Bài giảng Địa vật lý giếng khoan - Phần 2: Các phương pháp xác định độ rỗng

1ðỊA VẬT LÝ GIẾNG KHOAN TS. Lê Hải An Bộ môn ðịa vật lý, Khoa Dầu khí, TRƯỜNG ðẠI HỌC MỎ - ðỊA CHẤT 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, ν là 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 2Hệ số suy giảm µ 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 giảm µ của tia gamma Iγ = Iγ 0 .e -µx hấp thụ quang ñiện tạo cặp tán xạ Compton Toàn phần µ= µ p +µ c +µ e Phương pháp mật ñộ (density log) • Sử dụng nguồn Cs 137, 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 cm 3 - ρ e ) trong thành hệ • Mật ñộ electron lại có quan hệ trực tiếp với mật ñộ khối ρ b của 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 ρ e và mật ñộ khối ρ b của thành hệ       = A Z be 2ρρ         = ∑ WMol sZ be . '2ρρ 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 ρ a = 1,0704 ρ e – 0.1883 3Phương 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 khối ρ b còn ño chỉ số tiết diện hấp thụ quang ñiện (P e ). • Chỉ số P e này 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 10       = ZPe Tiết diện hấp thụ quang ñiện P e (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) UP ee =ρChỉ số thể tích hấp thụ quang ñiện U: ðường cong ño ghi mật ñộ 2.92.52.11.7 2.65 gm/cc 2.49 gm/cc 2.71 gm/cc 2.54 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 Shale 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 cave 4ðường 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 Lo n g Sp a c in g Co u n t R a te 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 Lo n g Sp a c in g Co u n t R a te 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 hiệu chỉnh Giá trị hiệu chỉnh ðường cong ño ghi mật ñộ ∆ρ ∼ ρLS − ρSS ∆ρ > 0 ðường cong ño ghi mật ñộ ∆ρ ∆ρ > 0Caliper ρb 5ðường cong ño ghi mật ñộ ∆ρ ρb ∆ρ < 0 ðường cong ño ghi mật ñộ ∆ρ ρb Cyclic 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 Thành hệ Matrix Φ ρ b ρ ma ρ f ρ b = f(ρ ma , Φ, ρ f ) Φ=? Xác ñịnh ñộ rỗng của ñá chứa 6Xác 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 3 5 6 8 7 GR RHOB 7Phương 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 -27 g • Dễ dàng ñâm xuyên qua vật chất • Là một hạt không bền, phân rã với chu kỳ T1/2=1.01x10 3 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 góc ϕ so với hướng ban ñầu Sau mỗi lần va chạm với hạt nhân, neutron lại chuyển ñộng chậm lại 8Tán xạ ñàn hồi Tiêu hao năng lượng của neutron phụ thuộc vào khối lượng của hạt nhân M và góc tán xạ ϕ ( )2 2 1 1cos2 + ++ = M MMEE o ϕ oEE α=min ( ) ( )2 2 1 1 + − = M M α 00 )1( EEEE α−=−=∆Tiêu hao năng lượng Tiêu hao năng lượng của neutron là lớn nhất khi α = 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, hạt α (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 neutron nhiệt năng lượng khi rời nguồn n ă n g l ư ợ n g n e u t r o n ( e V ) Thời gian µs 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 9Thiết 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 4 Be + 2 He -> 6 C + 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 ậ t ñ ộ n e u t r o n ðộ rỗng Detector gần Detector xa 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 10 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 Hiệu ứng khí (Gas Effect) Xác ñịnh ñộ rỗng 11 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 12 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. 13 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 14 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 K h ỏ a n g c á c h Lan truyền của sóng âm trong môi trường giếng khoan Thiết bị ño âm • 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 vị µs/ft hoặc µs/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 15 Thiết bị ño âm Thiết bị ño âm Thiết bị ño âm Thiết bị ño âm Vị trí của thiết bị ño âm trong giếng khoan Các hiệu ứng khi thiết bị ño âm lệch tâm trong giếng khoan 16 Thiết bị ño âm (Array – Sonic) Cho phép ño ghi cả 3 sóng (sóng dọc, sóng ngang và sóng ống) Phương pháp xử lý Slowness-Time Coherence (STC) 1. Mục ñích ñể trích thông tin của sóng sóng ngang và sóng ống 2. ðánh dấu các loại sóng ñã xác ñịnh Phương pháp xử lý Slowness-Time Coherence (STC) Phương pháp xử lý Slowness-Time Coherence (STC) Phương pháp xử lý Slowness-Time Coherence (STC) ðường cong ño âm ðơn vị µs/ft hoặc µs/m 17 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... Xác ñịnh ñộ rỗng của ñá chứa Xác ñịnh ñộ rỗng của ñá chứa Thành hệ Matrix Φ ∆t ∆t ma ∆t f ∆t= f(∆t ma , Φ, ∆t f ) Φ=? Tính ñộ rỗng của ñá cát sét Vma Vfl fluid Hiệu chỉnh ảnh hưởng của sét 18 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 R w biết: nhiệt ñộ thành hệ là 150 o F, Rmf@150 o F=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 6680-6700 ft. 6. Nguyên nhân của dị thường tại khoảng ñộ sâu dưới 6570 ft. Bài tập 19 Acknowledgments Schlumberger Baker Atlas Halliburton