A. Cơ sở của phƣơng pháp
Trong thăm dò địa vật lý, chúng ta quan tâm là các sóng có ích: sóng S hoặc sóng P, trong đó sóng P là sóng có tốc độ truyền nhanh nhất và truyền đi đƣợc trong mọi môi trƣờng vật chất: rắn, lỏng, khí. Sóng âm hay siêu âm là một dạng sóng dọc P, với tần số rất cao trên 16 Hz, trong đó siêu âm có tầng sô trên 20000 Hz.
Hình 1.36: Mô hình truyền sóng P và sóng S.
Việc ứng dụng trong phƣơng pháp này chỉ giới hạn ở các sóng dọc P tầng số rất cao (sóng siêu âm). Tuy nhiên việc nắm vững các dạng truyền sóng đàn hồi khác nhau sẽ giúp ta hiệu chỉnh tốt trong quá trình xử lý lọc nhiễu.
Phƣơng pháp siêu âm hay gọi phƣơng pháp sóng âm là phƣơng pháp sử dụng sóng siêu âm (> 20000 Hz) với mục đích nhiên cứu tốc độ truyền sóng trong môi
52
trƣờng giếng khoan, từ đó biết đƣợc đặt tính đàn hồi của đất đá xung quanh thành giếng khoan.
Tính đàn hồi của đất đá là bất đẳng hƣớng về mọi phƣơng, sự lan truyền của sóng âm trong thành hệ là rất phức tạp, nó thể hiện bằng tốc độ truyền sóng và sự tán xạ sóng dẫn đến sự suy năng lƣợng (giảm biên độ), các đặc điểm này là cơ sở để tiến hành các phép đo siêu âm. Phƣơng pháp siêu âm là phƣơng pháp đƣợc ứng dụng rất rộng rãi, có các phƣơng pháp nhƣ sau: phƣơng pháp tốc độ truyền sóng hay phƣơng pháp chênh lệch thời gian truyền sóng DT, phƣơng pháp biên độ, phƣơng pháp biến đổi mật đô hay cũng là phƣơng pháp quét hình ảnh thành giếng khoan bằng sóng siêu âm (CAST-V).
Đối với phƣơng pháp tốc độ sóng âm, đặt tính hang hốc trong đá chứa có ảnh hƣởng lớn đến đƣờng công sonic. Tuy nhiên, ngoại trừ các lỗ rỗng - hang hốc mở, các lỗ rỗng và khe nứt kín gần nhƣ không ảnh hƣởng đến tốc độ truyền sóng âm. Điều này đƣợc giải thích nhƣ sau: khi phát xung, sóng đƣợc lan truyền vào môi trƣờng đất đá đến detector là tín hiệu với thời gian truyền ngắn nhất. Tín hiệu này là tín hiệu đƣợc ƣu tiên truyền trên các khung đá (matrix); phần năng lƣợng sóng tuyền qua lỗ rỗng (chứa chất lƣu) thƣờng là không đáng kể, truyền chậm và bị tán xạ mất năng lƣợng rất chóng. Khi nghiên cứu ngƣời ta kết luận rằng: đối với lỗ rỗng kín mà có đƣờng kính lớn hơn bƣớc sóng của sóng âm thì sóng đàn hồi sẽ ƣu tiên đi vòng quanh trên matrix, trong trƣờng hợp lỗ rỗng kín mà đƣờng kính nhỏ hơn bƣớc sóng thì sóng âm sẽ truyền xuyên qua nó. Vì vậy có thể xem: lỗ rỗng kín và khe nứt song song với thành giếng khoan (song song với phƣơng truyền sóng trong thành hệ) gần nhƣ không ảnh hƣởng lên tốc độ lan truyền sóng, chỉ có lỗ hổng mở hoặc khe nứt cắt qua thành giếng thì mới ảnh hƣởng lên tốc độ lan truyền sóng.
Khi một xung điện hay một điện áp đƣợc gắn vào máy phát, nó tạo ra một xung ứng suất (sóng) dao động ngắn khoảng 20 - 25 KHz thƣờng xuyên trong mùn khoan. Năng lƣợng ứng suất này đƣợc truyền đến detector bằng nhiều loại sóng khác nhau, dƣới nhiều dạng khác nhau: sóng khúc xạ, sóng phản xạ, sóng trực tiếp, sóng mặt ở thành giếng khoan (tuy nhiên khi đến đƣợc detector chỉ còn sóng dọc P). Những sóng này di chuyển với vận tốc khác biệt nhau, thay đổi từ khoảng vài trăm
53
đến khoảng 8000 m/s , máy thu gần sẽ ghi nhận đƣợc sóng tới trƣớc, sau đó các sóng này lại đƣợc ghi nhận ở máy thu xa. Giá trị đo đƣợc biểu diễn dƣới dạng thời gian truyền sóng (μs/ft).
Hình 1.37: Thiết bị đo trong phƣơng pháp siêu âm.
Tốc độ truyền âm phụ thuộc vào kiểu tiếp xúc của các hạt matrix, vì kiểu tiếp xúc của hạt góp phần vào tính đẳng hƣớng của môi trƣờng đàn hồi. Nhìn chung tính đẳng hƣớng thƣờng theo phƣơng ngang và phƣơng dọc của phân lớp, vì vậy góc cấm của vỉa sẽ ảnh hƣởng lên tốc độ truyền sóng, ta cũng cần chú ý đến kết quả đo ở các vỉa nghiêng. Trong một khoáng vật đa thành phần, không đơn khoáng, thì tốc độ truyền sóng âm phụ thuộc vào tỉ phần của khoáng vật pha cứng.
54
Hình 1.38: Sự thay đổi thời gian truyền sóng siêu âm qua các thành hệ khác nhau.
55
Hình 1.39: Sơ đồ thiết bị đo trong phƣơng pháp log siêu âm.
Thiết bị đo sóng siêu âm bao gồm thiết bị phát ra âm thanh có tầng số 23000 Hz và hai nguồn thu đặt cách nguồn phát vài feet và cách nhau một khoảng L để đo chênh lệch thời gian đến.
Trên các zond hiện đại, để tránh sai số do các nguyên nhân khác nhau (ảnh hƣởng của sự thay đổi đƣờng kính lỗ khoan và các sai sót khác trong việc đặt nghiêng thiết bị log siêu âm…) ngƣời ta tiến hành đo log siêu âm bù (BHC) gồm 2 đầu phát và 4 đầu thu có tính đối xứng (hình 1.40)
56
Hình 1.40: Sơ đồ bố trí thiết bị đo trong phƣơng pháp log siêu âm bù.
C. Các yếu tố ảnh hƣởng lên log siêu âm
Tốc độ truyền sóng siêu âm của lớp đá xung quanh thành giếng khoan. Sự có
mặt của hang hốc, nứt nẻ trong đá và đặc điểm phân bố của chúng.
Hang hốc nứt nẻ sinh ra do quá trình khoan (xảy ra ở các đới sét và đá cacbonat, còn cát kết thì ít): sẽ có ảnh hƣởng rất lớn lên kết quả đo siêu âm, trong trƣờng hợp này sẽ có vận tốc rất bé trái ngƣợc với kết quả xử lý vận tốc sóng địa chấn, trong trƣờng hợp này ta sử dụng zond đo có chiều dài lớn để đo sâu hơn.
Dung dịch khoan: trong quá trình tuần hoàn dung dịch khoan sẽ xuất hiện các bọt khí nhỏ. Các bọt khí này hấp thụ sóng siêu âm làm suy yếu năng lƣợng của sóng khi truyền qua dung dịch, làm cho máy thu nhận đƣợc tín hiệu không rõ ràng.
Đƣờng kính giếng khoan: nếu đƣờng kính giếng khoan lớn (bị sạt lỡ) thì thời
57
trong thành hệ) đến chậm hơn các tín hiệu nhiễu khác. Điều này làm kết quả đo bị sai lệch.
Tốc độ kéo cáp khi đo ghi: phải tính đến tốc độ kéo cáp phù hợp cho từng loại thiết bị siêu âm, đồng thời tốc độ kéo cáp phải đồng đều để việc hiệu chỉnh trong tƣờng hợp này chính xác.
Nhiệt độ và áp suất: Nhiêt độ môi trƣờng đàn hồi sẽ làm thay đổi tốc độ truyền sóng âm; tùy vào vật liệu đàn hồi, nhƣng nhìn chung khi nhiệt độ tăng thì tốc độ truyền sóng sẽ giảm. Trong khi đó, áp suất môi trƣờng tăng thì tốc độ truyền sóng âm lại tăng.
D. Ứng dụng của của phƣơng pháp log siêu âm
Phƣơng pháp tốc độ sóng âm ứng dụng chủ yếu để xác định độ rỗng Фs, đây
là phƣơng pháp xác định độ rỗng giữa các hạt và không xác định độ rỗng thứ sinh. Phân vỉa sản phẩm, nghiên cứu tính cơ lý của đất đá, xác định thành phần thạch học của vỉa bằng cách kết hợp với các phƣơng pháp log khác.
Phƣơng pháp biên độ đƣợc dùng để nghiên cứu chất lƣợng trám xi măng:
nhằm mục đích chống sạt lỡ và hạn chế mất dung dịch khoan, nhất là giếng khoan khai thác, bắt buột ta phải chống ống cho giếng, ống sau khi chống phải đƣợc giữ vững và đồng thời để ngăn chặn sản phẩm đi ra theo con đƣờng phía ngoài ống chống, xi măng sẽ đƣợc bơm vào. Ngoài việc đo thời gian truyền sóng trong lớp xi măng, việc xác định biên độ truyền sóng sẽ cho ta biết mức độ gắng kết xi măng với thành hệ, vì rằng xi măng gắng kết càng tốt thì sóng âm sẽ truyền vào thành hệ càng nhiều, lúc đó biên độ đo đƣợc sẽ suy giảm theo.
Phƣơng pháp quét hình ảnh thành giếng khoan đƣợc ứng dụng chính trong
58
CHƢƠNG 2
XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ CỦA VỈA CHỨA BẰNG TÀI LIỆU ĐỊA VẬT LÝ GIẾNG KHOAN