Bài giảng Địa vật lý giếng khoan phần 1: TS. Lê Hải An

Phần 1: Các phương pháp ño trường tự nhiên

• Phương pháp thế tự nhiên (SP) – Spontaneous Potential

ðỊA VẬT LÝ GIẾNG KHOAN

• Phương pháp gammma tự nhiên (GR) – Natural Gamma Ray

• Phương pháp phổ gammma (NGS) – Natural Gamma Ray

Spectometry

Phương pháp thế tự nhiên

TS. Lê Hải An Bộ môn ðịa vật lý, Khoa Dầu khí, TRƯỜNG ðẠI HỌC MỎ - ðỊA CHẤT

Giếng khoan

Phương pháp thế tự nhiên

ðo ghi chênh lệch ñiện thế giữa ðiện cực nối ñất

ñiện cực thả vào trong giếng khoan và ñiện cực ở trên mặt ñất (khi không có dòng ñiện phát – trường ñiện thế tự nhiên) ðiện thế này thay ñổi từ lớp ñất Cáp ño ñá này sang lớp ñất ñá khác ðiên thế có thể biến thiên từ một vài ñến hàng trăm millivolt

ðiện cực

Phương pháp thế tự nhiên

Nguồn gốc của trường thế tự nhiên

• •

Gồm 2 nguồn chính:

Thế ñiện hóa học (electrochemical) Thế ñiện ñộng lực (electrokinetic)

Giếng khoan phải là ñược khoan bằng dung dịch cơ sở gốc nước (không ño ghi ñược trong giếng khoan bằng dung dịch cơ sở gốc dầu) Hệ ñiện cực ño ghi SP ñược chế tạo trong nhiều máy giếng như: induction log, laterolog, sonic log, sidewall core gun

1

Giếng khoan

Thế ñiện hóa (Ec) Thế ñiện hóa (Ec) Thành phần thứ nhất: thế hấp phụ - thế màng lọc (Em)

Sét cho phép các ion Na+ ñi qua, trong khi ñó

Thế ñiện hóa học: gồm hai quá trình ñiện

lại ngăn cản không cho các ion Cl- ñi qua và hấp phụ chúng. Dòng ion Na+ chạy qua lớp sét từ nơi có ñộ khoáng hóa cao (nước vỉa) ñến nơi có ñộ khoáng hóa thấp (filtrate dung dịch khoan) tạo nên một ñiện thế hấp phụ Em hóa xảy ra khi có hai chất lưu có nồng ñộ khoáng hóa khác nhau (filtrate dung dịch khoan và nước vỉa) tiếp xúc vói nhau hay thông qua màng bán thấm (sét vây quanh)

Giếng khoan

Cột dung dịch

Thế ñiện hóa (Ec) Thế ñiện ñộng lực (Ek) Thành phần thứ hai: thế khuyếch tán (Ej)

Giữa thành hệ và dung dịch khoan có sự chênh lệch về nồng ñộ khoáng hóa (chủ yếu là NaCl: ion Na+ và ion Cl-) Hình thành khi có dòng dung dịch ñiện phân thấm vào môi trường rỗng phi kim (không kim loại) Các ion sẽ chuyển dịch từ nơi có nồng ñộ cao Sự chênh áp giữa cột dung dịch và vỉa gây (nước vỉa) sang nơi có nồng ñộ thấp (dung dịch khoan) nên dòng filtrate dung dịch khoan thấm vào thành hệ (quá trình xâm nhập) Do ñộ linh ñộng của ion Na+ và Cl- khác nhau Dòng filtrate dung dịch khoan ñi qua lớp vỏ bùn (mudcake) tạo nên một thế ñiện ñộng lực Ek Thế ñiện ñộng lực Ek này rất nhỏ và biến mất khi lớp vỏ sét trở nên không thấm (ion Cl- chuyển ñộng nhanh hơn), do vậy mà tạo nên trên ranh giới giữa ñới rửa và ñới nguyên một ñiện thế khuyếch tán Es

ðiện thế toàn phần ðiện thế toàn phần (SSP)

SP = Ej + Em + Ek

Elj + Em Ej + Em

Shale Sand

Eliquid junction Ej

Mud

Virgin zone

Invaded zone

• Với dung dịch NaCl tại 25°C (77°F): Em = -59.1log(Rmfe/Rwe) và Ej = -11.5 log(Rmfe/Rwe) trong ñó Rmfe and Rwe là ñiện trở suất tương ñương, liên quan ñến giá trị ñiện trở suất dung dịch khoan Rmf và ñiện trở suất nước vỉa Rw Em Emembrane • ðiện thế toàn phần hay ñiện thế tĩnh SSP (static SP) với lớp cát dày: SSP = -K . log (Rmfe/Rwe) trong ñó K là hằng số tỉ lệ với nhiệt ñộ T= (61+0.13T) khi T tính theo °F: SSP = - (61 + 0.13T) . log (Rmfe/Rwe)

2

Ảnh hưởng của ñộ khoáng hóa ðường cong SP

ðơn vị ño là millivolt (mv)

Không có vẽ trên lưới theo tỉ lệ mà chỉ có ñơn vị quy ước cho chênh lệch 20mv

ðường cong SP Ảnh hưởng của môi trường xung quanh lên ñường cong SP

Xác ñịnh ñiện trở suất của nước vỉa Rw Ứng dụng của phương pháp thế tự nhiên SP

Cần biết: 1. Phân chia các lớp ñất ñá trong giếng khoan theo thành phần thạch 1. ðiện trở suất của filtrate dung dịch khoan (Rmf) học (phân biệt các vỉa thấm chứa và vỉa sét) 2. Nhiệt ñộ của thành hệ (T0C) 2. Xác ñịnh ranh giới và chiều dày của các vỉa cát sét 3. ESSP 3. Xác ñịnh hàm lượng sét 4. Xác ñịnh ñiện trở suất của nước vỉa Rw 5. Liên kết các giếng khoan

3

Xác ñịnh ñiện trở suất của nước vỉa Rw Xác ñịnh ñiện trở suất của nước vỉa Rw 1. Xác ñịnh Rmf tại nhiệt ñộ thành hệ 2. Xác ñịnh Rmfeq Rmf Rmf

Rmf@T0 Rmfeq

Xác ñịnh ñiện trở suất của nước vỉa Rw Xác ñịnh ñiện trở suất của nước vỉa Rw 3. Xác ñịnh tỉ số (Rmfeq/Rweq) 4. Xác ñịnh Rw Rweq ESSP

Rmfeq/Rweq Rw

Xác ñịnh ñiện trở suất của nước vỉa Rw Xác ñịnh ñiện trở suất của nước vỉa Rw

Cho biết: 1. Nhiệt ñộ thành hệ là 1740F 2. Nhiệt ñộ trên mặt ñất là 780F 3. ðiện trở suất của filtrate dung dịch khoan là Rmf= 0.64 ohmm@780F 4. ESSP=-90 mv Cho biết: 1. Gradien nhiệt ñộ là 30C/100m 2. Nhiệt ñộ trên mặt ñất là 250C 3. Thành hệ @ 2000m 4. ðiện trở suất của filtrate dung dịch khoan là Rmf= 0.05 ohmm@250C 5. ESSP=-112 mv

4

Phương pháp gamma tự nhiên

Spontaneous Potential © Schlumberger

Phương pháp gamma tự nhiên (GR) ño ghi cường ñộ phóng xạ gamma tự nhiên của thành hệ.

Hầu như tất cả các loại thành hệ ñất ñá ñều bức xạ ra tia gamma và cường ñộ phụ thuộc vào hàm lượng của các ñồng vị phóng xạ của Kali, Thori va Uran có chứa trong thành hệ ñó

Phương pháp gamma tự nhiên

Tia gamma

Tia gamma là một dạng sóng ñiện từ có năng lượng cao phát ra từ một nguyên tố ñồng vị phóng xạ trong tự nhiên. GR ño ghi trong giếng khoan thường phản Sét

Cát sét

Hầu hết các tia gamma tự nhiên ở vỏ quả ñất ñược phát ra từ 3 nguồn ñồng vị phóng xạ chính:

Cát sạch

ánh thành phần sét của thành hệ bởi vì trong các thành hệ trầm tích, các nguyên tố phóng xạ thường có khuynh hướng tích tụ trong sét và khoáng vật sét. Thành hệ sạch (không có sét) thường có • • • Kali (K40) Thori (Th232) Uran (U238)

cường ñộ phóng xạ rất nhỏ, ngoại trừ tàn núi lửa hoặc granite wash hoặc khi trong nước trong thành hệ có chứa muối phóng xạ hoà tan Sét

5

Tương tác của tia gamma trong môi trường Tia gamma

Khi ñi qua môi trường vật chất (thành hệ ñất ñá), tia gamma thực hiện các va chạm với các electron của các nguyên tử trong môi trường ñó và mất dần năng lượng sau mỗi lần tương tác Ba hiệu ứng chính của tia gamma khi tương tác với môi trường

1. Hiệu ứng tạo cặp 2. Hiệu ứng tán xạ Compton 3. Hiệu ứng hấp thụ quang ñiện

Thori (Th232)

Uran (U238) cho

Mỗi nguyên tố ñồng vị phóng xạ phát xạ tia gamma có cường ñộ và năng lượng riêng khác với các nguyên tố khác • Kali (K40) chỉ cho 1 mức năng lượng 1.46 MeV • cho mức năng lượng 2.62 MeV • mức năng lượng 1.76 MeV

Tương tác của tia gamma trong môi trường Tương tác của tia gamma trong môi trường

Hiệu ứng tạo cặp Hiệu ứng tán xạ Compton Tia gamma có năng lượng cao (>10MeV) có thể tương tác trực tiếp với hạt Va chạm ñàn hồi giữa tia gamma với một electron ở lớp ngoài cùng của nhân nguyên tử và bị hấp thụ hoàn toàn, làm bắn ra từ hạt nhân một cặp tích ñiện trái dấu là electron và positron nguyên tử, làm cho tia gamma tán xạ một góc so với hướng ban ñầu và bắn ra một electron compton có năng lượng lớn

Tương tác của tia gamma trong môi trường Thiết bị ño ghi gamma

Hiệu ứng hấp thụ quang ñiện Máy giếng GR có 1 ñầu thu ño ghi cường ñộ của tia gamma phát ra từ thành Va chạm không ñàn hồi của tia gamma với nguyên tử và mất hoàn toàn hệ xung quanh máy giếng. Hiện nay, ống ñếm nhấp nháy (scintillation counters) ñược sử dụng chủ yếu năng lượng. Lúc này nguyên tử tích thêm năng lượng và ở vào trạng thái kích thích Nguyên tử thoát khỏi trạng thái kích thích bằng cách bắn ra một electron cho phép ño ghi này thay cho ống ñếm Geiger-Mueller trước ñây. Ống ñếm nhấp nháy chỉ dài có vài inches nhưng cho giá trị ño ghi khá là chính xác, gồm một tinh thể NaI lớn Khi tia gamma ñâm vào tinh thể NaI tạo ra một tia sáng, sau ñược chuyển thành một xung ñiện bằng một tế bào quang ñiện

6

ðường cong gamma (GR) ðường cong gamma (GR) phụ thuộc tốc ñộ kéo cáp

ðơn vị ño là API hoặc xung/phút

sét

Tốc ñộ kéo cáp càng nhanh thì dị thường lại càng bị dịch chuyển lên trên ra khỏi vị trí ñúng ðặc ñiểm của ñường cong GR: • ðối xứng ở vỉa ñồng nhất • Biên ñộ dị thường phụ thuộc chiều dày của vỉa

Dáng ñiệu của ñường cong GR phụ thuộc vào tốc ñộ kéo cáp 1m cát

Phải khống chế tốc ñộ kéo cáp của máy sao cho không ñi ñược quá 1ft trong khoảng hằng số thời gian 2s (khoảng thời gian ñếm tia gamma) vertical resolution GR tool 1ft = sét

Ưu ñiểm của phương pháp gamma (GR) ðơn vị ño gamma API

Tại University of Houston Một ống trụ dài 24ft., 4ft ñường kính, chứa 8ft xi măng ở giữa trộn với 12ppm U, 24ppm Th và 4% K

Một trong những ưu ñiểm của phương pháp gamma tự nhiên là có thể ño ghi ở mọi môi trường, mọi ñiều kiện, trong giếng khoan ñã chống ống, trong giếng khoan khoan bằng dung dịch cơ sở gốc nước (mặn, ngọt), gốc dầu.

1 API ñược ñịnh nghĩa bằng 1/200 của chênh lệch cường ñộ phóng xạ gamma giữa sét nhân tạo và vỉa vây quanh

Ứng dụng của phương pháp gamma tự nhiên GR Ứng dụng của phương pháp gamma tự nhiên GR

• Liên kết các giếng khoan 1. Phân chia tỉ mỉ các lớp ñất ñá trong giếng khoan 2. Xác ñịnh ranh giới và chiều dày của các vỉa cát sét 3. Xác ñịnh hàm lượng sét 4. Liên kết các giếng khoan 5. Xác ñịnh môi trường trầm tích 6. Xác ñịnh vật chất hữu cơ và ñá sinh 7. Phát hiện thân quặng chứa phóng xạ

7

Ứng dụng của phương pháp gamma tự nhiên GR Ứng dụng của phương pháp gamma tự nhiên GR

• Xác ñịnh hàm lượng sét • Xác ñịnh hàm lượng sét

7.1

38.3

GRI (

2)7.0

Vsh

(

GRI

)

GRI

2(*33.0

= sh GRI

shV

I R G

(

= )7.12.1

*7.3

GRI

Công thức Clavier - - Công thức cho ñá già (consolidated rocks) - Công thức Bateman ‚ Công thức cho ñá trẻ ñệ Tam (unconsolidated rocks)

5.0

GRI

5.1(

GRI

)

2(*083

V sh

shV

Vsh

Công thức Steiber - -

• Phương pháp phổ Gamma (NGS) ño ghi cường ñộ phóng xạ toàn phần và

Phương pháp phổ gamma

ño ghi cả số lượng tia gamma và mức năng lượng của từng bức xạ gamma, nhờ ñó mà cho phép xác ñịnh thành phần của các ñồng vị nguyên tố phóng xạ K, Th và U trong thành hệ

Phương pháp phổ gamma ðường cong phổ gamma

Trên tài liệu ño ghi phổ gamma:

• URAN - hàm lượng U (phần triệu, ppm) • THOR- hàm lượng Th (phần triệu, ppm) • POTA- hàm lượng K (phần trăm, %) ñược ghi trên rãnh 2 và 3

• SGR (spectral gamma ray) - gamma tổng (API)

• CGR (computed gamma ray) - gamma tổng trừ ñi thành phần của U (API) hay là gamma tổng thành phần của Th và K ñược ghi ở rãnh 1 Toàn bộ phổ gamma ñược chia thành 5 mức cửa sổ năng lượng: W1, W2, W3, W4, W5 ñể “bắt giữ”các tia gamma tương ứng với các ñồng vị phóng xạ khác nhau, từ ñó có thể xác ñịnh ñược hàm lượng K, U và Th trong thành hệ