Giáo trình ĐỊA VẬT LÝ GIẾNG KHOAN - Chương 1 pptx

Trong hệ thống Anh ngữ các phương pháp Địa vật lý giếng khoan được gọi bằng thuật ngữ Log, Logging - có nghĩa là đo vẽ liên tục một tham số vật lý theo trục giếng khoan, chẳng hạn Log đi

Mở đầu

ịa vật lý giếng khoan (ĐVLGK) là một lĩnh vực của địa vật lý ứng dụng bao gồm việc sử dụng nhiều phương pháp vật lý hiện đại nghiên cứu vật chất để khảo sát lát cắt địa chất ở thành giếng khoan nhằm phát hiện và đánh giá các khoáng sản

có ích, thu thập các thông tin về vận hành khai thác mỏ và về trạng thái kỹ thuật của giếng khoan

Việc ứng dụng các phương vật lý để nghiên cứu lát cắt địa chất giếng khoan qua các thời kỳ và từng đối tượng khác nhau đ∙ từng có những tên gọi khác nhau Những năm 1960 về trước lĩnh vực này được gọi bằng cái tên “Carota” Thuật ngữ này có gốc

từ tiếng Pháp: Carottage xuất phát từ Carotté nghĩa là mẫu lõi khoan, hay cũng có nghĩa là củ cà rốt Trong hệ thống Anh ngữ các phương pháp Địa vật lý giếng khoan

được gọi bằng thuật ngữ Log, Logging - có nghĩa là đo vẽ liên tục một tham số vật lý theo trục giếng khoan, chẳng hạn Log điện trở, Log siêu âm, Log nhiệt độ

Với tốc độ phát triển như vũ b∙o hiện nay của khoa học công nghệ, Địa vật lý giếng khoan này càng phong phú về số phương pháp, hiện đại về công nghệ và sâu sắc

về nội dung khoa học Trong sự phát triển nhanh chóng đó có một đặc điểm dễ nhận thấy là từ nghiên cứu lý thuyết đến triển khai công nghệ là một khoảng cách rất ngắn, dường như những ý tưởng khoa học hôm nay thì ngày mai đ∙ trở thành công nghệ áp dụng trong sản xuất

ở Việt Nam các phương pháp địa vật lý giếng khoan đ∙ được ứng dụng để nghiên cứu các lỗ khoan than từ cuối những năm 50 đầu những năm 60 của thế kỷ vừa qua khi Liên Xô và các nước XHCN anh em lúc bấy giờ đ∙ bắt đầu giúp chúng ta đẩy mạnh công tác điều tra địa chất ở miền Bắc

Từ những thời gian đó ở sản xuất những người làm công tác địa vật lý của Việt Nam đ∙ quen với thuật ngữ Carota để chỉ một loại hình công việc đo địa vật lý trong các lỗ khoan thăm dò than và tìm kiếm các khoáng sản có ích khác

Bắt đầu sang thập kỷ 80 khi công tác đo địa vật lý trong các giếng khoan thăm

dò và khai thác dầu khí phát triển nhanh cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp dầu khí non trẻ ở Việt Nam Từ đó trong ngành dấu khí quen với việc dùng thuật ngữ

Địa vật lý giếng khoan để chỉ các loại hình công việc nghiên cứu giếng khoan thăm dò

và khai thác dầu khí bằng các phương pháp địa vật lý thay cho thuật ngữ Carota không còn đủ để bao quát hết các nội dung của hoạt động này

Trong tình hình đó ở chúng ta song song tồn tại hai từ: Carota và Địa vật lý giếng khoan, cùng để chỉ công tác đo vẽ địa vật lý ở dưới mặt đất, một trong lĩnh vực thăm dò than, quặng và nước dưới đất, và một trong lĩnh vực thăm dò khai thác dầu khí

Về máy móc trang thiết bị trong địa vật lý giếng khoan cũng đang có nhiều thay

đổi nhờ có những tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ điện tử và tự động hoá Ngày càng nhiều các máy thiệt bị đo địa vật lý trong giếng khoan được cải tiến, xuất hiện mới rồi lại tiếp tục cải tiến, xuất hiện mới, Có tác giả đ∙ nhận xét: Trên thế giới cứ

Đ

sau 5 năm thì một thế hệ máy mới đ∙ ra đời và gần thay thế hoàn toàn các máy móc của thế hệ trước đó, lại cũng có ý kiến cho rằng: thậm chí còn sớm hơn!

ở Việt Nam tuy sự thay đổi về trang thiết bị trong các cơ sở sản xuất, Viện nghiên cứu và các Trường đại học chưa đến mức nhanh như vậy những rõ ràng 10 năm trở lại đây các thế hệ máy Địa vật lý giếng khoan mới đ∙ thay thế hoàn toàn các máy móc thiết bị cũ kỹ trước đây, đặc biệt là trong ngành công nghiệp dầu khí

Cùng với những thay đổi đó ở nước ta đội ngũ những người làm công tác địa vật

lý giếng khoan ngày càng đông đảo, những người có sử dụng các tài liệu đo vẽ địa vật lý giếng khoan và quan tâm đến lĩnh vực khoa học công nghệ này ngày càng nhiều hơn Sau nhiều năm giảng dạy ở trường đại học và công tác trong ngành dầu khí các tác giả quyết định biên soạn giáo trình này Giáo trình sẽ là một tài liệu phục vụ giảng dạy ở các trường đại học có đào tạo chuyên ngành kỹ sư địa vật lý thăm dò, kỹ sư địa chất dầu khí Ngoài ra giáo trình này sẽ là tài liệu tham khảo tốt cho các kỹ sư địa vật

lý và kỹ sư địa chất dầu khí đang làm việc tại các cơ sở sản xuất, viện nghiên cứi và các

đơn vị có sử dụng tài liệu đo địa vật lý giếng khoan

Giáo trình chia làm hai phần Phần thứ nhất là nội dung chính dạy ở trường đại học trong đó giới thiệu nội dụng các phương pháp đo địa vật lý giếng khoan, chú trọng cơ sở vật lý - địa chất, nguyên lý đo vẽ thu thập tài liệu gợi ý phạm vi ứng dụng của các phương pháp Trong giáo trình không chú trọng mô tả các máy móc thiết bị đo Địa vật

lý giếng khoan mà trong mỗi phương pháp hay nhóm phương pháp chỉ trình bày nguyên lý hoạt động của máy và sơ đồ khối của các máy đó

Phần thứ hai của giáo trình sẽ được trình bày như các tài liệu chuyên khoa về phân tích địa chất các tài liệu địa vật lý giếng khoan theo từng chuyên đề (nghiên cứu

địa tầng, môi trường địa chất, cấu kiến trúc của đá chứa, xác định thành phần vật chất, tính toán trữ lượng mỏ dầu khí và các mỏ khoáng sản rắn, các phần mềm phân tích tài liệu Địa vật lý giếng khoan ) đáp ứng các yêu cầu tìm hiểu sâu về Địa vật lý giếng khoan của các kỹ sư đang công tác trong ngành dầu khí và các ngành có liên quan Chúng tôi cho rằng việc biên soạn một giáo trình chuyên ngành Địa vật lý giếng khoan, một sự thu nhỏ của ngành địa vật lý ứng dụng trong các giếng khoan không phải

là việc làm dễ dàng do tính đa ngành và phát triển nhanh chóng của nó Chắc chắn trong lần biên soạn đầu tiên này không thể tránh khỏi những thiếu sót về nội dung, thuật ngữ

và sắp xếp các phần của giáo trình mong được các đồng nghiệp đóng góp ý kiến

Các tác giả bày tỏ lòng cảm ơn đối với các đồng nghiệp ở trường Đại học Mỏ -

Địa chất và ở Vietsovpetro đ∙ cho nhiều ý kiến đóng góp trong quá trình biên soạn giáo trình này, đặc biệt xin cảm ơn kỹ sư Nguyễn Trung Quân ở trường Đại học Mỏ - Địa chất và các kỹ sư ở Xí nghiệp Địa vật lý giếng khoan – Vietsovpetro đ∙ góp nhiều công sức trong việc trình bày và soạn thảo để kịp cho in phần thứ nhất của giáo trình

Các tác giả

Chương 1

Đối tượng và các tham số nghiên cứu

1.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của địa vật lý giếng khoan là các giếng khoan tìm kiếm thăm

dò, khai thác các khoáng sản có ích: Than, dầu khí, các loại quặng và nước dưới đất

Giếng khoan là một công trình tìm kiếm thăm dò hoặc khai thác Loại công trình này được tạo bằng phương pháp cơ học - phương pháp khoan giếng, nhằm mục

đích lấy mẫu đất đá, tạo ra một vết lộ địa chất còn “tươi”, chưa bị phong hoá, hoặc để khai thác các chất lưu như dầu khí, nước dưới đất, nước nóng có chứa năng lượng nhiệt

Thông thường việc lấy mẫu lõi khoan khó thực hiện được tốt và giá thành cao, trạng thái kỹ thuật và độ ổn định của công trình phụ thuộc vào nhiều yếu tố kỹ thuật và

địa chất Để thay thế cho việc lấy mẫu lõi, xác định trạng thái kỹ thuật và theo dõi độ

ổn định của các giếng khoan, người ta khai thác triệt để các thông tin địa chất và kỹ thuật trên vết lộ địa chất (lát cắt địa chất trên thành giếng khoan) của công trình Ưu

điểm của vết lộ địa chất này là ở chỗ nó còn “tươi” nguyên, chưa bị phong hoá lại xuyên cắt mọi lớp đất đá tới chiều sâu đáy giếng

Việc khai thác các thông tin địa chất và kỹ thuật trên vết lộ địa chất ở thành giếng khoan được thực hiện bằng các phương pháp vật lý, hoá học Nhờ các phương pháp này ta có thể xác định được thành phần vật chất ở các lớp đất đá trong lát cắt, trạng thái kỹ thuật và độ ổn định của công trình tại chiều sâu bất kỳ ở thời điểm cần thiết

Xác định thành phần vật chất, xây dựng lát cắt địa chất ở thành giếng khoan, xác định trạng thái kỹ thuật và độ ổn định của công trình, đánh giá hiệu suất khai thác của giếng là mục đích của địa vật lý giếng khoan

1.2 Phân loại đá theo thành phần, điều kiện thành tạo và các đặc trưng vật

lý thạch học

Đá là những tập hợp có quy luật của những khoáng vật tạo thành những thể địa chất độc lập ở vỏ Quả đất Thể địa chất độc lập ở đây là nói đến những sản phẩm đặc trưng của một quá trình địa chất nhất định Vậy đá phải là kết quả của một quá trình

địa chất nào đó chứ không phải là một tập hợp ngẫu nhiên các khoáng vật hay các nguyên tố

Trong địa chất học thường dựa vào nguồn gốc của đá để phân loại chúng, vì nguồn gốc thể hiện rất rõ trên các đặc trưng vật lý, hoá học, cơ học của đá Theo nguồn gốc sinh thành của đá, người ta phân đá ở vỏ Quả đất thành 3 nhóm: macma, trầm tích

và biến chất; mỗi nhóm có những đặc trưng riêng nhưng khi nghiên cứu chúng đều cần làm rõ ba vấn đề:

1 Thế nằm của đá và quan hệ của nó với các đá khác xung quanh, nghĩa là đá gặp trong tự nhiên như thế nào?

2 Kiến trúc và cấu tạo của đá, tức là các phần tử hợp thành đá được sắp xếp ra sao?

3 Thành phần khoáng vật và hoá học của đá?

Ba vấn đề vừa nêu chứa đựng các thông tin về địa tầng, kiến tạo, môi trường địa chất, tiềm năng khoáng sản có ích (quặng, than, dầu khí )

Địa vật lý giếng khoan trong nghiên cứu dầu khí có đối tượng chủ yếu là đá trầm tích Khi phân tích tài liệu địa vật lý giếng khoan, mô hình đá được xem là môi trường có lỗ rỗng cấu tạo từ 3 pha: Cứng, lỏng và khí Pha cứng bao gồm xương đá (matrix) là những hạt khoáng vật tạo đá, xi măng gắn kết thường là sét, cacbonat ; pha lỏng bao gồm nước, dầu; pha khí bao gồm các khí hydrocacbon, khí CO2, H2S, N2 Cũng có một mô hình đơn giản bao gồm hai thành phần: matrix và sét; trong không gian, lỗ rỗng của đá được lấp đầy chất lưu (dầu, khí, nước) Hai thành phần cấu thành pha cứng của đá (matrix và sét) có ảnh hưởng rất khác nhau không chỉ lên các phép đo

địa vật lý, mà lên các tính chất vật lý thạch học của đá chứa (độ thấm, độ b∙o hoà ) Sét trong nhiều trường hợp được phân biệt: sét nén (shale), hạt sét xâm tán trong đá ở dạng cấu trúc (clay), bột sét (silt) là các hạt mịn có kích thước 1/16 - 1/256 mm

Matrix: Trong phân tích tài liệu matrix được hiểu là bao gồm mọi thành phần cứng của đá (các hạt, matrix, xi măng) không kể sét Đá đơn khoáng là đá có matrix chỉ bao gồm một loại khoáng vật (ví dụ như canxit, thạch anh ) Đá đa khoáng trong matrix bao gồm nhiều khoáng vật, ví dụ xi măng trong đá có thành phần và bản chất khác với các hạt vụn (cát thạch anh có xi măng gắn kết là canxit)

Thành hệ sạch là thành hệ không chứa các hạt sét hay sét nén quá hàm lượng cho phép (< 5%) Giới hạn hàm lượng sét đó phân biệt tên thành hệ (Đá) là sạch hay cát sét

Các phụ lục 1.1a và 1.1b là tập hợp các đặc trưng vật lý (phóng xạ, điện trở, chỉ số hydro, mật độ khối, tốc độ sóng đàn hồi ) của một số khoáng vật chính thường gặp trong

- Sét xâm tán (clay) là các hạt mịn có đường kính không quá 1/256 mm, có nguồn gốc tại sinh hoặc thứ sinh, trộn lẫn hay bám trên các hạt khoáng vật tha sinh

- Bột sét (silt) là những mảnh đá hay những hạt có đường kính trong khoảng tử 1/256 - 1/16 mm, chứa nhiều hạt sét với hàm lượng cao và chứa thạch anh, felspat và các khoáng vật khác như mica, zircon, apatit, turmalin

Vậy là thuật ngữ sét trong phân tích địa vật lý giếng khoan có phần không hoàn toàn giống với các thuật ngữ thường dùng trong địa chất

Trong địa vật lý thuật ngữ phiến sét (shale) để chỉ các lớp đá sét có trên 95% là hạt khoáng vật sét được gắn kết nhờ nén ép, có cấu tạo phân phiến Trong đá chứa cát sét, sét nén (shale) chỉ các lớp màng sét có chiều dày < 0,5 mm nằm xen kẹp trong các lớp cát Sét nén là một dạng tồn tại của sét trong đá cát sét (sét phân lớp mỏng)

Màng sét, hay sét xâm tán (clay) là các hạt sét có đường kính nhỏ hơn 1/256

mm, lấp đầy hay một phần lỗ rỗng của đá hoặc bám trên thành các khe lỗ rỗng như màng sét bọc lấy các hạt cứng Dạng sét xâm tán làm thay đổi đặc điểm thấm chứa (độ rỗng, độ thấm) của đá mạnh hơn các dạng tồn tại khác của sét

Khả năng hấp phụ của sét (méq./100g)

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc ô mạng của một số loại sét

Nhóm

Các khoáng vật sét

Công thức Tên

Kích thước

0 A

% K Khối lượng riêng (g/cm 3 )

Chỉ

số

H (%)

tử khoáng vật sét; b) Trên bề mặt (lớp nước màng) của hạt khoáng vật sét; c) Nước trong không gian giữa các màng tinh thể của sét

Lượng nước tự do trong sét thay đổi phụ thuộc độ nén ép lên các mạng tinh thể của sét

Các đặc điểm vừa nêu của sét nói lên rằng thành phần khoáng vật này trong đá

có ảnh hưởng rất mạnh mẽ lên các thông số vật lý đo được trong giếng khoan

Lưu chất Trong không gian rỗng giữa các hạt vụn của đá được lấp đầy chất lưu (nước, dầu, không khí, các khí tự nhiên ) Vậy có bao nhiêu lưu chất có trong đá trước hết phụ thuộc không gian rỗng trong đá, tức vào độ lỗ rỗng của đá (Hình 1.2)

Nếu chất lưu chứa trong lỗ rỗng của đá là

nước vỉa thì giữa matrix và nước b∙o hoà có đặc

tính dẫn điện hoàn toàn khác nhau Thường thì các

khoáng vật tạo đá trong matrix là những khoáng

vật kém dẫn điện, trong khi đó nước vỉa có độ

khoáng hoá nhất định trở thành chất dẫn điện rất

tốt Trong môi trường lỗ rỗng có chứa nước thì khả

năng dẫn điện của môi trường đó phụ thuộc chủ

yếu vào nước và độ khoáng hoá của nước Dòng

điện một chiều hay dòng điện tần số thấp chủ yếu

đi trong các kênh lỗ rỗng trong đá

Đến đây ta thấy kiến trúc không gian lỗ rỗng có ảnh hưởng lên khả năng dẫn

điện của đá Nếu các phần lỗ rỗng trong đá thông nối với nhau theo những kênh thẳng

và rộng thì đá sẽ dẫn điện tốt, ngược lại các kênh thông nối hẹp lại cong queo thì độ dẫn điện giảm Sự khác nhau đó được đánh giá bằng một tham số không thứ nguyên gọi là độ cong kênh rỗng Độ cong kênh dẫn không chỉ ảnh hưởng lên độ dẫn điện mà còn ảnh hưởng lên độ thấm cơ học của đá - độ cong càng lớn thì độ thấm càng kém

Trong trường hợp chất lưu b∙o hoà trong không gian lỗ rỗng của đá không chỉ có nước vỉa mà còn có hydrocacbon (dầu khí) là các chất không dẫn điện hoặc dẫn điện rất kém thì điện trở của đá tăng khi lượng nước trong đá giảm, lượng hydrocacbon tăng Trong trường hợp này, độ dẫn điện của đá là một hàm số của độ b∙o hoà nước trong đá đó

1.3 Đá chứa, các tham số vật lý của đá chứa

Đá chứa ở đây là các đá (hay thành hệ) có lỗ rỗng và có khả năng chứa chất lưu (dầu, khí, nước) trong không gian rỗng của đá Các chất lưu như dầu khí chủ yếu là di chuyển từ nơi khác đến và lấp đầy trong lỗ rỗng của đá chứa Đá chứa thường là đá có

độ rỗng và độ thấm cao như các đá cát, cacbonat và đá móng nứt nẻ

Đá chứa là cát kết hay cát sét kết, lỗ rỗng chủ yếu là lỗ rỗng giữa hạt (độ rỗng nguyên sinh) có vai trò quan trọng, còn độ rỗng thứ sinh, như khe nứt, rửa lũa gặm mòn là lỗ rỗng ít quan trọng hơn

Đá chứa là cacbonat (đá vôi, dolomit) không gian rỗng quan trọng nhất là các khe nứt nẻ và lỗ gặm mòn hang hốc Đá cacbonat là loại đá không chịu uốn, nên dễ bị nứt nẻ dưới tác dụng của lực kiến tạo

Đá chứa là đá macma, như trường hợp của mỏ Bạch Hổ và một số mỏ khác ở bể Cửu Long, thì độ rỗng trong các khe nứt lại là quan trọng Độ rỗng khe nứt trong đá macma (hay đá móng như vẫn quen gọi) có độ mở thông nối rất tốt nên mặc dù có giá trị độ rỗng thấp mà các thân dầu trong đá móng vẫn cho giá trị khai thác cao Các khe nứt trong đá macma được hình thành do tác dụng của lực kiến tạo, do bị co ngót khi nguội, và do phá huỷ phong hoá nếu lộ trên mặt đất

Độ thấm của đá chứa là một hàm số phức tạp phụ thuộc vào kiến trúc lỗ rỗng của đá, đặc điểm của chất lưu Độ thấm của đá chứa cát sét phụ thuộc vào độ rỗng, độ hạt, hàm lượng sét Độ mở hay độ thông nối của kiểu lỗ rỗng khe nứt lớn hơn lỗ rỗng giữa hạt nên có cùng độ rỗng nhưng độ thấm trong các tầng chứa là đá cacbonat và đá móng bao giờ cũng lớn hơn trong đá cát sét

1.3.1 Độ rỗng

Định nghĩa: Độ rỗng là tỉ phần không gian không được lấp đầy chất rắn trong thể tích toàn phần của khối đá (hay cũng có thể phát biểu: Tỷ số thể tích của lỗ rỗng với thể tích của khối đá) Căn cứ vào những đặc điểm riêng người ta chia lỗ rỗng ra các loại:

a) Độ rỗng toàn phần (Φt) hay độ rỗng chung là tỷ phần thể tích của tất cả không gian rỗng (giữa hạt, kênh thông nối, nứt nẻ, hang hốc, bọt ) cộng lại có trong đá

t

p t

s t t

v

v v

vt: Thể tích toàn phần của khối đá

Độ rỗng toàn phần gồm 2 phần: Lỗ rỗng nguyên sinh (Φ1) và độ lỗ rỗng thứ sinh (Φ2) Độ lỗ rỗng Φ1 là lỗ rỗng giữa hạt hay giữa các tinh thể, nó phụ thuộc vào kiểu, kích thước hạt và cách sắp xếp của các hạt trong pha cứng Φ2 là phần lỗ rỗng được tạo thành

do các quá trình phát triển của đá, do các lực nén kiến tạo theo các chiều khác nhau, và còn do quá trình biến đổi của vật chất hữu cơ mà để lại các lỗ hổng

b) Độ lỗ rỗng thông nối hay lỗ rỗng hở (Φthn) được tạo thành từ các phần lỗ trống có thông nối với nhau Độ lỗ rỗng thông nối Φthn thường nhỏ hơn lỗ rỗng toàn phần Φt bởi có nhiều trường hợp các bọt rỗng trong đá không thông nối được với nhau Chẳng hạn đá bọt có độ rỗng Φ1 vào cỡ 50%, nhưng vì các bọt không có kênh thông nối với nhau nên Φthn = 0

c) Độ lỗ rỗng tiềm năng (Φp) là phần lỗ rỗng hở có đường kính các kênh thông nối đủ lớn để cho dòng các chất lưu có thể đi qua dễ dàng (lớn hơn 50 àm đối với dầu,

và 5 àm đối với khí) Độ lỗ rỗng tiềm năng (Φp) đôi khi có giá trị nhỏ hơn độ rỗng hở (Φthn) Ví dụ các lớp sét có độ rỗng hở rất cao từ 50 - 85% nhưng hoàn toàn không có

lỗ rỗng tiềm năng vì lẽ lỗ rỗng và kênh thông nối trong đá sét rất bé, sét lại có đặc

điểm hấp phụ bề mặt cao nên độ thấm rất kém, các lớp sét có vai trò lớp màn chắn

d) Độ lỗ rỗng hiệu dụng (Φef) là thuật ngữ được sử dụng trong phân tích tài liệu

địa vật lý giếng khoan Đây là phần lỗ rỗng chứa chất lưu tự do trong không gian của lỗ rỗng hở Φthn hoặc lỗ rỗng Φp, nghĩa là không tính đến phần thể tích của các lớp nước bao, nước hydrat sét (nước hấp phụ trên bề mặt các hạt sét), nước tàn dư

Chú ý: Độ rỗng, hay tỷ phần thể tích lỗ rỗng trong đá là đại lượng không thứ nguyên có thể biểu thị bằng phần trăm (ví dụ 30%), bằng số thập phân (0,3) hay đơn vị

độ rỗng (30 pu)

Các yếu tố địa chất hay môi trường trầm tích ảnh hưởng lên độ rỗng của đá sẽ

được đề cập chi tiết ở phần sau của giáo trình này

1.3.2 Điện trở suất và độ dẫn điện

Điện trở suất (R) của vật chất là số đo đánh giá sự cản dòng điện đi qua chất đó

Điện trở suất được đo bằng đơn vị Ohm.m2/m hay Ohm.m (Ωm) Một khối đá đồng nhất đẳng hướng có hình lập phương với kích thước 1 mét có trở kháng 1Ω giữa hai mặt đối diện, sẽ có điện trở suất R = 1Ωm

Độ dẫn điện (C) là số đo thể hiện khả năng dẫn điện tích của vật chất Đây là số nghịch đảo của điện trở suất và biểu thị bằng đơn vị millimho/m (mmho/m) hay mS/m (millisiemen/metre)

1 (mmho/m) = 1000/R (Ωm) = 1 mS/m

Có hai kiểu dẫn điện là:

- Dẫn điện điện tử: Là đặc tính dẫn điện của các chất rắn như graphit, các kim loại (đồng, bạc ), oxit kim loại (hematit), sunfua kim loại (pyrit, galenit )

- Dẫn điện ion (hay dẫn điện điện môi): Là đặc tính dẫn của các dung dịch, ví

dụ nước có hoà tan các muối Các đá khô và không chứa các chất dẫn điện điện tử nêu trên thì có điện trở rất lớn đến mức gần như không dẫn điện

Đặc tính dẫn điện của đá trầm tích chủ yếu là dẫn điện ion vì trong đá trầm tích thường xuyên có nước và phân bố liên tục trong đá

Điện trở suất của đá phụ thuộc vào:

- Điện trở suất của chất lưu trong lỗ rỗng Điện trở này thay đổi theo bản chất, nồng độ muối hoà tan trong nước và nhiệt độ

- Lượng nước chứa trong đá, nghĩa là phụ thuộc vào độ rỗng và độ b∙o hoà nước của đá

- Loại đá, ví như bản chất và sự tồn tại của sét, dấu hiệu của các kim loại dẫn điện

- Kiến trúc của đá: Phân bố lỗ rỗng, sét và các khoáng vật dẫn điện

- Nhiệt độ, đặc biệt là các đá có đặc tính dẫn điện ion

Đá, đặc biệt đá trầm tích, là môi trường không đẳng hướng về khả năng dẫn

điện cũng như dẫn dòng thấm Theo chiều phân lớp (dọc theo các mặt phân lớp), điện trở suất dọc (R//) thường thấp hơn theo chiều vuông góc (R⊥) Đặc điểm đó của đá được

đánh giá bằng hệ số bất đẳng hướng λ:

2 1

1 //

R R

Bất đẳng hướng trong phạm vi một vỉa đồng nhất được xem là bất đẳng hướng vi mô; khi xét trong phạm vi một tập vỉa hay một đoạn lát cắt trầm tích thì gọi là bất đẳng hướng vĩ mô Bất đẳng hướng vĩ mô sẽ ảnh hưởng lên mọi giá trị đo của các thiết bị đo

điện trở khác nhau

Bất đẳng hướng vi mô chỉ thể hiện trong sét và lớp vỏ sét ở thành giếng ở thành giếng giá trị điện trở đo dọc theo trục giếng khoan thì nhỏ hơn khi đo theo hướng vuông góc với thành giếng ảnh hưởng đó thể hiện lên giá trị đo bằng hệ thiết bị MLL hoặc PML

Tóm lại khi gọi là điện trở suất thực (Rt) của thành hệ là điện trở phụ thuộc vào hàm lượng chất lưu và bản chất cũng như cấu hình của xương đá

Quan hệ phụ thuộc giữa điện trở suất với độ khoáng hoá

Ta có nhận xét rằng điện trở suất của một dung dịch thì phụ thuộc vào nồng độ

và loại muối hoà tan

Hình 1.3 cho thấy quan hệ phụ thuộc giữa độ dẫn C với nồng độ muối hoà tan trong dung dịch tính bằng ppm

ở nồng độ thấp dưới 100.000ppm, quan hệ này là đồng biến Nhưng khi nồng

độ tiếp tục tăng lên thì đường biểu diễn quan hệ này của các muối khác nhau bắt đầu chuyển sang quan hệ nghịch biến với những giá trị nồng độ khác nhau Hiện tượng

quan hệ phụ thuộc của độ dẫn vào nồng độ muối hoà tan là đồng biến ở nồng độ thấp

và nghịch biến ở nồng độ cao được giải thích là ở nồng độ b∙o hoà và quá b∙o hoà, các ion trong dung dịch mất dần hoạt tính và kém linh động, khả năng dẫn điện của dung dịch giảm Các dung dịch muối trong nhóm halogen, KCl và NaCl là các dung dịch có hoạt tính dẫn điện mạnh hơn CaCl2 và MgCl2 và mạnh hơn nhóm sunfat (xem hình 1.3)

Trong điều kiện tự nhiên

muối NaCl vừa có hoạt tính mạnh

vừa có hàm lượng lớn nên trong

nghiên cứu người ta thường đưa nồng

độ các muối khoáng của dung dịch

về nồng độ tương đương muối NaCl

Quan hệ phụ thuộc của điện

trở với nhiệt độ

Điện trở suất của dung dịch

giảm khi nhiệt độ tăng Bản chuẩn ở

hình 1.4 được dùng để chuyển đổi

điện trở đo được ở nhiệt độ thứ nhất

(T1) về điện trở ở nhiệt độ T2 bất kỳ

Hình 1.4 Bản chuẩn quy đổi điện trở suất của dung dịch từ nhiệt độ T 1 và nồng độ C 1 về

điện trở suất ở nhiệt độ T 2 bất kỳ

Cơ sở để xây dựng bản chuẩn ở hình 1.4 là công thức gần đúng của Arps:

+

=

77 , 6 T

77 , 6 T R R

2

1 WT

khi dùng thang đo °F, và

5 , 21

5 , 21 2

khi dùng thang đo °C

Trong đó R WT1 và R WT2 là điện trở suất dung dịch ở thiệt độ T1 và T2

Điện trở suất của sét

Ngoại trừ một số khoáng vật quặng hay vật liệu bán dẫn như graphit, pyrit, hematit và một vài khoáng vật khác, còn lại các khoáng vật khô hầu như không dẫn điện

Có một vài khoáng vật bề ngoài dường như là vật dẫn điện ở thể rắn, sét là một thí dụ như thế Theo Waxman và Smits (1968), vật liệu trầm tích sét bản thân nó giống như một thành hệ sạch có độ rỗng, độ cong kênh dẫn và chất lưu b∙o hoà ngoài nước, dường như dẫn điện tốt hơn ta tưởng do bề mặt khối của nó (hình 1.5a)

Sét giống như màng rất mỏng nhưng có diện tích bề mặt riêng rất lớn, tuỳ từng loại khoáng vật sét (1.5b)

Có sự thiếu hụt điện tích dương ở các màng sét Điều này làm nảy sinh trường

điện âm vuông góc với bề mặt màng sét, hút các ion dương (Na+, K+, Ca2+ ) và đẩy các ion âm (Cl- ) có trong nước Kết quả của sự trao đổi trung hoà điện tích ấy sẽ hình thành dung tích hấp phụ cation, thường ký hiệu bằng CEC (meq/g đá khô) hoặc QV(meq/cm3 thể tích rỗng toàn phần) CEC quan hệ chặt chẽ với diện tích riêng Sq của sét

(b) (a)

Hình 1.5 Độ dẫn C 0 của đá cát sét phụ thuộc vào độ dẫn của nước C W (a);

Quan hệ giữa độ dẫn mặt và độ rỗng của các loại sét (b)

và phụ thuộc vào loại khoáng vật sét Đại lượng này thấp nhất ở sét caolimit và cao nhất ở sét montmorilonit và vermiculit

Sét không chỉ gặp phổ biến ở các vỉa riêng biệt mà còn trộn lẫn trong các đá khác như cát kết, đá vôi

Khi đề cập tới sét trong đá ta có thể xem phần xương đá là không dẫn điện Thành phần sét sẽ được tính đến trong tính toán dựa trên các phép đo điện trở (yếu tố thành hệ, độ lỗ rỗng, độ b∙o hoà ) ảnh hưởng của sét sẽ phụ thuộc vào tỷ phần, tính chất vật lý và dạng hình tồn tại của sét trong đá

1.4 Cấu kiến trúc của đá

Các đá trong vỏ Quả đất đều có nguồn gốc và hoàn cảnh sinh thành riêng của mỗi loại Nghiên cứu cấu trúc và kiến trúc của đá là một vấn đề hết sức có ý nghĩa trong thực tế, là mối quan tâm chung của các nhà địa chất và địa vật lý mỏ Khái niệm

về kiến trúc bao gồm các đặc tính về kích thước, hình dáng, đặc tính bề mặt và số lượng tương đối của các phần tử tạo nên đá Còn cấu trúc của đá thì phản ánh các đặc

điểm phân bố của các phần tử đó trong đá

Nói đến kiến trúc là nói đến bản thân các phần tử tạo nên đá, còn nói về cấu trúc

là nói về sự phân bố và mối tương quan giữa các phần tử tạo đá

1.4.1 Yếu tố thành hệ - mối liên hệ giữa độ rỗng với điện trở suất

Trong đá cát sạch chứa nước có điện trở RW, khi đó điện trở suất của đá R0 tỷ lệ với điện trở RW:

Tham số F là hàm số của kiến trúc đá

Trong thực tế dòng điện đi qua môi trường

lỗ rỗng theo các kênh thông nối từ các lỗ rỗng

giữa hạt Đường dẫn đó rất phức tạp, phụ thuộc

vào kiến trúc của đá và cấu hình của hệ thống

kênh dẫn như những mao quản xen chéo và cắt

nhau Mức độ phức tạp của đường dẫn trong đá

được đánh giá bằng hệ số độ cong kênh dẫn, là tỷ

số giữa chiều dài thực l của kênh dẫn trên chiều

dài l0 của mẫu đá (hình 1.6)

Với một tập hợp lớn số đo của các mẫu đá

Archie (1942), cho thấy yếu tố thành hệ của đá

cát sét có quan hệ với độ rỗng Φ theo phương trình mang tên ông:

l

l 0 Hình 1.6 Hệ số độ cong 1

0

≥

=

l l T