Giáo trình địa vật lý giếng khoan part 7 ppt

Giả sử trong một đơn vị thể tích nhỏ của môi trường nghiên cứu đất đá các nơtron có thể vừa bị bắt giữ vừa khuyếch tán mất đi làm cho số lượng nơtron nhiệt ban đầu giảm đi, nhưng cũng tr

Trọng lượng ng.tử

ở trạng thái nhiệt, các nơtron có đặc điểm chuyển động chậm, lệch hướng và suy giảm năng lượng cũng chậm hơn Sự di chuyển như vậy gọi là sự khuyếch tán nơtron nhiệt trong môi trường Sự khuyếch tán nơtron nhiệt diễn ra cho đến khi chúng

bị bắt giữ Giả sử trong một đơn vị thể tích nhỏ của môi trường nghiên cứu (đất đá) các nơtron có thể vừa bị bắt giữ vừa khuyếch tán mất đi làm cho số lượng nơtron nhiệt ban

đầu giảm đi, nhưng cũng trong cùng thời gian đó có thể các nơtron nhiệt từ các thể tích thành phần bên cạnh khuyếch tán vào phần thể tích này Ví dụ luồng các nơtron nhiệt

đi ra khỏi một thể tích thành phần nhiều hơn số đi vào sẽ dẫn đến sự thất thoát ngày một tăng và mật độ các nơtron nhiệt trong thể tích đó ngày càng kiệt đi:

Sự khuyếch tán các nơtron nhiệt như thế trong môi trường đất đá có thể biểu diễn qua phương trình khuyếch tán:

) 52 5 (

N

N D

D - Hệ số khuyếch tán nơtron của môi trường đất đá

∇2N - Laplacien của mật độ nơtron

τD - Thời gian suy giảm số nơtron nhiệt do khuyếch tán

Ta có thể đo thời gian suy giảm thực tế theo cách đếm tổng các nơtron nhiệt đ∙ bị mất đi do khuyếch tán Tuy nhiên, mỗi detector của máy giếng cũng chỉ có vùng ảnh hưởng rất nhỏ so với toàn bộ không gian và nó không thể kiểm soát hết toàn bộ chùm nơtron Các số đo thời gian suy giảm thực tế là do ảnh hưởng chủ yếu bởi sự khuyếch tán

Phương trình (5.52) có thể bằng không, âm hoặc dương Trường hợp bằng không, giá trị τ đo được phải bằng τint (điều này hiếm khi xảy ra)

c) Thực hiện phép đo theo cửa sổ thời gian:

Có thể đo mật độ hay phân bố của các nơtron bằng cách đếm trực tiếp số nơtron hoặc đo bức xạ gamma chiếm giữ theo các cửa sổ thời gian hẹp bằng máy phổ Gamma (GST) (Hình 5.28)

Sơ đồ thời gian GST

Số lượng tử gamma chiếm giữ tỷ lệ với

số nơtron nhiệt bị bắt giữ hoặc tỷ lệ nghịch

với số nơtron nhiệt còn sót lại Cả hai gần

đúng này gần tương đương với nhau

Việc đặt các cửa sổ thời gian đo bức xạ

gamma chiếm giữ chọn ở thời điểm phù hợp

với thời gian mà ảnh hưởng của giếng khoan

lên kết quả đo là ít nhất, bảo đảm phép đo có

chiều sâu nghiên cứu lớn nhất

Trong kỹ thuật, cường độ bức xạ

gamma chiếm giữ được đo bằng đơn vị CPS

(xung/sec) hoặc tỷ số giữa số đo ở các cửa sổ

Hình 5.29 Sơ đồ khối máy đo tiết

diện nơtron nhiệt

phương pháp đo tiết diện bắt giữ nơtron nhiệt được thể hiện trong hình 5.29

Trong sơ đồ: 1- khối mạch điện tử, 2- detector, 3- máy phát xung nơtron, 4- cáp dẫn tín hiệu Các giá trị đo mật độ nơtron ở các cửa sổ thời gian I và II được sử dụng để tính tiết diện bắt giữ vĩ mô Σabs tại điểm đo theo biểu thức (5.45)

Trong các biểu thức trên đây, ∆t là khoảng thời gian tính bằng às từ giữa cửa

sổ I đến giữa cửa sổ II

Cuối cùng tiết diện bắt giữ vĩ mô

được biểu diễn trên đường cong biểu thị sự thay đổi tiết diện bắt giữ nơtron nhiệt của các lớp đất đá trong lát cắt ở thành giếng khoan

Khi đo trong các giếng khoan có ống chống thì phép đo Σabs được tiến hành đồng thời với các phép đo GR và đo xác định vị trí đầu nối ống chống

Hình 5.30 là một ví dụ biểu diễn kết quả đo Σabs và tỷ số N1/F1 là số đếm (xung/s) ở các detector gần và xa trong cửa sổ thời gian 1 Đường tỷ số (ratio) thể hiện sự thay đổi của độ lỗ rỗng hoặc

ảnh hưởng của khí (thiên về bên phải, thể hiện độ rỗng giảm hoặc khí tăng, trái - tăng hoặc khí giảm) Đường Σ (sigma) cùng có ý nghĩa tương tự đồng thời để phân biệt chất lưu b∙o hoà dầu/nước

Bảng 5.7 là các giá trị tiết diện bắt giữ nơtron nhiệt Σabs và thời gian sống trung bình τ của các nơtron nhiệt trong các loại đá thường gặp

Có thể dựa vào các giá trị ∑ và τ trong bảng 5.7 khi phân tích định tính và

định lượng kết quả đo

Độ khoáng hoá của nước vỉa có

ảnh hưởng rất mạnh đến giá trị đo Σabs và

τ của các lớp đá b∙o hoà nước Độ mặn trong nước vỉa càng cao thì Σabs càng tăng cao và τ càng giảm

Dầu thô khi không hoà tan khí sẽ

Hình 5.30 Một thí dụ biểu diễn kết

quả đoΣabs

có đặc tính nơtron giống như nước ngọt vì chỉ số HI của chúng là xấp xỉ bằng nhau, vì vậy các giá trị Σvà τ trong nước và trong dầu sẽ như nhau

d) Phạm vi ứng dụng các phương pháp đo Σabs và τint

Phương pháp tiết diện bắt giữ nơtron được áp dụng để giải quyết các nhiệm vụ sau:

- Xác định ranh giới dầu/nước, khí/nước trong các giếng khoan khai thác

- Đánh giá tiêu hao năng lượng vỉa trong tầng khai thác khí, dựa vào sự thay đổi

Σabs của khí theo áp suất

- Khoanh định phần chứa khí trong tầng cát có nước vỉa là nước ngọt

- Giải quyết các vấn đề kỹ thuật trong giếng khoan: Trám ximăng, cách ly vỉa, xác định vị trí mở vỉa khai thác

- Xác định SW trong tầng chứa ở các giếng khoan khai thác

Dễ dàng nhận ra sự giống nhau giữa đường cong đo thời gian sống trung bình của các nơtron nhiệt với đường cong đo điện trở suất Ra Có như vậy là vì trong vỉa chứa cả hai đại lượng τ và Ra đều tăng theo hàm lượng hydrocacbon và giảm khi độ khoáng hoá nước vỉa và độ sét trong đá tăng

Ưu điểm của phép đo τ là có thể tiến hành cả trong các giếng khoan có ống chống và cho phép tính nhanh các tham số vật lý của đá chứa

Hạn chế của phương pháp này là phép đo rất nhạy với sự thay đổi độ lỗ rỗng và hàm lượng các nguyên tố có tiết diện bắt giữ lớn Vì thế nó kém hiệu quả khi nghiên cứu các đối tượng đá chứa có độ khoáng hoá của nước vỉa thấp (<25g/l)

5.3.5.4 Phương pháp quang nơtron

Phương pháp đo quang nơtron hay còn gọi là phép đo gamma - nơtron là phương pháp bắn phá môi trường nghiên cứu bằng chùm tia gamma mềm và đo mật độ các hạt nơtron mới được hình thành do kết quả va chạm của các lượng tử gamma với một số nguyên tố nhất định Một trong các phản ứng đó là sự va chạm của tia gamma với nguyên tố Be:

) 53 5 ( 666

, 1

1 0 8 4 9

4+Be+γ→ Be+ n + MeV

Loại va chạm này gây phản ứng và cho phổ năng lượng rất đặc trưng đối với từng nguyên tố

Sơ đồ và máy thiết bị đo quang nơtron được cấu tạo tương tự như khi tiến hành

đo phương pháp gamma - gamma tán xạ, chỉ khác là ở đây dùng detector đếm nơtron chứ không phải đếm các lượng tử gamma tán xạ Nguồn phóng xạ gamma khí tiến hành phương pháp này là đồng vị 124Sb, có công suất 50 - 60 àCi Khoảng cách từ nguồn đến detector là L ≈ 30 - 40cm

Phương pháp quang nơtron có đặc điểm là rất nhạy với sự có mặt của Berium trong đá dù chỉ với hàm lượng thấp

5.3.5.5 Phương pháp kích hoạt phóng xạ

5.3.5.5.1 Cơ sở lý thuyết

Môi trường đất đá tạo thành từ các khoáng vật có chứa nhiều nguyên tố khác nhau Khi chiếu xạ vào môi trường đó bằng một chùm hạt nơtron không đơn năng phát

ra từ một nguồn nơtron có công suất đủ lớn ta có được một trường phóng xạ mới

Có nhiều trong số các nguyên tố có mặt trong các lớp đất đá, khi va chạm hoặc bắt giữ nơtron chúng sẽ bị kích thích và trở thành nguyên tố đồng vị phóng xạ và chúng thường bức xạ ra gamma Các đồng vị phóng xạ sinh ra theo cách đó có các đặc trưng riêng về chu kỳ bán r∙ và phổ năng lượng khi phát xạ gamma Thông thường chúng là các nguyên tố đồng vị ngắn ngày, có chu kỳ bán r∙ tính bằng giờ, bằng giây hoặc ngắn hơn Năng lượng phát xạ gamma cũng thay đổi từ nguyên tố này đến nguyên tố khác

Về nguyên tắc, biết chu kỳ bán r∙, phổ năng lượng sự hiện diện của một đồng vị phóng xạ mới tạo thành, ta có thể xác định được các nguyên tố mẹ (ban đầu) đ∙ sinh ra chúng, do đó

có thể biết được thành phần khoáng vật trong các lớp đất đá ở thành giếng khoan

Mặt khác, mỗi nguyên tố trong môi trường có tiết diện kích hoạt riêng Nói cách khác, xác suất để một nguyên tố trong tự nhiên bị kích hoạt trở thành một đồng vị phóng xạ có tính đặc thù riêng cho nguyên tố đó Các nguyên tố hay gặp trong các khoáng vật tạo đá ở vỏ quả đất có tiết diện kích hoạt cao khi bị bắn phá bằng chùm hạt

55 25

51 23

23 11

) 7 , 1 (

20 9

1 0

19

9F+ n → F+γ MeV

γ

+ +

1 0

56 26

γ

+ +

1 0

28 14

γ

+ +

1 0

16 8

Hoạt tính kích hoạt của các nguyên tố có thể khác nhau khi va chạm với nơtron nhiệt hay nơtron nhanh Chẳng hạn 28Al

13 là kết quả kích hoạt bằng nơtron nhiệt đối với

Hoạt tính gamma kích hoạt tạo ra do chiếu xạ bằng nơtron có quan hệ với liều chiếu nơtron và đặc trưng của hạt nhân có mặt trong môi trường và các sản phẩm sau kích hoạt theo biểu thức sau:

∑Φ  ư ư 

T

t N

Trong đó:

A - Hoạt độ gamma do chiếu xạ nơtron (xung/s)

N0 - Số nguyên tử bị kích hoạt có trong môi trường

∑ - Tiết diện ngang (cm2)

Φ - Luồng nơtron (nơtron/cm2/s)

ti - Thời gian chiếu xạ

T - Chu kỳ bán r∙ của nuclid tạo thành

Kết quả đo kích hoạt còn phụ thuộc vào sự lựa chọn thời gian chiếu xạ nơtron và thời điểm đo bức xạ gamma kích hoạt sao cho phù hợp với nguyên tố nghiên cứu

5.3.5.5.2 Sơ đồ Zond đo kích hoạt phóng xạ

Hình 5.31 là một thí dụ của sơ đồ máy

giếng đo kích hoạt phóng xạ đối với nguyên tố

Flore (19F

9 ) có tiết diện kích hoạt bằng 2,4.10

-37 cm2 Khi hạt nhân F bắt giữ nơtron nhiệt thì

có kết quả sinh ra đồng vị 20F

9 , có chu kỳ bán r∙ là 11,7 sec và bức xạ gamma kích hoạt có

năng lượng ∼ 1,7MeV

Trong sơ đồ:

1- Nguồn phát nơtron (PoBe) 2- Màn hấp thụ nơtron bằng parafin

20 9

1 0

19

9F+ n = F→ N+γ ư MeV

Nuclid mới tạo thành 16N

7 có chu kỳ bán r∙ bằng 7 giây Vì vậy, nếu chọn thời gian đo là ∆t = 7 sec sau khi kích hoạt thì ta đo được các gamma kích hoạt có năng lượng cao (5-6MeV) nhưng chỉ chiếm 25% Nếu chọn thời gian đo là 12 sec thì các gamma kích hoạt chỉ có năng lượng khoảng 1,7MeV nhưng chúng chiếm tới 75% tổng

số các gamma kích hoạt

5.3.5.5.3 Phân tích kết quả

Với sơ đồ máy giếng như hình 5.31 khi nghiên cứu giếng khoan thăm dò quặng fliorit (CaF2) người ta chọn khoảng cách L = 1m Tốc độ kéo thả cáp đo là 300m/h để cho phù hợp với chu kỳ bán r∙ của 20F

9 là T = 12 giây

Khi thả máy giếng từ trên xuống (ghi đường cong thứ nhất) phép đo là tổng của các giá trị: Gamma tự nhiên (GR), Gamma kích hoạt (GKH) và Gamma - Nơtron (GN):

1 = GR + GN + GKH (đường cong 1) Khi kéo máy giếng từ dưới lên (ghi đường cong thứ 2)

2 = GR + GN (đường cong 2) Khi chập hai đường cong 1 và 2 lên nhau ta dễ dàng nhận ra vị trí thân quặng CaF2 là đoạn đường cong 1 lớn hơn đường cong 2 đúng bằng giá trị GHK (Hình 5.32)

L = 1m

4

321

Hình 5.31 Sơ đồ máy giếng

đo kích hoạt phóng xạ

Bằng cách tương tự ta có thể chọn kích thước L, tốc độ kéo cáp v, thời gian chiếu xạ ti, thời điểm đo gamma kích hoạt, năng lượng nơtron

và công suất nguồn, sao cho phù hợp với chu kỳ bán r∙ T của đối tượng nghiên cứu mới

Chẳng hạn đối với nguyên tố

đồng vị nhôm (28Al

13 ) có T = 2,27 phút, Vanadi ( 52 )

23V có T = 3,9 phút, Để bắn phá vào bia Clore (Cl), theo phương pháp Clore thì nơtron “đạn” phải có năng lượng 6,7MeV, còn đối với Oxy theo phương pháp kích hoạt phóng xạ Oxygen thì năng lượng đó phải ≥ 10MeV,

5.2.5.5.3 Phạm vi ứng dụng của phương pháp

Ngày nay, trong công nghiệp dầu khí phương pháp kích hoạt phóng xạ như phương pháp Clorin hay phương pháp oxygen áp dụng trong các trường hợp nước vỉa khoáng hoá cao và khoáng hoá thấp để theo dõi sự thay đổi và xác định vị trí của ranh giới dầu/nước ở các giếng khoan có ống chống Các phương pháp này dựa trên cơ sở vỉa chứa nước thì có Oxy và Cl trong các muối khoáng là hai nguyên tố có thể bị kích hoạt phóng xạ, trong khi đó ở vỉa dầu thì chúng gần như vắng mặt

Trong thăm dò quặng, phương pháp kích hoạt phóng xạ sử dụng để tìm kiếm và thăm dò các quặng đa kim có chứa các nguyên tố trong nhóm sau đây: Al, Mn, F, Cu,

Fe, Ag, Au,

1 = GR + GN + GKH

2 = GR + GN 1-2 = 0 0 + GKH

đường cong đo kích hoạt phóng xạ

nghiên cứu quạng CaF 2

Chương 6 Phương pháp sóng âm

Phương pháp sóng âm còn gọi là phương pháp siêu âm hay phương pháp âm (Sonic Log) xuất hiện muộn hơn các phương pháp địa vật lý nghiên cứu giếng khoan khác như: Phương pháp điện từ, phóng xạ hạt nhân, nhưng lại có phạm vi ứng dụng khá rộng

Nguyên lý của phương pháp sóng âm là đánh giá tính chất đàn hồi của các lớp

đá ở thành giếng dựa trên cơ sở của sự lan truyền sóng đàn hồi trong các lớp đá đó

Khi lan truyền trong các lớp đá khác nhau sóng âm truyền với tốc độ khác nhau

và suy giảm năng lượng (biên độ) trong từng lớp đá đó cũng khác nhau Các đặc điểm vừa nêu là cơ sở để tiến hành các phép đo âm khác nhau: Phương pháp tốc độ, ∆t, phương pháp đo biên độ sóng âm, phương pháp biến đổi mật độ

Các phép đo tốc độ, hay ∆t trong giếng khoan có thể đo liên tục (Nguồn phát và máy thu tín hiệu sóng âm đặt cách nhau một khoảng L và tịnh tiến khi đo) có thể đo từng điểm (Nguồn trên mặt đất, các máy thu tín hiệu áp sát thành giếng ở các chiều sâu khác nhau) đó là trường hợp của phương pháp tuyến địa chấn thẳng đứng VSP)

kỳ T là khoảng thời gian nằm giữa hai pick dương (hoặc âm) liên tiếp (Ax-1 – Ax)

- Tần số f là số giao động trong một giây, f = 1/T, đo bằng Hz = 1 giao

động/giây

- Chiều dài bước sóng λ là khoảng cách mặt sóng đi được trong môi trường trong một chu kỳ dao động Đại lượng này phụ thuộc vào tốc độ lan truyền sóng v và tần số f ; λ = v/f

6.2 Sóng âm (Siêu âm)

- Sóng nén hay sóng dọc P: Loại sóng này gây cho các hạt vật chất điểm chất chuyển dời xung quanh vị trí cân bằng theo phương song song với phương truyền của mặt sóng (Hình 6.2) Sóng P tồn tại trong môi trường rắn và lỏng

Hình 6.1 Tín hiệu sóng âm Hình 6.2 Lan truyền của sóng dọc

- Sóng kéo hay sóng ngang S - Sóng

làm cho các điểm chất dao động theo

phương vuông góc với phương truyền sóng

(Hình 6.3) Sóng S chỉ tồn tại trong môi

trường rắn, không có trong môi trường lỏng

- Trong môi trường liên tục tốc độ

lan truyền của sóng dọc P lớn hơn tốc độ

truyền của sóng ngang S Trong đất đá tỷ số

tốc độ sóng dọc và sóng ngang thay đổi:

vP/vs ≈ 1.6 ữ 2.0

Trong đất đá tồn tại cả sóng P và

sóng S, trong dung dịch khoan năng lượng

chuyển sang sóng dọc P

Sóng ngang S lan truyền với tốc độ

thấp hơn, nhưng năng lượng của sóng này

Sự lan truyền của loại sóng này làm cho thành giếng bị biến dạng Tốc độ của sóng ống

VSt rất thấp, thậm chí nó lan truyền theo thành giếng còn chậm hơn cả sóng P truyền trong dung dịch

Khoảng cách Thời gian

Tốc độ VSt và biên độ của sóng

ống phụ thuộc vào:

- Tính đàn hồi của dung dịch trong

Tốc độ sóng âm trong môi trường

đàn hồi có thể được biểu diễn qua modul

σρ

ρ

à

b b

P

E

k V

ρ

à

b b

S

E V

Hình 6.5 Sự lan truyền của sóng ống (Stoneley Wave)

b P

ρb: Mật độ khối của môi trường

Ta có nhận xét: Trong môi trường chất lỏng, modul kéo hay hệ số biến dạng thể tích gần bằng “không” cho nên VS xác định theo (6.2) sẽ bằng “không”, còn sóng dọc:

Đất đá thường gặp ở vỏ Quả đất có Modun Yuong thay đổi trong khoảng 0,15.10-6 đến 0,60.10-6 kg/cm2 và hệ số Poisson phổ biến bằng 0,25 Vì vậy, từ (6.1) và (6.2) ta có:

Ước lượng được tỷ số này là rất quan trọng không chỉ khi đo ghi tín hiệu ở điều kiện giếng khoan mà cả khi phân tích kết quả đo

Các đá và khoáng vật thường gặp trong các lớp đá ở vỏ Quả đất khác nhau rõ ràng

về tốc độ truyền sóng đàn hồi Khoảng biến thiên tốc độ này nằm trong khoảng 1500 - 8000m/s, hẹp hơn so với một số tham số vật lý khác của đất đá như điện trở suất

Bảng 6.1 là một tập hợp số liệu về tốc độ và khoảng thời gian để sóng đàn hồi đi qua một đơn vị chiều dài của các đá và vật liệu khác nhau

Tốc độ truyền sóng đàn hồi trong đá đá phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thành phần khoáng vật của đá, độ gắn kết, độ lỗ rỗng và kiểu lỗ rỗng (giữa hạt, nứt nẻ, hang hốc), độ b∙o hoà chất lưu, tính chất của chất lưu b∙o hoà, áp suất vỉa, áp suất thạch tĩnh liên quan đến chiều sâu thế nằm của đá

Chưa cần phân tích tỷ mỉ về ảnh hưởng của từng yếu tố vừa nêu ta cũng thấy rằng pha cứng của đá có đóng góp quan trọng lên tốc độ truyền sóng đàn hồi Từ bảng 6.1 ta thấy đối với các đá có thành phần khoáng vật khác nhau (vôi, dolomit, cát thạch anh) thể hiện sự biến đổi về tốc độ truyền sóng trong những khoảng khá rộng Vì vậy,

đối với các thành hệ có pha cứng không đơn khoáng như các lát cắt cacbonat thì tốc độ lan truyền sóng đàn hồi của nó sẽ phụ thuộc vào tỷ phần của các khoáng vật thành phần trong pha cứng, vì các khoáng vật thành phần đó có khả năng truyền năng lượng siêu âm khác nhau

) 3 6 ( 73

, 1

≈

S

P

V V

Độ gắn kết và thành phần ximăng gắn kết đá cũng ảnh hưởng mạnh đến tốc độ

truyền sóng Đá càng gắn kết tốt thì tốc độ truyền sóng đàn hồi của nó càng lớn và thời

gian lan truyền càng nhỏ

Tốc độ truyền sóng đàn hồi có quan hệ tỷ lệ nghịch với độ lỗ rỗng của môi trường

Mối quan hệ giữa tốc độ (V) và độ lỗ rỗng Φ thể hiện qua phương trình tốc độ

trung bình của Wyllie (1958):

Trong đó:

V: Tốc độ truyền sóng đo được bằng phương pháp siêu âm

Vm: Tốc đô truyền sóng của pha cứng (matrix)

Vf: Tốc độ truyền sóng của chất lưu b∙o hoà

Năng lượng sóng âm truyền trong các đá có kiểu lỗ rỗng khác nhau sẽ không

giống nhau Trong các đá có lỗ rỗng giữa hạt phân bố đồng đều, năng lượng sóng âm suy

giảm chậm hơn trong đá có kiểu lỗ rỗng phân bố không đồng đều (nứt nẻ, hang hốc)

) 4 6 ( 1

1

f

V V

Φ + Φ

ư

=