Giáo trình ĐỊA VẬT LÝ GIẾNG KHOAN - Chương 4 doc

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.

107
Các quá trình xuất hiện thế kích thích ở nhóm này là kiểu phân cực điện cực.

Thế phân cực điện cực phụ thuộc vào từng kim loại khác nhau và nồng độ ion trong
chất điện phân.
Một mẩu kim loại khi nhúng vào dung dịch điện phân nó sẽ có vai trò nh một
điện cực. Trên bề mặt tiếp xúc với dung dịch sẽ có sự cân bằng vật chất mang tính
động học. Một số nguyên tử của điện cực chuyển thành trạng thái ion khi giải phóng
điện tử vào môi trờng dung dịch. Trong khi đó có một lợng các ion tơng đơng từ
dung dịch điện phân chuyển động về phía điện cực. Đây là trạng thái trớc khi có dòng
điện kích thích. Tại thời điểm có dòng điện vuông góc với mặt điện cực, hiệu thế điện
ban đầu sẽ thay đổi do hiệu ứng tích tụ ion từ dung dịch về phía điện cực. ở các phần
bề mặt có dòng điện đi vào và đi ra sẽ làm phân ly chất điện phân. Đối với dung dịch
NaCl, sự phân ly làm xuất hiện các ion Na
+
và Cl
-
. Các bọt khí bám trên bề mặt điện
cực hình thành một pin gavanic có các điện cực khí (Hình 4.11).
Khi xung dòng kích
thích kết thúc, pin gavanic giải
điện và sinh ra trong môi
trờng xung quanh trờng
phân cực kích thích. Vậy là sự
thay đổi điện thế trên mặt tiếp
xúc kim loại/dung dịch do tích
tụ ion trên điện cực cho đến
giá trị cực đại gọi là điện áp
tới hạn. Điện áp tới hạn thể
hiện dới dạng khác là thế
điện kích thích trên mặt tiếp
xúc giữa các phần môi trờng
dẫn điện điện tử và dẫn điện

ion.
Khi trờng điện ngoài bắt đầu suy giảm, điện áp tới hạn có xu hớng hồi phục
trạng thái ban đầu của cân bằng động học. Sự hồi phục này kéo theo sự di chuyển của
các điện tích, nghĩa là có dòng điện - dòng phân cực kích thích.
Đối với dòng phân cực có mật độ thấp, điện thế tới hạn tỷ lệ tuyến tính với mật
độ dòng hiện tợng tuyến tính.
ở một số trờng hợp, các sản phẩm trong dung dịch điện phân tái phản ứng hoá
học với các phân tử dẫn điện theo kiểu phản ứng oxy hoá khử. Các phản ứng này có sự
trao đổi điện tích giữa phần môi trờng giàu oxy và phần môi trờng khử oxy và là lý
do hình thành một hiệu thế kích thích giữa các điểm khác nhau trên bề mặt khoáng vật.
b) Các quá trình xảy ra trên ranh giới các phần môi trờng có độ dẫn điện ion và
không dẫn điện. Mô hình đá chứa là cát sét có hai pha. Pha cứng đợc xem nh không
dẫn điện. Pha lỏng nớc bo hoà có đặc tính dẫn điện ion.
Hiện tợng phân cực kích thích trong trờng hợp này xảy ra không đồng đều giữa các
đá có độ sét khác nhau làm cho nớc trong lỗ rỗng cũng đồng thời chịu một áp lực
cùng chiều với dòng điện và lớp điện kép thì bị biến dạng, môi trờng bị phân cực
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+

+
+
-
-
-
-
-
-
-
-








e

+
Khối chất dẫn điện
điện tử
Dun
g
dịch điện phân
H
+
Cl
-

H
ình 4.11: Khối chất dẫn điện điện tử
trong dung dịch điện phân

108
khối.
ở
thời điểm kết thúc xung dòng kích thích lớp điện kép có xu hớng trở về trạng
thái cân bằng (các cation dịch chuyển ngợc lại vị trí ban đầu) nớc trong lỗ rỗng thoát
khỏi áp lực, chuyển động theo chiều ngợc lại, các cation dịch chuyển theo hớng của
dòng nớc. Quá trình dịch chuyển của các cation làm xuất hiện thế phân cực kích thích. ở
trờng hợp này thế điện phân cực kích thích có bản chất của thế điện thấm lọc và môi
trờng nghiên cứu bị phân cực khối.
Trong các đá sạch, không có sét, sự xuất hiện thế phân cực kích thích là biểu
hiện của quá trình điện động lực trong hệ thống kênh rỗng. Trong các kênh rỗng thông
nối của đá hạt vụn, hiện tợng
điện động lực tạo ra trờng điện
phụ thuộc vào độ lớn và dấu của
thế zeta.
ở
thành ống mao
quản trong đá là các khoáng vật
không dẫn điện hấp phụ có chọn
lọc các ion, phổ biến là các
anion. Hiện tợng đó dẫn đến kết
quả là trên thành ống mao quản
xuất hiện lớp điện kép. Các anion
bị giữ chặt hơn, còn các cation
chỉ bị hút bởi lực tĩnh điện giữa
các ion nên chúng có khả năng

linh động hơn. Dới điện áp của
trờng điện gây kích thích, các
cation dễ dàng di chuyển về phía
điện cực âm (Hình 4.12).
Do đặc điểm của quá trình điện động lực (điện thấm lọc) diễn ra nh vừa nêu
trên nên thành phần này của thế trờng điện phân cực kích thích sẽ cao ở phần môi
trờng có tiết diện lỗ rỗng nhỏ và thấp ở phần môi trờng nghiên cứu có tiết diện lỗ
rỗng lớn, nghĩa là nó tỷ lệ nghịch với độ lỗ rỗng của môi trờng.
Dới tác dụng của dòng điện kích thích, thế điện phân cực kích thích cũng phụ
thuộc vào nồng độ khoáng hoá của nớc vỉa. Khi ngắt dòng kích thích, dới tác dụng
của áp lực thẩm thấu, nồng độ khoáng hoá của dung dịch cũng có vai trò trong quá
trình hình thành lực điện động học kích thích do đặc điểm kích thích. Quá trình hình
thành điện thế kích thích theo cách này đợc gọi là phân cực nồng độ.
Trong các đá có chứa sét, theo thực nghiệm thì vai trò chính của sự hình thành
thế phân cực kích thích lại ở lớp màng sét trên thành lỗ rỗng hay bao trên mặt của hạt
đá. Độ lớn của thế phân cực kích thích phụ thuộc khá phức tạp vào điện trở suất của
nớc vỉa bo hoà, hàm lợng và loại sét và vào phần cation phụ trội chứa trong sét.
Hiện tợng phân cực kích thích trong các đá cát sét có thể xem nh là quá trình
thẩm tách điện (electrical dialisic)
1
để giữ lại sét bằng màng bán thấm là hạt đá.
Trờng điện đợc hình thành có thể đ giữ lại một phần trong số các ion trao đổi của
sét (cation) làm thay đổi nồng độ của chúng, nghĩa là hiện tợng phân loại các ion.


1. Thẩm tách điện là cách làm sạch chất rắn bằng một chất điện phân hay ngợc lại nhờ một dòng bán thấm chỉ
cho chất điện phân đi qua và giữ lại chất rắn. Quá trình làm sạch sẽ nhanh hơn nhờ tác dụng của dòng điện
+

H

ình 4.12: Sự di chuyển của cation dới
đi
ệ
n á
p
kích thích
+

+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+

+
+
+
+

109
Khi dòng điện ngoài chấm dứt, các ion trao đổi lại tái phân bổ trên màng sét và
sinh ra gradien nồng độ làm xuất hiện thế phân cực kích thích. Vậy có thể nói rằng trị
số phân cực giảm khi tăng nồng độ ion của chất điện phân. Các đá cát sét bo hoà nớc
thì sẽ có hiệu ứng thấp.
Trong tự nhiên ta có thể gặp các trờng hợp môi trờng có tất cả các điều kiện
bề mặt tiếp xúc giữa các bộ phận dẫn điện ion, điện tử và cách điện (các đá lục nguyên
và cacbonat có chứa pyrit dới dạng xâm tán, bo hoà nớc khoáng hoá cao), dòng
dẫn trong môi trờng, vì vậy đồng thời có tất cả hiệu ứng dẫn ion và dẫn điện điện tử.
Trong điều kiện đó, hiệu ứng toàn phần sẽ là tổng của các thế điện hình thành từ
các hiện tợng vừa nêu trên.
4.2.2. Đo thế điện phân cực kích thích trong giếng khoan
1. Sơ đồ nguyên tắc
Hình vẽ 4.13 là sơ đồ nguyên tắc đo thế điện phân cực kích thích

U
PP
trong
giếng khoan.
Trong sơ đồ đo
U
PP
sử dụng một hệ điện cực A
1
MA

2
. Các điện cực phát A
1
và
A
2
nối thông nhau, điện cực M đặt chính giữa để tránh bị kích thích khi phát dòng I
PP
.
Điện cực B đặt cách xa hệ A
1
MA
2
một khoảng cách đủ lớn để tránh nhiễu cảm ứng khi
đo. Nhờ bộ chuyển mạch P, mạch đo thế
U
PP
và mạch phát AB làm việc theo chế độ
luân chuyển (mạch này mở, mạch kia đóng) còn mạch đo điện trở R
a
thì làm việc đồng
H
ình 4.13. Sơ đồ đo U
P
P


U
PP
R

a
m
A
CP
Cm Cc Rh
B
A
2
M
A
1
N
P
E

110
bộ với mạch AB. Với sơ đồ ở hình 4.13 ta đồng thời đo thế phân cực kích thích

U
PP
và
điện trở suất biểu kiến R
a
.
Cờng độ dòng phát kích thích đợc duy trì ổn định và đủ lớn để ảnh hởng của
thế tự phân cực SP là không đáng kể.
2. Các đờng cong đo ghi thế

U
PP

Nghiên cứu thế điện phân cực kích thích trong giếng khoan ngời ta có thể chọn
một trong các quan hệ phụ thuộc hàm số của giá trị đo

U
PP
với cờng độ dòng phát I,
thời gian trễ tính từ thời điểm kết thúc dòng phát hoặc mật độ dòng (j) hay chọn cả ba
tham số trên cho phù hợp với đối tợng nghiên cứu.

U
PP
= f(I)
U
PP
= f() (4.25)

U
PP
=

(j)
Việc lựa chọn một trong các tham số hay chọn cả ba tham số phụ thuộc vào đối
tợng nghiên cứu.
Các quá trình phân cực trên bề mặt tiếp xúc giữa các thành phần dẫn điện điện
tử và dẫn điện ion gặp ở các đối tợng nghiên cứu là đới quặng hoá (sulfua, oxit), vỉa
than biến chất cao (antraxit).
Quá trình phân cực kích thích trên ranh giới tiếp xúc giữa phần dẫn điện ion và
phần không dẫn điện hay gặp ở các loại đá chứa cacbonat và đá móng nứt nẻ không có
quặng hoá kim loại.

3) Thế phân cực kích thích
Cùng môt giá trị dòng phát kích thích không đổi khi tiến hành đo phân cực kích
thích nhng trờng điện kích thích thay đổi theo điện trở suất của môi trờng. Thế
phân cực kích thích thì phụ thuộc vào cờng độ của trờng kích thích nên số đo
U
PP

chịu ảnh hởng của điện trở suất của vỉa nghiên cứu. Vì thế trong các đá có điện trở
cao, các đờng cong đo thế phân cực, về mặt định tính có dạng tơng tự nh đờng
cong đo điện trở suất biểu kiến và rõ ràng nh vậy không cho thêm thông tin gì trong
phân tích địa chất.
Các ảnh hởng của điện trở suất có thể bị hạn chế đi rất nhiều nếu ta đo giá trị
hệ số tơng đối
1
của thế phân cực kích thích

PP
sau đây:
)26.4(
a
R
PP
PP
U
U


=

Trong đó:


1. Hệ số tơng đối

PP
còn có tên gọi khác là: hệ số phân cực kích thích

111

U
PP
- thế điện phân cực kích thích.

U
Ra
- thế điện giữa hai điện cực thu M và N khi có dòng phát trong môi
trờng. Đại lợng này tơng ứng với tín hiệu đo điện trở suất biểu kiến.
Hệ số phân cực kích thích tơng đối

PP
sẽ không còn chịu ảnh hởng do sự
thay đổi điện trở của môi trờng xung quanh giếng khoan. Vì thế, nó thuận tiện hơn
thế phân cực kích thích khi nghiên cứu lát cắt giếng khoan thăm dò các đới quặng hoá.
Khi gặp các đới quặng hoá, trên đờng cong

PP
có dị thờng lớn hơn đờng cong U
PP

rất nhiều vì ở đó, giá trị

U
Ra
rất nhỏ.
4. Phạm vi ứng dụng của phơng pháp phân cực kích thích
Phơng pháp thế điện phân cực kích thích là một trong các phơng pháp nghiên
cứu các giếng khoan tìm kiếm thăm dò các quặng rắn và than. Kết quả đo phân cực
kích thích đặc biệt có hiệu quả cao ở các trờng hợp nghiên cứu quặng sulfua đa kim
và than biến chất cao. Các đới quặng hoá hay gặp trong đá xâm nhập và đá biến chất là
các đá có điện trở suất cao nên có thể ảnh hởng đến kết quả đo

U
PP
. Trong trờng
hợp đới quặng giàu hoặc xâm tán thì biện pháp đo hệ số

PP
sẽ có kết quả rõ ràng hơn.
Còn một lĩnh vực khá hấp dẫn khi áp dụng phơng pháp phân cực kích thích để
giải quyết các bài toán tìm kiếm nớc dới đất và về nguyên tắc có thể dựa vào kết quả
đo phân cực kích thích để xác định độ thấm của tầng chứa nớc.