1.3.2.1. Cơ sở của phƣơng pháp
Phƣơng pháp Gamma Ray hay phƣơng pháp phóng xạ tự nhiên là phƣơng pháp đo nghiên cứu trƣờng phóng xạ tự nhiên, do cƣờng độ các bức xạ gamma phát ra từ xung quanh thành giếng khoan.
Rất nhiều các nguyên tố đồng vị phóng xạ tự nhiên có trong đất đá, nhƣng hàm
lƣợng của chúng rất thấp nên phần đóng góp của chúng vào cƣờng độ bức xạ tự nhiên là không đáng kể. Cƣờng độ bức xạ tự nhiên có thể đo đƣợc chủ yếu là của các dãy đồng vị của Uranium (238U, 235U), Thori( 232Th), và đồng vị của Kali
(40K), đôi khi gặp một lƣợng nhỏ Rubi (87Rb), hay một số nguyên tố đất hiếm
khác (138La, 176lu).
Phóng xạ gamma tự nhiên sau khi đƣợc phát ra sẽ đi trong môi trƣờng và suy
giảm theo quy luật hàm mũ:
Trong đó: Ix và I0 là cƣờng độ bức xạ gamma trƣớc và sau khi đi xuyên qua đoạn
đƣờng x trong môi trƣờng nghiên cứu có hệ số hấp thụ (hệ số tắt dần) là μ (cm-1
) Đa số các đá đều có tính phóng xạ ở các mức độ khác nhau tùy thuộc vào lƣợng nguyên tố phóng xạ chứa trong chúng. Trong đá trầm tích, đá vôi và than đá có độ phóng xạ thấp, nhƣng nếu đá vôi đã bị dolomite (độ rỗng sẽ tăng) thì cƣờng độ phóng xạ sẽ tăng nhẹ do trong nƣớc chứa đồng vị phóng xạ, cát kết thạch anh cũng có độ phóng xạ thấp (trừ cát kết arkose vì trong thành phần khoáng vật có kali). Các loại cát kết và bột kết có thêm các thành phần khoáng vật nặng lẫn vào (nhƣ mica, glauconit) cũng làm cho cƣờng độ phóng xạ tăng lên. Ở các tầng sét thì độ phóng xạ
37
sẽ cao do các khoáng vật sét chứa rất nhiều kali, đặc biệt sét chứa vật liệu hữu cơ thì cƣờng độ phóng xạ sẽ tăng rất cao (hình 1.27).
Hình 1.27: Sự thay đổi giá trị gamma ray qua các thành hệ khác nhau.
1.3.2.2. Phƣơng pháp đo
Trong tiềm kiếm thăm dò dầu khí, Đối với phƣơng pháp wireline logging, gamma ray cũng nhƣ các phƣơng pháp khác thƣờng đƣợc đo phối hợp trên cùng một tool đo. Tool đo đƣợc thả xuống đáy giếng và kéo lên rồi đo với tốc độ kéo cáp không đổi đã đƣợc tính toán trƣớc.
38
Hình 1.28: Sơ đồ nguyên tắc đo GR.
Cấu tạo đầu dò (detector) gồm tinh thể NaI đƣợc nối với bộ nhân quang, kế đó là một bộ phận khuyết đại tín hiệu (hình 1.28). Khi một gamma vào tinh thể NaI, quá trình va chạm sẽ phát ra một năng lƣợng ánh sáng, photon của ánh sáng sẽ đƣợc nhận biết bởi bộ nhân quang gồm một catôt (cathode) hoạt động theo cơ chế quang điện, bộ khuyết đại sẽ khuyết đại cƣờng độ, tiếp nhận electron quang điện và khuyết đại thành tín hiệu điện có thể đo đƣợc (hình1.29).
Hình 1.29: Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của ống đếm bức xạ gamma.
Giá trị đo đƣợc biểu diễn dƣới dạng đƣờng cong cƣờng độ bức xạ gamma theo chiều sâu. Để thực hiện đo ngƣời ta sử dụng các thiết bị đo có các cửa sổ năng
39
lƣợng khác nhau để ghi đƣợc phổ năng lƣợng của các nguyên tố khác nhau. Kết quả đo có thể biểu diễn dƣới dạng giá trị cƣờng độ gamma tổng hoặc các giá trị cƣờng độ gamma thành phần (K, U, Th) hay còn gọi là phƣơng pháp phổ gamma.
Hình 1.30: Một ví dụ về đƣờng cong đo phổ gamma.
Có nhiều đơn vị cho cƣờng độ bức xạ GR, thƣờng sử dụng nhất là “GAPI” hay “γGPI”: là 1/200 độ lệch giữa các đƣờng cong Gamma trong môi trƣờng không có phóng xạ và môi trƣờng có độ phóng xạ cao chứa 0.0024% Th, 0.0013% U và 4%
K bao quanh giếng khoan chống ống đƣờng kính 51/2 inch.
1.3.2.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến cƣờng độ gamma ray
Nhìn chung phƣơng pháp gamma ray chịu ảnh hƣởng bởi các yếu tố:
Đặc điểm phóng xạ của đất đá, quan trọng là hàm lƣợng các đồng vị U, Th, K.
Chiều dày ống chống và xi măng.
Đƣờng kính giếng khoan.
40
Tốc độ kéo cáp.
Dung dịch khoan: nếu trong dung dịch khoan có chứa các chất mang tính phóng xạ nhƣ KCl thì cƣờng độ gamma sẽ tăng.
Ngoài ra còn các yếu tố khác nhƣ là: chiều dày vỉa; vị trí tƣơng đối của detector so với thành hệ; đặt tính kĩ thuật của detector: mỗi detector dùng trong phép đo phóng xạ nói chung có suất đếm khác nhau, tham số thể hiện đặc tính này gọi là “thời gian chết” của thiết bị, nó là khoảng thời gian nghỉ giữa 2 xung tín hiệu đầu ra của hệ đếm, nó kéo dài khoảng vài μs. Việc hiệu chỉnh giá trị gamma ray sau khi đo là rất cần thiết, các hiệu chỉnh này hầu hết đƣợc hổ trợ bởi máy móc thiết bị tự động hoặc bán tự động.
1.3.2.4. Ứng dụng của phƣơng pháp gamma ray
Phƣơng pháp đƣợc sử dụng đối với giếng thân trần và giếng đã chống ống. Đặc biệt việc tính toán hàm lƣợng sét hiệu quả hơn phƣơng pháp log SP. Thời gian đo không lệ thuộc nhƣ phƣơng pháp SP, không phụ thuộc vào dung dịch khoan gốc dầu hay góc nƣớc. Phƣơng pháp GR đa phần đƣợc sử dụng thƣờng xuyên hơn phƣơng pháp SP. Log gamma ray đƣợc sử dụng cho các nhiệm vụ sau:
Xác định ranh giới tầng thấm – không thấm.
Xác định hàm lƣợng sét trong đất đá.
Phân tích thành phần thạch học (có kết hợp với các phƣơng pháp log khác).
Liên kết địa tầng các giếng khoan trong khu vực nghiên cứu dựa trên sự đồng
dạng của các đƣờng gamma. So sánh sự đồng dạng cũng nhƣ hàm lƣợng phóng xạ thành phần trong phƣơng pháp phổ gamma để liên kết địa tầng khu vực. Phát hiện một số khe nứt nẻ lớn hay đứt gãy, đối với các khe nứt của đá
cacbonat hay đá móng magma, các nhiệt dịch ở tầng dưới sâu giàu U nên phƣơng pháp phân tích phổ cho ta dự đoán khá chính xác các đứt gãy loại này.
Ngoài ra trong địa vật lý giếng khoan nói chung còn ứng dụng dò tìm quặng
phóng xạ, thăm dò quặng muối,…