Lê Hải An Bộ môn ðịa vật lý, Khoa Dầu khí, TRƯỜNG ðẠI HỌC MỎ - ðỊA CHẤT Phần 1: Các phương pháp ño trường tự nhiên • Phương pháp thế tự nhiên SP – Spontaneous Potential • Phương pháp gam
Trang 1ðỊA VẬT LÝ GIẾNG KHOAN
TS Lê Hải An
Bộ môn ðịa vật lý, Khoa Dầu khí,
TRƯỜNG ðẠI HỌC MỎ - ðỊA CHẤT
Phần 1: Các phương pháp ño trường tự nhiên
• Phương pháp thế tự nhiên (SP) – Spontaneous Potential
• Phương pháp gammma tự nhiên (GR) – Natural Gamma Ray
• Phương pháp phổ gammma (NGS) – Natural Gamma Ray Spectometry
Phương pháp thế tự nhiên
Phương pháp thế tự nhiên
ðo ghi chênh lệch ñiện thế giữa ñiện cực thả vào trong giếng khoan và ñiện cực ở trên mặt ñất (khi không có dòng
tự nhiên) ðiện thế này thay ñổi từ lớp ñất
ñá này sang lớp ñất ñá khác ðiên thế có thể biến thiên từ một vài ñến hàng trăm millivolt
ðiện cực
ðiện cực nối ñất Giếng khoan
Cáp ño
Phương pháp thế tự nhiên
Giếng khoan phải là ñược khoan
bằng dung dịch cơ sở gốc
nước (không ño ghi ñược
trong giếng khoan bằng
dung dịch cơ sở gốc dầu)
Hệ ñiện cực ño ghi SP ñược chế
tạo trong nhiều máy giếng
như: induction log,
laterolog, sonic log,
sidewall core gun
Nguồn gốc của trường thế tự nhiên
• Thế ñiện hóa học (electrochemical)
• Thế ñiện ñộng lực (electrokinetic) Gồm 2 nguồn chính:
Trang 2Thế ñiện hóa học: gồm hai quá trình ñiện
hóa xảy ra khi có hai chất lưu có
nồng ñộ khoáng hóa khác nhau
(filtrate dung dịch khoan và nước
vỉa) tiếp xúc vói nhau hay thông
qua màng bán thấm (sét vây
quanh)
Thành phần thứ nhất: thế hấp phụ - thế màng lọc (Em)
Sét cho phép các ion Na+ ñi qua, trong khi ñó lại ngăn cản không cho các ion Cl-ñi qua và hấp phụ chúng Dòng ion Na+
chạy qua lớp sét từ nơi có ñộ khoáng hóa cao (nước vỉa) ñến nơi có ñộ khoáng hóa thấp (filtrate dung dịch khoan) tạo nên một ñiện thế hấp phụ
Em
Giếng khoan
Thế ñiện hóa (Ec)
Thành phần thứ hai: thế khuyếch tán (Ej)
Giữa thành hệ và dung dịch khoan có sự
chênh lệch về nồng ñộ khoáng hóa (chủ
yếu là NaCl: ion Na+và ion Cl-)
Các ion sẽ chuyển dịch từ nơi có nồng ñộ cao
(nước vỉa) sang nơi có nồng ñộ thấp
(dung dịch khoan)
Do ñộ linh ñộng của ion Na+và Cl-khác nhau
(ion Cl-chuyển ñộng nhanh hơn), do
vậy mà tạo nên trên ranh giới giữa ñới
rửa và ñới nguyên một ñiện thế
khuyếch tán Es
Giếng khoan
Thế ñiện ñộng lực (Ek)
Hình thành khi có dòng dung dịch ñiện phân thấm vào môi trường rỗng phi kim (không kim loại)
Sự chênh áp giữa cột dung dịch và vỉa gây nên dòng filtrate dung dịch khoan thấm vào thành hệ (quá trình xâm nhập) Dòng filtrate dung dịch khoan ñi qua lớp vỏ bùn (mudcake) tạo nên một thế ñiện ñộng lực Ek
Thế ñiện ñộng lực Eknày rất nhỏ và biến mất khi lớp vỏ sét trở nên không thấm
Giếng khoan Cột dung dịch
ðiện thế toàn phần
SP = Ej+ Em+ Ek
Sand Shale
Emembrane
Eliquid junction
SP
EEj + Emlj + Em
Ej Em
ðiện thế toàn phần (SSP)
• Với dung dịch NaCl tại 25°C (77°F):
Em = -59.1log(Rmfe/Rwe)
và Ej = -11.5 log(Rmfe/Rwe) trong ñó Rmfeand Rwelà ñiện trở suất tương ñương, liên quan ñến giá trị ñiện trở suất dung dịch khoan Rmfvà ñiện trở suất nước vỉa Rw
• ðiện thế toàn phần hay ñiện thế tĩnh SSP (static SP) với lớp cát dày:
SSP = -K log (Rmfe/Rwe)
trong ñó K là hằng số tỉ lệ với nhiệt ñộ T= (61+0.13T) khi T tính theo °F:
Trang 3Ảnh hưởng của ñộ khoáng hóa ðường cong SP
Không có vẽ trên lưới theo tỉ lệ mà chỉ có ñơn vị quy ước cho chênh lệch 20mv ðơn vị ño là millivolt (mv)
ðường cong SP Ảnh hưởng của môi trường xung quanh lên ñường cong SP
Ứng dụng của phương pháp thế tự nhiên SP
1 Phân chia các lớp ñất ñá trong giếng khoan theo thành phần thạch
học (phân biệt các vỉa thấm chứa và vỉa sét)
2 Xác ñịnh ranh giới và chiều dày của các vỉa cát sét
3 Xác ñịnh hàm lượng sét
4 Xác ñịnh ñiện trở suất của nước vỉa Rw
5 Liên kết các giếng khoan
Xác ñịnh ñiện trở suất của nước vỉa Rw
Cần biết:
1 ðiện trở suất của filtrate dung dịch khoan (Rmf)
2 Nhiệt ñộ của thành hệ (T0C)
3 ESSP
Trang 4Xác ñịnh ñiện trở suất của nước vỉa Rw
Rmf
Rmf@T0
1 Xác ñịnh Rmftại nhiệt ñộ thành hệ
Xác ñịnh ñiện trở suất của nước vỉa Rw
Rmf
Rmfeq
2 Xác ñịnh Rmfeq
Xác ñịnh ñiện trở suất của nước vỉa Rw
ESSP
Rmfeq/Rweq
3 Xác ñịnh tỉ số (Rmfeq/Rweq)
Xác ñịnh ñiện trở suất của nước vỉa Rw
Rweq
Rw
4 Xác ñịnh Rw
Xác ñịnh ñiện trở suất của nước vỉa Rw
Cho biết:
1 Gradien nhiệt ñộ là 30C/100m
2 Nhiệt ñộ trên mặt ñất là 250C
3 Thành hệ @ 2000m
4 ðiện trở suất của filtrate dung dịch khoan là Rmf= 0.05 ohmm@250C
5 ESSP=-112 mv
Xác ñịnh ñiện trở suất của nước vỉa Rw Cho biết:
1 Nhiệt ñộ thành hệ là 1740F
2 Nhiệt ñộ trên mặt ñất là 780F
3 ðiện trở suất của filtrate dung dịch khoan là Rmf= 0.64 ohmm@780F
4 ESSP=-90 mv
Trang 5Spontaneous Potential
Phương pháp gamma tự nhiên
Phương pháp gamma tự nhiên (GR) ño ghi
cường ñộ phóng xạ gamma tự nhiên
của thành hệ
Hầu như tất cả các loại thành hệ ñất ñá ñều
bức xạ ra tia gamma và cường ñộ phụ
thuộc vào hàm lượng của các ñồng vị
phóng xạ của Kali, Thori va Uran có
chứa trong thành hệ ñó
Phương pháp gamma tự nhiên
Phương pháp gamma tự nhiên
GR ño ghi trong giếng khoan thường phản
ánh thành phần sét của thành hệ bởi vì
trong các thành hệ trầm tích, các
nguyên tố phóng xạ thường có khuynh
hướng tích tụ trong sét và khoáng vật
sét
Thành hệ sạch (không có sét) thường có
cường ñộ phóng xạ rất nhỏ, ngoại trừ
tàn núi lửa hoặc granite wash hoặc khi
trong nước trong thành hệ có chứa
muối phóng xạ hoà tan
Cát sét
Sét
Cát sạch
Sét
Tia gamma
• Kali (K40)
• Thori (Th232)
• Uran (U238)
Tia gamma là một dạng sóng ñiện từ có năng lượng cao phát ra từ một nguyên
tố ñồng vị phóng xạ trong tự nhiên
Hầu hết các tia gamma tự nhiên ở vỏ quả ñất ñược phát ra từ 3 nguồn ñồng vị phóng xạ chính:
Trang 6Tia gamma
Mỗi nguyên tố ñồng vị phóng xạ
phát xạ tia gamma có cường ñộ
và năng lượng riêng khác với các
nguyên tố khác
• Kali (K40) chỉ
cho 1 mức năng
lượng 1.46 MeV
• Thori (Th232)
cho mức năng
lượng 2.62 MeV
• Uran (U238) cho
mức năng lượng
1.76 MeV
Tương tác của tia gamma trong môi trường
Khi ñi qua môi trường vật chất (thành hệ ñất ñá), tia gamma thực hiện các
va chạm với các electron của các nguyên tử trong môi trường ñó và mất dần năng lượng sau mỗi lần tương tác
Ba hiệu ứng chính của tia gamma khi tương tác với môi trường
1 Hiệu ứng tạo cặp
2 Hiệu ứng tán xạ Compton
3 Hiệu ứng hấp thụ quang ñiện
Tương tác của tia gamma trong môi trường
Hiệu ứng tạo cặp
Tia gamma có năng lượng cao (>10MeV) có thể tương tác trực tiếp với hạt
nhân nguyên tử và bị hấp thụ hoàn toàn, làm bắn ra từ hạt nhân một cặp
tích ñiện trái dấu là electron và positron
Tương tác của tia gamma trong môi trường
Hiệu ứng tán xạ Compton
Va chạm ñàn hồi giữa tia gamma với một electron ở lớp ngoài cùng của nguyên tử, làm cho tia gamma tán xạ một góc so với hướng ban ñầu và bắn ra một electron compton có năng lượng lớn
Tương tác của tia gamma trong môi trường
Hiệu ứng hấp thụ quang ñiện
Va chạm không ñàn hồi của tia gamma với nguyên tử và mất hoàn toàn
năng lượng Lúc này nguyên tử tích thêm năng lượng và ở vào trạng thái
kích thích
Nguyên tử thoát khỏi trạng thái kích thích bằng cách bắn ra một electron
Thiết bị ño ghi gamma
Máy giếng GR có 1 ñầu thu ño ghi cường ñộ của tia gamma phát ra từ thành
hệ xung quanh máy giếng
Hiện nay, ống ñếm nhấp nháy (scintillation counters) ñược sử dụng chủ yếu cho phép ño ghi này thay cho ống ñếm Geiger-Mueller trước ñây
Ống ñếm nhấp nháy chỉ dài có vài inches nhưng cho giá trị ño ghi khá là chính xác, gồm một tinh thể NaI lớn
Khi tia gamma ñâm vào tinh thể NaI tạo ra một tia sáng, sau ñược chuyển thành một xung ñiện bằng một tế bào quang ñiện
Trang 7ðường cong gamma (GR)
ðơn vị ño là API hoặc xung/phút ðặc ñiểm của ñường cong GR:
• ðối xứng ở vỉa ñồng nhất
• Biên ñộ dị thường phụ thuộc chiều dày
của vỉa
Dáng ñiệu của ñường cong GR phụ thuộc
vào tốc ñộ kéo cáp
Phải khống chế tốc ñộ kéo cáp của máy
sao cho không ñi ñược quá 1ft trong
khoảng hằng số thời gian 2s (khoảng thời
gian ñếm tia gamma)
1ft = vertical resolution GR tool
ðường cong gamma (GR) phụ thuộc tốc ñộ kéo cáp
Tốc ñộ kéo cáp càng nhanh thì dị thường trí ñúng
sét
sét 1m cát
Ưu ñiểm của phương pháp gamma (GR)
Một trong những ưu ñiểm của
phương pháp gamma tự nhiên là
có thể ño ghi ở mọi môi trường,
mọi ñiều kiện, trong giếng khoan
ñã chống ống, trong giếng khoan
khoan bằng dung dịch cơ sở gốc
nước (mặn, ngọt), gốc dầu
ðơn vị ño gamma API
1 API ñược ñịnh nghĩa bằng 1/200 của chênh lệch cường ñộ phóng xạ gamma giữa sét nhân tạo và vỉa vây quanh
Tại University of Houston Một ống trụ dài 24ft., 4ft ñường kính, chứa 8ft xi măng ở giữa trộn với 12ppm U, 24ppm Th và 4% K
Ứng dụng của phương pháp gamma tự nhiên GR
1 Phân chia tỉ mỉ các lớp ñất ñá trong giếng khoan
2 Xác ñịnh ranh giới và chiều dày của các vỉa cát sét
3 Xác ñịnh hàm lượng sét
4 Liên kết các giếng khoan
5 Xác ñịnh môi trường trầm tích
6 Xác ñịnh vật chất hữu cơ và ñá sinh
7 Phát hiện thân quặng chứa phóng xạ
Ứng dụng của phương pháp gamma tự nhiên GR
• Liên kết các giếng khoan
Trang 8Ứng dụng của phương pháp gamma tự nhiên GR
• Xác ñịnh hàm lượng sét
Công thức cho ñá già
(consolidated rocks)
Công thức cho ñá trẻ ñệ Tam
(unconsolidated rocks)
) 1 2
(
*
33
.
sh
V
) 1 2
(
*
083
.
0 3.* −
sh
V
Vsh
G R I
Ứng dụng của phương pháp gamma tự nhiên GR
• Xác ñịnh hàm lượng sét
Công thức Clavier Công thức Bateman
Công thức Steiber
2 ) 7 0 ( 38 3 7
Vsh
) 5
1 ( 5
) 7 1 1 (
) (
÷
=
+
=
n
n GRI
V
Phương pháp phổ gamma
Phương pháp phổ gamma
• Phương pháp phổ Gamma (NGS) ño ghi cường ñộ phóng xạ toàn phần và
ño ghi cả số lượng tia gamma và mức năng lượng của từng bức xạ gamma, nhờ ñó mà cho phép xác ñịnh thành phần của các ñồng vị nguyên
tố phóng xạ K, Th và U trong thành hệ
Trên tài liệu ño ghi phổ gamma:
• URAN - hàm lượng U (phần triệu, ppm)
• THOR- hàm lượng Th (phần triệu, ppm)
• POTA- hàm lượng K (phần trăm,
%) ñược ghi trên rãnh 2 và 3
• SGR (spectral gamma ray) -gamma tổng (API)
• CGR (computed gamma ray) -gamma tổng trừ ñi thành phần
Trang 9Ứng dụng của phương pháp phổ gamma
• Kết hợp với các phương pháp khác ñể xác ñịnh thành phần khoáng vật
• Nhận biết các loại sét và tính hàm lượng của chúng
• Liên kết ñịa tầng theo lát cắt giếng khoan, kể cả trong các giếng khoan có
ống chống
• Kiểm tra chính xác chiều sâu ñể bắn vỉa
• Nghiên cứu tướng trầm tích theo lát cắt giếng khoan
• Xác ñịnh các ñới mất sản phẩm (thief zones, channels) trong xi măng sau
khi chống ống
• Phát hiện các khóang vật phóng xạ như quặng phóng xạ U
Ứng dụng của phương pháp phổ gamma
• Nhận biết các loại sét và tính hàm lượng của chúng
Bài tập: xác ñịnh hàm lượng sét
Xác ñịnh hàm lượng sét
• Xác ñịnh hàm lượng sét của các vỉa A ñến I
• Xác ñịnh hàm lượng sét của các vỉa A ñến I nếu biết ñây là thành hệ trước Kaizozoi
• Vỉa I có gì ñặc biệt?
• Hiệu chỉnh giá trị ño GR của vỉa I và tính lại hàm lượng sét của vỉa này biết: mật ñộ của bùn khoan là 14 lbs/galon; thiết bị ño
GR có ñường kính 3 3/8” và ñặt lệch tâm trong giếng khoan
Xác ñịnh hàm lượng sét
0 GR _120 API
6 - - - CAL - - - 16 in
Xác ñịnh thành phần khoáng vật
Từ ñường cong phổ Gamma (GR, U, Th, K) xác ñịnh thành phần khoáng vật trong các khoảng ñộ sâu sau:
•10665 ft ñến 10675 ft
•10730 ft ñến 10740 ft
•10770 ft ñến 10805 ft
•10810 ft ñến 10820 ft
Trang 10Xác ñịnh thành phần khoáng vật
0 SGR _ 150 API
10 - - - URAN - - - 30 ppm
-2 THOR 38 ppm
-11 POTA 9 %
U Th
K
SGR
10700
10800
) 1 2
(
* 33
sh
V
Vsh
G R I
Acknowledgments
Schlumberger
Baker Atlas
Halliburton