A. Cơ sở của phƣơng pháp
Phƣơng pháp điện trƣờng tự nhiên là phƣơng pháp đo thế của trƣờng điện tự nhiên. Thế này có thể lên tới hàng trăm Volt, nó xuất hiện khi có sự khác biệt về thành phần thạc học của vỉa, độ khoáng hóa của nƣớc cũng nhƣ là sự chênh lệch áp suất. Sự khác biệt này dẫn đến các quá trình vật lý – hóa học nhƣ là: thấm lọc do áp
23
suất, sự khuyết tán và hấp thụ do nồng độ, phản ứng oxi hóa – khử khác nhau giữa các đá khi có sự tiếp xúc với dung dịch.
Quá trình khuyết tán:
Trong môi trƣờng lỗ khoan, sự chênh lệch nồng độ muối giữa dung dịch nƣớc lọc bùn và dung dịch nƣớc vỉa thƣờng là lớn, lúc đó tồn tại một điện trƣờng khuyết tán giữa ranh giới tiếp xúc của hai dung dịch (giữa đới thấm nhiễm và đới nguyên).
Thế khuyết tán nói chung phụ thuộc vào nhiệt độ, nồng độ dung dịch, thành phần hóa học và hóa trị các nguyên tố. Trong trƣờng hợp dung dịch hòa tan nhiều loại muối có nồng độ khác nhau thì muối nào ƣu thế hớn sẽ đóng vai trò lớn hơn tạo ra thế khuyết tán.
Hình 1.15: Sự hình thành điện trƣờng tự nhiên do chênh lệch nồng độ. Quá trình hấp thụ:
Trong hầu hết các trƣờng hợp, các dung dịch tiếp xúc nhau qua màng phân cách có độ rỗng nhỏ. Khi có sự dịch chuyển từ phía nồng độ cao sang phía nồng độ thấp, do tính chất đặc trƣng của một số màng thấm điện hóa một số ion linh động có thể bị hấp thụ ngay trên thành kênh dẫn. Kết quả là mỗi bên màng xuất hiện một điện thế, thế này không phụ thuộc vào bề dày của lớp màng mà nó thay đổi theo hình thái cấu trúc lỗ rỗng, độ mịn hạt, loại màng lọc và nồng độ dung dịch. Thế điện này gọi là thế hấp thụ hay thế màng lọc.
24
Hình 1.16: Sự hình thành thế hấp thụ khi có sự hấp thụ trên màng sét.
Thế khuyết tán – hấp thụ:
Hai quá trình khuyết tán và hấp thụ xảy ra đồng thời và trái ngƣợc nhau, cản trở lẫn nhau, nguyên nhân đều do sự chênh lệch nồng độ dung dịch và đƣợc gọi là thế khuyết tán – hấp thụ. Thế khuyết tán lớn đối với đất đá có độ rỗng và độ thấm cao (nhƣ các lớp cát), thế hấp thụ lại mạnh ở đất đá có độ rỗng và độ thấm kém (nhƣ các lớp sét – hình 1.17). Kết quả: ở phía giếng khoan ngang các vỉa cát sẽ là lớp ion âm, ngang các lớp sét sẽ là ion dƣơng (hình 1.18).
25
Hình 1.18: Thế điện thấm loc – khuyết tán cho trƣờng hợp nƣớc vỉa mặn hơn. Quá trình thấm lọc (hay ngấm lọc)
Sự chênh lệch áp suất làm cho dòng chất lƣu thấm ngƣợc chiều với chiều gradient áp suất, điều này dẫn đến sự xuất hiện ở phía giếng khoan một điện thế âm nếu nƣớc vỉa ngấm vào thành giếng khoan (hình 1.19A) và thế dƣơng ở nếu nƣớc vỉa chảy ra ngoài giếng khoan, thế điện này gọi là thế điện thấm lọc hay thế điện động lực, quá trình thấm lọc này chỉ kéo dài trong một khoảng thời gian, khi quá trình này dừng hẳn, thế điện thấm lọc xem nhƣ không còn nữa (hình 1.19B).
Hình 1.19: Sự hình thành thế điện thấm lọc trên thành giếng khoan. Quá trình Oxi hóa - khử
Thông thƣờng trong môi trƣờng giếng vừa mới đƣợc khoan, quá trình Oxi hóa - khử diễn ra mạnh mẽ nhất, quá trình này xảy ra ở mặt tiếp xúc giữa đá và dung dịch, làm cho môi trƣờng bị phân cực và hình thành một thế điện (pin điện hóa tự nhiên).
26
Thế điện hóa này thƣờng gặp trong các giếng khoan đi qua các đới khoáng hóa cao, hay các vỉa quặng đa kim loại, vỉa than biến chất,… môi trƣờng đá magma axic gặp môi trƣờng bazơ; nhóm đá bazơ hay nhóm khoáng vật nhƣ: pyrite, pyrotin, chancopyrit, calcozin, covelin,…gặp môi trƣờng axit; đới khoáng hóa nhóm sunfua gặp dung dịch khoan giàu Oxi… thì quá trình Oxi hóa – khử diễn ra mạnh mẽ sẽ ảnh hƣởng lên kết quả đo.
B. Phƣơng pháp đo
Trong các giếng khoan dầu khí, đối với các đá trầm tích thế phân cực SP chủ yếu là do thế khuyết tán – hấp thụ là mạnh mẽ nhất, trong đó phải kể đến thế thấm lọc trong giai đoạn đầu, thế Oxi hóa – khử thƣờng không đáng kể. Vì tính chất của thế phân cực tự nhiên SP luôn có sự thay đổi theo thời gian nên việc chọn thời gian đo phù hợp là cần thiết.
Do tính chất của phƣơng pháp, việc tiến hành đo phải đƣợc thực hiện ngay sau khi khoan. Có hai phƣơng pháp đo điện trƣờng tự nhiên: sử dụng điện cực gradient hoặc điện cực thế.
27
Trong phƣơng pháp gradient, hai điện cực M và N cùng dịch chuyển trong giếng khoan (hình 1.20a) thì phép đo có giá trị là hiệu điện thế giữa M-N:
Trong phƣơng pháp đo thế, một điện cực (N) đƣợc đặt trên mặt đất, một điện cực (M) đƣợc kéo trong giếng khoan (hình 1.20b), phép đo có giá trị là thế tại M:
Phƣơng pháp điện cực thế đƣợc dùng phổ biến, điện cực gradient chỉ dùng khi có nhiễu mạnh. Về nguyên tắc, từ giá trị đo thế ta có thể chuyển thành giá trị đo gradient và ngƣợc lại.
C. Các yếu tố ảnh hƣởng lên kết quả đo SP
Đƣờng cong đo SP gần nhƣ không thay đổi và có dạng nhƣ một đƣờng thẳng nếu đi qua các lớp sét có chiều dày không quá mỏng. Chọn các vỉa sét sạch nhất, tại đƣờng SP này ngƣời ta gán cho giá trị qui ƣớc bằng “không” và gọi là đƣờng “cơ sở sét”.
Căn cứ vào SP lệch khỏi đƣờng cơ sở sét, ngƣời ta nghiên cứu đặc tính cũng nhƣ phân loại các vỉa đất đá.
Lệch âm so với đƣờng cơ sở sét khi Rmf > Rw. Lệch dƣơng so với đƣờng cơ sở sét khi Rmf < Rw. Không lệch so với đƣờng cơ sở sét Rmf = Rw.
28
Hình 1.21: Dáng điệu đƣờng cong SP trong một số thành hệ.
Các yếu tố ảnh hƣởng lên hình dáng và biên độ đƣờng cong SP:
Độ lớn của trường điện phân cực SP: độ lớn này phụ thuộc vào các nguyên
nhân hình thành thế SP đã nêu ở trên
Hàm lượng sét trong vỉa.
Bề dày của vỉa: đối với các vỉa mỏng (bề dày < 10 feet) thì giá trị SP sẽ không
đạt đến SSP.
Chiều sâu của các đới: ở giai đoạn đầu sau khi khoan chiều sâu của đới ngấm
còn đang thay đổi.
Điện trở suất của vỉa cũng như điện trở suất của các đới thấm nhiễm: điện trở
29
D. Phạm vi ứng dụng của phƣơng pháp SP
Phƣơng pháp thế điện tự phân cực đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu nhằm mục đích khác nhau, đặc biệt trong thăm dò dầu khí và than. Phƣơng pháp này đƣợc sử dụng để giải quyết các nhiệm vụ khác nhau:
Phân chia tầng thấm và tầng chắn.
Xác định điện trở suất của nƣớc vỉa Rw.
Xác định thể tích sét Vsh trong tầng thấm.
Ngoài ra đƣờng cong SP còn có thể dùng để phát hiện ra vỉa hydrocacbon.
Trong các lát cắt lục nguyên, nó cho phép phân biệt các vỉa cát, cát kết với sét, trong các lát cắt cacbonat, nó cho phép tách các vỉa giàu những hạt sét. Trong nhiều trƣờng hợp thuận lợi, phƣơng pháp này cho phép xác định độ xốp, độ sét của đá, và cả độ khoáng hoá của nƣớc vỉa.
Một số mặt hạn chế của phƣơng pháp:
Tất cả các phƣơng pháp điện nói chung trong đó có cả phƣơng pháp SP, chỉ
sử dụng đƣợc trong các giếng khoan trần không sử dụng trong giếng đã chống ống.
Khi đo log SP phải dùng dung dịch khoan có tính dẫn điện (không dùng dung
dịch khoan gốc dầu).
Cần phải chú ý không để giá trị Rmf quá gần Rw vì trong trƣờng hợp quá gần
nhau thì đƣờng SP sẽ kém nhạy so với đƣờng sét cơ cở, lúc này việc đo SP không hiệu quả.
Khi quá trình ngấm filtrate ngừng hẳn, sự chênh lệch độ mặn trong thành hệ
sẽ giảm dần theo thời gian cho đến khi độ chênh lệch bằng không. Vì vậy sau khi khoan cần phải tiến hành đo ngay giá trị SP, nếu để càng lâu thì giá trị SP sẽ càng không nhạy.