Giáo trình ĐỊA VẬT LÝ GIẾNG KHOAN - Chương 5 potx

129
)20.5)(
minmax
min
Sh
Vf
GRGR
GRGR
J =


=


Trong đó:
GR là giá trị cờng độ bức xạ gamma đo đợc tại điểm quan sát.
GR
max
, GR
min
lần lợt là cờng độ bức xạ gamma tại vỉa sét và vải cát sạch.
Trong trờng hợp lát cắt không có vỉa đá cát sạch, có thể sử dụng các giá trị
GR
max
, GR
min
là các giá trị đo đợc ở hai vỉa đá có độ sét biết trớc. Khi đó phơng
pháp xác định độ sét theo (5.20) gọi là phơng pháp hai vỉa (tầng) chuẩn.
Quan hệ hàm số giữa tham số

J

và độ sét V
Sh
thờng đợc xác định bằng thực
nghiệm. Trong thực tế, ta gặp một số phơng trình thực nghiệm của các tác giả khác
nhau:
Quan hệ tuyến tính:

JV
Sh

=

Clavier
(
)
2
7,038,37,1 +=

JV
Sh

Steiber
(
)

JJV
Sh

=
5,15,0

Tuy nhiên, vì sự có mặt của các khoáng vật sét là một chỉ thị của môi trờng
trầm tích nên quan hệ hàm số
(
)
Sh
VfJ
=


là rất phức tạp và khác nhau giữa vùng này
và vùng khác. Cách đúng đắn nhất vẫn là thay vì sử dụng các công thức thực nghiệm có
sẵn bằng việc xây dựng quan hệ thực nghiệm giữa các tham số đó cho từng vùng cụ
thể, thậm chí cho từng phân vị địa tầng khác nhau.
Một ứng dụng quan trọng khác của phơng pháp GR là trong nghiên cứu các
giếng khoan thăm dò tìm kiếm các quặng phóng xạ. Cờng độ bức xạ gamma tự nhiên
GR có quan hệ trực tiếp với hàm lợng các quặng phóng xạ trong các lớp đất đá ở
thành giếng khoan. Vì vậy, dựa vào dáng điệu đờng cong GR và biên độ dị thờng
trên đờng cong đó ta dễ dàng phát hiện các đới quặng hoá và tính toán hàm lợng các
khoáng vật quặng phóng xạ trong đối tợng nghiên cứu.
Khi nghiên cứu các mỏ muối, đờng cong đo GR đợc sử dụng để xác định
chiều dày các lớp muối và xác định hàm lợng muối KCl trong mỏ muối.
5.3.2. Phơng pháp đo phổ gamma tự nhiên- SGR, NGS
5.3.2.1. Cơ sở vật lý - địa chất
Khi tiến hành đo GR ta đo cờng độ bức xạ tia gamma phát xạ từ những đồng vị
phóng xạ của các nguyên tố đồng vị trong ba dy Urani, Thori và Kali.

Các tia gamma phát xạ từ các đồng vị của ba dy vừa nêu đều dới dạng xung
năng lợng rời rạc (Hình 5.8).

130
Hình 5.8 mô phỏng phổ năng lợng các tia gamma của các dy K, Th và Urani.
Từ mỗi dy ta có thể chọn
đợc phổ năng lợng đặc trng cho
dy đó, không lẫn lộn với các dy
khác.
Dy
40
K chỉ có duy nhất một
phổ đơn năng E

= 1,46MeV khi bắn
ra tia gamma để trở thành đồng vị
40
Ar bền vững.
Trong dy
232
Thori có nhiều
đồng vị phát xạ gamma có năng lợng
khác nhau, trong số đó đồng vị
Thallium
208
Tl phát xạ gamma có phổ
năng lợng E

= 2,62MeV cao nhất
trong dy.

Tơng tự chọn phổ E

=
1,76MeV phát xạ từ đồng vị Bismuth
214
B là phổ đặc trng cho dy
238
Urani.
Ta có nhận xét: Các phổ năng lợng của tia gamma chọn đặc trng cho ba dy
phóng xạ tự nhiên đều có năng lợng E

> 1,20MeV, lớn hơn vùng năng lợng mà tia
gamma dễ bị tán xạ Compton trong môi trờng
đất đá.
ở
vùng năng lợng cao nh vậy các lợng
tử gamma tơng tác với môi trờng rất dễ sinh
hiệu ứng tạo cặp trong thành hệ và trong tinh thể
của detector.
Quan sát phổ ở dạng liên tục (Hình 5.9)
dễ dàng chính xác hơn ở dạng rời rạc và phù hợp
với điều kiện đo ở giếng khoan hơn. Sở dĩ nh
thế là vì:
a) Kích thớc hạn chế của detector (tính
kém hiệu quả).
b) Thể tích vùng nghiên cứu (vùng có
phần đóng góp quan trọng các tia gamma tán xạ).
c) Khoảng thời gian kéo dài của phép đo
(phụ thuộc tốc độ kéo cáp). Kết quả sẽ có một
khoảng rộng hơn phổ đo đến mức làm cho một

nửa số pic có thể bị là bằng hoàn toàn (Hình 5.9).
Biên độ tơng đối của ba phổ nói trên sẽ tỷ lệ thuận với hàm lợng các đồng vị
của các dy phóng xạ tự nhiên K, Th và U trong các thành hệ. Sự phụ thuộc này khá
K
Dãy Th
Dãy U
Năn
g
l
ợ
n
g
tia Gamma MeV
Xác suất phát xạ đo đ ợc
H
ình 5.8. Phổ bức xạ Gamma của các
nguyên tố phóng xạ

Số đếm tơng đối
Năn
g
lợn
g
tia Gamma MeV
Phông tán
xạ Compton
H
ình 5.9. Phổ liên tục của K, Th
và U ghi đợc bằng tinh thể NaI

131
chặt chẽ đủ để có thể tính hàm lợng của Th, Ur và K có trong thành hệ dựa vào sự suy
giảm mạnh phổ toàn phần ở sau mỗi phổ đặc trng của mỗi dy.
Khi tính hàm lợng Th, U và K theo phép phân tích phân bổ năng lợng toàn
phần, phải chia năng lợng toàn phần ra làm hai vùng.
a) Vùng năng lợng cao có ba pic chính đặc trng cho ba dy phóng xạ Th (2,26
MeV), U(1,76MeV) và K(1,46MeV).
b) Vùng năng lợng thấp, năng lợng của các tia gamma trong thành hệ là sản phẩm
của quá trình tán xạ Compton bao gồm các phát xạ năng lợng thấp từ hai dy U và Th.
Trong tự nhiên gặp các đá có tính phóng xạ khác nhau, có chứa các đồng vị U,
Th và K ở mức độ khác nhau.
- Sét và diệp thạch sét là những khoáng vật và đá chứa một hàm lợng nhất định
các đồng vị K, U và Th. Ngoài ra, chúng còn có thể chứa một lợng đáng kể phosphat
hay một chất hữu cơ giàu Urani và các loại khoáng vật có phóng xạ (feldspat, mica, các
loại khoáng vật nặng có chứa U và Th. Bảng 5.4)
- Muối Kali, KCl trong các thành tạo trầm tích bốc hơi.
- Các lớp mỏng bitum và alumit hoá KAl
3
[(OH)
6
/(SO
4
)
2
].
Bảng 5.4
Tên khoáng
vật
Th (ppm) U (ppm)
Tên khoáng

vật
Th (ppm) U (ppm)
Allanit 500
20.000
30-70 Monazit (25-20).10
4
500-3000
Apatit 20-150 5-150 Sphen 100-600 100-700
Epidot 50-500 20-50 Xenotim Rất thấp 500-3,5.10
4

Magnetit 0.3-20 1-30 Zircon 50-4000 100-6000
- Phosphat [PO
4
]
3-

- Một số đá cát ackose, bùn, cát kết cuội kết chứa nhiều khoáng vật nh: feldspat,
mica hoặc các khoáng vật chứa K, U và Th nh zircon, monazit, alamit, xenotin,
- Một số đá cacbonat có nguồn gốc từ biển có chứa K và U hoặc giàu vật chất
hữu cơ hay phosphat.
- Một số vỉa than hấp phụ và tích tụ U có liên quan đến các đá giàu U.
- Các đá macma axit và bazơ nh: granit, syenit, rhyolit.

132
5.3.2.2. Các thiết bị máy giếng đo phổ gamma
Trong sản xuất sử dụng các Zond đo phổ gamma khác nhau. Mỗi loại có những
đặc điểm riêng chi tiết nhng có điểm chung về nguyên tắc.
Zond đo có nhiều cửa sổ, mỗi cửa
sổ đo các tia gamma có vùng năng lợng

nhật định, tơng đơng với phổ năng
lợng đặc trng của từng nhóm nguyên
tố K, U và Th.
Hng Dresser Atlas dùng thiết bị
đo có ba cửa sổ W
3
, W
4
và W
5
để đo phổ
năng lợng đặc trng của K, Th và U
(Hình 5.10). Tuy vậy, giới hạn đo phổ
năng lợng của từng cửa sổ đ không thể
sạch hoàn toàn. Ví dụ cửa sổ W
3

không phải chỉ tơng ứng với K mà còn
cả với U và Th.
Nghĩa là ta có thể lập hệ phơng trình:
232
Th = m
13
W
3
+ m
14
W
4
+ m

15
W
5

238
U = m
23
W
3
+ m
24
W
4
+ m
25
W
5
(5.21)
40
K = m
33
W
3
+ m
34
W
4
+ m
35
W

5
Trong đó: m
ij
là các yếu tố của thành phần gọi là ma trận đo hay chính là phần
đóng góp bức xạ gamma của nguyên tố thứ i trong cửa sổ thứ j. Các thành phần ma trận
đo m
ij
đợc xác định trên mô hình mẫu chuẩn.
Hệ phơng trình (5.21) cho phép xác định hàm lợng các nguyên tố K, U và Th
dựa vào sổ đọc trên các cửa sổ W
3
, W
4
và W
5
.
Công ty Schlumberger sử dụng máy phổ có 5 cửa sổ, trong đó các cửa sổ W
1
và
W
2
đo gamma toàn phần năng lợng thấp (Hình 5.11).
Dựa vào các số đo vùng năng lợng thấp (W
1
và W
2
) có thể lọc các thăng giáng
của các đờng cong K và U.
Sơ đồ nguyên tắc đo phổ gamma tự nhiên (NGS) theo Schlumberger đợc trình
bày trong hình 5.12.

Số kênh
Năn
g
l
ợ
n
g
tia Gamma MeV
H
ình 5.10. Các cửa sổ đo năng lợng
đặc trng K và Th


133
Trong sơ đồ sử dụng detector nhân quang điện, với tinh thể cảm xạ là NaI(Tl) 1.
Qua detector các tia gamma có năng lợng E khác nhau sẽ tạo thế đầu ra khác
nhau tơng ứng. Tín hiệu đợc khuyếch đại bởi bộ amplifier 2 rồi chuyển vào cửa sổ
có định cỡ V tơng ứng nhờ mạch ổn định (Stabilization) 3. Tín hiệu ở các cửa sổ đợc
đa tới bộ m hoá truyền tải (Transmission Encoder) 4 bằng kỹ thuật điều biến tần số,
rồi đa lên mặt đất qua đờng cáp 5. Trên mặt đất, khối giải m (Transmission
Decoder) 6 tách các tín hiệu theo m riêng của kênh tơng ứng rồi đa vào ngăn tích
phân có hằng số thời gian chọn trớc (4sec) 7. Các số liệu thô này một mặt đợc ghi lại
bởi khối (TTR) 8, một mặt đợc đa vào khối tính toán (computer) 9 hàm lợng của
các nguyên tố K, U, Th và GR. Các giá trị này đợc ghi trên băng hoặc phim ảnh nhờ
một bộ ghi (camera) 10.
Cũng nh các máy móc thiết bị đo Địa vật lý hạt nhân khác, máy đo NGS cũng

cần phải chuẩn khắc độ. Trong trờng hợp này, chuẩn máy thực chất là xác định các
H
ình 5.11. Đờng cong tơng ứng U, Th và K (Detectơ dùng tinh thể NaI)
Năng lợng thấp
Hiệu suất đếm cao
Năng lợng cao
Hiệu suất đếm thấp
Xác suất phát xạ đo đợc
Mã hoá
truyền
Bộ giải
mã
Trên mặt đất
Tron
g

g
iến
g
khoan
H
ình 5.12. Sơ đồ nguyên tắc của Zond đo phổ phóng xạ Gamma

1
2
3
4
5
5
6

7
89
10

134
tham số thành phần của ma trận đo, chính là phần đóng góp bức xạ gamma của mỗi
nguyên tố trong nhóm K, U và Th vào cửa sổ nào đó trong số 5 cửa sổ (W
1
,, W
5
) đợc
sử dụng. Nh vậy có tất cả 9 hệ số m
ij
trong hệ phơng trình (5.21) cần đợc xác định.
Để xác định các hê số này tại các trung tâm lớn ngời ta thực hiện trong các
giếng khoan mô hình chứa 3 lớp có hàm lợng các nguyên tố U, Th và K cho trớc.
Việc chuẩn khắc độ có thể thực hiện tại hiện trờng ở miệng giếng khoan trớc
khi tiến hành đo NGS. Khi chuẩn nh vậy đợc thực hiện nhờ một mẫu chuẩn bằng
đồng vị
220
Ra để kiểm tra số đếm của mỗi cửa sổ.
Chiều sâu nghiên cứu của phơng pháp đo phổ gamma tự nhiên phụ thuộc vào
nhiều yếu tố: năng lợng của tia gamma, mật độ của dung dịch và đờng kính giếng
khoan. Ngoài ra nó còn phụ thuộc vào mật độ của các đá ở thành giếng khoan.
Năng lợng E

của tia gamma càng cao, chiều sâu nghiên cứu càng sâu trong
môi trờng xung quanh giếng khoan. Mật độ dung dịch koan và mật độ khối của đất đá
trong môi trờng càng cao thì càng hạn chế chiều sâu nghiên cứu của phơng pháp đo.
Số đo của NGS trên các cửa sổ chủ yếu nhạy với sự thay đổi hàm lợng các

đồng vị của các dy U, Th và K trong đất đá ở thành giếng khoan. Tuy vậy, có nhiều
trờng hợp bị ảnh hởng bởi khi gặp các pic nhiễu do: Hiện tợng xảy ra các pic lạ
chen vào làm hạn chế các pic chính trong các cửa sổ đo năng lợng thấp. Sự xuất hiện
của hai pic lạ đợc liên kết với mỗi pic năng lợng cao từ Th sẽ gây nhiễu trong cửa sổ
U và tơng tự từ cửa sổ K (Các pic lạ thờng là cặp electron và pozitron trong tinh
thể NaI(Tl).
5.3.2.3. Phạm vi ứng dụng
- Xác định địa tầng: Trong trầm tích bốc hơi, việc phân chia địa tầng dựa vào sự
khác nhau giữa sét và muối. Trong các vỉa muối giàu Kali hơn là trong các lớp sét.
Hàm lợng Th trong muối rất thấp gần nh bằng không.
Có thể phát hiện các vỉa muối dựa vào đờng K%. Đờng này phân dị khá tốt
trên ranh giới các vỉa muối với đất đá vây quanh.
Trong môi trờng trầm tích lục nguyên (cát, sét), các vỉa cát sạch rất nghèo K,
Th và U nên các giá trị đo ở cả 4 kênh đều thấp. Đối với các vỉa sét thì ngợc lại, giá trị
đo Th và K đều cao. Dựa vào các số đo Th và K hay tổng của chúng (CGR) có thể đánh
giá độ sét V
Sh
:
()
min
min
ThTh
ThTh
V
Sh
Th
Sh


=

()
min
min
KK
KK
V
Sh
K
Sh


=

()
min
min
CGRCGR
CGRCGR
V
Sh
CGR
Sh


=


135
- Xác định bản chất và sự hiện diện của các nguồn gây dị thờng bức xạ gamma

trong đá cát có liên quan đến một số đối tợng nh: feldspat, mica, các khoáng vật
nặng nh: zircon, allanit, monazit giàu Th và U. Các phép toán này dựa vào kỹ thuật đồ
thị trực giao (Cross-plot) giữa các tham số khác nhau.
- Trong môi trờng cacbonat thờng rất nghèo các đồng vị phóng xạ và không có
mối liệnhệ chặt chẽ với sét trong đá, có chăng cờng độ bức xạ gamma trong đá cacbonat
có liên quan đến sự có mặt của Urani. Trong đá cacbonat thuần trầm tích biển khơi thì
không có Thori, bởi vì nó không hoà tan. Ngang với vỉa cacbonat sạch, các đờng Th và K
gần bằng không. Nếu ở đó, đờng U cũng thấp hoặc bằng không thì cacbonat đó đ ở môi
trờng oxy hoá. Ngang các vỉa đá cacbonat chỉ có dị thờng dơng cao trên đờng U
(ppm) khi nó chứa các vật liệu hữu cơ. Nếu sét chứa trong các lớp đá cacbonat thì làm cho
cả 3 đờng U, Th và K đều có dị thờng lớn. Trờng hợp đá cacbonat có chứa phosphat
hay glauconit thì đờng U và cả đờng U lẫn K đều có giá trị cao.
- Liên kết giữa các giếng khoan: Việc liên kết giữa các lát cắt giữa giếng khoan
thờng dựa vào các pic trên đờng Th, chúng thờng có liên quan tới các lớp tro núi
lửa hoặc xuất hiện bentonit trên diện rộng.
- Phát hiện đới nứt nẻ: Trong các khe nứt của đá cacbonat hay đá móng macma,
các nhiệt dịch hoặc nớc ở các tầng sâu giàu Urani có thể tràn vào làm cho khi đo phổ
ta dễ dàng phát hiện ra chúng.
5.3.3. Các phơng pháp gamma tán xạ
5.3.3.1. Cơ sở vật lý
Chiếu xạ vào môi trờng đất
đá xung quanh giếng khoan bằng
một chùm tia gamma có năng lợng
khác nhau và đo các tia gamma tán
xạ do kết quả tơng tác của chúng
với môi trờng (Hình 5.13) gọi là
phơng pháp gamma tán xạ hoặc
gamma- gamma, nghĩa là chiếu xạ
bằng tia gamma và đo các tia
gamma sau khi đ mất bớt năng

lợng bị tán xạ do tơng tác với vật
chất trong môi trờng nghiên cứu.
Khi các tia gamma tơng tác
với môi trờng đất đá chúng sẽ gây
ba hiệu ứng chính (Xem 5.13):
- Hấp thu quang điện: Tia
gamma bị hấp thu hoàn toàn.
- Tán xạ Compton: Tia gamma mất bớt năng lợng, chuyển động lệch hớng.
- Tạo cặp: Tia gamma va chạm hạt nhân làm bắn ra cặp điện tử trái dấu e
+
và e
-
.
H
ình 5.13. Nguyên tắc đo gamma tán xạ

136
Trở lại với phơng trình (5.8) ta có nhận xét hệ số hấp thụ tia gamma của môi
trờng hay hệ số tắt dần là tổng các hệ số tắt dần tuyến tính của các qúa trình hấp thụ
quang điện, tán xạ compton và tạo cặp.
Để thuận tiện trong nghiên cứu môi trờng vật chất ở các trạng thái rắn, ta dùng
một hệ số cơ bản hơn - hệ số hấp thụ khối (
à
m
). Hệ số hấp thụ khối là tỷ số của hệ số
tắt dần
à chia cho mật độ khối
b
của môi trờng (à
m

= à/
b
).
Hệ số hấp thụ khối cuả một chất giảm khi năng lợng của lợng tử gamma tăng.
Với cùng một mức năng lợng của tia tới, hệ số hấp thụ khối của các vật chất khác
nhau có giá trị gần xấp xỉ nhau. Đây là điểm rất quan trọng và là cơ sở vật lý của các
phép đo gamma tán xạ trong giếng khoan.
Phơng trình vừa nêu có thể đợc viết:
()
)22.5(
x
o
b
b
eII


à










=

hay
x
o
bm
eII
à


=

Lấy logarit (5.22) ta có:
)23.5(lnln xII
bmo
à

=

Ta dễ dàng nhận thấy: Nếu cờng độ bức xạ của nguồn I
o
và hệ số
à
m
không đổi,
khoảng cách x từ nguồn đến detector là cố định thì giá trị cờng độ phóng xạ gamma tán
xạ I


đo đợc sẽ là hàm số chỉ phụ thuộc vào mật độ khối

b

của môi trờng. Từ đó ta có
thể tìm đợc một phơng trình thực nghiệm biểu thị mối liên hệ khá chặt chẽ giữa cờng
độ gamma tán xạ với mật độ khối

b
của đất đá ở thành giếng khoan.
Trong trờng hợp năng lợng của các tia gamma đủ lớn, hiệu ứng compton sẽ
trội hơn thì mối quan hệ hàm số I

= f(
b
) càng chặt chẽ và do đó ngời ta gọi phép đo
gamma tán xạ này là phơng pháp gamma tán xạ mật độ (Formation Density - FDC
(Schlumberger); Compensated Density Log- CDL (Halliburton)).
Ngợc lại, nếu dùng nguồn phóng xạ gamma có năng lợng thấp, hiệu ứng hấp
thụ quang điện sẽ chiếm u thế khi tia gamma tơng tác với môi trờng nghiên cứu
(Xem hình 5.4). Cờng độ gamma đo đợc I

sẽ chủ yếu phụ thuộc vào số electron
trong một đơn vị thể tích môi trờng hay tỷ lệ nghịch với số các nguyên tố nặng (Bi,
W, Pt, Au, Ag, Pb,) trong môi trờng đó. Dựa vào đặc điểm đó, ta có thể phát hiện ra
các đới trong lát cắt chữa các nguyên tố nặng. Phép đo nh vậy trong giếng khoan
(dùng nguồn chiếu tia gamma năng lợng thấp) gọi là phơng pháp gamma tán xạ
chọn lọc.

137

5.3.3.2. Sơ đồ đo gamma tán xạ trong giếng khoan
Hình 5.14 là sơ đồ nguyên tắc khi thực hiện phép đo gamma tán xạ trong giếng
khoan. Trong sơ đồ có các khối sau: 1- khối khuyếch đại, 2- bộ lọc bằng dơng bản

truyền xạ, 3- Ngăn tích phân, 4- Bộ ghi, 5- khối nguồn nuôi, 6- khuyếch đại sơ bộ, 7-
bộ cao áp, 8- detector, 9- Rnh cửa sỏ, 10- màn chì, 11- nguồn phóng xạ gamma, 12-
cáp, 13- thanh đè áp sờn.
+ Nguồn phóng xạ
gamma trong các phép đo
gamma tán xạ là các nguồn hoá
học:
-
60
Co: đồng vị phát xạ
các lợng tử gamma có năng
lợng 1,17MeV đến 1,33MeV.
-
137
Cs: đồng vị phát xạ
các lợng tử gamma có năng
lợng khoảng 0,622MeV.
-
75
Se: đồng vị phát xạ các
lợng tử gamma có năng lợng
trung bình khoảng 0,268MeV.
+ Detector thờng là
loại nhân quang điện dùng tinh
thể NaI(Tl).
+ Máy giếng (Zond)
cấu tạo đặc biệt nhằm loại bỏ tối đa các ảnh hởng của môi trờng xung quanh.
- Các khối nguồn và khối đo của máy giếng đợc lắp đặt trong một ống trụ bằng
hợp kim nhẹ có đờng kính nhỏ hơn đờng kính danh định của giếng khoan.
- á

p sờn nhờ một hệ lò so và cánh tay gạt.
- Detector và nguồn phóng xạ đợc đặt trong màn chì có các khe rnh hớng tới
thành giếng khoan ở phía áp sờn nhằm tăng độ nhạy của kết quả đo với mật độ của
đất đá (nếu là đo tán xạ mật độ).
- Điểm đo đợc tính cho điểm O, nằm chính giữa nguồn và detector.
- Khoảng cách từ nguồn đến detector là chiều dài L

của Zond đo gamma tán xạ.
Khi Zond đo định hớng đợc áp sờn ảnh hởng của dung dịch khoan và lớp
vỏ sét lên kết quả đo là nhỏ nhất và nh nhau ở mọi điểm đo trong giếng khoan.
H
ình 5.14. Sơ đồ nguyên tắc đo Gamma tán xạ định hớn
g

1 - Khuyếch đại
2 - Chuẩn xung
3 - Ngăn tích phân
4 - Bộ ghi
5 - Nguồn nuôi
6 - Khuyếch đại sơ
bộ
7 - Bộ cao áp
8 - Detector
9 - Rãnh định hớng
10 - Màn chì
11- Nguồn phóng xạ
12 - Cáp
13 - Lò so ép sờn

138

Trong các trờng hợp giếng khoan có đờng kính nhỏ, ít bị sập lở thì không
nhất thiết phải sử dụng các máy giếng có áp sờn và đo định hớng. Phép đo hớng về
mọi phía nh nhau. Detector có thể dùng loại ống đếm tỷ lệ. Màn chì là dĩa bằng chì
đặt gần nguồn phóng xạ hơn. Cách đo nh vậy, mọi kết quả ghi đợc đều mang tính
biểu kiến, chỉ nên sử dụng trong phân tích nhanh và phân tích định tính. Muốn dùng
phân tích định lợng thì cần có các phép hiệu chỉnh tơng ứng.
Khi thiết kế máy giếng cho việc nghiên cứu một đối tợng cụ thể, các thông số
của máy giếng (chiều dài L

, chiều dày và hình dáng màn chắn, kích thớc và hớng
góc nhìn của các rnh cửa sổ từ nguồn và vào detector,) cần đợc lựa chọn để có kết
quả đo tốt nhất.
Trong các phép đo gamma tán xạ ở giếng khoan, chiều dài L

của Zond đo
thờng đợc chọn bằng một khoảng cách đủ lớn để tránh vùng mù, nghĩa là vùng ở
đó giá trị phép đo không nhạy với sự thay đổi mật độ hay hàm lợng các nguyên tố
nặng trong môi trờng nghiên cứu.
5.3.3.3. Phép đo gamma tán xạ mật độ bù (kép)
Các Zond đo gamma tán xạ mật độ dùng một detector có một số nhợc điểm:
chịu ảnh hởng của vỏ sét, độ nhẵn của thành giếng khoan,
Để khắc phục các nhợc điểm đó
ngời ta dùng Zond đo có hai detector. Một
ở gần, một ở xa hơn (Hình 5.15). Biến thể
của phép đo gamma tán xạ mật độ nh vậy,
Schlumberger gọi là phơng pháp gamma
tán xạ mật độ bù (kép) (FDC).
Detector gần nguồn có chiều sâu
nghiên cứu nhỏ, chủ yếu đo phần các
gamma tán xạ trong lớp vỏ sét và phản ánh

mức độ nhẵn của thành giếng. Giá trị đo từ
detector này dùng để tính hiệu chỉnh ảnh
hởng của vỏ sét.
Hình 5.16 là biểu diễn giao hội giữa
hai số đếm của các detector xa và gần để
tính lợng hiệu chỉnh mật độ.
Vỏ sét
Đất đá (

b
)
Vùng nghiên
cứu của
detector xa
Vùng nghiên
cứu của
detector gần
N
g
uồn
H
ình 5.15. Sơ đồ đo Gamma tán xạ bù

Vỏ sét có ph
ụ

gia Barit
Vỏ sét khôn
g
có

phụ gia Barit
H
ình 5.16.Sơ đồ biểu diễn các ảnh
hởng của vỏ sét
(theo Schlumberger)


139
Trên hình vẽ ta thấy với một giá trị mật độ khối

b
cho trớc, số đếm của hai
detector khi giao hội sẽ rơi vào các điểm trên một đờng cong trung bình và không đổi
với mọi giá trị mật độ và chiều dày của vỏ sét.
Dựa vào tập hợp các đờng cong trung bình này có thể xác định đợc giá trị hiệu chỉnh

b
. Máy ghi trên mặt đất sẽ tự động ghi giá trị

b
và

b
cùng chiều sâu.
Trên hình 5.16 - trục đứng là giá trị số đếm của detector xa, trục ngang là số
đếm của detector gần.
Các điểm nằm bên trái đờng thẳng chéo là trờng hợp dung dịch nặng (có phụ gia
barit), bên phải là trờng hợp dung dịch thờng. Kết quả đo tính

b

mới chỉ là biểu kiến.
Căn cứ vào vị trí của điểm giao hội bởi cặp số đếm từ các detector xa và gần ta
tính giá trị

b
dựa trên phép nội suy theo lới các đờng cong có sẵn trên bản chuẩn.
Các phép tính này đợc thực hiện tự động và vẽ hai đờng cong

b
và
b
trên cùng
băng ghi.
5.3.3.4. Chiều sâu nghiên cứu và độ phân giải của các Zond đo gamma tán xạ
mật độ
Chiều sâu nghiên cứu của các thiết bị đo gamma tán xạ mật độ phụ thuộc vào
mật độ khối của đất đá ở thành giếng khoan. Mật độ càng cao thì chiều sâu nghiên cứu
của phép đo càng giảm. Trong các thành hệ có lỗ rỗng và thấm tốt, chiều sâu nghiên
cứu của các thiết bị hiện nay không quá 6 inch (

15cm), nghĩa là trong vùng đới ngấm
ở thành giếng.
Khả năng phân giải lát cắt của các thiết bị đo gamma tán xạ mật độ phụ thuộc
vào khoảng cách từ nguồn đến detector. Đối với các Zond có một detector (FDL),
khoảng cách này là 16 inch (0,4m), còn các Zond có hai detector (FDC) thì khoảng
cách giữa các detector là 10inch (0,25m).
Điểm đo của Zond gamma tán xạ mật độ là điểm giữa nguồn và detector (cho
trờng hợp FDL) hoặc điểm giữa hai detector gần và xa (FDC).
5.3.3.5. Chuẩn khắc độ các máy đo gamma tán xạ
Các máy đo phóng xạ hạt nhân nói chung và đo gamma tán xạ nói riêng đều cần

đợc chuẩn để định giá trị cho số đo xung/phút hoặc xung/giây, cps theo đơn vị lỗ rỗng
(p.u) hay đơn vị mật độ tơng ứng. Có hai mức chuẩn khắc độ: Chuẩn định kỳ (hay
chuẩn đầy đủ) thực hiện tại phòng thí nghiệm có các mô hình chuẩn và của chuẩn trớc
và sau mỗi hiệp đo tại giếng khoan.
Chuẩn khắc độ gồm 3 bớc sau:
- Kết quả chuẩn lấy theo số đọc khi đo trong đá vôi sạch bo hoà nớc ngọt đ
biết trớc mật độ và độ rỗng.
- Lấy số đo chuẩn trong một khối nhôm so với thành hệ đá vôi ở phòng thí
nghiệm.

140
- Kiểm tra các số đo chuẩn tại hiện trờng của một Zond đo so với số đo cùng
bằng chính Zond đó trong khối nhôm.
Việc kiểm tra nh vậy đợc tiến hành trớc và sau mỗi hiệp đo.
Các máy đo bù kép có hai detector. Việc kiểm tra thực hiện bằng cách lấy tỷ số
giữa số đếm của các detector gần và xa. Trong cùng một điều kiện môi trờng, tỷ số
này trớc và sau khi đo phải không đổi hoặc thay đổi không đáng kể.
Mỗi công ty dịch vụ đều có cách xây dựng bản chuẩn riêng để quy đổi từ số đo
tốc độ đếm ra đơn vị rỗng hoặc đơn vị mật độ.
Việc tính toán và biểu
diễn kết quả đo gamma tán xạ
mật độ thờng đợc tiến hành tự
động. Các số đếm xung/phút
hoặc xung/giây dựa theo các
tham số chuẩn máy mà chuyển
đổi sang giá trị mật độ

(g/cm
3
)

hoặc

D
(%) và vẽ thành đờng
cong liên tục theo chiều sâu
giếng khoan.
Bên cạnh đờng ghi
(g/cm
3
), các biểu đồ đo bù
gamma tán xạ mật độ bao giờ
cũng có biểu đồ ghi giá trị hiệu
chỉnh

. Đờng biểu diễn này
thể hiện sự thay đổi chiều dày và
thành phần của lớp vỏ sét và độ
nhẵn của thành giếng khoan.
Trờng hợp đo gamma
tán xạ bằng Zond đo có một
detector thì giá trị biểu diễn là
xung/phút hay xung/giây. Biểu
đồ đo nh vậy chỉ có giá trị định
tính hơn là định lợng. Đi kèm
các đờng cong

(g/cm
3
),
(g/cm

3
),
D
(%) thờng có các
đờng GR và CAL (đờng kính
giếng) (Hình 5.17).
5.3.3.5. Phạm vi ứng dụng của phơng pháp gamma tán xạ mật độ
Các phơng pháp FDC và FDL đợc sử dụng rộng ri để nghiên cứu các giếng
khoan thăm dò dầu khí , than và quặng khác nhau.
H
ình 5.17. Ví dụ của phép đo Gamma tán xạ
mật độ có hiệu chỉnh tự động


141
ứ
ng dụng quan trọng nhất của phơng pháp gamma tán xạ mật độ là xác định
độ rỗng của đá chứa bởi tham số này có liên hệ chặt chẽ với mật độ khối và mật độ
electron.
Trong môi trờng có lỗ rỗng, mật độ khối

b
có quan hệ với thành phần khoáng
vật tạo đá theo hiệu ứng cộng:
(
)
)24.5(1
mafb

+

=

Trong đó:
mfxohhrf
SS



+
=



=
n
manma
n
V
1



1
=
+

xohr
SS


=+
n
n
V
1
1

Với

f
,

ma
,

mf
lần lợt là mật độ của chất lu, khung đá và dung dịch filtrat.
S
xo
, S
hr
lần lợt là độ bo hoà của nớc và dầu sót trong đới rửa.
V
n
và
n

ma

là tỷ phần thể tích và mật độ của khoáng vật thứ n trong đá.
Từ công thức (5.24) ta có:
)25.5(
mfma
bma




=

Độ rỗng tính theo công thức (5.25) là độ rỗng tính theo phơng pháp gamma tán
xạ mật độ và ký hiệu là

D
.
Trong đá cát kết chứa hàm lợng sét V
Sh
< 0,3 ta có thể tính quan hệ giữa

D

với độ rỗng hiệu dụng

ef
nh sau:
(
)

)26.5(1
DShShmaShefD
VV

+




+
=

Nhng vì

ma
rất nhỏ và lấy bằng không (
ma
= 0) và ta có thể viết (5.26) đơn
giản hơn và chuyển vế:
)27.5(
DShShDef
V



=


Trong đó,

DSh
là độ rỗng của sét đo đợc ở vỉa thuần sét bên cạnh, thờng giá
trị này khoảng 0,12 (đơn vị đá vôi). Tỷ phần thể tích của sét trong đá có thể tính theo
GR hoặc SP.

142
Ví dụ: Theo biểu đồ ngang vỉa nghiên cứu

D
=0,22, tính theo GR, V
Sh
= 0,20.
Thay vào (5.27) ta có

ef
:

ef
= 0,22 - 0,12 x 0.20 = 0,196 = 19,6%.
Giá trị

D
tính đợc từ phơng pháp gamma tán xạ mật độ đợc sử dụng để
phân chia lát cắt thạch học, liên kết chúng theo tuyến các giếng khoan. Ngoài ra, giá trị

D
còn đợc sử dụng để bổ trợ nâng cao độ chính xác khi phân tích tài liệu trọng lực
và địa chấn địa tầng.
Trong các giếng khoan thăm dò than và các loại quặng đa kim, phơng pháp
gamma tán xạ mật độ đợc sử dụng để giải quyết các nhiệm vụ sau:

- Xác định các đới quặng hoá.
- Tính hàm lợng các nguyên tố nặng trong đá.
- Xác định chính xác chiều dày các vỉa than.
Khi tổ hợp cùng các phơng pháp khác, phơng pháp gamma tán xạ mật độ có
thể giải quyết các nhiệm vụ sau trong kỹ thuật khoan:
- Xác định mức ximăng và độ ổn định chất lợng của ximăng.
- Xác định vị trí ranh giới tiếp xúc của hai chất lu có tỷ trọng khác nhau.
- Xác định đầu nối ống chống và vị trí ống chống bị ăn mòn.
Sử dụng phơng pháp gamma tán xạ chọn lọc song song với phơng pháp
gamma tán xạ mật độ có thể nhận đợc các thông tin bổ ích khi nghiên cứu các giếng
khoan thăm dò các loại quặng sắt, mangan, đồng, niken, coban, wolfram, moliblen và
polimetal.
5.3.4. Phơng pháp đồng vị phóng xạ gamma
Trong kỹ thuật khoan khai thác dầu khí, tìm kiếm nớc dới đất hay kiểm tra
chất lợng các công trình thuỷ công, có lúc ngời ta sử dụng một phơng pháp dựa trên
cơ sở đa vào môi trờng nghiên cứu một lợng các đồng vị phóng xạ ngắn ngày rồi đo
bức xạ gamma do chúng bắn ra. Phơng pháp đó đợc gọi là phơng pháp đồng vị
phóng xạ hay phơng pháp nguyên tử đánh dấu.
Phơng pháp đồng vị phóng xạ đợc thực hiện theo trình tự sau:
- Đo gamma tự nhiên trong giếng khoan và đánh số là đờng GR
1
.
- Thả vào giếng một dung môi có hoạt tính phóng xạ cao (dung dịch, vữa
ximăng, nớc) hoặc chất bột (cát, bột).
- Rửa giếng một cách thận trọng bằng một dung dịch không có hoạt tính phóng
xạ hay nớc l.

143
- Đo đờng cong gamma thứ hai và đánh số GR
2

.
So sánh hai đờng GR
1
và GR
2
ta sẽ phát hiện đợc các đoạn giếng có bám các
đồng vị phóng xạ liên quan đến các đối tợng cần nghiên cứu trong địa chất hay trong
kỹ thuật.
Các đồng vị sử dụng để đa vào giếng khoan khi thực hiện phơng pháp nguyên
tử đánh dấu đều phải tuân theo một quy định chặt chẽ, bảo đảm an toàn cho ngời và
môi trờng.
Thờng ngời ta sử dụng các đồng vị có chu kỳ bán r ngắn, năng lợng trung
bình của các tia gamma do chúng bắn ra là thấp và khác biệt với năng lợng của các
đồng vị gặp trong lát cắt địa chất của giếng khoan.
Khi pha trộn và thả đồng vị đánh dấu không đợc vơng vi ra sàn khoan và
môi trờng xung quanh.
Khi chọn đồng vị để pha trộn dung dịch hoạt tính cần phải tính đến khả năng
hấp thụ chúng của các đất đá, ống chống cũng nh vỏ máy giếng.
Một số đồng vị có phát xạ gamma sau đây hay đợc dùng để điều chế dung dịch
hoạt tính thả vào giếng khoan:
131
I (T=8,05 ngày);
59
Fe (T=45,1 ngày);
65
Zn (T=250
ngày);
95
Zr (T=65 ngày);
60

Co (T=5,2 năm);
110
Ag (T=270 ngày).
Các đồng vị này đợc pha trộn trong dung dịch ở nồng độ nhất định. Tránh
nồng độ cao, nhng phải bảo đảm cờng độ bức xạ gamma của dung dịch hoạt tính lớn
hơn phông từ 10- 20 lần.
Liều lợng các đồng vị trong điều chế dung dịch hoạt tính đợc xác định theo
công thức sau:
)28.5(
*
C
CV
V
dd
=

Trong đó:
V: Thể tích dung dịch hoạt tính (cm
3
).
V
d
: Thể tích dung dịch nồng độ thấp cần có (m
3
).
C: Nồng độ thực các đồng vị trong dung dịch hoạt tính (mC
i
/cm
3
).

C
d
: Nồng độ thực của dung dịch điều chế (mC
i
/m
3
).
Nồng độ của các dung dịch thờng dùng thay đổi trong khoảng 0,5 đến 5mC
i
/m
3
.
Máy móc thiết bị đo theo phơng pháp đồng vị phóng xạ gamma hệt nh của
máy móc thiết bị đo gamma tự nhiên GR.
Phơng pháp đồng vị phóng xạ gamma đợc dùng để giải quyết các nhiệm vụ
khác nhau trong các giếng khoan trần hoặc có ống chống.

144
- Đối với các giếng khoan trần, phơng pháp này đợc dùng để giải quyết hai
nhiệm vụ hay gặp:
+ Xác định đới mất dung dịch khoan.
+ Nghiên cứu đặc điểm thấm chứa của đá colector trong lát cắt.
Khi giải quyết hai nhiệm vụ nêu trên, ta có thể đa chất lu phóng xạ vào giếng
khoan ngay sau khi khoan hoặc có thể khoan giếng bằng dung dịch khoan có trộn đồng
vị phóng xạ.
Trong trờng hợp thứ nhất: Dới tác dụng của áp lực cột nớc, các chất phóng
xạ theo filtrat sẽ thấm vào lỗ rỗng của các lớp đá có độ rỗng và độ thấm tốt. Lớp đá có
độ rỗng và độ thấm càng cao thì các đồng vị phóng xạ bám trên thành giếng càng
nhiều, chiều dày lớp vỏ sét càng lớn và sẽ tạo nên dị thờng phóng xạ khi đo GR
2

. Tuy
nhiên, cần lu ý rằng có trờng hợp lớp vỏ sét đợc hình thành trớc có chiều dày lớn
và bám bền vững nên khi rửa để thay dung dịch, vỏ sét vẫn tồn tại và ngăn không cho
dung dịch hoạt tính thấm vào thành giếng. Khi đó chính nơi có giá trị GR
2
nhỏ lại là
nơi đất đá có độ rỗng và thấm tốt.
Trong trờng hợp thứ hai: Khoan giếng bằng dung dịch có trộn đồng vị phóng
xạ. Quá trình hình thành lớp vỏ sét trên thành giếng sẽ mang theo các đồng vị bám trên
thành giếng. Lợng các đồng vị phóng xạ trong vỏ sét tỷ lệ với chiều dày vỏ sét nên chỉ
thị GR
1
đ cho phép xác định chính xác vị trí của các vỉa rỗng và thấm trong lát cắt.
Tuy nhiên, bằng cách này sẽ phải tiêu hao một lợng lớn các đồng vị phóng xạ để trộn
trong dung dịch khoan. Công thức tính hàm lợng đồng vị phóng xạ trong pha chế
dung dịch khoan nh sau:
)29.5( 10


=

q
aq

Trong đó:
a là hệ số tính đến khả năng hấp thụ của các đồng vị và đẩy chúng, thay
đổi từ 2 đến 5.

q

thay đổi lớn nhất hàm lợng các nguyên tố đồng vị phóng xạ trong
các đá của lát cắt giếng khoan.


là giá trị độ rỗng trung bình của đá colector.
Phơng pháp đồng vị phóng xạ gamma tiến hành thật đơn giản nhng lại có
phạm vi ứng dụng rất rộng ri:
- Kiểm tra độ kín của ống chống.
- Phát hiện các điểm hở bên ngoài ống chống.
- Xác định mức độ liên thông ở đoạn đục (đột) thành giếng.

145
- Phát hiện vị trí bắn mở vỉa ngoài ống chống.
- Kiểm tra độ kín của paker.
- Kiểm tra chiều cao cột ximăng (mức dâng ximăng).
- Kiểm tra độ gắn kết ximăng ở áp suất cao.
- Kiểm tra khuyết tật của cầu ximăng.
- Xác định khả năng tiếp nhận chất lu của các vỉa.
- Kiểm tra bơm ép nớc và khí vào vỉa.
- Xác định độ chứa của vỉa bằng dầu hay nớc đánh dấu trên cơ sở độ thấm pha.
- Kiểm tra, đánh giá các khe nứt thuỷ lực.
- v. v
5.3.5. Các phơng pháp nơtron
Nhóm các phơng pháp nơtron bao gồm các biến thể khác nhau, chúng đều có
cơ sở chung là dùng nguồn bắn phá môi trờng nghiên cứu bằng một chùm các nơtron
nhanh và đo ghi các hiệu ứng do kết quả của quá trình tơng tác giữa các nơtron với
môi trờng vật chất.
5.3.5.1. Phơng pháp nơtron - gamma
a) Cơ sở vật lý:
Bắn phá đất đá ở thành giếng khoan bằng các hạt nơtron và đo cờng độ bức xạ

gamma phát xạ từ một số nguyên tố nhất định trong đá do kết quả bắt giữ nơtron nhiệt
là nguyên tắc chung của phơng pháp nơtron - gamma (Hình 5.18).
Các nơtron nhanh bắn ra từ nguồn S, va chạm với các hạt nhân trong môi trờng
các nơtron bị mất dần năng lợng và trở thành nơtron nhiệt. Quá trình làm chậm các
nơtron nhanh để biến thành nơtron nhiệt càng mau chóng khi trong môi trờng nghiên
cứu có nhiều hạt nhân nhẹ.
ở
mức năng lợng thấp, nơtron nhiệt rất dễ bị một số hạt nhân trong môi trờng
bắt giữ. Xác suất để các nơtron nhiệt bị bắt giữ phụ thuộc vào tiết diện bắt giữ hiệu
dụng đối với nơtron nhiệt của các nguyên tử có trong môi trờng. Sau khi bắt giữ
nơtron, hạt nhân rơi vào trạng thái kích thích và chúng thờng thoát khỏi trạng thái này
theo cách phát xạ năng lợng dới dạng một lợng tử gamma. Các lợng tử này còn
đợc gọi là gamma chiếm giữ để phân biệt với các Gamma Ray tự nhiên. Một phản
ứng điển hình của quá trình bắt giữ nơtron nhiệt là sự bắt giữ của hạt nhân hydro:
)30.5(
2
1
1
0
1
1

++ HnH
Lợng tử gamma sinh ra trong phản ứng (5.30) có phổ năng lợng 2,23MeV.

146
b) Sơ đồ nguyên tắc:
Hình 5.18 là sơ đồ đo theo phơng
pháp nơtron - gamma chiếm giữ. Trong máy
giếng (1) gồm có nguồn S phát xạ ra các

nơtron và detector D để đếm các lợng tử
gamma chiếm giữ. Giữa nguồn S và detector
D có màn chì (4) để ngăn các tia gamma
không đi thẳng từ nguồn đến detector.
Tín hiệu từ máy giếng đi theo cáp lên
mặt đất qua các ngăn điều chế tín hiệu (2) sau
đó đa lên bộ ghi (3).
Cờng độ phóng xạ gamma chiếm giữ
phụ thuộc vào hàm lợng nguyên tố hydro
trong môi trờng nghiên cứu. Trong tự nhiên,
nguyên tố này có trong pha lỏng (dầu, nớc)
và pha khí của đá. Các lu chất này bo hoà
lấp kín trong lỗ rỗng của đá, do đó cờng độ
gamma chiếm giữ đo đợc sẽ có quan hệ chặt
chẽ với độ lỗ rỗng

của thành hệ đá chứa.
Hàm lợng hydro trong dầu và nớc đợc coi
là xấp xỉ bằng nhau.
Trong khi đó hàm lợng của nguyên tố này trong pha khí thì ít hơn hẳn. Dựa vào thực
tế đó ngời ta có thể phân biệt đợc chất lu bo hoà trong đá chứa là dầu nớc hay khí.
Mật độ các nơtron nhiệt hay cũng là
cờng độ phóng xạ gamma chiếm giữ còn phụ
thuộc vào khoảng cách từ nguồn S đến detector
D hay cũng là chiều dài của thiết bị đo (L
n

).
Hình 5.19 biểu diễn sự thay đổi mật độ
của các nơtron nhiệt theo kích thớc L

n

trong
các môi trờng đá chứa có hàm lợng hydro
khác nhau (chỉ số đờng cong).
Theo khoảng cách, từ gần đến xa nguồn S
chia làm 3 vùng lần lợt là A, B và C với tên
gọi: Vùng gần A, vùng mù B và vùng xa C.
Trong vùng gần, mật độ các nơtron nhiệt
tỷ lệ thuận với hàm lợng hydro trong môi
trờng. ở vùng xa, quan hệ này ngợc lại - tỷ lệ
nghịch với hàm lợng hydro.
Trong vùng mù, các đờng biểu diễn
phân bố mật độ nơtron nhiệt cắt chéo nhau, có
nghĩa là ở đó mật độ nơtron không nhạy với hàm lợng hydro.
4
2
3
L
n


D
S
1
H
ình 5.18. Sơ đồ nguyên tắc của
phép đo Nơtron - Gamma
.
A

B
C
Khoảng cách L
n


Mật độ nơtron nhiệt
H
ình 5.19. Mật độ các nơtron nhiệt
của nguồn Ra - Be


147
Đặc điểm vừa nêu nói lên rằng để giá trị đo cờng độ gamma chiếm giữ phân dị
theo hàm lợng hydro trong môi trờng nghiên cứu thì ta phải chọn khoảng cách từ
nguồn đến detector rơi vào cùng gần và vùng xa, tránh vùng mù.
Trong Địa vật lý giếng khoan nhằm hạn chế ảnh hởng của giếng khoan và phép
đo có độ nhạy cao ngời ta thờng chọn kích thớc Zond đo - khoảng cách L
n

rơi vào
vùng xa (C). Thờng khoảng cách đó L
n

0,4m. Với kích thớc Zond đo nh vậy,
cờng độ phóng xạ gamma chiếm giữ tỷ lệ nghịch với tiết diện bắt giữ vĩ mô của môi
trờng đối với các nơtron nhiệt.
Các đá chứa nớc có độ khoáng hoá cao (NaCl, KCl,) và đặc biệt là các diapia
muối có tầm quan trọng trong việc bắt giữ nơtron (với phản ứng n,
).

ở
các lớp đó tiết diện bắt giữ vĩ mô tăng lên do có mặt nguyên tố Clore đối với
nơtron nhiệt (

Cl
= 33 bar). Ngoài ra, nơtron còn có thể bị bắt giữ bởi sự có mặt của các
nguyên tố bor, liti, cadmi, cobalt, mangan, vanadi, trong đá. Khi có mặt bor và liti
trong đá thì phản ứng bắt giữ theo kiểu (n,
):
(
)

HeLinB
4
2
7
3
1
0
10
5
++

(
)

HeHnLi
4
2
3

1
1
0
6
3
++

Những phản ứng loại này (n,
) sẽ làm giảm cờng độ phóng xạ gamma chiếm
giữ từ phản ứng (n,
).
Các lợng tử gamma sinh ra do chiếm giữ nơtron nhiệt có các năng lợng khác
nhau. Phần lớn các nguyên tố khi bắt giữ nơtron nhiệt thì phát ra lợng tử gamma có
năng lợng thay đổi trong phạm vi rộng từ vài phần mời đến một vài MeV, chỉ riêng hạt
nhân hydro khi chiếm giữ nơtron nhiệt thì phát ra lợng tử gamma có năng lợng 2,23
MeV và đây là phổ năng lợng đặc trng của hạt nhân hydro khi chiếm giữ nơtron nhiệt.
c) Nguồn phát xạ nơtron:
Trong thực tế sản xuất ngời ta có thể dùng một trong hai loại nguồn phát
nơtron:
- Nguồn đồng vị.
- Máy phát nơtron.
Các nguồn đồng vị phát xạ nơtron phổ biến là dùng các đồng vị Ra, Po, Pu hoặc
Am ở dạng bột trộn lẫn với bột Be. Các đồng vị Ra, Po, Pu và Am phân r bắn ra tia


(
2
H
4
). Các hạt

này bắn vào các hạt nhân Be gây phản ứng hạt nhân.
)31.5(
1
0
12
6
4
2
9
4

+++ nCHeBe

Các nơtron sinh ra từ phản ứng (5.31) có năng lợng từ 1 MeV đến 13 MeV
trong đó tập trung nhất là các nơtron có năng lợng trong khoảng 3,2 - 5.0 MeV.

148
Nguồn Ra - Be có u điểm là luồng nơtron ổn định vì chu kỳ bán r của Radi là
1620 năm nhng cũng có nhợc điểm là có phông phóng xạ gamma lớn, không lợi cho
phép đo nơtron - gamma.
Nguồn Po - Be phát ra các nơtron với phông gamma không đáng kể nhng có
nhợc điểm là chu kỳ bán r ngắn (T
Po
= 140 ngày) nên nguồn cần đợc chuẩn lại thoe
định kỳ.
Nguồn Pu - Be và Am - Be phát luồng nơtron kèm với phông gamma thấp, có
chu kỳ bán r dài (T
Pu
= 24300 năm và T

Am
= 458 năm) là nguồn lý tởng sử dụng
trong Địa vật lý giếng khoan. Các nguồn này phát luồng nơtron khá ổn định.
Nguồn Californium (
252
Cf) là nguồn đồng vị đợc dùng phổ biến hiện nay cả
trong thực nghiệm ở phòng thí nghiệm lẫn trong đo giếng khoan. Đồng vị
252
Cf tự phân
r phát ra nơtron gần đơn năng và với luồng nơtron lớn hơn các nguồn khác (1 Curie
chất Cf sẽ phát ra luồng 4,4.10
-9
nơtron/s). Nguồn này có u điểm là kích thớc rất bé
(gần nh nguồn điểm), phát luồng nơtron ổn định.
Trong khi đo kích hoạt phóng xạ ngời ta hay dùng nguồn Californium vì nó có
luồng phát nơtron gần nh không đổi.
Chu kỳ bán r của đồng vị Cf tơng đối ngắn (T
Cf
= 265 năm) so với các nguồn
khác Am-Be, Pu-Be là các nguồn đợc dùng trong các phép đo nơtron bình thờng.
Các nơtron phát ra từ nguồn Cf có năng lợng tơng đối thấp (E
n
= 2,3MeV) nhng
gần đơn năng.
Khi thực hiện phơng pháp nơtron - gamma thờng dễ bị ảnh hởng của cờng
độ bức xạ gamma tự nhiên (GR). Để tránh ảnh hởng đó, ngời ta thờng chọn cách
dùng nguồn nơtron có công suất lớn để trờng phóng xạ gamma chiếm giữ lớn gấp
hàng chục lần trờng GR. Nếu chiều dài L
n

= 50 cm thì dùng nguồn 2-4C
i

Máy phát nơtron: Máy phát nơtron dùng trong Địa vật lý giếng khoan là một
ống gia tốc hạt kiểu Van de Graff có kích thớc nhỏ, phát ra các nơtron nhờ phản ứng
hạt nhân giữa các đồng vị hydro nặng deuterium
)(
2
1
H
và tritium
)(
3
1
H

)32.5(
1
0
4
2
2
1
3
1
nHeHH ++

Trong phản ứng này tạo ra một nguyên tử Helium (hạt

) và một nơtron đơn

năng có năng lợng lớn (14 đến 15 MeV).
Sơ đồ nguyên tắc của một máy phát nơtron đợc trình bày trong hình 5.20
Trong ống gia tốc bằng thuỷ tinh (1) chứa nguồn deuteri (2) (Sợi dây tóc bằng
Titan có tẩm deuteri). Khi sợi Titan bị đốt nóng trong ống chứa deuteri dới áp suất 10
-2

đến 10
-3
atm, catot của đèn (3) bắn ra các electron. Các điện tử này chuyển động chạm
vào thành ống (4) tích điện dơng, trên đờng di chuyển chúng làm ion hoá các
nguyên tố deuteri. Các ion này đợc gia tốc lên nhờ có ống dây (7) - cấu tạo bởi các
vòng quấn và có từ tính không đổi. Trên đờng đi, các ion đợc hội tụ lại bởi

149
diaphragma (5) để hớng
tới bia tritium (6) với
năng lợng đủ lớn để tạo
phản ứng tổng hợp ra Heli
đồng thời làm bắn ra các
nơtron nhanh.
Các loại máy phát
hay sử dụng trong sản
xuất làm việc theo chế độ
xung và cho thông lợng nơtron cỡ 2,5.10
7
n/s. Ngoài ra còn có các kiểu máy phát
nơtron khác có thông lợng gấp mời lần lớn hơn và có thể làm việc cả hai chế độ
xung và liên tục.
Các máy phát nơtron có nhiều u điểm: phát các nơtron có năng lợng lớn và
đơn năng, luồng nơtron lớn. Nhờ làm việc ở chế độ xung nên đ là cơ sở thực hiện

phơng pháp xung nơtron để giải quyết nhiều vấn đề địa chất trong nghiên cứu các mỏ
dầu khí, chẳng hạn xác định bản chất của chất lu trong đá chứa. Về mặt kỹ thuật an
toàn, các máy phát nơtron u việt hơn hẳn các nguồn nơtron dùng đồng vị phóng xạ.
d) Chiều sâu nghiên cứu của phơng pháp
Chiều sâu hay bán kính nghiên cứu của phơng pháp nơtron - gamma đợc hiểu
là bề dày của lớp đất đá tính từ thành giếng khoan đến bề mặt hình trụ, ở đó các nơtron
có thể xuyên tới và bị bắt giữ băn ra các lợng tử gamma chiếm giữ để các detector có
thể ghi đợc. Nh vậy, chiều sâu nghiên cứu của phơng pháp phụ thuộc vào chiều dài
của Zond đo L
n

và khoảng đâm xuyên của các nơtron. Chiều dài L
n

của các máy
giếng khoảng 0,5m. Chiều sâu đâm xuyên của nơtron trong đất đá phụ thuộc vào hàm
lợng hydro có trong đá. Vì vậy, các đá rắn chắc, lỗ rỗng thấp thì chiều sâu đâm xuyên
lớn tới 0,6m. Trong các đá colector chứa dầu hoặc nớc, khoảng đâm xuyên đó giảm đi
hàng chục lần nên chiều sâu nghiên cứu của phơng pháp (n-
) chỉ vào khoảng 0,05m.
e) Phạm vi ứng dụng
Phơng pháp nơtron - gamma đợc sử dụng để phân chia lát cắt địa chất giếng
khoan theo hàm lợng hydro trong các lớp đất đá. Trong các giếng khoan dầu khí, cùng
với GR, phơng pháp nơtron - gamma đóng vai trò nh phơng pháp phóng xạ chuẩn.
Vì phép đo (n-
) nhạy với hàm lợng hydro trong pha lỏng của đá nên nếu đá
bo hoà dầu và nớc thì số đo của phơng pháp nơtron - gamma dùng để tính độ rỗng.
Trong điều kiện thuận lợi (nớc vỉa có độ khoáng hoá cao), phơng pháp nơtron
- gamma dùng để xác định ranh giới dầu-nớc.
Khi nghiên cứu các giếng khoan quặng, phơng pháp nơtron - gamma dùng để

phát hiện các quặng có chứa Mn, Al, Li, B,
Nếu kết hợp với phơng pháp nơtron - nơtron, phơng pháp nơtron - gamma
không chỉ dùng để phát hiện quặng Bor mà còn tích hợp để tính định lợng.
13
2
7
4
6
5
H
ình 5.20. Sơ đồ nguyên tắc của một máy phát nơtron


150
Tổ hợp các phơng pháp nơtron - gamma với phơng pháp gamma - gamma mật
độ để nghiên cứu các giếng khoan than rất có hiệu quả.
Trong nghiên cứu các quặng rắn, phép đo phổ gamma chiếm giữ theo phơng
pháp nơtron - gamma có thể giúp phát hiện một số quặng khác nhau.
5.3.5.2. Phơng pháp nơtron - nơtron
Phơng pháp nơtron - nơtron đợc thực hiện theo nguyên tắc bắn phá môi
trờng nghiên cứu xung quanh giếng khoan bằng một luồng các nơtron nhanh và đo
ghi các nơtron có năng lợng thấp (E
n
< 1 eV), kịp đi tới detector trớc khi có thể bị
một số nguyên tố trong môi trờng chiếm giữ.
Dựa vào mức năng lợng của các nơtron khi chạm tới detector để phép đo đợc
thực hiện ngời ta chia phơng pháp này thành hai biến thể:
- Phơng pháp nơtron - nơtron nhiệt.
- Phơng pháp nơtron- nơtron trên nhiệt.
a) Phơng pháp nơtron - nơtron nhiệt

Trong biến thể này phép đo ghi các nơtron đ ở trạng thái nơtron nhiệt. ở trạng
thái năng lợng nhiệt, các nơtron có đặc tính ít thay đổi năng lợng và khuyếch tán lan
toả trong môi trờng đất đá cho đến khi bị bắt giữ.
Sơ đồ nguyên tắc khi tiến hành đo nơtron - nơtron nhiệt gần giống nh sơ đồ đo
nơtron - gamma (Hình 5.18). Một khác biệt cơ bản ở đây là detector D chỉ đếm các
nơtron nhiệt mà không đếm các lợng tử gamma chiếm giữ. Để có đợc điều kiện đó,
ngời ta có hai việc cần làm: Một là chọn khoảng cách từ nguồn đến detector (L
n-n
) nhỏ
hơn khi đo nơtron - gamma (L
n-n
< L
n-

). Hai là, trên thành ống đếm có quét một lớp
parafil tẩm bột bor, bên trong chứa khí Helium (
3
He). Nguyên tố đồng vị
He
3
1
có tiết
diện bắt giữ nơtron nhiệt rất lớn nhng lại không bắt giữ nơtron đang ở mức năng
lợng cao. Mỗi nơtron nhiệt lọt vào detector sẽ sinh ra một hạt

theo phản ứng:
)(
4
1
1

0
3
1

HenHe + . Hạt sẽ ion hoá chất khí trong detector và làm cho nó hoạt động để
phép đo nơtron nhiệt đợc thực hiện.
Hydro có vai trò chính trong quá trình làm chậm các nơtron nhanh. Do đó, sự
thay đổi mật độ các nơtron nhiệt theo khoảng cách từ nguồn S đến detector D sẽ thể
hiện sự thay đổi hàm lợng hydro trong môi trờng. ở khoảng gần nguồn, mật độ
nơtron nhiệt tỷ lệ với hàm lợng hydro có trong đất đá, còn ở khoảng xa thì ngợc lại,
nghĩa là có một vùng mà ở đó mật độ nơtron nhiệt sẽ không khác nhau giữa môi trờng
giàu và nghèo hydro.
Trong thực tế, ngời ta chọn chiều dài L
n-n
40cm (rơi vào vùng xa) để đo
nơtron - nơtron nhiệt. Với chiều dài Zond đo nh vậy, nếu trong môi trờng không có
các nguyên tố có tiết diện bắt giữ nơtron lớn nh: B, Li, Cl, thì số đo nơtron - nơtron
nhiệt sẽ có giá trị thấp ở các lớp đá có hàm lợng hydro cao và ngợc lại.

151
Tuy nhiên, cần để ý là mật độ nơtron nhiệt trong môi trờng không chỉ phụ
thuộc vào hàm lợng hydro mà còn chịu ảnh hởng của độ khoáng hoá nớc vỉa, vì các
muối khoáng thờng chứa Clore là nguyên tố có tiết diện bắt giữ nơtron cao, gấp trăm
lần lớn hơn hydro. Nhng nói chung, ở các trờng hợp nớc vỉa có độ khoáng hoá thấp
thì nguyên tố Clore và một số nguyên tố khác lại có vai trò rất thứ yếu trong quá trình
làm chậm các nơtron nhanh, thành thử chúng không ảnh hởng nhiều đến mật độ
nơtron nhiệt.
Nói chung, số đo nơtron - nơtron nhiệt trong giếng khoan chịu ảnh hởng của
đất đá và cả của đờng kình giếng khoan. Vì vậy, khi sử dụng số đo này phải hiệu
chỉnh để loại trừ ảnh hởng đờng kính và dung dịch khoan.

b) Phơng pháp nơtron - nơtron trên nhiệt
Các nơtron có năng lợng trong khoảng 0,1<E
n
<100eV trong kỹ thuật gọi là
những nơtron trên nhiệt. Phơng pháp nơtron trên nhiệt là phơng pháp đo mật độ các
nơtron trong vùng năng lợng đó ở môi trờng nghiên cứu.
Phép đo ghi các nơtron trên nhiệt có nhiều u điểm hơn các phơng pháp nơtron
- gamma hoặc nơtron - nơtron nhiệt. Kết quả các phép đo ít phụ thuộc vào sự có mặt
các nguyên tố có tiết diện bắt giữ lớn nh clore. Tiết diện bắt giữ của clore đối với các
nơtron trên nhiệt không khác nhiều so với tiết diện bắt giữ của các nguyên tố khác đối
với chúng, cho nên phơng pháp này không nhạy với độ khoáng hoá của nớc vỉa và
dung dịch khoan mà chỉ phụ thuộc vào hàm lợng hydro trong các lớp đất đá ở thành
giếng khoan. Điều đó cho ta khả năng tính độ rỗng của đá chứa theo kết quả đo nơtron
- nơtron trên nhiệt bao giờ cũng có độ chính xác cao hơn.
Mật độ các nơtron trên nhiệt trong môi trờng nghiên cứu chỉ chịu ảnh hởng
bởi tính chất bắt giữ của môi trờng khi trong môi trờng đó có chứa các nguyên tố có
tiết diện bắt giữ lớn đối với nơtron trên nhiệt nh: Li, B, Mn, Co, Ag, Cs, Ir, Au, Hg,
Nhng thông thờng các nguyên tố này có hàm lợng không đáng kể trong các đá,
trong khi đó mật độ nơtron trên nhiệt trong môi trờng lại rất nhạy với hàm lợng
hydro trong pha lỏng của đá chứa.
Sơ đồ đo nơtron - nơtron trên nhiệt có nguyên tắc giống nh khi đo nơtron -
nơtron nhiệt, chỉ khác phép đo ở đây dùng detector chỉ đếm các nơtron trên nhiệt.
Khi đo nơtron trên nhiệt ta cũng có thể dùng các ống đếm chứa khí hay ống đếm
nhấp nháy nhng phải làm cho các ống đếm chỉ nhạy với các nơtron trên nhiệt. Trong
kỹ thuật, ngời ta giải quyết các vấn đề này theo cách sau: Dùng các màn chắn ở bên
ngoài và bên trong bằng Cadmi (Cd) để cho nguyên tố này bắt giữ hết nơtron nhiệt và
làm giảm bớt năng lợng của các nơtron trên nhiệt để biến thành nơtron nhiệt. Bằng
cách đó, giá trị phép đo chỉ còn nhạy với nơtron trên nhiệt.
Một điều khác nữa giữa hai sơ đồ đo nơtron - nơtron vừa nêu là chiều dài tính từ
nguồn S đến detector D trong máy giếng của phơng pháp nơtron - nơtron trên nhiệt

ngắn hơn trong máy đo nơtron - nơtron nhiệt (L
n-nep
< L
n-nt
).