Phần 1: Các phương pháp ño trường tự nhiên ðỊA VẬT LÝ GIẾNG KHOAN TS Lê Hải An Bộ môn ðịa vật lý, Khoa Dầu khí, TRƯỜNG ðẠI HỌC MỎ - ðỊA CHẤT • Phương pháp tự nhiên (SP) – Spontaneous Potential • Phương pháp gammma tự nhiên (GR) – Natural Gamma Ray • Phương pháp phổ gammma (NGS) – Natural Gamma Ray Spectometry Phương pháp tự nhiên Giếng khoan Phương pháp tự nhiên ðo ghi chênh lệch ñiện ñiện cực thả vào giếng khoan điện cực mặt đất (khi khơng có dòng điện phát – trường điện tự nhiên) ðiện thay ñổi từ lớp ñất ñá sang lớp đất đá khác ðiên biến thiên từ vài ñến hàng trăm millivolt ðiện cực nối ñất Cáp ño ðiện cực Phương pháp tự nhiên Nguồn gốc trường tự nhiên Gồm nguồn chính: Giếng khoan phải khoan dung dịch sở gốc nước (khơng đo ghi giếng khoan dung dịch sở gốc dầu) Hệ ñiện cực ño ghi SP ñược chế tạo nhiều máy giếng như: induction log, laterolog, sonic log, sidewall core gun • • Thế điện hóa học (electrochemical) Thế điện ñộng lực (electrokinetic) Thế ñiện hóa (Ec) Thế ñiện hóa (Ec) Thành phần thứ nhất: hấp phụ - màng lọc (Em) Giếng khoan Sét cho phép ion Na+ qua, lại ngăn cản khơng cho ion Cl- qua hấp phụ chúng Dòng ion Na+ chạy qua lớp sét từ nơi có độ khống hóa cao (nước vỉa) đến nơi có độ khống hóa thấp (filtrate dung dịch khoan) tạo nên điện hấp phụ Em Thế điện hóa học: gồm hai q trình điện hóa xảy có hai chất lưu có nồng độ khống hóa khác (filtrate dung dịch khoan nước vỉa) tiếp xúc vói hay thông qua màng bán thấm (sét vây quanh) Thế điện hóa (Ec) Thế điện động lực (Ek) Thành phần thứ hai: khuyếch tán (E j) Giếng khoan Giữa thành hệ dung dịch khoan có chênh lệch nồng độ khống hóa (chủ yếu NaCl: ion Na+ ion Cl-) Các ion chuyển dịch từ nơi có nồng độ cao (nước vỉa) sang nơi có nồng độ thấp (dung dịch khoan) Do độ linh ñộng ion Na+ Cl- khác (ion Cl- chuyển ñộng nhanh hơn), mà tạo nên ranh giới ñới rửa ñới nguyên ñiện khuyếch tán Es Giếng khoan Cột dung dịch Hình thành có dòng dung dịch điện phân thấm vào môi trường rỗng phi kim (không kim loại) Sự chênh áp cột dung dịch vỉa gây nên dòng filtrate dung dịch khoan thấm vào thành hệ (quá trình xâm nhập) Dòng filtrate dung dịch khoan qua lớp vỏ bùn (mudcake) tạo nên ñiện ñộng lực Ek Thế ñiện ñộng lực Ek nhỏ biến lớp vỏ sét trở nên không thấm ðiện tồn phần ðiện tồn phần (SSP) • Với dung dịch NaCl 25°C (77°F): SP = Ej + Em + Ek Em = -59.1log(Rmfe/Rwe) Ej = -11.5 log(Rmfe/Rwe) Rmfe and Rwe điện trở suất tương ñương, liên quan ñến giá trị ñiện SP Em Emembrane + Em Em E Ejlj + • ðiện tồn phần hay điện tĩnh SSP (static SP) với lớp cát dày: Shale Sand SSP = -K log (Rmfe/Rwe) EliquidEjjunction Mud Invaded zone trở suất dung dịch khoan Rmf ñiện trở suất nước vỉa Rw Virgin zone K số tỉ lệ với nhiệt độ T= (61+0.13T) T tính theo °F: SSP = - (61 + 0.13T) log (R mfe/Rwe) Ảnh hưởng độ khống hóa ðường cong SP ðơn vị đo millivolt (mv) Khơng có vẽ lưới theo tỉ lệ mà có đơn vị quy ước cho chênh lệch 20mv ðường cong SP Ứng dụng phương pháp tự nhiên SP Phân chia lớp ñất ñá giếng khoan theo thành phần thạch học (phân biệt vỉa thấm chứa vỉa sét) Ảnh hưởng mơi trường xung quanh lên đường cong SP Xác ñịnh ñiện trở suất nước vỉa Rw Cần biết: ðiện trở suất filtrate dung dịch khoan (Rmf) Xác ñịnh ranh giới chiều dày vỉa cát sét Nhiệt ñộ thành hệ (T0C) Xác ñịnh hàm lượng sét ESSP Xác ñịnh ñiện trở suất nước vỉa Rw Liên kết giếng khoan Xác ñịnh ñiện trở suất nước vỉa Rw Xác ñịnh Rmf nhiệt ñộ thành hệ Xác ñịnh ñiện trở suất nước vỉa Rw Xác ñịnh Rmfeq Rmf Rmf Rmf@T0 Rmfeq Xác ñịnh ñiện trở suất nước vỉa Rw Xác ñịnh tỉ số (Rmfeq/Rweq) ESSP Rmfeq/Rweq Xác ñịnh ñiện trở suất nước vỉa Rw Cho biết: Gradien nhiệt ñộ 30C/100m Nhiệt ñộ mặt ñất 250C Thành hệ @ 2000m ðiện trở suất filtrate dung dịch khoan Rmf= 0.05 ohmm@250C ESSP=-112 mv Xác ñịnh ñiện trở suất nước vỉa Rw Xác ñịnh Rw Rweq Rw Xác ñịnh ñiện trở suất nước vỉa Rw Cho biết: Nhiệt ñộ thành hệ 1740F Nhiệt ñộ mặt ñất 780F ðiện trở suất filtrate dung dịch khoan Rmf= 0.64 ohmm@780F ESSP=-90 mv Spontaneous Potential Phương pháp gamma tự nhiên © Schlumberger Phương pháp gamma tự nhiên Phương pháp gamma tự nhiên Phương pháp gamma tự nhiên (GR) ño ghi cường độ phóng xạ gamma tự nhiên thành hệ Hầu tất loại thành hệ ñất ñá ñều xạ tia gamma cường ñộ phụ thuộc vào hàm lượng đồng vị phóng xạ Kali, Thori va Uran có chứa thành hệ ñó Phương pháp gamma tự nhiên GR ño ghi giếng khoan thường phản ánh thành phần sét thành hệ thành hệ trầm tích, ngun tố phóng xạ thường có khuynh hướng tích tụ sét khống vật sét Thành hệ (khơng có sét) thường có cường độ phóng xạ nhỏ, ngoại trừ tàn núi lửa granite wash nước thành hệ có chứa muối phóng xạ hoà tan Tia gamma Sét Tia gamma dạng sóng điện từ có lượng cao phát từ ngun tố đồng vị phóng xạ tự nhiên Hầu hết tia gamma tự nhiên vỏ ñất ñược phát từ nguồn ñồng vị phóng xạ chính: Cát sét Cát • • • Kali (K40) Thori (Th232) Uran (U238) Sét Tia gamma Mỗi ngun tố đồng vị phóng xạ phát xạ tia gamma có cường độ lượng riêng khác với nguyên tố khác • Kali (K40) cho mức lượng 1.46 MeV • Thori (Th232) cho mức lượng 2.62 MeV • Uran (U238) cho mức lượng 1.76 MeV Tương tác tia gamma môi trường Hiệu ứng tạo cặp Tia gamma có lượng cao (>10MeV) tương tác trực tiếp với hạt nhân nguyên tử bị hấp thụ hoàn toàn, làm bắn từ hạt nhân cặp tích điện trái dấu electron positron Tương tác tia gamma mơi trường Hiệu ứng hấp thụ quang điện Va chạm khơng đàn hồi tia gamma với ngun tử hồn tồn lượng Lúc ngun tử tích thêm lượng vào trạng thái kích thích Ngun tử khỏi trạng thái kích thích cách bắn electron Tương tác tia gamma mơi trường Khi qua mơi trường vật chất (thành hệ ñất ñá), tia gamma thực va chạm với electron nguyên tử môi trường ñó dần lượng sau lần tương tác Ba hiệu ứng tia gamma tương tác với môi trường Hiệu ứng tạo cặp Hiệu ứng tán xạ Compton Hiệu ứng hấp thụ quang điện Tương tác tia gamma mơi trường Hiệu ứng tán xạ Compton Va chạm ñàn hồi tia gamma với electron lớp nguyên tử, làm cho tia gamma tán xạ góc so với hướng ban ñầu bắn electron compton có lượng lớn Thiết bị đo ghi gamma Máy giếng GR có đầu thu đo ghi cường ñộ tia gamma phát từ thành hệ xung quanh máy giếng Hiện nay, ống ñếm nhấp nháy (scintillation counters) ñược sử dụng chủ yếu cho phép ño ghi thay cho ống ñếm Geiger-Mueller trước ñây Ống ñếm nhấp nháy dài có vài inches cho giá trị đo ghi xác, gồm tinh thể NaI lớn Khi tia gamma ñâm vào tinh thể NaI tạo tia sáng, sau ñược chuyển thành xung ñiện tế bào quang ñiện ðường cong gamma (GR) ðường cong gamma (GR) phụ thuộc tốc ñộ kéo cáp ðơn vị ño API xung/phút ðặc điểm đường cong GR: • ðối xứng vỉa đồng • Biên độ dị thường phụ thuộc chiều dày vỉa Tốc ñộ kéo cáp nhanh dị thường lại bị dịch chuyển lên khỏi vị trí sét Dáng điệu ñường cong GR phụ thuộc vào tốc ñộ kéo cáp Phải khống chế tốc ñộ kéo cáp máy cho khơng q 1ft khoảng số thời gian 2s (khoảng thời gian ñếm tia gamma) 1ft = 1m cát vertical resolution GR tool sét Ưu ñiểm phương pháp gamma (GR) Một ưu ñiểm phương pháp gamma tự nhiên đo ghi mơi trường, điều kiện, giếng khoan ñã chống ống, giếng khoan khoan dung dịch sở gốc nước (mặn, ngọt), gốc dầu Ứng dụng phương pháp gamma tự nhiên GR ðơn vị ño gamma API Tại University of Houston Một ống trụ dài 24ft., 4ft đường kính, chứa 8ft xi măng trộn với 12ppm U, 24ppm Th 4% K API ñược ñịnh nghĩa 1/200 chênh lệch cường độ phóng xạ gamma sét nhân tạo vỉa vây quanh Ứng dụng phương pháp gamma tự nhiên GR • Liên kết giếng khoan Phân chia tỉ mỉ lớp ñất ñá giếng khoan Xác ñịnh ranh giới chiều dày vỉa cát sét Xác ñịnh hàm lượng sét Liên kết giếng khoan Xác định mơi trường trầm tích Xác định vật chất hữu ñá sinh Phát thân quặng chứa phóng xạ Ứng dụng phương pháp gamma tự nhiên GR Ứng dụng phương pháp gamma tự nhiên GR • Xác định hàm lượng sét • Xác định hàm lượng sét Vsh = 1.7 − 3.38 − (GRI + 0.7)2 Cơng thức cho đá già (consolidated rocks) Vsh = GRI (GRI +n) Vsh = 0.33 * (2 2*GRI − 1) Cơng thức cho đá trẻ đệ Tam (unconsolidated rocks) IR G Cơng thức Clavier Cơng thức Bateman ( n =1.2÷1.7 ) V sh = 5GRI (1 − GRI ) Vsh = 0.083* (23.7*GRI −1) Công thức Steiber Vsh Phương pháp phổ gamma • Phương pháp phổ gamma Phương pháp phổ gamma Phương pháp phổ Gamma (NGS) đo ghi cường độ phóng xạ tồn phần đo ghi số lượng tia gamma mức lượng xạ gamma, nhờ mà cho phép xác ñịnh thành phần ñồng vị nguyên tố phóng xạ K, Th U thành hệ ðường cong phổ gamma Trên tài liệu ño ghi phổ gamma: • URAN - hàm lượng U (phần triệu, ppm) • THOR- hàm lượng Th (phần triệu, ppm) • POTA- hàm lượng K (phần trăm, %) ñược ghi rãnh • SGR (spectral gamma ray) gamma tổng (API) Tồn phổ gamma chia thành mức cửa sổ lượng: W1, W2, W3, W4, W5 ñể “bắt giữ”các tia gamma tương ứng với đồng vị phóng xạ khác nhau, từ xác định hàm lượng K, U Th thành hệ • CGR (computed gamma ray) gamma tổng trừ ñi thành phần U (API) gamma tổng thành phần Th K ñược ghi rãnh Ứng dụng phương pháp phổ gamma Ứng dụng phương pháp phổ gamma • • Kết hợp với phương pháp khác để xác định thành phần khống vật • Nhận biết loại sét tính hàm lượng chúng • Liên kết địa tầng theo lát cắt giếng khoan, kể giếng khoan có ống chống • Kiểm tra xác chiều sâu để bắn vỉa • Nghiên cứu tướng trầm tích theo lát cắt giếng khoan • Xác định đới sản phẩm (thief zones, channels) xi măng sau chống ống • Phát khóang vật phóng xạ quặng phóng xạ U Nhận biết loại sét tính hàm lượng chúng Xác ñịnh hàm lượng sét Bài tập: xác ñịnh hàm lượng sét Xác ñịnh hàm lượng sét GR _ 120 API • Xác định hàm lượng sét vỉa A đến I • Xác định hàm lượng sét vỉa A ñến I biết ñây thành hệ trước Kaizozoi • Vỉa I có đặc biệt? • Hiệu chỉnh giá trị ño GR vỉa I tính lại hàm lượng sét vỉa biết: mật ñộ bùn khoan 14 lbs/galon; thiết bị đo GR có đường kính 3/8” đặt lệch tâm giếng khoan Xác định thành phần khống vật Từ ñường cong phổ Gamma (GR, U, Th, K) xác ñịnh thành phần khoáng vật khoảng ñộ sâu sau: • 10665 ft đến 10675 ft • 10730 ft ñến 10740 ft • 10770 ft ñến 10805 ft • 10810 ft ñến 10820 ft - - - CAL - - - 16 in Vsh = 0.33 * ( 2*GRI − 1) Xác định thành phần khống vật 10700 SGR _ 150 API K 10 - - - URAN - - - 30 ppm -2 THOR 38 ppm U -11 POTA % Th IR G 10800 SGR Vsh Acknowledgments Schlumberger Baker Atlas Halliburton 10