Bài giảng Địa vật lý giếng khoan - Phần 1: Các phương pháp đo lường tự nhiên

1ðỊA VẬT LÝ GIẾNG KHOAN TS. Lê Hải An Bộ mơn ðịa vật lý, Khoa Dầu khí, TRƯỜNG ðẠI HỌC MỎ - ðỊA CHẤT Phần 1: Các phương pháp đo 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 điện thế giữa điện cực thả vào trong giếng khoan và điện cực ở trên mặt đất (khi khơng cĩ dịng điện phát – trường điện thế tự nhiên) ðiện thế này thay đổi từ lớp đất đá này sang lớp đất đá khác ðiên thế cĩ thể biến thiên từ một vài đến hàng trăm millivolt ðiện cực ðiện cực nối đất Giếng khoan Cáp đo Phương pháp thế tự nhiên Giếng khoan phải là được khoan bằng dung dịch cơ sở gốc nước (khơng đo ghi được trong giếng khoan bằng dung dịch cơ sở gốc dầu) Hệ điện cực đo ghi SP được chế tạo trong nhiều máy giếng như: induction log, laterolog, sonic log, sidewall core gun Nguồn gốc của trường thế tự nhiên • Thế điện hĩa học (electrochemical) • Thế điện động lực (electrokinetic) Gồm 2 nguồn chính: 2Thế điện hĩa học: gồm hai quá trình điện hĩa xảy ra khi cĩ hai chất lưu cĩ nồng độ khống hĩa khác nhau (filtrate dung dịch khoan và nước vỉa) tiếp xúc vĩi nhau hay thơng qua màng bán thấm (sét vây quanh) Thế điện hĩa (E c ) Thế điện hĩa (E c ) Thành phần thứ nhất: thế hấp phụ - thế màng lọc (E m ) Sét cho phép các ion Na + đi qua, trong khi đĩ lại ngăn cản khơng cho các ion Cl - đi qua và hấp phụ chúng. Dịng ion Na + chạy qua lớp sét từ nơi cĩ độ khống hĩa cao (nước vỉa) đến nơi cĩ độ khống hĩa thấp (filtrate dung dịch khoan) tạo nên một điện thế hấp phụ E m Giếng khoan Thế điện hĩa (E c ) Thành phần thứ hai: thế khuyếch tán (E j ) Giữa thành hệ và dung dịch khoan cĩ sự chênh lệch về nồng độ khống hĩa (chủ yếu là NaCl: ion Na + và ion Cl - ) Các ion sẽ chuyển dịch từ nơi cĩ nồng độ cao (nước vỉa) sang nơi cĩ nồng độ thấp (dung dịch khoan) Do độ linh động của ion Na + và Cl - khác nhau (ion Cl - chuyển động nhanh hơn), do vậy mà tạo nên trên ranh giới giữa đới rửa và đới nguyên một điện thế khuyếch tán E s Giếng khoan Thế điện động lực (E k ) Hình thành khi cĩ dịng dung dịch điện phân thấm vào mơi trường rỗng phi kim (khơng kim loại) Sự chênh áp giữa cột dung dịch và vỉa gây nên dịng filtrate dung dịch khoan thấm vào thành hệ (quá trình xâm nhập) Dịng filtrate dung dịch khoan đi qua lớp vỏ bùn (mudcake) tạo nên một thế điện động lực E k Thế điện động lực E k này rất nhỏ và biến mất khi lớp vỏ sét trở nên khơng thấm Giếng khoan Cột dung dịch ðiện thế tồn phần SP = E j + E m + E k Mud Sand Shale Emembrane Eliquid junction Invaded zone Virgin zone SP Elj + Emj m Ej E ðiện thế tồn phần (SSP) • Với dung dịch NaCl tại 25°C (77°F): Em = -59.1log(R mfe /R we ) và Ej = -11.5 log(R mfe /R we ) trong đĩ R mfe and R we là điện trở suất tương đương, liên quan đến giá trị điện trở suất dung dịch khoan R mf và điện trở suất nước vỉa R w • ðiện thế tồn phần hay điện thế tĩnh SSP (static SP) với lớp cát dày: SSP = -K . log (R mfe /R we ) trong đĩ K là hằng số tỉ lệ với nhiệt độ T= (61+0.13T) khi T tính theo °F: SSP = - (61 + 0.13T) . log (R mfe /R we ) 3Ảnh hưởng của độ khống hĩa ðường cong SP Khơng cĩ vẽ trên lưới theo tỉ lệ mà chỉ cĩ đơn vị quy ước cho chênh lệch 20mv ðơn vị đo là millivolt (mv) ðường cong SP Ảnh hưởng của mơi trường xung quanh lên đường cong SP Ứng dụng của phương pháp thế tự nhiên SP 1. Phân chia các lớp đất đá trong giếng khoan theo thành phần thạch học (phân biệt các vỉa thấm chứa và vỉa sét) 2. Xác định ranh giới và chiều dày của các vỉa cát sét 3. Xác định hàm lượng sét 4. Xác định điện trở suất của nước vỉa R w 5. Liên kết các giếng khoan Xác định điện trở suất của nước vỉa Rw Cần biết: 1. ðiện trở suất của filtrate dung dịch khoan (R mf ) 2. Nhiệt độ của thành hệ (T 0 C) 3. E SSP 4Xác định điện trở suất của nước vỉa Rw R mf R mf @T 0 1. Xác định R mf tại nhiệt độ thành hệ Xác định điện trở suất của nước vỉa Rw R mf R mfeq 2. Xác định R mfeq Xác định điện trở suất của nước vỉa Rw E SSP R mfeq /R weq 3. Xác định tỉ số (R mfeq /R weq ) Xác định điện trở suất của nước vỉa Rw R weq R w 4. Xác định R w Xác định điện trở suất của nước vỉa Rw Cho biết: 1. Gradien nhiệt độ là 3 0 C/100m 2. Nhiệt độ trên mặt đất là 25 0 C 3. Thành hệ @ 2000m 4. ðiện trở suất của filtrate dung dịch khoan là R mf = 0.05 ohmm@25 0 C 5. E SSP =-112 mv Xác định điện trở suất của nước vỉa Rw Cho biết: 1. Nhiệt độ thành hệ là 174 0 F 2. Nhiệt độ trên mặt đất là 78 0 F 3. ðiện trở suất của filtrate dung dịch khoan là R mf = 0.64 ohmm@78 0 F 4. E SSP =-90 mv 5Spontaneous Potential © Schlumberger Phương pháp gamma tự nhiên Phương pháp gamma tự nhiên Phương pháp gamma tự nhiên (GR) đo ghi cường độ phĩng xạ gamma tự nhiên của thành hệ. Hầu như tất cả các loại thành hệ đất đá đều bức xạ ra tia gamma và cường độ phụ thuộc vào hàm lượng của các đồng vị phĩng xạ của Kali, Thori va Uran cĩ chứa trong thành hệ đĩ Phương pháp gamma tự nhiên Phương pháp gamma tự nhiên GR đo ghi trong giếng khoan thường phản ánh thành phần sét của thành hệ bởi vì trong các thành hệ trầm tích, các nguyên tố phĩng xạ thường cĩ khuynh hướng tích tụ trong sét và khống vật sét. Thành hệ sạch (khơng cĩ sét) thường cĩ cường độ phĩng xạ rất nhỏ, ngoại trừ tàn núi lửa hoặc granite wash hoặc khi trong nước trong thành hệ cĩ chứa muối phĩng xạ hồ tan Cát sét Sét Cát sạch Sét Tia gamma • Kali (K 40 ) • Thori (Th 232 ) • Uran (U 238 ) Tia gamma là một dạng sĩng điện từ cĩ năng lượng cao phát ra từ một nguyên tố đồng vị phĩng xạ trong tự nhiên. Hầu hết các tia gamma tự nhiên ở vỏ quả đất được phát ra từ 3 nguồn đồng vị phĩng xạ chính: 6Tia gamma Mỗi nguyên tố đồng vị phĩng xạ phát xạ tia gamma cĩ cường độ và năng lượng riêng khác với các nguyên tố khác • Kali (K 40 ) chỉ cho 1 mức năng lượng 1.46 MeV • Thori (Th 232 ) cho mức năng lượng 2.62 MeV • Uran (U 238 ) cho mức năng lượng 1.76 MeV Tương tác của tia gamma trong mơi trường Khi đi qua mơi trường vật chất (thành hệ đất đá), tia gamma thực hiện các va chạm với các electron của các nguyên tử trong mơi trường đĩ và mất dần năng lượng sau mỗi lần tương tác Ba hiệu ứng chính của tia gamma khi tương tác với mơi trường 1. Hiệu ứng tạo cặp 2. Hiệu ứng tán xạ Compton 3. Hiệu ứng hấp thụ quang điện Tương tác của tia gamma trong mơi trường Hiệu ứng tạo cặp Tia gamma cĩ năng lượng cao (>10MeV) cĩ thể tương tác trực tiếp với hạt nhân nguyên tử và bị hấp thụ hồn tồn, làm bắn ra từ hạt nhân một cặp tích điện trái dấu là electron và positron Tương tác của tia gamma trong mơi trường Hiệu ứng tán xạ Compton Va chạm đàn hồi giữa tia gamma với một electron ở lớp ngồi cùng của nguyên tử, làm cho tia gamma tán xạ một gĩc so với hướng ban đầu và bắn ra một electron compton cĩ năng lượng lớn Tương tác của tia gamma trong mơi trường Hiệu ứng hấp thụ quang điện Va chạm khơng đàn hồi của tia gamma với nguyên tử và mất hồn tồn năng lượng. Lúc này nguyên tử tích thêm năng lượng và ở vào trạng thái kích thích Nguyên tử thốt khỏi trạng thái kích thích bằng cách bắn ra một electron Thiết bị đo ghi gamma Máy giếng GR cĩ 1 đầu thu đo ghi cường độ của tia gamma phát ra từ thành hệ xung quanh máy giếng. Hiện nay, ống đếm nhấp nháy (scintillation counters) được sử dụng chủ yếu cho phép đo ghi này thay cho ống đếm Geiger-Mueller trước đây. Ống đếm nhấp nháy chỉ dài cĩ vài inches nhưng cho giá trị đo ghi khá là chính xác, gồm một tinh thể NaI lớn Khi tia gamma đâm vào tinh thể NaI tạo ra một tia sáng, sau được chuyển thành một xung điện bằng một tế bào quang điện 7ðường cong gamma (GR) ðơn vị đo là API hoặc xung/phút ðặc điểm của đường cong GR: • ðối xứng ở vỉa đồng nhất • Biên độ dị thường phụ thuộc chiều dày của vỉa Dáng điệu của đường cong GR phụ thuộc vào tốc độ kéo cáp Phải khống chế tốc độ kéo cáp của máy sao cho khơng đi được quá 1ft trong khoảng hằng số thời gian 2s (khoảng thời gian đếm tia gamma) 1ft = vertical resolution GR tool ðường cong gamma (GR) phụ thuộc tốc độ kéo cáp Tốc độ kéo cáp càng nhanh thì dị thường lại càng bị dịch chuyển lên trên ra khỏi vị trí đúng sét sét 1m cát Ưu điểm của phương pháp gamma (GR) Một trong những ưu điểm của phương pháp gamma tự nhiên là cĩ thể đo ghi ở mọi mơi trường, mọi điều kiện, trong giếng khoan đã chống ống, trong giếng khoan khoan bằng dung dịch cơ sở gốc nước (mặn, ngọt), gốc dầu. ðơn vị đo gamma API 1 API được định nghĩa bằng 1/200 của chênh lệch cường độ phĩng xạ gamma giữa sét nhân tạo và vỉa vây quanh Tại University of Houston Một ống trụ dài 24ft., 4ft đường 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 đất đá trong giếng khoan 2. Xác định ranh giới và chiều dày của các vỉa cát sét 3. Xác định hàm lượng sét 4. Liên kết các giếng khoan 5. Xác định mơi trường trầm tích 6. Xác định vật chất hữu cơ và đá sinh 7. Phát hiện thân quặng chứa phĩng xạ Ứng dụng của phương pháp gamma tự nhiên GR • Liên kết các giếng khoan 8Ứng dụng của phương pháp gamma tự nhiên GR • Xác định hàm lượng sét Cơng thức cho đá già (consolidated rocks) Cơng thức cho đá trẻ đệ Tam (unconsolidated rocks) )12(*33.0 *2 −= GRIshV )12(*083.0 *7.3 −= GRIshV Vsh G R I Ứng dụng của phương pháp gamma tự nhiên GR • Xác định hàm lượng sét Cơng thức Clavier Cơng thức Bateman Cơng thức Steiber 2)7.0(38.37.1 +−−= GRIVsh )5.1(5.0 GRIGRIV sh −= )7.12.1( )( ÷= + = n nGRI sh GRIV Phương pháp phổ gamma Phương pháp phổ gamma • Phương pháp phổ Gamma (NGS) đo ghi cường độ phĩng xạ tồn phần và đo ghi cả số lượng tia gamma và mức năng lượng của từng bức xạ gamma, nhờ đĩ mà cho phép xác định thành phần của các đồng vị nguyên tố phĩng xạ K, Th và U trong thành hệ Phương pháp phổ gamma Tồn bộ phổ gamma được chia thành 5 mức cửa sổ năng lượng: W1, W2, W3, W4, W5 để “bắt giữ”các tia gamma tương ứng với các đồng vị phĩng xạ khác nhau, từ đĩ cĩ thể xác định được hàm lượng K, U và Th trong thành hệ ðường cong phổ gamma Trên tài liệu đo ghi phổ gamma: • URAN - hàm lượng U (phần triệu, ppm) • THOR- hàm lượng Th (phần triệu, ppm) • POTA- hàm lượng K (phần trăm, %) được ghi trên rãnh 2 và 3 • SGR (spectral gamma ray) - gamma tổng (API) • CGR (computed gamma ray) - gamma tổng trừ đi thành phần của U (API) hay là gamma tổng thành phần của Th và K được ghi ở rãnh 1 9Ứng dụng của phương pháp phổ gamma • Kết hợp với các phương pháp khác để xác định thành phần khống vật • Nhận biết các loại sét và tính hàm lượng của chúng • Liên kết địa tầng theo lát cắt giếng khoan, kể cả trong các giếng khoan cĩ ống chống • Kiểm tra chính xác chiều sâu để bắn vỉa • Nghiên cứu tướng trầm tích theo lát cắt giếng khoan. • Xác định các đới mất sản phẩm (thief zones, channels) trong xi măng sau khi chống ống • Phát hiện các khĩang vật phĩng xạ như quặng phĩng xạ U Ứng dụng của phương pháp phổ gamma • Nhận biết các loại sét và tính hàm lượng của chúng Bài tập: xác định hàm lượng sét Xác định hàm lượng sét • Xác định hàm lượng sét của các vỉa A đến I • Xác định hàm lượng sét của các vỉa A đến I nếu biết đây là thành hệ trước Kaizozoi • Vỉa I cĩ gì đặc biệt? • Hiệu chỉnh giá trị đo GR của vỉa I và tính lại hàm lượng sét của vỉa này biết: mật độ của bùn khoan là 14 lbs/galon; thiết bị đo GR cĩ đường kính 3 3/8” và đặt lệch tâm trong giếng khoan Xác định hàm lượng sét 0 ______ GR _____ 120 API 6 - - - CAL - - - 16 in Xác định thành phần khống vật Từ đường cong phổ Gamma (GR, U, Th, K) xác định thành phần khống vật trong các khoảng độ sâu sau: • 10665 ft. đến 10675 ft. • 10730 ft. đến 10740 ft. • 10770 ft. đến 10805 ft. • 10810 ft. đến 10820 ft. 10 Xác định thành phần khống vật 0 ______ SGR _____ 150 API 10 - - - URAN - - - 30 ppm -2 ______ THOR ____ 38 ppm -11 ______ POTA ____ 9 % U Th K SGR 10700 10800 )12(*33.0 *2 −= GRIshV Vsh G R I Acknowledgments Schlumberger Baker Atlas Halliburton