PHƯƠNG PHÁP ĐỊA CHẤN TRONG GIẾNG KHOAN pdf

Nó còn được sử dụng để dự đoán chiều sâu vùng dị thương áp suất trước khi khoan các giếng khoan ở ngoài biển và xác định các ranh giới giữa granit và trầm tích, muối và trầm tích I.2 Địn

PHƯƠNG PHÁP ĐỊA CHẤN TRONG GIẾNG

KHOAN

MỞ ĐẦU

Những phương pháp địa giếng khoan ngày nay tạo ra những cơ hội mới để điều tra những vỉa thâm nhập bằng các lỗ khoan Từ cấu trúc lỗ khoan và hình dung 3 chiều để tăng độ rõ nét hình ảnh, sự thu nhận áp suất cao áp, nhiệt độ-cao, những sự khảo sát địa chấn lỗ khoan giảm bớt nguy cơ rủi ro cho người điều hành và giúp cho việc phục hồi lại các thôngng tin

Sự khảo sát địa chấn lỗ khoan ngày nay đang đứng trước những thay đổi về tất cả phương pháp kĩ thuật đo trong giếng khoan sử dụng trong các mỏ dầu khí

Về lịch sử, lợi ích chính bắt nguồn từ những sự khảo sát được biết đến như những mặt cắt địa chấn thẳng đứng (VSPs), Có được sự liên kết thời gian và hình ảnh bề mặt địa chấn với chiều sâu giếng khoan Tuy nhiên, hiện nay phương pháp khảo sát địa chấn giếng khoan phát triển nhất trong thăm dò dầu khí

Những sự khảo sát Địa chấn trong Lỗ khoan mang lại các giá trị đo có độ phân giải cao của độ nhạy địa chấn bao quanh các vỉa chứa Những sự tiến bộ trong công việc địa vật lý giếng khoan đang giúp đỡ làm rõ được đầy đủ tiềm năng dầu khí từ những dữ liệu hiện tại tạo ra những hình ảnh chính xác nhất về vỉa chứa dầu khí

Chương I PHƯƠNG PHÁP ĐỊA CHẤN TRONG GIẾNG KHOAN (VSP)

I.1 Lích sử phát triển của phương pháp VSP

Phương pháp địa chấn trong giếng khoan gọi phương pháp tuyến địa chấn thẳng đứng hay còn gọi là VSP (Vertical Seismic Profile)

Phương pháp VSP là một sự phát triển vượt trội nhưng không được sử dụng rộng vì chi áp dụng phương pháp lớn hơn nhiều so với phương pháp khảo sát vận tốc Và là phương pháp tin cậy hơn trong ứng dụng đánh giá dựa trên những tài liệu địa chấn 3 chiều trên mặt

Hiệu quả của phương pháp VSP được phát triển ở các nước Xô Viết vào năm 1960, tiếp đến là Châu Âu, cuối cùng là đến Mỹ năm 1970 Phương pháp VSP đã tạo nên những bất ngờ khi mà phương pháp bắt đầu được sử dụng ở các nước này vì phương có khả năng dự đoán trước mẫu khoan và nó được sử dụng trong mục đích dự đoán chiều sâu thành hệ cần khảo sát sẽ gặp phải nếu tiếp tục khoan

Khả năng dự đoán trước mẫu khoan bằng phương pháp VSP là một biến đổi ngược được thực hiện trong quá trình xử lý số liệu, qua nhiều năm các tài liều khảo sát Zero – offset VSP đã được chứng minh đó là công cụ hữu ích Nó còn được sử dụng để dự đoán chiều sâu vùng dị thương áp suất trước khi khoan các giếng khoan ở ngoài biển và xác định các ranh giới giữa granit và trầm tích, muối và trầm tích

I.2 Định nghĩa

Tuyến địa chấn thẳng đứng là phương pháp địa chấn tiến hành theo tuyến thẳng đứng trong giếng khoan để nghiên cứu bức tranh sóng dọc thành giếng khoan

Khác với địa chấn giếng khoan thông thường, trong VSP ngoài nhiệm vụ ghi sóng trực tiếp để xác định tốc độ, cần phải tiến hành ghi cả các sóng phản xạ

và khúc xạ xuất hiện trên băng địa chấn để làm sáng tỏ bức tranh sóng Để giải quyết vấn đề này cần sử dụng các thiết bị ép chặt máy thu vào thành giếng khoan

và sử dụng các bộ điều chỉnh biên độ để ghi các sóng yếu xuất hiện ở phần sau băng ghi

Figure 1

I.3 Bản chất phương pháp

Tuyến địa chấn thẳng đứng (Vertical Seismic profile) là việc tiến hành khảo sát nghiên cứu đặc điểm trường sóng địa chấn xung quanh (500m tính từ thành giếng khoan), bên trên và cả phần phía dưới đáy giếng khoan nhờ việc sử dụng nguồn nổ (source) đặt trên mặt gần miệng giếng khoan và tiến hành thu các dao động do nguồn phát ra (chủ yếu là song dọc) truyền vào trong đất đá đến các máy thu (geophone) đặt dọc theo thành giếng khoan Phần tín hiêu đầu vào cho các geophone là các dao động đàn hồi xuất phát

từ source truyền qua các lớp đất đá Đầu ra từ các geophone là một bức tranh thể hiện tổng hợp trường sóng địa chấn đi trong môi trường đất đá bao gồm phần sóng đến trực tiếp (Downgoing wavefield), sóng phản xạ một lần (Upgoing wavefield) từ các ranh giới phản xạ, sóng phản xạ nhiều lần của sóng đến trực tiếp và sóng phản xạ một lần (Multiples), ngoài ra còn có thể xuất hiện rất nhiều loại nhiễu khác…

I.4 Phân loại

Tuỳ thuộc vào mối quan hệ giữa nguồn và máy thu và hình thái giếng khoan mà phân VSP ra thành nhiều phương pháp khác nhau: Checkshot survey, Zero offset, Offset, Walkabove, Walkaway VSP…

a Checkshot Survey

Đây là phương pháp khảo sát VSP rẻ và đơn giản nhất và đôi khi được gọi

là phương pháp khảo sát vận tốc Phương pháp này tiến hành đo thời gian truyền song trực tiếp từ nguồn tới máy thu mà không cần quan tâm tới phần trường sóng phản xạ sau đó Nó cho phép thiết lập mối quan hệ thời gian-chiều sâu và

từ đó tính được vận tốc khoảng của phần đất đá xung quanh giếng khoan, thường được áp dụng khi giếng khoan thẳng đứng

Thường áp dụng cho trường hợp giếng khoan nghiêng với điều kiện thực địa là nguồn luôn được đặt ở phía trên (gần như thẳng đứng) so với geophone

Do thu cả phần song đến trực tiếp và phần song phản xạ sau đó nên các ứng dụng cơ bản là như của Zero offset VSP

c Offset VSP

Sử dụng nguồn đặt cách giếng khoan một khoảng hoặc lệch so với giếng khoan Dãy các máy thu được bố trí theo một dải chiều sâu trong giếng khoan,tạo ra hình ảnh 2 chiều Bổ sung khối lượng thông tin làm sang tỏ hơn đến những hình ảnh liên quan đến bề mặt địa chấn, giúp nhận ra những đứt gãy và góc nghiêng của thành hệ dọc theo lỗ khoan Trong điều kiện sự biến đổi từ sóng dọc (P) => sóng ngang (S) tăng theo khoảng cách, offset VSP được sóng trượt,

sự biến đổi biên độ theo khoảng cách (AVO) và sự phân tích bất đẳng hướng Mức độ chuyển đổi sóng dọc => sóng ngang phụ thuộc độ lệch và ranh giới đặc tính của đá

d Zero Offset VSP

Là phương pháp có cấu hình thu nổ giống với Checkshot survey là nguồn luôn được đặt ở phía trên (gần như thẳng đứng) so với geophone, tuy nhiên mật

độ geophone trong giếng khoan là nhiều hơn và tiến hành thu cả thời điểm sóng đến đầu tiên (first arrival) và phần sóng phản xạ sau đó Do đó ngoài time-depth relationship còn thu được Corridor stack và Synthetic (nếu có số liệu Sonic)… thường được áp dụng khi giếng khoan thẳng đứng

e Walkaway VSP

Tương tự offset VSP trong đó nguồn nổ lệch với hình chiếu thẳng đứng Máy thu trong giếng khoan đứng yên nhưng nguồn dịch chuyển Mức độ dịch chuyển trong Walkaway VSP thường được sủ dụng để nghiên cứu sóng trượt, sự thay đổi biên độ theo khoảng cách và hiệu ứng bất đẳng hướng vì chúng ta có thể chiếu sóng trên một diện tích rộng hơn Offset VSP Walkaway VSP là phương pháp hữu dụng trong việc thi công khảo sát địa chấn trên mặt, sự khảo sát vạch ra những thiết kế tới việc cung cấp thông tin và hình ảnh bức tranh 1 hoặc 2 chiều, hay làm sáng tỏ với yêu cầu thu nhận và xử lý 3 chiều

Chương II PHÂN TÍCH TÀI LIỆU ĐỊA CHẤN TRONG GIẾNG KHOAN

II.1 Các loại sóng

Những kiểu những sóng được phát sinh và ghi trong những khảo sát địa chấn lỗ khoan là các sóng khối được phát ra bởi những nguồn điểm nổ hay những nguồn là những dải tần số, và gồm có nén ép, hay sóng-P và sóng trượt, hoặc loại sóng-S Những sóng này sinh ra từ những nguồn nhân tạo gần bề mặt

và được ghi lại ở trong lỗ khoan tại những độ sâu khác nhau Trong trường hợp trên biển VSP chỉ triển khai những sung hơi, điển hình sóng-P được phát sinh Tuy nhiên, phụ thuộc vào đặc tính và cách sắp xếp thiết bị thu và nguồn, cả hai sóng-P và sóng-S có thể được ghi nếu sóng-S đã được sinh ra bởi sự chuyển đổi

từ sóng-P.Những tín hiệu được ghi bằng những thiết bị trong lỗ khoan phụ thuộc vào loại sóng đến, khảo sát hình học và kiểu của thiết bị thu

Sự Truyền lan và phản xạ của những sóng nén ép và sóng trượt Theo hướng tới vuông góc, những song dọc nén ép phản xạ và chỉ truyền như những song dọc Tuy nhiên khi trường hợp đó không xẩy ra, như khi nguồn được đặt khoảng cách nào đó từ khoảng cách từ giếng khoan, một biến cố sóng-Pcó thể phản chiếu và truyền những song dọc và sự trượt của những song ngang Những song dọc có phương dao động trùng với phương truyền song, song ngang có phương dao động vuông góc với phương truyền sóng Sóng-SV bị phân cực từ mặt phẳng thẳng đứng và sóng-SH được phân cực trong mặt phẳng ngang mối quan hệ giữa sóng-SV và sóng-SH được sinh ra từ nguồn sóng trượt

II.2 Tốc độ truyền sóng của các lớp đất đá

Các số liệu nghiên cứu tốc độ truyền sóng trong vỏ quả đất chỉ ra rằng các đất đá cấu tạo nên vỏ quả đất có tốc độ truyền sóng rất khác nhau, các lớp đất trồng nằm sát mặt đất có tốc độ truyền sóng nhỏ khoảng 300 – 400m/s, trong khi

đó tốc độ truyền sóng trong đá macma và 1 số loại đá trầm tích lên tới 6000-7000m/s Theo các số liệu đo sâu địa chấn thì tốc độ truyền sóng của đất đá ở độ sâu vài chục km có thể tới 8000m/s

Trong quá trình hình thành và phát triển, đất đá có những thay đổi tính chất vật lý, địa chất rất khác nhau làm cho tính chất đàn hồi thay đổi; vì vậy tốc

độ truyền sóng của đất đá phụ thuộc vào nhiền yếu tố rất khác nhau như: thành phần thạch học, điều kiện thành tạo, chiều sâu thế nằm và độ ngậm nước

Sau đây, chúng ta xét các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ truyền sóng và mối quan hệ của chúng với các tham số vật lý khác

II.2.1 Sự phụ thuộc tốc độ truyền sóng vào các yếu tố địa chất

a Phụ thuộc thành phần thạch học đất đá

Thành phần thạch học là yếu tố ảnh hưởng quyết định đến tốc độ truyền sóng Đá macma và biến chất có tốc độ truyền sóng thay đổi trong khoảng 4000

- 6500m/s Đá trầm tích có tốc độ truyền sóng nhỏ hơn, trong trầm tích lục

nguyên có tốc độ truyền sóng ít khi vượt quá 3500m/s Các trầm tích thuỷ hoá và cacbonat có giá trị lớn hơn có thể đạt tới 6500m/s xấp xỉ tốc độ truyền sóng trong đá macma và biến chất (bảng 6.1)

Bảng 6.1

b ảnh hưởng của các yếu tố khác

Tốc độ truyền sóng trong một loại đất đá có cùng thành phần thạch học có thể thay đổi trong phạm vi rộng tuỳ thuộc vào một loạt các yếu tố như áp suất,

độ rỗng, độ ngậm nước, tuổi

Hình 6.1 Sự phụ thuộc tốc độ VP vào mật độ ρ của các loại đất đá khác nhau: 1 sét và sét kết, 2 cát và cát kết, 3 đá vối, 4 đolomit, 5 anhydrid, 6 muối mỏ

- Sự phụ thuộc tốc độ truyền sóng vào áp suất: Khi áp suất tăng lên làm giảm độ rỗng của đất đá, mô đun đàn hồi Yung tăng làm cho tốc độ truyền sóng tăng Đối với các loại đất đá khác nhau, quy luật thay đổi tốc độ truyền sóng theo áp suất cũng khác nhau Sự thay đổi này rõ nhất đối với đất đá trầm tích lục nguyên, còn trong đá macma và cacbonat ít hơn (hình 6.2a,c)

Sự phụ thuộc tốc độ truyền sóng vào độ rỗng và độ ngậm nước: Khi độ rỗng và độ ngậm nước bão hoà tăng thì tốc độ truyền sóng giảm đi Trong đất đá

bở rời sát mặt đất, nếu lỗ hổng chứa không khí thì tốc độ truyền sóng có thể nhỏ hơn tốc độ âm trong không khí;

Khi độ rỗng giảm thì tốc độ tăng lên trong đá trầm tích, mối quan hệ này gần như tuyến tính, nếu lỗ hổng ngậm nước thì tốc độ truyền sóng còn phụ thuộc

độ bão hoà nước Khi áp suất nhỏ thì tốc độ truyền sóng tăng khi độ ngậm nước tăng, đến khi bão hoà thì vP giữ nguyên, quá bão hoà thì tốc độ truyền sóng giảm Sở dĩ như vậy là do khi độ ngậm nước nhỏ, nước tạo ra những màng làm tăng sự tiếp xúc giữa 2 mặt với nhau nên tốc độ truyền sóng tăng, khi bão hoà các màng này bị phá vỡ, diện tích tiếp xúc giảm làm cho tốc độ truyền sóng giam

Nếu có nước khoáng hoá thì tốc độ truyền sóng tăng với độ khoáng hoá

Hình 6.2 Mối quan hệ giữa tốc độ và độ rỗng

Sự phụ thuộc tốc độ truyền sóng và modun Young vào áp suất của một số mẫu cát kết và granit được mô tả trên hình 6.3a,c

Hình 6.3 Sự phụ thuộc vP và vS vào áp suất và độ bão hoà

a Sự phụ thuộc tốc độ cát kết vào áp suất trong mẫu cát với độ ẩm khác nhau, b Sự phụ thuộc vào độ sâu của áp suất, độ bão hoà và tỷ số vP/vS, c Sự phụ thuộc của tốc độ (1) và modul Young (2) vào áp suất

Sự phụ thuộc tốc độ truyền sóng vào chiều sâu: khi chiều sâu thế nằm tăng lên, áp suất tải trọng tác dụng lên đất đá tăng dẫn đến sự tăng tốc độ truyền sóng Mức tăng tốc độ truyền sóng theo chiều sâu phụ thuộc vào thành phần thạch học và độ rỗng của đất đá Sự phụ thuộc này biểu hiện rõ rệt ở các loại đá lục nguyên bở rời có độ rỗng lớn Đặc biệt ở phần trên lát cắt, khi độ rỗng lớn,

áp suất tăng nhanh theo chiều sâu rất rõ rệt

Sự tăng tốc độ truyền sóng theo chiều sâu dẫn đến tốc độ truyền sóng trong một lớp nhất định thay đổi phụ thuộc vào vị trí cấu tạo của chúng ở các vòm nâng thường quan sát được sự giảm tốc độ truyền sóng đáng kể

Sự phụ thuộc tốc độ truyền sóng vào tuổi đất đá

Đất đá càng già thì tốc độ truyền sóng càng lớn, ở một số vùng người ta tìm được mối quan hệ :

vP = K(hT)1/6 (6.1)

K là hệ số phụ thuộc thành phần thạch học của đất đá, h là chiều sâu, T là tuổi tuyệt đối

Sự tăng tốc độ truyền sóng theo tuổi được giải thích do tác dụng biến chất động lực và sự kéo dài của tác dụng dung dịch trong đá

ở trên đã nêu, những yếu tố liên quan đến tốc độ truyền sóng dọc; Đối với sóng ngang, sự biến đổi của chúng cũng có nguyên nhân như đối với sóng dọc

Kg/cm 2

Kg/cm 2

Với phần lớn đất đá có tỷ số vS/vP = 0.5 – 0.6, tương ứng với giá trị hệ số Poisson σ = 0.2 – 0.33

II.2.2 Mối quan hệ giữa tốc độ truyền sóng và các tham số vật lý khác.

Mối quan hệ tốc độ truyền sóng và mật độ đất đá

Theo tính toán lý thuyết, mối quan hệ giữa tốc độ truyền sóng và mật độ

là tỷ lệ nghịch Tuy nhiên các kết quả nghiên cứu cho thấy đây là mối quan hệ tỷ

lệ thuận Sở dĩ như vậy vì trong quá trình thành tạo, dưới tác dụng của các yếu tố bên ngoài, hằng số đàn hồi thay đổi mạnh hơn so với thay đổi mật độ Khi mật

độ tăng dẫn đến modun E tăng và tăng nhanh hơn nên kết quả làm tốc độ truyền sóng tăng Sự thay đổi mật độ thường không lớn từ 1,5 – 3,1g/cm3, trong khi đó

E thay đổi hàng trăm lần

Một số công trình nghiên cứu thực nghiệm đã xác định mối quan hệ tuyến tính giữa tốc độ truyền sóng và mật độ

vP = aσ + b (6.2) a,b là các hằng số phụ thuộc từng loại đất đá khác nhau

Ngoài tham số mật độ, tốc độ truyền sóng còn liên quan đến điện trở suất cũng như cường độ phóng xạ, sở dĩ như vậy vì các tham số này đều liên quan đến độ rỗng, mật độ, độ ngậm nước Tuy nhiên những vấn đề này chưa được nghiên cứu đầy đủ

Sự phụ thuộc của áp suất, độ bão hoà và tỷ số vp/vs vào độ sâu được minh hoạ trên hình 6.2b

II.3 Nhận biết các loại sóng trên lát cắt

Để đọc rõ các sóng trên mặt cắt, trong quá trình xử lý cần tiến hành lọc tần số, điều chỉnh biên độ, cộng sóng theo hướng và tiến hành hiệu chỉnh thời gian để đồng nhất chiều sâu nổ mìn và thời điểm nổ

Trong quá trình phân tích các mặt cắt VSP, ngoài việc xác định tốc độ lớp (vl) và tốc độ trung bình (vtb )còn tiến hành phân loại trường sóng xuất hiện trong lát cắt và liên kết địa tầng các sóng

+ Phân loại trường sóng chủ yếu được tiến hành trên cơ sở phân tích đặc trưng động học như: trục đồng pha, BĐTK của sóng Sóng trực tiếp vì phát triển xuống dưới sâu nên thời gian xuất hiện nó tăng dần theo chiều sâu; Sóng phản xạ

vì phát triển quay trở về mặt đất nên càng gần mặt đất thời gian xuất hiện sóng càng lớn Khi điểm nổ nằm sát miệng giếng khoan, BĐTK của sóng phản xạ cùng loại nằm đối xứng với BĐTK của sóng trực tiếp