ớc: Q à h k = W W (1.33) W ∆PS Trong đó: Q0 và QW là l−u l−ợng thấm của dầu và n−ớc à0 và àW là độ nhớt của dầu và của n−ớc 26
∆P là áp lực thấm h và S có ý nghĩa nh− ở (1.28) Trong thực tế, th−ờng gặp đồng thời cả hai pha dầu và n−ớc, khi đó kt = k0 + kW sẽ nhỏ hơn độ thấm tuyệt đối k, và đ−ơng nhiên Qt = Q0 + QW cũng nhỏ hơn l−u l−ợng thấm của dòng đơn pha. Điều đó có nghĩa là hai pha cản trở lẫn nhau khi thấm qua môi tr−ờng lỗ rỗng. Có một cách đánh giá hiện t−ợng này theo định nghĩa của độ thấm t−ơng đối: Độ thấm t−ơng đối là tỷ số của độ thấm hiệu dụng của đá đối với một pha chia cho độ thấm tuyệt đối, và biến thiên theo giá trị độ b∙o hoà của pha đó. k k = 0 là độ thấm t−ơng đối của dầu (1.34) ro k k k = W là độ thấm t−ơng đối của n−ớc (1.35) rw k Trên hình 1.15 ta thấy độ thấm t−ơng đối của dầu (kro) ở giá trị b∙o hòa n−ớc d− (SWir) nhỏ hơn 1,0 và nó tiếp tục giảm khi độ b∙o hoà n−ớc (SW) tăng, nh−ng cuối cùng tiến tới không khi SW có giá trị tới hạn, t−ơng ơng đối − đ−ơng với giá trị b∙o hoà dầu dính (Sor). Độ thấm t−ơng đối của n−ớc tiến tới không ngay ở giá trị b∙o hoà n−ớc d− (SWir) Độ thấm Độ thấm t và tăng theo độ b∙o hoà n−ớc SW. Ta có nhận xét trong đá cát sét, độ b∙o hoà n−ớc d− th−ờng lớn hơn độ b∙o hoà dầu dính. ở vùng Độ bão hoà b∙o hoà chuyển tiếp SW ≤ SWir chỉ có dòng dầu thấm, ng−ợc lại ở vùng S0 < Sor chỉ có Hình 1.15. Độ thấm t−ơng đối phụ dòng n−ớc thấm. Trong thực tế ta hay gặp kro thuộc độ b∙o hoà = krw ở giá trị độ b∙o hoà SW = 60%. Trong lĩnh vực này có nhiều công trình đề xuất các ph−ơng trình thực nghiệm chỉ quan hệ giữa kro, krw với SW, SWir và Sor. Một số trong các ph−ơng trình đó nh− sau: 3 SW − SW  k =  ir  (1.36) rw 1 − S  Wir  3 S 0 k ro = (1.37) ()1 − S 3 Wir 3 S g k rg = (1.38) ()1 − S 3 Wir 27
Nếu giếng khai thác là hoàn toàn ở vào vùng chuyển tiếp, ở đó tầng chứa giảm hẳn độ b∙o hòa n−ớc, tới khi krw = 0 thì n−ớc không còn thấm vào giếng. Nếu sự hoàn tất giếng đ∙ thấy ở vùng chuyển tiếp thì phần n−ớc trong dòng khai thác xem nh− bị loại trừ. Khi đó có thể tính nh− sau: k0 (∆P)S L−u l−ợng dòng dầu Q0 = (1.39) à 0l k (∆P)S L−u l−ợng dòng n−ớc Q = W (1.40) W l Và khi đó tỷ số n−ớc/dầu sẽ là:  kW  à 0  WOR =    (1.41)  k0  àW  k Tỷ số W là đại l−ợng có thể đ−ợc lấy từ tỷ số độ thấm t−ơng đối, hoặc tính từ k 0 giá trị liên kết rộng. Thành phần n−ớc trong dòng khai thác từ giếng sẽ là: Q WC = W (1.42) QW + Q0 hoặc WOR WC = (1.43) 1+ WOR d) Mối quan hệ giữa độ thấm và độ b∙o hoà Đ∙ có nhiều công trình nghiên cứu tìm quan hệ giữa độ thấm tuyệt đối của đá lục nguyên theo tài liệu đo địa vật lý giếng khoan. Các tính toán này gồm hai loại: một là ứng dụng ở gần vùng chuyển tiếp, và một cho chính vùng chuyển tiếp. Một vài công thức thực nghiệm dùng cho vùng chuyển tiếp: Theo Timur (1968) k = 0,136Φ 4,4 S −2 (1.44) Wir Theo Wyllie và Rose (1950) - Đối với dầu Φ 3 k = 250 (1.45) S 2 Wir - Đối với khí 28
Φ 3 k = 79 (1.46) S 2 Wir Theo Raymer và Freeman - Đối với dầu 2  122  k = Φ  (1.47)  h(ρW − ρ 0 )  - Đối với khí 2  140  k = Φ  (1.48)    h(ρW − ρ g )  Trong đó: SWir - Độ b∙o hoà n−ớc d− Φ - Độ rỗng h - Chiều cao từ mực n−ớc tự do đến nóc vùng chuyển tiếp (feet) ρW - Mật độ (tỷ trọng) của n−ớc ρ0 và ρg - Mật độ của dầu và khí Hình 1.16 là đồ thị Đối với khí biểu diễn sự phụ thuộc Độ thấm (K) của độ b∙o hoà n−ớc d− Đối với dầu SWir vào độ lỗ rỗng hiệu dụng với các giá trị độ (%) thấm cho tr−ớc, tính theo wi S các công thức của Wyllie − và Rose (1.45) và (1.46). ớc d Các đồ thị này trở thành − bản chuẩn để tính độ thấm dầu và khí của đá trầm tích khi giá trị SWir đ−ợc n hoà ộ bão xác định từ các phép đo Đ mẫu lõi hay đo điện trở. Độ rỗng Φ đ−ợc xác định từ các kết quả đo siêu âm Độ lỗ rỗng Φ (%) Hình 1.16. Quan hệ phụ thuộc giữa độ lỗ rỗng (Φ), độ b∙o ΦS và đo mật độ ΦD. hoà n−ớc d− (SWir) và độ thấm K 29
Ch−ơng 2 Nguyên lý chung trong địa vật lý giếng khoan 2.1. Các ph−ơng pháp khảo sát 2.1.1. Hệ thiết bị đo (hệ quan sát) Cũng nh− các hệ đo ghi của các ph−ơng pháp địa vật lý trên mặt, mỗi ph−ơng pháp địa vật lý trong giếng khoan đ−ợc thực hiện nhờ một hệ thống thiết bị đo ghi. Hệ đo ghi này có hai phần chính là máy giếng và trạm. Hai phần này làm việc đồng bộ với nhau nhờ có cáp nối giữa chúng. Máy giếng, hay còn gọi là Zond (tool) là phần máy thả vào giếng khoan ở chiều sâu đo. Máy giếng có chức năng phát tín hiệu và thu tín hiệu rồi điều biến chúng để truyền lên trạm ở mặt đất qua cáp chuyên dụng của địa vật lý. Trạm là phần máy lắp đặt trên mặt đất có cấu hình gọn nhẹ gồm các khối chức năng và máy tính chuyên dụng đảm trách nhiều chức năng khác nhau, từ cung cấp nguồn dòng cho máy giếng làm việc, tạo tín hiệu kích thích môi tr−ờng đo, thu nhận các tín hiệu từ máy giếng khuếch đại chúng, giải điều biến và cuối cùng là đo ghi các tín hiệu cần thiết. Ngoài các chức năng đó trạm còn có chức năng xử lý phân tích nhanh các kết quả đo để kịp thời xây dựng lát cắt địa chất thành giếng khoan, phát hiện các tầng sản phẩm, dự báo các sự cố kỹ thuật và dị th−ờng áp suất Cáp là loại cáp chuyên dụng, có vai trò của các kênh dẫn thông tin từ trạm đến máy giếng và ng−ợc lại. Cáp có thể gồm một hoặc nhiều kênh dẫn (nhiều ruột), cáp đ−ợc quấn trên một tang tời dùng động cơ mỗi khi kéo thả. (Hình 2.1) Các khối kiểm tra và tính toán Tời cáp Đo sâu Cáp Bàn Rotor Hình 2.1. Sơ đồ lắp đặt máy móc thiết bị đo giếng khoan 30
Trạm và tời cáp th−ờng đ−ợc lắp đặt trên một xe tải có mui kín. Đối với các giếng khoan sâu, để tiết kiệm thời gian, cùng một lúc ng−ời ta tiến hành đo nhiều ph−ơng pháp. Khi đó phần máy giếng bao gồm nhiều Zond đ−ợc nối ghép hợp lý để cùng tiến hành đo trong một lần kéo cáp. Để tiến hành một dịch vụ đo giếng khoan bằng các ph−ơng pháp địa vật lý, hệ thiết bị đo cần có tối thiểu các phần nh− sau: - Cáp chuyên dụng địa vật lý giếng khoan - Tời cáp, có vận hành bằng động cơ để thả và kéo cáp từ giếng - Máy phát dòng điện xoay chiều 120 volt, có công suất đủ dùng cho công việc - Các khối chức năng và khối (panen) kiểm tra trên mặt - Các Zond (máy giếng) thả vào giếng khoan - Máy đo ghi tín hiệu (ghi t−ơng tự hoặc ghi số) Cáp Các cáp dùng trong địa vật lý giếng khoan có hai loại: cáp một ruột và cáp nhiều ruột. Mỗi ruột cáp là dây dẫn kim loại đ−ợc bọc cách điện tốt. Điện trở cách điện giữa ruột và vỏ cáp khi ngâm trong n−ớc tối thiểu là 2,5 MΩ. Ruột cáp là những kênh dẫn để truyền tín hiệu điện từ mặt đất đến máy giếng và ng−ợc lại. Vỏ cáp là phần đ−ợc bện từ hai lớp sợi thép để vừa chịu lực khi thả kéo máy giếng nặng hàng trăm kilogram, vừa bảo vệ các ruột cáp khỏi bị mài mòn vì ma sát với thành giếng. ở gần cuối nơi tiếp nối giữa cáp với máy giếng, ng−ời ta th−ờng tạo một điểm xung yếu về độ bền của cáp đề phòng khi máy giếng bị kẹt thì cáp sẽ bị đứt tại đây và giữ cho các phần khác của hệ đo an toàn. Máy giếng Zond (tool) thuật ngữ này chỉ máy giếng để đo một ph−ơng pháp nhất định. Vì các ph−ơng pháp địa vật lý khác nhau sẽ sử dụng các Zond (máy giếng) khác nhau cho nên đôi khi thuật ngữ Zond (hay tool) cũng dùng để chỉ ph−ơng pháp cụ thể, lúc đó nó có ý nghĩa nh− là “log”. Chẳng hạn trong tiếng Anh hay dùng sonic tool, electrical tool có nghĩa nh− sonic log, electrical log là để chỉ ph−ơng pháp đo siêu âm hay ph−ơng pháp điện trở trong giếng khoan. Máy giếng có cấu trúc của một ống thép trụ tròn đ−ờng kính 3-5 inches, chiều dài thay đổi tuỳ từng phép đo, có khi tới 35 feet, trong đó lắp đặt các cảm biến, điện cực và các sơ đồ mạch điện tử t−ơng ứng với mỗi phép đo nhất định. Các máy giếng hiện nay phần lớn đều sử dụng kỹ thuật điều biến để kết hợp nhiều phép đo đồng thời, nghĩa là cùng một lúc truyền tín hiệu khác nhau theo cùng một kênh dẫn. Nhờ kỹ thuật này, về nguyên tắc ta có thể nâng số ph−ơng pháp đo trong cùng một lần kéo cáp tới con số hàng chục, nh−ng khó khăn lại xuất hiện ở khía cạnh khác, đó là lúc bấy giờ chiều dài của máy giếng quá lớn, không thích hợp cho việc thao tác tại giàn khoan. Khi máy giếng là tập hợp của nhiều Zond đo để đo đồng thời nhiều ph−ơng pháp thì mỗi ph−ơng pháp sẽ có chỉ thị chiều sâu điểm đo khác nhau. Muốn đ−a các 31
kết quả đo ghi về đúng chiều sâu thực trong giếng khoan thì căn cứ vào khoảng trễ của mỗi Zond máy ghi sẽ tự động đ−a giá trị đo về chiều sâu thực. Hình 2.2 và 2.3 sau đây mô tả máy giếng kết hợp nhiều phép đo và các đ−ờng cong đo ghi ở một đoạn giếng không bù trễ, ch−a chuẩn hoá (bên trái) và có bù trễ, đ∙ chuẩn hoá (bên phải). Đầu Zond Tr−ớc chuẩn hoá Thạch học Sau chuẩn hoá Sét Cát B Sét Điểm đo “C” Số đo đầu tiên Điểm đo “B” Cát A Số đo Khoảng bù đầu tiên của “C” về “A” Khoảng bù của “B” về “A” Sét Điểm đo “A” Số đo Khoảng cách từ đầu tiên đáy Zond đến số đọc đầu tiên Hình 2.2. Các điểm đo và Hình 2.3. Các đ−ờng cong đo khoảng bù chuẩn hoá ghi tr−ớc và sau chuẩn hoá 2.1.2 Phân loại các phép đo trong giếng khoan Các phép đo địa vật lý trong giếng khoan đ−ợc phân làm hai nhóm chính. Nhóm thứ nhất nghiên cứi các hiện t−ợng tự nhiên hay tự sinh (các tr−ờng vật lý tự nhiên), nhóm thứ hai nghiên cứu các hiện t−ợng kích thích cảm ứng (các tr−ờng vật lý nhân tạo). a) Tr−ờng tự nhiên gồm có - C−ờng độ bức xạ gamma tự nhiên, phép đo đ−ợc thực hiện hoặc đo tốc độ đếm tia gamma toàn phần (gamma tổng) hoặc đo tốc độ đếm đối với các tia gamma có năng l−ợng chọn tr−ớc. Tr−ờng hợp đo gamma tổng gọi là đo gamma ray, một ph−ơng pháp thông dụng (GR); tr−ờng hợp đo theo phổ năng l−ợng t−ơng ứng với phần lớn tia gamma phát xạ do phân ra từ nguyên tố Urani, Thori và Kali (potatium) gọi là ph−ơng pháp phổ gamma tự nhiên (SGR hoặc NGS). 32
- Thế tự phân cực: SP. - Nhiệt độ của các thành hệ, ph−ơng pháp đo nhiệt độ (T°). - Đ−ờng kính giếng: Ph−ơng pháp đo đ−ờng kính (CALI). Đ−ờng kính giếng khoan phản ánh tính cơ học và tính chất hoá học của đá ở thành giếng khoan. - Độ lệch giếng khoan: Một phép đo góc nghiêng và góc ph−ơng vị của trục giếng để xác định h−ớng đi của giếng khoan trong không gian. b) Những tính chất vật lý đ−ợc nghiên cứu bằng các ph−ơng pháp kích thích nhân tạo - Các phép đo điện đ−ợc tiến hành khi phát tín hiệu điện: Ph−ơng pháp điện trở suất hay độ dẫn điện bao gồm các ph−ơng pháp dùng hệ điện cực: Điện cực không hội tụ dòng cổ điển (ES), có hội tụ dòng (LL), vi hệ điện cực (ML), vi hệ điện cực có hội tụ dòng (MLL), hội tụ cầu (SFL), vi hệ cực hội tụ cầu (MSFL); Đo góc cắm phân giải cao (HDT, SDT, FMS); Các ph−ơng pháp dùng ống dây cảm ứng (IL). Ph−ơng pháp hằng số điện môi có sử dụng vòng cảm ứng: lan truyền sóng điện từ (EPT). - Các ph−ơng pháp hạt nhân bao gồm các ph−ơng pháp đo tia gamma phát ra từ nguồn hoá học sau khi đ∙ tán xạ trong môi tr−ờng đất đá nh− gamma - gamma (FDC, CD, LDT); đo hấp thụ quang điện (đại l−ợng có liên quan tới số nguyên tử) (LDT); các phép đo chỉ số hydro: neutron-neutron nhiệt (CNL, NT), neutron - gamma (N); đo neutron trên nhiệt: Neutron - neutron trên nhiệt (SNP, CNL). Phép đo tiết diện bắt giữ neutron vĩ mô: thời gian sống trung bình của neutron nhiệt (TDT, NLL). Thành phần nguyên tố: neutron va chạm với hạt nhân theo các mức độ khác nhau: Đàn hồi và không đàn hồi. Va chạm không đàn hồi bắn ra tia gamma. Tuỳ theo phổ năng l−ợng của tia gamma ng−ời ta có thể đo để có số đo nhạy với các nguyên tố khác nhau: Carbone - oxygen (IGT, GST) Hiện t−ợng bắt giữ neutron → phổ tia gamma chiếm giữ (GST, IGT). Ph−ơng pháp kích hoạt phóng xạ phân giải cao: Khi chiếm giữ neutron, nguyên tố trở thành đồng vị phóng xạ và có chu kỳ bán r∙ đặc tr−ng Căn cứ vào phổ năng l−ợng và phổ thời gian ng−ời ta có thể phân biệt sự có mặt của các nguyên tốt nhất định trong môi tr−ờng (HRS). Phép đo cộng h−ởng từ hạt nhân. Hiện t−ợng cộng h−ởng từ hạt nhân xảy ra với spin của nguyên tố Hydro. Quan sát hiện t−ợng quay hồi chuyển spin của hydro có thể đánh giá hàm l−ợng hydro tự do trong đá (NML). 33
- Các ph−ơng pháp đo siêu âm: Tốc độ sóng nén (sóng dọc) đo theo thời gian lan truyền sóng này giữa hai chấn tử. Phép đo này gọi là sonic log (SV, SL, BHC). Sóng ngang cũng có thể đ−ợc đo nh− vậy. Phép đo thời gian lan tuyền sóng từ mặt đất đến geophone trong giếng khoan. Phép đo nh− thế gọi là địa chấn giếng khoan (VST) hoặc địa chấn tuyến thẳng đứng (VSP). Phép đo biên độ (phổ biên độ hay phổ năng l−ợng) của sóng dọc hoặc sóng ngang: Amptitude logging (A). Phép đo biên độ t−ơng đối của thành phần sóng tới khác nhau, hình dạng sóng. Đo biến đổi mật độ (VDL), truyền hình thành giếng khoan (BHTV). 2.2. Các vấn đề xung quanh việc đo vẽ ở giếng khoan Các phép đo trong giếng khoan chủ yếu là đo trực tiếp các tham số của đá ở thành giếng. Các thiết bị đo đ−ợc thả trong giếng khoan và tiếp cận với đất đá ở xung quanh. Giá trị của mỗi phép đo đều chịu ảnh h−ởng trực tiếp của môi tr−ờng xung quanh giếng. 2.2.1. Sự ngấm dung dịch - Dung dịch khoan: ảnh h−ởng của dung dịch khoan lên một phép đo phụ thuộc vào một số yếu tố: đ−ờng kính giếng, loại và tỷ trọng của dung dịch. Đ−ờng kính giếng càng lớn phần thể tích dung dịch trong miền ảnh h−ởng của phép đo càng nhiều, số đo càng phụ thuộc vào dung dịch. Dung dịch khoan có các loại cơ sở gốc khác nhau, độ khoáng hoá khác nhau. Thuộc cơ sở, có dung dịch gốc dầu hay gốc n−ớc, về khoáng hoá có dung dịch mặn và dung dịch nhạt, theo tỷ trọng có dung dịch nặng và dung dịch nhẹ. - Sự ngấm dung dịch: Để quá trình khoan đ−ợc an toàn, thành giếng không bị sập ng−ời ta th−ờng tạo cho áp suất thuỷ tĩnh của cột dung dịch có giá trị lớn hơn hoặc bằng áp suất của n−ớc trong lỗ rỗng (áp suất vỉa). Vì vậy, dung dịch có xu h−ớng ngấm vào thành giếng ở các lớp đất đá có lỗ rỗng hiệu dụng cao. Sự ngấm dung dịch vào thành giếng có tính đối xứng trục. Theo ph−ơng bán kính filtrat (phần n−ớc của dung dịch khoan) thay thế hoàn toàn hay từng phần chất l−u (n−ớc vỉa, dầu) tự nhiên trong lỗ rỗng của đá. Phần trong sát ngay thành giếng filtrat thay thế hoàn toàn n−ớc tự do và dầu linh động của vỉa. Phần này gọi là đới rửa. Phần tiếp theo trong lỗ rỗng trộn lẫn filtrat là n−ớc vỉa hay dầu. Phần này gọi là đới chuyển tiếp. Phần sâu trong thành giếng khoan filtrat không ngấm tới, cấu trúc và thành phần pha lỏng của đá vẫn giữ nguyên. Phần này gọi là đới nguyên. Quá trình thải filtrat để thấm vào thành giếng tạo ra các đới nói trên, các thành phần cứng (sét và các phụ gia) của dung dịch bị chặn lại và tạo thành lớp vỏ sét. Khi chiều dày của lớp vỏ sét đủ lớn (hàng chục millimet) thì nó trở thành màng chống thấm, lúc đó quá trình thấm dung dịch vào thành giếng sẽ dừng hẳn. Vậy quá trình thấm dung dịch có tính đối xứng trục làm cho môi tr−ờng có phân bố bất đồng nhất theo ph−ơng bán kính (hình 2.4). Theo ph−ơng bán kính, trong cùng là dung dịch chứa trong giếng khoan, trên thành giếng là lớp vỏ sét, sau lớp vỏ sét là đới rửa rồi đới 34
chuyển tiếp, ngoài cùng là đới nguyên. Trong mỗi đới có thành phần chất l−u riêng, do Vỉa vây quanh đó chúng có các đặc tính vật lý (ví dụ điện trở suất) riêng. Trên hình 2.4, trong mỗi đới giá trị điện trở suất viết trong ô vuông là điện trở suất của đới, ỉa nghiên ỏ sét ặt cắt ngang ặt cắt V cứu Đới nguyên Đới rửa V M trong vòng tròn là điện trở suất Đới chuyển tiếp của pha lỏng trong đới. Ký hiệu viết trong tam giác đều là chỉ độ Vỉa vây quanh b∙o hoà n−ớc của đới. Do tính chất thay đổi của các thành Đ-ờng kính đới ngấm phần filtrat và n−ớc vỉa trong đới chuyển tiếp nên các tham số điện trở và độ b∙o hoà của đới này cũng thay đổi theo ph−ơng bán kính. Trong một số tr−ờng hợp gặp ở vỉa dầu, khi filtrat thấm vào vỉa gây áp lực thấm. D−ới áp lực thấm, dầu có độ thấm t−ơng đối cao hơn nên bị đẩy Trục giếng nhanh vào trong sâu hơn, ng−ợc Dầu lại, n−ớc có độ thấm t−ơng đối nhỏ hơn nên tụ lại tạo thành đới N-ớc vỉa Độ bão hoà n-ớc Khoảng cách vành khuyên có điện trở Ran Thành giếng Vành xuyến thấp (Nguyễn Văn Phơn, 1998). Đới rửa - ống chống và trám xi Đới ngấm Đới nguyên măng. Trong các tr−ờng hợp Điện trở suất Khoảng cách giếng đ∙ chống ống và trám xi Vỏ sét măng thì các ph−ơng pháp điện Hình 2.4. Sơ đồ biểu diễn phân bố chất l−u và điện trở trở không còn tác dụng, điện suất ở xung quanh giếng khoan trở bằng không. Thông th−ờng ở đoạn giếng này thì chỉ có các ph−ơng pháp hạt nhân và một vài phép đo siêu âm còn đ−ợc sử dụng để nghiên cứu giếng khoan. 2.2.2. Hiệu ứng hình học của Zond Đ−ờng kính của Zond đo (máy giếng) bao giờ cũng nhỏ hơn đ−ờng kính danh định của giếng. Khi đ−ờng kính giếng không quá lớn so với đ−ờng kính Zond và luôn luôn ở vị trí định tâm thì ảnh h−ởng của giếng khoan lên kết qủa đo sẽ là không đổi hoặc sẽ nhỏ, có thể bỏ qua. Trong thực tế đ−ờng kính giếng khoan có thể thay đổi do những tác động cơ học hay hoá học gây ra với thành hệ xung quanh giếng, và khi đó Zond đo có thể rơi vào 35
một trong 3 vị trí t−ơng đối so với trục giếng: Định tâm (trục của Zond và trục giếng khoan trùng nhau), không định tâm, hay áp s−ờn vào thành giếng (δ = 0), và nằm ở vị trí cách thành giếng một khoảng nhỏ (δ = const.). Đối với một số ph−ơng pháp (nh− BHC, CNL, FDC) việc xác định chính xác vị trí của Zond trong giếng khoan là rất quan trọng. Hệ số lệch tâm ε của Zond trong giếng khoan đ−ợc xác định: 2δ ε = (2.1) d − d 0 Trong đó: δ là khoảng cách gần nhất từ Zond đến thành giếng d là đ−ờng kính giếng tại vị trí đo d0 là đ−ờng kính của Zond đo Giá trị của ε bằng 1,0 khi Zond hoàn toàn ở vị trí định tâm, và bằng 0,0 khi nó tì lên một bên thành giếng. Chiều sâu nghiên cứu. Mỗi ph−ơng pháp vật lý đo trong giếng khoan, dựa vào nội dung vật lý riêng, chẳng hạn các ph−ơng pháp điện trở hay độ dẫn thì dựa vào việc đo tham số điện trở suất và độ dẫn điện, các ph−ơng pháp phóng xạ thì đo c−ờng độ bức xạ của môi tr−ờng Từ đặc điểm của ph−ơng pháp thiết bị máy giếng của chúng cũng khác nhau, sự khác nhau đó tr−ớc hết là kích th−ớc, vì kích th−ớc thiết bị có phần quyết định chiều sâu nghiên cứu của ph−ơng pháp. Dựa vào chiều sâu nghiên cứu chia các Zond thành hai nhóm: nhỏ và lớn. Các Zond nhỏ th−ờng có các phần tử phát và phần tử thu gắn trên các tấm bản để tì sát vào thành giếng. Chiều sâu nghiên cứu của chúng th−ờng rất nhỏ. Ví dụ Zond đo bù mật độ có miền ảnh h−ởng hình bán cầu với r ≤ 10 cm, còn các Zond ML thì chỉ vài centimet, MLL lại có dạng hình ống xuyên vào thành hệ cỡ gần 10 cm (hình 2.5). Các Zond lớn thì có khoảng đo chiếm thể tích từ 0.5 - 5 m3, có dạng cầu hoặc dạng trụ và phần lớn là dạng dĩa (hình 2.5). Để đo điện trở ta có các hệ điện cực nông và sâu. Gọi là Zond nông có chiều sâu nghiên cứu nằm ở khoảng giữa các phép đo sâu và micro (ví dụ LLS, LL8, SFL). Nói chung, gần nh− quy luật là chiều sâu nghiên cứu tăng theo khoảng cách giữa các cực phát và cực thu (sensor spacing). Khi đạt chiều sâu nghiên cứu tăng thì độ phân giải theo chiều thẳng đứng lại giảm. Ví dụ, các Zond nhỏ thì có độ phân giải cao, phân chia ranh giới các lớp mỏng rất tốt, trong khi đó các Zond đo cảm ứng sâu (ILd) hay laterolog (LLd) lại có chiều sâu nghiên cứu lớn trong phần lớn các điều kiện đo khác nhau (hình 2.6) nh−ng độ phân giải theo chiều thẳng đứng thì kém hơn. 36
Zond Loại Kích th-ớc Tham số đo Thế dài Gradien Thế ngắn Cảm ứng Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý và vùng nghiên cứu của một số các Zond đo (Theo Desbrandes 1968) 37
Đới nguyên Đới chuyển tiếp Đới rửa Vỏ sét c ọ Yếu tố hình h n trở Vỉa vây quanh ệ Đi Dung dịch khoan Trục giếng khoan Hình 2.6. Yếu tố hình học theo ph−ơng bán kính của các Zond đo điện trở 2.2.3. Tốc độ kéo cáp Mỗi ph−ơng pháp địa vật lý giếng khoan có yêu cầu tốc độ kéo cáp khác nhau. Các hiện t−ợng phóng xạ tự nhiên và nhân tạo đều có bản chất ngẫu nhiên, cần phải tính đến số phân r∙ trong khoảng thời gian nhất định, chẳng hạn trong vòng 1 giây, 3, 6 giây hoặc dài hơn. Những khoảng đều đặn thời gian đ−ợc chọn để đếm các lần phân r∙ gọi là “hằng số thời gian” của phép đo. Tại một điểm đo trong giếng, chẳng hạn ta tập hợp các số đếm tia phóng xạ trong vòng một khoảng thời gian 1 giây. Số đếm trong nhiều giây liên tiếp nhau sẽ không bằng nhau, nh−ng chúng thăng giáng xung quanh một giá trị trung bình nào đó. Đặc tính đó gọilà tính “thăng giáng” của các số đo ∙đ càng lớn thì tính “thăng giáng” càng giảm vì số đếm ح phóng xạ. Hằng số thời gian đ−ợc trung bình hoá trong khoảng thời gian dài hơn. Điều này giống nh− ta lấy trung bình tr−ợt của một hàm ngẫu nhiên, nếu cửa sổ trung bình tr−ợt càng rộng thì đ−ờng cong trung bình càng bị “là phẳng”, các biến thiên có bề rộng hẹp hơn cửa sổ đều bị loại bỏ hoặc suy giảm biên độ. Điều đó đặt ra một sự cân nhắc khi chọn hằng số thời .và tốc độ kéo cáp vì chúng có liên quan đến độ phân giải của ph−ơng pháp đo ح gian Thông th−ờng ng−ời ta chọn tốc độ kéo cáp khi thực hiện các phép đo phóng xạ hạt detectơ dịch chuyển ,ح nhân trong giếng khoan sao cho trong khoảng thời gian bằng đ−ợc một khoảng từ 0,6 - 0,9 m theo trục giếng khoan. sao cho ,ح Nh− vậy nếu tăng tốc độ kéo cáp thì phải rút ngắn hằng số thời gian ح.v = const. (v là tốc độ kéo cáp). Với các máy hiện dùng trong sản xuất tích v.ح tích .tính bằng giây ح ,lấy bằng 1000, trong đó v tính bằng m/h Đối với các ph−ơng pháp điện trở (hoặc độ dẫn) và siêu âm việc chọn tốc độ kéo cáp lại đ−ợc chọn để đáp ứng theo một yêu cầu khác, đó là quán tính của điện kế. Mọi 38
hệ đo đều có quán tính ì của nó. Chẳng hạn khi điểm đo dịch từ lớp đất đá có đặc tính vật lý thấp đến lớp có đặc tính vật lý cao thì điện kế ghi tín hiệu không tức khắc cho chỉ số số đo t−ơng ứng mà phải chờ một khoảng thời gian nhất định. Nếu tốc độ kéo cáp quá nhanh thì vùng chuyển tiếp từ giá trị số đo thấp đến giá trị số đo cao sẽ kéo dài trải rộng và biên độ của đ−ờng biểu diễn sẽ bị giảm, các lớp mỏng dễ bị chìm trong phông, độ phân giải của phép đo do vậy giảm. Để bảo đảm độ phân giải của các ph−ơng pháp điện và siêu âm, tốc độ kéo cáp th−ờng từ 600 m/h đến 2000 m/h, trong đó các phép đo càng có độ phân giải cao thì tốc độ càng cần phải thấp. Khoảng trắng đánh Trong đo ghi t−ơng tự trên băng từ, dấu thời gian đ−ờng dọc ở mép bên trái của cột thứ nhất đ−ợc ghi không liên tục, các khoảng trắng trên đ−ờng này cách nhau 10 giây. Căn cứ vào các khoảng trắng trên đ−ờng ghi và cột chiều sâu ta có thể kiểm tra đ−ợc tốc độ kéo cáp nhanh hay chậm (hình 2.7). Hình 2.7. Dấu hiệu kiểm tra tốc độ kéo cáp 2.3. Nguyên lý đo ghi Việc đo ghi trong địa vật lý giếng khoan chủ yếu là thể hiện sự biến đổi của một tham số vật lý nào đó theo chiều sâu của giếng khoan. Mỗi lần kéo thả cáp để đo trong giếng khoan ng−ời ta có thể phối hợp một số phép đo để cùng tiến hành. Các phép đo trong cùng một lần kéo thả cáp phải độc lập không làm ảnh h−ởng lẫn nhau. Không nên kết hợp các ph−ơng pháp cần đo với tốc độ kéo cáp chậm với các ph−ơng pháp có thể đo với tốc độ kéo cáp nhanh. Khi kéo cáp để tiến hành đo từ đáy giếng, cáp sẽ đi qua một ròng rọc có chu vi cho tr−ớc. Nhờ hệ cơ học chiều dài của đoạn cáp đi qua ròng rọc đ−ợc chuyển vào làm cho băng ghi (băng giấy ảnh hoặc băng từ) dịch chuyển một đoạn t−ơng đ−ơng theo tỷ lệ đ∙ chọn. Các tỷ lệ chiều sâu có thể chọn: 1/1000, 1/500, 1/200, 1/100, 1/40 và 1/20. Nghĩa là t−ơng ứng 1000m, 500m, 200m, 100m, 40m và 20m chiều sâu thực ở giếng khoan đ−ợc thể hiện trên 1m chiều dài của băng ghi. Trong địa vật lý giếng khoan thực hiện các kiểu ghi chính: t−ơng tự và ghi số. Đo ghi t−ơng tự có thể trên giấy đặc biệt bằng bút ghi hoặc trên giấy ảnh bằng một camera có nhiều điện kế g−ơng. Ghi số trên băng từ là cách ghi hiện tại có nhiều −u điểm hơn. Nhờ ghi số có thể nén các số liệu để truyền từ giếng khoan về trung tâm tính toán hoặc căn cứ ở đất liền cách xa hàng trăm, ngàn cây số; ở đó có các ch−ơng trình xử lý mạnh sẽ cho các kết luận kịp thời ngay sau khi kết thúc đo. Từ số liệu ghi số có thể hiển thị ra các đ−ờng ghi t−ơng tự theo tỷ lệ bất kỳ. Các số liệu đo ghi số dễ biến đổi và gọn nhẹ, bền vững trong việc l−u giữ bảo quản. 39
2.4. Biểu diễn kết quả đo ghi Các biến thiên của số đo đ−ợc ghi lại trên phim hoặc băng từ hay đĩa mềm d−ới dạng hàm số theo chiều sâu. Các phim đ−ợc in hiện luôn, còn băng có thể đ−ợc l−u lại và biểu diễn thay đổi theo mục đích và mức độ chi tiết theo yêu cầu công việc. Tuyến tính Tuyến tính L−ới biểu diễn tiêu chuẩn của viện dầu khí Mỹ (API) quy định cho các công (a) ty địa vật lý khi biểu diễn kết quả đo ghi địa vật lý giếng khoan nh− hình 2.8. Tuyến tính Logarit Cột 1 luôn luôn là ở tỷ lệ tuyến tính, gồm 10 khoảng rộng (mỗi khoảng (b) nhỏ bằng 1/10 khoảng rộng). Các cột 2 và 3 có thể đều ở tỷ lệ tuyến tính (hình 2.8a) có thể đều ở tỷ lệ logarit (hình Tuyến tính 2.8b) hoặc cột 2 có tỷ lệ logarit, cột 3 Logarit Tuyến tính theo tỷ lệ tuyến tính (hình 2.8c), ví dụ cột 2 dành cho kết quả đo điện trở, cột 3 (c) cho kết quả đo siêu âm. Một số phép đo điện trở suất Hình 2.8. Các thang đo phổ biến tr−ớc đây biểu diễn trên l−ới “hybrid” (nghịch đảo), một nửa bên trái biểu diễn điện trở suất (0 - 50 Ωm), nửa bên phải biểu diễn độ dẫn (20 mmho - 0 mmho, t−ơng đ−ơng với 50 - ∞ Ωm). Tỷ lệ theo chiều sâu đ−ợc chọn theo mục đích sử dụng: 1/1000 và 1/500 dùng để liên kết thạch học; 1/200 và 1/100 là thang dùng để đánh giá vỉa chứa sản phẩm; các tỷ lệ lớn hơn là dùng cho tr−ờng hợp nghiên cứu chi tiết các đối t−ợng nh− vỉa sản phẩm, vỉa than có nhiều lớp kẹp Đầu băng (hình 2.9) là phần quan trọng có những thông tin cần thiết cho ng−ời phân tích minh giải tài liệu và ng−ời sử dụng những kết quả về sau. Mỗi công ty dịch vụ có một logo biểu tr−ng riêng cho công ty ở đầu băng đo ghi địa vật lý giếng khoan. Tuy nhiên bất cứ công ty nào cũng cần ghi ở đầu băng về tổ hợp ph−ơng pháp đo, tên giếng khoan, tên công ty, vùng mỏ, vùng l∙nh thổ, toạ độ giếng khoan, đ−ờng kính khoan, các số liệu chỉ đặc tr−ng dung dịch khoan, loại máy móc đo 2.5. Đo kiểm tra và chuẩn máy Bất cứ hệ máy thiết bị đo ghi nào làm việc liên tục nhiều giờ đều có thể xảy ra hiện t−ợng không ổn định, nghĩa là sự t−ơng ứng giữa tín hiệu đầu vào và đầu ra của hệ giữa lúc bắt đầu đo và lúc gần kết thúc không còn nh− nhau. Ví dụ suất đếm của các detector trong các ph−ơng phóng xạ hạt nhân có thể thay đổi khi nhiệt độ và áp suất thay đổi, hay hiện t−ợng “trôi” điểm không có thể gặp ở các điện kế, sự “l∙o hoá” một số linh kiện vi mạch của các sơ đồ điện tử của hệ đo 40
Hình 2.9. Một thí dụ đoạn băng đo ghi lặp và chuẩn máy Tr−ớc khi kết thúc một lần đo của một ph−ơng pháp địa vật lý giếng khoan đều phải tiến hành đo lặp và kiểm tra chuẩn máy. Đoạn đo lặp dùng để kiểm tra xem máy móc có còn làm việc ổn định hay không. Đối với một số ph−ơng pháp phóng xạ hạt nhân (NGS, TDT) các đoạn băng đo lặp còn có ý nghĩa đánh giá sự hạ thấp đặc tr−ng biến đổi thống kê của thiết bị. Đo chuẩn khắc độ cho máy đ−ợc thực hiện ghi trên film hay băng từ tr−ớc và sau mỗi lần đo để kiểm tra độ chính xác của máy móc trong quá trình đo. Đối với một số máy đo cần phải “chuẩn chỉnh” (master calibration) tại căn cứ lớn hay phòng thí nghiệm có điều kiện kỹ thuật chỉnh sửa tốt cho các máy làm việc. Có một vài Zond (IL, LL ) lại có bộ phận chuẩn riêng bên trong máy nên có thể tiến hành kiểm tra chuẩn máy trong khi thả xuống giếng khoan. 41
Trạm đo Log Trung tâm Trung tâm xử lý số liệu Log biệt lập Hình 2.10: Sơ đồ chuyển tải số liệu 2.6. Chuyển tải số liệu Các băng kết quả do ghi địa vật lý giếng khoan phải đ−ợc nhanh chóng xử lý để có kết quả sớm nhất. Vì vậy, một mặt các số liệu đo đ−ợc xử lý nhanh tại trạm (nếu đủ các phân mềm xử lý nhanh), mặt khác các số liệu này phải đ−ợc chuyển ngay về trung tâm tính toán hay văn phòng công ty, ở đó có đủ các thiết bị máy tính và ch−ơng trình phần mềm xử lý mạnh, có khả năng cho kết quả đầy đủ, chính xác nhất. Các số liệu băng ghi có thể gửi về đại bản doanh bằng email qua hệ thống thông tin viễn thông. 42
Ch−ơng 3 Các ph−ơng pháp điện từ tr−ờng 3.1. Giới thiệu Trong địa vật lý giếng khoan, các ph−ơng pháp điện từ tr−ờng bao gồm rất nhiều phép đo khác nhau nhằm xác định giá trị điện trở suất/độ dẫn điện của đất đá ở thành giếng khoan. Các ph−ơng pháp trong nhóm này có các đặc điểm chung là qua các điện cực hoặc ống dây phát các tín hiệu (dòng điện hoặc tr−ờng điện từ) kích thích vào môi tr−ờng nghiên cứu rồi dùng các điện cực/ống dây khác đặt cách điểm phát một khoảng nhất định để thu các tín hiệu t−ơng ứng từ môi tr−ờng nghiên cứu. Một hệ đ−ợc sắp xếp có quy luật gồm các điện cực/ống dây phát và thu t−ơng ứng dùng để đo điện trở suất hay độ dẫn điện của môi tr−ờng nghiên cứu thì đ−ợc gọi là hệ điện cực (device) hay cũng gọi là Zond (tool). Các hệ điện cực đo có chiều sâu nghiên cứu khác nhau từ một vài centimet (ML, MLL) đến vài mét (LLd, ILd ) sâu vào thành giếng nhờ khả năng định xứ tr−ờng kích thích và thu tín hiệu của chúng. Nhờ các phép đo bằng các hệ điện cực có chiều sâu nghiên cứu khác nhau ng−ời ta có thể đánh giá các giá trị điện trở suất của các đới khác nhau xung quanh giếng khoan. Trong ch−ơng này ta sẽ lần l−ợt xem xét cơ sở lý thuyết và thực hành của một số ph−ơng pháp chủ yếu đang có sử dụng phổ biến trong thực tế sản xuất. 3.2. Các ph−ơng pháp đo bằng hệ điện cực không hội tụ Qua điện cực A (hình 3.1) phát dòng điện một chiều hoặc tần số thấp, c−ờng độ I amper vào môi tr−ờng đồng nhất đẳng h−ớng vô hạn. Cùng với điện cực phát A, trong mạch phát có điện cực B đặt ở xa vô cùng. Xung quanh điện cực A hình thành các mặt đẳng thế điện hình cầu có tâm chung A. Nếu thế điện ở một điểm cách tâm A một khoảng r là U(r) thì hiệu điện thế giữa hai mặt đẳng thế có gia số bán kính dr sẽ là: RI − dU = dr (3.1) 4πr 2 ở đây: I - C−ờng độ dòng phát; Rdr R - Điện trở suất của môi tr−ờng (bởi vì sẽ là điện trở của phần môi 4πr 2 tr−ờng nằm giữa hai mặt cầu). Lấy tích phân (3.1) theo r ta có: 43
∞ dr RI U = RI = (3.2) ∫ 2 0 4πr 4πr và c−ờng độ điện tr−ờng E cũng đ−ợc tính: dU RI E = − = (3.3) dr 4πr 2 Từ các ph−ờng trình (3.2) và (3.3) có thể tính đ−ợc điện trở suất t−ơng ứng nh− sau: U R = 4πr (3.4) I Đ−ờng dòng 4πr 2 dU E U - dU U R = − . = 4πr 2 (3.5) I dr I Từ các ph−ơng trình (3.4) và Mặt cầu đẳng thế (3.5) dẫn đến hai cách đo điện trở suất sau đây: Hình 3.1 Nguyên lý của phép đo điện trở suất a) Sơ đồ đo thế - Hệ điện cực thế Một điện cực thu M đặt gần điện cực phát A (hình 3.2a), c−ờng độ dòng I trong mạch AB đ−ợc duy trì cố định. Thế điện UM so với thế điện tại N ở xa vô cùng (UN = 0), nếu bỏ qua ảnh h−ởng của giếng khoan, có thể viết ph−ơng trình (3.2) nh− sau: RI U M = (3.6) 4π AM ở đây AM là khoảng cách từ A đến M, gọi là chiều dài của hệ điện cực thế. Khi c−ờng độ dòng I không đổi, điện thế UM tỷ lệ với điện trở suất R. Hệ số 4π AM gọi là hệ số KN của hệ điện cực thế, và ta có thể viết: U R = K M (3.7) N I Vậy khi đo liên tục biến thiên của UM theo một tỷ lệ t−ơng ứng chính là đo biến thiên của R theo trục giếng khoan. Trong sản xuất các hệ điện cực thế th−ờng đ−ợc dùng ở hai kích th−ớc: AM = 0m40, t−ơng đ−ơng 16″, gọi là hệ điện cực thế ngắn AM = 1m60, t−ơng đ−ơng 64″, gọi là hệ điện cực thế trung bình Điểm đo của hệ điện cực thế đ−ợc tính cho điểm giữa các điện cực A và M. 44
Nguồn phát Máy ghi Máy ghi Nguồn nuôi Các mặt đẳng thế Kích th−ớc hệ cực (a) (b) Hình 3.2 Hệ điện cực thế. Nguyên tắc (a); Sơ đồ thực tế (b) b) Sơ đồ đo gradien - Hệ điện cực gradien Trên sơ đồ đo gradien (hình 3.3), hai điện cực M và N đều đ−ợc lần l−ợt gần điện cực A với các khoảng cách xác định ( AN > AM ). Hiệu điện thế ∆UMN giữa hai mặt cầu đẳng thế có chứa các điện cực M và N đ−ợc tính: Nguồn phát Nguồn nuôi Máy ghi Máy ghi Các mặt đẳng thế Kích th−ớc hệ cực Kích th−ớc hệ cực Khoảng đo (a) (b) Hình 3.3. Hệ điện cực gradien. Sơ đồ nguyên tắc (a); Sơ đồ thực tế (b) 45
RI Điện thế tại M U = (3.8) M 4πAM RI và tại N U = N 4πAN Từ (3.8) ta có: RI  1 1  MN ∆U MN =U M −U N =  −  = RI 4π  AM AN  4πAM.AN AM.AN Gọi 4π = K G là hệ số của hệ điện cực gradien, ta có thể tính: MN ∆U R = K MN (3.9) G I Khi I đ−ợc duy trì không đổi thì điện trở suất R của môi tr−ờng tỷ lệ với hiệu điện thế ∆UMN. Trong thực tế, để tiết kiệm năng l−ợng phát dòng và tránh hiện t−ợng màn chắn trong các lát cắt điện trở cao, ng−ời ta đ−a điện cực phát B và điện cực thu N vào trong giếng khoan (hình 3.3b). Theo nguyên lý t−ơng hỗ trong một hệ điện cực ta có thể đổi vai trò của điện cực phát cho điện cực thu và ng−ợc lại mà giá trị điện trở suất đo theo AM.AN MA.MB (3.9) vẫn không thay đổi, vì 4π = 4π = K G là nh− nhau. MN AB Chọn điểm O nằm giữa M và N, nếu khoảng cách từ M đến N càng gần nhau, MN << AM và AN thì ta có thể viết: 2 4π AO dU R = . (3.10) I dh dU Đạo hàm = E là c−ờng độ điện tr−ờng tại O, và điện trở suất R tỷ lệ với dh c−ờng độ điện tr−ờng E. Khi đó AO (hay MO ) gọi là chiều dài của hệ điện cực gradien, và O cũng là điểm đo của hệ điện cực. Chiều dài của hệ điện cực gradien đ−ợc chọn khác nhau sao cho có hiệu quả khi đo trong từng đối t−ợng nghiên cứu cụ thể: than quặng, dầu khí Ví dụ ở Việt Nam khi nghiên cứu các giếng khoan than, quặng có đ−ờng kính giếng trung bình bằng 120 mm thì chọn AO = 1m0; còn trong các giếng khoan dầu khí, có đ−ờng kính trung bình 200 mm, thì lấy chiều dài AO = 2m05 làm hệ điện cực chuẩn. 46
Công ty dịch vụ Schlumberger th−ờng chọn chiều dài AO (hoặc MO , hệ điện cực gradien ng−ợc) bằng 18′8″, t−ơng đ−ơng 5m70. 3.2.1. Bài toàn lý thuyết của ph−ơng pháp điện trở trong giếng khoan Đây là một bài toán về tr−ờng điện của nguồn điểm có dòng không đổi trong môi tr−ờng bất đồng nhất đối xứng trục. Phân bố của tr−ờng điện dòng không đổi trong giếng khoan đ∙ đ−ợc Viện sĩ Fok VA. đặt ra cách đây hơn 70 năm. Sau đó bài toán lý thuyết này đ∙ đ−ợc Alpin L.M. và Daxnov V.N. phát triển thêm. Các tác giả vừa nêu đ∙ xét phân bố của tr−ờng điện có nguồn điểm phát dòng không đổi trong hệ toạ độ trụ với các mô hình cụ thể: Xung quanh giếng khoan không có đới ngấm (Fok, 1933), hoặc có đới ngấm với điện trở suất không đổi ρ∆ = const (Alpin, 1938 và Daxnov, 1967). Xem ra các mô hình mà các tác giả đ−a ra không mấy phù hợp với điều kiện thực tế ở giếng khoan. Tại các lớp đá trong lát cắt giếng khoan, đặc biệt là đá colector có khả năng thấm chứa bao giờ cũng có dung dịch thấm vào tạo thành vùng ngấm (đới ngấm). Trong đới ngấm filtrat dung dịch thay thế toàn bộ hoặc từng phần chất l−u tự nhiên trong đá. Do filtrat thấm qua thành giếng khoan để lại trên đó một lớp vỏ bùn sét, còn trong đới ngấm thì tỷ phần thể tích của filtrat trong không gian lỗ rỗng giảm dần theo ph−ơng bán kính nên điện trở suất của vùng ngấm do đó cũng thay đổi theo ph−ơng bán kính. Vậy phân bố bất đồng hất ở môi tr−ờng xung quanh giếng khoan có tính đối xức trục điện trở suất trong đới ngấm, là một hàm của bán kính r, Ri = f(r) (Nguyễn Văn Phơn 1977). Z Tác giả đ∙ xét một mô hình toán học nh− sau: Giếng khoan là một trụ dài vô hạn chứa dung dịch có điện trở Rm và bán kính ro = d/2. Xung quanh giếng khoan là vùng Biến thiên của điện trở đới ngấm đối xứng trục (hình 3.4), có điện đới ngấm, Ri = f(r) trở thay đổi liên tục theo ph−ơng bán kính Rmc từ giá trị Rmc ở thành giếng đến Rt ở ranh giới ngoài cùng ri của đới ngấm. Bao bên m R Rt ngoài là đới nguyên có kích th−ớc từ ri đến vô cùng với điện trở không đổi Rt. Một điện cực nguồn điểm A đặt tại O của trục toạ độ phát dòng không đổi I, h∙y P(r,z) xác định hàm thế U tại điểm bất kỳ trong môi tr−ờng nghiên cứu tr−ớc hết là các điểm trên trục toạ độ trụ. Sau khi tính đ−ợc thế U 0 r ta dễ dàng tính đ−ợc giá trị điện trở suất r0 biểu kiến đo đ−ợc trong môi tr−ờng bất ri đồng nhất nh− mô hình. Trong môi tr−ờng có độ dẫn C(M) Hình 3.4. Mô hình toán học cho bài toán thay đổi theo toạ độ của điểm M(r,z), lý thuyết của ph−ơng pháp điện trở ph−ơng trình của thế U có dạng tổng quát: C∆U + gradC. gradU = 0 (3.11) 47
Khi độ dẫn chỉ thay đổi theo ph−ơng bán kính r, ph−ơng trình (3.11) có thể viết đơn giản: dC ∂U C∆U + . = 0 (3.11)’ dr ∂r Việc giải ph−ơng trình (3.11) sẽ đơn giản đi nhiều d−ới dạng một hệ ph−ơng trình Helmholtz tổng quát dựa vào các biến đổi theo lý thuyết môi tr−ờng alpha (Sabba S. Stefanescu 1950). 1 α = + C = R (3.12) ψ U = α Trong đó: α - có tên gọi là “hệ số tiền dẫn” ψ - là giả thế điện của môi tr−ờng. Hai ph−ơng trình α = α(M) và ψ = ψ(M) có quan hệ hàm số: ∆α ∆ψ = = f (M ) (3.13) α ψ Với hàm f(M) có cùng đối số nh− α và ψ. Hàm f(M) là liên tục và hữu hạn trong môi tr−ờng nghiên cứu. Với bài toàn đang xét theo mô hình 3.4 ta có các ký hiệu sau: r, z – Các tọa độ trụ nhận trục giếng khoan trùng với trục z ro – Bán kính giếng (ro = d/2) ri – Bán kính đới ngấm (ri = Di/2) 1 Rm ,α m= lần l−ợt là điện trở và hệ số “tiền dẫn” của dung dịch Rm 1 Rmc ,α mc= lần l−ợt là điện trở và hệ số “tiền dẫn” của lớp vỏ sét Rmc 1 Rt ,α t = lần l−ợt là điện trở và hệ số “tiền dẫn” của đới nguyên Rt ψm, ψi và ψR là hàm giả thế lần l−ợt trong giếng khoan, trong đới ngấm và trong đới nguyên. 48
α và ψ đều là hàm điều hoà (hoặc không đổi) ở trong giếng khoan và trong đới nguyên, còn trong đới ngấm thì αi là một hàm điều hoà có dạng: r α i =α mc − α1 ln (3.14) ro Hằng số α1 đ−ợc xác định theo điều kiện liên tục của α trên ranh giới r = ri nh− r sau: α i = α t =α mc −α1 ln ro Từ đây: α −α α = mc t (3.15) i r ln i ro Khi điện cực phát A đặt tại O của hệ toạ độ (r,z) phát dòng I, trong tr−ờng hợp môi tr−ờng là đồng nhất vô hạn có điện trở Rm, thế sinh ra tại điểm P(r,z) sẽ là: R I 1  z  m 2 2   U o = . ;(R = r + z ); z =  (3.16) 4π R  ro  Mặt khác trong toạ độ trụ, theo Basset: 1 2 ∞ = K (λr) cos(λ z)dλ ∫ o (3.17) R π 0 1 Trong đó Ko(λr) là hàm McDonald bậc không và Rm = 2 nên ta có thể viết α m (3.16) d−ới dạng: I ∞ ψ 0 U = K (λr) cos(λ z)dλ = m (3.18) o 2 2 ∫ o 2π ro (α m ) 0 α m Từ đó: I ∞ ψ 0 = K (λr) cos(λ z)dλ (3.19) m 2 ∫ o 2π α m 0 Trong tr−ờng hợp môi tr−ờng có phân bố bất đồng nhất đối xứng trục, các ph−ơng trình (3.18) và (3.19) chỉ thoả m∙n đối với các điểm gần xung quanh điện cực A. Chúng biểu thị thế và giả thế của tr−ờng điện đ−ợc nuôi bởi dòng điện I. 0 Ta có nhận xét trong biểu thức (3.19), ψ m tỷ lệ với tổng của các giả thế thành phần có dạng: 49
K o (λr) cos(λ z)dλ (3.20) Theo cách cổ điển, tính toán tiếp theo là xác định giả thế thành phần trong môi tr−ờng trụ đồng trục với giếng khoan qua các giả thế kiểu (3.20) Đối với bài toán đang xét, trong hệ toạ độ trụ các hàm giả thế thành phần phải thoả m∙n các điều kiện sau: 1. Tại mọi điểm trong môi tr−ờng nghiên cứi, trừ điểm gốc toạ độ có chứa điện cực phát A, phải thoả m∙n ph−ơng trình: ∆ψ - k2ψ = 0 (3.21) ∆α - k2α = 0 Trong đó k là một hàm số phụ thuộc vào toạ độ của điểm xét, trong một số tr−ờng hợp riêng có thể k = const. Vì trong hệ đối xứng trụ nên hàm ψ(M) sẽ không phụ thuộc vào góc ph−ơng vị ϕ, khi k = 0 thì ph−ơng trình (3.21) sẽ trở về ph−ơng trình Laplace. ∂ 2ψ 1 ∂ψ ∂ 2 Z + + = 0 (3.22) ∂r 2 r ∂r ∂z 2 2. Tại điểm xa vô cùng, nghĩa là với R = r 2 + z 2 → ∞ , giả thế ψ sẽ tiến tới không. 3. Trong giếng khoan chứa dung dịch có αm, hàm ψm của giả thế thành phần có o ∗ thể biểu thị d−ới dạng: ψ m =ψ m +ψ m o Trong đó ψ m biểu thị thành phần giả thế sơ cấp d−ới sự tác dụng trực tiếp của ∗ dòng phát I (xem 3.19), còn ψ m là giả thế thử cấp, hay phản xạ từ các đới bên ngoài vào ∗ giếng khoan. ψ m là hàm liên tục và hữu hạn. 4. Trên các mặt ranh giới bất đồng nhất của môi tr−ờng tồn tại các điều kiện: - Điều kiện liên tục của thế tr−ờng: 1 1 ψ = ψ α m α i m r=1 mc r=1 (3.23) ψ = ψ i r=r1 R r=r1 - Điều kiện liên tục đối với thành phần vuông góc của mật độ dòng: + Trên mặt trụ r =1: 50
- αm∇rψm = ψi∇rαi - αi∇rψi + Trên mặt trụ r = r i : ψi∇rαi - αi∇rψi = - αi∇rψi (3.24) 5. Hàm ψ(M) là hàm đối xứng qua mặt phẳng vuông góc với trục z cắt qua điểm chứa nguồn O nên: ψ(z) = ψ(-z) (3.25) ∗ Quy −ớc rằng trong lòng giếng khoan, giả thế thứ cấp ψ m là một hàm điều hoà 0 có đối xứng trục và tuần hoàn theo z giống nh− hàm giả thế sơ cấp ψ m . Vì vậy nó cũng sẽ là hữu hạn trên trục giếng khoan và sẽ có dạng sau: Cm (λ)I o (λr) cos(λ z) (3.26) Trong đó Cm(λ) là một hằng số và I 0 (λr) - là hàm Bessel biến thể bậc không loại một biến phức, cả hai đều phụ thuộc vào tham số λ giống nh− giả thế sơ cấp. Nh− vậy mọi điểm trong giếng khoan (r r i ) (3.29) trong các biểu thức đó có bốn hằng số cần đ−ợc xác định: Cm(λ), Ci(λ), Di(λ) và Dt(λ) lần l−ợt theo các điều kiện biên (3.23) và (3.24). Trên mặt trụ r =1, điều kiện (3.23) đ−ợc viết cụ thể: - Điều kiện thế liên tục trên thành giếng: α m α m Cm (λ)I o (λ) − Ci (λ) I o (λ) − Di (λ) K o (λ) = −K o (λ) (3.30a) α mc α mc - Điều kiện liên tục mật độ dòng có thành phần vuông góc: − α m∇ rψ m =ψ i ∇ rα m −α mc ∇ rψ i (3.30b) 51
Nh−ng mặt khác theo điều kiện ban đầu (3.14) và (3.15) của bài toán, khi r =1 ta có: α ∇ α = − 1 r i r=1 ro ∇ ψ = [−λK (λ) + C (λ)λI (λ)]cos(λ z) r m r=1 1 m 1 (3.31) ∇ ψ = [C (λ)mI λ − D (λ)λK (λ)]cos(λ z) r i r=1 i 1 i 1 trong đó I1(λ) và K1(λ) là hàm Bessel biến thể bậc 1. Thay (3.31) vào (3.30) ta có: α mc α1  α mc α1  Cm ( λ )I1( λ ) − Ci ( λ ) I1( λ ) + I o ( λ ) + Di ( λ ) K1( λ ) − K o ( λ ) = K1( λ )  α m λα m   α m λα m  (3.32) Trên mặt trụ r = r i : - Điều kiện thế liên tục đ−ợc viết: Ci (λ)I o (λr) + Di (λ)K o (λr i ) − Dt (λ)K o (λr i ) = 0 (3.33) - Điều kiện liên tục mật độ dòng của thành phần vuông góc: α ∇ α = − 1 r i r=1 ro ∇ ψ = [C (λ)mI λ − D (λ)λK (λ)]cos(λ z) r i r=1 i 1 i 1 (3.34) ∇ ψ = −D (λ)λK (λr i ) cos(λ z) r t r=ri t 1 Thay (3.34) vào (3.24) ta có ph−ơng trình thứ t− của các điều kiện biên: α1  α1  Ci (λ) I o (λr i ) + α t λI1 (λr i ) + Di (λ) K o (λr i ) + α t λK1 (λr i ) + Dt (λ)α t λK1 (λr i ) = 0  r i   r i  (3.35) Để đơn giản trong cách viết chúng ta sẽ dùng các ký hiệu thay thế ngắn gọn sau: o o o o K o (λ) = K o ; I o (λ) = I o ; K1 (λ) = K1 ; I1 (λ) = I1 ; i i i i K o (λr i ) = K o ; I o (λr i ) = I o ; K1 (λr i ) = K1 ; I1 (λr i ) = I1 ; Cm (λ) = Cm ; Ci (λ) = Ci ; Di (λ) = Di ; Dt (λ) = Dt Đến đây ta đ∙ có các ph−ơng trình (3.30a), (3.32), (3.33) và (3.35) rút ra từ các điều kiện biên để xác định bốn tham số Cm, Ci, Di và Dt. Các ph−ơng trình trên đ−ợc lập thành hệ sau: 52
o α m o α m o o Cm I o − Ci I o − Di K o = −K o α mc α mc o α mc o α1 o  α mc o α1 o  o Cm I1 − Ci  I o + I o  + Di  K1 − K o  = K1  α m λα m   α m λα m  (3.36) i i i Ci I o + Di K o − Dt K o = 0 α1 i i  α1 i i  i Ci  I o + λα t I1  + Di  K o +α t λK1  + Dtα t λK1 = 0  r i   r i  Giải hệ ph−ơng trình (3.36) ta sẽ nhận đ−ợc giá trị các tham số Cm(λ), Ci(λ), Di(λ) và Dt(λ), trong đó quan trọng nhất là Cm(λ). Nghiên cứu của (3.36) đối với Cm(λ) đ−ợc tính bằng: − λK o (λ) + S{νλK1 (λ) + PK o (λ)} Cm (λ) = (3.37) λI o (λ) + S{}νλI1 (λ) − PI o (λ) 2  α m  Rmc α1 S 2 Trong đó: ν =   = ; P = và S = . α mc  Rm α mc S1 α1 với S 2 = K o ( λ ) + K o ( λr i ){K o ( λ )I o ( λr i ) − K o ( λr i )I o ( λ )} α t α1 S1 = K1( λ ) + K o ( λr i ){K o ( λ )I1( λr i ) + K1( λr i )I o ( λ )} α t Dựa vào các biến đổi (3.12) và (3.17) ta tính đ−ợc Um tại điểm M trên trục giếng khoan cách gốc toạ độ nơi đặt điện cực A một đoạn bằng L1. 1 R I 1 2 ∞  U (0, L) = ψ = m + C (λ) cos(mL)dλ m m  ∫ m  (3.38) α m 4π L π 0  Hàm Cm(λ) liên tục và hữu hạn trong miền 0 ≤ λ < ∞, tích phân (3.38) do đó hội tụ (xem Nguyễn Văn Phơn, 1977). 3.2.2. Điện trở suất biểu kiến Môi tr−ờng thực tế ở giếng khoan không phải là môi tr−ờng đồng nhất đẳng h−ớng và vô hạn lý t−ởng. Tr−ớc hết đất đá là môi tr−ờng dị tính phức tạp, hơn thế nữa khi giếng khoan đ−ợc tạo thành nó chứa dung dịch khoan có điện trở suất khác hẳn với đất đá ở thành giếng. Trong mọi tr−ờng hợp filtrat của dung dịch thấm vào thành giếng tạo ra lớp vỏ sét và các đới cận giếng khác tạo thành môi tr−ờng bất đồng nhất điện trở có tính đối xứng trục. 1. Chú ý: trên trục toạ độ, r = 0; I o (λr) =1 53
Tóm lại, môi tr−ờng nghiên cứu ở giếng khoan luôn luôn là môi tr−ờng bất đồng nhất, vì vậy đ−ờng dòng phát từ A đi vào môi tr−ờng không còn là những đ−ờng thẳng xuyên tâm nh− ở hình 3.1, mà có bị khúc xạ cong trên các mặt trụ đồng trục ranh giới bất đồng nhất. Nói cách khác các mặt đẳng thế bao quanh điện cực A không phải là các mặt cầu đồng tâm A, vì vậy các ph−ơng trình (3.6) và (3.8) không hoàn toàn đúng trong môi tr−ờng đo thực tế và điện trở suất tính theo (3.7) và (3.9) cũng không còn là điện trở suất thực của môi tr−ờng đồng nhất. U / Trong thực tế ta chỉ đo đ−ợc các giá trị điện trở suất R = K M đối với hệ a N I ∆U / điện cực thế, và R = K MN cho tr−ờng hợp hệ điện cực gradien. a G I Trong đó: / / U M và ∆U MN là các giá trị thế và hiệu điện thế đo đ−ợc trong môi tr−ờng bất đồng nhất theo các sơ đồ ở các hình 3.2 và hình 3.3. Ra - điện trở suất đo đ−ợc trong môi tr−ờng không đồng nhất ở giếng khoan, gọi là điện trở suất biểu kiến. Tại cùng một điểm ở trục giếng khoan giá trị điện trở Ra đo đ−ơc bằng các hệ điện cực khác nhau th−ờng không bằng nhau do đặc điểm tên gọi (thế hoặc gradien), kích th−ớc, thứ tự sắp xếp các điện cực của chúng khác nhau. Xét quan hệ của điện trở suất biểu kiến đo trong giếng khoan với điện trở suất Rt của vỉa a) Tr−ờng hợp đo bằng hệ điện cực gradien Thay (3.38) vào ph−ơng trình (3.10) cho tr−ờng hợp đo trong môi tr−ờng không đồng nhất ở giếng khoan, ta có thể viết: E  2L2 ∞  R = 4πL2 = R 1+ λC λ sin λL dλ a m  ∫ m () () (3.39) I  π 0  với L = AO - là chiều dài của hệ điện cực, hoặc: E E Ra = = (3.40) I J 0 4πL2 I Trong đó: mẫu số là mật độ J0 của dòng phát trong môi tr−ờng đồng nhất 4πL2 đẳng h−ớng và vô hạn. Nh−ng c−ờng độ điện tr−ờng E tại điểm O nằm giữa các điện cực M và N có thể tính: 54
E = RMNJ (3.41) Trong đó: J - Mật độ dòng điện tại O trong môi tr−ờng nghiên cứu RMN - Giá trị thực của điện trở suất ở phần môi tr−ờng nằm giữa hai điện cực M và N. Thay (3.41) vào (3.40) ta có: J Ra = RMN (3.42) J 0 Từ (3.41) ta nói rằng điện trở suất biểu kiến Ra đo đ−ợc bằng hệ điện cực gradien tỷ lệ với điện trở suất thực của phần môi tr−ờng nằm giữa hai mặt cầu bán kính AM và AN với hệ số bằng tỷ số mật độ thực của dòng phát trong môi tr−ờng nghiên cứu và mật độ J0  J  nếu môi tr−ờng đó là đồng nhất đẳng h−ớng   .  J 0  Ta dễ dàng thấy rằng nếu phép đo thực hiện trong môi tr−ờng đồng nhất đẳng J h−ớng vô hạn thì tỷ số =1, và điện trở suất biểu kiến Ra sẽ bằng điện trở suất thực J 0 Rt của môi tr−ờng. b) Tr−ờng hợp đo bằng hệ điện cực thế Thay (3.38) vào (3.41) ta cũng có: U  2L  R = 4πL M = R 1+ C ( λ )cos λL dλ a m  ∫ m () (3.43) I  π  Trong đó L = AM - chiều dài của hệ điện cực thế. Tuy nhiên thế điện UM tại điểm M có thể tính đ−ợc từ c−ờng độ điện tr−ờng E tại đó theo ph−ơng Z: dU E = −gradU = − dZ ∞ ∞ U = − dU = EdZ M ∫ ∫ (3.44) L L T−ơng tự nh− (3.41) ta cũng có thể viết: ∞ U = − RJdZ M ∫ (3.45) L 55
Thay J trong biểu thức cuối cùng bằng tích ∝J0, với J0 là mật độ dòng trong môi tr−ờng đồng nhất đẳng h−ớng vô hạn. I J = (3.46) 0 4πZ 2 Thay vào (3.45): I ∞ ∝ R U = dZ (3.47) M ∫ 2 4π L Z J Lấy αR bằng một giá trị trung bình f(z) của tích R tính cho khoảng cách từ J 0 M đến xa vô cùng: I ∞ dZ I  J  U = f (z) =  R (3.48) M 4π M∞ ∫ 2 4πL  J  L Z  0  M∞ Trong tính toán thực tế chỉ cần tính ∝R trong khoảng lấy tích phân bằng (5ữ10)L là đủ và phù hợp để tính (3.42) bằng ph−ơng trình:  J  R =  R (3.49) a  J   0  M∞ 3 Với một phân bố bất RS đồng nhất đơn giản nh− hình (3.4a) ta sẽ chứng minh rằng R điện trở Ra đo đ−ợc bằng hệ 2 h 2 điện cực thế AM phụ thuộc vào độ t−ơng phản điện trở của vỉa nghiên cứu R2 với điện trở l của các lớp vây quanh RS, vào 1 M RS Z khoảng cách l từ M tới vỉa, và với chiều dày h của vỉa 1 L Quy −ớc rằng hệ điện cực AM đặt vuông góc với các A mặt phân lớp. Trong tr−ờng hợp đó UM tại M đ−ợc tính: Hình 3.4a. Hệ điện cực AM ở gần vỉa nghiên cứu R2 ∞ ∞ Z1 +h ∞ U = RIdZ = R JdZ + R JdZ + R JdZ M ∫ ∫ S ∫ 2 ∫ S (3.50) L L Z1 Z1 +h Nhân vào tích phân thứ hai đại l−ợng (R2-RS)+RS và thay J bằng αJ0 ta sẽ có: 56
 Z1 Z1 +h ∞  Z1 +h U = R  αJ dZ + αJ dZ + αJ dZ + (R − R ) αJ dZ M S  ∫ 0 ∫ 0 ∫ 0  2 S ∫ 0 (3.51)  L Z Z1 +h  Z1 Vận dụng định lý trung bình khi lấy tích phân này ta có: I  α α −α α −α  h   1tb 2tb 1tb 3tb 2tb  U M = RS  + +  + (R2 − RS )α 2tb  (3.52) 4π   L Z1 Z1 + h  (Z1 + h)Z1  J Trong đó α1tb, α2tb, α3tb - hệ số α = lấy trung bình cho các phần 1, 2 và 3 J 0 t−ơng ứng của môi tr−ờng nghiên cứu. Nh−ng vì (α2tb - α1tb) và (α3tb - α2tb) th−ờng rất nhỏ so với α1tb; và các khoảng Z và Z1 + h lại lớn hơn L, nên có thể bỏ qua các số hạng quá nhỏ để biểu thức trên đ−ợng rút ngắn: I RSα tb1 h  U M ≈  + (R2 − RS )α 2tb  (3.53) 4π  L (Z1 + h)Z1  Thay (3.53) vào (3.43) ta có: U   R − R  hL  M  2 S  Ra = 4πL ≈ RS α1tb +  α 2tb  (3.54) I   RS  (Z1 + h)Z1  Ph−ơng trình (3.26) thể hiện quan hệ phụ thuộc giữa Ra với điện trở suất của các phần trong môi tr−ờng bất đồng nhất, chiều dài hệ cực L và bề dày h của vỉa thứ hai ở hình 3.4a. 3.2.3. Dáng điệu của đ−ờng cong đo điện trở trong giếng khoan Điện trở suất biểu kiến đo đ−ợc trong giếng khoan phụ thuộc phức tạp vào các yếu tố: loại và chiều dài của hệ điện cực đo, đ−ờng kính giếng, chiều sâu đới ngấm, điền trở suất và chiều dày của các lớp đất đá trong lát cắt Hình 3.5 thể hiện các đặc điểm và dáng điệu của các đ−ờng cong đo ghi Ra trong giếng khoan bằng các điện cực thế và gradien qua các phần lát cắt khác nhau. 3.2.3.1. Tr−ờng hợp hệ điện cực thế Dáng chung của đ−ờng Ra là đối xứng qua điểm giữa của vỉa. Tr−ờng hợp vỉa dày (h >> AM), điện trở cao (Rt > Rsh) (hình 3.5a), các điểm uốn (p và p’) trên đ−ờng cong AM lần l−ợt nằm ở vị trí thấp hơn nóc và cao hơn vách vỉa một khoảng đúng bằng . Vậy 2 trong tr−ờng hợp này nếu vạch vỉa theo các điểm uốn thì chiều dày biểu kiến sẽ nhỏ hơn chiều dày thực của vỉa một giá trị bằng AM. 57
Tr−ờng hợp vỉa mỏng (h Thế Gradien AO ), điện trở cao đ−ờng cong Ra luôn luôn có dạng không đối xứng (hinh 3.5a). Khi các điện cực M và N đi vào vỉa (vùng 1) chỉ có một phần dòng rất nhỏ đi đ−ợc vào vỉa nên hiệu điện thế đo đ−ợc rất thấp, trên đ−ờng cong đánh dấu bằng một cực tiểu ở ngay nóc vỉa. Lúc điện cực phát A đi vào vỉa a thì điện trở Ra đo đ−ợc tăng nhanh và tiến tới gần giá trị Rt (vùng 2). Khi các điện cực M và N tiến vào vỉa vây quanh bên d−ới thì hiệu điện thế giữa cặp điện cực này đột ngột 58
tăng do sự tập trung dòng phát từ môi tr−ờng điện trở cao vào môi tr−ờng điện trở thấp. Hiện t−ợng này đ−ợc đánh dấu bằng một cực đại trên đúng vách vỉa. Tiếp theo là hiệu điện thế giảm đột ngột do sự phân tán dòng trong môi tr−ờng điện trở thấp nên giá trị Ra đo đ−ợc cũng giảm theo (vùng 3). Điện trở trong vùng 3 giảm dần đến giá trị Rsh ở bên d−ới, cách ranh giới vỉa một khoảng bằng chiều dài AO của hệ điện cực. Dáng điện tr−ờng Ra vừa mô tả là dáng điệu của đ−ờng cong Ra đo đ−ợc bằng hệ điện cực gradien xuôi. Tr−ờng hợp trên nếu phép đo thực hiện bằng hệ điện cực gradien ng−ợc thì dáng điệu của đ−ờng cong đo đ−ợc sẽ đảo ng−ợc theo nguyên tắc ảnh g−ơng qua đ−ờng đối xứng đi qua trung tâm vỉa. Tr−ờng hợp vỉa mỏng (h < AO ) điện trở cao đ−ờng Ra cũng có dạng không đối xứng (hình 3.5b) nh−ng có dạng một pich nhọn ở vách vỉa. Các ranh giới vỉa đ−ợc vạch ở chân và đỉnh của pich nhọn. Thấp hơn ranh giới vách vỉa đ−ờng Ra có một cực đại lặp lại (cực đại ảo) có biên độ thấp hơn. Hai cực đại này cách nhau một khoảng bằng chiều dài AO của hệ điện cực. Gặp tr−ờng hợp vỉa dày điện trở rất cao (hình 3.5e) đ−ờng Ra có dạng pich nhọn không đối xứng, đỉnh của pich này nằm ngay trên vách vỉa. Cũng nh− tr−ờng hợp vỉa dày (hình 3.5a) ranh giới nóc vỉa đ−ợc xác định tại điểm cách chân của pich nhọn một khoảng bằng AO về phía trên. Các vỉa mỏng có điện trở thấp (hình 3.5c và 3.5d) thể hiện trên đ−ờng Ra phức tạp hơn các tr−ờng hợp vừa xét. Dáng đ−ờng cong Ra không đối xứng, các ranh giới nóc và vách vỉa có thể xác định theo các điểm cực trị: cực đại ở nóc, cực tiểu ở vách vỉa. Bên d−ới vách các vỉa này cùng tồn tại những cực tiểu lặp lại (cực tiểu ảo) các một đoạn bằng AO . 3.2.4. Chiều sâu nghiên cứu của các hệ điện cực a) Hệ điện cực thế Trong môi tr−ờng đồng nhất đẳng h−ớng, từ các ph−ơng trình (3.2) và (3.6) ta dễ dàng nhận thấy rằng tín hiệu UM sẽ giảm đi một nửa khi tăng chiều dài của hệ điện cực lên hai lần (AM’ = 2AM), và giảm tiếp đến 90% khi AM’ = 10AM. Vậy đất đá ở ngoài mặt cầu có bán kính r = 10AM chỉ còn đóng góp 10% tín hiệu đo. Nếu tính chiều sâu nghiên cứu của hệ điện cực là giới hạn phần môi tr−ờng bao bởi mặt cầu để ở đó có đ−ợc tín hiệu không ít hơn 50% thì chiều sâu nghiên cứu (r) của hệ điện cực thế bằng hai lần kích th−ớc của hệ điện cực: r = 2AM . Chú ý: Khả năng phân giải lát cắt theo chiều thằng đứng cũng sẽ t−ơng tự nh− vậy. b) Hệ điện cực gradien Từ ph−ơng trình (3.8) cũng có thể suy ra rằng vùng cho tín hiệu chính khi đo điện trở bằng hệ điện cực gradien là phần môi tr−ờng giới hạn bởi hai mặt cầu đồng tâm có bán kính lần l−ợt bằng AM và AN. 59
Vậy có thể nói rằng chiều sâu nghiên cứu của hệ điện cực gradien bằng chiều dài AO (hoặc MO) của hệ điện cực. c) Trong môi tr−ờng thực tế ở giếng khoan Trong môi tr−ờng thực tế ở giếng khoan luôn luôn gặp môi tr−ờng không đồng nhất phức tạp. Vì vậy các mặt đẳng thế UM trong môi tr−ờng này không còn là các mặt cầu đồng tâm đơn giản nh− môi tr−ờng đồng nhất đẳng h−ớng. Phần thể tích của môi tr−ờng có góp phần vào tín hiệu đo phụ thuộc rất nhiều vào kích th−ớc hình học và điện trở của các đới cận giếng, đ−ờng kính giếng và lớp vỏ sét. Các hình 3.6 và 3.7 sẽ giúp ta hình dung về chiều sâu nghiên cứu và vùng đóng góp tín hiệu đo từ các đới khác nhau lần l−ợt của hệ điện cực thế và gradien. Từ những điều phân tích và các hình vẽ 3.6 và 3.7 có thể đ−a ra các nhận xét nh− sau: - Nếu mọi yếu tố là nh− nhau, thì khi chiều dài của hệ điện cực càng lớn thì chiều sâu nghiên cứu của nó càng sâu. - Đối với một hệ điện cực, chiều sâu nghiên cứu của nó sẽ giảm dần khi tỷ số R điện trở t của thành hệ xung quanh giếng và dung tích khoan càng cao. Rm - Có cùng chiều dài, hệ điện cực thế sẽ có chiều sâu nghiên cứu lớn hơn hệ điện cực gradien. % Tín hiệu hiệu Tín % % Tín hiệu Hình 3.6. Bán kính nghiên cứu của hệ Hình 3.7. Bán kính nghiên cứu của hệ điện cực thế điện cực gradien a) Sơ đồ trong giếng khoan a) Sơ đồ trong giếng khoan b) Sự đóng góp tín hiệu của các đới cận giếng b) Sự đóng góp vào tín hiệu từ các đới cận giếng thay đổi theo khoảng cách 60
3.2.5. Các phép hiệu chỉnh Điện trở suất biểu kiến Ra đo trong giếng khoan là hàm phụ thuộc vào nhiều yếu tố: kích th−ớc hệ cực đo (L), điện trở suất lớp vỏ sét (Rme), đới rửa (Rxo), đới ngấm (Ri), đới nguyên (Rt), các lớp vây quanh (RS), chiều dày vỉa (h), đ−ờng kính đới ngấm (Di), đ−ờng kính giếng (d) Ra = f(L, h, Di, d, Rm, Rxo, Ri, Rt, RS ) Để đánh giá Rt cần phải hiệu chỉnh số đo Ra để loại bỏ các ảnh h−ởng của mọi tham số từ môi tr−ờng xung quanh: đ−ờng kính giếng, đới ngấm, chiều dày vỉa Ra/Rm Ra/Rm AO/d AM/d h/dh = 50 Ra/Rm AM/d Hình 3.8. Thí dụ về các bản chuẩn hiệu chỉnh (theo Schlumberger) 61
Nhằm tính toán cho phần lớn các tr−ờng hợp gặp trong thực tế, tr−ớc đây khi ch−a có những ch−ơng trình xử lý trực tiếp, ng−ời ta th−ờng dùng các bản chuẩn riêng biệt để tính Rt dựa vào quan hệ biến thiên: R  L R h R  a  t S  Đ−ờng kính Zond (85mm) = f  , , ,  , Đ−ờng kính giếng Rm  d Rm d Rm  Hình 3.8 là các bản Hệ cực Gradien chuẩn kiểu nh− vậy. Hai tr−ờng hợp đầu đ−ợc dùng khi vỉa dày vô hạn (h = ∞), trong đó một c thế ự dùng cho hệ điện cực gradien c ệ (hình 3.8a), và một dùng cho hệ H điện cực thế (hình 3.8b). Bản chuẩn thứ ba (hình 3.8c) dùng cho tr−ờng hợp vỉa có chiều dày hữu hạn (trên hình là tr−ờng hợp h = 50d) chung cho cả hệ cực thế (đ−ờng liền nét) và gradien (đ−ờng không liền nét). Hình 3.9. Bản chuẩn hiệu chỉnh đ−ờng kính giếng R AO L−u ý: Các bản chuẩn trong hình 3.8, trục tung là giá trị a , trục hoành - Rm d AM (hoặc ) là để các bản chuẩn phù hợp cho mọi hệ điện cực và mọi giá trị điện trở d Rt. ở đây tính đa nghiệm của bài toán ng−ợc đ∙ đ−ợc khống chế bằng một bản chuẩn. Hình 3.9 là một thí dụ bản chuẩn hiệu chỉnh ảnh h−ởng của đ−ờng kính giếng lên kết qủa đo Ra bằng hệ điện cực thế AM = 0,4 m và gradien AO = 5,7m. 3.2.6. Vi hệ điện cực (không hội tụ dòng) - Microlog ML Vi hệ điện cực là hệ điện cực có chiều dài rất nhỏ. Vi hệ điện cực không hội tụ dòng là hệ gồm 3 điện cực điểm bố trí thẳng hàng trên một tấm cao su cách điện có tẩm dàu (hình 3.10). Các điện cực A0, M1 và M2 đặt cách đều nhau 1” (2,54 cm). Tấm cao su chế tạo bằng loại cao su xốp đ−ợc tẩm dầu trên đó gắn các điện cực A0 M1 M2. Nhờ một cánh đòn bằng thép, khi làm việc, tấm cao su và Hình 3.10. Sơ đồ vi hệ điện cực (Microlog- các điện cực đ−ợc ép sát vào thành giếng ML). a) Nguyên tắc phát dòng đo; b) ảnh nhờ lực ép thuỷ lực tạo ra trong máy. chụp tấm cao su có gắn 3 điện cực 62
a) Sơ đồ đo điện trở bằng vi hệ điện cực - ML Sơ đồ đo điện trở bằng vi hệ điện cực đ−ợc mắc nối nh− hình 3.11. Dòng phát đ−ợc đ−a vào môi tr−ờng nghiên cứu qua điện cực A. Máy đo G trên mặt đất ghi hiệu điện thế giữa hai điện cực M M . Giá trị ∆U tỷ lệ với điện trở 1 2 M1M 2 K suất của môi tr−ờng theo tỷ số G , trong đó K là hệ số của vi hệ điện cực gradien I G M20,025M10,025A, (1”ì1”); I - c−ờng độ dòng phát qua điện cực A. - + Máy đo T mA G T sẽ ghi điện thế tại điện cực M2, (U ), tỷ lệ với B N M 2 điện trở suất theo Ra K tỷ lệ T ; K là hệ I T số của vi hệ điện R2” cực thế N∞M20,05A, (2”). R1”x1” I- C−ờng độ dòng phát qua A. Các vi hệ điện cực thế và M2 gradien có chiều sâu nghiên cứu M1 khác nhau. Vi hệ A điện cực gradien Hình 3.11. Sơ đồ nguyên tắc đo điện trở suất có chiều sâu bằng vi hệ điện cực nghiên cứu bằng chiều dài của nó, AO = 0,037m. Trong khi đó chiều sâu nghiên cứu của vi hệ điện cực thế xấp xỉ bằng hai lần chiều dài AM2: r = 2AM2 = 0,1m. Nh− vậy, ta đồng thời đo ghi đ−ợc hai giá trị điện trở suất, một của hệ điện cực gradien (R1”x1”), cho giá trịđiện trở của vùng sát thành giếng tới chiều sâu khoảng 3,7cm; và một còn lại của hệ điện cực thế (R2”) có chiều sâu nghiên cứu lớn hơn gấp đôi (r = 10cm). b) Phân tích kết quả đo Ta có nhận xét rằng, giá trị điện trở suất R1”x1” phản ảnh chiều sâu không quá 4cm vào thành giếng nên đại l−ợng này rất nhạy với sự thay đổi chiều dày và điện trở suất của lớp vỏ sét bám trên thành giếng nơi đá có độ rỗng và độ thấm cao. Trong khi đó giá trị điện trở R2” phản ảnh vùng sâu hơn (≤ 10cm) nêm nhạy với sự thay đổi điện trở suất của đới rửa ở các vỉa nói trên. 63