Các phương pháp nơtron

Chia sẻ: Nguyễn Xuân Quang | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:19

Thêm vào BST

Báo xấu

55
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu thông tin đến quý độc giả phương pháp nơtron- gamma NGK; nguồn phát xạ nơtron; chiều sâu nghiên cứu của phương pháp; phương pháp nơtron- nơtron NNK; các loại máy giếng dùng trong các phương pháp nơtron; chiều sâu nghiên cứu và độ phân giải; các yếu tố ảnh hưởng lên kết quả đo nơtron... Mời các bạn cùng tham khảo tài liệu để nắm chi tiết nội dung.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Các phương pháp nơtron

Các phương pháp nơtron Nhóm các phương pháp nơtron bao gồm các biến thể khác nhau, chúng đều có cơ sở chung là dùng nguồn bắn phá môi trường nghiên cứu bằng một chùm các nơtron nhanh và đo ghi các hiệu ứn g do kết quả của quá trình tương tác giữa các nơtron với môi trường vật chất. 1. Phương pháp nơtron- gamma NGK a) Cơ sở vật lý: Bắn phá đất đá ở thành giếng khoa n bằng các hạt nơtron và đo cường độ bức xạ gamma phát xạ từ một số nguyên tố nhất định trong đá do kết quả bắt giữ nơtron nhiệt là nguyên tắc chung của phương pháp nơtron- gamma. Các nơtron nhanh bắn ra từ nguồn S, va chạm với các hạt nhân trong môi trường các nơtron bị mất dần năng lượng và trở thành nơtron nhiệt. Quá trình làm chậm các nơtron nhanh để biến thành nơtron nhiệt càng mau chóng khi trong môi trường nghiên cứu có nhiều hạt nhân nhẹ. Ở mức năng lượng thấp, nơtron nhiệt rất dễ bị một số hạt nhân trong môi trường bắt giữ. Xác suất để các nơtron nhiệt bị bắt giữ phụ thuộc vào tiết diện bắt giữ hiệu dụng đối với nơtron nhiệt của các 8 nguyên tử có trong môi trường. Sau khi Hình 1. Sơ đồ nguyên tắc của phương pháp đo bắt giữ nơtron, hạt nhân rơi vào trạng thái Nơtronư Gamma. kích thích và chúng thường thoát khỏi trạng thái này theo cách phát xạ năng lượng dưới dạng một lượng tử gamma. Các lượng tử này còn được gọi là gamma bắt giữ để phân biệt với các Gamma Ray tự nhiên. Một phản ứng điển hình của quá trình bắt giữ nơtron nhiệt là sự bắt giữ của hạt nhân hydro: 1
Lượng tử gamma sinh ra trong phản ứng trên có phổ năng lượng 2,23MeV. b) Sơ đồ nguyên tắc: Hình 1 là sơ đồ đo theo phương pháp nơtron và gamma bắt giữ. Trong máy giếng (1) gồm có nguồn S phát xạ ra các nơtron và detector D để đếm các lượng tử gamma bắt giữ. Giữa nguồn S và detector D có màn chì (4) để ngăn các tia gamma không đi thẳng từ nguồn đến detector. Tín hiệu từ máy giếng đi theo cáp lên mặt đất qua các ngăn điều chế tín hiệu (2) sau đó đưa lên bộ ghi (3). Cường độ phóng xạ gamma bắt giữ phụ thuộc vào hàm lượng nguyên tố hydro trong môi trường nghiên cứu. Trong tự nhiên, nguyên tố này có trong pha lỏng (dầu, nước) và pha khí của đá. Các lưu chất này bão hoà lấp kín trong lỗ rỗng của đá, do đó cường độ gamma bắt giữ đo Hình 2. Mật độ các nơtron nhiệt của nguồn Ra-Be được sẽ có quan hệ chặt chẽ với độ lỗ rỗng Φ của thành hệ đá chứa. Hàm lượng hydro trong dầu và nước được coi là xấp xỉ bằng nhau. Trong khi đó hàm lượng của nguyên tố này trong pha khí thì ít hơn hẳn. Dựa vào thực tế đó người ta có thể phân biệt được chất lưu bão hoà trong đá chứa là dầu nước hay khí. Mật độ các nơtron nhiệt hay cũng là cường độ phóng xạ gamma bắt giữ còn phụ thuộc vào khoảng cách từ nguồn S đến detector D hay cũng là chiều dài của thiết bị đo (L). Hình 2 biểu diễn sự thay đổi mật độ của các nơtron nhiệt theo kích thước L trong các môi trường đá chứa có hàm lượng hydro khác nhau (chỉ số đường cong). 2
Theo khoảng cách, từ gần đến xa nguồn S chia làm 3 vùng lần lượt là A, B và C với tên gọi: Vùng gần A, vùng mù B và vùng xa C. Trong vùng gần, mật độ các nơtron nhiệt tỷ lệ thuận với hàm lượng hydro trong môi trường. Ở vùng xa, quan hệ này ngược lại tỷ lệ nghịch với hàm lượng hydro. Trong vùng mù, các đường biểu diễn phân bố mật độ nơtron nhiệt cắt chéo nhau, có nghĩa là ở đó mật độ nơtron không “nhạy” với hàm lượng hydro. Đặc điểm vừa nêu nói lên rằng để giá trị đo cường độ gamma bắt giữ phân dị theo hàm lượng hydro trong môi trường nghiên cứu thì ta phải chọn khoảng cách từ nguồn đến detector rơi vào vùng gần và vùng xa, tránh vùng mù. Trong Địa vật lý giếng khoan nhằm hạn chế ảnh hưởng của giếng khoan và phép đo có độ nhạy cao người ta thường chọn kích thước Zond đo khoảng cách L rơi vào vùng xa (C). Thường khoảng cách đó L ≥ 0,4m. Với kích thước Zond đo như vậy, cường độ phóng xạ gamma bắt giữ tỷ lệ nghịch với tiết diện σ bắt giữ vĩ mô của môi trường đối với các nơtron nhiệt. Các đá chứa nước có độ khoáng hoá cao (NaCl, KCl,) và đặc biệt là các tập muối có tầm quan trọng trong việc bắt giữ nơtron (với phản ứng n,γ). ở các lớp đó tiết diện bắt giữ vĩ mô tăng lên do có mặt nguyên tố Clo đối với nơtron nhiệt (σ Cl = 33 bar). Ngoài ra, nơtron còn có thể bị bắt giữ bởi sự có mặt của các nguyên tố bor, liti, cadmi, cobalt, mangan, vanadi,… trong đá. Khi có mặt bor và liti trong đá thì phản ứng bắt giữ theo kiểu (n,α ): Những phản ứng loại này (n, α ) sẽ làm giảm cường độ phóng xạ gamma bắt giữ từ phản ứng (n, γ). Các lượng tử gamma sinh ra do bắt giữ nơtron nhiệt có các năng lượng khác nhau. Phần lớn các nguyên tố khi bắt giữ nơtron nhiệt thì phát ra lượng tử gamma có năng lượng thay đổi trong phạm vi rộng từ vài phần mười đến một vài MeV, chỉ riêng hạt nhân hydro khi bắt giữ nơtron nhiệt thì phát ra lượng tử gamma có năng lượng 2,23 MeV và đây là phổ năng lượng đặc trưng của hạt nhân hydro khi bắt giữ nơtron nhiệt. 3
c) Nguồn phát xạ nơtron: Trong thực tế sản xuất người ta có thể dùng một trong hai loại nguồn phát nơtron:  Nguồn đồng vị.  Máy phát nơtron. Các nguồn đồng vị phát xạ nơtron phổ biến là dùng cá c đồng vị Ra, Po, Pu hoặc Am ở dạng bột trộn lẫn với bột Be. Các đồng vị Ra , Po, Pu và Am phân rã bắn ra tia α (Heli). Các hạt α này bắn vào các hạt nhân Be gây phản ứng hạt nhân. Các nơtron sinh ra từ phản ứng (5.31) có năng lượng từ 1 MeV đến 13 MeV trong đó tập trung nhất là các nơtron có năng lượng trong khoảng 3,2 - 5.0 MeV. Nguồn Ra- Be cóưu điểm là luồng nơtron ổn định vì chu kỳ bán rã của Radi là 1620 năm nhưng cũng có nhược điểm là có phông phóng xạ gamma lớn, không lợi cho phép đo nơtron- gamma. Nguồn Po- Be phát ra các nơtron với phông gamma không đáng kể nhưng có nhược điểm là chu kỳ bán rã ngắn (TPo = 140 ngày) nên nguồn cần được chuẩn lại theo định kỳ. Nguồn Pu- Be và Am- Be phát luồng nơtron kèm với phông gamma thấp, có chu kỳ bán rã dài (T Pu = 24300 năm và T Am = 458 năm) là nguồn lý tưởng sử dụng trong Địa vật lý giếng khoan. Các nguồn này phát luồng nơtron khá ổn định. Nguồn Californium (252 Cf) là nguồn đồng vị được dùng phổ biến hiện nay cả trong thực nghiệm ở phòng thí nghiệm lẫn trong đo giếng khoan. Đồng vị 252 Cf tự phân rã phát ra nơtron gần đơn năng và với luồng nơtron lớn hơn các nguồn khác (1 Curie chất Cf sẽ phát ra luồng 4,4.10-9 nơtron/s). Nguồn này có ưu điểm là kích thước rất bé (gần như nguồn điểm), phát luồng nơtron ổn định. Trong khi đo kích hoạt phóng xạ người ta hay dùng nguồn Californium vì nó có luồng phát nơtron gần như không đổi. Chu kỳ bán rã của đồng vị Cf tương đối ngắn (TCf = 265 năm) so với các nguồn khác Am-Be, Pu-Be là các nguồn được dùng trong các phép đo nơtron bình thường. Các nơtron phát ra từ nguồn Cf có năng lượng tương đối thấp (En = 2,3MeV) nhưng gần đơn năng. Khi thực hiện phương pháp nơtron- 4
gamma thường dễ bị ảnh hưởng của cường độ bức xạ gamma tự nhiên (GR). Để tránh ảnh hưởng đó, người ta thường chọn cách dùng nguồn nơtron có công suất lớn để trường phóng xạ gamma bắt giữ lớn gấp hàng chục lần trường GR. Nếu chiều dài L = 50 cm thì dùng nguồn từ 2-4Ci . Máy phát nơtron: Máy phát nơtron dùng trong Địa vật lý giếng khoan là một ống gia tốc hạt kiểu Van de Graff có kích thước nhỏ, phát ra các nơtron nhờ phản ứng hạt nhân giữa các đồng vị hydro nặng deuterium và tritium Trong phản ứng này tạo ra một nguyên tử Helium (hạt α ) và một nơtron đơn năng có năng lượng lớn (14 đến 15 MeV). Sơ đồ nguyên tắc của một máy phát nơtron được trình bày trong hình 3 Trong ống gia tốc bằng thuỷ tinh (1) chứa nguồn deuteri (2) (Sợi dây tóc bằng Titan có tẩm deuteri). Khi sợi Titan bị đốt nóng trong ống chứa deuteri dưới áp suất 10-2 đến 10-3 atm, catot của Hình 3. Sơ đồ nguyên tắc của một máy phát nơtron đèn (3) bắn ra các electron. Các điện tử này chuyển động chạm vào thành ống (4) tích điện dương, trên đường di chuyển chúng làm ion hoá các nguyên tố deuteri. Các ion này được gia tốc lên nhờ có ống dây (7) - cấu tạo bởi các vòng quấn và có từ tính không đổi. Trên đường đi, các ion được hội tụ lại bởi lưới hội tụ (5) để hướng tới bia tritium (6) với năng lượng đủ lớn để tạo phản ứng tổng hợp ra Heli đồng thời làm bắn ra các nơtron cực nhanh. Các loại máy phát hay sử dụng trong sản xuất làm việc theo chế độ xung và cho thông lượng nơtron cỡ 2,5.10^7 n/s. Ngoài ra còn có các kiểu máy phát nơtron 5
khác có thông lượng gấp mười lần lớn hơn và có th ể làm việc cả hai chế độ xung và liên tục. Các máy phát nơtron có nhiều ưu điểm: phát các nơtron có năng lượng lớn và đơn năng, luồng nơtron lớn. Nhờ làm việc ở chế độ xung nên đã là cơ sở thực hiện phương pháp xung nơtron để giải quyết nhiều vấn đề địa chất trong nghiên cứu các mỏ dầu khí, chẳng hạn xác định bản chất của chất lưu trong đá chứa. Về mặt kỹ thuật an toàn, các máy phát nơtron ưu việt hơn hẳn các nguồn nơtron dùng đồng vị phóng xạ. d) Chiều sâu nghiên cứu của phương pháp Chiều sâu hay bán kính nghiên cứu của phương pháp nơtron- gamma được hiểu là bề dày của lớp đất đá tính từ thành giếng khoan đến bề mặt hình trụ, ở đó các nơtron có thể xuyên tới và bị bắt giữ băn ra các lượng tử gamma bắt giữ để các detector có thể ghi được. Như vậy, chiều sâu nghiên cứu của phương pháp phụ thuộc vào chiều dài của Zond đo L và khoảng đâm xuyên của các nơtron. Chiều dài L của các máy giếng khoảng 0,5m. Chiều sâu đâm xuyên của nơtron trong đất đá phụ thuộc vào hàm lượng hydro có trong đá. Vì vậy, các đá rắn chắc, lỗ rỗng thấp thì chiều sâu đâm xuyên lớn tới 0,6m. Trong các đá colector chứa dầu hoặc nước, khoảng đâm xuyên đó giảm đi hàng chục lần nên chiều sâu nghiên cứu của phương pháp (n-γ) chỉ vào khoảng 0,05m. e) Phạm vi ứng dụng Phương pháp nơtron- gamma được sử dụng để phân chia lát cắt địa chất giếng khoan theo hàm lượng hydro trong các lớp đất đá. Tr ong các giếng khoan dầu khí, cùng với GR, phương pháp nơtron- gamma đóng vai trò như phương pháp phóng xạ chuẩn. Vì phép đo (n-γ) nhạy với hàm lượng hydro trong pha lỏng của đá nên nếu đá trong điều kiện thuận lợi (nước vỉa có độ khoáng hoá cao), phương pháp nơtron- gamma dùng để xác định ranh giới dầu-nước. Tổ hợp các phương pháp nơtron- gamma với phương pháp gamma- gamma mật độ để nghiên cứu các giếng khoan than rất có hiệu quả. Trong nghiên cứu các quặng rắn, phép đo phổ gamma bắt giữ theo phương pháp nơtron- gamma có thể giúp phát hiện một số quặng khác nhau. 2. Phương pháp nơtron- nơtron NNK 6
Phương pháp nơtron- nơtron được thực hiện theo ng uyên tắc bắn phá môi trường nghiên cứu xung quanh giếng khoan bằng một luồng các nơtron nhanh và đo ghi các nơtron có năng lượng thấp (En < 1eV) , kịp đi tới detector trước khi có thể bị một số nguyên tố trong môi trường bắt giữ. Dựa vào mức năng lượng của các nơtron khi chạm tới detector để phép đo được thực hiện người ta chia phương pháp này thành hai biến thể: - Phương pháp nơtron- nơtron nhiệt. - Phương pháp nơtron- nơtron trên nhiệt. a) Phương pháp nơtron- nơtron nhiệt Trong biến thể này phép đo ghi các nơtron đã ở trạng thái nơtron nhiệt. ở trạng thái năng lượng nhiệt, các nơtron có đặc tính ít thay đổi năng lượng và khuyếch tán lan toả trong môi trường đất đá cho đến khi bị bắt giữ. Khi nghiên cứu các giếng khoan quặng, phương pháp nơtron- gamma dùng để phát hiện các quặng có chứa Mn, Al, Li, B, Nếu kết hợp với phương pháp nơtron- nơtron, phương pháp nơtron- gamma không chỉ dùng để ph át hiện quặng Bor mà còn tích hợp để tính định lượng bão hoà dầu và nước thì số đo của phương pháp nơtron- gamma dùng để tính độ rỗng. Sơ đồ nguyên tắc khi tiến hành đo nơtron- nơtron nhiệt gần giống như sơ đồ đo nơtron- gamma (Hình 1). Một khác biệt cơ bản ở đây là detector D chỉ đếm các nơtron nhiệt mà không đếm các lượng tử gamma bắt giữ. Để có được điều kiện đó, người ta có hai việc cần làm: Một là chọn khoảng cách từ nguồn đến detector (Ln-n) nhỏ hơn khi đo nơtronư gamma (Ln-n < Ln-γ). Hai là, trên thành ống đếm có quét một lớp parafil tẩm bột bor, bên trong chứa khí Helium (3He). Nguyên tố đồng vị He3 có tiết diện bắt giữ nơtron nhiệt rất lớn nhưng lại không bắt giữ nơtron đang ở mức năng lượng cao. Mỗi nơtron nhiệt lọt vào detector sẽ sinh ra một hạt α theo phản ứng: Hạt α sẽ ion hoá chất khí trong detector và làm cho nó hoạt động để phép đo nơtron nhiệt được thực hiện. Hydro có vai trò chính trong quá trình làm chậm các nơtron nhanh. Do đó, sự thay đổi mật độ các nơtron nhiệt theo khoảng cách từ nguồn S đến detector D sẽ thể hiện sự thay đổi hàm lượng hydro trong môi trường. 7
Ở khoảng gần nguồn, mật độ nơtron nhiệt tỷ lệ với hàm lượng hydro có trong đất đá, còn ở khoảng xa thì ngược lại, nghĩa là có một vùng mà ở đó mật độ nơtron nhiệt sẽ không khác nhau giữa môi trường giàu và nghèo hydro. Trong thực tế, người ta chọn chiều dài Ln-n ≥ 40cm (rơi vào vùng xa) để đo nơtron- nơtron nhiệt. Với chiều dài Zond đo như vậy, nếu trong môi trường không có các nguyên tố có tiết diện bắt giữ nơtron lớn như: B, Li, Cl, thì số đo nơtron-nơtron nhiệt sẽ có giá trị thấp ở các lớp đá có hàm lượng hydro cao và ngược lại. Tuy nhiên, cần để ý là mật độ nơtron nhiệt trong môi trường không chỉ phụ thuộc vào hàm lượng hydro mà còn chịu ảnh hưởng của độ khoáng hoá nước vỉa, vì các muối khoáng thường chứa Clo là nguyên tố có tiết diện bắt giữ nơtron cao, gấp trăm lần lớn hơn hydro. Nhưng nói chung, ở các trường hợp nước vỉa có độ khoáng hoá thấp thì nguyên tố Clo và một số nguyên tố khác lại có vai trò rất thứ yếu trong quá trình làm chậm các nơtron nhanh, thành thử chúng không ảnh hưởng nhiều đến mật độ nơtron nhiệt. Nói chung, số đo nơtron- nơtron nhiệt trong giếng khoan chịu ảnh hưởng của đất đá và cả của đường kình giếng khoan. Vì vậy, khi sử dụng số đo này phải hiệu chỉnh để loại trừ ảnh hưởng đường kính và dung dịch khoan. b) Phương pháp nơtron- nơtron trên nhiệt Các nơtron có năng lượng trong khoảng 0,1
- Mật độ các nơtron trên nhiệt trong môi trường nghiên cứu chỉ chịu ảnh hưởng bởi tính chất bắt giữ của môi trường khi trong môi trường đó có chứa các nguyên tố có tiết diện bắt giữ lớn đối với nơtron trên nhiệt như: Li, B, Mn, Co, Ag, Cs, Ir, Au, Hg, Nhưng thông thường các nguyên tố này có hàm lượng không đáng kể trong các đá, trong khi đó mật độ nơtron trên nhiệt trong môi trường lại rất nhạy với hàm lượng hydro trong pha lỏng của đá chứa. Sơ đồ đo nơtron- nơtron trên nhiệt có nguyên tắc giống như khi đo nơtron- nơtron nhiệt, chỉ khác phép đo ở đây dùng detector chỉ đếm các nơtron trên nhiệt. Khi đo nơtron trên nhiệt ta cũng có thể dùng các ống đếm chứa khí hay ống đếm nhấp nháy nhưng phải làm cho các ống đếm chỉ nhạy với các nơtron trên nhiệt. Trong kỹ thuật, người ta giải quyết các vấn đề này theo cách sau: Dùng các màn chắn ở bên ngoài và bên trong bằng Cadmi (Cd) để cho nguyên tố này bắt giữ hết nơtron nhiệt và làm giảm bớt năng lượng của các nơtron trên nhiệt để biến thành nơtron nhiệt. Bằng cách đó, giá trị phép đo chỉ còn nhạy với nơtron trên nhiệt. Một điều khác nữa giữa hai sơ đồ đo nơtron-nơtron vừa nêu là chiều dài tính từ nguồn S đến detector D trong máy giếng của phương pháp nơtron-nơtron trên nhiệt ngắn hơn trong máy đo nơtron-nơtron nhiệt (Ln-nep < Ln-nt). 2.1. Các loại máy giếng dùng trong các phương pháp nơtron Mỗi công ty dịch vụ có thiết kế riêng máy giếng (Zond) để đo các phương pháp nơtron. Sau đây là một số kiểu máy đo trong giếng khoan của công ty Schlumberger: - GNT (Gamma-ray/Neutron Tool) có mộ t detector đo các gamma bắt giữ - có màng Cadmi ngăn ảnh hưởng của sự thay đổi độ khoáng hoá nước vỉa, bắt giữ các nơtron nhiệt biến chúng thành các tia gamma. Phép đo dùng đơn vị API. - SNP (Sidewall Neutron Porosity Tool) đo các nơtron trên nhiệt. Nguồn và detector gắn trên tấm đệm để tỳ vào thành giếng khoan. Thiết bị tí nh chuyển đổi trực tiếp từ đơn vị xung/giây ra đơn vị độ rỗng đá vôi. 9
- CNT (Compensated Neutron Tool) dùng má y giếng có hai detector để loại trừ ảnh hưởng của giếng khoan và thường được đo áp sườn. Số đếm (xung/giây) từ các detector xa và gần được đưa lên máy trên mặt đất và tính chuyển thành đơn vị độ rỗng theo bản chuẩn riêng hoặc tự động tính th eo công thức thực nghiệm cho các nền xương đá khác nhau (cát kết, vôi, dolomit,). Thiết bị này có hai biến thể: CNT-A (cả hai detector đều đo nơtron nhiệt) và CNT-G (các detector đo cả nơtron nhiệt và trên nhiệt). - TDT (Thermal Decay Time) dùng máy phát xung nơtron chiếu xạ vào môi trường đất đá các nơtron có năng lượng cao (14MeV). Trong khoảng thời gian giữa hai xung phát, tiến hành đo các nơtron nhiệt và tính thời gian sống trung bình của chúng. Ta biết rằng, thời gian sống trung bình của một nơtron trong chân không dài tới 13 phút, còn trong đất đá thì ngắn hơn rất nhiều. Ví dụ: Trong muối mỏ, thời gian đó chỉ là 5μs, trong thạch anh là 900μs. Trong vỉa nghiên cứu đời sống của nơtron chủ yếu phụ thuộc vào hàm lượng nguyên tố clo là nguyên tố có tiết diện bắt giữ nơtron nhiệt lớn hơn nhiều, vì vậy có thể dùng để phân biệt chất lưu bão hoà trong thành hệ ở sau ống chống là dầu hay nước. Trong nước vỉa có chứa clo, còn trong dầu thì không. Chuẩn khắc độ cho Zond đo và đơn vị đo của các phương pháp nơtron: Trước đây, mỗi công ty dịch vụ đều có hệ thống đơn vị đo của riêng mình đối với nơtron. Ví dụ: xung/s, cps (Schlumberger), đơn vị nơtron chuẩn (PGAC), đơn vị môi trường (Lane Well), Học viện dầu khí Mỹ đã chuẩn hoá đơn vị nơtron API và trở thành đơn vị nơtron dùng chung cho tất cả các công ty dịch vụ đo Địa vật lý giếng khoan. Ở trường đại học Houston, người ta lập một mô hình chuẩn khắc độ đơn vị nơtron như hình 4. Mô hình được cấu tạo gồm các khối khác nhau và ở giữa có khoan một lỗ khoan đường kính 7+7/8 inch. Trong lỗ khoan chứa nước ngọt. Mỗi khối trụ có chiều dày là 6 feet, đường kính 6 feet. Các khối này được đặt trong hầm bêtông, nằm dưới một lớp nước ngọt sâu 6 feet và trên cùng có đậy nắp bằng thép. Từ dưới lên lần lượt là khối đá vôi Austin có độ lỗ rỗng 26%, khối đá vôi ấn độ, chỉ số độ rỗng 19% bên trên là khối đá cẩm thạch (đá vôi bi ến chất) có chỉ số độ rỗng 1,9% và trên cùng là lớp nước ngọt có chỉ số độ rỗng là 100%. Đặt Zond đo nơtron không có nguồn S vào vị trí chính giữa khối trụ đá vôi có chỉ số độ rỗng 19%, lấy số đo thứ nhất (không có nguồn)(Inn(1)). Lắp nguồn S vào Zond đo và 10
cũng đặt ở vị trí đo ban đầ u, lấy số đo thứ hai (có nguồn)(Inn(2)). Đơn vị API (nơtron) được định nghĩa: Các phương pháp đo nơtron trong giếng khoan hiện đại đều tính trực tiếp ra độ lỗ rỗng ΦN hay đơn vị chỉ số hydro. Phép tính chuyển đổi từ API ra các tham số vừa nêu đều được thực hiện tự động theo một hàm số hồi quy thực nghiệm hoặc một phần mềm theo thời gian thực có tính đến sự phù hợp giữa máy giếng và máy trên mặt đất. Hình 5. Xác định chỉ số hydro cho các đá nền khác Hình 4. Mô hình chuẩn khắc nhau (theo Schlumberger) Thiết bị máy giếng đo nơtron được chuẩn hoá trong đá vôi và nước lã . Các phép hiệu chỉnh có thể được thực hiện trong thời gian đo ghi hay muộn hơn nhờ sự giúp đỡ của các bản chuẩn tương ứng với nền của pha cứng và độ mặn (Xem hình 5). 2.2. Chiều sâu nghiên cứu và độ phân giải 11
Chiều sâu đâm xuyên của các nơtron vào đất đá ở thành giếng khoan thay đổi tỷ lệ nghịch với độ lỗ rỗng củ a đá. Độ rỗng của đá tăng thì chiều sâu đâm xuyên của nơtron trong đá giảm. Chiều sâu nghiên cứu của Zond đo nơtron trong giếng khoan vì vậy cũng phụ thuộc vào độ rỗng của đất đá. Ngoài ra còn ph ụ thuộc vào kích thước của Zond (chiều dài từ nguồn S đến detector D). Theo định nghĩa chiều sâu nghiên cứu của phép đo nơtron là khoảng chiều sâu tính từ thành giếng khoan đến khoả ng L để phần đất đá trong môi trường nghiên cứu bao bởi chiều sâu đó có đóng góp 90% tín hiệu toàn phần của phép đo. Đặc trưng đó của mỗi Zond đo nơtron được thể hiện qua một tham số gọi là yếu tố tích luỹ giả hình học (Intergrated pseudo - geometrical factor) của nó (Hình 6). Chiều sâu nghiên cứu của Zond đo nơtron CNT khoảng 0,3m (12”), còn của Zond SNP là 0,2m (8”). Khả năng phân giải lát cắt theo phương thẳng đứng của các thiết bị đo nơtron trong giếng khoan thường khá cao, đặc biệt là đố i với các Zond đo có hai detector khoảng từ 0,25m (10”) đến 0,5m (20”). Với độ phân giải cao như thế hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu nghiên cứu. Thông thường, trong các phép đo yêu cầu phát hiện các lớp có chiều dày từ 1,0 - 1,25m (3 - 4ft). Hình 6. Yếu tố giả hình học của các thiết bị đo SNP, CNL và FDC 12
2.3. Các yếu tố ảnh hưởng lên kết quả đo nơtron - Hydro: hydro là nguyên tố có khả năng làm mất nhiều năng lượng của nơtron sau mỗi lần va chạm với nó . Nguyên tố Hydro có rất sẵn trong tự nhiên. Các phương pháp nơtron trong giếng khoan vì thế là những phương pháp có nội dung đo hàm lượng hydro có trong môi trường. Chỉ số hydro của một chất được định nghĩa bằng tỷ số hàm lượng các nguyên tố hydro trong 1cm3 vật liệu đó so với hàm lượng hydro trong thể tích tương đương nước nguyên chất ở 750F; nghĩa là nước nguyên chất có chỉ số hydro (HI) bằng 1,0. Chỉ số của hydro thay đổi trong khoảng từ 0,0 (ở áp su ất thấp) đến trên 1,0 (dầu nặng) phụ thuộc vào nhiệt độ áp suất và loại phân tử. Chỉ số hydro của phần lớn các hạt đá sạch (thạch anh, canxit,) bằng không. Chỉ số hydro của chất lưu (dầu, nước) thì xấp xỉ bằng 1.0. - Sét, mica: Có nhiều khoáng vật, điển hình là nhóm các khoáng vật sét hay ngậm nước trong mạng tinh thể của chúng dưới dạng nước kết tinh hoặc nước ở dạng phân tử bám trên bề mặt các hạt sét. Các dạng nước này không có liên quan đến độ lỗ rỗng nhưng chúng lại vẫn được thể hiện trên kết quả đo bằng các phương pháp nơtron. Thông thường các hạt sét hút bám các phân tử nước trên cấu trúc mạng của chúng. Ta thường thấy rất rõ là độ lỗ rỗng xác định được bằng các phép đo nơtron ( Φn) ở các vỉa sét là rất cao. Vì vậy, trong các đá cát sét, cần phải hiệu chỉnh số đo để loại bỏ ảnh hưởng của sét: Trong đó: HISh là chỉ số hydro của sét. VSh là tỷ phần thể tích của sét trong đá. Bảng 1 cho biết hàm lượng hydro và chỉ số HI của một số chất. 13
- Nền khoáng vật: Mặc dù chỉ số hydro của nhiều loại khoáng vật như: thạch anh, canxit, dolomit, được coi như bằng không nhưng các nguyên tố có trong khoáng vật đó cũng góp phần làm chậm thậm chí còn bắt giữ nơtron. Kết quả tính độ rỗng thường theo chuẩn đơn vị đá vôi (limestone) nên cần hiệu chỉnh đối với nền khoáng vật trong pha cứng cho mỗi lo ại Zond đo nơtron. - Có mặt các nguyên tố bắt giữ nơtron: Trong các trường hợp đo nơtron, số đếm ở các detector chịu ảnh hưởng của các nguyên tố có tiết diện bắt giữ cao như: Cl, Li, B, Clore có tiết diện bắt giữ nơtron rất cao,vì vậy các phép hiệu chỉnh sẽ được tiến hành đối với các số đo độ rỗng để loại trừ ảnh hưởng của muối hoà tan trong dung dịch khoan, filtrat và nước vỉa. Đối với phép đo nơtron trên nhiệt thì ảnh hưởng của các nguyên tố nêu trên có thể ít hơn. 14
- Độ khoáng hoá: Ta biết rằng các số đếm nơtron nhiệt có liên quan đến tiết diện bắt giữ nơtron của chất lưu bão hoà trong không gian lỗ rỗng. Độ khoáng hoá của nước vỉa tăng làm cho tiết diện bắt giữ vĩ mô của đá cũng tăng theo do sự có mặt của nguyên tố Clo. Muối NaCl hoà tan choán chỗ của H và làm giảm chỉ số hydro của chất lưu. Schlumberger đề xuất biểu thức tính chỉ số HIfl của chất lưu sau đây đối với các đới (trong giếng khoan, đới ngấm, đới nguyên): Trong đó: ρfl là mật độ của chất lưu (g/cm3) P là độ khoáng hoá (ppm.10-6). - Hydrocacbon: Có nhiều trường hợp dầu bão hoà trong vỉa có chỉ số HI
Trong đó: HIf là chỉ số hydro của filtrat. ∆ ΦN là sai số do hiệu ứng hụt hẫng gây ra. Có một cách tính gần đúng Φ Nex như sau: Với K là hệ số thạch học (K=1 đối với cát kết; K=1,046 đối với đá vôi và K=1,171 đối với dolomit) và Ngoài các yếu tố nêu trên, các yếu tố môi trường và kỹ thuật cũng ảnh hưởng mạnh mẽ lên các kết quả đo nơtron trong giếng khoan như: loại dung dịch, đường kính giếng khoan, chiều dày vỏ sét, ống chống. Tất cả các yếu tố đó đều phải được tính toán, hiệu chỉnh khi phân tích các tài liệu đo nơtron trong giếng khoan. 2.4. Phân tích kết quả đo nơtron trong giếng khoan a) Đối với các Zond đo nơtron trước đây (đơn vị đo API): - Giá trị đo được bằng các Zond đo nơtron có mối quan hệ với chỉ số hydro biểu kiến của đất đá ở thành giếng khoan bằng một biểu thức gần đúng: Trong đó: Nfor : số đo nơtron (theo đơn vị API) ở chiều sâu của vỉa. Na : chỉ số biên độ của số đo đọc trên đường cong (API). Nt : biểu hiện phần đóng góp của giếng khoan, ống chống, vành ximăng, lên số đo Na. 16
C: hệ số phụ thuộc vào cấu hình của Zond đo (nguồn, detector, spacing,) và đặc tính truyền dẫn nơtron của đá. K: hằng số tính đến các đặc tính truyền dẫn của hydro và đất đá trên một đơn vị chiều dài trong khoảng từ nguồn đến detector (spacing). Biểu thức được biểu diễn trên hình 7 cho các trường hợp khác nhau về đường kính giếng. - Phương trình chỉ số đo nơtron có thể được viết dưới dạng tiện ích hơn: Với C cũng là hệ số tính đến ảnh hưởngcủa các vùng gần (giếng khoan, ống chống, ximăng,) tương tự như hệ số C. Nt là một hằng số đối với một Zond đo và điều kiện môi trường quang giếng khoan. Hình 8 biểu thị quan hệ giữa số đo nơtron (API) với logarit độ lỗ rỗng(log Φ ) của Với C cũng là hệ số tính đến ảnh hưởng của các vùng gần (giếng khoan, ống chống, ximăng,) tương tự như hệ số C. Nt là một hằng số đối với một Zond đo và điều kiện môi trường quang giếng khoan. Hình 5.25 biểu thị quan hệ giữa số đo nơtron (API) với logarit độ lỗ rỗng(log Φ ) của môi trường. Phương trình trên có ưu điểm là (khi biểu diễn trên hình 8) các đường biểu diễn đều gặp nhau ở điểm fluid ( Φ = 100%) nếu dung dịch khoan và nước vỉa có chỉ số HI gần như nhau. Nhờ vậy mà ta Hình 7. Đồ thị biểu diễn quan hệ LogNa với độ dễ dàng vạch các đường biểu diễn khác rỗng Φ cho các trường hợp đường kính giếng 17
khoan thay đổi và môi trường có cùng nền khoáng vật vì điểm Φ = 100% đã biết trước. Hình 8. Bảng chuẩn xác định độ rỗng theo hàm mũ b) Đối với phép đo bằ ng các Zond hiện đại Những năm gần đây, vấn đề chuẩn định cỡ đơn vị nơtron API và làm giảm sai số của phép đo đã được kết hợp giải quyết đối với các Zond đo nơtron. Số đo của Zond đo nơtron phần lớn đã tự động loại trừ ảnh hưởng của các phần gần giếng (đường kính, vỏ sét, mật độ dung dịch,) nên giá trị của phép đo có quan hê phụ thuộc trực tiếp với độ rỗng biểu kiến. Thường bây giờ chỉ còn yêu cầu một vài hiệu chỉnh về thạch học, độ mặn, nhiệt độ mà thôi. c) Phương trình biểu diễn số đo nơtron Chỉ số hydro biểu kiến (HI)N đo được bởi phép đo nơtron có quan hệ với độ rỗng hiệu dụng Φe như sau: 18
Phương trình chỉ bao quát cho vùng đới rửa của vỉa chứa. Trong đó: Vi là tỷ phần thể tích của các khoáng vật tạo đá trong pha cứng (i = 1,2,,n); (HI) mai là chỉ số hydro của khoáng vật thứ i tương ứng. Φe là độ rỗng hiệu dụng. (HI)Sh là chỉ số hydro của nước màng và nước tự do trong mạng tinh thể của sét. (HI)mf là chỉ số hydro của filtrat. 2.5. Phạm vi ứng dụng của các phương pháp nơtron - nơtron Ta có thể kể ra đây cá c ứng dụng của các phép đo nơtron và chúng sẽ được nghiên cứu kỹ hơn ở phân hai của giáo trình: - Đánh giá độ rỗng của các thành hệ. - Phân biệt các phần chứa khí hay hydrocacbon nhẹ trong vỉa sản phẩm. - Tính toán mật độ hydrocacbon (có kết hợp với các phương pháp khác). - Phân định và nhận biết các lớp đá trong cột địa tầng giếng khoan. - Liên kết giữa các giếng khoan (đặc biệt ở những vùng sét không chứa các nguyên tố phóng xạ và có đo đường cong gamma ray tự nhiên). NGUYỄN XUÂN QUANG – 2016 quangnxvt@gmail.com 19