Địa vật lý giếng khoan là một phần của địa vật lý thăm dò, bao gồm việc sử dụng nhiều phương pháp địa vật lý hiện đại nghiên cứu vật chất để khảo sát lát cắt địa chất ở thành giếng khoan nhằm phát hiện và đánh giá và thu thập các thông tin về vận hành khai thác mỏ và trạng thái kỹ thuật của giếng khoan. Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, đặc biệt là 30 năm gần đây, địa vật lý giếng khoan đã áp dụng các thành tựu mới nhất của ngành tự động hóa và công nghệ thông tin trong các hoạt động của mình. Địa vật lý giếng khoan bao gồm nhiều nhóm phương pháp, trong mỗi nhóm lại có nhiều phương pháp riêng rẻ đáp ứng các đòi hỏi khác nhau khi nghiên cứu các điều kiện địa chất khác nhau. Ngày trước, địa vật lý giếng khoan trong nghiên cứu dầu khí có đối tượng chủ yếu là đá trầm tích. Tuy nhiên, hiện nay, khi ngày càng nhiều mỏ
dầu đã và đang được khai thác trong đối tượng đá móng nứt nẻ, địa vật lý giếng khoan với những cải tiến của mình đã góp phần không nhỏ trong việc nghiên cứu đá móng. Về cơ bản, địa vật lý giếng khoan trong đá móng cũng áp dụng những quy luật và nguyên lý hoạt động của các thiết bị đo như trong đối tượng trầm tích nhưng có kết hợp thêm các hiểu biết về đặc điểm của móng.
Khác với đá trầm tích, trong đối tượng móng thì độ rỗng trong các khe nứt là quan trọng và được lưu tâm hàng đầu. Các loại đá magma khác nhau thì có thành phần khoáng vật khác nhau dẫn đến các đặc trưng thấm chứa hay nứt nẻ khác nhau. Các phương pháp địa vật lý giếng khoan đã tận dụng các đặc tính này để nghiên cứu và phân tích các thành hệ đá móng.
Một số phương pháo địa vật lý giếng khoan có thể kể đến trong việc nghiên cứu đặc tính của đá móng nứt nẻ bao gồm: phương pháp gamma tự nhiên, phương pháp mật độ, phương sáp siêu âm, phương pháp neutron, phương pháp điện, phương pháp quét hình ảnh thành giếng khoan (FMI).
2.3.2.1. Phương pháp gamma tự nhiên và phổ gamma tự nhiên
Phương pháp gamma tự nhiên tổng
Phương pháp gamma tự nhiên (GR) đo ghi cường độ phóng xạ gamma tự nhiên của thành hệ. Hầu như tất cả các loại thành hệ đất đá đều bức xạ ra tia gamma và cường độ phụ thuộc vào hàm lượng của các đồng vị phóng xạ của kali, thori và uran có chứa trong thành hệ đó.
Có hai phương pháp đo ghi gamma trong giếng khoan: phương pháp gamma toàn phần (GR) đo ghi cường độ phóng xạ gamma tự nhiên toàn phần của thành hệ và phương pháp phổ gamma (NGS) đo ghi cường độ phóng xạ gamma toàn phần và hàm lượng kali, thori và uran của thành hệ. Các nhóm đá granodiorite thường có giá trị GR thấp hơn so với nhóm đá granite và monzogranite do chứa ít thành phần fenspat kali và giàu khoáng vật màu, khoáng vật sét, các đá đai mạch trung tính có cường độ GR thấp hơn cả.
2.3.2.2. Các phương pháp xác định độ rỗng
Trong địa vật lý giếng khoan, độ rỗng của đá móng nứt nẻ có thể xác định từ các đường cong mật độ, siêu âm và neutron. Tất cả các đường cong này đều bị ảnh hưởng của xương đá (matrix), độ rỗng, và chất lưu trong thành hệ. Nếu các hiệu ứng của chất lưu, xương đá được biết trước thì độ rỗng của thành hệ hoàn toàn có thể xác định được [12].
Phương pháp mật độ (Density log)
Phương pháp mật độ là phương pháp đo ghi mật độ khối biểu kiến của thành hệ dựa trên hiện tượng tán xạ của tia gamma khi tương tác với môi trường. Phương pháp mật độ được sử dụng chính để xác định độ rỗng trong ĐVLGK, ngoài ra còn được sử dụng để xác định thành phần thạch học nhờ phép đo chỉ số hấp thụ quang điện Pe của các lớp đất đá.
Phương pháp mật độ và mật độ thạch học được sử dụng để tính độ rỗng và nhận biết các lớp đá trong lát cắt theo thành phần thạch học của chúng. Phương pháp này tỏ ra hữu hiệu trong việc xác định sự hiện diện của các đới nứt nẻ mở. Các đới nứt nẻ mở có độ thấm tốt, thường được lấp đầy bởi dung dịch khoan thường có giá trị GR thấp và giá trị mật độ giảm [12]
Phương pháp âm (Sonic log)
Phương pháp âm trong Địa vật lý giếng khoan là phương pháp đo thời gian lan truyền của sóng đàn hồi, ở tần số âm thanh trong môi trường đất đá. Sóng âm được phát ra từ chấn tử phát T, lan truyền trong dung dịch khoan, trong đất đá và lại quay trở vào dung dịch khoan để đi tới các chấn tử thu R. Thời gian truyền sóng phụ thuộc vào thành phần thạch học và độ rỗng của đá móng. Phương pháp âm chủ yếu dùng để xác định độ rỗng của nứt nẻ, độ rỗng tổng, phân biệt giữa nứt nẻ kín và mở và trợ giúp cho minh giải địa chấn.
Các loại sóng âm có thể được kể đến như:
Sóng nén hay sóng dọc P là loại sóng gây cho các điểm chất chuyển dời xung quanh vị trí cân bằng dọc theo phương truyền sóng. Sóng P có thể truyền qua tất cả các môi trường rắn, lỏng và khí.
Sóng ngang (S-sóng) làm cho các điểm chất dao động theo phương vuông góc với phương truyền sóng. Sóng S chỉ tồn tại trong môi trường rắn và không tồn tại trong môi trường lỏng và khí.
Sóng ống (Stonely Wave) truyền dọc thành giếng khoan trong điều kiện giếng khoan có dung dịch (nước), trên thành giếng tồn tại một loại sóng sinh ra trên bề mặt tiếp xúc giữa dung dịch khoan và đất đá ở thành giếng khoan. Sự lan truyền sóng này làm cho thành giếng bị biến dạng. Tốc độ của sóng Stonely thường rất thấp, thậm chí nó còn chậm hơn cả sóng P truyền trong dung dịch.
Các giá trị đo sóng P và sóng S thường được sử dụng kết hợp với các thông số địa vật lý giếng khoan khác như GR, Density... để xác định các đặc tính của đá móng nứt nẻ.
Phương pháp neutron (Neutron log)
Phương pháp neutron là phương pháp độ rỗng nghiên cứu các thành hệ có lỗ hổng và xác định độ rỗng của chúng trên cơ sở khác biệt về hàm lượng hydrogen có trong thành hệ. Như vậy khi đá chứa là đá sạch bão hòa nước và dầu, khí trong lỗ rỗng thì phương pháp neutron sẽ phản ánh phần lỗ rỗng bão hòa lưu chất. Các đới chứa khí cũng có thể được phát hiện bằng cách so sánh kết quả đo của phương pháp này với các phương pháp độ rỗng khác. Trong đá móng, các đới nứt nẻ mở bị lấp đầy bởi các chất lưu hoặc chứa các khoáng vật thứ sinh có hàm lượng hydro cao nên giá trị NPHI cao. Do đó, trong nghiên cứu nứt nẻ, phương pháp neutron kết hợp với các đường log khác như đường mật độ, điện trở suất, phóng xạ tự nhiên… có thể giúp xác định vị trí các đới nứt nẻ.
Xác định độ rỗng tổng trong đá móng nứt nẻ
Đá móng được cấu thành bởi nhiều loại khoáng vật khác nhau tùy theo từng loại đá nên việc xác định độ rỗng theo các phương pháp truyền thống bằng phương pháp điện trở thường không chính xác. Nhằm khắc phục khuyết điểm trên, phương pháp thể tích (volumetric method) được sử dụng rộng rãi để tính độ rỗng trong móng. Phương pháp này có ưu điểm là có thể tính đến ảnh hưởng của đa khoáng để giảm sai
số trong tính toán và tăng hệ số tương quan giữa các đường đo thực tế và các đường log lý thuyết [18].
Hình 2.20. Mô hình đá móng nứt nẻ điển hình
Độ rỗng tổng của đá móng được tính toán trên cơ sở giải các hệ phương trình sau: NPHI= V1*NPHI1 + V2*NPHI2 + …+ Vn*NPHIn + Φ*NPHIf
RHOB= V1*RHOB1 + V2*RHOB2 +…+ Vn*RHOBn + Φ*RHOBf
GR = … ……..
DT= V1*DT1 + V2*DT2 +…+ Vn*DTn + Φ*DTf 1 = V1 + V2 + V3 +…+ Vn + Φ.
Trong đó,
NPHI1, NPHI2 ,…,NPHIn , RHOB1, RHOB2 , …, RHOBn , DT1, DT2, …, DTn là các thông số độ rỗng nơtron, mật độ, thời gian lan truyền của xương đá thứ i.
NPHIf, RHOBf,…, DTf là thông số của chất lưu thứ i.
V1, V2, … ,Vn là tỷ phần thể tích của các khoáng vật
Xác định độ rỗng thứ sinh trong móng
Độ rỗng tổng bao gồm các loại rỗng nguyên sinh (độ rỗng giữa hạt) và độ rỗng thứ sinh (độ rỗng khe nứt) được thành tạo trong quá trình phong hóa, kiến tạo và xâm nhập magma. Độ rỗng thứ sinh được tính toán dựa trên công thức:
2 = block block 1 Trong đó; : Độ rỗng tổng
block: Độ rỗng của thành phần chặt xít, được ước tính tại các khối riêng biệt
2.3.2.3. Phương pháp quét hình ảnh thành giếng khoan (FMI và Sonic Scaner)
Khi tiến hành đo điện trở hay độ dẫn điện dọc theo thành giếng khoan thì tại các khe nứt hang hốc các mặt phân lớp, có sự thay đổi điện trở so với các lớp đá nằm ở bên cạnh không bị nứt nẻ.
Xét trong không gian ba chiều, giếng khoan có dạng hình trụ, còn các khe nứt, các vỉa mỏng là các mặt phẳng. Khi giếng khoan cắt các nứt nẻ hang hốc thì sẽ để lại dấu vết của chúng trên thành giếng có dạng hình tròn (nếu mặt phẳng đó vuông góc với trục giếng) hoặc hình elip (nếu mặt nứt nẻ không vuông góc với trục giếng). Khi mở triển khai hình trụ của lòng giếng 3D thành 2D sẽ nhận được các đường thẳng hoặc hình sin, phụ thuộc vào góc tạo bởi trục giếng và mặt nứt nẻ hang hốc hay các mặt phân lớp (Hình 2.22).
Dựa vào phép đo điện trở bằng một tập hợp các vi điện cực điểm có định hướng. Sau khi xử lý bằng một phần mềm chuyên dụng thì ta sẽ quan sát được các vết nứt nẻ, hang hốc có điện trở thấp so với đá không bị nứt nẻ xung quanh. Sản phẩm sau cùng là hình ảnh thành giếng khoan được thể hiện qua các màu sắc:
Màu trắng thể hiện cho vùng thay đổi không có quy luật, đất đá không thấm
Màu nâu, đen thể hiện vùng có điện trở thấp hơn (thường là hang hốc, nứt nẻ lớn)
Đồng thời kết quả tính cũng thể hiện mật độ, độ mở, hướng phân bố của các nứt nẻ trong khối đá. Ưu điểm của phương pháp FMI là có thể cho hình ảnh thành giếng khoan rất sắc nét. Nhược điểm của FMI chưa phân biệt được các nứt nẻ mở và nứt nẻ bị lấp kín bởi các khoáng vật thứ sinh hoặc các đai mạch có điện trở thấp. Để khắc phục nhược điểm này, người ta quét hình ảnh thành giếng không bằng đo điện trở tiếp đất mà bằng các xung sóng đàn hồi siêu âm. Trên thành giếng khoan, những nơi có nứt nẻ, đất đá có hệ số phản xạ sóng đàn hồi kém hơn những phần đá nguyên khối. Đo cường độ các xung sóng phản xạ có định hướng ta cũng vẽ được hình ảnh các nứt nẻ hang hốc ở thành giếng.
Ưu điểm của phép đo quét xung sóng đàn hồi là không ghi hình ảnh các đai mạch hay khe nứt bị lấp kín bới khoáng vật nhiệt dịch thứ sinh, chỉ thể hiện các khe nứt mở có khả năng thấm.