Giáo trình địa vật lí giếng khoan

Mở đầu ịa vật lý giếng khoan ĐVLGK là một lĩnh vực của địa vật lý ứng dụng bao gồm việc sử dụng nhiều phương pháp vật lý hiện đại nghiên cứu vật chất để khảo sát lát cắt địa chất ở thành

Mở đầu

ịa vật lý giếng khoan (ĐVLGK) là một lĩnh vực của địa vật lý ứng dụng bao gồm việc sử dụng nhiều phương 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 phương vật lý để nghiên cứu lát cắt địa chất giếng khoan qua các thời kỳ và từng đối tượng khác nhau đ∙ từng có những tên gọi khác nhau Những năm 1960 về trước lĩnh vực này được 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 phương pháp Địa vật lý giếng khoan

được 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 như vũ b∙o hiện nay của khoa học công nghệ, Địa vật lý giếng khoan này càng phong phú về số phương 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, dường như những ý tưởng khoa học hôm nay thì ngày mai đ∙ trở thành công nghệ áp dụng trong sản xuất

ở Việt Nam các phương pháp địa vật lý giếng khoan đ∙ được 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 nước 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 người 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 phương 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 dưới mặt đất, một trong lĩnh vực thăm dò than, quặng và nước dưới 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 được cải tiến, xuất hiện mới rồi lại tiếp tục cải tiến, xuất hiện mới, Có tác giả đ∙ nhận xét: Trên thế giới cứ

Đ

sau 5 năm thì một thế hệ máy mới đ∙ ra đời và gần thay thế hoàn toàn các máy móc của thế hệ trước 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 Trường đại học chưa đến mức nhanh như 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 trước đây, đặc biệt là trong ngành công nghiệp dầu khí

Cùng với những thay đổi đó ở nước ta đội ngũ những người làm công tác địa vật

lý giếng khoan ngày càng đông đảo, những người 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 trường 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 trường đại học có đào tạo chuyên ngành kỹ sư địa vật lý thăm dò, kỹ sư địa chất dầu khí Ngoài ra giáo trình này sẽ là tài liệu tham khảo tốt cho các kỹ sư địa vật

lý và kỹ sư 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 trường đại học trong đó giới thiệu nội dụng các phương 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 phương pháp Trong giáo trình không chú trọng mô tả các máy móc thiết bị đo Địa vật

lý giếng khoan mà trong mỗi phương pháp hay nhóm phương 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 được trình bày như 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 trường địa chất, cấu kiến trúc của đá chứa, xác định thành phần vật chất, tính toán trữ lượng 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 sư 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 được các đồng nghiệp đóng góp ý kiến

Các tác giả bày tỏ lòng cảm ơn đối với các đồng nghiệp ở trường 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 sư Nguyễn Trung Quân ở trường Đại học Mỏ - Địa chất và các kỹ sư 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

Chương 1

Đối tượng và các tham số nghiên cứu

1.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng 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 nước dưới đất

Giếng khoan là một công trình tìm kiếm thăm dò hoặc khai thác Loại công trình này được tạo bằng phương pháp cơ học - phương pháp khoan giếng, nhằm mục

đích lấy mẫu đất đá, tạo ra một vết lộ địa chất còn “tươi”, chưa bị phong hoá, hoặc để khai thác các chất lưu như dầu khí, nước dưới đất, nước nóng có chứa năng lượng nhiệt

Thông thường việc lấy mẫu lõi khoan khó thực hiện được 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, người 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 “tươi” nguyên, chưa 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 được thực hiện bằng các phương pháp vật lý, hoá học Nhờ các phương pháp này ta có thể xác định được 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 trưng 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 trưng 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 thường dựa vào nguồn gốc của đá để phân loại chúng, vì nguồn gốc thể hiện rất rõ trên các đặc trưng vật lý, hoá học, cơ học của đá Theo nguồn gốc sinh thành của đá, người ta phân đá ở vỏ Quả đất thành 3 nhóm: macma, trầm tích

và biến chất; mỗi nhóm có những đặc trưng riêng nhưng khi nghiên cứu chúng đều cần làm rõ ba vấn đề:

1 Thế nằm của đá và quan hệ của nó với các đá khác xung quanh, nghĩa là đá gặp trong tự nhiên như thế nào?

2 Kiến trúc và cấu tạo của đá, tức là các phần tử hợp thành đá được 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 trường địa chất, tiềm năng khoáng sản có ích (quặng, than, dầu khí )

Địa vật lý giếng khoan trong nghiên cứu dầu khí có đối tượng chủ yếu là đá trầm tích Khi phân tích tài liệu địa vật lý giếng khoan, mô hình đá được xem là môi trường có lỗ rỗng cấu tạo từ 3 pha: Cứng, lỏng và khí Pha cứng bao gồm xương đá (matrix) là những hạt khoáng vật tạo đá, xi măng gắn kết thường là sét, cacbonat ; pha lỏng bao gồm nước, 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 được lấp đầy chất lưu (dầu, khí, nước) Hai thành phần cấu thành pha cứng của đá (matrix và sét) có ảnh hưởng 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 trường hợp được 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 thước 1/16 - 1/256 mm

Matrix: Trong phân tích tài liệu matrix được 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 như 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 lượng cho phép (< 5%) Giới hạn hàm lượng 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 trưng vật lý (phóng xạ, điện trở, chỉ số hydro, mật độ khối, tốc độ sóng đàn hồi ) của một số khoáng vật chính thường gặp trong

- Sét xâm tán (clay) là các hạt mịn có đường 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 đường kính trong khoảng tử 1/256 - 1/16 mm, chứa nhiều hạt sét với hàm lượng cao và chứa thạch anh, felspat và các khoáng vật khác như mica, zircon, apatit, turmalin

Vậy là thuật ngữ sét trong phân tích địa vật lý giếng khoan có phần không hoàn toàn giống với các thuật ngữ thường 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 được 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 đường kính nhỏ hơn 1/256

mm, lấp đầy hay một phần lỗ rỗng của đá hoặc bám trên thành các khe lỗ rỗng như 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

Khả năng hấp phụ của sét (méq./100g)

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc ô mạng của một số loại sét

Nhóm

Các khoáng vật sét

Công thức Tên

Kích thước

0 A

% K Khối lượng riêng (g/cm 3 )

Chỉ

số

H (%)

tử khoáng vật sét; b) Trên bề mặt (lớp nước màng) của hạt khoáng vật sét; c) Nước trong không gian giữa các màng tinh thể của sét

Lượng nước 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 hưởng rất mạnh mẽ lên các thông số vật lý đo được trong giếng khoan

Lưu chất Trong không gian rỗng giữa các hạt vụn của đá được lấp đầy chất lưu (nước, dầu, không khí, các khí tự nhiên ) Vậy có bao nhiêu lưu chất có trong đá trước hết phụ thuộc không gian rỗng trong đá, tức vào độ lỗ rỗng của đá (Hình 1.2)

Nếu chất lưu chứa trong lỗ rỗng của đá là

nước vỉa thì giữa matrix và nước b∙o hoà có đặc

tính dẫn điện hoàn toàn khác nhau Thường thì các

khoáng vật tạo đá trong matrix là những khoáng

vật kém dẫn điện, trong khi đó nước vỉa có độ

khoáng hoá nhất định trở thành chất dẫn điện rất

tốt Trong môi trường lỗ rỗng có chứa nước thì khả

năng dẫn điện của môi trường đó phụ thuộc chủ

yếu vào nước và độ khoáng hoá của nước Dòng

điện một chiều hay dòng điện tần số thấp chủ yếu

đi trong các kênh lỗ rỗng trong đá

Đến đây ta thấy kiến trúc không gian lỗ rỗng có ảnh hưởng 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, ngược lại các kênh thông nối hẹp lại cong queo thì độ dẫn điện giảm Sự khác nhau đó được đánh giá bằng một tham số không thứ nguyên gọi là độ cong kênh rỗng Độ cong kênh dẫn không chỉ ảnh hưởng lên độ dẫn điện mà còn ảnh hưởng lên độ thấm cơ học của đá - độ cong càng lớn thì độ thấm càng kém

Trong trường hợp chất lưu b∙o hoà trong không gian lỗ rỗng của đá không chỉ có nước 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 lượng nước trong đá giảm, lượng hydrocacbon tăng Trong trường hợp này, độ dẫn điện của đá là một hàm số của độ b∙o hoà nước 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 lưu (dầu, khí, nước) trong không gian rỗng của đá Các chất lưu như dầu khí chủ yếu là di chuyển từ nơi khác đến và lấp đầy trong lỗ rỗng của đá chứa Đá chứa thường là đá có

độ rỗng và độ thấm cao như 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, như khe nứt, rửa lũa gặm mòn là lỗ rỗng ít quan trọng hơn

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 dưới tác dụng của lực kiến tạo

Đá chứa là đá macma, như trường 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 như 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 được 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 lưu Độ thấm của đá chứa cát sét phụ thuộc vào độ rỗng, độ hạt, hàm lượng sét Độ mở hay độ thông nối của kiểu lỗ rỗng khe nứt lớn hơn lỗ rỗng giữa hạt nên có cùng độ rỗng nhưng 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 được 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 người 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

t

p

t

s t t

v

v v

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 thước hạt và cách sắp xếp của các hạt trong pha cứng Φ2 là phần lỗ rỗng được 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) được tạo thành từ các phần lỗ trống có thông nối với nhau Độ lỗ rỗng thông nối Φthn thường nhỏ hơn lỗ rỗng toàn phần Φt bởi có nhiều trường hợp các bọt rỗng trong đá không thông nối được với nhau Chẳng hạn đá bọt có độ rỗng Φ1 vào cỡ 50%, nhưng vì các bọt không có kênh thông nối với nhau nên Φthn = 0

c) Độ lỗ rỗng tiềm năng (Φp) là phần lỗ rỗng hở có đường kính các kênh thông nối đủ lớn để cho dòng các chất lưu 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% nhưng 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 được sử dụng trong phân tích tài liệu

địa vật lý giếng khoan Đây là phần lỗ rỗng chứa chất lưu 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 nước bao, nước hydrat sét (nước hấp phụ trên bề mặt các hạt sét), nước tàn dư

Chú ý: Độ rỗng, hay tỷ phần thể tích lỗ rỗng trong đá là đại lượng 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 trường trầm tích ảnh hưởng lên độ rỗng của đá sẽ

được 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 được đo bằng đơn vị Ohm.m2/m hay Ohm.m (Ωm) Một khối đá đồng nhất đẳng hướng có hình lập phương với kích thước 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 như 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 nước 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 như không dẫn điện

Đặc tính dẫn điện của đá trầm tích chủ yếu là dẫn điện ion vì trong đá trầm tích thường xuyên có nước và phân bố liên tục trong đá

Điện trở suất của đá phụ thuộc vào:

- Điện trở suất của chất lưu trong lỗ rỗng Điện trở này thay đổi theo bản chất, nồng độ muối hoà tan trong nước và nhiệt độ

- Lượng nước chứa trong đá, nghĩa là phụ thuộc vào độ rỗng và độ b∙o hoà nước của đá

- Loại đá, ví như 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 trường không đẳng hướng về khả năng dẫn

điện cũng như dẫn dòng thấm Theo chiều phân lớp (dọc theo các mặt phân lớp), điện trở suất dọc (R//) thường thấp hơn theo chiều vuông góc (R⊥) Đặc điểm đó của đá được

đánh giá bằng hệ số bất đẳng hướng λ:

2 1

1 //

R R

Bất đẳng hướng trong phạm vi một vỉa đồng nhất được xem là bất đẳng hướng vi mô; khi xét trong phạm vi một tập vỉa hay một đoạn lát cắt trầm tích thì gọi là bất đẳng hướng vĩ mô Bất đẳng hướng vĩ mô sẽ ảnh hưởng lên mọi giá trị đo của các thiết bị đo

điện trở khác nhau

Bất đẳng hướng 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 hướng vuông góc với thành giếng ảnh hưởng 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 lượng chất lưu và bản chất cũng như cấu hình của xương 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 dưới 100.000ppm, quan hệ này là đồng biến Nhưng khi nồng

độ tiếp tục tăng lên thì đường 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 tượng

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 được 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 lượng lớn nên trong

nghiên cứu người ta thường đưa nồng

độ các muối khoáng của dung dịch

về nồng độ tương đương muối NaCl

Quan hệ phụ thuộc của điện

trở với nhiệt độ

Điện trở suất của dung dịch

giảm khi nhiệt độ tăng Bản chuẩn ở

hình 1.4 được dùng để chuyển đổi

điện trở đo được ở nhiệt độ thứ nhất

(T1) về điện trở ở nhiệt độ T2 bất kỳ

Hình 1.4 Bản chuẩn quy đổi điện trở suất của dung dịch từ nhiệt độ T 1 và nồng độ C 1 về

điện trở suất ở nhiệt độ T 2 bất kỳ

Cơ sở để xây dựng bản chuẩn ở hình 1.4 là công thức gần đúng của Arps:

+

=

77 , 6 T

77 , 6 T R R

2

1 WT

khi dùng thang đo °F, và

5 , 21

5 , 21

khi dùng thang đo °C

Trong đó R WT1 và R WT2 là điện trở suất dung dịch ở thiệt độ T1 và T2

Điện trở suất của sét

Ngoại trừ một số khoáng vật quặng hay vật liệu bán dẫn như graphit, pyrit, hematit và một vài khoáng vật khác, còn lại các khoáng vật khô hầu như không dẫn điện

Có một vài khoáng vật bề ngoài dường như là vật dẫn điện ở thể rắn, sét là một thí dụ như thế Theo Waxman và Smits (1968), vật liệu trầm tích sét bản thân nó giống như một thành hệ sạch có độ rỗng, độ cong kênh dẫn và chất lưu b∙o hoà ngoài nước, dường như dẫn điện tốt hơn ta tưởng do bề mặt khối của nó (hình 1.5a)

Sét giống như màng rất mỏng nhưng có diện tích bề mặt riêng rất lớn, tuỳ từng loại khoáng vật sét (1.5b)

Có sự thiếu hụt điện tích dương ở các màng sét Điều này làm nảy sinh trường

điện âm vuông góc với bề mặt màng sét, hút các ion dương (Na+, K+, Ca2+ ) và đẩy các ion âm (Cl- ) có trong nước Kết quả của sự trao đổi trung hoà điện tích ấy sẽ hình thành dung tích hấp phụ cation, thường ký hiệu bằng CEC (meq/g đá khô) hoặc QV(meq/cm3 thể tích rỗng toàn phần) CEC quan hệ chặt chẽ với diện tích riêng Sq của sét

(b) (a)

Hình 1.5 Độ dẫn C 0 của đá cát sét phụ thuộc vào độ dẫn của nước C W (a);

Quan hệ giữa độ dẫn mặt và độ rỗng của các loại sét (b)

và phụ thuộc vào loại khoáng vật sét Đại lượng 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 như cát kết, đá vôi

Khi đề cập tới sét trong đá ta có thể xem phần xương đá là không dẫn điện Thành phần sét sẽ được tính đến trong tính toán dựa trên các phép đo điện trở (yếu tố thành hệ, độ lỗ rỗng, độ b∙o hoà ) ảnh hưởng 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 thước, hình dáng, đặc tính bề mặt và số lượng tương 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 tương 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 nước có điện trở RW, khi đó điện trở suất của đá R0 tỷ lệ với điện trở RW:

Tham số F là hàm số của kiến trúc đá

Trong thực tế dòng điện đi qua môi trường

lỗ rỗng theo các kênh thông nối từ các lỗ rỗng

giữa hạt Đường dẫn đó rất phức tạp, phụ thuộc

vào kiến trúc của đá và cấu hình của hệ thống

kênh dẫn như những mao quản xen chéo và cắt

nhau Mức độ phức tạp của đường dẫn trong đá

được đánh giá bằng hệ số độ cong kênh dẫn, là tỷ

số giữa chiều dài thực l của kênh dẫn trên chiều

dài l0 của mẫu đá (hình 1.6)

Với một tập hợp lớn số đo của các mẫu đá

Archie (1942), cho thấy yếu tố thành hệ của đá

cát sét có quan hệ với độ rỗng Φ theo phương trình mang tên ông:

a F

Φ

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 như độ gắn kết xi măng của đá Đối với kiểu lỗ rỗng nứt nẻ ở dạng hẹp không kéo dài thường lấy m = 1;

Φ

= 1

F

Các đá cát kết thạch anh có lỗ rỗng giữa hạt là chính Công thức Humble thường

được dùng để đánh giá lỗ rỗng trong các trường hợp này: 0 ,262,15

Việc đánh giá chính xác các

tham số a và m thường được thực

hiện nhờ một đồ thị dựng trên toạ

độ vuông góc loga kép, của tỷ số

W

R

R0

(trục tung), và độ rỗng Φ (trục

hoành), lấy từ số đo của phần cát

sạch chứa nước 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

phương pháp địa vật lý giếng khoan

khác (ví dụ neutron - density)

Trên hình vẽ đường đậm nét

đi qua phía “tây nam” của tập hợp

các điểm hàm ý rằng đường vạch

này là “đường nước” của thành hệ

(các điểm trên đường này không có liên quan đến dầu) Trên đồ thị với các giá trị F1 và

F2 ta có thể tìm được các giá trị Φ1 và Φ2 tương ứng Từ 2 cặp số (Φ1, F1) và (Φ2, F2),

W

a F R

2 1

log log

log log

Φ

ư Φ

Chú ý: Trong trường hợp vừa xét điện trở suất chỉ phụ thuộc vào độ rỗng có thông nối Φ thn 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 lưu nào đó trong đá chứa được 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 lưu là nước vỉa thì đó là độ b∙o hoà nước SW và tính bằng:

Trường hợp trong lỗ rỗng không có các chất lưu khác, VW = Vp, thì SW = 1,0; khi đó đá chứa gọi là đá chứa nước, tầng chứa nước (aquifer)

Nếu trong lỗ rỗng có cả các thành phần chất lưu khác, như hydrocacbon (Vhy) thì VW = Vp - Vhy, nên:

p

hy p

p

W W

V

V V V

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 phương trình có dạng:

t

n W

hơn 1 khi có hydrocacbon xuất hiện

trong lỗ rỗng của đá chứa

Hình 1.9 mô tả phương 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)

Đường vạch đậm nét là đường hồi quy

tuyến tính đặc trưng cho tập các giá trị I

và SW (I ≥ 1; 0 ≤ SW ≤ 1) Từ đường hồi

quy ta có thể viết:

I I

log

ư

Trong trường hợp chung, với gần đúng bậc 1, n lấy bằng 2

Nếu theo (1.6) ta thay R0 = FRW thì:

n W

W t

độ b∙o hoà nước dư S W ir Giá trị S W ir phụ thuộc vào loại lỗ rỗng, kích thước kênh rỗng, tính chất của hạt đá, một số chất rắn sót lại trong nước cũng ảnh hưởng lớn đến hiện tượng 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 hưởng 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 hưởng 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 nước 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 lượng

làm thay đổi độ thấm, độ b∙o hoà

của tầng chứa theo cách khác nhau

Bởi vậy trong trường 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

V R

ư +

1

(1.17) 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 như sau:

2

W

W sd sd

S

R F

Với Fsd là yếu tố thành hệ của cát sạch

Thay (1.18) vào (1.17) ta có:

W sd

W sh

sh

sh

S V R

V R

2

) 1 (

(1.19)

Từ đó:

2 1

sh

sh

t W

V

R F R

V R

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,

Hình 1.11 Sơ đồ phân bố của sét phân lớp trong tập vỉa cát sét

chất lưu khó lưu thông trong hệ đó hơn là trường hợp sét phân lớp Mặt khác sét trương

nở ngậm nhiều nước, nước 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 nước lớn hơn, nhưng nước linh động (nước 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 đường dẫn hợp bởi nước lỗ rỗng và sét xâm tán

De Witte (1950) đ∙ đề xuất một phép gần đúng cho hỗn hợp nước - sét theo chất

điện giải đơn để tính điện trở Rt, từ các điện trở Rcl và RW của sét xâm tán và nước vỉa:

Z WZ

cl

Z

q S R

q S R

S

q S R

S q R

1 1

(1.21) Trong đó:

2

Z

Z Z t

S

R F

Z

q S R

q S F

S R

1 1

2

2

Từ (1.22) và (1.23) ta tính Rt, rồi tính SW:

R

R R q R

R R q R

aR

W cl

cl

W cl

t Z W

=

1

2

) (

2

)

1 2

2

(1.25)

Điện trở suất Rcl của sét xâm tán thường được 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:

q

q q R

=

1

2 4

2

1 2 2

(1.26)

Φz tính theo độ rỗng của phương pháp siêu âm; q xác định theo:

S

D S

q

Φ

Φ

ư Φ

Độ rỗng ΦS chỉ độ rỗng chung bao gồm phần chứa nước hay sét, trong khi đó

ΦD chỉ độ rỗng hiệu dụng (gộp phần mật độ sét ngậm nước như 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 như 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 như nhau Tuy nhiên các ảnh hưởng 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 trường hợp chỉ có sét xâm tán mà không có loại hình sét khác Điều đó cũng giống như 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 như khi nói đến lớp sét ta hiểu rằng thành phần khoáng vật chính của lớp đó là sét, ít cát

) (

h

S k

Trong đó:

Q: Lưu lượng (cm3/s) à: Độ nhớt của chất lưu (cp) S: Diện tích tiết diện ngang (cm2) h: Chiều dài tính bằng cm của phần môi trường qua đó có dòng thấm đi theo phương 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

Chưa tìm được một quan hệ chung về mặt toán học giữa độ thấm và độ rỗng để dùng cho mọi trường hợp Đối với các đá hạt vụn chiều hướng quan hệ giữa hai tham

số này được thể hiện trong hình 1.12 và 1.13

Tuy vậy trong thực tế có trường hợp độ rỗng rất cao nhưng độ thấm lại rất kém

Có thể lấy thí dụ trường hợp của đá bọt và đá sét Trường hợp các đá bọt có độ rỗng rất cao nhưng độ thấm bằng không vì các bọt rỗng trong đá không có kênh thông nối với nhau; trường 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 trường hợp vừa nêu có thể độ rỗng của đá tới 80%, nhưng 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 tượng mao dẫn trên bề mặt tiếp xúc giữa nước và đá

Lỗ rỗng hay thông nối với nhau qua các đường ống có đường kính r cỡ dưới 1àm Trên thành các ống đó xảy ra hiện tượng kéo nước thấm dâng lên tới chiều cao h tạo ra một áp lực Pe gọi là áp lực mao dẫn (hình 1.14) Phương trình Laplace biểu thị quá trình trên như sau:

T là sức căng trên bề mặt tiếp xúc giữa nước với thuỷ tinh (dyn/cm)

θ là góc tiếp giáp giữa mặt cong với thành ống (độ)

r là bán kính ống (cm)

Cã thÓ tÝnh (1.29) t−¬ng ®−¬ng nh− sau:

g h r

Từ (1.30):

g r

T h

ρ

θ

cos 2

Phương trình (1.31) là phương trình chiều

cao cột nước theo định luật Jurin

Từ (1.31) ta thấy ngay là khi bán kính ống

mao dẫn càng nhỏ thì chiều cao dâng cột nước

càng lớn Đối với nước trong ống thuỷ tinh, ví dụ

T = 73 dyn/cm ở 20°C và θ = 0°; nếu r = 1mm thì

h = 1,5cm, và nếu r = 1àm thì h = 15m

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 tương đối

Trong phần lớn các đá chứa là đá trầm tích, thoạt đầu chúng b∙o hoà nước, khi dầu di cư từ nơi khác tới thì dầu sẽ lấn dần choán chỗ thay nước trong lỗ rỗng Sự lấn dần đó chỉ xảy ra khi lực đẩy nước của dầu trên bề mặt tiếp xúc dầu - nước lớn hơn lực mao dẫn giữa nước với đá Với các đá có độ hạt càng mịn, đường kính kênh dẫn càng nhỏ, lực mao dẫn càng lớn thì dầu không thể đẩy được nước khỏi không gian lỗ rỗng Trong trường hợp đó đá sẽ không thấm dầu Vì vậy một cách tương đối (phụ thuộc áp lực) đá có thể chỉ thấm nước, không thấm dầu và có trường hợp đá có thể thấm cả hai lưu chất dầu nước

Nếu trong hệ thấm chỉ có một trong hai chất lưu kể trên thì dòng thấm sẽ phù hợp với định luật Darcy (1.28) Trường hợp tồn tại cả hai, hoặc nhiều hơn số chất lưu trong hệ thì hoạt động động học của các pha thành phần đó sẽ không đơn giản như vậy

Ví dụ trong hệ thấm có cả dầu lẫn nước, độ thấm hiệu dụng tính cho mỗi thành phần

đó sẽ là:

- Đối với pha dầu:

PS

h Q k

Q0 và QW là lưu lượng thấm của dầu và nước

à0 và àW là độ nhớt của dầu và của nước

Hình 1.14 Hiện tượng hình thành

áp lực mao dẫn

∆P là áp lực thấm

h và S có ý nghĩa như ở (1.28) Trong thực tế, thường gặp đồng thời cả hai pha dầu và nước, khi đó kt = k0 + kW

sẽ nhỏ hơn độ thấm tuyệt đối k, và đương nhiên Qt = Q0 + QW cũng nhỏ hơn lưu lượng thấm của dòng đơn pha Điều đó có nghĩa là hai pha cản trở lẫn nhau khi thấm qua môi trường lỗ rỗng

Có một cách đánh giá hiện tượng này theo định nghĩa của độ thấm tương đối:

Độ thấm tương 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

đương với giá trị b∙o hoà dầu dính (Sor)

Độ thấm tương đối của nước tiến tới không ngay ở giá trị b∙o hoà nước dư (SWir)

và tăng theo độ b∙o hoà nước SW Ta có nhận xét trong đá cát sét, độ b∙o hoà nước dư thường lớn hơn độ b∙o hoà dầu dính ở vùng b∙o hoà chuyển tiếp SW ≤ SWir chỉ có dòng dầu thấm, ngược lại ở vùng S0 < Sor chỉ có dòng nước thấm Trong thực tế ta hay gặp kro

= krw ở giá trị độ b∙o hoà SW = 60%

Trong lĩnh vực này có nhiều công trình đề xuất các phương trình thực nghiệm chỉ quan hệ giữa kro, krw với SW, SWir và Sor Một số trong các phương trình đó như sau:

S

S S

3 0

1

ir

W ro

S

S k

S

S k

Hình 1.15 Độ thấm tương đối phụ

thuộc độ b∙o hoà

Nếu giếng khai thác là hoàn toàn ở vào vùng chuyển tiếp, ở đó tầng chứa giảm hẳn độ b∙o hòa nước, tới khi krw = 0 thì nước không còn thấm vào giếng Nếu sự hoàn tất giếng đ∙ thấy ở vùng chuyển tiếp thì phần nước trong dòng khai thác xem như bị loại trừ Khi đó có thể tính như sau:

Lưu lượng dòng dầu

l

S P k Q

0

0 0

) (

W

) (∆

Q WC

+

=

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)

2 4 , 4

136 ,

Theo Wyllie và Rose (1950)

- Đối với dầu

- Đối với dầu

2

0 ) (

=

g W

biểu diễn sự phụ thuộc

của độ b∙o hoà nước dư

SWir vào độ lỗ rỗng hiệu

dụng với các giá trị độ

thấm cho trước, tính theo

Hình 1.16 Quan hệ phụ thuộc giữa độ lỗ rỗng (Φ), độ b∙o

hoà nước dư (S Wir ) và độ thấm K

Chương 2 Nguyên lý chung trong địa vật lý giếng khoan

2.1 Các phương pháp khảo sát

2.1.1 Hệ thiết bị đo (hệ quan sát)

Cũng như các hệ đo ghi của các phương pháp địa vật lý trên mặt, mỗi phương pháp địa vật lý trong giếng khoan được 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 trường 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 thường áp suất Cáp là loại cáp chuyên dụng, có vai trò của các kênh dẫn thông tin từ trạm đến máy giếng và ngược lại Cáp có thể gồm một hoặc nhiều kênh dẫn (nhiều ruột), cáp được quấn trên một tang tời dùng động cơ mỗi khi kéo thả (Hình 2.1)

Các khối kiểm tra

Trạm và tời cáp thường được lắp đặt trên một xe tải có mui kín Đối với các giếng khoan sâu, để tiết kiệm thời gian, cùng một lúc người ta tiến hành đo nhiều phương pháp Khi đó phần máy giếng bao gồm nhiều Zond được 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 phương pháp địa vật lý, hệ thiết bị đo cần có tối thiểu các phần như 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 tương 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 được bọc cách điện tốt Điện trở cách điện giữa ruột và vỏ cáp khi ngâm trong nước tối thiểu là 2,5 MΩ Ruột cáp là những kênh dẫn để truyền tín hiệu điện từ mặt đất đến máy giếng và ngược lại Vỏ cáp là phần được 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, người ta thường 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 phương pháp

nhất định Vì các phương 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 phương pháp cụ thể, lúc đó nó có ý nghĩa như là “log” Chẳng hạn trong tiếng Anh hay dùng sonic tool, electrical tool có nghĩa như sonic log, electrical log là để chỉ phương pháp đo siêu

âm hay phương pháp điện trở trong giếng khoan

Máy giếng có cấu trúc của một ống thép trụ tròn đường 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 tương 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 phương pháp đo trong cùng một lần kéo cáp tới con số hàng chục, nhưng 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 phương pháp thì mỗi phương pháp sẽ có chỉ thị chiều sâu điểm đo khác nhau Muốn đưa các

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 đưa 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 đường cong đo ghi ở một đoạn giếng không bù trễ, chưa chuẩn hoá (bên trái) và có bù trễ, đ∙ chuẩn hoá (bên phải)

2.1.2 Phân loại các phép đo trong giếng khoan

Các phép đo địa vật lý trong giếng khoan được phân làm hai nhóm chính Nhóm thứ nhất nghiên cứi các hiện tượng tự nhiên hay tự sinh (các trường vật lý tự nhiên), nhóm thứ hai nghiên cứu các hiện tượng kích thích cảm ứng (các trường vật lý nhân tạo)

a) Trường tự nhiên gồm có

- Cường độ bức xạ gamma tự nhiên, phép đo được 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

lượng chọn trước Trường hợp đo gamma tổng gọi là đo gamma ray, một phương pháp

thông dụng (GR); trường hợp đo theo phổ năng lượng tương ứng với phần lớn tia gamma phát xạ do phân ra từ nguyên tố Urani, Thori và Kali (potatium) gọi là phương

pháp phổ gamma tự nhiên (SGR hoặc NGS)

khoảng bù chuẩn hoá

Hình 2.3 Các đường cong đo ghi trước và sau chuẩn hoá

Trước chuẩn hoá Thạch học Sau chuẩn hoá

- Thế tự phân cực: SP

- Nhiệt độ của các thành hệ, phương pháp đo nhiệt độ (T°)

- Đường kính giếng: Phương pháp đo đường kính (CALI) Đường 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 phương vị của trục giếng để xác định hướng đi của giếng khoan trong không gian

b) Những tính chất vật lý được nghiên cứu bằng các phương pháp kích thích nhân tạo

- Các phép đo điện được tiến hành khi phát tín hiệu điện:

Phương pháp điện trở suất hay độ dẫn điện bao gồm các phương 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 phương pháp dùng ống dây cảm ứng (IL)

Phương pháp hằng số điện môi có sử dụng vòng cảm ứng: lan truyền sóng điện

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 lượng của tia gamma người ta có thể đo để có số đo nhạy với các nguyên tố khác nhau: Carbone - oxygen (IGT, GST)

Hiện tượng bắt giữ neutron → phổ tia gamma chiếm giữ (GST, IGT)

Phương 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 trưng Căn cứ vào phổ năng lượng và phổ thời gian người ta có thể phân biệt sự có mặt của các nguyên tốt nhất định trong môi trường (HRS)

Phép đo cộng hưởng từ hạt nhân Hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân xảy ra với spin của nguyên tố Hydro Quan sát hiện tượng quay hồi chuyển spin của hydro có thể

đánh giá hàm lượng hydro tự do trong đá (NML)

- Các phương 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 được đo như vậy

Phép đo thời gian lan tuyền sóng từ mặt đất đến geophone trong giếng khoan Phép đo như 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 lượng) của sóng dọc hoặc sóng ngang: Amptitude logging (A)

Phép đo biên độ tương 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 được thả trong giếng khoan và tiếp cận với đất đá ở xung quanh Giá trị của mỗi phép đo đều chịu ảnh hưởng trực tiếp của môi trường xung quanh giếng

2.2.1 Sự ngấm dung dịch

- Dung dịch khoan: ảnh hưởng của dung dịch khoan lên một phép đo phụ thuộc vào một số yếu tố: đường kính giếng, loại và tỷ trọng của dung dịch Đường kính giếng càng lớn phần thể tích dung dịch trong miền ảnh hưởng 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 nước, 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 được an toàn, thành giếng không bị sập người ta thường tạo cho áp suất thuỷ tĩnh của cột dung dịch có giá trị lớn hơn hoặc bằng áp suất của nước trong lỗ rỗng (áp suất vỉa) Vì vậy, dung dịch có xu hướng 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 phương bán kính filtrat (phần nước của dung dịch khoan) thay thế hoàn toàn hay từng phần chất lưu (nước vỉa, dầu) tự nhiên trong lỗ rỗng của đá Phần trong sát ngay thành giếng filtrat thay thế hoàn toàn nước tự do và

dầu linh động của vỉa Phần này gọi là đới rửa Phần tiếp theo trong lỗ rỗng trộn lẫn filtrat là nước 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 trường có phân bố bất đồng nhất theo phương bán kính (hình 2.4) Theo phương 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

chuyển tiếp, ngoài cùng là đới nguyên Trong mỗi đới có thành phần chất lưu riêng, do

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, trong vòng tròn là điện trở suất của pha lỏng trong đới Ký hiệu viết trong tam giác đều là chỉ độ b∙o hoà nước của đới Do tính chất thay đổi của các thành phần filtrat và nước vỉa trong

đới chuyển tiếp nên các tham số

điện trở và độ b∙o hoà của đới này cũng thay đổi theo phương bán kính

Trong một số trường hợp gặp ở vỉa dầu, khi filtrat thấm vào vỉa gây áp lực thấm Dưới

áp lực thấm, dầu có độ thấm tương đối cao hơn nên bị đẩy nhanh vào trong sâu hơn, ngược lại, nước có độ thấm tương đối nhỏ hơn nên tụ lại tạo thành đới vành khuyên có điện trở Ranthấp (Nguyễn Văn Phơn, 1998)

- ống chống và trám xi măng Trong các trường hợp giếng đ∙ chống ống và trám xi măng thì các phương pháp điện trở không còn tác dụng, điện trở bằng không Thông thường

ở đoạn giếng này thì chỉ có các phương pháp hạt nhân và một vài phép đo siêu âm còn được sử dụng để nghiên cứu giếng khoan

2.2.2 Hiệu ứng hình học của Zond

Đường kính của Zond đo (máy giếng) bao giờ cũng nhỏ hơn đường kính danh

định của giếng Khi đường kính giếng không quá lớn so với đường kính Zond và luôn luôn ở vị trí định tâm thì ảnh hưởng của giếng khoan lên kết qủa đo sẽ là không đổi hoặc sẽ nhỏ, có thể bỏ qua

Trong thực tế đường 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

N-ớc vỉa Dầu

Đới ngấm Đới nguyên

Khoảng cách

Vỏ sét

Trục giếng

Đ-ờng kính đới ngấm

Vỉa vây quanh

Vỉa vây quanh

Hình 2.4 Sơ đồ biểu diễn phân bố chất lưu và điện trở

suất ở xung quanh giếng khoan

một trong 3 vị trí tương đối so với trục giếng: Định tâm (trục của Zond và trục giếng khoan trùng nhau), không định tâm, hay áp sườn vào thành giếng (δ = 0), và nằm ở vị trí cách thành giếng một khoảng nhỏ (δ = const.) Đối với một số phương pháp (như 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 được xác định:

δ là khoảng cách gần nhất từ Zond đến thành giếng

d là đường kính giếng tại vị trí đo

d0 là đường 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 phương pháp vật lý đo trong giếng khoan, dựa vào nội dung vật lý riêng, chẳng hạn các phương pháp điện trở hay độ dẫn thì dựa vào việc

đo tham số điện trở suất và độ dẫn điện, các phương pháp phóng xạ thì đo cường độ bức xạ của môi trường Từ đặc điểm của phương pháp thiết bị máy giếng của chúng cũng khác nhau, sự khác nhau đó trước hết là kích thước, vì kích thước thiết bị có phần quyết định chiều sâu nghiên cứu của phương pháp Dựa vào chiều sâu nghiên cứu chia các Zond thành hai nhóm: nhỏ và lớn Các Zond nhỏ thường 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 thường rất nhỏ Ví dụ Zond đo bù mật độ có miền ảnh hưởng 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 như 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) nhưng độ phân giải theo chiều thẳng đứng thì kém hơn

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý và vùng nghiên cứu của một số các Zond đo (Theo

Hình 2.6 Yếu tố hình học theo phương bán kính của các Zond đo điện trở

2.2.3 Tốc độ kéo cáp

Mỗi phương pháp địa vật lý giếng khoan có yêu cầu tốc độ kéo cáp khác nhau Các hiện tượng 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 được 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, nhưng chúng thăng giáng xung quanh một giá trị trung bình nào đó Đặc tính đó gọilà tính “thăng giáng” của các số đo phóng xạ Hằng số thời gian ح càng lớn thì tính “thăng giáng” càng giảm vì số đếm đ∙

được trung bình hoá trong khoảng thời gian dài hơn Điều này giống như ta lấy trung bình trượt của một hàm ngẫu nhiên, nếu cửa sổ trung bình trượt càng rộng thì đường 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 gian ح và tốc độ kéo cáp vì chúng có liên quan đến độ phân giải của phương pháp đo Thông thường người ta chọn tốc độ kéo cáp khi thực hiện các phép đo phóng xạ hạt nhân trong giếng khoan sao cho trong khoảng thời gian bằng ح, detectơ dịch chuyển

được một khoảng từ 0,6 - 0,9 m theo trục giếng khoan

Như vậy nếu tăng tốc độ kéo cáp thì phải rút ngắn hằng số thời gian ح, sao cho tích ح.v = const (v là tốc độ kéo cáp) Với các máy hiện dùng trong sản xuất tích v.ح lấy bằng 1000, trong đó v tính bằng m/h, ح tính bằng giây

Đối với các phương pháp điện trở (hoặc độ dẫn) và siêu âm việc chọn tốc độ kéo cáp lại được chọn để đáp ứng theo một yêu cầu khác, đó là quán tính của điện kế Mọi

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 tương 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 đường 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

phương pháp điện và siêu âm, tốc độ kéo

cáp thường 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

Trong đo ghi tương tự trên băng từ,

đường dọc ở mép bên trái của cột thứ nhất

được ghi không liên tục, các khoảng trắng

trên đường này cách nhau 10 giây Căn cứ

vào các khoảng trắng trên đường ghi và cột

chiều sâu ta có thể kiểm tra được tốc độ kéo

cáp nhanh hay chậm (hình 2.7)

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 người 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 hưởng lẫn nhau Không nên kết hợp các phương pháp cần đo với tốc độ kéo cáp chậm với các phương 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 trước Nhờ hệ cơ học chiều dài của đoạn cáp đi qua ròng rọc được chuyển vào làm cho băng ghi (băng giấy ảnh hoặc băng từ) dịch chuyển một đoạn tương đương 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 tương ứng 1000m, 500m, 200m, 100m, 40m và 20m chiều sâu thực ở giếng khoan được thể hiện trên 1m chiều dài của băng ghi

Trong địa vật lý giếng khoan thực hiện các kiểu ghi chính: tương tự và ghi số

Đo ghi tương tự có thể trên giấy đặc biệt bằng bút ghi hoặc trên giấy ảnh bằng một camera có nhiều điện kế gương Ghi số trên băng từ là cách ghi hiện tại có nhiều ưu

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 chương 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 đường ghi tương tự theo tỷ lệ bất kỳ Các số liệu đo ghi số dễ biến

đổi và gọn nhẹ, bền vững trong việc lưu giữ bảo quản

Khoảng trắng đánh dấu thời gian

Hình 2.7 Dấu hiệu kiểm tra tốc độ kéo cáp

2.4 Biểu diễn kết quả đo ghi

Các biến thiên của số đo được ghi lại trên phim hoặc băng từ hay đĩa mềm dưới dạng hàm số theo chiều sâu Các phim được in hiện luôn, còn băng có thể được lưu lại

và biểu diễn thay đổi theo mục đích và

mức độ chi tiết theo yêu cầu công việc

Lưới biểu diễn tiêu chuẩn của viện

dầu khí Mỹ (API) quy định cho các công

ty địa vật lý khi biểu diễn kết quả đo ghi

địa vật lý giếng khoan như hình 2.8

Cột 1 luôn luôn là ở tỷ lệ tuyến

tính, gồm 10 khoảng rộng (mỗi khoảng

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

2.8b) hoặc cột 2 có tỷ lệ logarit, cột 3

theo tỷ lệ tuyến tính (hình 2.8c), ví dụ

cột 2 dành cho kết quả đo điện trở, cột 3

cho kết quả đo siêu âm

Một số phép đo điện trở suất

trước đây biểu diễn trên lưới “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, tương đương với 50 - ∞ Ωm)

Tỷ lệ theo chiều sâu được 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 trường hợp nghiên cứu chi tiết các đối tượng như 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 người phân tích minh giải tài liệu và người sử dụng những kết quả về sau Mỗi công ty dịch vụ

có một logo biểu trưng 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 phương pháp đo, tên giếng khoan, tên công ty, vùng mỏ, vùng l∙nh thổ, toạ độ giếng khoan, đường kính khoan, các

số liệu chỉ đặc trưng 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 tượng không ổn định, nghĩa là sự tương ứng giữa tín hiệu đầu vào và đầu ra của hệ giữa lúc bắt đầu đo và lúc gần kết thúc không còn như nhau Ví dụ suất đếm của các detector trong các phương phóng xạ hạt nhân có thể thay đổi khi nhiệt độ và áp suất thay đổi, hay hiện tượng “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

Tuyến tính

Logarit Tuyến tính

Trước khi kết thúc một lần đo của một phương 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 phương pháp phóng xạ hạt nhân (NGS, TDT) các đoạn băng đo lặp còn có ý nghĩa đánh giá sự hạ thấp đặc trưng biến đổi thống kê của thiết bị

Đo chuẩn khắc độ cho máy được thực hiện ghi trên film hay băng từ trước 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

Hình 2.9 Một thí dụ đoạn băng đo ghi lặp và chuẩn máy

2.6 Chuyển tải số liệu

Các băng kết quả do ghi địa vật lý giếng khoan phải được nhanh chóng xử lý để

có kết quả sớm nhất Vì vậy, một mặt các số liệu đo được xử lý nhanh tại trạm (nếu đủ các phân mềm xử lý nhanh), mặt khác các số liệu này phải được chuyển ngay về trung tâm tính toán hay văn phòng công ty, ở đó có đủ các thiết bị máy tính và chương 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

biệt lập

Hình 2.10: Sơ đồ chuyển tải số liệu

Chương 3 Các phương pháp điện từ trường

3.1 Giới thiệu

Trong địa vật lý giếng khoan, các phương pháp điện từ trường 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 phương pháp trong nhóm này có các đặc điểm chung là qua các điện cực hoặc ống dây phát các tín hiệu (dòng điện hoặc trường điện từ) kích thích vào môi trường nghiên cứu rồi dùng các điện cực/ống dây khác đặt cách điểm phát một khoảng nhất định để thu các tín hiệu tương ứng từ môi trường nghiên cứu Một hệ được sắp xếp

có quy luật gồm các điện cực/ống dây phát và thu tương ứng dùng để đo điện trở suất

hay độ dẫn điện của môi trường nghiên cứu thì được 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 trường kích thích và thu tín hiệu của chúng Nhờ các phép đo bằng các hệ điện cực có chiều sâu nghiên cứu khác nhau người ta có thể đánh giá các giá trị điện trở suất của các đới khác nhau xung quanh giếng khoan

Trong chương này ta sẽ lần lượt xem xét cơ sở lý thuyết và thực hành của một số phương pháp chủ yếu đang có sử dụng phổ biến trong thực tế sản xuất

3.2 Các phương 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, cường độ

I amper vào môi trường đồng nhất đẳng hướng 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:

dr r

π sẽ là điện trở của phần môi

trường nằm giữa hai mặt cầu)

Lấy tích phân (3.1) theo r ta có:

dr RI U

dU I

r

R= ư4π 2 = 4π 2 (3.5)

Từ các phương trình (3.4) và

(3.5) dẫn đến hai cách đo điện trở

suất sau đây:

a) Sơ đồ đo thế - Hệ điện cực thế

Một điện cực thu M đặt gần điện cực phát A (hình 3.2a), cường độ dòng I trong mạch AB được duy trì cố định Thế điện UM so với thế điện tại N ở xa vô cùng (UN = 0), nếu bỏ qua ảnh hưởng của giếng khoan, có thể viết phương trình (3.2) như sau:

AM = 1m60, tương đương 64″, gọi là hệ điện cực thế trung bình

Điểm đo của hệ điện cực thế được tính cho điểm giữa các điện cực A và M