Neutron là phƣơng pháp đo độ rỗng, thông qua việc nghiên cứu mật độ neutron, cƣờng độ bức xạ gamma trong môi trƣờng sau khi bắn phá bằng chùm neutron có năng lƣợng cao (neutron nhanh).
43
Hạt neutron là những hạt không tích điện, không bị ion hóa bởi môi trƣờng xung quanh. Khối lƣợng của neutron gần bằng khối lƣợng của proton ký hiệu 01n, khối lƣợng bằng 1 và điện tích bằng 0. Do không có điện tích nên neutron không bị mất năng lƣợng với eletron tích điện và hạt nhân. Bởi vậy neutron có khả năng đâm xuyên cao. Năng lƣợng đo với đơn vị eV hay MeV và biểu hiện dƣới dạng vận tốc chuyển động. Theo năng lƣợng chia làm 4 loại : neutron nhanh có En > 0,1 MeV; neutron trung gian 100eV < En <0,1 MeV; neutron trên nhiệt 0,025eV < En < 100eV; neutron nhiệt En < 0,025 eV.
Khi các neutron tƣơng tác với hạt nhân nguyên tử thì xảy ra hiện tƣợng tán xạ neutron hoặc bị bắt giữ bởi hạt nhân.
Hình 5.2. Mô hình thiết bị đo neutron [2]
Nguyên lý hoạt động của thiết bị:
Khi chùm neutron nhanh đƣợc phát đi, chúng có năng lƣợng lớn khoảng vài MeV, khi neutron tƣơng tác với hạt nhân nguyên tử trong môi trƣờng chúng sẽ mất dần năng lƣợng 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 trƣờng nghiên cứu có nhiều hạt nhân nhẹ. Và vì khối lƣợng của hạt nhân nguyên tử hydro tƣơng đƣơng với hạt neutron nên tiêu hao năng lƣợng của
44
neutron là lớn nhất là khi tƣơng tác với hạt nhân của hydro. ở mức năng lƣợng thấp neutron nhiệt rất dễ bị một số hạt nhân trong môi trƣờng bắt giữ. Sau khi bắt giữ neutron, hạt nhân nguyên tử rơi vào trạng thái kích thích và chúng thƣờng thoát khỏi trạng thái này bằng cách phát xạ năng lƣợng dƣới dạng một lƣợng tử Gamma. Các lƣợng tử này còn đƣợc gọi là Gamma chiếm giữ.
Dễ dàng nhận thấy mật độ các neutron trên nhiệt, neutron nhiệt hay cƣờng độ phóng xạ Gamma chiếm giữ phụ thuộc vào hàm lƣợng nguyên tố hydro ( chỉ số hydro – HI) có trong môi trƣờng nghiên cứu. Trong tự nhiên, nguyên tố này có trong pha lỏng (dầu, nƣớc) và pha khí của đá. Các chất lƣu này bão hòa lấp kín trong lỗ rỗng của đá, do đó mật độ neutron hay cƣờng độ Gamma chiếm giữu nó sẽ có quan hệ chặt chẽ với độ rỗng (Φ) của thành hệ đá chứa.
Hàm lƣợng hydro trong dầu và nƣớc đƣợc coi là xấp xỉ bằng nhau. Trong khi đó hàm lƣợng của nguyên tố này trong pha khí thì ít hơn hẳn. Dựa vào thực tế đó ngƣời ta phân biệt đƣợc chất lƣu bão hòa trong đá chứa là dầu, nƣớc hay khí.
Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đo:
- Kích thƣớc giếng khoan
- Sự khác nhau của các thiết bị đo - Khoảng cách giữa nguồn và máy thu - Nhiệt độ của giếng
- Độ mặn của dung dịch khoan hay hàm lƣợng muối chứa trong đất đá - Thành phần thạch học của đất đá đặc biệt là hàm lƣợng sét chứa trong đó - Hàm lƣợng khí có trong đất đá
Ứng dụng của phương pháp neutron:
- Đánh giá độ rỗng của đất đá
- Kết hợp với phƣơng pháp mật độ (RHOB) để xác định độ rỗng và thành phần thạch học của đất đá
- Xác định vỉa khí
- Xác định lát cắt giếng khoan
- Phân biệt các đới chứa khí hay hydrocacbon nhẹ trong vỉa sản phẩm.
5.2.3. Phương pháp mật độ
Carota mật độ là một phƣơng pháp quan trọng trong địa vật lý giếng khoan. Đại lƣợng mật độ khối biểu kiến của đất đá đƣợc sử dụng làm đại lƣợng chỉ thị độ rỗng. Phƣơng pháp này đƣợc dử dụng cùng với các phƣơng pháp khác để xác định thành
45
phần thạch học và tính chất của chất lƣu trong vỉa, ngoài ra nó còn đƣợc sử dụng trong việc phân tích vận tốc truyền sóng trong khảo sát âm.
Hình 5.3. Mô hình thiết bị đo ghi mật độ [2]
Nguyên lý hoạt động của thiết bị:
Log mật độ là phƣơng 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 lƣợng. Các tia gamma tán xạ đến các máy thu đƣợc đặt cố định cách nguồn phát tia gamma và đƣợc đếm nhƣ là chỉ số mật độ của đất đá. Số lƣợng tán xạ phụ thuộc trực tiếp vào số lƣợng 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 pb có đơn vị là gam/cm3).
Trong quá trình đo, thiết bị đƣợc điều chỉnh sao cho mức năng lƣợng gây ra chủ yếu theo hiệu ứng tán xạ compton vì ở mức năng lƣợng này ệ số hấp thụ coi nhƣ
46
băng hằng số. Nhƣ vậy, cƣờng độ tia gamma đo dƣợc chỉ phụ thuộc vào mật độ của electron có trong đất đá.
Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đo:
- Dung dịch khoan
- Phƣơng pháp log mật độ có chiều sâu đo không lớn. Thƣờng nhỏ hơn 10 inchs, có nghĩa là phƣơng 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 có ảnh hƣởng khác nhau.
- ảnh hƣởng 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 hƣởng bởi chất lƣu trong vỉa giống nhƣ một lớp mùn sét mỏng. Ta thấy trên biểu đồ log mật độ giá trị Δρ đƣợc sử dụng để kiểm soát mức độ chính xác khi đo.
Ứng dụng của phương pháp mật độ:
- 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 lƣợng sét trong đá và một số đặc điểm thạch học
5.2.4. phương pháp âm (DT)
Phƣơng pháp sóng siêu âm dựa trên cơ sở sóng đàn hồi truyền qua các lớp đất đá, đƣợc dùng để đo thời gian truyền sóng đàn hồi của đất đá dọc thành giếng 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 đƣờng cong DT sẽ đƣợc dùng trong việc tính độ rỗng của đất đá.
47
Hình 5.4. Mô hình thiết bị đo âm [2]
Nguyên lý:
Carota sóng âm dự vào sự lan truyền của sóng cơ học đàn hồi trong môi trƣờng. Sự lan truyền của sóng làm các phần tử vật chất trong môi trƣờng dao động. Năng lƣợng của sóng sẽ làm di chuyển các phần tử vật chất theo hƣớng song song hay vuông góc với hƣớng lan truyền của sóng ứng với hai loại sóng di chuyển trong đất đá.
Sóng dọc (compressional wave – sóng P) có phƣơng dao động trùng với phƣơng truyền sóng.
Sóng ngang (shear wave – sóng S) có phƣơng dao động vuông góc với phƣơng truyền sóng.
Phƣơng pháp sóng siêu âm là một trong những phƣơng pháp log để tính độ rỗng, dùng để đo khoảng thời gian của sóng dọc khi đi qua một đơn vị chiều dài (thƣờng là feet-ft).
Khoảng thời gian truyền sóng phụ thuộc vào thành phần thạch học, độ rỗng, độ bão hòa chất lƣu (dầu, khí, nƣớc) trong đất đá. Ví dụ khi độ rỗng của đất đá cao hay độ bão hòa chất lƣu cao thì làm cho vẫn tốc truyền sóng thấp và nhƣ thế có nghĩa là thời gian truyền sóng cao.
48
Các yếu tố ảnh hưởng:
- Khí trong dung dịch khoan : các bọt khí trong dung dịch khoan sẽ làm phân tán và hấp thụ sóng âm, sự suy yếu tín hiệu đôi khi làm máy thu không nhận đƣợc hoặc nhận không đáng kể gây lên nhầm lẫn kết quả đo.
- Giếng khoan có đƣờng kính lớn : trong các giếng khoan có đƣờng 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 vƣợt qua khoảng thời gian truyền trực tiếp từ áy phát – lớp mud cake – máy thu của sóng dọc. Nếu điều này xảy ra nghĩa là ta không có đƣợc dữ liệu ra 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 nƣớc sẽ trƣơng nở, vì thế làm ảnh hƣởng tới kết quả đo.
Ứng dụng của phương pháp carota âm:
- Xác định độ rỗng của đất đá.
- Kết hợp với các phƣơng pháp độ rỗng khác để tính độ rỗng nứt nẻ trong các đá cacbonat.
- Xây dựng băng địa chấn tổng hợp khi kết hợp với phƣơng pháp mật độ. - Phát hiện dị thƣờng áp suất cao.
- Xác định thành phần thạch học của đất đá khi kết hợp cùng với phƣơng pháp neutron (NPHI) và mật độ (RHOB) bằng cách xây dựng các biểu đồ trực giao nhƣ biểu đồ M – N, biểu đồ khung đá MID (matrix indentification).
5.2.5. Phương pháp điện trở
Phƣơng pháp này nghiên cứu điện trở suất biểu kiến của đất đá xung quanh thành giếng khoan. Điện trở suất của đất đá phụ thuộc vào thành phần đá và các chất lƣu chứa bên trong lỗ rỗng của đất đá.
Các khoáng vật tạo đá phổ biến có điện trở suất rất lớn hoặc không dẫn điện nên hầu nhƣ khả năng dẫn điện của đất đá là hoàn toàn do nƣớc lỗ rỗng, độ dẫn điện của nƣớc 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.
Trong quá trình khoan, dung dịch khoan sẽ xâm nhập vào trong thành hệ qua thành giếng khoan ( vì áp suất của cột dung dịch khoan lớn hơn hoặc bằng áp suất của
49
thành hệ) và trên lý thuyết sẽ hình thành ba đới tính từ giếng khoan vào trong thành hệ là : đới thấm nhiếm hòa toàn, đới chuyển tiếp và đới nguyên .
Trong quá trình thấm nƣớc của dung dịch khoan vào trong vỉa, sét của dung dich khoan sẽ bị giữ lại ở thành giếng khoan tạo thành lớp vỏ sét (mud cake). Vì vậy, đối với những vỉa thấm tốt ta thƣờng quan sát thấy hiện tƣợng đƣờng kính giếng khoan nhỏ hơn đƣờng kính chòong khoan.
Đới thấm hoàn toàn: dung dịch khoan sẽ chiếm toàn bộ phần không gian rỗng trong đới này.
Đới chuyển tiếp: dụng dịch khoan cùng với một lƣợng nhỏ chất lƣu tồn tại trong không gian rỗng.
Đới nguyên: do dung dịch khoan không thấm vào đƣợc cho nên chất lƣu vỉa chiếm toàn bộ không gian rỗng.
Ứng dụng của phương pháp carota điện trở:
- Liên kết các giếng khoan dựa trên sự giống nhau tƣơng đối về hình dạng đƣờng cong điện trở suất trong cùng một phạm vi, cùng một cấu tạo địa chất.
- Phân biệt giữa các vùng chứa dầu và nƣớc. - Chỉ ra các đới thấm.
- Xác định độ rỗng.
- Xác định độ bão hòa nƣớc (hoặc độ bão hòa hydrocacbon).
5.3. Xác định các tham số
5.3.1. Xác định hàm lượng sét
Việc xác định hàm lƣợng sét trong giếng khoan chủ yếu dựa vào đƣờng Gamma Ray (GR), tại những điểm không có giá trị đo Gamma Ray thì phải kết hợp với các đƣờng cong ĐVLGK khác nhƣ Neutron (TNPH) và đƣờng Mật Độ ( RHOZ). Hàm lƣợng sét đƣợc tính toán dựa trên công thức sau:
GRI =
(công thức 1) Vsh = 1.7 – √ công thức Lavier (công thức 2) Vsh = GRI(GRI + n) công thức Bateman (công thức 3) (n = 1.2 – 1.7)
Vsh = 0.5 GRI (1.5 – GRI) công thức Steiber (công thức 4) GR: Là giá trị tại đƣờng cong gamma ray
50
GRmax: Là giá trị gamma ray lớn nhất đọc trên băng log (vỉa sét lớn nhất) Vsh: Là hàm lƣợng sét
5.3.2. Xác định độ rỗng
Các đƣờng cong Mật Độ (RHOZ) và Neutron (TNPH) chủ yếu đƣợc dùng để xác định độ rỗng, còn nếu nhƣ thành giếng không ổn định có thể tính toán theo đƣờng DT.
Xác định ΦN và ΦD
ΦN : nếu đơn vị đo neutron đã chuyển đổi qua đơn vị độ rỗng – đọc giá trị đo trên đƣờng cong.
ΦD : do ΦD và mật độ khối biểu kiến có quan hệ với nhau
ρb = Φ.ρf + (1 – ΦD).ρma (công thức 5) Từ công thức ta có thể tính toán : Độ rỗng xác định từ đƣờng Mật Độ (RHOZ) : (công thức 6) Độ rỗng xác định từ đƣờng Neutron (TNPH) : (công thức 7) Trong đó : ρma : là mật độ xƣơng đá ρf : là mật độ dung dịch khoan Φ : là độ rỗng ΦN: là độ rỗng tính theo neutron ρ : là mật độ khối ρsh : là mật độ của sét ΦD : là độ rỗng tính theo đƣờng Mật Độ ΦN,sh: là độ rỗng tính theo đƣờng Neutron
Sau đó độ rỗng đƣợc xác định bằng phƣơng pháp tính toán kết hợp cả Neutron và Mật Độ:
Độ rỗng tổng (độ rỗng toàn phần) tính cho vỉa dầu là:
ΦT =
(công thức 7) Độ rỗng tổng (độ rỗng toàn phấn) tính cho vỉa khí là:
51 (công thức 8) Độ rỗng hiệu dụng đƣợc tính: Φe = ΦT * (1 – Vsh) (công thức 9) Độ rỗng tính theo DT: (công thức 10) Δt : Là thời gian truyền sóng trong thành hệ
Δtma : Là thời gian truyền sóng trong xƣơng đá Δtf : Là thời gian truyền sóng trong chất lƣu Cp : là hệ số nén thành hệ và
trong đó:
Δtsh : là thời gian truyền sóng trong sét gần kề C : là hằng số thƣờng lấy bằng 1