249 Chơng 9 Lấy mẫu thành giếng và khoan nổ Để giúp cho việc khẳng định những tính toán phân tích kết luận của các phơng pháp địa vật lý trong giếng khoan về thành phần thạch học hay chất lu bo hoà trong các lớp đá ngời ta cần phải lấy mẫu ở thành giếng bằng các thiết bị có dùng cáp sau khi công việc khoan kết thúc. Các mẫu lấy ở thành giếng đợc gán chiều sâu chính xác theo cáp, và những kết quả phân tích những mẫu này đợc so sánh với kết quả phân tích tài liệu đo địa vật lý giếng khoan. Sự so sánh nh vậy đôi khi còn giúp cho việc chuẩn định cỡ các zond đo địa vật lý ở giếng khoan đợc dễ dàng và chính xác hơn. 9.1. Lấy mẫu đá Việc lấy mẫu đá (hay mẫu rắn) ở thành giếng có thể thực hiện theo hai cách bằng hai loại thiết bị khác nhau. 9.1.1. Lấy mẫu thành giếng bằng súng (Corgun) Từ những năm cuối thập kỷ 30 (1937) Schlumberger đ chế tạo một thiết bị máy giếng để lấy mẫu đất đá ở thành giếng gọi là thiết bị lấy mu sờn. Thiết bị hoạt động theo nguyên tắc dùng thuốc nổ mạnh bắn các đầu đạn rỗng vào thành giếng. Các đầu đạn sẽ đi vuông góc với thành giếng và chụp lấy một khối lợng nhất định đất đá bị lấp nhét vào ruột rỗng của chúng. Nhờ có các cáp nối đầu đạn với súng nên khi kéo thiết bị lên mặt đất thì các đầu đạn chứa mẫu sờn cũng lên theo. Các súng lấy mẫu đợc lắp nhiều đầu đạn rỗng (có thể tới 50 đầu đạn) nối với nhau thành hàng dọc, khiến chiều dài khoảng lấy mẫu lên tới 3-4m (hình 9.1). Thiết bị có loại đờng kính khác nhau: Loại lớn 101.6 mm, loại nhỏ 76.2 mm. Đầu đạn đợc nối với súng bởi hai dây cáp bằng thép (hình 9.2). Đầu đạn rỗng hình trụ có các lỗ rỗng để thoát nớc khi nó nhận mẫu. Khi lắp vào cối súng, H ình 9.1. Súng lấy mẫu thành giếng có các đờng kính lớn nhỏ khác nhau (theo S chlumber g er) 250 phía trong là thuốc nổ và ngòi nổ. Khi đa súng tới chiều sâu lấy mẫu (1) , theo điều khiển từ mặt đất, các ngòi nổ đợc kích nổ đồng loạt. Nhờ áp lực tạo ra khi nổ, các đầu đạn bắn ra khỏi cối súng với tốc độ lớn. Cắm vào đất đá, các đầu đạn rỗng một mặt chụp lấy mẫu đất đá, mặt khác tác động xung lực làm biến dạng phần đất đá xung quanh, gây ra các nứt nẻ ở thành giếng khoan. Khối lợng mẫu rắn đựng trong mỗi đầu đạn phụ thuộc vào độ cứng của đất đá, đờng kính của đầu đạn, công suất của liều nổ, chiều sâu đâm xuyên của đầu đạn. Các đầu đạn rỗng thờng dùng có đờng kính từ 17 - 21.6 mm, chiều sâu đâm xuyên từ 20 - 63.5 mm tuỳ từng loại súng. Sau khi đợc kích nổ, các đầu đạn đợc kéo lên cùng với súng. Trên mặt đất mẫu đợc lấy ra từ mỗi đầu đạn đợc đánh số theo thứ tự từ trên xuống để định chiều sâu đợc chính xác. Hình 9.3 là ảnh chụp đầu đạn và mẫu sờn. 9.1.2. Lấy mẫu đá bằng thiết bị khoan thành giếng Thiết bị đợc cấu tạo gồm máy giếng và hộp điều khiển trên mặt đất làm việc nhờ máy tính. Tất cả hoạt động khoan lấy mẫu và đa mẫu vào ống đựng đợc kiểm soát bởi sự hỗ trợ của một màn hình nhằm chính xác hoá các lệnh điều khiển qua bàn phím của máy tính. Việc lấy mẫu từ thành giếng đợc thực hiện nhờ một bộ khoan cụ xoay có đờng kính 120.7 mm (hình 9.4). Khi đa thiết bị vào giếng, mũi khoan nằm bên trong của vỏ thiết bị. Khi thiết bị đ ở chiều sâu lấy mẫu, mũi khoan sẽ quay về vị trí làm việc khoan, áp sát vào thành giếng nhờ một cần gạt ở phía đối diện có lực ép lớn. 1. Thờng xác định chiều sâu bắn để lấy mẫu ngời ta dựa vào đờng cong GR hoặc SP để xác định cho chính xác H ình 9.2. Sơ đồ đầu đạn trong súng lấu mẫu a) Đầu đạn nạp trong cối súng b) Đầu đ ạ n xu y ên vào thành g iến g Vỏ đạn (cối) Đ ầu đ ạ n Cáp nối Thành hệ Thuốc nổ N g òi nổ Vỏ máy (súng) H ình 9.3. Đầu đạn và mẫu sờn ( theo Schlumber g er ) Mẫu đá Đ ầu đàn Cáp nối 251 Trong khi khoan mẫu ống định hớng của mũi khoan đợc cố định chặt, còn mũi khoan thì xoay để khoan vào thành giếng. Đờng đi của mũi khoan trong đất đá luôn luôn đợc kiểm soát qua một đồ thị trên màn hình. Sau khi đi sâu vào đất đá đến chiều sâu định trớc (tối đa 4.5cm) mũi khoan ngừng quay và chuyển động thụt vào vỏ máy, còn chính vỏ định hớng lại quay trở về vị trí tự do. Vào thời điểm đó, vỏ định hớng mũi khoan đợc tác động một lực làm nó lắc mạnh, mẫu bị gy và đợc đa vào ống đựng mẫu của thiết bị. Thiết bị khoan thành giếng của Schlumberger là loại thiết bị chuyên dụng, có kích thớc hàng mét (10.8m) và trọng lợng khá nặng nề (tối đa 342kg). Mẫu lõi khoan bằng các thiết bị loại này có đờng kính 25.4mm và chiều dài tối đa 44.5mm. Thiết bị này chỉ lấy mẫu ở các lớp đá cứng, không tiến hành lấy mẫu bằng thiết bị khoan thành giếng đối với các lớp than hay các đá có độ gắn kết yếu. 9.2. Lấy mẫu chất lu và đo áp suất vỉa Mỗi hng thực hiện lấy mẫu chất lu và đo áp suất vỉa bằng các thiết bị có tên thơng hiệu của riêng mình, nhng có nguyên tắc hoạt động gần giống nhau, vì vậy ở đây chỉ cần xem xét các thiết bị của Schlumberger. 9.2.1. Thử vỉa (FT) Từ đầu thập kỷ 50 (1952) Schlumberger đ đa vào sản xuất một thiết bị đo thử vỉa đầu tiên hoạt động theo sơ đồ nguyên tắc mô tả ở hình 9.5. Thiết bị có cấu trúc gồm các cánh có đệm cao su dài 70cm, rộng khoảng 15cm có tác dụng áp chặt thiết bị vào thành giếng. Trong thiết bị có nạp một khối thuốc nổ nhỏ đủ để đột thủng thành giếng khoan khi cần. ở chiều sâu lấy mẫu trong giếng các cánh dơng ra nhờ áp suất thuỷ lực, một bên cánh giữ chặt thiết bị, bên đối diện là đệm cao su có cửa sổ lấy mẫu. Sau khi định vị và áp chặt cửa lấy mẫu vào thành giếng, từ mặt đất điều khiển để van đón dòng mở, vào thời H ình 9.4. Hình ảnh máy giếng của thiết bị khoan thành giếng (RCOR) ( theo Western Atlas ) Mũi khoan Càn g gạ t ốn g đ ị nh hớn g 252 điểm đó chất lu trong vỉa chảy vào bình đựng mẫu qua lỗ cửa sổ. Khi áp suất trong bình mẫu cân bằng với áp suất ở lỗ rỗng của đá (áp suất vỉa) thì van này lại đóng chặt. Trờng hợp áp suất vỉa nhỏ, đất đá thấm kém, dòng mẫu rất yếu thì cần phải kích nổ khối thuốc để mở dòng (hình 9.5b). Thuốc nổ tạo nứt nẻ và lỗ thủng để chất lu dễ dàng tập trung chảy vào bình đựng mẫu. Cũng nh trờng hợp trên, van đón dòng lại đóng kín. Khi bình chứa đ đầy mẫu chất lu, van đ đóng, thì thiết bị đợc kéo lên mặt đất. Thể tích của bình có thể khác nhau: 4,10 hoặc 20 lít. Trong quá trình thử vỉa đồng thời đo đờng cong biến thiên áp suất để theo dõi phát nổ của khối thuốc, và đo các giá trị áp suất: a) áp suất lực ép cánh thiết bị (áp suất bên trong do thiết bị tạo ra); b) á p suất cách ly; c) á p suất gia tăng và áp suất tĩnh; d) áp suất cột dung dịch khoan. Các thông tin này đi kèm với phép thử vỉa sẽ kiểm tra lẫn nhau trong quá trình làm việc. H ình 9.5. Nguyên tắc hoạt động của thiết bị đo thử vỉa FT (theo Schlumberger) Độ thấm vỉa bình thờn g Độ thấm vỉa kém Thuốc nổ Cửa mở Van đón g( mở ) Van a) b) 253 9.2.2. Thử vỉa phân tầng (FIT) Việc đo thử vỉa nh sơ đồ hình 9.5 có nhiều hạn chế ở chỗ có thể bị kẹt vào thành giếng. Cân bằng áp suất để tháo gỡ các cánh có khi không có kết quả, làm cho thiết bị mắc lại ở thành giếng. Muốn tránh rủi ro đó có thể dùng những máy giếng có các cần nhỏ hơn. Loại thiết bị nh vậy có hình dáng nh trên hình 9.6. Hoạt động của thiết bị đo thử vỉa phân tầng đợc mô tả ở hình 9.7. Cũng nh thiết bị lấy mẫu thử vỉa FT, thiết bị FIT cũng chỉ lấy một mẫu tại vị trí đặt thiết bị. Nó thu đợc mẫu có thể tích 4 lít hoặc 10 lít. Mẫu này đợc rút ra từ vỉa rất chậm do phải xuyên qua một đệm nớc có thể do bị nghẹt tắc trong khi chảy vào bình đựng. Sau khi chọn vị trí chính xác để lấy mẫu thử vỉa nhờ một điện cực ở phần đợc cách điện với đờng dẫn dùng để đo SP, các thay đổi áp suất trong quá trình lấy mẫu đợc ghi lại (hình 9.8). Đờng biểu diễn trên hình 9.8 là kết quả đo ghi bằng thiết bị FIT có, ống thu dòng và cánh nạp thuốc nổ có lỗ định hớng. ố ng thu dòng cắm sâu vào thành giếng nếu đất đá mềm, và thuốc nổ sẽ tạo một lỗ định hớng vào thành giếng nếu đá cứng. Trên hình 9.8 có các ký hiệu áp suất tơng ứng trên đờng đồ thị thay đổi áp suất theo thời gian: A - Chuẩn định cỡ cửa sổ đo áp suất B - Giá trị đo áp suất thuỷ tĩnh của cột dung dịch C - Thời điểm mở Zond đo H ình 9.6. Thiết bị thử vỉaphân tầng (theo Schlumberger) H ình 9.7. Đặt thiết bị đo thử vỉa theophân tầng (FIT) có ốn g dẫn dòn g và n ạp thuốc nổ Cáp á p suất thuỷ tĩnh Pistôn thu ỷ tĩnh Lỗ thu mẫu ống đệm Thuốc nổ á p kế đo P(t) Van Van khoá B ì nh đ ự n g mẫu Mẫu chất lu Bình chứa nớc Bình chứa nớc Vỏ sét Thành h ệ Cần é p 254 D - Bắt đầu lấy mẫu chất lu E - Thời điểm kích nổ F - Kết thúc lấy mẫu (đầy bình) G - Kết thúc tăng áp suất H - Đóng bình đựng mẫu I - Đóng máy Nhờ có thể nổ để mở lỗ ở cánh bên dới mà thiết bị lấy mẫu thử vỉa từng đoạn (FIT) có thể tiến hành cả ở các giếng có ống chống. 9.2.3. Thử vỉa lặp lại (RFT) Thiết bị thử vỉa lặp lại (RFT) có thể tiến hành lấy mẫu thử vỉa không hạn chế số lần tại một vị trí ở thành giếng khoan. Giống nh các thiết bị FT và FIT, RFT cũng có các cánh cùng lớp đệm bít kín để lấy mẫu, và có cánh bên phía đối diện để ép chặt thiết bị vào thành giếng khoan. Việc đóng mở thiết bị cũng đợc điều khiển từ mặt đất, các hoạt động thờng đợc kiểm soát bởi các van có thể đóng mở lặp đi lặp lại không hạn chế số lần. Các phép thử bao gồm thử sơ bộ lấy 20 cm 3 mẫu chất lu mỗi lần. Trong lúc lấy mẫu cũng là lúc đo sự thay đổi áp suất. Sau mỗi lần kết thúc thử nh vậy thì lấy các mẫu chất lu có thể tích 3.78 và 10.4 lít dùng để phân tích thành phần chất lu. Hình 9.9 thể hiện ảnh chụp một đoạn của thiết bị đo thử vỉa lặp lại (RFT) ở thế đóng (a) và mở (b) các cánh gạt và cánh lấy mẫu thử. Hình 9.10 mô tả sơ đồ nguyên tắc của thiết bị RFT. Thiết bị có hai buồng thử có thể tích mỗi buồng 10 cm 3 , chất lu trong vỉa đợc hút vào buồng H ình 9.8. Một thí dụ đờng biểu diễn thay đổi áp suất theo thời gian bằng FIT Kiểm tra trên mặt Ghi áp suất Hoạt động của cần Thời điểm nổ á p suất H ình 9.9. Thiết bị đo thử vỉa lặp lại (RFT) a) Cánh khép; b) Cánh mở ố ng Càn g lấ y mẫu Càn g chốn g va quệt Pitton của cánh ép 255 thứ nhất với lu lợng q 1 = 37 cm 3 /phút; buồng thứ hai có q 2 = 75 cm 3 /phút. Đúng vào thời điểm đầy buồng thứ nhất thì một triger làm việc tự động mở van để hút chất lu chảy vào buồng thứ hai với lu lợng gấp 2.027 lần (1) . Sự hồi phục áp suất đầu tiên sẽ diễn ra rõ ràng sau mỗi lần thử. Nếu một hoặc cả hai buồng sau đó vẫn đợc tiếp tục làm dầy thì sự tăng áp thứ hai có thể diễn ra. Hình 9.11 mô tả đồ thị biểu diễn thay đổi áp suất theo thời gian. Đồ thị này đợc ghi tơng tự (hoặc khi số sau khi hiển thị) trong quá trình thử sơ bộ. Khi mở buồng thứ nhất dòng q 1 trong thời gian t, có giá trị 37 cm 3 /phút và đờng đồ thị thể hiện chênh sụt áo P 1 , liền sau đó trong khoảng thời gian (t 2 t 1 ), dòng chảy với lu lợng q 2 = 75 cm 3 /phút thì tơng ứng P 2 . Sau khi buồng thứ hai chất đầy chất lu thì áp suất tổng hệ đo hồi phụ nhanh để bằng áp suất vỉa P f . Mỗi phép thử sơ bộ chỉ kéo dài trong khoảng thời gian từ 30 đến 35 giây. Kết thúc mỗi phép thử nh vậy, van đối áp (xem sơ đồ hình 9.10) lại đợc mở, trong lòng thiết bị RFT lại có áp suất thuỷ tĩnh P m của cột dung dịch (P m P f ). Trớc khi tiến hành vòng đo thử sơ bộ mới, van đối áp lại đợc đóng lại. 1. Các máy của Schlumberger phổ biến làm việc với q 1 = 60 cm 3 /phút; q 2 = 150 cm 3 /phút thì tỷ số này là 2.5 lần H ình 9.10. Sơ đồ nguyên tắc của thiết bị RFT Thành hệ ống dẫn Buồng thử N 0 1 Buồng thử N 0 2 Van đối áp Van khoá bình đựng mẫu Bình đựng mẫu N 0 1 Bình đựng mẫu N 0 2 ống dẫn H ình 9.11. Thay đổi áp suất trong quá trình thử vỉa ( theo Schlumber g er ) Lu lợng Ngừng thử á p suất vỉa á p suất á p suất thuỷ tĩnh 256 Phép thử đợc lặp lại nhiều lần tại một vị trí đợc chọn ở các vỉa đá có độ thấm và độ rỗng cao. Trớc khi đa thiết bị lên mặt đất các van kín vào các thùng đựng mẫu đợc đóng lại để bảo quản mẫu chất lỏng hoặc chất khí. Hình 9.12 là một thí dụ đo thử vỉa bằng thiết bị RFT. Các kết quả đo thử vỉa qua cáp đợc sử dụng: 1. Dự báo hoặc xác nhận khả năng khai thác của đá chứa dựa vào mẫu chất lu và phân tích số đo áp suất. 2. Tính toán một số đặc tính của chất lu nh: - Mật độ (tỷ trọng của dầu thô) - Tỷ số khí/dầu (GOR) bằng cách sử dụng các bản chuẩn thực nghiệm (hình 9.13) nh là sự phụ thuộc hàm số của thể tích thu đợc trong thử vỉa - Tỷ phần nớc, bằng tỷ số thể tích nớc vỉa chia cho tổng thể tích của dầu và nớc trong vỉa 3. Đánh giá áp suất lỗ rỗng (áp suất vỉa) bằng cách dựng các đồ thị chuyên dụng kiểu hàm số Horner + = t tt fP K 4. Xác định các tham số vỉa chứa: (a) chỉ số khai thác; (b) độ thấm 5. Xác định mặt ranh giới dầu/nớc, khí/nớc trên cơ sở đo áp suất vỉa theo chiều sâu. Trong phần địa tầng chứa nớc, dầu hay khí có gradien áp suất riêng. Vị trí các mặt ranh giới có thể nhận ra ở các đờng xu thế áp suất bị gy khúc (gradien áp suất thay đổi đột ngột) nh hình 9.14. H ình 9.12. Đo ghi thay đổi áp suất theo thời gian bằng thiết bị đo thử vỉa RFT á p suất áp suất 257 6. Liên kết giữa các giếng khoan. Việc liên kết đợc thực hiện trên nguyên lý hai giếng khoan cùng xuyên qua một vỉa chứa thì áp suất vỉa đo đợc ở hai giếng của vỉa này phải bằng nhau nếu không bị các đứt gy kiến tạo cắt qua. H ình 9.13. Bản chuẩn thực nghiệm phân tích dùng để tính GOR (theo Schlumberger) Fiit khối Đ ới khí Đ ới nớc Đ ới dầu Lợng thu hồi dầu tính bằng cm 3 Lợng thu hồi khí ở điều kiện trên mặt H ình 9.14. Xác định ranh giới khí/dầu và dầu/nớc theo s ố đo áp suất vỉa khí Dầu Nớc G/o O/w Chiều sâu tu yệ t đối ( m ) á p suất tính bằng kg/cm 2 258 Tài liệu tham khảo chính - Daev D.S (1965). Diagraphie diélectricque par induction. Geol. J Razved. N 0 11.p.110-119. Trad IFP russe N 0 546.fev.1967. - Desbrandes R. (1968) Théorie et interprétation des diagraphies. Ed. Technip. Paris. - Desbrandes R. (1985) Encyclopedia of Well-logging. Ed. Technip. Paris. - Negut. A. (1977) Geofizica de sonda Institytal de petrol gaze Ai geologie din Bucarest (Rumania) - Nguyen Van Phon (1977) Contributii la interpretarea diagrfiei de rezistrivitate in geofizica de sonda (Teza de doctorat) Universitatea din Bucaresti. - Nguyễn Văn Phơn (1982) Phơng pháp tổng quát khi giải bài toán tìm phân bố trờng của dòng không đổi trong môi trờng héterogen. Tuyển tập CTKH, Đại học Mỏ - Địa chất (1980-1981) trang 104-107. Hà Nội. - Nguyễn Văn Phơn (1998). Sự hình thành đới ngấm quanh giếng khoan và hiện tợng điện trở suất thấp trong vỉa sản phẩm. Tạp chí dầu khí số 3/1998, trang 6-10. - Nguyễn Văn Phơn (2000) 50 năm bài toán mô hình độ dẫn của đá cát sét và cái nhìn sâu hơn. Tạp chí Dầu khí số 4+5/2000 trang 42-46. - Sabba S. Stefanescu (1950). Modeles theoriques de milieux héterogènes pour les mrthodes de prospection electricque à courante stationaires. Com. Geol. Studii Technice si Economice. Scrie D. N 0 2. Bue. - Schlumberger (1970) Fundamentals of Aipmeter Interpretation. New York N.Y. 10017 - Serra O. (1979) Diagraphies différées. Pau. - Serra O. (1984) Fundamentals of Well-log Interpretation T.1, the acquisition of logging data. Amsterdam Oxford New York Tokyo. Pau. - Van Phon N. et Babskow A. (1977) Une application de la théorie des milieux hétérogenes Alpha dans (interprétaion des diagraphies électriques des sondages). Revue Roumaine de geologie geoph. et geograph. Tome 21. N. 1 pp. 83-104. - Westaway R. (1991) Production logging course. Wireline measurements in cased hole. Vol.1. - (1938). . - (1967). ôằ . - (1972). . . ôằ . - (1975). ôằ - . (1986). ôằ . - Địa chất ( 198 0-1 98 1) trang 10 4-1 07. Hà Nội. - Nguyễn Văn Phơn ( 199 8). Sự hình thành đới ngấm quanh giếng khoan và hiện tợng điện trở suất thấp trong vỉa sản phẩm. Tạp chí dầu khí số 3/ 199 8,. phân tích tài liệu đo địa vật lý giếng khoan. Sự so sánh nh vậy đôi khi còn giúp cho việc chuẩn định cỡ các zond đo địa vật lý ở giếng khoan đợc dễ dàng và chính xác hơn. 9. 1. Lấy mẫu đá Việc. 8 3-1 04. - Westaway R. ( 199 1) Production logging course. Wireline measurements in cased hole. Vol.1. - ( 193 8). . - ( 196 7). ôằ . - ( 197 2). . . ôằ . -