Giáo trình ĐỊA VẬT LÝ GIẾNG KHOAN - Chương 8 ppsx

Đo đường kính giếng Đường kính giếng khoan là một tham số thể hiện đặc tính cơ học rất quan trọng, mặt khác nó lại là một số liệu dùng để thể hiệu chỉnh các số liệu đo của các phương ph

Chương 8

Các phương pháp đo khác

8.1 Đo đường kính giếng

Đường kính giếng khoan là một tham số thể hiện đặc tính cơ học rất quan trọng, mặt khác nó lại là một số liệu dùng để thể hiệu chỉnh các số liệu đo của các phương pháp địa vật lý giếng khoan khác nhau khi xử lý tài liệu

8.1.1 Sơ đồ nguyên tắc của phép đo

Phép đo đường kính giếng được thực hiện nhờ

các cặp càng Các càng trong cặp đặt đối diện nhau qua

trục máy giếng Khi thả tới đáy giếng các cặp càng này

được điều khiển từ mặt đất để mở ra tỳ vào thành

giếng Từ đây khi kéo lên miệng giếng để thực hiện

phép đo thì độ mở rộng ra, hay khép vào của mỗi cặp

càng đều phụ thuộc vào đường kính của giếng rộng hay

hẹp Sự thay đổi đường kính giếng làm cho một điểm

tiếp xúc trượt chạy dẫn đến sự thay đổi điện trở của thể

Nhờ hai cặp càng đo vuông góc với nhau (hình 8.2) nên thiết bị có thể đo chính xác đường kính giếng trên hai mặt phẳng vuông góc giao nhau theo trục giếng:

Trong thiết bị này có lắp đặt đo đồng

thời các tham số góc phương vị và góc

nghiêng của trục giếng

Với thiết bị BGT của Schlumberger

phép đo thực hiện vẽ (hình 8.3) các đường

cong d1 và d2, độ căng dây cáp σ và các vạch

tích luỹ chỉ thể tích giếng (ở cột bên phải)

Các đường cong chỉ giá trị góc nghiêng và

góc phương vị của trục giếng khoan theo

chiều sâu (cột thứ nhất bên trái)

8.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng

Các yếu tố địa chất có ảnh hưởng

nhiều nhất lên giá trị đường kính của giếng

xói lở khi tiếp xúc với dung dịch khoan ở

dòng đối lưu (ví dụ như cát, sét, ) sinh ra sập lở thành giếng

- Đất đá bị co ngót trong trường hợp đó giếng khoan cũng sẽ rộng ra

+ Kiến trúc và cấu trúc của đá Các lớp đất đá trong lát cắt có độ rỗng và thấm cao (cát kết, đá vôi nứt nẻ), dưới áp lực của cột dung dịch filtrat thấm qua thành giếng

để lại trên đó một lớp vỏ sét có chiều dài tới hàng chục milimet Trong trường hợp đó

đường kính của giếng nhỏ lại, có khi nhỏ hơn các cả đường kính danh định Đây là một trong các dấu hiệu của vỉa thấm trong lát cắt lục nghuyên Mặc dù, nên nhớ là tuy gặp

ít nhưng cũng có trường hợp trong vỉa do bị nén ép chặt khi bị tác động của lực kiến tạo hay do mũi khoan công phá cũng để lại những vi khe nứt, có khả năng thấm

8.1.3 áp dụng

Những tài liệu đo đường kính giếng đượng sử dụng để:

- Phát hiện các đới có độ rỗng và khả năng thấm (sự xuất hiện lớp vỏ sét ở thành giếng ), và xác định chiều dầy lớp vỏ sét: hmc= (db- dh)/2, với dh- đường kính mũi khoan hay đường kính danh định

- Xác định thể tích giếng khoan để gia công thể tích khối xi măng cần thiết khi trám giếng khoan

Hình 8.3 Thí dụ đo góc nghiêng

và phương vị bằng máy BGT

- Phát hiện các phần lát cắt rắn chắc và kín để đặt các packer trong thể thử vỉa ở giếng khoan

- Làm số liệu để hiệu chỉnh số đo của nhiều phương pháp địa vật lý giếng khoan khác

- Dấu hiệu để phân biệt một số loại đá

8.2 Xác định góc nghiêng và góc phương vị của trục giếng khoan

Khối lượng các giếng khoan co góc nghiêng lớn, khoan định hướng, khoan ngang ngày càng có tỷ trọng lớn trong công tác khoan tìm kiếm, thăm dò khai thác dầu khí Việc xác định hướng đi của giếng khoan trong không gian ở dưới sâu trong lòng

đất là rất quan trọng Muốn làm được việc đó thì ở những chiều sâu nhất định ta cần đo

được góc nghiêng λ và góc phương vị ϕ của trục giếng khoan ở chiều sâu đó Góc nghiêng λ là góc tạo bởi trục giếng khoan và phương thẳng đứng (mặt chiếu nghiêng)

có chứa trục giếng tại điểm đo Góc phương vị ϕ là góc tạo bởi hình chiếu của trục giếng khoan lên mặt phẳng nằm ngang so với hướng bắc từ N Đo hai góc λvà ϕ có thể

đo liên tục bằng thiết bị BGT của schlumberger (hình 8.3), những thông dụng nhất vẫn

là đo từng điểm theo chiều sâu giếng khoan Khoảng cách giữa hai điểm đo liên tiếp thay đổi từ 10 đến 20m tuỳ thuộc vào từng trường hợp

8.2.1 Sơ đồ cấu tạo của máy đo góc nghiêng và phương vị

Sơ đồ nguyên tắc của máy giếng đo góc λ và ϕ (hình 8.4) có hai khối chính: khối đo góc nghiêng λ và khối đo phương vị ϕ Hai khối này làm việc luân phiên nhau theo một chương trình có điều khiển từ mặt đất

Các khối được gắn với nhau và xoay trên trục chung dựa vào hai điểm tựa 9 và 1 (hình 8.4) Trục quay này được đặt trùng với trục của giếng Nhờ quả nặng lệch trọng 16

xê dịch trên mặt chiếu nghiêng, mặt phẳng của hệ sẽ luôn vuông góc với mặt phẳng này

Chỉ số góc ϕ dựa vào kim nam châm

4 gắn trên điểm tựa 8 Bên dưới kim 4 có một biến trở 6 và một điểm tiếp xúc vòng 7 Khi đó kim tiếp xúc gắn với kim nam châm

sẽ tiếp xúc với vành 7 ở một điểm của biến trở 6 Quả nặng 10 trong khi đo giữ cho hệ

đo phương vị cân bằng ở vị trí nằm ngang và tựa trên biến trở 11 nhờ đó mà phép đo hướng theo mặt chiếu nghiêng của giếng khoan

Khi đo góc nghiêng quả nặng 12 làm

xê dịch kim 13 xê dịch khỏi vị trí zerô là lúc thiết bị hoàn toàn được đặt theo phương

Hình 8.4 Sơ đồ nguyên tắc của máy

giếng đo góc λvà ϕ

thẳng đứng Khi đo kim 13 tạo ra một điểm tiếp xúc là điểm cuối nối giữa biến trở 15 với 14

Cổ góp 3 có ba vòng tiếp xúc 2 cho phép nối với một trong hai biến trở (6 hoặc 15) trong sơ đồ đo Thiết bị này khi đo trong giếng khoan có ống chông thì chỉ cho giá trị góc λ, còn giá trị đo góc ϕ không chính xác

Sơ đồ mạch điện của một máy đo góc nghiêng λ và

góc phương vị ϕ được thể hiện ở hình 8.5

Sơ đồ được xây dựng trên nguyên tắc của cầu điện

trở Ba cánh của cầu là các điện trở không đổi và lắp đặt

trong hộp điều khiển ở mặt đất Các điện trở R1 và R2 được

nối với khi đo các góc Điện trở R4 và R5- để đo phương vị

R3 là điện trở chung của cầu

Cánh thứ tư được lấy từ điện trở của ruột cáp Biến

trở R7 được nối trong mạch để bù cho sự thay đổi của điện

trở ruột cáp và các điện trở của biến trở từ đo góc nghiêng

R6 và góc phương vị R4

Nguồn môi E được mắc vào đường chéo AB của cầu,

đường chéo còn lại (MN) thì được mắc điện kế G Điện trở

thay đổi R6 dùng để bù cho cầu khi đo ∆R6 hay ∆R4

8.2.2 Xử lý tính toán các đại lượng nghiên cứu

Chiều dài hình chiếu đoạn giếng khoan li lên mặt

phẳng thẳng đứng (a) và nằm ngang (b)

Hình 8.5 Sơ đồ mạch

điện của một thiết bị đo λ

và ϕ của trục giếng khoan

Vậy điểm mét tuyệt đối của lớp thứ i, là Hi từ miệng giếng đến đoạn nghiên cứu

được tính bằng tổng của các hình chiếu thẳng đứng

H i = ∑l iver = ∑l i cosλi (8.2) Hình chiếu lên mặt nằm ngang của đoạn giếng thứ i ∆li có góc nghiêng λi (hình 8.4.6) tính bằng:

∆l i = l i sinλi (8.3)

Dựa vào các số đo λ ta

tính các đoạn hình chiếu li theo

(8.1) và ∆li theo (8.3)

Từ các số đo góc và kết

quả tính toán này ta có thể xây

dựng biểu đồ hình chiếu của trục

giếng khoan lên mặt phẳng nằm

ngang (hình 8.7) theo tỷ lệ chọn

trước (thường là 1:500)

Đường nối thẳng đứng từ

miệng giếng đến điểm cuối của

đoạn đo cuối cùng (α) thể hiện

khoảng xê dịch của giếng khoan

trong vùng nghiên cứu Chiều dài

và phương vị của đoạn α thể hiện

đặc điểm của giếng khoan

8.3 Đo góc cắm của các lớp đất đá

Góc cắm (góc dốc) là góc của một mặt bất kỳ (có thể là phân lớp, vết nứt nẻ hở hoặc kín, mặt bào mòn hay mặt tiếp giáp giữa hai phần khoáng vật có tính chất vật lý khác hẳn nhau) với mặt phẳng

nằm ngang (hình 8.8) Khi giếng

khoan ở chiều thẳng đứng xuyên

qua những mặt như vậy sẽ để lại

một vết cắt hình tròn, nếu mật độ

vuông góc với trục giếng khoan

hình elip nếu nó không vuông

góc với trục giếng khoan Như

8.3.1 Nguyên lý của phép đo góc cắm

Mặt phân lớp cắt qua giếng khoan tạo thành một vết cắt hình elip Trên vết cắt

đó khi chọn được ít nhất ba điểm thì ta có thể dựng được mặt phẳng phân lớp

Nhằm đo được góc cắm của một mặt phân lớp hay vết nứt nẻ cắt qua giếng khoan, người ta chế tạo một Zond đo có từ ba hoặc bốn điện cực gắn trên ba hoặc bốn tấm cách điện được tì sát vào thành giếng nhờ các lò so (hình 8.9) Trên vành tròn mỗi

điện cực được sắp xếp cách đều nhau 1200 (trường hợp thiết bị ba cực) hoặc 900 (thiết bị bốn cánh)

Qua mỗi điện cực trên các cánh ghi được một đường điện trở khi nó quét trên thành giếng Vì kích thước của các điện cực gần trên các cánh có tấm đệm là rất nhỏ lại

được hội tụ dòng nên các đường cong điện trở đo được đều có độ phân giải rất cao, do

Hình 8.9 Nguyên tắc của thiết bị đo góc cắm

Trục giếng khoan

Thành giếng

Bộ phận đo góc nghiêng và phương

vị của trục giếng

đó có thể xem các số đo là kết quả đo của từng điểm trên thành giếng Khi thiết bị đi qua mặt phân cách giữa các lớp đá khác nhau, hay một vết nứt nẻ thì đường cong đo

điện trở trên mỗi cánh đều thể hiện sự thay đổi điện trở suất Dấu hiệu thay đổi điện trở qua các mặt phân cách đó sẽ xuất hiện không trên cùng một chiều sâu nếu trục giếng khoan không vuông góc với mặt phân cách đó Các chiều sâu đánh dấu sự thay đổi đột ngột giá trị điện trở suất trên mỗi cánh gọi là chiều sâu biểu kiến (hay là chiều sâu tương đối tính theo trục giếng khoan) Sự khác nhau của các chiều sâu tương đối này giữa các điện cực chứa đựng thông tin cần thiết để đánh giá góc cắm và góc phương vị nếu ta biết được:

a Hướng của trục thiết bị và hướng của một trong số các cánh sử dụng (thường dùng cánh thứ nhất) so với hướng bắc từ

b Góc nghiêng và phương vị của trục giếng khoan

c Đường kính giếng tại điểm quan sát

Sơ đồ của một thiết bị đo góc cắm ở hình 8.9 là sơ đồ nguyên tắc lắp ráp của h∙ng Dresser Atlas Trong sản xuất còn dùng những máy đo góc cắm khác của Schlumberger, Halliburton có các đặc tính kỹ thuật khác nhau nhưng nguyên tắc chung thì nhiều phần giống nhau Bộ con lắc bên trên và các vòng góp là để đo góc nghiêng của giếng Thanh nam châm cùng các cổ góp là bộ phận xác định phương vị của càng

số một (N01) Phần cuối của sơ đồ là các càng gắn điện cực 1- 2 và 3 (COM) hoặc No

1,2,3 và 4 (HDT) Các càng này cũng dùng để đo đường kính giếng khoan Phần bên phải phía dưới hình vẽ là các đường cong đo điện trở bằng các điện cực đặt ở các càng tương ứng Khi thiết bị đi qua mặt phân cách giữa hai lớp đá có điện trở khác nhau các

đường cong thay đổi đột ngột ở các chiều sâu tương đối 1,2,3 và 4 Dựa vào chiều sâu tương đối này và các tham số khác như đường kính giếng, ta có thể tính được góc của trục giếng khoan với mặt phân cách Dựa vào góc nghiêng của trục giếng khoan với phương thẳng đứng có thể tính được góc cắm của mặt, dựa vào phương vị của cánh thứ nhất (No1) sẽ tính được hướng đổ hay góc phương vị của mặt phân cách

Ta lưu ý rằng góc cắm thay đổi trong phạm vi từ 00- 900, còn góc phương vị trong khoảng từ 00 - 3600, hết vòng thay đổi 3600 góc phương vị lại trở về 00 Trong thực tế góc phương vị xác định được ϕ = 3600 hay 00 có nghĩa là hướng đổ của mặt phân cách là như nhau

8.3.2 Tính góc cắm của vỉa

Các giá trị góc nghiêng λ của trục giếng so với phương thẳng đứng được ghi ở dạng đường cong đo liên tục (thường sắp xếp ở cột bên trái của băng ghi , với thang 0-

90/180/360/720), trong đó thang 360 hay được sử dụng hơn cả

Trong trường hợp của hệ thang 360 các đường cong chỉ góc phương vị ϕ của

điện cực N01 so với hướng bắc từ, đường cong chỉ phương của điện cực N01 so với hướng của trục giếng (vòng β) cũng được ghi liên tục theo chiều sâu của giếng khoan (hình 8.10)

Các bước tiến hành tính toán :

a) Xác định góc cắm và phương vị biểu kiến so với hướng của giếng (θ, F)

b) Xác định góc và phương vị từ sau khi hiệu chỉnh góc nghiêng δ của trục giếng (α, AZM)

c) Xác định phương vị địa lý của góc cắm theo phép hiệu chỉnh cho góc lệch từ (AZG)

d) Xác định góc cắm biểu kiến và phương vị của điện cực N01

Hình 8.10 Thí dụ băng đo góc cắm ở giếng khoan (Cột bên trái các đường cong chỉ hướng phương vị, cột bên phải là các

đường cong điện trở dùng để liên kết)

Các tính toán này khá phức tạp, ở đây xin trình bầy ngắn gọn cơ sở của phân tích đo góc cắm (Fundamentals of Dipmeter Interpretation) theo tài liệu của Schlumberger

Hình 8.11 thể hiện một lát cắt của

giếng khoan qua một mặt phân lớp B Trong

hình trục giếng OA nằm theo phương thẳng

đứng dễ dàng cho việc xác định góc cắm θ và

phương vị biểu kiến Φ

Mặt DOF vuông góc với trục OA Các

điện cực 1, 2 và 3 đi từ dưới lên gặp mặt B ở

các độ cao lần lượt l1, l2, và l3 ở phía trên

DOF Mặt AOD chứa điện cực 1 Qui ước là

Zond đo không quay theo hướng vuông góc

với mặt B

Theo dấu vết của mặt B trên thành

giếng, chọn điểm thấp nhất M là điểm nằm

trên mặt nằm ngang FOD Dựng mặt phẳng

chứa trục OA và M vuông góc với mặt B

Giao tuyến MC của mặt phẳng mới dựng với

B tạo với mặt nằm ngang một góc θ; là góc

dốc lớn nhất và là góc cắm biểu kiến của mặt B Vì M sẽ là hướng đổ dốc (xuống) của mặt B, nên góc DOM sẽ là góc phương vị biểu kiến Φ có chiều dương theo kim đồng

hồ từ D đến M

Cho a là bán kính của giếng (a = dh/2 ) ta có thể tính:

θ 1 Cos atg

h 1 3 3 1

3 4 Sin 3

2 Sin π = ư π = và ( ) ( ) 1 2

3 4 Cos 3 2 Cos π = π = ư

Nên có thể biến đổi thành:

Hình 8.11 Mối quan hệ giữa các

đường cong, góc cắm và phương vị biểu kiến so với điện cực N 0 1

Φ

ΦΦ

θ

Sin 3

1 Cos atg 2

3

h

Sin 3

1 Cos atg 2

1 Cos

I 2 = ư

Φ

Φ Sin 3

1 Cos

I 3= +

và

3 3

1

2 2 1

I.

K h

I.

K h

Đo các khoảng lệch h1-2 và h1-3 trên các trục tương ứng Nếu điện cực 2 ở trên

điện cực 1 thì h1-2 sẽ là dương và tương tự như thế đối với điện cực 3 và h1-3 Nếu ngược lại thì các giá trị lệch mang dấu âm

Nếu các điện cực 2 và 3 đều nằm cao hơn điện cực 1 thì các số đo sẽ rơi vào góc trên bên phải của hình vẽ 8.12a Điện cực 3 ở cao hơn còn điện cực 2 nằm thấp hơn

điện cực 1 thì các số tính toán rơi vào góc dưới bên phải của toán đồ,

Đặt các giá trị h1-2 và h1-3 trên các trục tương ứng với chúng Điểm giao của các khoảng lệch h1-2 và h1-3 sẽ xác định giá trị K và phương vị biểu kiến Φ

Nếu điểm giao nói trên nằm giữa hai elip thứ i và thứ (i+1) thì phải tính giá trị K bằng phép nội suy từ các giá trị Ki và Ki+1 Cũng làm nội suy tương tự nếu điểm giao rơi vào giữa hai góc Φk và Φk+1

Phần dưới của toán đồ 8.12b dùng để tính góc cắm biểu kiến θ khi biết K và

đường kính giếng cho trước

Ví dụ :1, Khoảng lệch giữa các đường cong:

Và a= 4.125x 25,4 =104,775mm

325 314

106 a

K 2

tgθ = = = góc θ = 18038’

So sánh kết quả trên với việc dùng toán đồ hình 8.12 cho kết quả như sau:

Toạ độ của điểm giao (h1-3, h1-2) bằng (1.5,3.0) tương đương với elip có khoảng lệch kết hợp K= 2,65

Phương vị biểu kiến Φ = 3300

Hình 8.12 Toán đồ tính góc cắm và phương vị biểu kiến

1

Φ biểu kiến

Dùng phần dưới của toán đồ với các giá trị K= 2,65,

4

1 8

4

1 8

AZMd= AZM 1- β = 120 - 60

Góc cắm biểu kiến so với điện cực 1

Từ toạ độ của điểm (1,5; 3,0) trên toán đồ 8.12a xác định Φ =AZMa = 3300 đối với vành elip K = 6,25 (điểm A) Từ toán đồ 8.12b xác định góc θ = 180 30’(điểm B)

Phương vị F của góc cắm biểu kiến so với hướng nghiêng của trục giếng:

F = AZMa + β = 330 +600 - 3600 = 300

Tính góc cắm thực tế α và phương vị G của góc cắm thực tế so với hướng dốc của trục giếng

Trên toán đồ lưới lập thể ở 8.13, từ góc F = 300vạch đường thẳng vào tâm điểm cắt vòng tròn 18030’ tại điểm C Từ C dịch xuống phái dưới một đoạn vào vòng nhỏ hơn bằng góc σ ta có điểm D nằm trên vòng α = 130

Từ tâm điểm vạch đường thẳng qua D ta sẽ đọc được góc phương vị G của góc cắm α

Còn một số cách xử lý và tính các góc phương vị và góc cắm khác phức tạp hơn nhưng chính xác hơn Tuy nhiên, tất cả các phép tính đều có điểm chung là dựa vào phép tính trong toạ độ cầu để xây dựng các toán đồ lập thể giúp cho việc tính toán được nhanh và chính xác hơn

Trong thực tế sản xuất, việc tính toán các góc θ, α và G đều được thực hiện nhờ các phần mềm của máy tính

8.3.3 Biểu diễn các kết quả đo góc cắm và phương vị

Có nhiều cách biểu diến kết quả đo góc cắm α và góc phương vị G, góc lệch σ Các cách biểu diễn bằng biểu đồ phải thể hiện chiều sâu thế nằm của mặt B (Xem hình 8.11)

Hình 8.14 Mẫu biểu diễn góc và hướng cắm của vỉa và độ nghiêng của

giếng khoan bằng đầu con nòng nọc

Đường cong liên kết Góc và hướng cắm thực của vỉa

Góc nghiêng

Độ sâu