41
A. Cơ sở của phƣơng pháp
Phƣơng pháp neutron là phƣơng pháp bắn phá môi trƣờng xung quanh thành giếng khoan bằng các hạt neutron nhanh, đo ghi cƣờng độ các neutron có năng lƣợng thấp (E < 1eV) kịp đi tới detector trƣớc khi có thể bị một số nguyên tố trong môi trƣờng chiếm giữ, hoặc đo ghi cƣờng độ gamma sinh ra do quá trình chiếm giữ neutron của môi trƣờng, neutron hay gamma ghi nhận đƣợc sẽ phản ánh một số đặt tính lý hóa của môi trƣờng đất đá xung quanh thành giếng khoan.
Nguyên lý của phƣơng pháp này nhƣ sau:
Ở các mức năng lƣợng khác nhau, neutron có các đặt tính vật lý khác nhau.
Tùy vào mỗi mức năng lƣợng, neutron tƣơng tác với hạt nhân của môi trƣờng ở hai dạng tán xạ hoặc bắt giữ (hấp thụ).
Dựa vào đó, ngƣời ta xếp loại neutron ra nhƣ sau:
Nhiệt ≤ 0.025–0.1eV ≤ Trên nhiệt ≤ 100eV ≤ Trung gian ≤ 10–100KeV ≤ Nhanh (Trong đó, các neutron ≤ 100 eV thƣờng đƣợc gọi là neutron chậm.)
Khi neutron nhanh đi vào môi trƣờng, nó tƣơng tác với hạt nhân của môi trƣờng
dƣới dạng tán xạ đàn hồi và tán xạ không đàn hồi. Tùy vào mức năng lƣợng của
neutron và tùy vào hạt nhân mỗi nguyên tố, mà xác suất xảy ra tán xạ và tiết diện bắt giữ đối với neutron đó là nhiều hay ít.
Khi nghiên cứu ngƣời ta nhận thấy:
Khi ở mức năng lƣợng cao, quá trình mất năng lƣợng của neutron trong môi trƣờng diễn ra rất nhanh. Trong khi đó, đối với các neutron năng lƣợng thấp thì quá trình này lại diễn ra chậm chạp cho đến khi nó bị các hạt nhân bắt giữ. Neutron có thể bị bắt giữ bởi các hạt nhân ở mọi cấp năng lƣợng, tuy nhiên các quá trình chính yếu xảy ra nhƣ sau:
Neutron nhanh: khi gặp hạt nhân nặng thì chủ yếu xảy ra tán xa không đàn hồi
(đồng thời hạt nhân sẽ phát ra một lƣợng tử gamma tƣơng ứng) là rất lớn, trong
khi đó nếu gặp hạt nhân càng nhẹ thì khả năng xảy ra tán xạ đàn hồi (trao đổi
42
làm mất bớt năng lƣợng của neutron. Trong hai trƣờng hợp này, ngƣời ta thấy rằng neutron sẽ mất năng lƣợng rất nhanh trong môi trƣờng hạt nhân nhẹ (H), trong khi đó môi trƣờng hạt nhân nặng neutron mất năng lƣợng chậm hơn rất nhiều (trừ trƣờng hợp xuất hiện các hạt nhân nhƣ: B, Li, Co, Ag,… ).
Neutron chậm: neutron chậm đi trong môi trƣờng thì khả năng xảy ra tán xạ
(đàn hồi hay không đàn hồi) với hạt nhân nặng là rất thấp (trừ một số hạt nhân nặng đặc biệt: Cl phần lớn, còn Li, B, Mn, Cu, K … thì rất ít gặp)., trong khi đó nếu gặp hạt nhân nhẹ (nhƣ H) thì chủ yếu xảy ra tán xạ đàn hồi và rồi neutron mất năng lƣợng nhanh chống. Cuối cùng neutron dễ dàng bị các hạt nhân nhẹ (nhƣ H) của môi trƣờng hấp thụ.
Nói tóm lại: neutron đi trong môi trƣờng dù là neutron nhanh hay chậm thì sự ảnh
hƣởng của H là chủ yếu, làm nó mất nhanh năng lƣợng và trở thành neutron nhiệt, ở mức năng lƣợng khoảng 0.025 eV lại bị chính H hấp thụ dễ dàng. Trƣờng hợp có xuất hiện một số hạt nhân đặt biệt (Cl– hạt nhân có tiết diện bắt giữ neutron rất lớn gấp 100 lần H) cũng nhƣ sự ảnh hƣởng chung của thành hệ…, thì giá trị đo sẽ đƣợc hiệu chỉnh. Các hạt nhân sau khi bắt giữ neutron sẽ phát ra một gamma có năng lƣợng đặc trƣng, gamma đó gọi là gamma chiếm giữ.
Cƣờng độ neutron đo đƣợc có đơn vị là API, nhƣng thực tế vì đăc tính của neutron đi vào môi trƣờng, giá trị đo ghi ở phƣơng pháp neutron sau một số hiệu chỉnh (ảnh hƣởng các nguyên tố nặng, hàm lƣợng sét,…) đƣợc tính ra dƣới dạng chỉ số hidro “HI” (có khi tính ra độ rỗng Ф) của môi trƣờng đó. Chỉ số HI của môi
trƣờng là chỉ số cho biết: “hàm lƣợng hidro trong 1 cm3
vật liệu môi trƣờng” trên
“hàm lƣợng hidro trong 1 cm3 nƣớc nguyên chất ở 750F”. Đối với dầu và nƣớc ở độ
khoáng hóa ở mức cho phép, dƣới điều kiện nhiệt độ và áp suất khác nhau có chỉ số HI ít thay đổi và xắp xỉ bằng 1. Chỉ số HI thể hiện hàm lƣợng chất lƣu chứa đầy trong lỗ rỗng, nghĩa là HI sẽ cho biết độ rỗng của môi trƣờng đất đá.
B. Phƣơng pháp đo
Ngày nay, phƣơng pháp neutron đƣợc áp dụng rộng rãi ở tất cả các giếng thăm dò khai thác dầu khí. Thông thƣờng ngƣời đo kết hợp hai detector cùng lúc, đặt
43
cách nguồn ở các khoảng cách khác nhau đo ghi các neutron tán xạ ở các mức năng lƣợng khác nhau (nhiệt và trên nhiệt), hoặc cùng do ghi các neutron nhiệt ở các khoảng cách khác nhau, hoặc thậm chí đo ghi gamma chiếm giữ do sự bắt giữ neutron nhiệt của môi trƣờng. Phƣơng pháp này đƣợc đo áp sƣờn.
Hình 1.31: Đời sống của một neutron.
Khi neutron đi vào môi trƣờng, mật độ neutron nhiệt cũng nhƣ là cƣờng độ gamma chiếm giữ phụ thuộc vào khoảng cách tới nguồn S. Khoảng cách từ nguồn S đƣợc chia ra ba vùng: vùng gần, vùng mù (giữa) và vùng xa. Trong vùng gần và vùng xa, mật độ neutron nhiệt thể hiện tính đơn điệu theo hàm lƣợng hidro: ở cùng gần tỉ lệ thuận theo hàm lƣợng hidro, ở vùng xa tỉ lệ nghịch theo hàm lƣợng hidro. Trong khi đó, vùng mù mật độ neutron nhiệt rất ít thay đổi theo hàm lƣợng hidro, vì vậy việc tránh đặt detector trong vùng này.
Dựa vào đặc tính phân bố neutron tán xạ theo khoảng cách tới nguồn nhƣ trên, ngƣời ta có thể thiết kế các phƣơng pháp đo neutron nhƣ sau:
Phƣơng pháp Neutron – Gamma
Là phƣơng pháp đo cƣờng độ bức xạ của gamma chiếm giữ, từ đó cho chỉ số HI của môi trƣờng nghiên cứu. Gamma chiếm giữ thƣờng có năng lƣợng 0.1 đến vài
44
MeV. Riêng đối với gamma mà Hidro chiếm giữ có năng lƣợng đặt trƣng là 2.23MeV. Phản ứng điển hình bắt giữ neutron nhiệt:
Đối với phƣơng pháp này thì phải thiết kế khoảng cách zond do có chiều dài từ nguồn tới detector: Ln-γ > 40cm. Ta biết rằng trong môi trƣờng ngoài trƣờng gamma chiếm giữ còn có trƣờng gamma tự nhiên, để tránh ảnh hƣởng đó ngƣời ta sẽ sử dụng nguồn neutron có công suất lớn để trƣờng gamma chiếm giữ sẽ gấp hàng chục lần trƣờng gamma tự nhiên.
Phƣơng pháp Neutron – Neutron nhiệt
Chiều dài detector – nguồn đƣợc chọn: 40cm ≤ Ln-n < Ln-γ, chiều dài zond đo đƣợc chọn lớn hơn 40cm và phải nhỏ hơn chiều dài Lnγ trong phƣơng pháp đo gamma chiếm giữ. Detector chỉ đếm đƣợc neutron nhiệt mà không đếm đƣợc gamma hay neutron có năng lƣợng cao hơn.
Phƣơng pháp này đặt biệt nhạy với môi trƣờng có độ khoáng hóa cao (chứa nhiều Cl) hay chứa nhiều hàm lƣợng muối K hoặc các nguyên tố nhƣ B, Li… Tuy nhiên, trong môi trƣờng có độ khoáng hóa thấp, nói chung Cl và các nguyên tố khác có vai trò thứ yếu trong việc làm chậm các neutron nhanh và trên nhiệt để trở thành neutron nhiệt có thể đo đƣợc.
Phƣơng pháp Neutron – Neutron trên nhiệt
Chiều dài detector – nguồn đƣợc chọn phải ngắn hơn trong phƣơng pháp đo neutron nhiệt: Ln-nep < Ln-n. Detector đƣợc thiết kế chỉ đếm đƣợc các neutron trên nhiệt mà không đếm đƣợc các neutron nhiệt.
Phƣơng pháp này đặc biệt nhạy với hàm lƣợng các nguyên tố nặng nhƣ: B, Li, Co, Mn, Ag, Cs, Au, Hg, Ir…, tuy nhiên thƣờng thì hàm lƣợng của chúng không đáng kể, nên rất ít ảnh hƣởng lên kết quả đo.
Riêng đối với Cl, vai trò làm chậm các neutron năng lƣợng cao để trở thành neutron trên nhiệt cũng nhƣ vai trò bắt giữ các neutron trên nhiệt không khác gì so với các nguyên tố thông thƣờng khác, cho nên phƣơng pháp này đặc biệt không nhạy với độ khoáng hóa của nƣớc vỉa và của dung dịch khoan. Đây là tính ƣu việt hơn của phƣơng pháp neutron – neutron trên nhiệt so với hai phƣơng pháp trên.
45
Hình 1.32: Thiết bị đo log neutron bù.
Nhằm để hiệu chỉnh các ảnh hƣởng của môi trƣờng tốt hơn, nhất là hiệu chỉnh ảnh hƣởng do đƣờng kính giếng khoan, phƣơng pháp do log neutron đƣợc thiết kế để kết hợp hai detector cùng lúc (hình 1.32), phƣơng pháp hay còn gọi là phƣơng pháp log neutron bù.
C. Các yếu tố ảnh hƣởng lên phƣơng pháp đo neutron
Do đặc tính vật lý của phƣơng pháp neutron, có thể tóm tắt các yếu tố ảnh hƣởng lên kết quả đo nhƣ sau:
Hàm lƣợng hydro chứa trong đá hay độ rỗng của đá.
Đƣờng kính thực của giếng khoan.
46
Mật độ và loại dung dịch.
Tốc độ kéo cáp khi đo ghi.
Sự có mặt của một số nguyên tố đặc biệt trong vỉa có khả năng hấp thụ chùm
hạt neutron.
Cấu trúc và độ dày ống chống.
Kích thƣớt và chủng loại của lớp vành xuyến ximăng
Chiều dài của máy đo….
Hàm lƣợng sét: sét có tính chất ngậm nƣớc dƣới dạng kết tinh hoặc các phân tử
nƣớc bám trên bề mặt các hạt sét. Vì vậy ta thƣờng thấy chỉ số HI của các vỉa sét là rất cao.
Để có số liệu đo có độ chính xác cao thì tất cả các yếu tố gây sai số cho kết quả phải đƣợc xem xét và hiệu chỉnh.
D. Phạm vi ứng dụng của phƣơng pháp neutron
Phƣơng pháp neutron không chỉ trong dầu khí mà còn trong các mục đích khác nhau, chủ yếu cho các nhiệm vụ sau:
Đánh giá độ rỗng của vỉa chứa
Xác định các giới chứa khí hay chứa hydrocarbon: trong các đới chứa khí thì
phƣơng pháp neutron sẽ cho độ rỗng sẽ thấp hơn so với các phƣơng pháp khác
Xác định thành phần thạch học của đất đá
Phân vỉa, liên kết địa tầng các giếng khoan
Xác định ranh giới dầu nƣớc, ranh giới mặn nhạt của nƣớc vỉa, các phƣơng
pháp neutron –neutron nhiệt và neutron – gamma chịu ảnh hƣởng rất lớn vào độ khoáng hóa nƣớc vỉa. Đây là điều khác biệt giữa ranh giới nƣớc có độ khoáng hóa cao với dầu và với nƣớc ngọt
Thăm dò các quặng than, các quặng chứa Mn, Al, B, Li,…
Phƣơng pháp do phổ gamma chiếm giữ đƣợc dùng để xác định thành phần
47
Để an toàn phóng xạ cũng nhƣ là sử dụng các phƣơng pháp neutron một cách chủ động và hiệu quả hơn, ngày nay ngƣời ta thƣờng thay các nguồn neutron tự nhiên bằng máy phát neutron, xung neutron đƣợc phát theo chu kì đã chọn trƣớc (20 -30 μs), neutron phát ra có năng lƣợng cao 14 -15 MeV. Máy hoạt động theo nguyên tắc: bắn tia âm cực vào các nguyên tử Deuteri ( ) làm ion hóa các Deuteri, ion này tiếp tục đƣợc gia tốc đạt tới năng lƣợng cao và đập vào bia Tritium
( ), neutron đƣợc sinh ra theo phản ứng:
Luy ý: Trong phƣơng pháp xung neutron, để nghiên cứu thành hệ ảnh hƣởng lên sự suy giảm của neutron, ngƣời ta có thể tiến hành đo cả gamma do neutron nhanh va chạm không đàn hồi với hạt nhân của môi trƣờng, từ đó cho ta biết đƣợc một số đặt tính của thành hệ.