Giáo trình địa vật lý giếng khoan part 4 pot

82
Từ (3.100) ta thấy với cùng
giá trị yếu tố hình học, độ dẫn của
đới nào cao hơn thì đóng góp của
đới đó vào tín hiệu toàn phần lớn
hơn. Trong môi trờng đồng nhất,
các phần không gian có tỷ phần
đóng góp vào tín hiệu chung của
các đới quanh Zond đo đợc thể
hiện trong hình 3.27.
Giá trị đo C
a
của Zond đo
cảm ứng tính cho điểm O nằm
chính giữa hai ống dây T và R - vì
vậy điểm O gọi là điểm đo của hệ
thiết bị đo cảm ứng hai ống dây.
c) Chiều sâu nghiên cứu
và khả năng phân giải
Chiều sâu nghiên cứu theo
phơng bán kính và khả năng
phân giải lát cắt theo phơng z
của một Zond đo cảm ứng trong giếng khoan đợc tính toán nh sau:
Yếu tố hình học của phần môi
trờng nằm giữa hai mặt trụ bán kính
r và (r+dr) kéo dài theo trục z từ -

đến +

đợc tính:

+

= gdzG
r
(3.101)
Đối với trờng hợp của Zond
hai ống dây, giá trị G
r
tính theo
(3.101) biến đổi nh hàm số của r
(hình 3.28).
Hình 3.28 chỉ ra rằng Zond hai
ống dây không hội tụ trờng điện từ
tập trung chủ yếu trong đới trụ có bán
kính
Lr
4
1
=
đến L.
Hình 3.29 cho thấy các Zond
đo có nhiều ống dây hội tụ có chiều sâu nghiên cứu tăng theo chiều dài của Zond.
Chú ý: Các ký hiệu 6FF27, 5FF40 và 6FF40 là những ký hiệu của các Zond đo
cảm ứng. Trong các ký hiệu đó chữ số Hy Lạp đầu tiên chỉ số ống dây, các ký tự FF chỉ
> 50%
25
ữ
50%
10

ữ
25%
5% ữ 10%
2 ữ 5%
< 2%
Tỷ phần đóng ghóp tín hiệu đo theo yếu tố hình học
H
ình 3.27. Yếu tố hình học của Zond đo cảm ứng
(
theo Schlumber
g
er
)

Yếu tố hình học
H
ình 3.28. Yếu tố hình học G
r
theo phơng
bán kính của Zond 2 ốn
g
dâ
y

83
rằng Zond đo có hội tụ, và con số cuối
cùng là chiều dài L của Zond đo, tính
bằng inches.

Yếu tố hình học theo phơng

thẳng đứng tại vị trí cách điểm đo O
một khoảng Z (hình 3.30) đợc tính
theo biểu thức sau:


=
0
gdrG
Z
(3.102)
Lấy tích phân (3.102) ta sẽ nhận đợc các biểu thức sau:
L
G
Z
2
1
=
, trong khoảng
22
L
Z
L
+<<
2
8
1
Z
G
Z
= ,

ngoài khoảng trên, nghĩa là
2
L
Z
<
và

2
L
Z
+> .
Vậy là một vỉa có
chiều dày lớn hơn L thì ảnh
hởng của các lớp vây quanh
sẽ rất nhỏ, điều đó đồng nghĩa
với nhận xét độ phân giải lát
cắt của Zond đo cảm ứng
bằng chiều dài L của nó.
d) Làm hội tụ trờng
kích thích và tín hiệu đo
Nh đ nói, trong thực
tế sản xuất các Zond đo cảm
ứng ngời ta không dùng loại
có hai ống dây, mà thờng
dùng loại có nhiều ống dây,
gồm hai ống dây phát thu
chính còn thêm các ống dây phụ. Các ống dây phụ có chức năng làm hội tụ định xứ
trờng kích thích vào vùng cần thiết để tín hiệu đo đợc có phần đóng góp của các
vùng đó nhiều hơn. Thờng thì việc làm hội tụ nhằm mục đích thu đợc các tín hiệu
của vùng sâu hơn đới thấm dụng dịch - vùng đới nguyên.

Sử dụng hội tụ phải đạt đợc các kết quả sau:
- Có khả năng phân dị lát cắt tốt hơn, hạn chết tối ta ảnh hởng của các lớp vây
quanh.
- Giảm thiểu ảnh hởng của giếng khoan, tăng chiều sâu nghiên cứu, loại bỏ các
tín hiệu ở đới ngấm.
H
ình 3.30. Yếu tố hình học theo phơng thẳng đứng
(đặc tính phân giải theo z)
H
ình 3.29. Yếu tố hình học G
r
theo r
của các Zond đo có nhiều ốn
g
dâ
y
Yếu tố hình học
Khoản
g
cách

84
- Hạn chế các tín hiệu reactive - tín hiệu không mong muốn.
Các hình 3.30 và 3.31 cho thấy u
điểm của thiết bị đo có thêm ống dây thu R.
Khi kết hợp cặp T-R với cặp T-R ta có T-R-
R và nhận đợc đờng biểu diễn có độ phân
giải lát cắt cao hơn, ở nóc vỉa có xuất hiện
giá trị âm (hình 3.31c).
Trên hình 3.31 ta cũng thấy sự kết

hợp nh vậy sẽ làm tăng khả năng nghiên
cứu theo phơng bán kính đợc tốt hơn; làm
giảm thiểu ảnh hởng của đới ngấm.
e) Hiệu ứng Skin
Hiệu ứng skin, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt, đặc biệt mạnh trong các trờng
hợp môi trờng nghiên cứu có độ dẫn cao, nó là kết quả tơng tác giữa các vòng thành
phần làm cho giá trị đo độ dẫn biểu kiến
thấp đi rất nhiều so với thực tế.
Dòng Foucault trong mỗi vòng
không còn độc lập nhau cho nên tín hiệu
toàn phần đo đợc không còn là tổng của
các vòng thành phần nh điều giả định ở
mục a.
Sức điện động đợc tạo thành là kết
quả của chính mỗi vòng và của các vòng
lân cận. Chính các thành phần từ các vòng
xung quanh đ làm sai lệch cả biên độ lẫn
pha của tín hiệu đi tới ống dây thu. Các
vòng ở gần với Zond đo lại là nguyên nhân
làm hạn chế trờng điện từ đi vào các vòng
thành phần ở xa hơn vì:
Năng lợng bị tiêu hao theo luồng
dòng trong vòng thành phần nên đ giảm
năng lợng để chuyển tới phần môi trờng
ở xa hơn
- Trờng điện từ ở pha sau, sinh ra
do dòng Foucault ở gần Zond đo, bị phá vỡ
hạn chế trờng phát sơ cấp truyền ra xa
hơn. Kết quả là phần môi trờng (đất đá)
thực sự có đóng góp cho tín hiệu đo chỉ ở

lớp vỏ sát thành giếng khoan với chiều sâu

hạn chế bằng:
H
ình 3.31. Đặc điểm phân giải theo
phơng thẳng đứng của Zond đo 3
ống dây

Mô hình thực t
ế

T - R - R

T - R


T - R
H
ình 3.32: Đặc điểm nghiên cứu theo
p
hơn
g
bán kính r của Zond đo 3 ốn
g
dâ
y

85
c
à

2
=
(3.103)
ở
đây:

là chiều sâu, nơi có tới 63% tín hiệu phát đ bị suy giảm, và gọi là chiều
sâu skin (63% là tính bằng
e
1
1
, với e = 2,718)

= 2

f, với f là tần số của tín hiệu (Hz)
à - Độ từ thẩm (4.10
-7
đối với không gian rỗng).
c - Độ dẫn của môi trờng (mmho/m hoặc mS/m).
Hình 3.33 biểu diễn sự suy giảm của tín hiệu phát khi làm việc với tần số kHz
và độ dẫn của đất đá trầm tích thờng gặp trong thực tế.
Từ hình vẽ này ta thấy chiều sâu
skin
giảm khi độ dẫn của đất đá tăng.
Do hiệu ứng skin mà độ dẫn biểu
kiến đo đợc thờng nhỏ hơn giá trị thực.
Nếu C
g

là độ dẫn thực và C
a
là độ
dẫn biểu kiến đo đợc bằng Zond đo
cảm ứng thì hiệu ứng skin C
S
đợc tính:
C
S
= C
g
- C
a
(3.104)
Giá trị C
S
phụ thuộc vào độ dẫn
thực của môi trờng nghiên cứu (hình
3.34). Độ dẫn của môi trờng nghiên
cứu càng cao thì C
S
càng lớn.
Các Zond đo hiện đang dùng phổ biến
trong sản xuất 6FF40 đợc thiết kế để tự động
tính hiệu chỉnh ảnh hởng skin ngay trong
khi đo.
Khi đo cảm ứng bằng các Zond đo
5FF40 và 5FF27 thì phép hiệu chỉnh skin dựa
vào các bản chuẩn của Schlumberger.
H

ình 3.33. Sự su
y

g
iảm của tín hiệu
p
hát
Đ
ộ dẫn
(
mS/m
)
% tín hiệu còn lại
Khoản
g
cách đến T
(
in
)
H
ình 3.34. Hiệu chỉnh hiệu ứng Skin
C
a

C
g
C
S

86

g) Những nhận xét chung
Trong thực tế sản xuất chủ yếu dùng các Zond đo cảm ứng có nhiều ống dây và
gọi là Zond hội tụ. Khoảng cách giữa hai ống dây T và R là chiều dài của Zond. Chiều
dài L của Zond có ý nghĩa quan trọng đối với các đặc trng của nó. Khi tăng chiều dài
L sẽ làm tăng phần đóng góp của đới xa vào tín hiệu đo, nhng lại làm giảm ảnh hởng
của đới gần lên kết quả đo. Về nguyên tắc, dùng Zond có chiều dài L khác nhau, và
các ống dây có số vòng khác nhau ta có thể làm giảm phần lớn tin hiệu sinh ra từ các
thành phần trong môi trờng.
Để làm tăng khả năng nghiên cứu theo bán kính của Zond thì cần giảm tín hiệu
của giếng khoan so với tín hiệu từ đới nguyên. Mặt khác muốn tăng khả năng phân giải
của Zond đó theo chiều thẳng đứng thì lại cần làm giảm phần tín hiệu từ các vỉa vây
quanh so với tín hiệu của vỉa nghiên cứu.
Với cách nh vậy, cấu trúc của các Zond nhiều ống dây hơn sẽ có các khả năng
phù hợp với các đòi hỏi có phần trái ngợc nhau:
- Muốn làm cho Zond đo có khả năng nghiên cứu sâu hơn theo phơng bán
kính thì phải giảm ảnh hởng của các phần môi trờng ở gần, trong khi đó không đợc
giảm tín hiệu của phần ở xa giếng khoan.
- Để làm tăng khả năng phân giải lát cắt theo chiều thẳng đứng cần giảm ảnh
hởng của các phần môi trờng ở xa Zond đo về phía trên và dới, nhng không đợc
giảm phần tín hiệu của phần môi trờng ở gần, ngang với điểm đo.

Hình 3.35. Yếu tố hình học theo phơng bán kinh
của các Zond đo cảm ứng sâu và trung bình
Các Zond đo 6FF40 và 5FF40 đợc thiết kế để thoả mn hầu hết các đòi hỏi có
phần trái ngợc nhau nh trên. Chúng có chiều dài L bằng nhau là 40 inches (tơng
đơng 1,0 m).
Zond đo 5FF40 có bán kính nghiên cứu vợt quá chiều sâu đới ngấm thờng
gặp (D
i
= 5d). Trong thực tế có thể gặp các trờng hợp đới ngấm sâu hơn (D

i
> 10d),
0
40
80 120 160
200
240
280
320
.1
.2
.3
.4
.5
.6
.7
.8
.9
1.0
g
r

Đ
ờn
g
kính
(
in.
)

5FF40
6FF40

87
lúc đó Zond 6FF40 vẫn có thể cho kết quả đo tốt vì nó có chiều sâu nghiên cứu lớn hơn
hai lần chiều sâu nghiên cứu của Zond 5FF40.
Hình 3.35 là đồ thị so sánh yếu tố hình học G
r
theo phơng bán kính của các
Zond 5FF40 và 6FF40.
Yếu tố hình học G
Z
theo chiều thẳng đứng Z của các Zond 5FF40 và 6FF40 xấp xỉ
nh nhau, có nghĩa là khả năng phân giải lát cắt của chúng là nh nhau.
h) Chuẩn máy đo cảm ứng
Các máy móc và Zond đo cảm ứng trong giếng khoan cần đợc chuẩn khắc độ
theo định kỳ hoặc sau mỗi lần sửa chữa.
Có một cách chuẩn khắc độ các Zond đo cảm ứng, hay dùng ở các cơ sở lắp ráp
máy địa vật lý là thả máy đo trong môi trờng đ biết trớc độ dẫn điện (điện trở suất) và
tiến hành đo. Giá trị đo đợc định cỡ theo giá trị độ dẫn của mô hình chuẩn đ cho.
Nhng nh vậy mô hình chuẩn phải có kích thớc lớn để thoả mn điều kiện đồng nhất
đẳng hớng vô hạn nh lý thuyết. Một bề mô hình với kích thớc lớn không phải có thể
lắp đặt dễ dàng ở bất cứ nơi nào. Vì vậy, cách này chỉ thấy dùng ở các trung tâm chế tạo
lắp ráp máy lớn trên thế giới.
Cách thứ hai, hay dùng hơn, là dùng vòng dây có điện trở suất biết trớc đặt
xung quanh Zond đo cảm ứng (máy giếng). Thao tác thực tế nh sau: phối hợp trở
kháng của mỗi vòng, đờng kính và vị trí của vòng so với thiết bị sao cho các thành
phần U
act
và U

react
của tín hiệu tổng là xấp xỉ bằng nhau tơng ứng với sức điện động
tạo ra trong điều kiện môi trờng hữu hạn.
Đối với các đá thờng gặp ở vò Quả đất có độ dẫn khoảng 2 mS/m (R = 500
m), tần số làm việc 20 kHz, chiều dài Zond L = 1m thì thành phần U
act
lớn hơn U
react

rất nhiều. Trong điều kiện đó khi chuẩn khắc độ có thể chỉ cần tiến hành đo thành
phần U
act
.
i) Phạm vi ứng dụng của phơng pháp cảm ứng
Phơng pháp đo cảm ứng trong giếng khoan là phơng pháp điện trở duy nhất
nghiên cứu có hiệu quả các giếng khoan dùng dung dịch đen hay giếng khoan khô.
Những thập kỷ gần đây là khoảng thời gian các máy móc thiế bị đo địa vật lý giếng
khoan nói chung, máy móc đo cảm ứng nói riêng đ có những tiến bộ vợt bậc. Vì vậy
phơng pháp đo cảm ứng đ đáp ứng cho việc nghiên cứu các giếng khoan khoan bằng
dung dịch nớc ngọt. Trong các lát cắt điện trở đất đá từ 30 đến 200
m phơng pháp
cảm ứng cho kết quả rất tốt. Ngoài khoảng giới hạn nêu trên kết quả đo cảm ứng vẫn
còn nhạy với sự thay đổi thành phần thạch học của các thành hệ nhng bắt đầu có sai
số. Theo đánh giá của Halliburton, với các thiết bị đo cảm ứng hiện đang dùng phổ
biến trong sản xuất, ở lát cắt điện trở 250

m, sai số đo khoảng

1 mS/m.
Các Zond đo cảm ứng 6FF40 đ có khả năng định xứ tín hiệu đo của đới sâu

(0,8 - 1,3m), cho nên khi kết hợp với các phép đo laterolog, phơng pháp đo cảm ứng
đợc dùng để xác định điện trở suất thực R
t
của vỉa nghiên cứu. Trong tổ hợp cùng các

88
phơng pháp địa vật lý giếng khoan khác, phơng pháp cảm ứng cho khả năng phân
biệt các đá chứa bo hoà dầu, khí hoặc nớc.
3.4.4. Các dạng khác của phơng pháp điện từ trờng
Vài chục năm trở lại đây, trong địa vật lý giếng khoan đa vào sử dụng một hệ
phơng pháp sóng điện từ ở tần số cao từ megahertz (10
6
) đến gigahertz (10
9
) bằng hệ
Zond đo sóng radio hay vi sóng.
ở
tần số cao độ thẩm điện môi
ảnh hởng đến sự lan
truyền và có đóng góp nhiều nhất đến tín hiệu đo. Vì thế các phép đo trờng điện từ ở
tần số cao nh vậy trong giếng khoan gọi là phơng pháp
hằng số điện môi
. Ngời đặt
cơ sở lý thuyết và thực nghiệm cho phơng pháp này là Daev D.C., một nhà khoa học
xô viết vào đầu thập kỷ 60, nhng phát triển về máy móc và công nghệ để nó thành
một phơng pháp sử dụng có kết quả trong sản xuất lại là các chuyên gia ở các nớc
phơng Tây vào những năm 70 của thế kỷ XX.
ở tần số gigahertz, hằng số điện môi
và thời gian lan truyền của sóng điện từ tp
trong môi trờng tơng ứng của các đá và khoáng vật khác hẳn trong nớc (bảng 3.1).

Bảng 3.1
Đá, khoáng vật
Hằng số điện môi

(so với không khí)
Thời gian lan truyền
tp (NS/m)
Cát kết 4.66 7.2
Dolomit 6.8 8.7
Đá vôi 7.5 - 9.2 9.1 - 10.2
Anhydrit 6.35 8.4
Coloit (khô) 5.76 8.0
Muối mỏ 5.6 6.35
Thạch cao 4.16 6.8
Dầu mỏ 2.0 - 2.4 4.7 - 5.2
Nớc ngọt 78.30 29.5
Đặc biệt thực nghiệm đ khẳng định: giá trị hằng số điện môi của nớc rất ít
thay đổi theo độ khoáng hoá. Vì vậy, giá trị hằng số điện môi của môi trờng đất đá sẽ
là hàm số của độ lỗ rỗng bo hoà nớc.
Hệ đo Schlumberger có hai Zond đo thời gian tp và hằng số điện môi
: tần số vi
sóng và tần số radio.

89
Các hình 3.36 và 3.37 là số đo các Zond đo lan truyền sóng điện từ (EMP) theo
hệ vi sóng và sóng radio. Thiết bị gồm các anten phát T và thu R.
Một máy phát dòng biến đổi
cho anten phát để từ đây phát sóng
điện từ truyền trong môi trờng.
Sóng điện từ bị suy giảm và lệch pha

khi lan truyền.
Mỗi anten thu đo độ suy giảm
cục bộ và lệch pha của các sóng này.
Nguyên lý chung là phát và
thu sóng điện từ trong môi trờng
nghiên cứu, nhng phép đo có thể là
đo độ lệch pha, hoặc đo thời gian lan
truyền (tốc độ) sóng điện từ giữa hai
antan hoặc đo độ suy giảm biên độ
(năng lợng) sóng trên qung đờng
giữa hai anten đó. Các đại lợng này
đều có quan hệ hàm số với độ thẩm
cách điện

của môi trờng.
Sơ đồ đo theo hệ vi sóng (hình
3.36) đợc áp sờn có chiều sâu
nghiên cứu không vợt quá 2 (

5cm) trong đới rửa. Thời gian lan
truyền t
po
trên qung đờng giữa các
anten thu trong vỉa bo hoà nớc (S
W
= 1) đợc đa về dạng phơng trình thời gian
trung bình:
t
po
=

t
pW
+ (1 -

)t
pm
(3.105)
và trong vỉa dầu:
t
po
= (S
xo
)t
pW
+ (1 - S
xo
)t
ph
+ (1 - )t
pm
(3.106)
Trong đó:
t
pW
Thời gian truyền trong nớc (phụ thuộc nhiệt độ)
t
pm
Thời gian lan truyền trong matrix
t

ph
Thời gian lan truyền trong dầu mỏ
Các tham số còn lại: S
xo
đợc xác định bằng các phơng pháp khác. Từ đó dễ
dàng xác định độ rỗng

.

Dung dịch
Đ
ới rửa
Đ
ới nguyên
năng lợng tín
hiệu trong vỉa
thiết bị trên
năng lợng tín
hiệu trong vỉa
thiết bị dới
năng lợng
trong vỏ sét
anten
vi sóng
Vỏ sét
H
ình 3.36. Cấu hình các anten của Zond đo ở
tần số vi sóng

90

Phép đo theo sơ đồ ở hình 3.37 làm việc ở tần số MHz. Thiết bị máy giếng có
cấu tạo gần giống Zond đo cảm ứng. Các ống dây phát và thu cũng có chức năng phát
và thu tín hiệu ở những tần số 16MHz và 30MHz. Độ lệch pha giữa các số đo của các
cặp anten thu gần và xa theo biên độ và pha là số liệu đo của phép đo. Giữa độ lệch pha
và suy giảm biên độ có mối quan hệ hàm số phụ thuộc hằng số điện môi
của môi
trờng. Từ các giá trị đo góc lệch pha (tính bằng độ) và độ suy giảm biên độ (tính bằng
dB) ta có thể xác định

của đất đá trong môi trờng nghiên cứu.
Hằng số điện môi có quan hệ hàm số với các tham số khác của môi trờng:
e
m
e
hW
ep
wW
e
r
SS

)1()1( ++= (3.107)
Trong đó:

r
- Hằng số điện môi của đá

w
- Hằng số điện môi của nớc

h
- Hằng số điện môi của hydrocacbon

m
- Hằng số điện môi của matrix
e - Số mũ điện môi thạch học, giống nh tham số m trong mô hình Archie
p - Số mũ phân cực, liên quan đến độ dẫn của dung dịch khoan.
Lên mặt đất Khuyếch
đạ
i 16Mhz
Khuyếch
đạ
i 30Mhz
Khuyếch
đạ
i tổng
Cáp dẫn
Nguồn
không đổi
Chuyển mạch
H
ình 3.37. Cấu hình Zond đo lan truyền sóng điện từ ở tần số radio


91
Các tham số e và p đợc xác định bằng thực nghiệm cho từng vùng mỏ hoặc cho
tầng đất đá.
3.5. Các yếu tố ảnh hởng lên kết quả đo và phạm vi ứng dụng của các
phơng pháp điện trở
ở

chừng mực nhất định chúng ta đ hình dung rằng luôn luôn có những nhiễu
do ảnh hởng của môi trờng lên tín hiệu đo. Bây giờ hy xem xét đến tầm quan trọng
của một số đặc điểm của các thành hệ về khía cạnh địa chất: nh thành phần, kiến trúc,
thế nằm, môi trờng trầm tích, nhiệt độ áp suất
3.5.1. Thành phần đá
- Bản chất của pha rắn, gồm các hạt vụn xi măng gắn kết trong đá là không dẫn
điện hoặc có điện trở rất cao, điều này là phổ biến nh một quy luật.
- Các chất lu bo hoà trong lỗ rỗng của đá: hydrocacbon cũng có điện trở vô
cùng lớn, nớc là thành phần chất lu có độ dẫn điện tốt phụ thuộc vào độ khoáng hoá
và nhiệt độ.
- Độ lỗ rỗng và độ bo hoà
3.5.2. Kiến trúc đá
Hình dáng kích thớc phân bố sắp xếp của các hạt có ảnh hởng nhiều đến độ lỗ
rỗng; kích thớc, đặc điểm phân bố của các lỗ rỗng và kênh dẫn trong đá lại có ảnh
hởng rất lớn đến điện trở suất của đá.
Cấu trúc lỗ rỗng trong các đá là một cấu trúc fractal. Độ cong lỗ rỗng thể hiện
lên các tham số a và m trong quan hệ giữa F và
.
Độ thấm khác nhau sẽ làm thay đổi trong đới ngấm và độ bo hoà cả về bản
chất cũng nh kích thớc của đới ngấm.
Bất đẳng hớng nhỏ. Trong khi hệ điện cực phát dòng theo hớng nằm ngang,
nếu bất đẳng nhất không theo một hớng nhất định (bất đẳng hớng nhỏ) thì số đo sẽ
thay đổi không có quy luật. Kiểu phân bố của sét hay các khoáng vật dẫn điện khác
trong đá cũng có vai trò quan trọng làm cho điện trở của đá thay đổi.
Trong các hang hốc, khe nứt nếu có chứa dung dịch dẫn điện hay chứa nớc sẽ
u tiên cho một phần dòng đi từ các hệ cực và từng khe nứt sẽ có ảnh hởng khác nhau
lên kết quả đo. Các tham số a và m cũng vì thế mà thay đổi.
3.5.3. Góc dốc và cấu trúc các lớp đá
Thế nằm của các lớp đá không luôn luôn nằm ngang, trục giếng khoan cũng
không luôn luôn theo phơng thẳng đứng, nghĩa là các mặt phân lớp không luôn luôn

vuông góc với trục giếng khoan, nên điện trở suất biểu kiến có thể có sai số. Đây cũng
là một kiểu sai số giống nh khi gặp bất đồng nhất nhỏ.

92
Chiều dày, cách tổ chức sắp xếp bên trong của vỉa nghiên cứu và các vỉa vây
quanh (đây là một kiểu bất đẳng hớng vĩ mô) phụ thuộc vào lịch sử lắng đọng, đặc
điểm môi trờng trầm tích trong từng nhịp địa chất Các dạng cấu trúc vĩ mô đó đều
thể hiện rất rõ ràng theo sự thay đổi giá trị điện trở của các lớp trong lát cắt.
3.5.4. Nhiệt độ, áp suất nén ép
Hiệu ứng của nhiệt độ lên điện trở suất của chất lu nh nớc vỉa đ đợc xem
xét ở chơng thứ nhất. Có một số đo nhiệt độ ở đáy giếng là cần thiết đối với phơng
pháp điện trở nếu ta cha biết rõ gradien địa nhiệt của vùng.
á
p suất vỉa là hàm số của nhiều yếu tố - bao gồm lực nén ép kiến tạo, thiểu nén
ép. Sự nén ép làm cho đá chặt xít, các hạt đá bị biến dạng và độ lỗ rỗng thay đổi theo
chiều giảm khi lực nén ép tăng.
Phép thử nghiệm đợc thực hiện ở phần lát cắt có đối tợng nghiên cứu dựa vào
sự khác biệt áp suất thuỷ tĩnh của cột dung dịch và áp suất vỉa.
3.5.5. Các ứng dụng
Các ứng dụng khác nhau của các phơng pháp đo điện trở sẽ đợc nghiên cứu chi
tiết ở phần hai của giáo trình này.
ở
đây chỉ nêu tóm tắt việc sử dụng kết quả đo điện trở
suất/độ dẫn điện vào các phép xác định tham số colectơ và đặc điểm địa chất.
a) Độ bo hoà
Phần lớn các ứng dụng của phép đo điện trở suất / độ dẫn điện ở giếng khoan là
để xác định độ bo hoà nớc (hoặc độ bo hoà dầu) trong đới rửa và đới nguyên.
R
xo
có thể đợc đo trực tiếp bằng các vi hệ điện cực. R

t
thờng không đo trực tiếp vì
luôn luôn có ảnh hởng của cột dung dịch, lớp vỏ sét và đới ngấm, ngoài ra còn ảnh hởng
của các lớp vây quanh. Chỉ trong các điều kiện thật thuận lợi, các Zond đo có hội tụ (LLd,
ILd) mới có khả năng cho số đo gần với giá trị R
t
, không cần phải hiệu chỉnh.
Bình thờng các số đo điện trở bằng các hệ cực sâu vẫn phải hiệu chỉnh nhờ các
bản chuẩn chuyên dụng để loại bỏ ảnh hởng của giếng khoan, đới ngấm và các vỉa
vây quanh. Phép hiệu chỉnh đối với đới rửa thờng kết hợp số đo của ba phép đo có
chiều sâu nghiên cứu khác nhau để tìm ba ẩn số: D
i
, R
xo
và R
t
. Chẳng hạn ta có:
(R
a
)
cor
= R
xo
G
xo
+ R
i
G
i
+ R

t
G
t

G
xo
(D
i
) + G
i
(D
i
) + G
t
(D
i
) = 1 là tổng yếu tố hình học của các đới tơng ứng.
Nếu loại trừ ảnh hởng của đới chuyển tiếp (G
i
= 0) thì phơng trình trên đợc
rút gọn: (R
a
)
cor
= R
xo
G
xo
+ R
t

G
t
với 1 = G
xo
(D
i
) + G
t
(D
i
)
ở
đây G
xo
, G
i
đợc xác định theo đờng kính đới ngấm D
i
(trong các phơng
pháp cảm ứng yếu tố hình học lấy ký hiệu G, còn trong các phơng pháp laterolog ký
hiệu đó là J).

93
Lấy các số đo điện trở từ ba Zond đo có chiều sâu nghiên cứu khác nhau, hoặc giả
thiết gần đúng. R
xo
, D
i
, R
t

có thể đợc tính theo phơng trình hoặc dùng bản chuẩn thích
hợp (vấn đề này sẽ đợc lặp lại khi phân tích định lợng trong phần hai của giáo trình).
b) Độ lỗ rỗng
Nếu đá chứa đợc xem là đá sạch (độ sét dới 5%) và bo hoà nớc 100% thì độ
lỗ rỗng của đá có thể tính theo hệ số (yếu tố) thành hệ:
Wmf
xo
R
R
R
R
F
0
==
(3.108)
Mặt khác:
m
a
F

=
với a và m là các tham số fractal đợc xác định theo thực nghiệm.
c) Điện trở suất nớc vỉa
Xác định đợc độ rỗng

, ta có thể tìm đợc R
W
hay R
mf
trong lớp đá sạch chứa nớc.

F
R
R
F
R
R
xo
mf
e
Wa
a
=
=
(3.109)
ở
đây R
Wa
, R
mfa
chỉ là điện trở suất biểu kiến tơng ứng với R
W
và R
mf
của nớc
và của filtrat dung dịch trong đá sạch bo hoà nớc 100%. Nếu vỉa chứa có
hydrocacbon thì sẽ có R
Wa
> R
W
và R

mfa
> R
mf
. Có thể tính theo một điểm cực tiểu
(picking) cho R
Wa
và R
mfa
.
Nếu biết thêm S
W
bằng các phép đo khác (nh TDT) điện trở suất của chất lu
có thể đợc tính toán từ phơng trình Archie trong vỉa dầu.
d) Liên kết lát cắt các giếng khoan
Liên kết lát cắt giữa các giếng khoan là một ứng dụng đơn giản nhất của phơng
pháp điện trở. Dựa vào các dấu hiệu giống nhau về hình dạng của các đờng cong giá
trị tơng đơng R
a
đo ở các giếng khoan khác nhau trong cùng một đơn vị cấu tạo,
vùng địa chất. Bình thờng mỗi tập đá trầm tích thành tạo trong môi trờng nhất định
nên các đặc điểm về hình dạng đờng cong R
a
, đặc điểm thay đổi điện trở của tập vỉa
cũng để lại các dấu hiệu nhận biết trên biểu đồ đo.
Khi liên kết lát cắt giữa các giếng khoan chiều sâu đáy hoặc nóc của một tập vỉa
không nhất thiết phải bằng nhau ở các giếng khoan khác nhau vì giữa các giếng khoan
có thể tồn tại các đứt gy địa chất, hoặc có sự thay đổi góc dốc của vỉa từ giếng khoan
này đến giếng khoan khác. Cũng nh vậy, chiều dày của tập vỉa hay của lớp đá nào đó
không nhất thiết bằng nhau ở hai giếng khoan khác nhau. Hiện tợng đó là do sự vát
nhọn của các lớp đá theo chiều ngang của lát cắt địa chất.

94
Chơng 4
Các phơng pháp thế tự phân cực
và phân cực kích thích

Thế điện tự phân cực hay còn gọi là thế tự nhiên và thế phân cực kích thích là
hai trờng điện quan trọng có nguồn gốc khác nhau. Thế điện tự phân cực là kết quả
của các qúa trình hoá lý xảy ra khi dung dịch khoan tiếp xúc với đất đá và chất lu bo
hoà trong vỉa nghiên cứu và các lớp đá vây quanh. Thế điện phân cực kích thích lại là
kết quả của các quá trình hoá lý xảy ra trên bề mặt ngăn cách giữa thành phần có đặc
tính dẫn điện ion và thành phần dẫn điện điện tử trong môi trờng nghiên cứu mỗi khi
bị kích thích bởi dòng điện ngoài.
Trên cơ sở của hai trờng phân cực nêu trên, trong Địa vật lý giếng khoan ngời
ta xây dựng cơ sở lý thuyết và công nghệ của hai nhóm phơng pháp tơng ứng: Thế
điện tự phân cực (Self - Potential, Spontaneous Potential) và Thế điện phân cực kích
thích (Provocative Potential).
4.1. Phơng pháp thế điện tự phân cực - SP
Lần đầu tiên, năm 1928, lúc chuẩn bị sơ đồ để đo điện trở suất trong giếng
khoan, Schlumberger phát hiện thấy có sự tồn tại một hiệu điện thế giữa điện cực M
trong giếng khoan và điện cực N đặt trên mặt đất khi không có dòng điện phát. Điện
thế đó thay đổi rừ lớp đất đá này sang lớp đất đá khác, với giá trị từ một vài đến hàng
trăm millivolt. Điện thế đó có tên gọi là điện thế tự phân cực.
Phơng pháp đo thế điện này gọi là phơng pháp thế điện tự phân cực - SP.
Trờng điện tự phân cực trong giếng khoan đ đợc rất nhiều nhà nghiên cứu
phân tích chi tiết: Doll (1949), Willie (1949), Daxnov (1950), Gondouin (1958), Hill
và Anderson (1959), v.v
Theo sự phân tích của các tác giả khác nhau, thế điện tự phân cực trong giếng
khoan có hai thành phần chính do hai quá trình vận động của các ion:
a) Thế điện động lực (điện thấm lọc, dòng chảy) E

K
phát sinh khi có dung dịch
điện phân thấm vào môi trờng lỗ rỗng không kim loại.
b) Thế điện hoá E
C
xuất hiện khi hai chất lu không có cùng độ khoáng hoá tiếp
xúc trực tiếp với nhau hay qua màng bán thấm (ví dụ sét) và quá trình oxy hoá khử
trong môi trờng có quặng hoá kim loại.



95
4.1.1. Các quá trình điện hoá và điện động lực trong môi trờng quanh giếng
khoan:
a) Quá trình khuyếch tán:
Các phân tử muối khoáng khi hoà tan trong nớc sẽ phân ly thành các ion. Trên
bề mặt tiếp xúc giữa hai dung dịch điện phân có nồng độ C
1
và C
2
(C
1
> C
2
) đợc ngăn
cách bởi một màng bán thấm (Hình 4.1), các ion ở phía có nồng độ khoáng hoá cao sẽ
dịch chuyển sang phía có nồng độ thấp hơn.
Vì hoạt tính của các ion không giống nhau, phía môi trờng có nồng độ thấp sẽ
nhận các ion có điện tích và hoạt tính cao. Nếu muối hoà tan là NaCl thì phía bên có
nồng độ thấp C

2
sẽ có thế âm vì Cl
-
là ion có hoạt tính mạnh hơn Na
+
. Thế điện
khuyếch tán E
D
sinh ra trên mặt tiếp xúc giữa hai dung dịch cùng loại muối NaCl, chỉ
khác nhau về nồng độ đợc tính theo biểu thức Nerst:
)1.4(ln*
2
1
C
C
ll
ll
F
RT
E
aK
aK
D
+

=

Trong đó:
R: Hằng số khí (8,313 joule/K.mol)
T : Nhiệt độ tuyệt đối.

F : Số Faraday (96500 coulombi)
l
K
, l
a
: Hoạt độ của cation và anion (cm
2
/V.s)
C
1
, C
2
: Nồng độ khoáng hoá trên mặt ranh giới (g/l).
Hoạt độ hay độ linh động của các ion tỷ lệ với tốc độ khuyếch tán của chúng
trong dung dịch. Vì vậy, ta có thể
tính gần đúng công thức (4.1) theo
tốc độ U và V của cation và của
anion trong trờng điện có gradien 1
vol/cm.
)2.4(logln*
2
1
2
1
C
C
K
C
C
vu

vu
F
RT
E
DD
=
+

=
Trong đó:
vu
vu
*
F
RT
*3,2
D
K
+

=
gọi là
hệ số khuyếch tán.
Mặt khác, độ linh động của các ion trong dung dịch tỷ lệ với nồng độ. Do đó, ở
nồng độ không quá cao có thể thay thế nồng độ C
1
và C
2
bằng hoạt tính hoá học a
1

và a
2
:
Màn
g
sét
NaCl loãn
g
NaCl đậm đặc
H
ình 4.1. Sơ đồ hình thành thế khuyếch tán


96
)3.4(log
2
1
a
a
KE
DD
=
Trong thực tế, với một khoảng thay đổi nồng độ khoáng hoá rất rộng, hoạt tính
hoá học của dung dịch có thể thay bằng độ dẫn điện của nó:
1
1
1
R
a
và

2
2
1
R
a

Cuối cùng, thế khuyếch tán đợc tính:
)4.4(log
1
2
R
R
KE
DD
=
Hệ số khuyếch tán K
D
là hàm số phụ thuộc vào nhiệt độ, thành phần hoá học,
hoá trị và nồng độ dung dịch. Nếu các điều kiện sau cùng đ xác định, khi đó K
D
chỉ
còn phụ thuộc vào nhiệt độ môi trờng.
Đối với dung dịch NaCl, ở nhiệt độ 18
0
C độ linh động của các ion là:
Na
+
l
K
= 43,5.10

-5
cm
2
/V.s
Cl
-


l
a
= 65,5.10
-5
cm
2
/V.s
Tính đợc:
)5.4(6,11
5,635,43
5,655,43
**3,2 mV
F
RT
K
D
=
+

=

Vì vậy:

Đối với trờng hợp C
1
= 10C
2
thì:


)6.4(mV6,11
2
C
1
C
log6,11
D
E ==

Nếu hai dung dịch trên mặt tiếp xúc có nồng độ không quá khác biệt nhau thì:

)7.4(log6,11
1
2
R
R
E
D
=
Trong các trờng hợp dung dịch hoà tan nhiều loại muối có nồng độ khác nhau
thì loại muối nào có u thế hơn sẽ có vai trò lớn hơn theo tỷ lệ phần đóng góp vào giá
trị của thế khuyếch tán.
b) Quá trình hấp phụ:

Trong rất nhiều trờng hợp những dung dịch khác nhau về nồng độ khoáng hoá
phân cách nhau qua màng mỏng có độ lỗ rỗng nhỏ, ví dụ lớp sét mỏng. Khi đó, sự

97
khuyếch tán các ion theo các lỗ rỗng, một số ion linh động có thể bị hấp phụ. Sét
thờng giữ lại các ion âm và đẩy các ion dơng đi qua. Nói cách khác, sét là màng
thấm các cation mà không thấm đối với các anion. Nếu dung dịch ở hai bên màng thấm
đều là NaCl thì sẽ có hiện tợng dịch chuyển các cation Na
+
ở phía nồng độ cao sang
phía bên có nồng độ thấp hơn. Trong khi đó các anion Cl
-
thì bị hấp phụ trên thành
kênh dẫn. Kết quả là ở hai bên của màng bán thấm xuất hiện một điện thế. Thế điện
sinh ra do hiện tợng vừa nêu ở hai phía bên của màng ngăn cách có tên gọi là thế điện
hấp phụ do sét gây ra (E
A
). Cũng có tác giả gọi E
A
là thế màng lọc (Membrane).
Các quan sát thực tế cho thấy E
A
thay đổi theo hình thái cấu trúc mà không phụ
thuộc vào chiều dày của màng thấm.
Nếu giả sử một dung dịch lỡng phân có hai ion cùng hoá trị (

K
=
a
= ) nh

dung dịch NaCl, khi đó biểu thức tính thế điện hấp phụ có thể lấy giống nh ở (4.1).
Trong đó, độ linh động l
a
của anion sẽ gần bằng không, vì bị hấp phụ bởi hạt khoáng
vật trên thành ống dẫn.
Do đó:

)8.4(ln
2
1
C
C
F
RT
E
A

=

Đối với muối NaCl,

= 1 nên biểu thức (4.8) trở thành:

)9.4(log3,2
2
1
C
C
F
RT

E
A
=

Tơng tự nh (4.2) và (4.4) ta viết:
)10.4(logloglog
1
2
2
1
2
1
R
R
K
a
a
K
C
C
KE
AAAA
===

Trong đó: K
A
= 2,3RT/F là hệ số hấp phụ. Tham số này cũng phụ thuộc vào
nhiệt độ của môi trờng.
ở
nhiệt độ 18

0
C, cho trờng hợp dung dịch NaCl hệ số K
A
= +57,65 (mV).
Do đó:
)11.4(log65,57
1
2
R
R
E
A
+=
Thế điện hấp phụ E
A
phụ thuộc vào bề mặt riêng (còn gọi là bề mặt hấp phụ) hay
độ hạt của đá. Độ hạt càng mịn, diện tích bề mặt riêng của đá càng cao.
Hiện tợng hấp phụ các anion, nếu muối hoà tan là NaCl thì phía bên trong màng
thấm có nồng độ thấp hơn sẽ có thế dơng vì Na
+
dễ dịch chuyển hơn Cl
-
(Hình 4.2).


98
c) Thế khuyếch tán hấp phụ:
Hai quá trình điện hoá khuyếch tán và hấp phụ sinh ra các điện thế tơng ứng
E
D

và E
A
. Các thế điện này đều do sự khác biệt nồng độ khoáng hoá ở hai phần dung
dịch C
1
và C
2
.
ở
điều kiện giếng khoan ta luôn gặp các ranh giới tiếp xúc nh thế:
thành giếng khoan, ranh giới giữa các lớp đất đá, giữa đới ngấm với đới nguyên. Các
ranh giới đó đều là mặt ngăn cách giữa các phần đất đá bo hoà chất lỏng có độ
khoáng hoá khác nhau.
Trong trờng hợp dung dịch khoan là dung dịch sét cơ sở nớc ngọt thì độ
khoáng hoá C
f
của filtrat dung dịch thờng nhỏ hơn nồng độ khoáng hoá C
w
của nớc
vỉa (C
w
> C
f
). Khi độ khoáng hoá tự nhiên của nớc vỉa C
w
và của filtrat C
f
đ đợc quy
đổi về nồng độ khoáng hoá NaCl tơng đơng thì thế điện khuyếch tán ở phần đất đá
có lỗ rỗng và độ thấm cao. Theo (4.7) ta có:

)12.4(log6,11
w
f
D
R
R
E
=
Ngợc lại, ở đoạn giếng đi qua các đá có độ rỗng hiệu dụng và độ thấm kém nh
các lớp sét thì quá trình hấp phụ lại mạnh, làm ngăn cản quá trình khuyếch tán. Trên bề
mặt các lớp sét, quá trình hấp phụ chỉ tiếp nhận các anion và đẩy trả các cation.
Hai quá trình điện hoá mạnh yếu khác nhau và có tính trái ngợc nhau ở các vỉa
thấm và không thấm cho nên trên thành giếng khoan, ngang các vỉa cát (độ rỗng và độ
thấm cao) sẽ có lớp ion âm. Còn ở ngang các lớp sét (thấm kém) sẽ có lớp ion dơng.
Sự hình thành các mặt tích điện
trái dấu nh vậy sẽ sinh ra dòng điện dịch
có chiều theo mũi tên (Hình 4.3).
Tơng tự nh đối với thế khuyếch
tán, thế hấp phụ E
A
trong giếng khoan
đợc tính theo (4.10). Ta có:
)13.4(log65,57
w
f
A
R
R
E +=

Hai quá trình điện hoá khuyếch
tán và hấp phụ xảy ra trên mặt tiếp xúc
giữa hai dung dịch không có cùng nồng
độ khoáng hoá (filtrat dung dịch và nớc
vỉa). Quá trình thứ nhất mạnh mẽ ở các đá
có độ rỗng và độ thấm cao. Quá trình thứ
hai chủ yếu ở các đá sét có độthấm kém.
Quá trình này cho các ion linh động đi qua dễ dàng, quá trình kia thì hấp phụ các ion
đó. Về mặt hình thức, hai quá trình khuyếch tán hấp phụ nh hai mặt đối lập của sự
thống nhất: Quá trình điện hoá.
Hai mặt đối lập của một quá trình thống nhất luôn luôn đi kèm với nhau. Nếu
không có hấp phụ thì quá trình khuyếch tán sẽ kết thúc nhanh và ngợc lại, nếu chỉ có
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+

+
+

+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-

-
-
-
-
-
-
- - - - - -
- - - - - -
- - - - - -
- - - - - -
+ + + +
+ + + +
+ + + +
+ + + +
Sét
Cát
Sét
H
ình 4.3: Sự hình thành thế E
D
và E
A
v
v


Đ
ới rửa
E
A

E
D


99
quá trình hấp phụ thì bản thân nó cũng nhanh chóng trung hoà điện tích. Khi đó, kết
quả là ranh giới giữa các lớp đá cát và sét không thể hiện rõ quá trình điện hoá.
Các quá trình điện hoá làm xuất hiện thế khuyếch tán và thế hấp phụ nh hai
thành phần của thế điện hoá khuyếch tán hấp phụ E
DA
. Trên ranh giới các lớp cát/sét
thế điện hoá sẽ là tổng đại số của các thành phần E
D
và E
A
(Hình 4.4).
)14.4(loglog)(
w
f
DA
w
f
ADADDA
R
R
K
R
R
KKEEE

=+=+=
và gọi K
DA
= (K
D
+K
A
) là hệ số khuyếch tán - hấp phụ.
ở
nhiệt độ 18
0
C, hệ số này có
giá trị bằng -69,25 mV, đôi
khi nó đợc làm tròn:-70 mV.
)15.4(][log70 mV
R
R
E
w
f
DA
=
Chú ý: Ngang vỉa sét không
có đới ngấm mặt ranh giới
giữa R
f
hay R
m
với R
w

chính
là thành giếng khoan. Trong
vỉa cát, mặt ranh giới giữa R
f

và R
w
chính là ranh giới ngoài
cùng của đới ngấm D
i
. Đờng
kính đới ngấm tăng theo thời gian cho đến khi quá trình thấm dung dịch ngừng hẳn.
Khi đờng kính đới ngấm còn thay đổi thì thành phần E
D
thay đổi làm cho E
DA

cũng vì thế mà thay đổi theo.
Điều này giải thích tại sao đo thế điện SP trong giếng khoan ở các thời điểm
khác nhau ta có thể gặp trờng hợp giá trị biên độ E
DA
thay đổi vì đờng kính đới ngấm
còn đang thay đổi.
d) Quá trình thấm lọc
Dòng thấm của chất lỏng trong môi trờng lỗ rỗng nh đất đá là kết quả của
mức chênh áp suất trong môi trờng đó.
ở
điều kiện giếng khoan filtrat dung dịch
thấm vào đất đá ở thành giếng khi áp suất thuỷ tĩnh của cột dung dịch lớn hơn áp suất
vỉa, nếu ngợc lại thì nớc vỉa sẽ chảy vào giếng khoan.

Các quá trình thấm đó làm xuất hiện ở giếng khoan một thế điện mang dấu âm
nếu filtrat thấm vào đất đá ở thành giếng; sẽ là dấu dơng nếu nớc vỉa chảy vào giếng
khoan. Thế điện có nguồn gốc do dòng thấm lọc có tên gọi là thế điện thấm lọc hay thế
điện động lực.
Thế điện thấm lọc E
f
là hàm phụ thuộc vào mức chênh áp

P giữa điểm đầu và
điểm cuối của dòng thấm, điện trở suất R
w
và độ nhớt

, hằng số điện môi

của chất
H
ình 4.4: Dị thờng E
DA
ở ranh giới các lớp cát/sét
E
DA

Sé
t
Cát
E
A

E

D

w
f
D
R
R
E log6,11=
w
f
A
R
R
E log65,57=

100
lu và điện thế zeta

(hiệu điện thế giữa các lớp điện kép linh động và không linh
động ở thành ống mao quản):
)16.4(
4
wf
R
P
E

=

Trong đó:
P = P
2
P
1
(P
1
là áp suất cột dung dịch; P
2
là áp suất vỉa).
Dấu của E
f
phụ thuộc vào dấu của

P. Trong thực tế khi khoan bằng dung dịch
sét thờng giữ ở điều kiện áp suất P
1


P
2
. Filtrat thấm vào vỉa để lại trên thành giếng
một lớp vỏ sét đủ dày để ngăn không cho filtrat tiếp tục thấm vào vỉa. Đến thời điểm
đó, quá trình thấm thực chất là bị dừng hẳn. Vì vậy, thế điện thấm lọc E
f
ở vỉa cát và
vỉa sét lúc đó là nh nhau, nói cách khác thế điện này trở nên rất nhỏ ở các giếng
khoan dùng dung dịch sét.

Trong các giếng khoan thuỷ văn dùng dung dịch nớc l có độ khoáng hoá thấp
thì trờng điện thấm lọc trở nên có tầm quan trọng, vì thành phần này có liên quan hàm
số với hệ số thấm cơ học f của các lớp chứa nớc:
)17.4(
21
f
è
R
PP
fE


=

e) Quá trình Oxy hoá khử
Phản ứng oxy hoá khử là phản ứng hoá học trao đổi điện tử. Trong phản ứng oxy
hoá khử, chất nào mất một hoặc nhiều điện tử thì chất đó là chất oxy hoá và kết quả
xuất hiện một ion dơng (Cu

Cu
++
+ 2e
-
; Fe
++


Fe
+++
+ e

-
;), chất nào thu một hay
nhiều điện tử thì nó là chất khử. Khi đó nguyên tố hoá học mang điện tích âm hoặc trở
về trung tính (2H
+
+ 2e
-


H
2
).
Kết quả của quá trình oxy hoá khử sẽ làm tách phần môi trờng có điện tích
dơng và âm dẫn đến sự phân cực và hình thành một thế điện. Điện thế này có thể đợc
tính bằng công thức:
)18.4()ln(
"
'
K
C
C
F
RT
E
OX

=
Trong đó:
E
XO

là thế điện oxy hóa khử.
C

, C

là hàm lợng các chất oxy hoá ở mức độ nhiều hơn hoặc ít hơn.
K là hằng số cân bằng phản ứng oxy hoá khử.


là hoá trị của chất bị oxy hoá hoặc khử.

101
Thế điện oxy hoá khử thờng gặp trong các trờng hợp giếng khoan đi qua đới
khoáng hoá hay các vỉa quặng đa kim, vỉa than biến chất cao
Các khoáng vật nh pyrit, pyrotin, chancopyrit, calcozin, covelin, thờng dễ bị
oxy hoá trong môi trờng axít nên có nhiều khả năng tham gia trong các quá trình oxy
hoá khử. Các đới khoáng hoá nhiệt dịch sulfua ở gần mặt đất thờng biểu hiện qua thế
điện oxy hoá khử cao. Trong giếng khoan, ở chiều sâu lớn gặp môi trờng có tính khử
mạnh thì một số khoáng vật nhóm sulfua nh: pyrit, calcozin, không bị oxy hoá
nhng khi gặp dung dịch khoan giàu oxy thì các phản ứng oxy hoá khử xảy ra mạnh
mẽ và do đó cũng xuất hiện thế oxy hoá khử mà ta có thể đo đợc.
4.1.2. Thế điện tự phân cực toàn phần - SP
Các quá trình khuyếch tán - hấp phụ, thấm lọc và oxy hoá khử làm xuất hiện các
thế điện lần lợt tơng ứng là: E
DA
, E
f
và E
OX
. Các thành phần này xảy ra đồng thời và

hợp thành thế điện tự phân cực E
SP
trong giếng khoan.
)19.4(
OXfDASP
EEEE
+
+
=
Trong các giếng khoan thăm dò dầu khí, ở phần lát cắt đá trầm tích, hai thành
phần đầu tiên, nhất là thành phần khuyếch tán - hấp phụ E
DA
là mạnh mẽ nhất. Thành
phần thứ ba oxy hoá khử E
OX
thờng không xuất hiện hoặc rất yếu, có thể bỏ qua.
Ngợc lại, trong các giếng khoan thăm dò quặng hoặc than đôi khi có trờng hợp thành
phần E
OX
là mạnh hơn các thành
phần khác.
Thế điện tĩnh E
SSP
tỷ lệ với
một dòng I
SP
trong môi trờng
nghiên cứu theo định luật Ohm:
)20.4(M
SPSSP

RIE
=

Trong đó: R là trở kháng của
phần môi trờng mà dòng I
SP
đi qua
(Hình 4.5). Trong giếng khoan là R
m
.
Trong vỉa nghiên cứu là R
XO
. Trong
vỉa vây quanh là R
S
. Vì vậy có thể
tính:
(
)
'
SPSXOmSSP
).(IRRRE 204++=
Trong giếng khoan, dòng I
SP

đi qua R
m
nên giá trị đo đợc U
SP
sẽ

là:
)21.4(
SPmSP
IRU
=
Thay (4.20)

vào (4.21) ta sẽ
nhận đợc:
Đ
ồ thị thế tĩnh
Dung
dịch
Màng
cách điện
Vỏ
sét
Sét
Cát
Sét
Đ
ới ngấm
Đ
ồ thị thế tĩnh
Đ
ờng cong SP
Sét
Cát
Sét
Đ

ồ thị thế tĩnh SPP
Đ
ồ thị đo SP
H
ình 4.5. Sơ đồ biểu diễn phân bố thế điện,
đờng dòng SP và đờng cong quanh vỉa thấm

102
)22.4(
SSP
SXOm
m
SP
E
RRR
R
U
++
=

Từ (4.22) ta thấy thế điện U
SP
đo đợc trong giếng khoan có giá trị tuyệt đối
luôn luôn nhỏ hơn thế điện tĩnh tính theo lý thuyết E
SSP
. Trên hình 4.5a đờng biểu
diễn thế điện tĩnh E
SSP
là đờng không liền nét có giá trị không ở vỉa sét và bằng
const ở vỉa cát. Hình 4.5b biểu diễn giá trị thế điện tự phân cực U

SP
đo đợc trong
giếng khoan bằng đờng đồ thị liền nét. Dị thờng U
SP
có dạng đối xứng và có giá trị
cực tiểu ở điểm giữa vỉa cát và tiến tới không ở các vỉa sét vây quanh (U
SP
< E
SSP
).
Nếu vỉa nghiên cứu có chiều dày lớn, ảnh hởng của điện trở R
S
từ các lớp vây
quanh không còn. Tiết diện ngang của giếng khoan nhỏ hơn tiết diện ngang của đới
ngấm nên trở kháng R
XO
nhỏ hơn trở kháng của giếng khoan (R
XO
<< R
m
). Khi đó
(4.22) có thể đợc viết:
)23.4(
SSPSP
EU


4.1.3. Sơ đồ đo thế điện tự phân cực - SP
a) Sơ đồ đo:
Các điện cực M và N làm bằng chất liệu kim loại ít bị phân cực điện cực trong

môi trờng dung dịch khoan và có độ khoáng hoá khác nhau. Thờng ngời ta dùng
chì (Pb) để chế tạo các điện cực thu M, N.
Bộ bù phân cực (BPC) sẽ tạo ra một thế điện để khử thế điện phân cực điện cực
nếu có.
Điện thế kế V sẽ ghi giá trị độ chênh thế điện giữa điện cực M so với điện cực N.
BPC
V
N
M
a
BP
C
N
M
b
V
H
ình 4.6: Sơ đồ nguyên tắc đo
SP trong giếng khoan
a. Sơ đồ đo gradien
b. Sơ đồ đo thế SP
BPC - Bộ bù phân cực
V - Điện thế kế

103
N
SP
M
SP
MN

SP
UUU =

Nếu cả hai điện cực M và N cùng dịch chuyển trong giếng khoan (Hình 4.6a) thì
phép đo có giá trị là gradien SP. Khi N đặt cố định trên mặt đất, M là điện cực chạy
trong giếng khoan thì phép đo có giá trị đo là thế SP tại điểm M.
SP
M
SP
N
SP
M
SPSP
UconstUUUU ===
Trong sản xuất phổ biến dùng sơ đồ đo thế SP. Chỉ dùng sơ đồ đo gradien SP khi có
nhiễu mạnh. Về nguyên tắc từ số đo đo gradien SP có thể tính chuyển thành thế U
SP
.
b) Đồ thị hay biểu đồ đo SP trong giếng khoan:
Trong giếng khoan,đồ thị hay biểu đồ đo SP là đờng liên tục biểu diễn sự thay đổi thế
điện tự phân cực SP theo chiều sâu. Các lớp đá khác nhau trong lát cắt thể hiện khác
nhau theo hình dáng, biên độ và dấu của dị thờng

U
SP
.
Tỷ lệ ngang và dấu
của biểu đồ SP đợc ấn định
trên dấu ký hiệu -
+ ở

đầu băng ghi (Hình 4.7).
Các dấu - và + chỉ
chiều giảm và tăng của giá trị
U
SP
. Chiều dài của mũi tên
hai đầu là giá trị thay đổi của
giá trị đo tơng ứng trên băng
ghi tính bằng mV. Trên hình
4.7, dấu hiệu đó biểu thị thay
đổi của giá trị đo 20mV trên
chiều dài tơng ứng.
c) Đờng không
(zero) của biểu đồ SP:
Đờng cong đo U
SP

gần nh không đổi trên
đờng thẳng ở các đoạn chiều
sâu giếng khoan đi qua các
lớp sét hay đá macnơ có
chiều dày đủ lớn (Hình 4.8).
Ngời ta chọn đờng nối các
giá trị SP đi qua các lớp sét
để dựng một đờng thẳng kéo
dài theo chiều sâu giếng
khoan. Đờng đó đợc gọi là
đờng cơ sở hay đờng không (zero) của biểu đồ đo SP. Đờng này vì vậy cũng có
tên gọi khác là đờng sét.
Đ

ờn
g
0
Đ
ờn
g
0
Khoảng dịch
đờng 0
Mặt bất
chỉnh h
ợp

Mặt bất
chỉnh h
ợp
H
ình 4.7. Biểu đồ đo SP trong giếng khoan

104
Dị thờng

U
SP
tính bằng milivol sẽ đợc vạch so với giá trị 0 trên đờng sét.
Đờng không (đờng sét) trên biểu đồ đo SP có thể thay đổi do một số nguyên nhân
khác nhau:
- Thay đổi độ khoáng hoá của dung dịch khoan.
- Thay đổi thành phần hoá học khoáng vật của vỉa sét.
- Trong lát cắt, ở một chiều sâu nào đó, có một lớp sét không kín hoàn toàn để

ngăn cách phân chia các lớp cát có độ khoáng hoá khác nhau.
- Có sự phân cực ở các điện cực thu.
ở
giữa lát cắt có tồn tại một bất chỉnh
hợp địa tầng.
Trên hình 4.8, chèn giữa các lớp cát B
và D có độ khoáng hoá khác nhau là lớp sét C
không kín. Thành phần khoáng vật sét ở các
lớp G và E khác với sét ở lớp A.
Nếu U
SP
trong vỉa sét có thành phần E
f

thì giá trị của thành phần thấm lọc này cũng
gần giống nh ở phần lớp cát có vỏ sét. Vì thế,
đờng sét trong trờng hợp đó xem nh không
đổi và không ảnh hởng đến dị thờng

U
SP
.
Trong thực tế, nhiều trờng hợp, thành phần
thấm lọc không đợc tính đến vì nó quá nhỏ.
Trong lát cắt lục nguyên, nếu không có
sự xuất hiện của pyrit và các khoáng vật
quặng khác thì môi trờng nghiên cứu này
đợc xem là môi trờng không kim loại. Do
đó, thành phần oxy hoá khử cũng không đợc
tính đến.

4.1.4. Các yếu tố ảnh hởng đến hình dáng và biên độ dị thờng

U
SP

Biên độ và hình dáng của dị thờng SP ở đoạn giếng đi qua các vỉa thấm phụ
thuộc vào một loạt các yếu tố khác nhau:
- Độ lớn của trờng điện tự phân cực E
SP
.
- Chiều dày h và điện trở R
t
của đới nguyên.
- Điện trở R
i
và đờng kính D
i
của đới ngấm.
- Điện trở suất R
S
của các lớp vây quanh.
- Hàm lợng sét trong vỉa nghiên cứu.
Sét
A
Cát B
Sét C
Cát D
Sét E
Cát F
Sét G

Cát H
H
ình 4.8. Đờng không và sự thay
đổi đờng không trên biểu đồ SP


105
Giá trị U
SP
mà ta đo đợc trong giếng khoan là hàm số phụ thuộc vào các yếu tố nói trên.
)24.4( ,,,,








=
d
D
R
R
R
R
d
h
EfU
i

m
i
m
t
SPSP

Hình 4.9 thể hiện ảnh hởng chiều dày vỉa h, điện trở
, ,
SP
m
t
E
R
R
lên dáng điệu
và biên độ đờng cong đo ghi U
SP
.
Giá trị đo SP sẽ bị giảm dần khi
đờng kính giếng tăng. Tất cả các yếu tố
khác của nó không thay đổi, giá trị SP
giảm khi đới ngấm sâu.
Thế điện U
SP
là giá trị đo trờng
điện giữa một điện cực M chạy trong giếng
khoan so với điện cực N đặt trên mặt đất.
Nó đợc hình thành do dòng điện đi trong
dung dịch khoan. Biên độ

U
SP
gần bằng
với E
SSP
chỉ trong trờng hợp trở kháng đối
với dòng I
SP
trong đới nguyên và các vỉa
vây quanh là không đáng kể so với trở
kháng trong dung dịch. Điều đó chỉ xảy ra
khi vỉa có chiều dày rất lớn, còn nói chung
trong mọi trờng hợp thờng gặp thì U
SP

đều bị giảm do chiều dày vỉa mỏng.
Hình 4.10 là các bản chuẩn hiệu
chỉnh đa giá trị U
Sp
, (E
SP
) trong trờng
hợp vỉa có chiều dày h hữu hạn về trờng
hợp tơng đơng vỉa có chiều dày lớn vô
hạn.
Không thấm
có thấm
H
ình 4.10. Bản chuẩn hiệu chỉnh giá trị đo SP
Vỉa thấm

Vỉa thấm khôn
g
thấm
SP tĩnh
Đ
ờn
g

g
hi SP
Hình 4.9. ảnh hởng của h, R lên kết
quả đo U
SP
(theo Doll, 1948)


106
4.1.5. Phạm vi ứng dụng của phơng pháp SP
Phơng pháp thế điện tự phân cực đợc ứng dụng rộng ri trong nghiên cứu các
giếng khoan nhằm mục đích khác nhau, đặc biệt trong thăm dò dầu khí và than. Trong
thực tế sản xuất, phơng pháp này đợc sử dụng để giải quyết các nhiệm vụ khác nhau:
- Phân chia các lớp đất đá trong lát cắt giếng khoan theo thành phần thạch học.
Nhận biết các lớp đá có thấm và không thấm (tầng chứa và tầng chắn).
- Xác định ranh giới và chiều dày các vỉa cát sét dựa vào khả năng thấm của chúng.
- Liên kết đồng danh các lớp trong lát cắt giữa các giếng khoan trên tuyến liên kết.
- Xác định điện trở suất của nớc vỉa, R
w
.
- Trong điều kiện thuận lợi, khi đ xác định đợc độ sét V
sh

của đá chứa thì kết
quả đo SP có thể đợc sử dụng để đánh giá độ lỗ rỗng của đá.
4.2. Phơng pháp thế điện phân cực kích thích PP
Khi tiến hành các phơng pháp điện trở suất trong các giếng khoan than và
quặng ta hay gặp hiện tợng sau: Khi đ ngắt dòng phát qua các điện cực AB mà vẫn
còn quan sát đợc hiệu điện thế giữa các điện cực thu MN. Hiệu điện thế này có giá trị
lớn, nhỏ và kéo dài quá trình tắt dần trong khoảng thời gian khác nhau ở những lớp đất
đá khác nhau trong lát cắt.
Trờng điện này gọi là trờng điện phân cực kích thích. Thế điện phân cực kích
thích U
PP
hình thành do sự phân cực của của các thành phần dẫn điện điện tử, dẫn điện
ion và không dẫn điện trong môi trờng mỗi khi bị kích thích bởi dòng điện phát. Đặc
điểm dễ nhận biết của thế điện phân cực kích thích là nó tắt dần theo thời gian, theo
quy luật hàm mũ.
4.2.1. Quá trình hình thành thế điện phân cực kích thích
Đ có nhiều giả thiết về hiện tợng phân cực kích thích. Các kết quả phân tích
lý thuyết và thực nghiệm đều cho thấy có hai nhóm quá trình làm hình thành điện thế
phân cực kích thích trong môi trờng nghiên cứu:
- Các quá trình xảy ra trên bề mặt tiếp xúc giữa phần môi trờng dẫn điện điện
tử và phần môi trờng dẫn điện ion.
- Các quá trình xảy ra trên bề mặt tiếp xúc giữa pha lỏng dẫn điện ion và pha rắn
không dẫn điện.
a) Quá trình điện hoá trên mặt tiếp xúc của các môi trờng dẫn điện điện tử và
dẫn điện ion
Trong đá, phần dẫn điện điện tử thờng là các khoáng vật nhóm sulfua, oxit và
các vỉa than biến chất cao antraxit, các lớp grafit, Phần dẫn điện ion là nớc bo hoà
trong lỗ rỗng.