a. Phương pháp gamma tự nhiên
Log phóng xạ tự nhiên (GR) nghiên cứu trường phóng xạ tự nhiên do các bức xạ gamma tự nhiên của đất đá xung quanh thành giếng khoan gây ra. Kết quả thu được biểu diễn dưới dạng đường cong cường độ bức xạ γ theo chiều sâu. Bởi vì tia phóng xạ γ có khả năng đâm xuyên cao nên phép đo Gamma tự nhiên có thể tiến hành trong mọi môi trường, điều kiện giếng thân trần lẫn giếng đã hoàn thiện.Trong tự nhiên, phóng xạ gamma xuất phát từ ba nguyên tố đồng vị phóng xạ chính, đó là Uranium (U), Thorium (Th), Potassium (K), mỗi loại khi phân rã sẽ phát ra tia phóng xạ với những đặc trưng khác nhau (ứng với độ dài bước sóng, tần số, màu quang phổ), và sản phẩm của phản ứng cũng khác nhau. Thông thường log Gamma Ray được thể hiện cùng với log đường kính giếng khoan (Caliper), log đo thế tự nhiên (SP), Trên băng log (hình 3.4) bao gồm log đường kính giếng khoan, log Gamma Ray tổng và các track còn lại thể hiện các giá trị U, Th, K, Đất đá có tính phóng xạ khác nhau tùy thuộc vào hàm lượng các nguyên tố phóng xạ Uran, Thori và Kali trong thành phần của chúng. Các nguyên tố phóng xạ thường tập trung trong đá sét, GR sẽ tăng khi hàm lượng sét gia tăng. Ngoài ra, phóng xạ tự nhiên cũng liên quan đến sự có mặt của các nguyên tố phóng xạ, muối phóng xạ hòa tan trong nước, hoặc khí phóng xạ bên trong lỗ rỗng của đất đá.
Hình 3. 5: Nguyên lí hoạt động của thiết bị đo GR
Trong tìm kiếm thăm dò dầu khí sử dụng thiết bị đo phóng xạ GR dựa trên nguyên tắc hoạt động của ống đếm Geiger – Mueller và ống đếm nhấp nháy (hình 3.5). Ngày nay, hầu hết các thiết bị đo log GR sử dụng ống đếm nhấp nháy thay cho ống đếm Geiger-Mueller, thiết bị có chứa tinh thể Sodium Iodide (NaI) lớn. Các thiết bị đo đã không ngừng được nghiên cứu và phát triển nhưng xét về nguyên lý hoạt động thì vẫn không thay đổi.
Khi tia gamma đến đập vào tinh thể NaI, một photon được bứt ra và đến đập vào quang âm cực (được chế tạo bằng hợp kim Cesium – Antimony hay Bạc – Magnesium). Mỗi photon đập vào quang âm cực lại giải phóng một chùm electron, và các electron này lại được gia tốc và đập vào điện cực khác. Tiến trình này được lặp lại một số lần đủ để điện cực tạo ra một dòng xung điện đủ để nhận biết sự có mặt của phóng xạ trong môi trường.
Các yếu tố ảnh hưởng đến giá trị GR:
• Tốc độ kéo cáp đo. • Vị trí đặt của thiết bị đo. • Đường kính giếng khoan. • Đặc tính dung dịch khoan.
• Sự phân bố và tỷ trọng của đất đá, Vì có vô số tổ hợp của kích thước giếng, tỷ trọng mùn khoan, vị trí dụng cụ đo … Nên tùy thuộc vào điều kiện thực tế mà các công ty dịch vụ, các hãng chế tạo dụng cụ đo phải công bố các tài liệu hiệu chỉnh kết quả của dữ liệu đo về dạng tiêu chuẩn.
Các ứng dụng của phương pháp phóng xạ gamma tự nhiên: • Phân chia tỉ mỉ các lớp đất đá trong giếng khoan.
• Xác định ranh giới và chiều dày của các vỉa cát sét. • Xác định hàm lượng sét.
• Xác định môi trường trầm tích. • Xác định vật chất hữu cơ và đá sinh. • Phát hiện thân quặng chứa phóng xạ.
b. Phương pháp Neutron
Neutron là phương pháp đo độ rỗng, thông qua việc nghiên cứu mật độ neutron, cường độ bức xạ gamma trong môi trường sau khi bắn phá bằng chùm neutron có năng lượng cao (neutron nhanh).
Hạt neutron là những hạt không tích điện, không bị ion hóa bởi môi trường xung quanh. Khối lượng của neutron gần bằng khối lượng của proton ký hiệu 01n, khối lượng bằng 1 và điện tích bằng 0. Do không điện tích nên neutron không bị mất năng lượng với electron tích điện và hạt nhân. Bởi vậy neutron có khả năng đâm xuyên cao. Năng lượng đo với đơn vị eV hay MeV và biểu hiện dưới dạng vận tốc chuyển động. Theo năng lượn chia làm 4 loại: neutron nhanh có En >0,1 MeV; neutron trung gian 100eV < En < 0,1MeV; neutron trên nhiệt 0,025eV< En<100eV; neutron nhiệt En < 0,0025Ev.
Khi các neutron tương tác với các hạt nhân nguyên tử thì xảy ra các hiện tượng tán xạ neutron hoặc bị bắt giữ bởi hạt nhân. Có hai loại tán xạ neutron là tán xạ đàn hồi và tán xạ không đàn hồi.
Nguyên lý: (hình 3.6) Khi chùm neutron nhanh được phát đi, chúng có năng lượng lớn khoảng vài MeV, khi neutron tương tác với các hạt nhân nguyên tử trong môi trường chúng sẽ mất dần năng lượng và trở thành neutron trên nhiệt và neutron nhiệt. Quá trình làm chậm các neutron nhanh để biến thành neutron trên nhiệt hay neutron nhiệt càng mau chóng khi trong môi trường nghiên cứu có nhiều hạt nhân nhẹ. Và vì khối lượng của hạt nhân nguyên tử hydro tương đương vơi hạt neutron nên tiêu hao năng lượng của neutron là lớn nhất khi tương tác với hạt nhân của hydro. Ở mức năng lượng thấp neutron nhiệt rất dễ bị một số hạt nhân trong môi trường bắt giữ. Sau khi bắt giữ neutron, hạt nhân nguyên tử rơi vào trạng thái kích thích và chúng thường thoát khỏi trạng thái này bằng cách phát xạ năng lượng dưới dạng một lượng tử gamma. Các lượng tử này còn được gọi là gamma chiếm giữ.
Hình 3. 6: Mô hình tổng quát thiết bị đo Neutron
Dễ dàng nhận thấy mật độ các neutron trên nhiệt, neutron nhiệt hay cường độ phóng xạ gamma chiếm giữ phụ thuộc vào hàm lượng nguyên tố hydro (chỉ số hydro- HI) có trong môi trường nghiên cứu. Trong tự nhiên, nguyên tố này có trong pha lỏng (dầu, nước) và pha khí của đá. Các chất lưu này bão hòa lấp kín trong lỗ rỗng của đá, do đó mật độ neutron hay cường độ gamma chiếm giữ đó sẽ có quan hệ chặt chẽ với độ rỗng φ của thành hệ đá chứa.
Hàm lượng hydro trong dầu và nước được coi là xấp xỉ bằng nhau. Trong khi đó hàm lượng của nguyên tố này trong pha khí thì ít hơn hẳn. Dựa vào thực tế đó người ta phân biệt được chất lưu bão hòa trong đá chứa là dầu, nước hay khí.
Tùy theo cách đo ghi mà người ta phân ra thành các phương pháp cơ bản sau. Phương pháp neutron – gamma: là phương pháp đo cường độ phóng xạ gamma chiếm giữ. Thiết bị đo ghi GNT (Gamma-ray/neutron tool)có một detector đo các gamma chiếm giữ. Phép đo dùng đơn vị API.
Phương pháp neutron nhiệt: là phương pháp đo mật độ neutron nhiệt sau khi bắn chùm neutron vào môi trường. Thiết bị đo ghi CNT (compensated neutron tool) (hình 3.7)dùng máy giếng có hai det để loại trừ ảnh hưởng của giếng khoan. Số đếm xung/giây từ các det xa và gần được đưa lên máy giếng trên mặt đất và tính chuyển thành đơn vị độ rỗng theo bản chuẩn riêng hoặc tự động tính theo công thức thực nghiệm cho các nền xương đá khác nhau.
Hình 3. 7: Mô hình hiện nay của thiết bị CNL
Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đo
• Kích thước giếng khoan.
• Sự khác nhau của các thiết bị dò. • Khoảng cách giữa nguồn và máy thu. • Nhiệt độ của giếng.
• Độ mặn của dung dịch khoan, hay hàm lượng muối chứa trong đất đá. • Thành phần thạch học của đất đá đặc biệt là hàm lượng sét chứa trong đó. • Hàm lượng khí có trong đất đá.
Ứng dụng của phương pháp neutron
• Đánh giá độ rỗng của đất đá.
• Kết hợp với phương pháp mật độ (RHOB) để xác định độ rỗng và thành phần thạch học của đất đá (Hình 3.8).
• Xác định vỉa khí (hình 3.9).
• Xác định lát cắt thành giếng khoan.
Hình 3. 8: Sự kết hợp của Neutron-Mật độ
c. Phương pháp mật độ
Carota mật độ là một phương pháp quan trọng trong địa vật lý giếng khoan. Đại lượng mật độ khối biểu kiến của đất đá được sử dụng làm đại lượng chỉ thị độ rỗng. Phương pháp này được sử dụng cùng với các phương pháp khác để xác định thành phần thạch học và tính chất của chất lưu trong vỉa, ngoài ra còn được sử dụng trong việc phân tích vận tốc truyền sóng trong khảo sát âm.
Nguyên lý: Log mật độ là phương pháp độ rỗng, thông qua việc đo mật độ electron trong đất đá. Dụng cụ đo mật độ bao gồm nguồn phát ra tia gamma sao cho các tia gamma đi vào bên trong đất đá, Các tia gamma va chạm với các electron trong đất đá, kết quả là một số tia gamma bị mất năng lượng. Các tia gamma tán xạ đi đến các máy thu được đặt cố định cách nguồn phát tia gamma và được đếm như là chỉ số mật độ của đất đá. Số lượng tán xạ phụ thuộc trực tiếp vào số lượng electron trong đất đá (mật độ electron). Cuối cùng ta còn thấy là mật độ electron liên quan đến mật độ khối của đất đá (bulk density ρb có đơn vị là gam/cm3). Trong tự nhiên, tùy theo mức năng lượng của tia gamma mà bức xạ gamma sẽ tương tác với vật chất theo các hiệu ứng sau.
Hình 3. 10: Tương tác của tia gamma với vật chất
Tán xạ Compton: xảy ra khi tia gamma có năng lượng khoảng 100KeV – 10MeV va chạm với electron của nguyên tử làm cho electron bị lệch ra khỏi quỹ đạo, nguyên tử phát xạ photon và năng lượng tia gamma bị suy giảm dần sau mỗi
Hiệu ứng tạo cặp: xảy ra khi tia gamma có mức năng lượng lớn (>1,02 MeV) va chạm với hạt nhân nguyên tử. Kết quả là tạo thành một electron e- và một positon mang e+.
Hiệu ứng quang điện: khi tia gamma va chạm với các electron trong đất đá, lúc này năng lượng của tia gamma không đủ để gây ra hiệu ứng Compton (<100KeV)nên nó sẽ truyền toàn bộ năng lượng cho electron, Các electron này sau khi nhận được năng lượng sẽ bị bắn ra khỏi quỹ đạo với động năng electron (ek).
Trong quá trình đo, thiết bị được điều chỉnh sao cho mức năng lượng gây ra chủ yếu theo hiệu ứng tán xạ compton vì ở mức năng lượng này hệ số hấp phụ khối coi như là hằng số. Như vậy, cường độ tia gamma đo được chỉ phụ thuộc vào mật độ của electron có trong đất đá.
Thiết bị đo: (hình 3.11)
Hình 3. 11: Mô hình thiết bị đo ghi mật độ
Thiết bị đo mật độ bao gồm một nguồn phát ra năng lượng tia gamma, nguồn gamma có thể là Co60 (Cobalt) hay Ce137 (Cesium) và hai hay nhiều đầu thu. Do đó, thiết bị này còn gọi là thiết bị gamma cảm ứng hay gamma – gamma. Các đầu thu này được đặt cách nguồn một khoảng nhất định, và tất cả được đặt trên một ván trượt (Hình3.11). Nguyên lý hoạt động của thiết bị đo dựa trên bản chất của phương pháp mật độ, khi mật độ của đất đá càng lớn, tia gamma càng bị suy yếu và cho tín hiệu thấp ở đầu thu và ngược lại.
Các yếu tố ảnh hưởng:
• Dung dịch khoan.
• Phương pháp log mật độ có chiều sâu đo không lớn. Thường nhỏ hơn 10 inches, có nghĩa là phương pháp log mật độ chỉ đo trong phạm vi từ lớp mùn sét (mud cake) đến đới thấm. Đối với lớp mùn sét (mud cake), mức độ dày mỏng khác nhau sẽ ảnh hưởng khác nhau.
• Ảnh hưởng của bề mặt thành giếng khoan đối với log mật độ phụ thuộc vào mức độ xấu của thành giếng khoan. Nếu thành giếng khoan gồ ghề, dụng cụ đo sẽ bị ảnh hưởng bởi lưu chất trong vỉa giống như một lớp mùn sét mỏng. Ta thấy trên biểu đồ log mật độ giá trị Δρ được sử dụng để kiểm soát mức độ chính xác khi đo.
ứng dụng:
• Xác định độ rỗng của đất đá.
• Xác định các khoáng vật lắng đọng từ sự bốc hơi của các dung dịch. • Kết hợp với log Neutron để xác định các vỉa khí.
• Đánh giá hàm lượng sét trong đá và một số đặc điểm thạch học.
d. Phương pháp âm
Phương pháp sóng siêu âm dựa trên cơ sở sóng đàn hồi truyền qua các lớp đất đá, được dùng để đo thời gian truyền sóng đàn hồi của đất đá dọc thành lỗ khoan. Các lớp đất đá khác nhau thì tốc độ truyền sóng khác nhau có nghĩa là thời gian truyền sóng sẽ khác nhau. Các giá trị của đường cong DT sẽ được dùng trong việc tính độ rỗng của đất đá..
Nguyên lý:
Carota sóng âm dựa vào sự lan truyền của sóng cơ học đàn hồi trong môi trường. Sự lan truyền của sóng làm các phần tử vật chất trong môi trường dao động. Năng lượng của sóng sẽ làm di chuyển các phần tử vật chất theo hướng song song hay vuông góc với hướng lan truyền của sóng ứng với hai loại sóng di chuyển trong đất đá.
Sóng dọc (compressional wave – sóng P) có phương dao động trùng với phương truyền sóng.
Phương pháp sóng siêu âm là một trong những phương pháp log để tính độ rỗng, dùng để đo khoảng thời gian của sóng dọc khi đi qua một đơn vị chiều dài (thường là ft).
Khoảng thời gian truyền sóng phụ thuộc vào thành phần thạch học, độ rỗng, độ bão hòa chất lưu (dầu, khí, nước) trong đất đá. Ví dụ khi độ rỗng của đất đá cao hay độ bão hòa của chất lưu cao thì làm cho vận tốc truyền sóng sẽ thấp có nghĩa là thời gian truyền sóng sẽ cao.
Thiết bị.
Hình 3. 12: Mô hình thiết bị đo âm
Thiết bị (hình 3.12) đo log siêu âm gồm có một hay nhiều nguồn phát có tác dụng chuyển xung điện thành xung dao động cơ học và một hay nhiều nguồn thu có tác dụng chuyển xung dao động cơ học nhận được thành xung điện. Dụng cụ đo log siêu âm hiện đại có tính năng bù trong lỗ khoan (BHC), tính năng này làm giảm ảnh hưởng của sự thay đổi đường kính lỗ khoan cũng như các sai sót trong việc đặt nghiêng thiết bị đo log siêu âm.
Hình 3. 13: Thiết bị đo âm với tính năng bù
Các yếu tố ảnh hưởng:
• Khí trong dung dịch khoan: các bọt khí trong dung dịch khoan sẽ làm phân tán và hấp thụ năng lượng sóng âm, sự suy yếu tín hiệu đôi khi làm máy thu không nhận được hoặc nhận không đáng kể gây nên nhầm lẫn đến kết quả đo.
• Giếng khoan có đường kính lớn: trong các giếng khoan có đường kính đủ lớn, khoảng thời gian để sóng dọc hoặc sóng ngang đi từ máy phát – lớp sét (mud cake)– thành hệ - lớp mud cake – máy thu sẽ vượt qua khoảng thời gian truyền trực tiếp từ máy phát – lớp mud cake – máy thu của sóng dọc. Nếu điều này xảy ra nghĩa là ta không có được dữ liệu đo chính xác.
• Sự biến đổi trong đới thấm: quá trình khoan và sự xâm nhập trong đới thấm nhiễm của dung dịch khoan có thể làm biến đổi đất đá xung quanh thành giếng khoan. Có một số khoáng vật sét (monmorilonit chẳng hạn) khi gặp nước sẽ trương nở, vì thế làm ảnh hưởng đến kết quả đo.
Ứng dụng:
• Xác định độ rỗng của đất đá.
• Kết hợp với các phương pháp độ rỗng khác để tính độ rỗng nứt nẻ trong các đá carbonate.
• Phát hiện dị thường áp suất cao.
• Xác định thành phần thành học của đất đá khi kết hợp với phương pháp neutron (NPHI) và mật độ (RHOB) bằng cách xây dựng các biểu đồ trực giao như : biểu đồ M - N, biểu đồ khung đá MID (matrix identification).
e. Phương pháp điện trở
Phương pháp này nghiên cứu điện trở suất biểu kiến của đất đá xung quanh thành giếng khoan (hình 3.14). Điện trở suất của đất đá phụ thuộc vào thành phần đá và các chất lưu chứa bên trong lỗ rỗng của đất đá.
Các khoáng vật tạo đá phổ biến có điện trở suất rất lớn hoặc không dẫn nên hầu như khả năng dẫn điện của đất đá là hoàn toàn do nước lỗ rỗng, độ dẫn điện của nước lại phụ thuộc vào nhiệt độ và độ khoáng hóa, Hydrocacbon cũng không dẫn điện, vì thế mà độ bão hòa của hydrocacbon càng cao thì điện trở suất của đất đá cũng tăng lên.