Giáo trình ĐỊA VẬT LÝ GIẾNG KHOAN - Chương 5 potx

ở vùng năng lượng cao như vậy các lượng tử gamma tương tác với môi trường rất dễ sinh hiệu ứng tạo cặp trong thành hệ và trong tinh thể phần đóng góp quan trọng các tia gamma tán xạ.. Zo

(

min max

min

Sh V f GR GR

GR GR

GR là giá trị cường độ bức xạ gamma đo được tại điểm quan sát

GRmax, GRmin lần lượt là cường độ bức xạ gamma tại vỉa sét và vải cát sạch Trong trường hợp lát cắt không có vỉa đá cát sạch, có thể sử dụng các giá trị

GRmax, GRmin là các giá trị đo được ở hai vỉa đá có độ sét biết trước Khi đó phương pháp xác định độ sét theo (5.20) gọi là phương pháp hai vỉa (tầng) chuẩn

Quan hệ hàm số giữa tham số ∆Jγ và độ sét VSh thường được xác định bằng thực nghiệm Trong thực tế, ta gặp một số phương trình thực nghiệm của các tác giả khác nhau:

Một ứng dụng quan trọng khác của phương pháp GR là trong nghiên cứu các giếng khoan thăm dò tìm kiếm các quặng phóng xạ Cường độ bức xạ gamma tự nhiên

GR có quan hệ trực tiếp với hàm lượng các quặng phóng xạ trong các lớp đất đá ở thành giếng khoan Vì vậy, dựa vào dáng điệu đường cong GR và biên độ dị thường trên đường cong đó ta dễ dàng phát hiện các đới quặng hoá và tính toán hàm lượng các khoáng vật quặng phóng xạ trong đối tượng nghiên cứu

Khi nghiên cứu các mỏ muối, đường cong đo GR được sử dụng để xác định chiều dày các lớp muối và xác định hàm lượng muối KCl trong mỏ muối

5.3.2 Phương pháp đo phổ gamma tự nhiên- SGR, NGS

Hình 5.8 mô phỏng phổ năng lượng các tia gamma của các d∙y K, Th và Urani

Từ mỗi d∙y ta có thể chọn

được phổ năng lượng đặc trưng cho d∙y đó, không lẫn lộn với các d∙y khác

D∙y 40K chỉ có duy nhất một phổ đơn năng Eγ = 1,46MeV khi bắn

ra tia gamma để trở thành đồng vị

40Ar bền vững

Trong d∙y 232Thori có nhiều

đồng vị phát xạ gamma có năng lượng khác nhau, trong số đó đồng vị Thallium 208Tl phát xạ gamma có phổ năng lượng Eγ = 2,62MeV cao nhất trong d∙y

Tương tự chọn phổ Eγ = 1,76MeV phát xạ từ đồng vị Bismuth

214B là phổ đặc trưng cho d∙y 238Urani

Ta có nhận xét: Các phổ năng lượng của tia gamma chọn đặc trưng cho ba d∙y phóng xạ tự nhiên đều có năng lượng Eγ > 1,20MeV, lớn hơn vùng năng lượng mà tia gamma dễ bị tán xạ Compton trong môi trường

đất đá ở vùng năng lượng cao như vậy các lượng

tử gamma tương tác với môi trường rất dễ sinh

hiệu ứng tạo cặp trong thành hệ và trong tinh thể

phần đóng góp quan trọng các tia gamma tán xạ)

c) Khoảng thời gian kéo dài của phép đo

(phụ thuộc tốc độ kéo cáp) Kết quả sẽ có một

khoảng rộng hơn phổ đo đến mức làm cho một

nửa số pic có thể bị là bằng hoàn toàn (Hình 5.9)

Biên độ tương đối của ba phổ nói trên sẽ tỷ lệ thuận với hàm lượng các đồng vị của các d∙y phóng xạ tự nhiên K, Th và U trong các thành hệ Sự phụ thuộc này khá

Hình 5.9 Phổ liên tục của K, Th

và U ghi được bằng tinh thể NaI

chặt chẽ đủ để có thể tính hàm l−ợng của Th, Ur và K có trong thành hệ dựa vào sự suy giảm mạnh phổ toàn phần ở sau mỗi phổ đặc tr−ng của mỗi d∙y

Khi tính hàm l−ợng Th, U và K theo phép phân tích phân bổ năng l−ợng toàn phần, phải chia năng l−ợng toàn phần ra làm hai vùng

a) Vùng năng l−ợng cao có ba pic chính đặc tr−ng cho ba d∙y phóng xạ Th (2,26 MeV), U(1,76MeV) và K(1,46MeV)

b) Vùng năng l−ợng thấp, năng l−ợng của các tia gamma trong thành hệ là sản phẩm của quá trình tán xạ Compton bao gồm các phát xạ năng l−ợng thấp từ hai d∙y U và Th

Trong tự nhiên gặp các đá có tính phóng xạ khác nhau, có chứa các đồng vị U,

Th và K ở mức độ khác nhau

- Sét và diệp thạch sét là những khoáng vật và đá chứa một hàm l−ợng nhất định các đồng vị K, U và Th Ngoài ra, chúng còn có thể chứa một l−ợng đáng kể phosphat hay một chất hữu cơ giàu Urani và các loại khoáng vật có phóng xạ (feldspat, mica, các loại khoáng vật nặng có chứa U và Th Bảng 5.4)

- Muối Kali, KCl trong các thành tạo trầm tích bốc hơi

- Các lớp mỏng bitum và alumit hoá KAl3[(OH)6/(SO4)2]

Bảng 5.4

Tên khoáng

vật Th (ppm) U (ppm)

Tên khoáng vật Th (ppm) U (ppm)

- Một số vỉa than hấp phụ và tích tụ U có liên quan đến các đá giàu U

- Các đá macma axit và bazơ nh−: granit, syenit, rhyolit

5.3.2.2 Các thiết bị máy giếng đo phổ gamma

Trong sản xuất sử dụng các Zond đo phổ gamma khác nhau Mỗi loại có những

đặc điểm riêng chi tiết nhưng có điểm chung về nguyên tắc

Zond đo có nhiều cửa sổ, mỗi cửa

sổ đo các tia gamma có vùng năng lượng nhật định, tương đương với phổ năng lượng đặc trưng của từng nhóm nguyên

tố K, U và Th

H∙ng Dresser Atlas dùng thiết bị

đo có ba cửa sổ W3, W4 và W5để đo phổ năng lượng đặc trưng của K, Th và U (Hình 5.10) Tuy vậy, giới hạn đo phổ năng lượng của từng cửa sổ đ∙ không thể

“sạch” hoàn toàn Ví dụ cửa sổ W3không phải chỉ tương ứng với K mà còn cả với U và Th

Nghĩa là ta có thể lập hệ phương trình:

232Th = m13W3 + m14W4 + m15W5

238U = m23W3 + m24W4 + m25W5 (5.21) 40

K = m33W3 + m34W4 + m35W5 Trong đó: mij là các yếu tố của thành phần gọi là “ma trận đo” hay chính là phần

đóng góp bức xạ gamma của nguyên tố thứ i trong cửa sổ thứ j Các thành phần ma trận

đo mij được xác định trên mô hình mẫu chuẩn

Hệ phương trình (5.21) cho phép xác định hàm lượng các nguyên tố K, U và Th dựa vào sổ đọc trên các cửa sổ W3, W4 và W5

Công ty Schlumberger sử dụng máy phổ có 5 cửa sổ, trong đó các cửa sổ W1 và

W2 đo gamma toàn phần năng lượng thấp (Hình 5.11)

Dựa vào các số đo vùng năng lượng thấp (W1 và W2) có thể lọc các thăng giáng của các đường cong K và U

Sơ đồ nguyên tắc đo phổ gamma tự nhiên (NGS) theo Schlumberger được trình bày trong hình 5.12

Trong sơ đồ sử dụng detector nhân quang điện, với tinh thể cảm xạ là NaI(Tl) 1

Qua detector các tia gamma có năng lượng E khác nhau sẽ tạo thế đầu ra khác nhau tương ứng Tín hiệu được khuyếch đại bởi bộ amplifier 2 rồi chuyển vào cửa sổ

có định cỡ V tương ứng nhờ mạch ổn định (Stabilization) 3 Tín hiệu ở các cửa sổ được

đưa tới bộ m∙ hoá truyền tải (Transmission Encoder) 4 bằng kỹ thuật điều biến tần số, rồi đưa lên mặt đất qua đường cáp 5 Trên mặt đất, khối giải m∙ (Transmission Decoder) 6 tách các tín hiệu theo m∙ riêng của kênh tương ứng rồi đưa vào ngăn tích phân có hằng số thời gian chọn trước (4sec) 7 Các số liệu thô này một mặt được ghi lại bởi khối (TTR) 8, một mặt được đưa vào khối tính toán (computer) 9 hàm lượng của các nguyên tố K, U, Th và GR Các giá trị này được ghi trên băng hoặc phim ảnh nhờ một bộ ghi (camera) 10

Cũng như các máy móc thiết bị đo Địa vật lý hạt nhân khác, máy đo NGS cũng cần phải chuẩn khắc độ Trong trường hợp này, chuẩn máy thực chất là xác định các

Hình 5.11 Đường cong tương ứng U, Th và K (Detectơ dùng tinh thể NaI)

Năng lượng thấp Hiệu suất đếm cao

Năng lượng cao Hiệu suất đếm thấp

Trên mặt đất Trong giếng khoan

Hình 5.12 Sơ đồ nguyên tắc của Zond đo phổ phóng xạ Gamma

tham số thành phần của ma trận đo, chính là phần đóng góp bức xạ gamma của mỗi nguyên tố trong nhóm K, U và Th vào cửa sổ nào đó trong số 5 cửa sổ (W1, , W5) được

sử dụng Như vậy có tất cả 9 hệ số mij trong hệ phương trình (5.21) cần được xác định

Để xác định các hê số này tại các trung tâm lớn người ta thực hiện trong các giếng khoan mô hình chứa 3 lớp có hàm lượng các nguyên tố U, Th và K cho trước

Việc chuẩn khắc độ có thể thực hiện tại hiện trường ở miệng giếng khoan trước khi tiến hành đo NGS Khi chuẩn như vậy được thực hiện nhờ một mẫu chuẩn bằng

đồng vị 220Ra để kiểm tra số đếm của mỗi cửa sổ

Chiều sâu nghiên cứu của phương pháp đo phổ gamma tự nhiên phụ thuộc vào nhiều yếu tố: năng lượng của tia gamma, mật độ của dung dịch và đường kính giếng khoan Ngoài ra nó còn phụ thuộc vào mật độ của các đá ở thành giếng khoan

Năng lượng Eγ của tia gamma càng cao, chiều sâu nghiên cứu càng sâu trong môi trường xung quanh giếng khoan Mật độ dung dịch koan và mật độ khối của đất đá trong môi trường càng cao thì càng hạn chế chiều sâu nghiên cứu của phương pháp đo

Số đo của NGS trên các cửa sổ chủ yếu nhạy với sự thay đổi hàm lượng các

đồng vị của các d∙y U, Th và K trong đất đá ở thành giếng khoan Tuy vậy, có nhiều trường hợp bị ảnh hưởng bởi khi gặp các pic nhiễu do: Hiện tượng xảy ra các pic lạ chen vào làm hạn chế các pic chính trong các cửa sổ đo năng lượng thấp Sự xuất hiện của hai pic lạ được liên kết với mỗi pic năng lượng cao từ Th sẽ gây nhiễu trong cửa sổ

U và tương tự từ cửa sổ K (Các pic “lạ” thường là cặp electron và pozitron trong tinh thể NaI(Tl)

5.3.2.3 Phạm vi ứng dụng

- Xác định địa tầng: Trong trầm tích bốc hơi, việc phân chia địa tầng dựa vào sự khác nhau giữa sét và muối Trong các vỉa muối giàu Kali hơn là trong các lớp sét Hàm lượng Th trong muối rất thấp gần như bằng không

Có thể phát hiện các vỉa muối dựa vào đường K% Đường này phân dị khá tốt trên ranh giới các vỉa muối với đất đá vây quanh

Trong môi trường trầm tích lục nguyên (cát, sét), các vỉa cát sạch rất nghèo K,

Th và U nên các giá trị đo ở cả 4 kênh đều thấp Đối với các vỉa sét thì ngược lại, giá trị

đo Th và K đều cao Dựa vào các số đo Th và K hay tổng của chúng (CGR) có thể đánh giá độ sét VSh:

( )

min

min

Th Th

Th Th V

Sh Th

K K V

Sh K

CGR CGR V

Sh CGR

ư

=

- Xác định bản chất và sự hiện diện của các nguồn gây dị thường bức xạ gamma trong đá cát có liên quan đến một số đối tượng như: feldspat, mica, các khoáng vật nặng như: zircon, allanit, monazit giàu Th và U Các phép toán này dựa vào kỹ thuật đồ thị trực giao (Cross-plot) giữa các tham số khác nhau

- Trong môi trường cacbonat thường rất nghèo các đồng vị phóng xạ và không có mối liệnhệ chặt chẽ với sét trong đá, có chăng cường độ bức xạ gamma trong đá cacbonat

có liên quan đến sự có mặt của Urani Trong đá cacbonat thuần trầm tích biển khơi thì không có Thori, bởi vì nó không hoà tan Ngang với vỉa cacbonat sạch, các đường Th và K gần bằng không Nếu ở đó, đường U cũng thấp hoặc bằng không thì cacbonat đó đ∙ ở môi trường oxy hoá Ngang các vỉa đá cacbonat chỉ có dị thường dương cao trên đường U (ppm) khi nó chứa các vật liệu hữu cơ Nếu sét chứa trong các lớp đá cacbonat thì làm cho cả 3 đường U, Th và K đều có dị thường lớn Trường hợp đá cacbonat có chứa phosphat hay glauconit thì đường U và cả đường U lẫn K đều có giá trị cao

- Liên kết giữa các giếng khoan: Việc liên kết giữa các lát cắt giữa giếng khoan thường dựa vào các pic trên đường Th, chúng thường có liên quan tới các lớp tro núi lửa hoặc xuất hiện bentonit trên diện rộng

- Phát hiện đới nứt nẻ: Trong các khe nứt của đá cacbonat hay đá móng macma, các nhiệt dịch hoặc nước ở các tầng sâu giàu Urani có thể tràn vào làm cho khi đo phổ

ta dễ dàng phát hiện ra chúng

5.3.3 Các phương pháp gamma tán xạ

5.3.3.1 Cơ sở vật lý

Chiếu xạ vào môi trường đất

đá xung quanh giếng khoan bằng

gamma- gamma, nghĩa là chiếu xạ

bằng tia gamma và đo các tia

gamma sau khi đ∙ mất bớt năng

lượng bị tán xạ do tương tác với vật

chất trong môi trường nghiên cứu

Khi các tia gamma tương tác

với môi trường đất đá chúng sẽ gây

ba hiệu ứng chính (Xem 5.13):

- Hấp thu quang điện: Tia

gamma bị hấp thu hoàn toàn

- Tán xạ Compton: Tia gamma mất bớt năng lượng, chuyển động lệch hướng

- Tạo cặp: Tia gamma va chạm hạt nhân làm bắn ra cặp điện tử trái dấu e+ và e-

Hình 5.13 Nguyên tắc đo gamma tán xạ

Trở lại với phương trình (5.8) ta có nhận xét hệ số hấp thụ tia gamma của môi trường hay hệ số tắt dần là tổng các hệ số tắt dần tuyến tính của các qúa trình hấp thụ quang điện, tán xạ compton và tạo cặp

Để thuận tiện trong nghiên cứu môi trường vật chất ở các trạng thái rắn, ta dùng một hệ số cơ bản hơn - hệ số hấp thụ khối (àm) Hệ số hấp thụ khối là tỷ số của hệ số tắt dần à chia cho mật độ khối ρb của môi trường (àm = à/ρb)

Hệ số hấp thụ khối cuả một chất giảm khi năng lượng của lượng tử gamma tăng Với cùng một mức năng lượng của tia tới, hệ số hấp thụ khối của các vật chất khác nhau có giá trị gần xấp xỉ nhau Đây là điểm rất quan trọng và là cơ sở vật lý của các phép đo gamma tán xạ trong giếng khoan

Phương trình vừa nêu có thể được viết:

( )

)22.5(

x o

b b e I

à γ

lnIγ = I o ưàmρb x

Ta dễ dàng nhận thấy: Nếu cường độ bức xạ của nguồn Io và hệ số àm không đổi, khoảng cách x từ nguồn đến detector là cố định thì giá trị cường độ phóng xạ gamma tán xạ Iγđo được sẽ là hàm số chỉ phụ thuộc vào mật độ khối ρb của môi trường Từ đó ta có thể tìm được một phương trình thực nghiệm biểu thị mối liên hệ khá chặt chẽ giữa cường

độ gamma tán xạ với mật độ khối ρb của đất đá ở thành giếng khoan

Trong trường hợp năng lượng của các tia gamma đủ lớn, hiệu ứng compton sẽ trội hơn thì mối quan hệ hàm số Iγ = f(ρb) càng chặt chẽ và do đó người ta gọi phép đo gamma tán xạ này là phương pháp gamma tán xạ mật độ (Formation Density - FDC (Schlumberger); Compensated Density Log- CDL (Halliburton))

Ngược lại, nếu dùng nguồn phóng xạ gamma có năng lượng thấp, hiệu ứng hấp thụ quang điện sẽ chiếm ưu thế khi tia gamma tương tác với môi trường nghiên cứu (Xem hình 5.4) Cường độ gamma đo được Iγ sẽ chủ yếu phụ thuộc vào số electron trong một đơn vị thể tích môi trường hay tỷ lệ nghịch với số các nguyên tố nặng (Bi,

W, Pt, Au, Ag, Pb, ) trong môi trường đó Dựa vào đặc điểm đó, ta có thể phát hiện ra các đới trong lát cắt chữa các nguyên tố nặng Phép đo như vậy trong giếng khoan (dùng nguồn chiếu tia gamma năng lượng thấp) gọi là phương pháp gamma tán xạ chọn lọc

5.3.3.2 Sơ đồ đo gamma tán xạ trong giếng khoan

Hình 5.14 là sơ đồ nguyên tắc khi thực hiện phép đo gamma tán xạ trong giếng khoan Trong sơ đồ có các khối sau: 1- khối khuyếch đại, 2- bộ lọc bằng dương bản truyền xạ, 3- Ngăn tích phân, 4- Bộ ghi, 5- khối nguồn nuôi, 6- khuyếch đại sơ bộ, 7-

bộ cao áp, 8- detector, 9- R∙nh cửa sỏ, 10- màn chì, 11- nguồn phóng xạ gamma, 12- cáp, 13- thanh đè áp sườn

+ Nguồn phóng xạ

gamma trong các phép đo

gamma tán xạ là các nguồn hoá

+ Máy giếng (Zond)

cấu tạo đặc biệt nhằm loại bỏ tối đa các ảnh hưởng của môi trường xung quanh

- Các khối nguồn và khối đo của máy giếng được lắp đặt trong một ống trụ bằng hợp kim nhẹ có đường kính nhỏ hơn đường kính danh định của giếng khoan

- áp sườn nhờ một hệ lò so và cánh tay gạt

- Detector và nguồn phóng xạ được đặt trong màn chì có các khe r∙nh hướng tới thành giếng khoan ở phía áp sườn nhằm tăng độ nhạy của kết quả đo với mật độ của

đất đá (nếu là đo tán xạ mật độ)

- Điểm đo được tính cho điểm O, nằm chính giữa nguồn và detector

- Khoảng cách từ nguồn đến detector là chiều dài Lγγ của Zond đo gamma tán xạ Khi Zond đo định hướng được áp sườn ảnh hưởng của dung dịch khoan và lớp

vỏ sét lên kết quả đo là nhỏ nhất và như nhau ở mọi điểm đo trong giếng khoan

Hình 5.14 Sơ đồ nguyên tắc đo Gamma tán xạ định hướng

Trong các trường hợp giếng khoan có đường kính nhỏ, ít bị sập lở thì không nhất thiết phải sử dụng các máy giếng có áp sườn và đo định hướng Phép đo hướng về mọi phía như nhau Detector có thể dùng loại ống đếm tỷ lệ Màn chì là dĩa bằng chì

đặt gần nguồn phóng xạ hơn Cách đo như vậy, mọi kết quả ghi được đều mang tính biểu kiến, chỉ nên sử dụng trong phân tích nhanh và phân tích định tính Muốn dùng phân tích định lượng thì cần có các phép hiệu chỉnh tương ứng

Khi thiết kế máy giếng cho việc nghiên cứu một đối tượng cụ thể, các thông số của máy giếng (chiều dài Lγγ, chiều dày và hình dáng màn chắn, kích thước và hướng góc nhìn của các r∙nh cửa sổ từ nguồn và vào detector, ) cần được lựa chọn để có kết quả đo tốt nhất

Trong các phép đo gamma tán xạ ở giếng khoan, chiều dài Lγγ của Zond đo thường được chọn bằng một khoảng cách đủ lớn để tránh vùng “mù”, nghĩa là vùng ở

đó giá trị phép đo không nhạy với sự thay đổi mật độ hay hàm lượng các nguyên tố nặng trong môi trường nghiên cứu

của phép đo gamma tán xạ mật độ như vậy,

Schlumberger gọi là phương pháp gamma

tán xạ mật độ bù (kép) (FDC)

Detector gần nguồn có chiều sâu nghiên cứu nhỏ, chủ yếu đo phần các gamma tán xạ trong lớp vỏ sét và phản ánh mức độ nhẵn của thành giếng Giá trị đo từ detector này dùng để tính hiệu chỉnh ảnh hưởng của vỏ sét

Hình 5.16 là biểu diễn giao hội giữa hai số đếm của các detector xa và gần để tính lượng hiệu chỉnh mật độ

Vỏ sét

Đất đá (ρ b )

Vùng nghiên cứu của detector xa Vùng nghiên cứu của detector gần Nguồn

Hình 5.15 Sơ đồ đo Gamma tán xạ bù

Vỏ sét có phụ

gia Barit

Vỏ sét không có phụ gia Barit

Hình 5.16.Sơ đồ biểu diễn các ảnh

hưởng của vỏ sét

Trên hình vẽ ta thấy với một giá trị mật độ khối ρb cho trước, số đếm của hai detector khi giao hội sẽ rơi vào các điểm trên một đường cong trung bình và không đổi với mọi giá trị mật độ và chiều dày của vỏ sét

Dựa vào tập hợp các đường cong trung bình này có thể xác định được giá trị hiệu chỉnh

∆ρb Máy ghi trên mặt đất sẽ tự động ghi giá trị ρb và ∆ρb cùng chiều sâu

Trên hình 5.16 - trục đứng là giá trị số đếm của detector xa, trục ngang là số

5.3.3.4 Chiều sâu nghiên cứu và độ phân giải của các Zond đo gamma tán xạ mật độ

Chiều sâu nghiên cứu của các thiết bị đo gamma tán xạ mật độ phụ thuộc vào mật độ khối của đất đá ở thành giếng khoan Mật độ càng cao thì chiều sâu nghiên cứu của phép đo càng giảm Trong các thành hệ có lỗ rỗng và thấm tốt, chiều sâu nghiên cứu của các thiết bị hiện nay không quá 6 inch (∼ 15cm), nghĩa là trong vùng đới ngấm

ở thành giếng

Khả năng phân giải lát cắt của các thiết bị đo gamma tán xạ mật độ phụ thuộc vào khoảng cách từ nguồn đến detector Đối với các Zond có một detector (FDL), khoảng cách này là 16 inch (0,4m), còn các Zond có hai detector (FDC) thì khoảng cách giữa các detector là 10inch (0,25m)

Điểm đo của Zond gamma tán xạ mật độ là điểm giữa nguồn và detector (cho trường hợp FDL) hoặc điểm giữa hai detector gần và xa (FDC)

5.3.3.5 Chuẩn khắc độ các máy đo gamma tán xạ

Các máy đo phóng xạ hạt nhân nói chung và đo gamma tán xạ nói riêng đều cần

được chuẩn để định giá trị cho số đo xung/phút hoặc xung/giây, cps theo đơn vị lỗ rỗng (p.u) hay đơn vị mật độ tương ứng Có hai mức chuẩn khắc độ: Chuẩn định kỳ (hay chuẩn đầy đủ) thực hiện tại phòng thí nghiệm có các mô hình chuẩn và của chuẩn trước

và sau mỗi hiệp đo tại giếng khoan