PHƯƠNG PHÁP ĐỊA VẬT LÍ PHƯƠNG PHÁP MẬT ĐỘ PHƯƠNG PHÁP NƠTRON PHƯƠNG PHÁP ÂM HỌC lê hải an

Lê Hải An Bộ môn ðịa vật lý, Khoa Dầu khí, Phần 2: Các phương pháp xác ñịnh ñộ rỗng • Phương pháp mật ñộ Density, Litho-density Logs • Phương pháp nơtron Neutron Log • Phương pháp âm học

ðỊA VẬT LÝ GIẾNG KHOAN

TS Lê Hải An

Bộ môn ðịa vật lý, Khoa Dầu khí,

Phần 2: Các phương pháp xác ñịnh ñộ rỗng

• Phương pháp mật ñộ (Density, Litho-density Logs)

• Phương pháp nơtron (Neutron Log)

• Phương pháp âm học (Sonic Log)

Phương pháp mật ñộ

Phương pháp mật ñộ

Phương pháp mật ñộ là phương pháp ño ghi mật ñộ khối biểu kiến của thành hệ dựa trên hiện tượng tán xạ của tia gamma khi tương tác với môi trường (còn gọi là

pp gamma-gamma)

Tương tác của tia gamma trong môi trường

Năng lượng của tia gamma: Eγ=hν, trong ñó h là hằng số Plank, νlà vận tốc

Khi ñi qua môi trường vật chất (thành hệ ñất ñá), tia gamma thực hiện các va

chạm với các electron và hạt nhân 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 Tùy theo mức năng lượng của tia gamma mà xảy ra các hiệu ứng: tạo cặp, tán

xạ Compton hay hấp thụ quang ñiện

Hệ số suy giảmµµµµ

Khi tương tác với môi trường, phụ thuộc vào mức năng lượng, tia gamma bị lôi

cuốn vào tạo cặp, tán xạ Compton hay hấp thụ quang ñiện, kết quả cuối cùng là

tia gamma mất dần năng lượng, một phần bị hấp thụ

Quá trình này ñược ñặc trưng bởi hệ số suy giảmµcủa tia gamma

Iγ= Iγ 0.e- µ x

hấp thụ

tán xạ Compton

Phương pháp mật ñộ (density log)

• Sử dụng nguồn Cs137, phát ra tia gamma có mức năng lượng E = 0.66 MeV

• Tại mức năng lượng này thì hiệu ứng tạo cặp là không có

• Detector ñược thiết kế sao cho chắn ngoài tất cả tia gamma có E < 0.2 MeV

• Như vậy E từ 0.2 ñến 0.66 MeV, tán xạ Compton là chủ yếu

Phương pháp mật ñộ (density log)

• E từ 0.2 ñến 0.66 MeV: tán xạ Compton

• Số tia gamma tán xạ Compton mà máy giếng ghi ñược liên quan trực tiếp với

mật ñộ electron (số electron trong 1 cm3-ρe) trong thành hệ

• Mật ñộ electron lại có quan hệ trực tiếp với mật ñộ khốiρbcủa thành hệ ñó

• Số ñếm tia gamma của detector sẽ là một chỉ thị cho mật ñộ khối của môi

trường ñất ñá

Phương pháp mật ñộ (density log)

• Quan hệ giữa mật ñộ electron ρevà mật ñộ khốiρbcủa thành hệ













=

A

Z

b e

2 ρ ρ









W Mol

s Z

b e

.

' 2

ρ ρ

Phương pháp mật ñộ (density log)

• ðối với phần lớn các ñá và các nguyên tố phổ biến trong các khoáng vật tạo ñá,

số hạng trong dấu ngoặc ñơn ở hai công thức trên xấp xỉ bằng 1

Phương pháp mật ñộ (density log)

• Vì vậy các thiết bị ño tán xạ mật ñộ chuẩn ñịnh cỡ trong môi trường ñá vôi bão hoà nước ngọt thì mật ñộ khối biểu kiến ño ñược bằng thiết bị ñó ra có quan hệ với chỉ số mật ñộ electron

ρa= 1,0704 ρe– 0.1883

Phương pháp mật ñộ Máy giếng ño mật ñộ

• Có hai Detector ñặt

xa nhau ñể loại trừ ảnh hưởng của lớp

vỏ sét

• ðặt áp sườn ñể loại trừ ảnh hưởng của dung dịch khoan và ñường kính giếng khoan

Phương pháp mật ñộ thạch học (litho-density log)

• Phương pháp mật ñộ thạch học là một biến thể của phương pháp mật ñộ, ngoài

ño mật ñộ khốiρbcòn ño chỉ số tiết diện hấp thụ quang ñiện (Pe)

• Chỉ số Penày liên quan chặt chẽ ñến thành phần thạch học của thành hệ

• Nguồn phát tia gamma có mức năng lượng 662 keV

• Tia gamma bị mất năng lượng khi tán xạ trong môi trường và cuối cùng bị hấp

thụ hoàn toàn bằng hiệu ứng hấp thụ quang ñiện

Phương pháp mật ñộ thạch học (litho-density log)

Low electrone density High electrone density

6 , 3











= Z

Pe

Tiết diện hấp thụ quang ñiện Pe(barn/electron) liên quan ñến số nguyên tử của các nguyên tố Z như sau:

Công thức (5.9) trong sách Log Interpretation/Principles Applications

SAI!

Phương pháp mật ñộ thạch học (litho-density log)

U

Peρe=

Chỉ số thể tích hấp thụ quang ñiện U:

2.65 gm/cc 2.49 gm/cc 2.71 gm/cc

2.87 gm/cc 2.68 gm/cc

gas effect 2.32 gm/cc

density variable 2- 2.8 gm/cc

1.2 - 1.5 gm/cc 2.03 g/cc 2.95 gm/cc Sill (igneous)

Salt Organic shale

compact

poorly compacted

Shale

Sandstone

ø = 20%

gas

Shale Dolomite

ø=0

ø = 10%

ø=0

ø = 10%

Limestone

Quartzite Sandstone

ø = 0

ø = 10%

(gm/cc) bulk density

Shale

oil water

Coal

ðường cong ño ghi mật ñộ Thiết bị mật ñộ - thạch học (LDT) - Spines and Ribs

1.9 2.0 2.1 2.2 2.3

2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9

Mud cake with barite

Mud cake without barite

Increasing Mud cake Thickness Increasing

Mud cake Thickness

A B

C

Short spacing Count Rate

Spines= ñường thẳng gia tăng của mật ñộ khi cross-plot số ño của detector xa và detector gần

Khi không có sự có mặt của lớp vỏ sét hai số ño phải cho cùng một mật

ñộ (nằm trên ñường thẳng Spines) Khi có sự có mặt của lớp

vỏ sét (qua vỉa thấm) hai

số ño mật ñộ khác nhau

và cần phải hiệu chỉnh

ñể xác ñịnh mật ñộ thật

Thiết bị mật ñộ - thạch học (LDT) - Spines and Ribs

1.9 2.0

2.1 2.2 2.3

2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9

Mud cake with barite

Mud cake without barite

Increasing Mud cake Thickness Increasing

Mud cake Thickness

A B

C

Short spacing Count Rate

ðiểm A: mật ñộ thật

Khi có mặt của lớp vỏ

sét, ñiểm A dịch chuyển

ñến ñiểm B hoặc ñiểm C

phụ thuộc vào sự có mặt

của khoáng vật nặng

(barite) trong dung dịch

khoan hay không

Máy giếng sẽ tự hiệu

chỉnh giá trị mật ñộ về

giá trị thật

ðường cong ño ghi mật ñộ

ρ

∆ρ

Mật ñộ ñã

Giá trị hiệu chỉnh

∆ρ > 0

∆ρ > 0

ðường cong ño ghi mật ñộ ∆ρ

ρ ρρ

ρ ρρ

ρb

licΔ

ρ Δ

ρΔρ Δ ρ

∆ρ < 0

Các yếu tố môi trường ảnh hưởng lên số ño của các phương pháp mật ñộ

•Dung dịch khoan

•ðộ nhẵn của thành giếng khoan

•Lớp vỏ sét

Ứng dụng của các phương pháp mật ñộ

•Xác ñịnh ñộ rỗng của ñá chứa

•Xác ñịnh khoáng vật (kết hợp với GR, NGS)

•Xác ñịnh ranh giới vỉa

•Kiểm tra trạng thái kỹ thuật của giếng khoan sau khi chống ống

Xác ñịnh ñộ rỗng của ñá chứa

ρ b = f( ρ ma , Φ , ρ f )

Φ =?

Xác ñịnh ñộ rỗng của ñá chứa

Xác ñịnh ñộ rỗng và thành phần khoáng vật Xác ñịnh thành phần khoáng vật

Xác ñịnh thành phần khoáng vật

Bài tập: xác ñịnh ñộ rỗng

Xác ñịnh ñộ rỗng

1 Xác ñịnh ñộ rỗng của các vỉa 1 - 8 Hiệu chỉnh ảnh hưởng của sét

lên ñộ rỗng Giả thiết thành hệ là cát kết

2 Xác ñịnh ñộ rỗng của vỉa sản phẩm 1 – 4, giả thiết thành hệ là ñá

vôi

Xác ñịnh ñộ rỗng

0 GR _100 API

2 RHOB 3 g/cc

1 2

4 5 6

8 7

GR 1 2

4 5 6

8 7

GR

RHOB

Phương pháp neutron

Phương pháp neutron

Phương pháp neutron là phương pháp nghiên cứu lát cắt giếng khoan thông qua nghiên cứu mật ñộ neutron, cường

ñộ bức xạ gamma trong môi trường sau khi bắn phá bằng chùm neutron có năng lượng cao

Neutron

• Neutron là hạt không mang ñiện, có khối lượng bằng 1.6749x10-27g

• Dễ dàng ñâm xuyên qua vật chất

• Là một hạt không bền, phân rã với chu kỳ T1/2=1.01x103 giây=16.83 phút,

thành Proton, Electron và Antineutron với năng lượng phát ra là 0.78 MeV

Neutron

1.Neutron nhanh: En > 0.1 MeV

2.Neutron trung gian: 100 eV < En < 0.1 MeV

3.Neutron trên nhiệt: 0.025 eV < En < 100 eV

4.Neutron nhiệt: En < 0.025 eV Phụ thuộc vào năng lượng, neutron ñược phân loại thành:

Tương tác của Neutron với môi trường vật chất

1.Tán xạ ñàn hồi

2.Tán xạ không ñàn hồi

3.Hấp thụ neutron

Khi neutron tương tác với môi trường vật chất thường xảy ra các hiện tượng sau:

Tán xạ ñàn hồi Xảy ra giữa hạt nhân và neutron như hai quả cầu lý tưởng Neutron nhanh mất năng lượng và tán xạ dưới một gócϕso với hướng ban ñầu Sau mỗi lần va chạm với hạt nhân, neutron lại chuyển ñộng chậm lại

Tán xạ ñàn hồi

Tiêu hao năng lượng của neutron phụ thuộc vào khối lượng của hạt nhân M

và góc tán xạϕ

( )2 2

1 1 cos 2

+ + +

=

M M M E

o E

( ) ( )2 2

1

1

+

−

=

M M

α

0

0 E (1 )E E

∆ Tiêu hao năng lượng

Tiêu hao năng lượng của neutron là lớn nhất khiα= 0 khi neutron va chạm

với hạt nhân của nguyên tử Hydro (M=1)

Tán xạ không ñàn hồi Xảy ra với neutron nhanh và hạt nhân của các nguyên tố nặng (không thể xảy ra với hạt nhân của Hydro)

Neutron truyền ñộng năng của mình cho hạt nhân làm hạt nhân tích thêm năng lượng Hạt nhân bị kích thích và phát ra lượng tử gamma ñể trở về trạng thái ban ñầu

Hấp thụ neutron

Chủ yếu xảy ra với neutron nhiệt

Khi hạt nhân hấp thụ neutron thường kéo theo xảy ra các hiện tượng giải phóng

proton, hạtα (He), bắn ra một vài neutron hoặc lượng tử gamma

3 nguyên tố có hạt nhân bắt giữ neutron nhiều nhất là Cl, B và Cd

Tiết diện (σ)bắt giữ neutron và ñàn hồi

Thời gian sống của neutron

Vùng năng lượng neutron trên nhiệt

Bức xạ ra tia gamma Bắt giữ Vùng năng lượng

năng lượng khi rời

nguồn

nă

lư

g

ut

(e

Nguồn AmBe

Máy phát xung

Thời gian sống của neutron Hai quá trình xảy ra khi neutron rời nguồn: làm chậm và bị hấp thụ

Mật ñộ của neutron tại một ñiểm phụ thuộc vào:

Khoảng cách từ nguồn Mật ñộ của nguyên tử gây nên tán xạ Mật ñộ của nguyên tử gây nên bắt giữ

Thiết bị ño ghi neutron

Nguồn phát neutron: có thể là nguồn hóa học hoặc nguồn phát xung

Nguồn hóa học: chứa hỗn hợp Am và Be

4Be + 2He -> 6C + n + 5.76 MeV Nguồn phát xung: gồm một máy gia tốc electron và một bia, khi electron bắn vào bia làm phát ra chùm neutron

Thiết bị ño ghi neutron

Nguồn hóa học

Nguồn phát xung

Thiết bị ño ghi neutron

Detector: gồm 2 dectector ñược ñặt gần và

xa so với nguồn

Thiết bị ño ghi neutron

Khoảng cách từ nguồn ñến hai detector phải ñược thiết kế sao cho không nằm vào vùng giao thoa (không phân dị) của các ñường cong biến thiên mật

ñộ neutron theo khoảng cách và ñộ rỗng

khoảng cách từ nguồn (cm)

M ật ne ro

ðộ rỗng

Detector

Vùng giao thoa

Thiết bị ño ghi neutron

DNL: Dual Energy Neutron Log

SNP: Sidewall Neutron Porosity Log

CNL: Compensated Neutron Log

GNT: Gamma Neutron Tool

CNL – Compensated Neutron Log

Mật ñộ của neutron nhiệt tại một ñiểm cách nguồn một khoảng cố ñịnh phụ thuộc chủ yếu vào lượng hydrogen (chỉ số hydro – hydrogen index HI) giữa nguồn và ñiểm ñó

CNL ñược thiết kế ñể ño neutron nhiệt – cho phép xác ñịnh chỉ số hydro của thành hệ

ðường cong neutron

Phương pháp neutron cho biết

chỉ số Hydro (HI) của thành hệ

HI của nước = 1

HI của dầu ~ nước

HI của khí rất nhỏ (là cơ sở

ñể xác ñịnh gas effect)

ðơn vị neutron API

1 neutron API ñược ñịnh nghĩa bằng 1/1000 của chênh lệch giữa

“electrical zero” và số ño ở 6ft ñá vôi Indiana có 19% ñộ rỗng

Tại University of Houston Một ống trụ dài 24ft., 6ft ñường kính, ở giữa chứa 6ft ñá vôi Indiana với 19% ñộ rỗng

ðơn vị ño ñộ rỗng neutron

ðộ rỗng neutron (theo chuẩn ñá vôi – limestone matrix)

= ln (Số ño API * hằng số 1 + hằng số 2)

Mỗi thiết bị sẽ có một phép chuyển ñổi từ ñơn vị neutron API sang ñộ rỗng

ðộ rỗng (thành hệ cát kết) = 0.95 (ðộ rỗng neutron (chuẩn ñá vôi)) + 035

Ứng dụng của phương pháp neutron

• Xác ñịnh ñộ rỗng của ñá chứa

• Kết hợp với các phương pháp khác ñể xác ñịnh thạch học và ñộ rỗng

• Xác ñịnh vỉa khí

• Xây dựng lát cắt thành giếng khoan

• Xác ñịnh các ranh giới dầu nước, dầu khí, khí nước

Xác ñịnh ñộ rỗng và thạch học

Bài tập: xác ñịnh ñộ rỗng

Xác ñịnh ñộ rỗng

1 Xác ñịnh ñộ rỗng của các vỉa sản phẩm A - D Giả thiết thành hệ là

ñá vôi

2 Xác ñịnh ñộ rỗng của các vỉa sản phẩm A - D Giả thiết thành hệ là

cát kết

Xác ñịnh ñộ rỗng

0 GR _ 80 API

30 NPHI -10 % NPHI

GR

Xác ñịnh ñộ rỗng

1 Xác ñịnh ñộ rỗng của các vỉa cát sét X880, X980, X025 Hiệu chỉnh

ảnh hưởng của sét lên thành hệ

Xác ñịnh ñộ rỗng

0 GR _ 125 API

6 - - - CAL - - - 16 in

30 NPHI -10 %

30 PHID -10 % NPHI

PHID

Alpha Processing

NPHI TNPH NPOR

• NPHI: traditional ratio to porosity

transform from instantaneous near and

far counts

• TNPH: new ratio to porosity transform:

dead time, depth and resolution match

• NPOR: enhanced resolution processing

using short spacing detector countrates

and TNPH

Alpha Processing

NPHI

TNPH NPOR

Alpha Processing

It utilizes the higher resolution of the near detector to increase the resolution of

the more accurate far detector

Alpha Processing The first step is to depth-match the two detectors' responses

Alpha Processing

The next step is to match the resolution of both detectors

Alpha Processing The difference between the two readings now gives the "high frequency" information -which highlights thin beds missed by the far detector

Alpha Processing

The "high frequency" information is added to the far detector signal to give the final

enhanced log

Phương pháp âm

Phương pháp âm

Phương pháp âm là phương pháp nghiên cứu lát cắt giếng khoan thông qua nghiên

cứu thời gian lan truyền của sóng ñàn hồi ở tần số âm thanh trong môi trường ñất ñá

Lan truyền của sóng âm trong môi trường

Sóng ñàn hồi ñược ñặc trưng bởi các tham số: biên ñộ, chu kỳ, tần số, bước sóng, vận tốc

Các loại sóng âm

Các loại sóng âm Sóng dọc (sóng nén): hướng dịch chuyển của vật chất song song với hướng truyền sóng

Các loại sóng âm

Sóng ngang: hướng dịch chuyển của vật chất vuông góc với hướng truyền sóng

Lan truyền của sóng âm trong môi trường giếng khoan

Sóng dọc Sóng ngang Sóng ống

Thời gian

Kh ng cá

•Sóng ñàn hồi ñược phát từ chấn

tử phát (T), qua dung dịch khoan (a), khúc xạ và lan truyền trong thành hệ (b), sau ñó lại khúc xạ và

ñi qua dung dịch khoan (c) tới chấn tử thu (R)

•Chấn tử phát và chấn tử thu ñược ñặt cách nhau một khoảng cách L cố ñịnh

•Thời gian sóng ñàn hồi ñi theo ñường a, b, c ñược gọi là thời gian truyền sóng t

Thiết bị ño âm

• Thời gian sóng ñàn hồi ñi theo

a, b, c ñược gọi là thời gian truyền sóng t

• Vận tốc truyền sóng là:

L / (a+b+c)

• Trong phương pháp âm, ñơn vị biểu diễn là thời gian truyền sóng trên một ñơn vị chiều dài:

∆t= (a+b+c)/L

•ðơn vịµs/ft hoặcµs/m

Thiết bị ño âm

•ðể loại trừ ảnh hưởng của dung dịch khoan, thiết bị có hai chấn tử thu R1, R2 ñược sử dụng

•Thời gian truyền sóng:

∆t= [(a+b+c)-(a+d+c)]/L

= (b-d)/L

Thiết bị ño âm Thiết bị ño âm

Thiết bị ựo âm (Array Ờ Sonic)

Cho phép ựo ghi cả 3 sóng (sóng dọc, sóng ngang và sóng ống)

Phương pháp xử lý Slowness-Time Coherence (STC)

1.Mục ựắch ựể trắch thông tin của sóng sóng ngang và sóng ống

2.đánh dấu các loại sóng ựã xác ựịnh

đơn vịộs/ft hoặcộs/m

Hiệu ứng khí (Gas Effect) Ứng dụng của phương pháp âm học

•Tính ñộ rỗng của ñá cát sét

•Kết hợp với các phương pháp ñộ rỗng khác ñể tính ñộ rỗng nứt nẻ trong các ñá carbonate

•Minh giải ñịa chấn (Synthetic – tích chập)

•Phát hiện dị thường áp suất cao

∆ t= f( ∆ t ma , Φ , t f )

Φ =?

Tính ñộ rỗng của ñá cát sét

V ma

V fl

fluid

Hiệu chỉnh ảnh hưởng của sét

Synthetic – tích chập

Lan truyền của sóng trong môi trường

© Schlumberger

STC & STC Projection Log

© Schlumberger

Bài tập: xác ñịnh hàm lượng sét và ñộ rỗng

1 Xác ñịnh hàm lượng sét từ ñường cong SP và GR ở các khoảng ñộ sâu

sau:

6500-6510, 6530-6540, 6545-6555, 6570-6580, 6610-6620, 6640-6650,

6690-6700 ft

2 Tại sao lại có sự khác biệt của hàm lượng sét tính từ SP và GR ở các

khoảng 6610-6620 và 6690-6700 ft Hàm lượng sét phải hiệu chỉnh ra

sao?

3 Xác ñịnh Rwbiết: nhiệt ñộ thành hệ là 150oF, Rmf@150oF=0.0967 Ohmm

4 Xác ñịnh ñộ rỗng theo sonic log ở các khoảng ñộ sâu kể trên, giả thiết

thành hệ là cát sét

5 Xác ñịnh thành phần thạch học tại các khoảng ñộ sâu: 6562-6568,

6660-6680 và 6660-6680-6700 ft

6 Nguyên nhân của dị thường tại khoảng ñộ sâu dưới 6570 ft

Bài tập

Schlumberger

Baker Atlas

Halliburton