Bài giảng Địa vật lý giếng khoan - Phần 3: Các phương pháp điện từ

1ðỊA VẬT LÝ GIẾNG KHOAN TS. Lê Hải An Bộ mơn ðịa vật lý, Khoa Dầu khí, TRƯỜNG ðẠI HỌC MỎ - ðỊA CHẤT Phần 3: Các phương pháp điện từ • Các phương pháp đo điện trở (pp. thơng thường, hội tụ, vi hệ điện cực) • Các phương pháp đo độ dẫn điện (pp. cảm ứng) • Phương pháp tốc độ lan truyền sĩng điện từ EPT Các phương pháp điện trở Phương pháp điện trở ðiện trở suất là một tham số quan trọng khi xác định các vỉa chứa dầu khí và độ bão hồ hydrocarbon của thành hệ. ðiện trở suất của thành hệ phụ thuộc vào 3 yếu tố: 1. ðiện trở suất của nước trong thành hệ 2. Lượng nước 3. Cấu trúc lỗ rỗng ðiện trở suất của thành hệ được đo ghi bằng cách phát một dịng điện vào mơi trường và đo cường độ dịng điện chạy qua mơi trường hoặc bằng cách đo dịng điện cảm ứng trong mơi trường đĩ. Phương pháp điện trở Dịng điện Dịng điện Phương pháp điện trở suất biểu kiến 2Phương pháp điện trở suất biểu kiến Nguyên lý cơ bản đo điện trở suất: - ðo điện thế - ðo cường độ dịng điện Một điện cực thả xuống giếng khoan Một điện cực trên mặt đất R=V/I Giá trị đo ghi được: điện trở suất biểu kiến của thành hệ Hệ điện cực ðo thế ðo gradien Hệ điện cực thế ðo thế Với hệ điện cực thế, dịng điện cĩ cường độ khơng đổi được phát giữa hai điện cực phát A và B. Hiệu điện thế giữa hai điện cực thu M và N được đo ghi. Hai điện cực A và M ở trên thiết bị máy giếng (tool) cịn hai điện cực B và N nằm xa vơ cùng. Khoảng cách AM được gọi là chiều dài thiết bị, cĩ hai loại thiết bị ngắn (AM = 16”) và dài (AM=64”) ðiểm đo ghi chính là điểm O, trung điểm của AM. Hệ điện cực gradien ðo gradien Dịng được phát giữa hai điện cực A và B, hiệu điện thế được đo ghi giữa hai điện cực thu M và N nằm ở hai mặt cầu đẳng thế của A. ðiện thế đo được tỉ lệ với gradien thế giữa hai điện cực M và N. ðiểm đo ghi là điểm O, trung điểm của M và N. Khoảng cách AO gọi là chiều dài thiết bị và bằng 18’8” (5m70cm). Trong thực tế, cịn cĩ thiết bị các hệ điện cực đo ghi đổi chỗ cho nhau (A, B, N ở trên thiết bị thả vào giếng khoan), hoặc A, B, M, N đều nằm trên thiết bị M cách N một khoảng 50 ft 10 in Chiều sâu nghiên cứu ðường cong đo thế và gradien ðường thế ðườnggradien Chiều sâu nghiên cứu: ðo thế: r = 2AM ðo gradien: r = AO Phương pháp điện trở 3Phương pháp điện trở Thay đổi hình dạng của các mặt đẳng thế thành dạng hình trụ giống như giếng khoan bằng cách thay điện cực phát điểm bằng điện cực phát khối ðiện trở suất và yếu tố hình học © Schlumberger Trong các trường hợp: • Vỉa nghiên cứu là những vỉa mỏng cĩ điện trở cao • Dung dịch khoan là dung dịch mặn ðiện trở suất thấp ðiện trở suất thấp ðiện trở suất cao
Sử dụng hệ điện cực hội tụ Phương pháp hệ điện cực hội tụ Sử dụng các thiết bị đo điện trở suất cĩ hội tụ dịng phát. Phép đo này rất hiệu quả trong các trường hợp vỉa nghiên cứu là những vỉa mỏng cĩ điện trở cao, hoặc trường hợp dung dịch mặn. ðiện trở suất thấp ðiện trở suất thấp ðiện trở suất cao ðiện trở suất thấp ðiện trở suất thấp ðiện trở suất cao Dịng hội tụ ðiện cực ép dịng Dịng ép Dịng ép Phương pháp hệ điện cực hội tụ Hiệu quả của phép đo cĩ hội tụ dịng: • Tăng khả năng phân giải lát cắt của đường cong điện trở suất biểu kiến • Tăng chiều sâu nghiên cứu của phép đo điện trở trong những trường hợp lát cắt điện trở cao. 4Phương pháp hệ điện cực hội tụ ðể dịng phát kích thích mơi trường ở vỉa nghiên cứu thì cần cĩ hai điện cực phát phụ A 1 và A 2 đặt đối xứng qua A 0 để ép cho phần dịng phát ra từ điện cực này đi thẳng vào thành giếng khoan LL3 Phương pháp hệ điện cực hội tụ LL7 Ở hệ điện cực LL7, các điện cực được đặt đối xứng nhau qua điện cực phát chính A 0 . ðiện cực phát A 0 phát ra một dịng i 0 cĩ thế khơng đổi, hai điện cực phát A 1 và A 1 ’ được điều chỉnh sao cho các điện cực theo dõi M 1 và M 2 , M 1 ’ và M 2 ’ đều cĩ điện thế bằng nhau. Do điện thế giữa các cặp M 1 , M 2 và M 1 ’, M 2 ’ bằng nhau nên khơng cĩ dịng đi ở giữa các cặp điện cực này, hay nĩi cách khác, dịng phát từ điện cực phát A 0 đi thẳng vào mơi trường. Khoảng cách O 1 O 2 là 32 in., A 1 A 1 ’ là 80 in. Hệ điện cực đo sâu sườn (Dual Laterolog) Dùng các phép đo cĩ chiều sâu nghiên cứu khác nhau: Sâu (LLD) và Nơng (LLS) Hệ điện cực đo sâu sườn Thiết bị DLL cùng một lúc đo ghi cả LLD và LLS LLD: sử dụng tần số 35Hz LLS: sử dụng tần số 280Hz LLD: A 1 và A 2 thực hiện ép dịng LLS: A 1 thực hiện ép dịng và được nối với A 2 để dịng chạy từ A 1 đến A 2 Hệ điện cực đo sâu sườn Hệ điện cực đo sâu sườn 5ðường cong DLL Hiệu ứng Delaware An anomalous effect on guard log and early laterolog curves first observed in the Delaware Basin. It can be recognized as an erroneous high-resistivity gradient in conductive beds when these beds are overlaid by thick high resitivity formations. Hiệu ứng Groningen LLS LLD /LLG Induction Resistive Bed Groningen Response Laterolog LLG LLD increase Induction does not react Giá trị LLD tăng lớn, đi kèm theo LLS khơng thay đổi, cĩ thể là do cĩ mặt của hydrocarbon trong thành hệ hoặc do hiệu ứng Groningen Hiệu ứng Groningen Hiện tượng xảy ra do điện thế quy chiếu thay đổi khác khơng (cable-torpedo) Xảy ra khi cĩ các lớp điện trở suất cao nằm ngay trên thành hệ đang đo ghi Làm cho dịng phát sâu (deep current) bắt buộc phải chạy trong cột dung dịch Hệ điện cực đo sâu sườn (Dual Laterolog) ðộ phân giải theo chiều dọc: 24" Giá trị lớn nhất cĩ thể đo ghi được: LLD 40.000 Ohmm LLS 6.000 Ohmm Giá trị nhỏ nhất cĩ thể đo ghi được: LLD 0,2 Ohmm LLS 0,2 Ohmm Azimuthal Resistivity Image - ARI 6Azimuthal Laterolog – Azimuthal Resistivity Image - ARI Sâu (LLD) Nơng (LLS) Azimuthal Laterolog ðiện cực phát A2 được chia thành 12 điện cực nhỏ 12 điện cực phân bố đều xung quanh thiết bị cho phép đo ghi 12 giá trị điện trở suất theo các phương vị khác nhau Azimuthal Laterolog Tài liệu Azimuthal Laterolog chuẩn bao gồm: Hai đường cong chuẩn LLD và LLS LLhr - high resolution deep Laterolog 12 đường cong điện trở suất theo phương vị Ảnh điện trở (ARI image) của thành hệ xung quanh thành giếng khoan (gần như FMS) Azimuthal Laterolog Xác định nứt nẻ Hệ điện cực đo sâu sườn (Laterolog) © Schlumberger Làm thế nào để nghiên cứu các vỉa mỏng và vùng cận thành giếng (xác định điện trở suất của lớp vỏ sét R mc và điện trở suất của đới rửa R xo .) 7
Sử dụng hệ điện cực cĩ kích thước nhỏ - vi hệ điện cực Các phương pháp vi hệ điện cực • Phương pháp vi hệ điện cực là các hệ điện cực được cấu thành từ các điện cực điểm gắn trên bảng cách điện và khi đo được áp vào thành giếng khoan. • Phép đo điện trở suất bằng các vi hệ điện cực cĩ chiều sâu nghiên cứu rất nhỏ và chủ yếu phản ánh điện trở suất của lớp vỏ sét (Rmc) và điện trở suất của đới rửa (Rxo). Càng để đo đường kính Bảng cách điện gắn vi hệ điện cực Các phương pháp vi hệ điện cực ðầu tiên là Microlog (ML), hiện nay vẫn được sử dụng; Tiếp đến là Micro Laterolog (MLL), được thay bằng Proximity Log (PL), được thay tiếp bằng MicroSpherically Focused Log (MSFL), được thay tiếp bằng MicroCylindrically Focused Log (MCFL) Càng để đo đường kính Bảng cách điện gắn vi hệ điện cực Sự phát triển của phương pháp Vi hệ điện cực thơng thường (Microlog - ML) • Gồm 3 điện cực A, M 1 , M 2 đặt cách đều nhau một khoảng 1’’ (2,54 cm) • Khi đo ghi cĩ thể phát A đo ghi ở M 1 và M 2 (vi hệ điện cực gradien) hoặc phát A đo ghi ở M 2 (vi hệ điện cực thế) M 2 M 1 A Vỏ sét Vỉa thấm Vi hệ điện cực thơng thường (Microlog - ML) • ðường cong điện trở suất thứ nhất cĩ chiều sâu nghiên cứu r = AO = 1.5 in, chủ yếu chịu ảnh hưởng của lớp vỏ sét (Rmc) và một phần đới rửa. • ðường cong thứ hai cĩ chiều sâu nghiên cứu r = 2AM = 4 in, chủ yếu phản ánh điện trở suất đới rửa (Rxo). Vi hệ điện cực sườn (Micro Laterolog - MLL) A 0 là điện cực điểm, cịn M 1 , M 2 và A 1 là các vịng trịn đồng tâm Tấm cách điện 8Vi hệ điện cực sườn (Micro Laterolog - MLL) • Chịu ảnh hưởng của lớp vỏ sét Vi hệ điện cực gần (Proximity log - PL) • Gồm các điện cực tấm hình chữ nhật Vi hệ điện cực gần (Proximity log - PL) • Chịu ảnh hưởng của lớp vỏ sét Vi hệ điện cực cầu hội tụ (MicroSpherically Focused Log - MSFL) • Gồm các điện cực là các vịng đồng hình chữ nhật Vi hệ điện cực cầu hội tụ (MicroSpherically Focused Log - MSFL) • Chịu ảnh hưởng của lớp vỏ sét Vi hệ điện cực cầu hội tụ (MicroCylindrically Focused Log - MCFL) 9Giếng khoan bằng dung dịch gốc dầu Phương pháp cảm ứng Phương pháp cảm ứng • Phương pháp cảm ứng là phương pháp nghiên cứu lát cắt giếng khoan thơng qua việc nghiên cứu trường điện từ cảm ứng xuất hiện trong mơi trường nghiên cứu do bị kích thích bởi một trường điện từ nguyên sinh. • Hiện tượng cảm ứng điện từ sẽ tạo ra một dịng điện trong thành hệ cĩ độ lớn phụ thuộc vào độ dẫn điện cuả phần thành hệ mà dịng này đã đi qua. • Từ số đo cảm ứng (độ dẫn điện) sẽ tính được điện trở suất của thành hệ Phương pháp cảm ứng (nguyên lý) Tương tự như nguyên lý của máy biến thế Nguyên lý (tổng hợp) 1. Cuộn dây phát dịng ðiện xoay chiều @ 20 kHz 2. Từ trường được sinh ra trong thành hệ 3. Dịng cảm ứngtrongthành hệ được sinh ra bởi từ trường xung quanh thành giếng khoan 4. Từ trườngthứ sinh được sinh ra bởi dịng cảm ứng trong thành hệ 5. Dịng điện trong cuơn dây thu là dịng cảm ứng sinh ra bởi từ trường (2) và (4) 6. Dịng cảm ứng sinh ra bởi từ trường (2) được loại bỏ bằng hệ thống điện tử của máy giếng Cuộn dây phát và cuộn dây thu được đặt đồng trục Nguyên lý 10 Nguyên lý Phương pháp cảm ứng Các tín hiệu đo ghi được: X và R X: tín hiệu đồng pha – trực tiếp từ cuộn dây phát đến cuộn dây thu R: tín hiệu lệch pha – tín hiệu do hiện tượng cảm ứng điện từ của thành hệ Yếu tố hình học G=G m C m + G xo C xo + G t C t + G s C s Trong đĩ: G m + G xo + G t + G s = 1 Yếu tố hình học của 1 vùng được định nghĩa bởi phần tín hiệu mà vùng đĩ tham gia vào tín hiệu tồn phần Yếu tố hình học Hiệu ứng SKIN • Trong thành hệ dẫn điện tốt, thì dịng thứ sinh là rất lớn và gây nên trường điện từ đáng kể. • Trường điện từ này lại gây nên một suất điện động cảm ứng khác ở các vành khuyên và lệch pha so với suất điện động tạo nên bởi cuộn dây phát. • Làm cho tín hiệu thu được ở cuộn dây thu giảm đi một cách đáng kể, gọi là hiệu ứng SKIN • Hiệu ứng skin trở nên đáng kể khi mà thành hệ cĩ độ dẫn điện lớn hơn 1000 mmho/m σpiµfSKIN 1 = µ: độ từ thẩm σ: độ dẫn điện f: tần số dịng phát Hiệu ứng SKIN Dịng bị đẩy ra khỏi các vành khuyên làm điện trở suất biểu kiến tăng lên đáng kể 11 Hiệu ứng SKIN Phương pháp DIL – Dual Induction Log ILD=6FF40 ILM=8FF28 Sơ đồ bố trí các cuộn dây cảm ứng 6FF40 • 6 cuộn dây • 40” khoảng cách giữa hai cuộn dây phát và đo chính So sánh DIL – Dual Induction Log và Dual Laterolog • Rmf nhỏ, Φ • Rmf nhỏ, Φ lớn • Rmf lớn, Φ lớn • Rmf lớn, Φ nhỏ: – Nước mặn – Vỉa cĩ hydrocarbon So sánh DIL – Dual Induction Log và Dual Laterolog • Rmf nhỏ, Φ: DLL (DIL kém) • Rmf nhỏ, Φ lớn: DLL • Rmf lớn, Φ lớn: DIL (DLL kém) • Rmf lớn, Φ nhỏ: – Nước mặn: DIL – Vỉa cĩ hydrocarbon: DLL So sánh DIL và DLL ←Dung dịch mặn Dung dịch ngọt→ Laterolog Induction Log Sử dụng cả hai (dưới đường Rw tương ứng) ð ộ r ỗ n g ( % ) AIT – Array Induction Tools • Thiết bị đo 28 tín hiệu riêng biệt từ 8 mảng (arrays). Chỉ cĩ 1 cuộn phát làm việc ở 3 tần số • ðo ghi cả hai tín hiệu (R) và (X) • 5 chiều sâu nghiên cứu khác nhau: 10", 20", 30", 60" và 90". • 3 độ phân giải theo chiều dọc: 1 ft., 2 ft. và 4 ft. 12 AIT – Array Induction Tools Ưu điểm • Chiều sâu nghiên cứu rất sâu 90’’ cho phép nghiên cứu đới nguyên ở bất kỳ thành hệ nào, kể cả thành hệ xảy ra quá trình xâm nhập của dung dịch khoan rất sâu vào thành hệ • ðộ phân giải theo chiều dọc là 1ft. cho phép hạn chế hiệu ứng ảnh hưởng của vỉa vây quanh • Ít chịu ảnh hưởng của giếng khoan • Hiệu ứng SKIN được đo ghi và bù bằng cách đo ghi tín hiệu X-signal • Tín hiệu tự ngẫu lớn bị loại trừ do sử dụng các cuộn dây thu cân bằng lẫn nhau trong mảng AIT – Array Induction Tools AIT – Array Induction Tools Chiều sâu nghiên cứu AIT – Array Induction Tools AIT – Array Induction Tools Phạm vi ứng dụng của phương pháp Xác định điện trở suất thực của thành hệ trong các giếng khoan bằng dung dịch khoan gốc dầu hoặc trong giếng khoan khơ 13 Phương pháp cảm ứng © Schlumberger Phương pháp đo tốc độ lan truyền sĩng điện từ EPT - Electromagnetic Propagation Log • Phương pháp tốc độ lan truyền sĩng điện từ (EPT) đo ghi thời gian truyền và tốc độ suy giảm của sĩng điện từ ở tần số cao (25Mhz hoặc 1.1 GHz) dọc theo thành giếng khoan ở một vài inch đầu của thành hệ • Với tần số cao (GHz) tốc độ lan truyền của sĩng điện từ phụ thuộc hầu như tồn bộ vào tính chất điện mơi của thành hệ và bị ảnh hưởng rất ít bởi điện trở suất • Hằng số điện mơi của thành hệ phụ thuộc vào lượng nước chứa trong thành hệ đĩ EPT - Electromagnetic Propagation Log Phương trình Maxwell: Trong đĩ: Hằng số điện mơi Thiết bị EPT Gồm hai ăngten phát và hai ăngten thu vi sĩng được gắn lên một tấm đồng và được áp sát vào thành giếng 14 Thiết bị EPT Khoảng cách giữa hai ăngten phát và thu gần nhất là 8cm, khoảng cách giữa hai ăngten thu là 4cm 4 cm 8 cm Thiết bị EPT EPT: Electromagnetic Propagation Tool @ 1.1 GHz DPT: Deep Propagation Tool @ 25 MHz HFD: High Frequency Dielectric Tool @ 1 GHz LFD: Low Frequency Dielectric Tool @ 20 MHz ðường cong EPT Thời gian truyền sĩng: TPL (ns/m) Suy giảm sĩng: EATT (dB/m) EPT Chuyển thời gian truyền sĩng sang độ rỗng: phương pháp t po pmpfpo ttt )1( Φ−+Φ= pmpf pmpo tt tt − − =Φ 3604/)60( 22 −−= Att plpo t pl : thời gian truyền sĩng trong thành hệ (ns/m) A: tốc độ suy giảm (dB/m) t pm : thời gian truyền sĩng trong xương đá (ns/m) t pf : thời gian truyền sĩng trong chất lưu (ns/m) EPT Phương pháp t po : chuyển thời gian truyền sĩng sang độ rỗng pmpw pmpo EPT tt tt − − =ΦKhi thành hệ bão hịa 100% nước: Tt pw 029.01.31 −= T: nhiệt độ thành hệ pmphxopwxopo ttStSt )1()1( Φ−+Φ−+Φ= Khi thành hệ chứa hydrocarbon: Phương pháp CRIM: Complex Refractive Index Method ðo ghi trực tiếp giá trị ε "'* εεε i+= R 975.17 " =ε hwwma SS w εεεε )1()1( **** −Φ+Φ+Φ−= Phương trình CRIM ~2.1 nếu là dầu và 1.0 nếu là khí Số phức ε∗ 15 EPT – Haliburton Chuyển thời gian truyền sĩng sang độ rỗng: phương pháp CRIM Complex Refractive Index Method hwwma SS w εεεε )1()1( **** −Φ+Φ+Φ−= Giải phương trình CRIM với ẩn số là S w * (Φ được tính từ các phương pháp độ rỗng) Kết quả thu được là số phức S w * , phần thực là S w (cần xác định) và phần ảo phải xấp xỉ 0 • Với LFD và DPT: đới nguyên S W • Với HFD và EPT: đới rửa S xo EPT – phạm vi ứng dụng • Xác định hydrocarbon linh động: S xo -S w • Xác định vỉa nước: khi đĩ Φ EPT = Φ • Xác định hydrocarbon trong những vùng nước ngọt, nơi mà các phương pháp điện trở khơng phân biệt được nước và dầu: khi đĩ Φ EPT ≠ Φ Acknowledgments Schlumberger Baker Atlas Halliburton