Giáo trình địa vật lý giếng khoan part 7 ppt

163
Bảng 5.6
Ký
hiệu
Trọng lợng
ng.tử
Tiết diện vĩ mô
(barn)
Ký
hiệu
Trọng lợng
ng.tử
Tiết diện vĩ mô
(barn)
H 1.00800 0.33200 Cl 34.45300 33.20000
B 10.81000 759.000 K 39.10000 2.10000
C 12.01100 0.00340 Ca 40.08000 0.43000
N 14.00700 0.00000 Ti 47.90000 6.41000
O 16.00000 0.00027 Mn 54.93800 13.30000
F 19.00000 0.00980 Fe 55.84700 2.55000
Na 22.99000 0.53060 Cu 63.54600 3.82000
Mg 24.30500 0.06300 Zn 65.38000 0.50490
Al 26.98200 0.23000 Sr 87.62000 0.086000
Si 28.08600 0.16000 Zr 91.22000 0.29000
P 30.97400 0.01900 Ba 137.34000 0.06500
S 32.06000 0.52000 Pb 207.20000 0.18800
b) Sự khuyếch tán nơtron
ở trạng thái nhiệt, các nơtron có đặc điểm chuyển động chậm, lệch hớng và
suy giảm năng lợng cũng chậm hơn. Sự di chuyển nh vậy gọi là sự khuyếch tán
nơtron nhiệt trong môi trờng. Sự khuyếch tán nơtron nhiệt diễn ra cho đến khi chúng

bị bắt giữ. Giả sử trong một đơn vị thể tích nhỏ của môi trờng nghiên cứu (đất đá) các
nơtron có thể vừa bị bắt giữ vừa khuyếch tán mất đi làm cho số lợng nơtron nhiệt ban
đầu giảm đi, nhng cũng trong cùng thời gian đó có thể các nơtron nhiệt từ các thể tích
thành phần bên cạnh khuyếch tán vào phần thể tích này. Ví dụ luồng các nơtron nhiệt
đi ra khỏi một thể tích thành phần nhiều hơn số đi vào sẽ dẫn đến sự thất thoát ngày
một tăng và mật độ các nơtron nhiệt trong thể tích đó ngày càng kiệt đi:
Sự khuyếch tán các nơtron nhiệt nh thế trong môi trờng đất đá có thể biểu
diễn qua phơng trình khuyếch tán:
)52.5(
1
2
N
N
D
D

=


Trong đó:
D - Hệ số khuyếch tán nơtron của môi trờng đất đá.


2
N - Laplacien của mật độ nơtron.

164


D

- Thời gian suy giảm số nơtron nhiệt do khuyếch tán.
Ta có thể đo thời gian suy giảm thực tế theo cách đếm tổng các nơtron nhiệt đ bị
mất đi do khuyếch tán. Tuy nhiên, mỗi detector của máy giếng cũng chỉ có vùng ảnh
hởng rất nhỏ so với toàn bộ không gian và nó không thể kiểm soát hết toàn bộ chùm
nơtron. Các số đo thời gian suy giảm thực tế là do ảnh hởng chủ yếu bởi sự khuyếch tán.
Phơng trình (5.52) có thể bằng không, âm hoặc dơng. Trờng hợp bằng
không, giá trị
đo đợc phải bằng
int
(điều này hiếm khi xảy ra).
c) Thực hiện phép đo theo cửa sổ thời gian:
Có thể đo mật độ hay phân bố của các nơtron bằng cách đếm trực tiếp số nơtron
hoặc đo bức xạ gamma chiếm giữ theo các cửa sổ thời gian hẹp bằng máy phổ Gamma
(GST) (Hình 5.28).
Sơ đồ thời gian GST
Số lợng tử gamma chiếm giữ tỷ lệ với
số nơtron nhiệt bị bắt giữ hoặc tỷ lệ nghịch
với số nơtron nhiệt còn sót lại. Cả hai gần
đúng này gần tơng đơng với nhau.
Việc đặt các cửa sổ thời gian đo bức xạ
gamma chiếm giữ chọn ở thời điểm phù hợp
với thời gian mà ảnh hởng của giếng khoan
lên kết quả đo là ít nhất, bảo đảm phép đo có
chiều sâu nghiên cứu lớn nhất.
Trong kỹ thuật, cờng độ bức xạ
gamma chiếm giữ đợc đo bằng đơn vị CPS
(xung/sec) hoặc tỷ số giữa số đo ở các cửa sổ
I và II.
Sơ đồ khối của máy giếng trong
Xun

g
nơtron
Phôn
g







Phơn
g
trình TDT
chiếm giữa
Đ
o phổ

Số đo
H
ình 5.28. Biểu đồ phổ Gamma bắt giữ GS
T

1
2
3
4
5
6 7
H

ình 5.29. Sơ đồ khối máy đo tiết
diện nơtron nhiệt


165
phơng pháp đo tiết diện bắt giữ nơtron nhiệt đợc thể hiện trong hình 5.29.
Trong sơ đồ: 1- khối mạch điện tử, 2- detector, 3- máy phát xung nơtron, 4- cáp
dẫn tín hiệu. Các giá trị đo mật độ nơtron ở các cửa sổ thời gian I và II đợc sử dụng để
tính tiết diện bắt giữ vĩ mô

abs
tại điểm đo theo biểu thức (5.45).
Trong các biểu thức trên đây,

t là
khoảng thời gian tính bằng
às từ giữa cửa
sổ I đến giữa cửa sổ II.
Cuối cùng tiết diện bắt giữ vĩ mô
đợc biểu diễn trên đờng cong biểu thị sự
thay đổi tiết diện bắt giữ nơtron nhiệt của
các lớp đất đá trong lát cắt ở thành giếng
khoan.
Khi đo trong các giếng khoan có
ống chống thì phép đo

abs
đợc tiến
hành đồng thời với các phép đo GR và đo
xác định vị trí đầu nối ống chống.

Hình 5.30 là một ví dụ biểu diễn
kết quả đo

abs
và tỷ số N
1
/F
1
là số đếm
(xung/s) ở các detector gần và xa trong
cửa sổ thời gian 1. Đờng tỷ số (ratio)
thể hiện sự thay đổi của độ lỗ rỗng hoặc
ảnh hởng của khí (thiên về bên phải, thể
hiện độ rỗng giảm hoặc khí tăng, trái -
tăng hoặc khí giảm). Đờng

(sigma)
cùng có ý nghĩa tơng tự đồng thời để
phân biệt chất lu bo hoà dầu/nớc.
Bảng 5.7 là các giá trị tiết diện bắt
giữ nơtron nhiệt

abs
và thời gian sống
trung bình

của các nơtron nhiệt trong
các loại đá thờng gặp.
Có thể dựa vào các giá trị
và

trong bảng 5.7 khi phân tích định tính và
định lợng kết quả đo.
Độ khoáng hoá của nớc vỉa có
ảnh hởng rất mạnh đến giá trị đo

abs
và

của các lớp đá bo hoà nớc. Độ mặn
trong nớc vỉa càng cao thì

abs
càng tăng
cao và
càng giảm.
Dầu thô khi không hoà tan khí sẽ
H
ình 5.30. Một thí dụ biểu diễn kết
quả đo

abs


166
có đặc tính nơtron giống nh nớc ngọt vì chỉ số HI của chúng là xấp xỉ bằng nhau, vì
vậy các giá trị


và

trong nớc và trong dầu sẽ nh nhau.
Bảng 5.7
Tên đá, khoáng vật

abs
(10
21
barn/cm
3
) (às)
Thạch anh 3.5 - 4.3 1060
Cát kết 9.0 500
Dolomit 6.8 - 7.2 630
Đá vôi 1.0 - 14.0 325 - 650
Anhydrit 12.1 360
Acgilit 20 - 40 215 - 108
Nớc ngọt 22.2 210
Dầu thô 22.2 210
Ximăng (Portland) 13.0 335
Vỉa chứa khí có giá trị

abs
và

phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ và thành phần khí.
Trong tự nhiên ta có thể gặp một số các nguyên tố có tiết diện bắt giữ nơtron
nhiệt cao hơn Clore nh: Bore (750 barn), Liti (70 barn).
d) Phạm vi ứng dụng các phơng pháp đo

abs

và
int

Phơng pháp tiết diện bắt giữ nơtron đợc áp dụng để giải quyết các nhiệm vụ sau:
- Xác định ranh giới dầu/nớc, khí/nớc trong các giếng khoan khai thác.
- Đánh giá tiêu hao năng lợng vỉa trong tầng khai thác khí, dựa vào sự thay đổi

abs
của khí theo áp suất.
- Khoanh định phần chứa khí trong tầng cát có nớc vỉa là nớc ngọt.
- Giải quyết các vấn đề kỹ thuật trong giếng khoan: Trám ximăng, cách ly vỉa,
xác định vị trí mở vỉa khai thác.
- Xác định S
W
trong tầng chứa ở các giếng khoan khai thác.
Dễ dàng nhận ra sự giống nhau giữa đờng cong đo thời gian sống trung bình
của các nơtron nhiệt với đờng cong đo điện trở suất R
a
. Có nh vậy là vì trong vỉa
chứa cả hai đại lợng
và Ra đều tăng theo hàm lợng hydrocacbon và giảm khi độ
khoáng hoá nớc vỉa và độ sét trong đá tăng.
Ưu điểm của phép đo

là có thể tiến hành cả trong các giếng khoan có ống
chống và cho phép tính nhanh các tham số vật lý của đá chứa.

167
Hạn chế của phơng pháp này là phép đo rất nhạy với sự thay đổi độ lỗ rỗng và
hàm lợng các nguyên tố có tiết diện bắt giữ lớn. Vì thế nó kém hiệu quả khi nghiên

cứu các đối tợng đá chứa có độ khoáng hoá của nớc vỉa thấp (<25g/l).
5.3.5.4. Phơng pháp quang nơtron
Phơng pháp đo quang nơtron hay còn gọi là phép đo gamma - nơtron là phơng
pháp bắn phá môi trờng nghiên cứu bằng chùm tia gamma mềm và đo mật độ các hạt
nơtron mới đợc hình thành do kết quả va chạm của các lợng tử gamma với một số
nguyên tố nhất định. Một trong các phản ứng đó là sự va chạm của tia gamma với
nguyên tố Be:
)53.5(666,1
1
0
8
4
9
4
MeVnBeBe +++
+


Loại va chạm này gây phản ứng và cho phổ năng lợng rất đặc trng đối với
từng nguyên tố.
Sơ đồ và máy thiết bị đo quang nơtron đợc cấu tạo tơng tự nh khi tiến hành
đo phơng pháp gamma - gamma tán xạ, chỉ khác là ở đây dùng detector đếm nơtron
chứ không phải đếm các lợng tử gamma tán xạ. Nguồn phóng xạ gamma khí tiến
hành phơng pháp này là đồng vị
124
Sb, có công suất 50 - 60
à
C
i
. Khoảng cách từ

nguồn đến detector là L

30 - 40cm.
Phơng pháp quang nơtron có đặc điểm là rất nhạy với sự có mặt của Berium
trong đá dù chỉ với hàm lợng thấp.
5.3.5.5. Phơng pháp kích hoạt phóng xạ
5.3.5.5.1. Cơ sở lý thuyết

Môi trờng đất đá tạo thành từ các khoáng vật có chứa nhiều nguyên tố khác
nhau. Khi chiếu xạ vào môi trờng đó bằng một chùm hạt nơtron không đơn năng phát
ra từ một nguồn nơtron có công suất đủ lớn ta có đợc một trờng phóng xạ mới.
Có nhiều trong số các nguyên tố có mặt trong các lớp đất đá, khi va chạm hoặc bắt
giữ nơtron chúng sẽ bị kích thích và trở thành nguyên tố đồng vị phóng xạ và chúng
thờng bức xạ ra gamma. Các đồng vị phóng xạ sinh ra theo cách đó có các đặc trng
riêng về chu kỳ bán r và phổ năng lợng khi phát xạ gamma. Thông thờng chúng là các
nguyên tố đồng vị ngắn ngày, có chu kỳ bán r tính bằng giờ, bằng giây hoặc ngắn hơn.
Năng lợng phát xạ gamma cũng thay đổi từ nguyên tố này đến nguyên tố khác.
Về nguyên tắc, biết chu kỳ bán r, phổ năng lợng sự hiện diện của một đồng vị phóng
xạ mới tạo thành, ta có thể xác định đợc các nguyên tố mẹ (ban đầu) đ sinh ra chúng, do đó
có thể biết đợc thành phần khoáng vật trong các lớp đất đá ở thành giếng khoan.
Mặt khác, mỗi nguyên tố trong môi trờng có tiết diện kích hoạt riêng. Nói cách
khác, xác suất để một nguyên tố trong tự nhiên bị kích hoạt trở thành một đồng vị
phóng xạ có tính đặc thù riêng cho nguyên tố đó. Các nguyên tố hay gặp trong các
khoáng vật tạo đá ở vỏ quả đất có tiết diện kích hoạt cao khi bị bắn phá bằng chùm hạt

168
nơtron là:
Al
27
13

,
Si
28
14
,
Cl
37
17
,
Mg
26
12
,
Mn
55
25
,
Na
23
11
,
Fe
56
26
,
Cu
65
29
,
F

19
9
,
V
51
23
,
O
16
8
,
Si
30
14
.
Chúng có phản ứng hạt nhân khi bắt giữ nơtron:

++ MnnMn
56
25
1
0
55
25


++ VnV
52
23
1

0
51
23


++ NanNa
24
11
1
0
23
11

)7,1(
20
9
1
0
19
9
MeVFnF

++

+++ HMnnFe
1
1
56
25
1

0
56
26


+++ HAlnSi
1
1
28
13
1
0
28
14


+++ HNnO
1
1
16
7
1
0
16
8

Hoạt tính kích hoạt của các nguyên tố có thể khác nhau khi va chạm với nơtron
nhiệt hay nơtron nhanh. Chẳng hạn
Al
28

13
là kết quả kích hoạt bằng nơtron nhiệt đối với
đồng vị
Al
27
13
(có tiết diện kích hoạt bằng 0,215 barn) nhng cũng có thể là sản phẩm
của
Si
28
14
(có tiết diện bằng 0,250 barn) khi bị bắn phá bằng nơtron nhanh; Na
23
11
có tiết
diện bằng 0,530 barn đối với nơtron nhiệt, còn trong các phản ứng (n,p) của nguyên tố
sắt thì chỉ có tiết diện bằng 0,150 barn,
Hoạt tính gamma kích hoạt tạo ra do chiếu xạ bằng nơtron có quan hệ với liều
chiếu nơtron và đặc trng của hạt nhân có mặt trong môi trờng và các sản phẩm sau
kích hoạt theo biểu thức sau:

= )54.5(
693,0
exp1
0
T
t
NA
i

Trong đó:
A - Hoạt độ gamma do chiếu xạ nơtron (xung/s).
N
0
- Số nguyên tử bị kích hoạt có trong môi trờng.


- Tiết diện ngang (cm
2
).
- Luồng nơtron (nơtron/cm
2
/s).
t
i
- Thời gian chiếu xạ.

T - Chu kỳ bán r của nuclid tạo thành.
Kết quả đo kích hoạt còn phụ thuộc vào sự lựa chọn thời gian chiếu xạ nơtron và
thời điểm đo bức xạ gamma kích hoạt sao cho phù hợp với nguyên tố nghiên cứu.

169

5.3.5.5.2. Sơ đồ Zond đo kích hoạt phóng xạ

Hình 5.31 là một thí dụ của sơ đồ máy
giếng đo kích hoạt phóng xạ đối với nguyên tố
Flore (
F
19
9
) có tiết diện kích hoạt bằng 2,4.10
-
37
cm
2
. Khi hạt nhân F bắt giữ nơtron nhiệt thì
có kết quả sinh ra đồng vị
F
20
9
, có chu kỳ bán
r là 11,7 sec và bức xạ gamma kích hoạt có
năng lợng

1,7MeV.
Trong sơ đồ:

1- Nguồn phát nơtron (PoBe)
2- Màn hấp thụ nơtron bằng
parafin.
3- Khối sơ đồ điện tử.
4- Detector đo bức xạ gamma.
Ta biết rằng nguyên tố đồng vị
F
19
9
cũng có thể gây phản ứng sau đây khi va
chạm với nơtron:
(
)
)55.5(65
16
7
20
9
1
0
19
9
MeVNFnF +=+


Nuclid mới tạo thành
N
16
7
có chu kỳ bán r bằng 7 giây. Vì vậy, nếu chọn thời

gian đo là

t = 7 sec sau khi kích hoạt thì ta đo đợc các gamma kích hoạt có năng
lợng cao (5-6MeV) nhng chỉ chiếm 25%. Nếu chọn thời gian đo là 12 sec thì các
gamma kích hoạt chỉ có năng lợng khoảng 1,7MeV nhng chúng chiếm tới 75% tổng
số các gamma kích hoạt.
5.3.5.5.3. Phân tích kết quả

Với sơ đồ máy giếng nh hình 5.31 khi nghiên cứu giếng khoan thăm dò quặng
fliorit (CaF
2
) ngời ta chọn khoảng cách L = 1m. Tốc độ kéo thả cáp đo là 300m/h để
cho phù hợp với chu kỳ bán r của
F
20
9
là T = 12 giây.
Khi thả máy giếng từ trên xuống (ghi đờng cong thứ nhất) phép đo là tổng của các
giá trị: Gamma tự nhiên (GR), Gamma kích hoạt (GKH) và Gamma - Nơtron (GN):
1 = GR + GN + GKH (đờng cong 1)
Khi kéo máy giếng từ dới lên (ghi đờng cong thứ 2).
2 = GR + GN (đờng cong 2)
Khi chập hai đờng cong 1 và 2 lên nhau ta dễ dàng nhận ra vị trí thân quặng
CaF
2
là đoạn đờng cong 1 lớn hơn đờng cong 2 đúng bằng giá trị GHK (Hình 5.32).
L = 1m
4
3
2

1
H
ình 5.31. Sơ đồ máy giếng
đo kích hoạt phóng xạ


170
Bằng cách tơng tự ta có thể
chọn kích thớc L, tốc độ kéo cáp v,
thời gian chiếu xạ t
i
, thời điểm đo
gamma kích hoạt, năng lợng nơtron
và công suất nguồn, sao cho phù hợp
với chu kỳ bán r T của đối tợng
nghiên cứu mới.
Chẳng hạn đối với nguyên tố
đồng vị nhôm (
Al
28
13
) có T = 2,27 phút,
Vanadi
)(
52
23
V có T = 3,9 phút, Để
bắn phá vào bia Clore (Cl), theo
phơng pháp Clore thì nơtron đạn
phải có năng lợng 6,7MeV, còn đối

với Oxy theo phơng pháp kích hoạt
phóng xạ Oxygen thì năng lợng đó
phải

10MeV,
5.2.5.5.3. Phạm vi ứng dụng của phơng pháp

Ngày nay, trong công nghiệp dầu khí phơng pháp kích hoạt phóng xạ nh
phơng pháp Clorin hay phơng pháp oxygen áp dụng trong các trờng hợp nớc vỉa
khoáng hoá cao và khoáng hoá thấp để theo dõi sự thay đổi và xác định vị trí của ranh
giới dầu/nớc ở các giếng khoan có ống chống. Các phơng pháp này dựa trên cơ sở
vỉa chứa nớc thì có Oxy và Cl trong các muối khoáng là hai nguyên tố có thể bị kích
hoạt phóng xạ, trong khi đó ở vỉa dầu thì chúng gần nh vắng mặt.
Trong thăm dò quặng, phơng pháp kích hoạt phóng xạ sử dụng để tìm kiếm và
thăm dò các quặng đa kim có chứa các nguyên tố trong nhóm sau đây: Al, Mn, F, Cu,
Fe, Ag, Au,

1 = GR + GN + GKH
2 = GR + GN
1-2 = 0 0 + GKH
-

CaF
2

1
2

GKH
X
ung/giây
H
ình 5.32. Mô phỏng dáng điệu
đờng cong đo kích hoạt phóng xạ
nghiên cứu quạng CaF
2


171
Chơng 6
Phơng pháp sóng âm

Phơng pháp sóng âm còn gọi là phơng pháp siêu âm hay phơng pháp âm
(Sonic Log) xuất hiện muộn hơn các phơng pháp địa vật lý nghiên cứu giếng khoan
khác nh: Phơng pháp điện từ, phóng xạ hạt nhân, nhng lại có phạm vi ứng dụng khá
rộng.
Nguyên lý của phơng pháp sóng âm là đánh giá tính chất đàn hồi của các lớp
đá ở thành giếng dựa trên cơ sở của sự lan truyền sóng đàn hồi trong các lớp đá đó.
Khi lan truyền trong các lớp đá khác nhau sóng âm truyền với tốc độ khác nhau
và suy giảm năng lợng (biên độ) trong từng lớp đá đó cũng khác nhau. Các đặc điểm
vừa nêu là cơ sở để tiến hành các phép đo âm khác nhau: Phơng pháp tốc độ,

t,
phơng pháp đo biên độ sóng âm, phơng pháp biến đổi mật độ.
Các phép đo tốc độ, hay
t trong giếng khoan có thể đo liên tục (Nguồn phát và
máy thu tín hiệu sóng âm đặt cách nhau một khoảng L và tịnh tiến khi đo) có thể đo
từng điểm (Nguồn trên mặt đất, các máy thu tín hiệu áp sát thành giếng ở các chiều sâu

khác nhau) đó là trờng hợp của phơng pháp tuyến địa chấn thẳng đứng VSP).
6.1. Tín hiệu sóng âm
Một tín hiệu âm (Hình 6.1) có dạng một sóng âm do kết quả của sự giải toả
năng lợng sóng đàn hồi.
Tín hiệu sóng âm cũng đợc đặc trng bằng các tham số: Chu kỳ T - đợc định
nghĩa là khoảng thời gian kéo dài của một chu kỳ dao động (
às). Trên hình vẽ 6.1 chu
kỳ T là khoảng thời gian nằm giữa hai pick dơng (hoặc âm) liên tiếp (A
x-1
A
x
).
- Tần số f là số giao động trong một giây, f = 1/T, đo bằng H
z
= 1 giao
động/giây.
- Chiều dài bớc sóng
là khoảng cách mặt sóng đi đợc trong môi trờng
trong một chu kỳ dao động. Đại lợng này phụ thuộc vào tốc độ lan truyền sóng v và
tần số f ;
= v/f.
6.2. Sóng âm (Siêu âm)
- Sóng nén hay sóng dọc P: Loại sóng này gây cho các hạt vật chất điểm chất
chuyển dời xung quanh vị trí cân bằng theo phơng song song với phơng truyền của
mặt sóng (Hình 6.2). Sóng P tồn tại trong môi trờng rắn và lỏng.

172

Hình 6.1. Tín hiệu sóng âm








Hình 6.2. Lan truyền của sóng dọc
- Sóng kéo hay sóng ngang S - Sóng
làm cho các điểm chất dao động theo
phơng vuông góc với phơng truyền sóng
(Hình 6.3). Sóng S chỉ tồn tại trong môi
trờng rắn, không có trong môi trờng lỏng.
- Trong môi trờng liên tục tốc độ
lan truyền của sóng dọc P lớn hơn tốc độ
truyền của sóng ngang S. Trong đất đá tỷ số
tốc độ sóng dọc và sóng ngang thay đổi:
v
P
/v
s


1.6

ữ
2.0 .
Trong đất đá tồn tại cả sóng P và
sóng S, trong dung dịch khoan năng lợng
chuyển sang sóng dọc P.
Sóng ngang S lan truyền với tốc độ
thấp hơn, nhng năng lợng của sóng này
lớn hơn hàng chục lần năng lợng của sóng
dọc P.
Vậy dựa vào hình ảnh của đợt sóng
(Hình 6.4) ta dễ dàng nhận ra sóng dọc P
(đến sớm hơn, biên độ nhỏ tắt dần chậm); sóng ngang S (đến chậm hơn, biên độ cao
hơn nhng cũng suy giảm nhanh hơn).
- Sóng dẫn đờng hay còn gọi là sóng ống (Stoneley Wave) trong điều kiện ở
giếng khoan có dung dịch (nớc), trên thành giếng còn tồn tại một loại sóng sinh ra
trên bề mặt tiếp xúc giữa dung dịch khoan và đất đá ở thành giếng khoan (Hình 6.5).
Sự lan truyền của loại sóng này làm cho thành giếng bị biến dạng. Tốc độ của sóng ống
V
St
rất thấp, thậm chí nó lan truyền theo thành giếng còn chậm hơn cả sóng P truyền
trong dung dịch.
Khoản
g
cách
Thời
g
ian
Biên độ
Đợ
t són

g

H
ình 6.3. Sự lan truyền của sóng ngang (a);
kết h
ợp
các són
g
P và S
(
b
)
(a)
(b)

173
Tốc độ V
St
và biên độ của sóng
ống phụ thuộc vào:
- Tính đàn hồi của dung dịch trong
giếng.
- Tính đàn hồi của đá ở thành
giếng.
- Độ thấm của đá ở thành giếng.
6.3. Tốc độ sóng âm
Tốc độ sóng âm trong môi trờng
đàn hồi có thể đợc biểu diễn qua modul
đàn hồi.
Tốc độ sóng lọc V

P
có thể tính
theo công thức:


Và tốc độ lan truyền của sóng ngang V
S


Trong đó:
E: Modul Young
()( )
)1.6(
211
1
*
4
3








+

=

+
=



à
bb
P
E
k
V
()
)2.6(
12
1
*
2
1
2

1








+
=








=

à
bb
S
E
V
H
ình 6.5. Sự lan truyền của
sóng ống (Stoneley Wave)
Són

g
d
ọ
c
Són
g
n
g
an
g
Dấu hiệu tru
y
ền
tín hi
ệ
u
Tín hiệu
Thời
g
ian
Biên độ (mV)
H
ình 6.4 Phân biệt sóng dọc và sóng ngang theo thời gian đến và biên độ của chún
g

174
2
1
b
P

k
V










k: Modul đàn hồi khối

à
: Modul kéo

: Hệ số Poision


b
: Mật độ khối của môi trờng.
Ta có nhận xét: Trong môi trờng chất lỏng, modul kéo hay hệ số biến dạng thể
tích gần bằng không cho nên V
S
xác định theo (6.2) sẽ bằng không, còn sóng dọc:
Đất đá thờng gặp ở vỏ Quả đất có Modun Yuong thay đổi trong khoảng
0,15.10
-6
đến 0,60.10

-6
kg/cm
2
và hệ số Poisson phổ biến bằng 0,25. Vì vậy, từ (6.1) và
(6.2) ta có:
Ước lợng đợc tỷ số này là rất quan trọng không chỉ khi đo ghi tín hiệu ở điều
kiện giếng khoan mà cả khi phân tích kết quả đo.
Các đá và khoáng vật thờng gặp trong các lớp đá ở vỏ Quả đất khác nhau rõ ràng
về tốc độ truyền sóng đàn hồi. Khoảng biến thiên tốc độ này nằm trong khoảng 1500 -
8000m/s, hẹp hơn so với một số tham số vật lý khác của đất đá nh điện trở suất.
Bảng 6.1 là một tập hợp số liệu về tốc độ và khoảng thời gian để sóng đàn hồi đi
qua một đơn vị chiều dài của các đá và vật liệu khác nhau.
Tốc độ truyền sóng đàn hồi trong đá đá phụ thuộc vào nhiều yếu tố nh thành
phần khoáng vật của đá, độ gắn kết, độ lỗ rỗng và kiểu lỗ rỗng (giữa hạt, nứt nẻ, hang
hốc), độ bo hoà chất lu, tính chất của chất lu bo hoà, áp suất vỉa, áp suất thạch tĩnh
liên quan đến chiều sâu thế nằm của đá.
Cha cần phân tích tỷ mỉ về ảnh hởng của từng yếu tố vừa nêu ta cũng thấy
rằng pha cứng của đá có đóng góp quan trọng lên tốc độ truyền sóng đàn hồi. Từ bảng
6.1 ta thấy đối với các đá có thành phần khoáng vật khác nhau (vôi, dolomit, cát thạch
anh) thể hiện sự biến đổi về tốc độ truyền sóng trong những khoảng khá rộng. Vì vậy,
đối với các thành hệ có pha cứng không đơn khoáng nh các lát cắt cacbonat thì tốc độ
lan truyền sóng đàn hồi của nó sẽ phụ thuộc vào tỷ phần của các khoáng vật thành
phần trong pha cứng, vì các khoáng vật thành phần đó có khả năng truyền năng lợng
siêu âm khác nhau.
)3.6(73,1
S
P
V
V

175
Bảng 6.1
Tốc độ Thời gian truyền
Môi trờng (đá, khoáng vật, vật liệu)
m/s ft/s
às/m às/ft
Không khí (
0
C, áp suất, khí quyển) 330 1020 3000 995
Nớc sạch 1500 4600 668 218
Nớc có: 10%NaCl, 1600 4800 625 208
20%NaCl 1740 5300 575 189
Phù sa bồi tích 310 940 3230 1035
Sét cha nén kết 1980-2630 6000-8000 505-380 168-125
Sét kết 5300 16000 189 >62
Anhydrit 6600-6850 20000-20500 152-146 50-49
Đá vôi 6900-7550 21000-23000 145-132 47.6-43.5
Đá macnơ 3300-6900 10000-21000 303-145 100-48
Dolomit 7550-8500 23000-26000 132-118 4.5-38.5
Ximăng 3750 11400 267 88
Thép ống chống 5650-6500 17200-19700 177-154 58-51
Dung dịch khoan (ngọt) 1640-1740 5000-5300 610-575 200-189
Dung dịch mặn 1780 5400 560 185
Cát (bở rời) 5900 13000 170 55.6
Cát kết 5900-6900 18000-21000 170-145 55.6-47.6
Metan (
0
C, áp suất khí quyển) 480 1450 2080 690
Dầu thô (
0

C, áp suất khí quyển) 1380 420 725 240
Muối 4950-5600 15000-17000 200-179 67-59
Độ gắn kết và thành phần ximăng gắn kết đá cũng ảnh hởng mạnh đến tốc độ
truyền sóng. Đá càng gắn kết tốt thì tốc độ truyền sóng đàn hồi của nó càng lớn và thời
gian lan truyền càng nhỏ.
Tốc độ truyền sóng đàn hồi có quan hệ tỷ lệ nghịch với độ lỗ rỗng của môi trờng.
Mối quan hệ giữa tốc độ (V) và độ lỗ rỗng

thể hiện qua phơng trình tốc độ
trung bình của Wyllie (1958):
Trong đó:
V: Tốc độ truyền sóng đo đợc bằng phơng pháp siêu âm.
V
m
: Tốc đô truyền sóng của pha cứng (matrix).
V
f
: Tốc độ truyền sóng của chất lu bo hoà.
Năng lợng sóng âm truyền trong các đá có kiểu lỗ rỗng khác nhau sẽ không
giống nhau. Trong các đá có lỗ rỗng giữa hạt phân bố đồng đều, năng lợng sóng âm suy
giảm chậm hơn trong đá có kiểu lỗ rỗng phân bố không đồng đều (nứt nẻ, hang hốc).
)4.6(
11
fm
VVV

+


=

176
Chất lu bo hoà trong không gian lỗ rỗng của đá (nớc, dầu, khí) có ảnh hởng
đến sự suy giảm năng lợng sóng đàn hồi cũng nh tốc độ truyền sóng đàn hồi của đá.
ả
nh hởng của chất lu nh vậy đặc biệt mạnh ở các đá có độ lỗ rỗng cao. Có cùng lỗ
rỗng, vỉa chứa khí có tốc độ truyền sóng đàn hồi chậm hơn vỉa chứa nớc. Cùng chứa
khí nhng vỉa có áp suất cao sẽ có tốc độ truyền sóng đàn hồi lớn hơn vỉa có áp suất
thấp.
ả
nh hởng của chất lu và áp suất vỉa lên tốc độ truyền sóng đàn hồi không
mạnh mẽ ở các vỉa có độ lỗ rỗng thấp. Các thành hệ đá chứa ở chiều sâu lớn chịu lực
nén ép cao độ lỗ rỗng thờng thấp, tính chất của chất lu không ảnh hởng nhiều đến
tốc độ truyền sóng cho nên tốc độ truyền sóng đàn hồi đợc xem là có quan hệ trực
tiếp với độ lỗ rỗng.
6.4. Cơ chế lan truyền sóng âm
Sự phản xạ và khúc xạ sóng âm (sóng đàn hồi) truyền trong môi trờng liên tục
là nhờ vào sự dao động của các điểm chất trong môi trờng đó. Khi dao động xung
quanh vị trí cân bằng của mình, các điểm chất truyền năng lợng cho các điểm chất
bên cạnh và biến nó thành điểm nguồn sóng mới theo nguyên lý Huygen (Hình 6.6).
Điểm chất dao động theo phơng song song với phơng truyền sóng là kết quả
của quá trình nén của sóng đàn hồi trong môi trờng. Sự kéo gin của sóng đàn hồi đối
với điểm chất làm cho nó dao động theo phơng vuông góc với phơng truyền sóng.
Quá trình nén và kéo gin chính là các quá trình tạo thành sóng dọc P và sóng ngang S.

Hình 6.6. Sự lan truyền sóng đàn hồi







Hình 6.7. Sự phản xạ và khúc xạ sóng âm
Theo định luật Descarte, tại điểm I trên ranh giới giữa hai phần môi trờng đồng
nhất đẳng hớng vô hạn, có tốc độ V
P1
, V
S1
, V
P2
, V
S2
sóng P có góc tới i
1
sẽ phân thành
bốn sóng mới. Hai trong số đó là sóng phản xạ P
r
và S
r
có góc phản xạ lần lợt là r
1
và
r

2
(Hình 6.7). Hai sóng còn lại là sóng khúc xạ P
R
và S
R
có góc khúc xạ R
1
và R
2
.
Nếu chỉ xét riêng sóng dọc thì theo định luật phản xạ: i
1
= r
1
và theo định luật khúc xạ:
)6.6(
2
1
P
P
V
V
SinI
=
Phơng truyền sóng
Mặt sóng ở
thời điểm t
2
Mặt sóng ở
thời điểm t

1

V
S1
, V
P1
V
S2
, V
P2
S
r

P
r

P
r
S
r


177
Nếu V
P2
>V
P1
, góc i đạt tới góc I tới hạn thì R
1
= 90 và gọi là góc khúc xạ toàn

phần, ta có:
Ta có thể định nghĩa hai góc phản xạ, một cho sóng dọc và một cho sóng ngang.
Nếu quy ớc là các sóng phản xạ và khúc xạ tạo ra sóng ngang thì ta có:
Và
Ta có nhận xét rằng trờng hợp ở thành giếng khoan, môi trờng 1 là dung dịch
nên sóng phản xạ không có thành phần sóng ngang.
Giữa tốc độ sóng đàn hồi và mật độ của môi trờng có quan hệ chặt chẽ với
nhau. Tích số của tốc độ sóng V trong môi trờng và mật độ

của môi trờng đó đợc
gọi là trở kháng âm học r.
r = V.
(6.9)
Trên bề mặt ngăn cách giữa hai môi trờng có trở kháng âm học khác nhau, nếu
góc tới i = 90
0
thì ở đó có hệ số phản xạ:
Và dĩ nhiên khi góc tới i thay đổi thì R
1-2
cũng thay đổi phụ thuộc vào i
1
, V
S1
và V
S2
.
Trong môi trờng đất đá cũng xảy ra hiện tợng giao thoa sóng đàn hồi, khi tại
một điểm cùng một lúc có các sóng cùng tần số đến từ hớng khác nhau.
Tuy nhiên, ở giếng khoan thờng giếng không tròn, các chấn tử phát và chấn tử
thu hiếm khi nằm chính xác trên trục giếng nên hiện tợng vật lý này khá phức tạp

(Hình 6.8).
)7.6(
21
21
SP
V
Sinr
V
Sini
=
)8.6(
V
SinR
V
Sini
21
S
2
P
1
=
)10.6(
1122
1122
21


VV
VV
R

+

=


178
Hình 6.8. Hiện tợng giao thoa sóng siêu âm có cùng tần số 1, 2, 3, 4 và trờng hợp
không cùng bớc sóng
6.5. Phơng pháp đo tốc độ sóng âm
Phơng pháp tốc độ siêu âm dựa trên cơ sở sóng đàn hồi truyền trong các lớp đất
đá khác nhau với tốc tốc độ khác nhau hay trên cùng đoạn đờng bằng nhau thời gian
lan truyền của sóng đàn hồi không giống nhau trong các đá khác nhau.
Phơng pháp tốc độ siêu âm thực chất là phép đo thời gian lan truyền của sóng
đàn hồi (
t) qua một đoạn đờng dài cho trớc.
6.5.1. Nguyên lý và sơ đồ máy giếng
Dùng một máy phát từ giảo, điều khiển từ mặt đất phát ra các xung phát sóng
siêu âm, có tần số từ 20 - 40KHz (Hình 6.9) qua chấn tử phát E. Các xung có trờng độ
ngắn (khoảng 200
à
s) và lập lại từ 10
đến 60 lần trong một giây, tuỳ theo
từng loại máy. Sóng lan truyền từ chấn
tử E đi về mọi hớng dới dạng các mặt
sóng cầu. Mặt sóng truyền qua dung
dịch khoan và chạm vào thành giếng ở
thời điểm và góc tới i khác nhau, tuỳ
thuộc vào khoảng cách từ E đến thành
giếng và loại sóng dọc hay sóng ngang
(Hình 6.10).

Trong phép đo ghi tốc độ thờng
ngời ta quan tâm đến sóng dọc P.
Khi phát xung sóng từ E ta có các trờng hợp sau:
Đ
ồng pha L
ệ
ch pha Ngợc phaLêch pha
/
2
Biên độ
Thời
g
ian
H
ình 6.9. Hình ảnh xung phát

179
a. Nếu góc tới i nhỏ hơn góc tới hạn thì ở điểm tới mỗi sóng dọc chia làm hai
phần: Khúc xạ và phản xạ, còn sóng ngang chỉ có thành phần khúc xạ (vì nó không
phản xạ đợc vào môi trờng dung dịch).
b. Nếu góc tới lớn hơn góc tới
hạn thì sóng dọc sẽ chỉ tạo ra sóng phản
xạ và bắt đầu từ đó mỗi điểm ở thành
giếng khoan sẽ trở thành nguồn sóng.
Sóng dọc phản xạ đi qua dung
dịch chậm hơn so với sóng dọc hay
sóng nén đi trong thành hệ vì tốc độ
truyền sóng trong đất đá lớn hơn trong
dung dịch.
Theo các tia sóng dọc khúc xạ từ

thành giếng vào dung dịch với góc tới
hạn r (Hình 6.10) bởi chúng lan truyền
trên thành giếng với tốc độ V
P2
và đi tới
các chấn tử thu R
1
và R
2
qua dung dịch
với tốc độ V
P1
.
Nếu các chấn tử R
1
và R
2
đặt
trên trục của Zond đo và của giếng
khoan ở những khoảng cách xác định
thì thời gian sóng đến đối với chúng đợc tính:

Nhng vì khoảng đờng BR
1
= CR
2
nên ta có:
Và
6.5.2. Nhận biết sóng dọc và sóng ngang
Trong phép đo, máy sẽ ghi nhận thời gian của sóng đến sớm nhất, đó chính là

sóng khúc xạ toàn phần đi từ thành giếng khoan dới góc tới hạn r vào dung dịch ròi
lần lợt đến các chấn tử R
1
và R
2
theo con đờng ngắn nhất (Hình 6.11).
Thực chất: a. Các sóng dọc khúc xạ khác cũng đi trong đất đá với tốc độ giống
nh sóng đầu nhng khoảng đờng chúng phải đi thì dài hơn nên vẫn đến chậm hơn và
b. Sóng ngang khúc xạ vào đất đá đi với tốc độ chậm hơn rất nhiều so với sóng dọc
thành thử chúng đến chậm nhất. Tuy nhiên, sóng ngang có năng lợng lớn hơn nên dễ
nhận biết chúng theo biên độ sóng.
Trong mọi trờng hợp bao giờ cũng dễ tách sóng dọc và sóng ngang theo thời
gian đến và theo biên độ (năng lợng) của chúng.
121
1
1
PPP
R
V
BR
V
AB
V
EA
T ++=
)11.6(
1221
2
2
PPPP

R
V
CR
V
BC
V
AB
V
EA
T
+++=
)12.6(
2
12
P
RR
V
BC
TTt
==
21
21
,
11
RRBC
V
CR
V
BR
PP

==
,và
H
ình 6.10. Sơ đồ nguyên tắc đo thời gian
lan truyền

t (Zond 2 chấn tử thu)

180
Để dễ dàng tách sóng dọc và sóng ngang trong phơng pháp siêu âm,
Schlumberger sử dụng Zond đo dài (Long Spacing Sonic Tool). Phép đo thực hiện theo
nguyên tắc nh mô tả ở hình 6.12.
Dun
g
dịch
Thành hệ
Tín hiệu đo
Mặt són
g

(
phát
)
Mặt són
g
khúc xạ
Hớn
g
tru
y

ền
của mặt sóng
Sóng dọc
Mặt són
g
khúc xạ
Sóng ngang
Tín hiệu đo
p
2
p
1

Hình 6.11. Sự lan truyền siêu âm. Nguyên tắc đo thời gian lan truyền

t
bằng Zond hai chấn tử thu (theo O. Serra)

181
Để xác định

t
P
dùng ngỡng năng lợng (BIAS) thấp vì biên độ của sóng dọc
(sóng nén) thấp. Khi đo

t
S
- dùng ngỡng năng lợng (biên độ) cao, vì sóng ngang có
biên độ lớn hơn sóng dọc.

Các giá trị
t
P
, t
S
và tỷ số t
P
/t
S
đợc đo ghi trên băng (Hình 6.13)








Hình 6.13. Thí dụ biểu diễn kết quả đo

t
P
và

t
S
bằng Zond dài
(theo Schlumberger)

Hình 6.14. Xác định đặc điẻm thạch học
theo biểu đồ trực giao

t
P
với

t
S

(theo Pickett, 1963)

Tỷ số V
P
/V
S
của sóng âm trong thành hệ đá mang những thông tin của các yếu
tốc thạch học địa tầng. Theo một nghiên cứu của Pickett (1963) có thể áp dụng các đặc
trng âm học để phân loại và đánh giá các đá khác nhau (Hình 6.14). Dựa vào tỷ số
Biên độ
Thời
g
ian

Thời
g
ian
Thời
g
ian
Thời
g
ian

t
P

t
S
Són
g
d
ọ
c
Són
g
n
g
an
g

H
ình 6.12. Phơng pháp đo

t của sóng P và sóng S
Bias
Bias
Bias
Bias
Vôi s
ạ
ch
Dolomit s
ạ
ch
Cát s
ạ
ch
Vôi sạch
Dolomit
Cát sạch
t
p
(às/ft)
Thời gian

t
p
= 75
à
s/ft,

t
S

= 125
à
s/ft

182
V
P
/V
S
hay

t
S
/

t
P
thể hiện trên hình 6.14 phân biệt rõ các đá theo chiều tăng từ cát kết
đến Dolomit và đá vôi.
6.5.3. Loại trừ ảnh hởng đờng kính giếng khoan
Ta có nhận xét việc đo

t theo sơ đồ của Zond hai chấn tử thu nh hình 6.10 sẽ
chịu ảnh hởng của sự thay đổi đờng kính giếng và sự nghiêng của Zond đo trong
giếng khoan.
Khi đờng kính giếng thay đổi thì đờng biểu đồ

t

sẽ thay đổi khác nhau: nhỏ

hơn hoặc lớn hơn giá trị thực (Hình 6.15)
Hình 6.15. ảnh hởng của đờng kính giếng lên kết quả đo

t
Khi trục của Zond đo và trục giếng khoan không trùng nhau (giếng nghiêng,
Zond thẳng đứng và ngợc lại) đều làm cho
t kéo dài thêm (Hình 6.16)
Để khắc phục tình trạng đó, ngời ta dùng Zond đo kép để bù chỉnh đờng kính.
Zond đo này gồm 2 Zond đặt ngợc nhau. Một Zond phát E
1
ở trên các chấn tử
R
1
và R
2
đặt phía dới; Zond đo thứ hai thì ngợc lại, chấn tử E
2
đặt dới, các chấn tử
R
1

và R
2

đặt ở phía trên (Hình 6.17).
Đối với thiết bị Zond đo nh hình 6.17 thì điểm đo đợc tính là điểm giữa R
1
và R
1

.
Chiều tăng của t
Chiều tăng của

t
Thời
g
ian tru
y
ền
không đổi
tăn
g
n
g
ắn
tăn
g
dài
th
ự
c
biểu kiến
tăn
g

dài
Khoản
g
s

ập
lở
tăn
g

n
g
ắn

183

6.5.4. Chiều sâu nghiên cứu và độ phân giải của Zond đo tốc độ siêu âm kép
(BHC)
Chiều sâu nghiên cứu của máy giếng BHC phụ thuộc vào chiều dài bớc sóng
hay tần số sử dụng và tốc độ truyền sóng của thành hệ. Nếu các lớp đá thờng gặp đều
có tốc độ truyền sóng đàn hồi trong khoảng 5000 đến 25000 ft/s thì chiều dài bớc
sóng

khoảng 8 đến 40cm (đối với tần số f = 20KHz) và 4 đến 20cm (đối với tần số f
= 40KHz). Trong dải tần số đó, chiều sâu nghiên cứu của các Zond đo tới độ sóng âm
khoảng bằng 3

.
Vậy chiều sâu nghiên cứu của phép đo tốc độ sóng vào khoảng từ 12cm đến
100cm, nghĩa là trong vùng đới ngấm. Muốn tăng chiều sâu nghiên cứu vào vùng đới
nguyên, Schlumberger sử dụng Zond đo sóng âm có chiều dài lớn. Tuy nhiên, đối với
các Zond dài thì sóng đến sẽ yếu có nguy cơ mất chu kỳ, nhất là trờng hợp gặp các đá
có nứt nẻ hang hốc là môi trờng làm sóng đàn hồi suy giảm mạnh. Độ phân dải của
Zond đo tốc độ sóng âm bằng khoảng cách giữa hai chấn tử thu, thờng vào khoảng 60
đến 70cm, nhng cũng có lúc lớn hơn khoảng 1 đến 2m.
6.5.5. Đơn vị đo
Trong công nghiệp ngời ta dùng đơn vị micro giây/bộ (
às/ft) để đo thời gian

truyền, đó là khoảng thời gian
t tính bằng micro giây để sóng đàn hồi đi đợc khoảng
đờng 1 foot trong môi trờng nghiên cứu. Hệ số để quy đổi
à
s/ft sang
à
s/m hoặc từ
tốc độ m/s thành ft/s là 3,28084.
H
ình 6.17. Sơ đồ nguyên tắc của Zond kép đo

t
Hình 6.16. ảnh hởng của giếng
khoan nghiêng lên kết quả đo

t
tăn
g

dài thêm

184
Nghĩa là khi có

t tính bằng
à
s/ft, muốn đổi sang đơn vị
à
s/m thì phải nhân với
hệ số 3,28084. Cũng nh vậy, nếu có tốc độ v đo bằng m/s, khi đổi sang đơn vị là ft/s

thì cũng nhân với hệ số trên.
6.5.6. Các yếu tố thể hiện lên kết quả đo
Các yếu tố môi trờng nh pha cứng, pha lỏng, pha khí, cấu trúc, kiến trúc, độ
lỗ rỗng, nhiệt độ, áp suất vỉa đều thể hiện lên kết quả đo tốc độ sóng âm trong lỗ
khoan.
a. Pha cứng hay xơng đá
Tốc độ sóng âm trong các đá phụ thuộc vào thành phần khoáng vật tạo đá. ảnh
hởng của các khoáng vật đợc đánh giá qua mật độ và các tham số đàn hồi của chúng.
Bảng 6.1 là các giá trị trung bình thời gian lan truyền

t (
à
s/ft) và tốc độ sóng
dọc v
p
(ft/s.10
3
) của một số khoáng vật và đá thờng gặp.
Trờng hợp đá gồm nhiều khoáng vật thì các giá trị
t và v phụ thuộc vào tỷ
phần thể tích và tốc độ truyền sóng của mỗi khoáng vật thành phần, ngoài ra còn chịu
ảnh hởng của sự phân bố của khoáng vật trong đá. Ví dụ, sét có thể có nhiều cách
phân bố trong đá cát sét, mỗi kiểu phân bố có kiểu ảnh hởng riêng lên tốc độ truyền
sóng chung của đá.
Bảng 6.1
Tên đá, khoáng vật, vật liệu
t
(às/ft)
V
p

(ft/s).10
3

Modul khối
k (kgm
-1
s
-2
)
Dolomit 44.0 22.798 85
Canxit 46.5 21.505 67
Nhôm 48.7 20.539 -
Anhydrit 50.0 20.00 54
Granit 50.8 19.685 -
Thép 50.5 19.686 -
Đá vôi đặc xít 47.7-53.0 18.750-21.00 -
Thạch cao 53.0 19.047 40
Thạch anh 55.1 18.149 38
Cát kết 57.0 17.544 -
ống chống (thép) 57.1 17.50 -
Sét 60.0-170.0 5.882-16.667 -
Halit 66.7 15.00 23
Than bitum 120.0 8.333 -
Nớc 200000ppm NaCl, 15 psi 180.5 5.540 -
Nớc 100000ppm NaCl, 15psi, 25
0
C 192.3 5.200 2.752
Nớc nguyên chất (25
0

C) 207.0 4.830 2.239
Dầu 238.0 4.200 -
Methan, 15psi 626.0 1.600 -
Không khí, 15psi 910.0 1.100 -


185
b. Độ lỗ rỗng và chất lu
Tốc độ sóng âm trong đá cũng phụ thuộc vào độ lỗ rỗng và chất lu bo hoà:
Trong mọi trờng hợp đá bo hoà chất lu bất kỳ, khi độ lỗ rỗng của đá cao thì
tốc độ lan truyền sóng âm thấp và ngợc lại.
Nói chung ở cùng chiều sâu đá có cùng thành phần khoáng vật và độ rỗng khi
thay nớc bằng dầu hay dầu bằng khí bo hoà thì tốc độ âm sẽ giảm.
Tốc độ âm trong nớc phụ thuộc vào độ mặn. độ mặn càng cao thì tốc độ truyền
sóng đàn hồi càng cao.
Hình 6.18. Bản chuẩn xác định tốc độ âm trong nớc theo độ muối, nhiệt độ và
áp suất vỉa khác nhau.
c. Nhiệu độ và áp suất
Ta đ thấy nhiệt độ và áp suất ảnh hởng đến tốc độ truyền sóng âm trong nớc.
Trong dầu, khí và cả trong khung đá, các tham số môi trờng này (nhiệt độ và áp suất)
cũng gây ảnh hởng lên tốc độ truyền sóng âm.
Nhiệt độ
á
p suất vỉa
Tốc độ sóng âm trong nớc
Tốc độ sóng âm trong nớc
Nhiệt độ
á
p suất vỉa
Độ muối

H
ình 6.18. Tốc độ sóng âm trong nớc là tham số của độ
muối, nhiệt độ và áp suất

186
Các kết quả thực nghiệm của Viện
dầu khí Pháp (IFP) đ cho thấy rằng tốc độ
truyền sóng âm trong đá vôi và cát kết giảm
dần khi nhiệt độ tăng (Hình 6.19), trong khi
đó tốc độ sóng âm cũng trong cát kết thì lại
tăng theo áp suất (Hình 6.20).
d. Kiến trúc
Sự sắp xếp của các hạt rắn và lỗ
rỗng của đá ảnh hởng rất lớn đến tốc độ sóng âm trong đá. Có những công trình
nghiên cứu đ chỉ ra hình dáng, kích thớc và phân bố sắp xếp của lỗ rỗng (giữa hạt,
hang hốc, nứt nẻ) đều có thể hiện lên tốc độ sóng âm. Với một cỡ kích thớc nào đó, lỗ
rỗng co thể tính đến trong đặc điểm đàn hồi của đá, nhng đối với các lỗ rỗng có kích
thớc lớn hay hang hốc thì có thể sóng âm đi theo phần ngắn nhất trong matrix nghĩa
là đi vòng quanh lỗ rỗng nhiều hơn là đi xuyên qua nó. Kích thớc tới hạn của lỗ rỗng
có quan hệ trực tiếp với chiều dài bớc sóng. Kích thớc nhỏ hơn thì sóng âm có thể
xuyên thẳng, ngợc lại kích thớc lớn hơn thì sóng âm vòng theo matrix.
Chúng ta từng thấy rằng đối với một loại lỗ rỗng thì tốc độ phụ thuộc vào kiểu
tiếp xúc của các hạt với nhau. Sự tiếp xúc có thể là từng điểm (các hạt hình cầu với
nhau), từng đờng kéo dài (trờng hợp hạt hình Elipsoid phỏng cầu) hay theo mặt hạt
(hạt đa diện hình lập phơng hay dạng vảy).
Những kiểu độ hạt nh vậy, phần lớn là không đẳng thớc dẫn đến môi trờng
các đá là môi trờng bất đẳng hớng. Khi xét về tốc độ sóng âm, suy rộng ra ta cũng
có thể thấy rằng góc cắm của vỉa cũng ảnh hởng đến kết quả đo tốc độ sóng âm, cần
phải tính đến trong đo vẽ thực tế.
Trong đá có độ rỗng thấp, lỗ rỗng ít nhiều bị tách biệt và phân bố lộn xộn,

Matrix có cấu trúc nh một pha liên tục và do đó sóng đầu đi nhanh theo Matrix mà bỏ
qua lỗ rỗng. Thông thờng, khi độ rỗng đến khoảng từ 5 - 10% thì thời gian lan truyền
thực sự không có thay đổi lớn từ
t
ma
. Vì vậy, phơng pháp âm trong giếng khoan đợc
xem là không thể hiện độ rỗng thứ sinh trong kiểu hang hốc.
Cát kết
Cát kết
á
p
suất
H
ình 6.20. Tốc độ truyền âm phụ thuộc
vào áp suất môi trờng (theo IFP)

Vôi
Cát kết
H
ình 6.19. Tốc độ sóng âm phụ thuộc
nhiệt độ bên ngoài (theo IFP)
Nhiệt độ

187
Ngợc lại nếu các hạt thả trong chất lu nh kiểu đá sét gắn kết yếu và đá cát ở
gần trên mặt đất có độ rỗng cao hơn 48-50%. Pha liên tục lại là chất lu ,thành thử số
đo thời gian lan truyền chủ yếu là thời gian sóng âm đi trongchất lu .Điều này gặp
trong trờng hợp đo siêu âm ở các vùng băng giá quanh năm. Khi đo ta đợc thời gian
lan truyền là của sóng âm trong băng. Nh vậy nghĩa là thời gian lan truyền trong chất
lu sẽ đo đợc khi độ rỗng cao hơn 50%. Thờng thì ở các trờng hợp nh vậy không

thể đo đợc thời gian lan truyền trong đá,đợt sóng đến đầu tiên theo Raymer và nxb
(1980) là sóng đi trong dung dịch.
Gặp khi trong đá có vi nứt nẻ tự nhiên hay do quá trình khoan gây ra thì cũng
làm giảm tốc độ sóng âm bởi sự hình thành của
các vi lỗ rỗng có dạng mặt (plane) có thể đ sắp
xếp theo phơng vuông góc với phơng truyền
sóng. Điều đó giải thích tại sao trong một số
loại đá (phổ biến là sét và đá cacbonat còn cát
kết thì ít hơn) có sự trái ngợc giữa kết quả xác
định tốc độ lớp bằng địa chấn và phơng pháp
âm trong giếng khoan. Trong trờng hợp đó,
phép đo trong giếng khoan nên sử dụng Zond
dài để đo đợc tốc độ sóng đi vòng qua đới vi
nứt nẻ ở sát thành giếng (Hình 6.21).
6.5.7. Phân tích kết quả
Từ các yếu tố ảnh hởng lên phép đo vừa
nêu trên ta thấy phơng pháp tốc độ âm trong
giếng khoan có thể đợc sử dụng trong nghiên
cứu thạch học và độ lỗ rỗng ở dạng giữa hạt hay
dạng giữa các tinh thể.
Đối với mọi loại đá khi Zond đo có vùng
nghiên cứu chủ yếu ở trong đới thấm, tốc độ
sóng âm (hay thời gian lan truyền
t) có quan
hệ hàm số với độ lỗ rỗng.
Trong thực tế ở các đá có độ gắn kết tốt,
với một gần đúng bậc một chúng ta có thể xem
các biến thiên tốc độ sóng âm theo chiều sâu
(áp suất với nhiệt độ) của chất lu và matrix là
không đáng kể, có thể bỏ qua, và tốc độ cuối

cùng trong đá đ đợc hình thành theo độ gắn kết và phân bố lỗ rỗng.
Wyllie(1956) đ đa ra một số phơng trình thực nghiệm trên cơ sở các số
liệuđo trong phòng thí nghiệm trên các mẫu đá sạch:

t =t
f
+ (1-) t
ma
(6.13)
Trong đó :
H
ình 6.21. Hai phần tia khúc xạ trong
đới vi nứt nẻ và vùng đá nguyên khối
Phần tia khúc xạ 2
Phần tia khúc x
ạ
1
Thành
g
iến
g
Gần
Xa
Dun
g
d
ị
ch
Đ
ới biến đổi ha

y
phá hu
ỷ
Vùng đá
nguyên khối
Đớivinứtnẻ