Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong thăm dò và khai thác dầu khí

Trong quá trình khoan các giếng khoan tìm kiếm thăm dò và khai thác dầu khí với chiều sâu trung bình 5000 mét, bắt buộc phải tiến hành công tác khảo sát giếng khoan nhằm giải quyết một l

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA VẬT LÝ BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN

Thành phố Hồ Chí Minh - 2005

LỜI CẢM ƠN

Những năm tháng học tập, tôi đã nhận được rất nhiều công ơn dạy bảo của thầy cô ở bộ môn vật lý hạt nhân Kiến thức thầy cô dạy bảo sẽ là nền tảng cho tôi tiếp tục nghiên cứu về lĩnh vực hạt nhân Vì những công ơn to lớn đó, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy cô

Trong quá trình thực tập, các cô chú ở XN Địa vật lí Giếng khoan đã giúp đỡ tạo điều kiện cho tôi tiếp cận những công nghệ hạt nhân đang được áp dụng trong dầu khí Tôi xin trân thành cám ơn Tiến sĩ Hoàng Văn Quý, Viện trưởng Viện nghiên cứu khoa học và thiết kế đã hướng dẫn tôi thực hiện khóa luận Tôi trân thành cám ơn kĩ sư Trần Văn Lứu, kĩ sư Mai Văn Bình cùng cô chú trong XN Địa vật lí Giếng khoan đã nhiệt tình giúp đỡ để tôi hoàn thành được luận văn này

Tôi trân thành cám ơn thầy Huỳnh Trúc Phương đã phản biện để khóa luận của tôi được hoàn thiện hơn

Sinh viên thực hiện

Vũ Văn Huy

 

Mục lục

Lời mở đầu 1

Chương I: Đối tượng và các tham số nghiên cứu 4

1.1 Đối tượng nghiên cứu 4

1.2 Phân loại đá theo thành phần, điều kiện kiến tạo và các đặc trưng trong vật lí thạch học 4

1.3 Đá chứa 5

1.4 Độ rỗng 6

Chương II: Ứng dụng hạt nhân trong địa vật lí giếng khoan 8

2.1 Phóng xạ tự nhiên của đất đá 8

2.1.1 Đặc tính phóng xạ tự nhiên của đất đá 8

2.1.2 Hoạt tính phóng xạ của đất đá 11

2.1.3 Đơn vị phóng xạ 12

2.2 Tương tác gamma và neutron với môi trường 13

2.2.1 Tương tác gamma với môi trường 13

2.2.1.1 Hiệu ứng quang điện 13

2.2.1.2 Hiệu ứng Compton 14

2.2.1.4 Hiệu ứng tạo cặp 15

2.2.1.5 Hệ số hấp thụ toàn phần 16

2.2.2 Tương tác neutron với môi trường 16

2.3 Phương pháp gamma 19

2.3.1 Phương pháp gamma tự nhiên 19

2.3.1.1 Cơ sở vật lí 19

2.3.1.2 Sơ đồ đo gamma tự nhiên 20

2.3.1.2 Phạm vi ứng dụng của phương pháp gamma tự nhiên 21

2.3.2 Phương pháp gamma phổ 23

2.3.2.1 Cơ sở vật lí 23

2.3.2.2 Sơ đồ gamma phổ 25

2.3.2.3 Phương pháp tính phổ 26

2.3.2.4 Phạm vi ứng dụng của phương pháp gamma phổ 27

2.3.3 Phương pháp tán xạ 29

2.3.3.1 Cơ sở vật lí 29

2.3.3.2 Sơ đồ đo gamma tán xạ 30

2.3.3.3 Phép đo gamma tán xạ mật độ bù 33

2.3.3.4 Phạm vi ứng dụng tán xạ 34

2.3 Phương pháp neutron 35

2.4.1 Phương pháp neutron – gamma 35

2.4.1.1 Cơ sở vật lí 35

2.4.1.2 Sơ đồ đo neutron – gamma 37

2.4.1.3 Nguồn phát xạ neutron 37

2.4.1.4 Phạm vi ứng dụng neutron - gamma 40

2.4.2 Phương pháp neutron – neutron 40

2.4.2.1 Phương pháp neutron – neutron trên nhiệt 40

2.4.2.2 Phương pháp neutron – neutron nhiệt 41

2.4.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng lên kết quả đo neutron 43

2.4.2.4 Phân tí ch kết quả đo neutron trong giếng khoan 46

2.4.2.5 Phạm vi ứng dụng của phương pháp neutron – neutron 47

2.4.3 Phương pháp phát xung neutron 47

2.4.3.1 Cơ sơ chung 47

2.4.3.2 Phương pháp tiết diện bắt giữ neutron 49

2.4.3.2.1 Cơ sở lí thuyết 49

2.4.3.2.2 Sơ đồ đo 52

2.4.3.2.3 Phạm vi ứng dụng của xung neutron 52

Chương III:Kết quả minh giải 53

3.1 Kết quả đo trong đá móng ở mỏ Bạch Hổ 53

3.2 Kết quả tính toán bằng chương trình Baroc 3.0 54

3.3 Kết quả biểu diễn dưới dạng đồ thị 55

Kết luận 56

Tài liệu tham khảo 57

Lời mở đầu

Dầu mỏ và khí đốt thiên nhiên là nhiên liệu quan trọng của nền kinh tế

quốc dân, đặc biệt với sự phát triển của nghành công nghiệp hóa dầu Để đẩy

mạnh sự phát triển của ngành công nghiệp dầu khí đòi hỏi phải nỗ lực tăng

cường công tác tìm kiếm thăm dò và khai thác dầu khí trên đất liền cũng như

thềm lục địa của dất nước ta trên cơ sở ứng dụng các tiến bộ của khoa học kỹ

thuật hiện nay Công tác khoan các giếng khoan chiếm tỷ trọng lớn nhất trong

dây chuyền tìm kiếm thăm dò dầu khí Trong quá trình khoan các giếng khoan

tìm kiếm thăm dò và khai thác dầu khí với chiều sâu trung bình 5000 mét, bắt

buộc phải tiến hành công tác khảo sát giếng khoan nhằm giải quyết một loạt

các vấn đề liên quan đến việc nghiên cứu lát cắt địa chất mà giếng đã khoan

qua, phân tách các tầng chứa sản phẩm dầu khí, xác định các thông số địa

chất-địa vật lý của chúng, nghiên cứu trạng thái kỹ thuật của giếng khoan

(đường kính, độ sâu, độ nghiên, phương vị v.v.) và kiểm soát quá trình khai

thác mỏ

Ngày nay, để giải quyết các vấn đề nêu trên, người ta sử dụng rộng rãi

các phương pháp khảo sát địa vật lý giếng khoan công tác khảo sát giếng

khoan bằng các phương pháp địa vật lý thường do các công ty hay xí nghiệp

chuyên ngành thực hiện

Ngành địa vật lý giếng khoan được thực hiện nền móng đầu tiên tại

Pháp do Schlumberger đề nghị dùng phương pháp đo điện trở để khảo sát lắt

cắt giếng khoan vào năm 1928 Ở Việt Nam, công tác khảo sát địa vật lý được

áp dụng từ những năm 60 để khảo sát các giếng khoan nông thăm dò than và

quặng

Trong những năm tiếp theo và cho đến nay, nhờ áp dụng các tiến bộ của

khoa học kỹ thuật ngành vật lý giếng khoan đã có sự phát triển tột bậc cả về

địa vật lý lý thuyết, cả về trang thiết bị được dùng để khảo sát giếng khoan

Nhiều phương pháp địa vật lý mới đã nghiên cứu và áp dụng vào thực tiễn

Các thiết bị dùng để khảo sát giếng khoan ngày càng hiện đại về kĩ thuật, đa

dạng về chủng loại và phương pháp

Công tác khảo sát địa vật lý giếng khoan đóng vai trò quan trọng vì nó

đưa ra các thông tin về lát cắt địa chất của giếng khoan, đặc biệt là về các đới

chứa dầu, khí Các tham số địa vật lý mà các phương pháp địa vật lý nghiên

cứu bao gồm:

- Phân biệt các lớp đất đá: sét, cát, đá sỏi, anhydrit, muối mỏ v.v

- Xác định các tham số địa vật lý như:

+ Mật độ của đất đá ()

+ Độ rỗng của các lớp đất đá (), độ bão hòa dầu, khí (S MC)

+ Độ thấm của các đất đá ()

+ Chiều dày của các vỉa chứa sản phẩm (h)

Trên cơ sở các tham số địa vật lý, người ta tính toán được trữ lượng của

các mỏ dầu khí

Ngày nay người ta sử dụng rất nhiều phương pháp khảo sát địa vật lý

giếng khoan với mục đích khác nhau Tổ hợp các phương pháp địa vật lý

giếng khoan có thể phân chia các phương pháp chính sau:

1) Các phương pháp karota điện trở

2) Các phương pháp karota phóng xạ

3) Các phương pháp karota siêu âm

4) Các phương pháp kiểm tra trạng thái kỹ thuật giếng khoan (về

nhiệt độ, đường kính, độ lệch)

Trong đó các phương pháp karota phóng xạ bao gồm:

1) Phương pháp karota gamma tự nhiên (GK)

2) Phương pháp phổ gamma tự nhiên (SGK)

4) Phương pháp karota neutron- gamma (NGK)

5) Phương pháp karota neutron- neutron (NNK)

6) Phương pháp đồng vị phóng xạ

7) Phương pháp xung neutron

 

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 giếng khoan tìm

kiếm thăm dò, khai thác các khoáng sản có ích trong đó dầu và khí

Giếng khoan là 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 mới, chưa được

phong hóa, hoặc để khai thác các chất lưu như dầu, khí, nước dưới đất, nước

nóng 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 kĩ 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 chổ nó còn “tươi” nguyên, chưa bị phong hóa 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, hóa học Nhờ

các phương pháp này ta có thể 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 kiến 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 trái đất Thể địa chất độc lập ở đây là nói đến những

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

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 bao gồm xương đá

(matric) 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 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 còn lên các tính

chất vật lý thạch học của đá chứa (độ thấm, độ bão hòa) Sét trong nhiều

trường hợp được phân biệt: sét nén (shale), hạt sét xâm tán trong đá ở dạng

cấu trúc (clay), bột sét (silit) là các hạt cát mịn có kích thước 1/16-1/256 mm

1.3 Đá chứa

Đá chứa ở đây là các đá (hay thành hệ) có lỗ rỗng và có khả năng chứa

chất 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, 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 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 (đá móng như vẫn quen gọi) có độ mở thông nối rất

tốt nên mặc dù có giá trị độ rỗng thấp nhưng 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 hủy phong hóa 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

1.4 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 ra các loại:

a) Độ rỗng toàn phần (t) hay độ rỗng chung là tỷ số 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

v v

v : thể tích toàn phần của khối đá

Độ rỗng toàn phần gồm 2 phần : lỗ rỗng nguyên sinh (1) và độ rỗng

thứ sinh (2) Độ lỗ rỗng (1) là độ 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 2 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 để lại các lỗ hổng

b) Độ rỗng thông nối hay lỗ rỗng hở (thn) được tạo thành từ các phần lỗ

trống có thông nối với nhau Độ lỗ rỗng thông nối thn thường nhỏ hơn lỗ

rỗng toàn phần t bởi nhiều trường hợp các bọt rỗng trong đá không đá

không thông nối được với nhau Chẳng hạn đá bọt có độ rỗng 1 vào cở 50%,

nhưng vì các bọt không có kênh thông nối với nhau nên thn=0

c) Độ rỗng tiềm năng (p) 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

m

 đối với dầu, và 5m đối với khí) Độ rỗng tiềm năng (p) đôi khi có giá

trị nhỏ hơn độ rỗng hở (thn) 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 thụ bề mặt cao nên độ thấm

rất kém, có vai trò lớp màn chắn

d) Độ rỗng hiệu dụng (ef ) 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 thn hoặc lỗ rỗng p, nghĩa là không tính đến

phần thể tích của các lớp nước bao, nước hydrat sét (nước hấp thụ trên bề mặt

các hạt sét), nước tàn dư

Độ rỗng, là đại lượng không thứ nguyên có thể biểu thị bằng phần trăm (ví

dụ 30%),

ở thành giếng khoan

2.1 Phóng xạ tự nhiên

2.1.1 Đặc tính phóng xạ tự nhiên của đất đá

Trong đất đá, các nguyên tố phóng xạ thường gặp là Kali 40, dãy Uran, dãy Thori

Bảng 2.1.1a Biểu thị hàm lượng K, U, Th có trong các loại khoáng vật trong đá móng (trích trong tài liệu Openhole Log Analysis and Formation

Evaluation, 1991, Halliburton Company)

Basalt, tholeiites (orogene) <0,6 <0,25 <0,05 Basalt, tholeiites (non- orogene) <1,3 <0,50 <2,0

Carbonates, range (average) 0-2(0,3) 0.1-9(2,2) 0-7,(1,7) Carbonate, pure lime, chark, dolo <0,1 <0,1 <0,5

Materials K(%) U(ppm) Th(ppm)

Carbonate, clean TX lime, Cretac <0,3 1,5-15 <2,0

Shales, common, range (average) 1,6-4,2(2,7) 1,5-5,5

(3,7)

8-18(12)

Shales, Colorado oil shales <4,0 Up to 500 1-30

Bảng 2.1.1b Hàm lượng U, K, Th trong đá móng

(trích trong tài liệu XN Địa vật lí GK)

2.1.2 Hoạt tính phóng xạ của đất đá

Hoạt tính phóng xạ của đất đá rất khác nhau và chúng phụ thuộc thành phần khoáng vật và nguồn gốc của đất đá

Các đá xâm nhập phân biệt nhau theo mức độ bức xạ gamma tự nhiên Các đá có thành phần axit (granit, granodoirit, ) có cường độ phóng xạ cao hơn cả vì có chứa Kali và các nguyên tố trong dãy U,Th Feldspat và Mica là các khoáng vật có mặt nhiều trong đá macma chứa nhiều K, trong đó có thể có tới 0,02% là đồng vị 40K

Các đá bazơ và siêu bazơ có độ phóng xạ gamma tự nhiên thấp nhất Các đá trầm tích là sản phẩm phong hóa từ đá macma có độ phóng xạ tự nhiên khác nhau Nếu sản phẩm phong hóa từ đá axit, các đồng vị phóng xạ có độ linh động cao sẽ tích tụ ở những nơi nhất định Thạch anh - một trong những khoáng vật chính của đá axit sẽ kết tinh ở dạng sạch và kết thành đá cát có độ phóng xạ tự nhiên thấp Feldspat và mica là các khoáng vật sét, vì vậy sét thường có độ phóng xạ cao

Cường độ phóng xạ tự nhiên cao ở các lớp sét cũng có vì các nguyên nhân khác nữa Trong quá trình lắng đọng, sét hấp thụ các ion của các nguyên tố đồng vị phóng xạ có trong các xác động vật cấp thấp Các sét bị bitum hóa, có thể chứa tới 0,01% Uran hay Thori Cường độ phóng xạ trong trường hợp này là do sự tích tụ các đồng vị phóng xạ của dãy Uran và Thori có các chất keo sinh ra từ vật chất hữu cơ

Các đá cacbonat (vôi, dolomit, ) có độ phóng xạ thấp nhất Ở các đới xảy ra quá trình dolomit hóa do tác động của nước dưới đất ta thấy có sự tăng nhẹ độ phóng xạ tự nhiên do có một lượng nhỏ các đồng vị có trong nước Các đá cát kết và cacbonat có số đo độ phóng xạ tự nhiên tăng dần theo hàm lượng sét chứa trong đá

Dị thường phóng xạ tự nhiên có thể cao trong trường hợp trong có hàm lượng các chất phóng xạ như cát chứa monazit và đá vôi chứa Uran Biên độ của dị thường thậm chí lớn hơn cả khi cát kết chứa glauconit

Than và các lớp đá thủy hóa (thạch cao, anhyhit, muối mỏ) có độ phóng xạ tự nhiên thấp nhất Chỉ khi các đá thủy hóa có kèm theo các muối Kali (Sinvin, Carnalit, Kailmit) thì mới có độ phóng xạ tự nhiên cao

2.1.3 Đơn vị dùng trong địa vật lí giếng khoan

Đơn vị chuẩn dùng để xác định cường độ phóng xạ là API

a) Đối với gamma :

Người ta tạo ra một cái giếng hình trụ có độ sâu 24 feet, đường kính 4 feet, xung quanh giếng được trám bằng ximăng chia ra thành ba vùng Vùng ở giữa có chiều dài 8 feet trám bằng ximăng nhân tạo Đó là ximăng trộn với 13 ppm Uranium, 24 ppm Thorium và 4% Kalium Hai vùng 2 bên là ximăng không trộn chất phóng xạ

Người ta định nghĩa cường độ phóng xạ giữa hai vùng này là 200 API Gọi vùng có phủ chất phóng xạ là vùng “hot” và vùng không phủ chất phóng xạ là vùng “cool” Người ta tính được độ nhạy G như sau:

G=200API/( Ihot-Icool) (2.1) b) Đối với neutron :

Mô hình được cấu tạo gồm các khối khác nhau và ở giữa có khoan lỗ khoan Trong lỗ khoan chứa nước ngọt Mỗi khối trụ có chiều dày là 6 feet, đường kính 6 feet Các khối này được đặt trong hầm bêtông, nằm dưới nưới ngọt sâu 6 feet

Từ dưới lên lần lượt là khối đá vôi Austin có độ rỗng 26%, khối đá vôi Aán Độ có độ rỗng 19%, bên trên là khối đá cẩm thạch có độ rỗng 1,9% và trên là lớp nước ngọt có chỉ số độ rỗng là 100%

Đặt máy đo neutron không có nguồn S vào vị trí chính giữa khối trụ đá vôi có chỉ số độ rỗng 19%, lấy số đo thứ nhất (I1) Tương tự với máy đo lắp nguồn, ta có số đo thứ hai (I2) Đơn vị API(neutron ) được định nghĩa:

I=(I2-I1)/1000 (2.2)

2.2 Tương tác gamma và neutron với môi trường

2.2.1 Tương tác của gamma với môi trường

Khi chiếu xạ môi trường nghiên cứu bằng chùm tia gamma thì ta sẽ gặp các tương tác giữa gamma với môi trường gây ra 3 hiệu ứng quan trọng sau đây

2.2.1.1 Hiệu ứng quang điện

Trong hiệu ứng này, gamma tới va chạm không đàn hồi với nguyên tử mà nó gặp trên đường đi Electron nhận hoàn toàn năng lượng của gamma và thoát khỏi sự liên kết với nguyên tử với động năng T

Theo định luật bảo toàn năng lượng:

T he (2.3)

Trong đó:

T là động năng của quang electron



h là năng lượng của gamma

Hình 1.3b Mô hình khắc chuẩn độ neutron

e là năng lượng liên kết của quang electron

Thực nghiệm chứng minh rằng tiết diện tương tác quang điện a gần như tỷ lệ với Z và giảm tỷ lệ nghịch với h:

4

 (2.4) Trong nghiên cứu người ta còn dùng một số tắt dần tuyến tính  Hệ số này được tính như sau:

)()(

e

Z

N 

  (2.5) Trong đó:

N là số nguyên tử/cm3

Z là số electron trên một nguyên tử

 là tiết diện của mỗi electron đối với quá trình Compton

Giá trị e không phụ thuộc vào Z và giảm chậm theo năng lượng của lượng tử gamma

2.2.1.3 Hiệu ứng tạo cặp

Khi tương tác với vật chất, gamma có năng lượng cao (>10MeV) thì có tương tác thẳng với các hạt nhân nguyên tử Trong trường hạt nhân lượng tử gamma bị hấp thụ hoàn toàn làm bắn ra một cặp hạt điện trái dấu electron-pozitron

Năng lượng của quá trình sẽ là:

2 0

2m C T

T

Trong đó :

T- và T+ lần lượt là động năng của electron và pozitron

2mC2 là năng lượng cần thiết sinh ra một electron đứng yên Cả hai hạt tích điện e- và e+ đều sinh ra từ năng lượng của gamma cho nên quá trình chỉ được phép về mặt năng lượng nếu 2

0

2m C

h  (tức là

>1,02MeV)

Tiết diện trên mỗi nguyên tử đối với quá trình tạo cặp aK tăng tỷ lệ với

Z2 và loga của năng lượng h Hệ số tắt dần tuyến tính k là Nak

Phôtôn tới Hạït nhân

Cặp e- và e+

Hình 2.2.1.3 Hiệu ứng tạo cặp

2.2.1.4 Hệ số hấp thụ toàn phần

Trong thực tế, cả ba quá trình quang điện, Compton và tạo cặp đồng thời có thể tạo ra và gây ra 3 hiệu ứng tương ứng

Gọi  là hệ số hấp thụ tia gamma toàn phần của môi trường vật chất thì

I  0  ( 2.7) Sự ảnh hưởng tương đối của từng loại tương tác sẽ tùy thuộc vào mức năng lượng của tia gamma Ở vùng năng lượng từ 0,5 đến 5 MeV của tia gamma, hiệu ứng compton là trội hơn đối với môi trường hấp thụ Ở miền năng lượng <0,5 MeV thì hiệu ứng quang điện trội hơn, nhất là đối với các nguyên tố có số Z cao Ở miền năng lượng cao >5MeV thì tính trội thuộc về quá trình tạo cặp

2.2.2 Tương tác của neutron đối với môi trường vật chất

Neutron tương tác với các hạt nhân trong môi trường ở hai dạng: tán xa ï(khuyếch tán) và hấp thụ (bắt giữ), tùy thuộc vào năng lượng của hạt nhân

bia

Theo năng lượng của các neutron, người ta chia chúng thành các nhóm sau:

1 Neutron nhanh, En>10KeV

2 Neutron trung gian, En=100eV-100KeV

3 Neutron trên nhiệt, En=0.025eV-100eV

4 Neutron nhiệt, En<=0,025eV

Sự tán xạ đưa đến kết quả làm giảm năng lượng và thay đổi hướng đi của các neutron, còn hấp thụ là quá trình trong đó neutron bị hạt nhân bắt giữ để tạo thành một hạt nhân phức hợp có cùng số Z và khối lượng thì thì tăng

Nói chung, các neutron đều có thể bị bắt bởi các hạt nhân ở mọi cấp năng lượng, nhưng xác xuất để neutron nhanh bị bắt giữ nhỏ hơn rất nhiều so với neutron trên nhiệt và neutron nhiệt

Trong Địa vật lý giếng khoan thường dùng các nguồn phát ra neutron có năng lượng cao như nhóm neutron nhanh Chúng có thể bị bắt giữ dễ dàng khi mức năng lượng chỉ còn khoảng 0,0025eV sau quá trình làm chậm Thông thường hạt nhân bắt giữ một neutron thì tạo thành hạt nhân mới Các hạt nhân phức hợp này thường ở trạng thái kích thích và chúng sẽ trở về trạng thái cơ bản bằng cách phát xạ gamma Phổ năng lượng của tia gamma phát xạ trong trường hợp này rất đặc trưng cho các hạt nhân phức hợp vừa tạo thành Dựa vào đặc trưng đặc trưng này ta có thể nhận biết sự có mặt của một số nguyên tố trong môi trường nghiên cứu

Tán xạ là dạng tương tác quan trọng của neutron trong môi trường vật chất Sau mỗi va chạm với hạt nhân, các neutron mất bớt năng lượng và chuyển động lệch hướng so với hướng ban đầu Do chuyển động lệch hướng sau mỗi lần va chạm nên neutron khuyếch tán lan tỏa và chuyển động chậm hơn trong môi trường

Các va chạm là chậm neutron có hai hình thức: tán xạ đàn hồi và tán xạ không đàn hồi

Tán xạ đàn hồi: năng lượng E của neutron sau va chạm được tính theo năng lượng E0 của chính nó trước lúc va chạm và góc tán xạ :

0 2

2

)1(

1cos2

E M

M M

Khi   thì E trở nên rất nhỏ:

min 2 0 0

1

1

E E M

Năng lượng tiêu hao được tính như sau:

Emax E0Emin (1)E0 (2.10) Nếu hạt nhân bia là hydro (M=1) thì ta có :

Tán xạ không đàn hồi: Tán xạ không đàn hồi chủ yếu xảy ra đối với các neutron nhanh và đặc biệt với hạt nhân nặng Thực nghiệm chứng minh trong miền năng lượng của neutron từ 2 đến 4 MeV, tiết diện va chạm không đàn hồi của mọi hạt nhân, trừ các hạt nhân có số nuclon lạ, đều tăng dần theo khối lượng theo quy luật A2/3 Trong vùng năng lượng 1 MeV tiết diện va chạm không đàn hồi lại thay đổi mạnh từ nhóm hạt nhân này đến nhóm hạt nhân khác

Sự bắt neutron là neutron bị hạt nhân bắt để trở thành nhân trung gian Tiết diện hấp thụ neutron của nhiều hạt nhân giảm tỉ lệ nghịch với tốc độ của neutron theo quy luật 1/v Điều đó có nghĩa là xác suất để một hạt nhân bắt giữ được một neutron nhiệt bao giờ cũng lớn hơn đối với một neutron nhanh Đối với đa số hạt nhân, nhất là các hạt nhân nặng, còn có sự hấp thụ cộng hưởng Các cộng hưởng này xuất hiện mỗi khi hạt nhân trung gian được tạo thành ở mức năng lượng kích thích nó Nhờ có hấp thụ cộng hưởng ở mức năng lượng này mà một số hạt nhân có tiết diện bắt giữ neutron nhiệt rất lớn

2.3 Các phương pháp gamma

2.3.1 Phương pháp gamma tự nhiên

2.3.1.1 Cơ sở lý

Trong các lớp đất đá tự nhiên, bao giờ cũng chứa một hàm lượng nhất định các đồng vị phóng xạ và luôn luôn phân rã theo các quy luật của chúng Khi phân rã chúng phát ra bức xạ gmma Gamma phát ra được chủ yếu bởi 3 nhóm đồng vị phóng xạ :

- Nhóm đồng vị Kalium(40)

- Nhóm đồng vị Uranium

- Nhóm đồng vị Thorium

Hàm lượng các đồng vị phóng xạ có trong các lớp đất đá khác nhau và

đa dạng Nó bị hưởng bởi quá trình kiến tạo của lớp vỏ trái đất Kết quả của nghiên cứu địa chất, hàm lượng của các đồng vị phóng xạ xâm nhập trong vỉa sét cao hơn trong vỉa cát kết Tuy nhiên, bản thân sét cũng có thành phần thạch học khác nhau cho nên không thể có loại sét nào gọi đại diện có cường độ phóng xạ chuẩn Sét caolinite hầu như không có Potasium (K40) , trong khi đó Illite chứa 4-8% Potasium; sét montmorillite chứa khoảng 1% Potasium Nói tóm lại, phương pháp gamma tự nhiên dựa vào sự khác biệt về hàm lượng các đồng vị phóng xạ trong các lớp đất đá khác nhau để phân chia, nhận dạng chúng Vì sét là loại đất đá có hàm lượng đồng vị phóng xạ cao nhất, nên trong một vùng mỏ người ta thường chọn một vỉa sét nào đó làm vỉa sét chuẩn và cho vỉa đó là 100% sét Từ đó suy ra hàm lượng sét của các vỉa khác so vỉa chuẩn này

2.3.1.2 Sơ đồ đo gamma tự nhiên

a) Sơ đồ khối của máy đo gamma tự nhiên

1 Khối tính thể NaI

2 Ống nhân quang điện

3 Khối nguồn nuôi 4.Khối khuyếch đại và chế biến tín hiệu

b) Các yếu tố ảnh hưởng lên kết quả đo GR

Đường cong đo ghi cường độ bức xạ gamma tự nhiên trong giếng khoan phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trước hết hết phải kể đến:

3

Hình 2.3.1.2a Sơ đồ khối của máy đo gamma

Hình 2.3.1.2b Máy đo gamma tự nhiên và gamma phổ ở XN

Địa vật lý Giếng khoan

- Các lớp đá trong lát cắt giếng khoan chứa các nguyên tố đồng vị phóng xạ, trong đó quan trọng nhất là U, Th và K

- Đặc tính kỹ thuật của các detector dùng trong phép đo, chiều dày vỉa và vị trí tương đối của detector trong giếng khoan so với các lớp đất đá

- Đường kính thực của giếng khoan, mật độ và loại dung dịch khoan

- Mật độ của các lớp đá ở thành giếng khoan

- Tốc độ kéo cáp khi đo ghi

Tất cả các yếu tố trên đây đồng thời ảnh hưởng lên giá trị đo gamma tự nhiên Trong phân tích kết quả đo GR cần phải xác định xem những yếu tố nào ảnh hưởng nhất lên phép đo trong trường hợp cụ thể và đưa ra phép hiệu chỉnh tương ứng

Giá trị đo cường độ bức xạ gamma phụ thuộc trực tiếp vào quá trình suy giảm tia gamma bị hấp thụ trong môi trường nghiên cứu Sự suy giảm đó tuân theo định luật hàm mũ:

2.3.1.3 Phạm vi ứng dụng của phương pháp đo gamma tự nhiên

Phương pháp đo gamma tự nhiên trong giếng khoan (GR) được sử dụng để phân chia địa tầng của các lớp trong lát cắt

Do cường độ phóng xạ càng cao khi hàm lượng sét trong đất đá càng nhiều nên đường cong GR cho dấu hiệu tốt để phân biệt các lớp đá sét (tầng sinh, tầng chắn) và đá chứa ít sét hoặc không chứa sét (tầng thấm chứa dầu khí)

Nhìn chung, các phép đo gamma trong giếng khoan không bị ảnh hưởng bởi độ khoáng hóa và phép đo có thể thực hiện được trong dung dịch gốc dầu

Vì tia gamma có khả năng đâm xuyên cao, thậm chí có thể đi qua thành ống chống bằng thép có chiều dày 15mm, nên phương pháp GR có thể đo trong các giếng khoan đã chống ống Đây là ưu điểm nổi trội nhất của phương pháp gamma so với các phương pháp đo Địa vật lý giếng khoan khác

Cường độ bức xạ gamma của các đá chứa lục nguyên và cacbonat, không chứa khoáng vật phóng xạ, tỷ lệ với hàm lượng khoáng vật sét trong đá là cơ sở để ta xác định hàm lượng sét trong đá chứa theo kết quả đo GR Hàm lượng sét Vsh tính theo thể tích trong đá chứa có quan hệ hàm số với tham số

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 vỉa cát sạch

Trong trường hợp lát cắt không có vỉa 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 công thức trên gọi là phương pháp hai vỉa tầng chuẩn

Quan hệ hàm số giữa tham số J 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:

Quan hệ tuyến tính Vsh =J (2.13)

Clavier 2

)7,0(

38,37,

V   (2.16) Tuy nhiên, vì sự có mặt của các khoáng vật sét là một chỉ thị của môi trường trầm tích nên quan hệ hàm số J  f(V sh) là rất phức tạp và khác nhau giữa vùng này và vùng khác Cách đúng đắn nhất vẫn là thay vì sử dụng các công thức thực nghiệm có sẵn bằng việc xây dựng quan hệ thực nghiệm giữa các tham số đó cho từng vùng cụ thể, thậm chí cho từng phân vỉa địa tầng khác nhau

2.3.2 Phương pháp gamma phổ

2.3.2.1 Cơ sở vật lý

Khi tiến hành đo GR ta đo cường độ bức xạ tia gamma phát xạ từ những đồng vị phóng xạ của các nguyên tố đồng vị trong ba dãy Uran, Thori và Kali.Các tia gamma phát xạ từ các đồng vị của ba dãy vừa nêu đều dưới dạng xung năng lượng rời rạc

Phổ bức xạ Gamma của các nguyên tố phóng xạ

- Phổ năng lượng Kali:

Trong tự nhiên Kali có 3 đồng vị chính là K-39; K-40 và K-41, tỉ lệ của chúng trong tự nhiên tương ứng là 93.1%, 0.0199%, 6.88%, duy chỉ có K-40 là đồng vị phóng xạ với chu kỳ bán rã là 1.3x109 năm K-40 phân rã bởi việc bắt 1 electron để chuyển thành Argon-40 Argon ở

trạng thái kích thích và khi chuyển về trạng thái bình thường nó phát ra

1 tia gamma có năng lượng 1.46 MeV

- Phổ năng lượng Uran:

Trong tự nhiên Uran có 3 đồng vị phóng xạ U-234, U-235, U-238 có tỷ lệ trong tự nhiên tương ứng là 0.0057% ; 0.72% và 99.27% chu kỳ bán rã tương ứng là 2.5x105 năm; 7.1x108 năm và 4.4x109 năm Hầu hết các phóng xạ thực sự đo được bởi các thiết bị gamma quy ước đều không phải từ chính

Hình 2.3.2.1 Phổ bức xạ gamma của U,Th, và Pota

Uran mà từ một đồng vị phóng xạ con của nó, Mimus-214 chuyển thành Polonium-214 bởi vì bắt 1 electron Ở trạng thái kích thích nó phát ra một số mức năng lượng khác nhau từ 63 kev tới 3.07 MeV Trong đó một đỉnh đáng chú ý tại 1.76 MeV

- Phổ năng lượng Thori:

Thori chỉ có một đồng vị phóng xạ Thori- 232 có chu kỳ bán rã 1.4x

1010 năm Phổ năng lượng của Thori bao gồm một số vạch tại những mức năng lượng khác nhau Chú ý nhất tại đỉnh 2.614 MeV

2.3.2.2 Sơ đồ phổ

Máy đo phổ gamma tương tự như máy đo gamma tự nhiên nhưng khác ở chổ máy đo phổ gamma thì mỗi xung điện áp ở lối ra của detector có độ lớn tỷ lệ với năng lượng của tia gamma đập vào detector và được đặc vào các kênh khác nhau tương ứng với mức năng lượng của nó (kênh có số thứ tự cao hơn thì mức năng lượng cao hơn) Thường có 256 kênh khác nhau tương ứng với việc số hóa 8 bit

Cao áp

Cao áp

Hình 2.3.2.2 Sơ đồ khối của máy đo phổ gamma tự nhiên

Trong máy gamma phổ xung điện áp tại lối ra của detector được đặt trong các kênh khác nhau tương ứng với mức năng lượng của nó cũng là năng lượng của tia gamma

Khi nhiệt độ thay đổi làm thay đổi cao áp của bộ nhân quang, kết quả là làm thay đổi độ lớn của xung điện áp lối ra của detector Do đó độ lợi của detector phải được giám sát để không thay đổi và được điều chỉnh liên tục Để làm được điều này người ta sử dụng máy gamma phổ bù Người ta sử dụng một nguồn Americium-241 gắn với ống đếm Khi Americium phân rã nó phát

ra đồng thời một tia gamma có năng lượng 60 KeV và một hạt anpha năng lượng cao Hạt anpha này được thu gần như hoàn toàn trong một detector anpha nhỏ, trong khi hầu hết tia gamma phân tán đi chỉ khoảng 20% thu được trong detector gamma chính Nhưng vì tia gamma và hạt Anpha phát ra đồng thời nên người ta có thể phân biệt một cách chính xác phổ Stabilizier này với phóng xạ gamma của môi trường Giá trị đỉnh của phổ gamma stabilizion này luôn được giám sát không đổi và cao áp của detector được điều chỉnh để giữ đỉnh này luôn ở kênh 47 tương ứng mức năng lượng 60 KeV

2.3.2.3 Phương pháp tính phổ

Để tính phổ các nguyên tố U, K, Th, người ta sẽ chia phổ cao thành một số cửa sổ ứng với các mức năng lượng khác nhau (những cửa sổ này bao gồm một số kênh nào đó)

Như vậy, thiết bị thường sẽ có 3 cửa sổ W1, W2, W3 để đo năng lượng đặc trưng của K, Th, U Do các nguyên tố phóng xạ đó đều đóng góp một phần vào số đếm của mỗi cửa sổ nên ta có phương trình:

232Th=m11W1+m12W2+m13W3 (2.17)

238U=m12W1+m22W2+m23W3 (2.18)

40K=m31W1+m32W2+m33W3 (2.19)

Trong đó: mij là các yếu tố của thành phần đóng góp bức xạ gamma của nguyên tố thứ i trong cửa số thứ j Các thành phần này được xác định trên mô hình mẫu chuẩn Sau đó, ta có được các phương trình xác định thành phần Th,

U, K trong môi trường

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 dung dịch và đường kính giếng khoan Ngoài ra nó còn phụ thuộc vào mật độ của đất đá ở thành giếng khoan

2.3.2.4 Phạm vi ứng dụng của phương pháp gamma phổ

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

- Trong môi trường trầm tích lục nguyên (cát, sét), các vỉ 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

K K V

Sh K

CGR CGR

CGR CGR

V

Sh CGR

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