Giáo trình ĐỊA VẬT LÝ GIẾNG KHOAN - Chương 1 pptx

5
Mở đầu

ịa vật lý giếng khoan (ĐVLGK) là một lĩnh vực của địa vật lý ứng dụng bao
gồm việc sử dụng nhiều phơng pháp vật lý hiện đại nghiên cứu vật chất để
khảo sát lát cắt địa chất ở thành giếng khoan nhằm phát hiện và đánh giá các khoáng sản
có ích, thu thập các thông tin về vận hành khai thác mỏ và về trạng thái kỹ thuật của
giếng khoan.
Việc ứng dụng các phơng vật lý để nghiên cứu lát cắt địa chất giếng khoan qua
các thời kỳ và từng đối tợng khác nhau đ từng có những tên gọi khác nhau. Những
năm 1960 về trớc lĩnh vực này đợc gọi bằng cái tên Carota. Thuật ngữ này có gốc
từ tiếng Pháp: Carottage xuất phát từ Carotté nghĩa là mẫu lõi khoan, hay cũng có
nghĩa là củ cà rốt. Trong hệ thống Anh ngữ các phơng pháp Địa vật lý giếng khoan
đợc gọi bằng thuật ngữ Log, Logging - có nghĩa là đo vẽ liên tục một tham số vật lý
theo trục giếng khoan, chẳng hạn Log điện trở, Log siêu âm, Log nhiệt độ
Với tốc độ phát triển nh vũ bo hiện nay của khoa học công nghệ, Địa vật lý
giếng khoan này càng phong phú về số phơng pháp, hiện đại về công nghệ và sâu sắc
về nội dung khoa học. Trong sự phát triển nhanh chóng đó có một đặc điểm dễ nhận
thấy là từ nghiên cứu lý thuyết đến triển khai công nghệ là một khoảng cách rất ngắn,
dờng nh những ý tởng khoa học hôm nay thì ngày mai đ trở thành công nghệ áp
dụng trong sản xuất.
ở
Việt Nam các phơng pháp địa vật lý giếng khoan đ đợc ứng dụng để
nghiên cứu các lỗ khoan than từ cuối những năm 50 đầu những năm 60 của thế kỷ vừa
qua khi Liên Xô và các nớc XHCN anh em lúc bấy giờ đ bắt đầu giúp chúng ta đẩy
mạnh công tác điều tra địa chất ở miền Bắc.
Từ những thời gian đó ở sản xuất những ngời làm công tác địa vật lý của Việt
Nam đ quen với thuật ngữ Carota để chỉ một loại hình công việc đo địa vật lý trong
các lỗ khoan thăm dò than và tìm kiếm các khoáng sản có ích khác.
Bắt đầu sang thập kỷ 80 khi công tác đo địa vật lý trong các giếng khoan thăm

dò và khai thác dầu khí phát triển nhanh cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp
dầu khí non trẻ ở Việt Nam. Từ đó trong ngành dấu khí quen với việc dùng thuật ngữ
Địa vật lý giếng khoan để chỉ các loại hình công việc nghiên cứu giếng khoan thăm dò
và khai thác dầu khí bằng các phơng pháp địa vật lý thay cho thuật ngữ Carota không
còn đủ để bao quát hết các nội dung của hoạt động này.
Trong tình hình đó ở chúng ta song song tồn tại hai từ: Carota và Địa vật lý giếng
khoan, cùng để chỉ công tác đo vẽ địa vật lý ở dới mặt đất, một trong lĩnh vực thăm dò
than, quặng và nớc dới đất, và một trong lĩnh vực thăm dò khai thác dầu khí.
Về máy móc trang thiết bị trong địa vật lý giếng khoan cũng đang có nhiều thay
đổi nhờ có những tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ điện tử và tự động hoá. Ngày
càng nhiều các máy thiệt bị đo địa vật lý trong giếng khoan đợc cải tiến, xuất hiện
mới rồi lại tiếp tục cải tiến, xuất hiện mới, Có tác giả đ nhận xét: Trên thế giới cứ
Đ

6
sau 5 năm thì một thế hệ máy mới đ ra đời và gần thay thế hoàn toàn các máy móc
của thế hệ trớc đó, lại cũng có ý kiến cho rằng: thậm chí còn sớm hơn!
ở
Việt Nam tuy sự thay đổi về trang thiết bị trong các cơ sở sản xuất, Viện
nghiên cứu và các Trờng đại học cha đến mức nhanh nh vậy những rõ ràng 10 năm
trở lại đây các thế hệ máy Địa vật lý giếng khoan mới đ thay thế hoàn toàn các máy
móc thiết bị cũ kỹ trớc đây, đặc biệt là trong ngành công nghiệp dầu khí.
Cùng với những thay đổi đó ở nớc ta đội ngũ những ngời làm công tác địa vật
lý giếng khoan ngày càng đông đảo, những ngời có sử dụng các tài liệu đo vẽ địa vật lý
giếng khoan và quan tâm đến lĩnh vực khoa học công nghệ này ngày càng nhiều hơn.
Sau nhiều năm giảng dạy ở trờng đại học và công tác trong ngành dầu khí các
tác giả quyết định biên soạn giáo trình này. Giáo trình sẽ là một tài liệu phục vụ giảng
dạy ở các trờng đại học có đào tạo chuyên ngành kỹ s địa vật lý thăm dò, kỹ s địa
chất dầu khí. Ngoài ra giáo trình này sẽ là tài liệu tham khảo tốt cho các kỹ s địa vật
lý và kỹ s địa chất dầu khí đang làm việc tại các cơ sở sản xuất, viện nghiên cứi và các

đơn vị có sử dụng tài liệu đo địa vật lý giếng khoan.
Giáo trình chia làm hai phần. Phần thứ nhất là nội dung chính dạy ở trờng đại
học trong đó giới thiệu nội dụng các phơng pháp đo địa vật lý giếng khoan, chú trọng
cơ sở vật lý - địa chất, nguyên lý đo vẽ thu thập tài liệu gợi ý phạm vi ứng dụng của các
phơng pháp. Trong giáo trình không chú trọng mô tả các máy móc thiết bị đo Địa vật
lý giếng khoan mà trong mỗi phơng pháp hay nhóm phơng pháp chỉ trình bày
nguyên lý hoạt động của máy và sơ đồ khối của các máy đó.
Phần thứ hai của giáo trình sẽ đợc trình bày nh các tài liệu chuyên khoa về
phân tích địa chất các tài liệu địa vật lý giếng khoan theo từng chuyên đề (nghiên cứu
địa tầng, môi trờng địa chất, cấu kiến trúc của đá chứa, xác định thành phần vật chất,
tính toán trữ lợng mỏ dầu khí và các mỏ khoáng sản rắn, các phần mềm phân tích tài
liệu Địa vật lý giếng khoan ) đáp ứng các yêu cầu tìm hiểu sâu về Địa vật lý giếng
khoan của các kỹ s đang công tác trong ngành dầu khí và các ngành có liên quan.
Chúng tôi cho rằng việc biên soạn một giáo trình chuyên ngành Địa vật lý giếng
khoan, một sự thu nhỏ của ngành địa vật lý ứng dụng trong các giếng khoan không phải
là việc làm dễ dàng do tính đa ngành và phát triển nhanh chóng của nó. Chắc chắn trong
lần biên soạn đầu tiên này không thể tránh khỏi những thiếu sót về nội dung, thuật ngữ
và sắp xếp các phần của giáo trình mong đợc các đồng nghiệp đóng góp ý kiến.
Các tác giả bày tỏ lòng cảm ơn đối với các đồng nghiệp ở trờng Đại học Mỏ -
Địa chất và ở Vietsovpetro đ cho nhiều ý kiến đóng góp trong quá trình biên soạn giáo
trình này, đặc biệt xin cảm ơn kỹ s Nguyễn Trung Quân ở trờng Đại học Mỏ - Địa
chất và các kỹ s ở Xí nghiệp Địa vật lý giếng khoan Vietsovpetro đ góp nhiều
công sức trong việc trình bày và soạn thảo để kịp cho in phần thứ nhất của giáo trình.
Các tác giả.

7
Chơng 1
Đối tợng và các tham số nghiên cứu

1.1. Đối tợng nghiên cứu

Đối tợng nghiên cứu của địa vật lý giếng khoan là các giếng khoan tìm kiếm thăm
dò, khai thác các khoáng sản có ích: Than, dầu khí, các loại quặng và nớc dới đất.
Giếng khoan là một công trình tìm kiếm thăm dò hoặc khai thác. Loại công
trình này đợc tạo bằng phơng pháp cơ học - phơng pháp khoan giếng, nhằm mục
đích lấy mẫu đất đá, tạo ra một vết lộ địa chất còn tơi, cha bị phong hoá, hoặc để
khai thác các chất lu nh dầu khí, nớc dới đất, nớc nóng có chứa năng lợng nhiệt.
Thông thờng việc lấy mẫu lõi khoan khó thực hiện đợc tốt và giá thành cao,
trạng thái kỹ thuật và độ ổn định của công trình phụ thuộc vào nhiều yếu tố kỹ thuật và
địa chất. Để thay thế cho việc lấy mẫu lõi, xác định trạng thái kỹ thuật và theo dõi độ
ổn định của các giếng khoan, ngời ta khai thác triệt để các thông tin địa chất và kỹ
thuật trên vết lộ địa chất (lát cắt địa chất trên thành giếng khoan) của công trình. Ưu
điểm của vết lộ địa chất này là ở chỗ nó còn tơi nguyên, cha bị phong hoá lại
xuyên cắt mọi lớp đất đá tới chiều sâu đáy giếng.
Việc khai thác các thông tin địa chất và kỹ thuật trên vết lộ địa chất ở thành
giếng khoan đợc thực hiện bằng các phơng pháp vật lý, hoá học. Nhờ các phơng
pháp này ta có thể xác định đợc thành phần vật chất ở các lớp đất đá trong lát cắt, trạng
thái kỹ thuật và độ ổn định của công trình tại chiều sâu bất kỳ ở thời điểm cần thiết.
Xác định thành phần vật chất, xây dựng lát cắt địa chất ở thành giếng khoan,
xác định trạng thái kỹ thuật và độ ổn định của công trình, đánh giá hiệu suất khai thác
của giếng là mục đích của địa vật lý giếng khoan.
1.2. Phân loại đá theo thành phần, điều kiện thành tạo và các đặc trng vật
lý thạch học
Đá là những tập hợp có quy luật của những khoáng vật tạo thành những thể địa
chất độc lập ở vỏ Quả đất. Thể địa chất độc lập ở đây là nói đến những sản phẩm đặc
trng của một quá trình địa chất nhất định. Vậy đá phải là kết quả của một quá trình
địa chất nào đó chứ không phải là một tập hợp ngẫu nhiên các khoáng vật hay các
nguyên tố.
Trong địa chất học thờng dựa vào nguồn gốc của đá để phân loại chúng, vì
nguồn gốc thể hiện rất rõ trên các đặc trng vật lý, hoá học, cơ học của đá. Theo nguồn
gốc sinh thành của đá, ngời ta phân đá ở vỏ Quả đất thành 3 nhóm: macma, trầm tích

và biến chất; mỗi nhóm có những đặc trng riêng nhng khi nghiên cứu chúng đều cần
làm rõ ba vấn đề:

8
1. Thế nằm của đá và quan hệ của nó với các đá khác xung quanh, nghĩa là đá
gặp trong tự nhiên nh thế nào?
2. Kiến trúc và cấu tạo của đá, tức là các phần tử hợp thành đá đợc sắp xếp ra sao?
3. Thành phần khoáng vật và hoá học của đá?
Ba vấn đề vừa nêu chứa đựng các thông tin về địa tầng, kiến tạo, môi trờng địa
chất, tiềm năng khoáng sản có ích (quặng, than, dầu khí ).
Địa vật lý giếng khoan trong nghiên cứu dầu khí có đối tợng chủ yếu là đá
trầm tích. Khi phân tích tài liệu địa vật lý giếng khoan, mô hình đá đợc xem là môi
trờng có lỗ rỗng cấu tạo từ 3 pha: Cứng, lỏng và khí. Pha cứng bao gồm xơng đá
(matrix) là những hạt khoáng vật tạo đá, xi măng gắn kết thờng là sét, cacbonat ; pha
lỏng bao gồm nớc, dầu; pha khí bao gồm các khí hydrocacbon, khí CO
2
, H
2
S, N
2

Cũng có một mô hình đơn giản bao gồm hai thành phần: matrix và sét; trong không
gian, lỗ rỗng của đá đợc lấp đầy chất lu (dầu, khí, nớc). Hai thành phần cấu thành
pha cứng của đá (matrix và sét) có ảnh hởng rất khác nhau không chỉ lên các phép đo
địa vật lý, mà lên các tính chất vật lý thạch học của đá chứa (độ thấm, độ bo hoà ).
Sét trong nhiều trờng hợp đợc phân biệt: sét nén (shale), hạt sét xâm tán trong đá ở
dạng cấu trúc (clay), bột sét (silt) là các hạt mịn có kích thớc 1/16 - 1/256 mm.
Matrix:
Trong phân tích tài liệu matrix đợc hiểu là bao gồm mọi thành phần
cứng của đá (các hạt, matrix, xi măng) không kể sét. Đá đơn khoáng là đá có matrix

chỉ bao gồm một loại khoáng vật (ví dụ nh canxit, thạch anh ). Đá đa khoáng trong
matrix bao gồm nhiều khoáng vật, ví dụ xi măng trong đá có thành phần và bản chất
khác với các hạt vụn (cát thạch anh có xi măng gắn kết là canxit).
Thành hệ sạch là thành hệ không chứa các hạt sét hay sét nén quá hàm lợng
cho phép (< 5%). Giới hạn hàm lợng sét đó phân biệt tên thành hệ (Đá) là sạch hay
cát sét.
Các phụ lục 1.1a và 1.1b là tập hợp các đặc trng vật lý (phóng xạ, điện trở, chỉ số
hydro, mật độ khối, tốc độ sóng đàn hồi ) của một số khoáng vật chính thờng gặp trong
đá trầm tích.
Sét:
Phân biệt sét nén, hạt sét xâm tán và bột sét.
- Sét nén (shale). Sét nén hay đá phiến sét có cấu tạo phân phiến phát sinh trong
các loại đá sét bị biến đổi dới tác dụng của áp suất. Trong đá cát sét, sét nén thờng
có cấu tạo lớp mỏng, có chiều dày < 0,5 mm, song song cới mặt phân lớp. Thành phần
khoáng vật của sét nén có tới 50% bột sét, 35% hạt sét hay hạt mịn mica và 15% là các
khoáng vật tại sinh.
- Sét xâm tán (clay) là các hạt mịn có đờng kính không quá 1/256 mm, có
nguồn gốc tại sinh hoặc thứ sinh, trộn lẫn hay bám trên các hạt khoáng vật tha sinh.
- Bột sét (silt) là những mảnh đá hay những hạt có đờng kính trong khoảng tử
1/256 - 1/16 mm, chứa nhiều hạt sét với hàm lợng cao và chứa thạch anh, felspat và
các khoáng vật khác nh mica, zircon, apatit, turmalin

9
Vậy là thuật ngữ sét trong phân tích địa vật lý giếng khoan có phần không hoàn
toàn giống với các thuật ngữ thờng dùng trong địa chất.
Trong địa vật lý thuật ngữ phiến sét (shale) để chỉ các lớp đá sét có trên 95% là
hạt khoáng vật sét đợc gắn kết nhờ nén ép, có cấu tạo phân phiến. Trong đá chứa cát
sét, sét nén (shale) chỉ các lớp màng sét có chiều dày < 0,5 mm nằm xen kẹp trong các
lớp cát. Sét nén là một dạng tồn tại của sét trong đá cát sét (sét phân lớp mỏng).
Màng sét, hay sét xâm tán (clay) là các hạt sét có đờng kính nhỏ hơn 1/256

mm, lấp đầy hay một phần lỗ rỗng của đá hoặc bám trên thành các khe lỗ rỗng nh
màng sét bọc lấy các hạt cứng. Dạng sét xâm tán làm thay đổi đặc điểm thấm chứa (độ
rỗng, độ thấm) của đá mạnh hơn các dạng tồn tại khác của sét.
Bảng 1.2. Đặc trng của các khoáng vật sét
Do khả năng hấp
phụ của các hạt sét nên
sét thờng ngậm các ôxit
nhôm, mangan, sắt và
các chất hữu cơ. Sét có
đặc tính chịu uốn dẻo,
đàn hồi và không thấm,
có kiến trúc ô mạng.
Các ô mạng tinh
thể của sét có chiều dày,
phân bố không gian và
ngậm hydro và nớc
khác nhau tuỳ từng loại.
Sét xâm tán ngậm hydro
cao hơn sét nén. Hydro
có trong: a) Các ion
hydroxit trong các phân
Kích thớc các tinh thể sét
Khả năn
g
hấp ph
ụ
của sét
(
méq./100
g)

H
ình 1.1. Sơ đồ cấu trúc ô mạng của một số loại sét
Nhóm
Các khoáng vật sét
Công thứcTên
Kích
thớc

0
A
% K
Khối
lợng
riêng

(g/cm
3
)
Chỉ
số
H

(%)

10
tử khoáng vật sét; b) Trên bề mặt (lớp nớc màng) của hạt khoáng vật sét; c) Nớc
trong không gian giữa các màng tinh thể của sét.
Lợng nớc tự do trong sét thay đổi phụ thuộc độ nén ép lên các mạng tinh thể
của sét.

Các đặc điểm vừa nêu của sét nói lên rằng thành phần khoáng vật này trong đá
có ảnh hởng rất mạnh mẽ lên các thông số vật lý đo đợc trong giếng khoan.
Lu chất
Trong không gian rỗng giữa các hạt vụn của đá đợc lấp đầy chất lu
(nớc, dầu, không khí, các khí tự nhiên ). Vậy có bao nhiêu lu chất có trong đá trớc
hết phụ thuộc không gian rỗng trong đá, tức vào độ lỗ rỗng của đá (Hình 1.2).
Nếu chất lu chứa trong lỗ rỗng của đá là
nớc vỉa thì giữa matrix và nớc bo hoà có đặc
tính dẫn điện hoàn toàn khác nhau. Thờng thì các
khoáng vật tạo đá trong matrix là những khoáng
vật kém dẫn điện, trong khi đó nớc vỉa có độ
khoáng hoá nhất định trở thành chất dẫn điện rất
tốt. Trong môi trờng lỗ rỗng có chứa nớc thì khả
năng dẫn điện của môi trờng đó phụ thuộc chủ
yếu vào nớc và độ khoáng hoá của nớc. Dòng
điện một chiều hay dòng điện tần số thấp chủ yếu
đi trong các kênh lỗ rỗng trong đá.
Đến đây ta thấy kiến trúc không gian lỗ rỗng có ảnh hởng lên khả năng dẫn
điện của đá. Nếu các phần lỗ rỗng trong đá thông nối với nhau theo những kênh thẳng
và rộng thì đá sẽ dẫn điện tốt, ngợc lại các kênh thông nối hẹp lại cong queo thì độ
dẫn điện giảm. Sự khác nhau đó đợc đánh giá bằng một tham số không thứ nguyên
gọi là độ cong kênh rỗng. Độ cong kênh dẫn không chỉ ảnh hởng lên độ dẫn điện mà
còn ảnh hởng lên độ thấm cơ học của đá - độ cong càng lớn thì độ thấm càng kém.
Trong trờng hợp chất lu bo hoà trong không gian lỗ rỗng của đá không chỉ có
nớc vỉa mà còn có hydrocacbon (dầu khí) là các chất không dẫn điện hoặc dẫn điện rất
kém thì điện trở của đá tăng khi lợng nớc trong đá giảm, lợng hydrocacbon tăng.
Trong trờng hợp này, độ dẫn điện của đá là một hàm số của độ bo hoà nớc trong đá đó.
1.3. Đá chứa, các tham số vật lý của đá chứa
Đá chứa ở đây là các đá (hay thành hệ) có lỗ rỗng và có khả năng chứa chất lu
(dầu, khí, nớc) trong không gian rỗng của đá. Các chất lu nh dầu khí chủ yếu là di

chuyển từ nơi khác đến và lấp đầy trong lỗ rỗng của đá chứa. Đá chứa thờng là đá có
độ rỗng và độ thấm cao nh các đá cát, cacbonat và đá móng nứt nẻ.
Đá chứa là cát kết hay cát sét kết, lỗ rỗng chủ yếu là lỗ rỗng giữa hạt (độ rỗng
nguyên sinh) có vai trò quan trọng, còn độ rỗng thứ sinh, nh khe nứt, rửa lũa gặm
mòn là lỗ rỗng ít quan trọng hơn.
Lỗ rỗn
g
H
ạ
t v
ụ
n
Kênh dẫn
H
ình1.2. Độ rỗng giữa hạt của
đá clastic bo hoà chất lu

11
Đá chứa là cacbonat (đá vôi, dolomit) không gian rỗng quan trọng nhất là các
khe nứt nẻ và lỗ gặm mòn hang hốc. Đá cacbonat là loại đá không chịu uốn, nên dễ bị
nứt nẻ dới tác dụng của lực kiến tạo.
Đá chứa là đá macma, nh trờng hợp của mỏ Bạch Hổ và một số mỏ khác ở bể
Cửu Long, thì độ rỗng trong các khe nứt lại là quan trọng. Độ rỗng khe nứt trong đá
macma (hay đá móng nh vẫn quen gọi) có độ mở thông nối rất tốt nên mặc dù có giá
trị độ rỗng thấp mà các thân dầu trong đá móng vẫn cho giá trị khai thác cao. Các khe
nứt trong đá macma đợc hình thành do tác dụng của lực kiến tạo, do bị co ngót khi
nguội, và do phá huỷ phong hoá nếu lộ trên mặt đất.
Độ thấm của đá chứa là một hàm số phức tạp phụ thuộc vào kiến trúc lỗ rỗng
của đá, đặc điểm của chất lu. Độ thấm của đá chứa cát sét phụ thuộc vào độ rỗng, độ
hạt, hàm lợng sét Độ mở hay độ thông nối của kiểu lỗ rỗng khe nứt lớn hơn lỗ rỗng

giữa hạt nên có cùng độ rỗng nhng độ thấm trong các tầng chứa là đá cacbonat và đá
móng bao giờ cũng lớn hơn trong đá cát sét.
1.3.1. Độ rỗng
Định nghĩa: Độ rỗng là tỉ phần không gian không đợc lấp đầy chất rắn trong thể
tích toàn phần của khối đá (hay cũng có thể phát biểu: Tỷ số thể tích của lỗ rỗng với thể
tích của khối đá). Căn cứ vào những đặc điểm riêng ngời ta chia lỗ rỗng ra các loại:
a) Độ rỗng toàn phần (
t
) hay độ rỗng chung là tỷ phần thể tích của tất cả không
gian rỗng (giữa hạt, kênh thông nối, nứt nẻ, hang hốc, bọt ) cộng lại có trong đá.
t
p
t
st
t
v
v
v
vv
=

=
(1.1)
Trong đó:
v
p
: Thể tích của mọi không gian trống trong đá (thông thờng trong v
p
có
chứa dầu, nớc, khí)

v
s
: Thể tích của vật liệu rắn
v
t
: Thể tích toàn phần của khối đá.
Độ rỗng toàn phần gồm 2 phần: Lỗ rỗng nguyên sinh (

1
) và độ lỗ rỗng thứ sinh
(
2
). Độ lỗ rỗng
1
là lỗ rỗng giữa hạt hay giữa các tinh thể, nó phụ thuộc vào kiểu, kích
thớc hạt và cách sắp xếp của các hạt trong pha cứng.

2
là phần lỗ rỗng đợc tạo thành
do các quá trình phát triển của đá, do các lực nén kiến tạo theo các chiều khác nhau, và
còn do quá trình biến đổi của vật chất hữu cơ mà để lại các lỗ hổng.
b) Độ lỗ rỗng thông nối hay lỗ rỗng hở (

thn
) đợc tạo thành từ các phần lỗ
trống có thông nối với nhau. Độ lỗ rỗng thông nối

thn
thờng nhỏ hơn lỗ rỗng toàn
phần

t
bởi có nhiều trờng hợp các bọt rỗng trong đá không thông nối đợc với nhau.
Chẳng hạn đá bọt có độ rỗng
1
vào cỡ 50%, nhng vì các bọt không có kênh thông
nối với nhau nên

thn
= 0.

12
c) Độ lỗ rỗng tiềm năng (

p
) là phần lỗ rỗng hở có đờng kính các kênh thông
nối đủ lớn để cho dòng các chất lu có thể đi qua dễ dàng (lớn hơn 50
à
m đối với dầu,
và 5 àm đối với khí). Độ lỗ rỗng tiềm năng (
p
) đôi khi có giá trị nhỏ hơn độ rỗng hở
(

thn
). Ví dụ các lớp sét có độ rỗng hở rất cao từ 50 - 85% nhng hoàn toàn không có
lỗ rỗng tiềm năng vì lẽ lỗ rỗng và kênh thông nối trong đá sét rất bé, sét lại có đặc
điểm hấp phụ bề mặt cao nên độ thấm rất kém, các lớp sét có vai trò lớp màn chắn.
d) Độ lỗ rỗng hiệu dụng (

ef

) là thuật ngữ đợc sử dụng trong phân tích tài liệu
địa vật lý giếng khoan. Đây là phần lỗ rỗng chứa chất lu tự do trong không gian của lỗ
rỗng hở

thn
hoặc lỗ rỗng

p
, nghĩa là không tính đến phần thể tích của các lớp nớc
bao, nớc hydrat sét (nớc hấp phụ trên bề mặt các hạt sét), nớc tàn d.
Chú ý: Độ rỗng, hay tỷ phần thể tích lỗ rỗng trong đá là đại lợng không thứ
nguyên có thể biểu thị bằng phần trăm (ví dụ 30%), bằng số thập phân (0,3) hay đơn vị
độ rỗng (30 pu).
Các yếu tố địa chất hay môi trờng trầm tích ảnh hởng lên độ rỗng của đá sẽ
đợc đề cập chi tiết ở phần sau của giáo trình này.
1.3.2. Điện trở suất và độ dẫn điện
Điện trở suất (R) của vật chất là số đo đánh giá sự cản dòng điện đi qua chất đó.
Điện trở suất đợc đo bằng đơn vị Ohm.m
2
/m hay Ohm.m (

m). Một khối đá đồng
nhất đẳng hớng có hình lập phơng với kích thớc 1 mét có trở kháng 1

giữa hai
mặt đối diện, sẽ có điện trở suất R = 1m.
Độ dẫn điện (C) là số đo thể hiện khả năng dẫn điện tích của vật chất. Đây là số
nghịch đảo của điện trở suất và biểu thị bằng đơn vị millimho/m (mmho/m) hay mS/m
(millisiemen/metre).
1 (mmho/m) = 1000/R (m) = 1 mS/m

Có hai kiểu dẫn điện là:
- Dẫn điện điện tử: Là đặc tính dẫn điện của các chất rắn nh graphit, các kim
loại (đồng, bạc ), oxit kim loại (hematit), sunfua kim loại (pyrit, galenit ).
- Dẫn điện ion (hay dẫn điện điện môi): Là đặc tính dẫn của các dung dịch, ví
dụ nớc có hoà tan các muối. Các đá khô và không chứa các chất dẫn điện điện tử nêu
trên thì có điện trở rất lớn đến mức gần nh không dẫn điện.
Đặc tính dẫn điện của đá trầm tích chủ yếu là dẫn điện ion vì trong đá trầm tích
thờng xuyên có nớc và phân bố liên tục trong đá.
Điện trở suất của đá phụ thuộc vào:
- Điện trở suất của chất lu trong lỗ rỗng. Điện trở này thay đổi theo bản chất,
nồng độ muối hoà tan trong nớc và nhiệt độ.

13
- Lợng nớc chứa trong đá, nghĩa là phụ thuộc vào độ rỗng và độ bo hoà nớc
của đá.
- Loại đá, ví nh bản chất và sự tồn tại của sét, dấu hiệu của các kim loại dẫn điện.
- Kiến trúc của đá: Phân bố lỗ rỗng, sét và các khoáng vật dẫn điện.
- Nhiệt độ, đặc biệt là các đá có đặc tính dẫn điện ion.
Đá, đặc biệt đá trầm tích, là môi trờng không đẳng hớng về khả năng dẫn
điện cũng nh dẫn dòng thấm. Theo chiều phân lớp (dọc theo các mặt phân lớp), điện
trở suất dọc (R
//
) thờng thấp hơn theo chiều vuông góc (R

). Đặc điểm đó của đá đợc
đánh giá bằng hệ số bất đẳng hớng :
2
1
//
R

R








=


(1.2)
Hệ số

có thể thay đổi trong phạm vi 1,0





2,5. Các phép đo điện trở trong
giếng khoan bằng các thiết bị đo sâu khác nhau (laterolog, cảm ứng) thờng đo đợc
giá trị điện trở suất R:
()
2
1
//
RRR ì=

(1.3)
Bất đẳng hớng trong phạm vi một vỉa đồng nhất đợc xem là bất đẳng hớng vi
mô; khi xét trong phạm vi một tập vỉa hay một đoạn lát cắt trầm tích thì gọi là bất đẳng
hớng vĩ mô. Bất đẳng hớng vĩ mô sẽ ảnh hởng lên mọi giá trị đo của các thiết bị đo
điện trở khác nhau.
Bất đẳng hớng vi mô chỉ thể hiện trong sét và lớp vỏ sét ở thành giếng.
ở
thành
giếng giá trị điện trở đo dọc theo trục giếng khoan thì nhỏ hơn khi đo theo hớng
vuông góc với thành giếng.
ả
nh hởng đó thể hiện lên giá trị đo bằng hệ thiết bị MLL
hoặc PML.
Tóm lại khi gọi là điện trở suất thực (R
t
) của thành hệ là điện trở phụ thuộc vào
hàm lợng chất lu và bản chất cũng nh cấu hình của xơng đá.
Quan hệ phụ thuộc giữa điện trở suất với độ khoáng hoá

Ta có nhận xét rằng điện trở suất của một dung dịch thì phụ thuộc vào nồng độ
và loại muối hoà tan.
Hình 1.3 cho thấy quan hệ phụ thuộc giữa độ dẫn C với nồng độ muối hoà tan
trong dung dịch tính bằng ppm.
ở
nồng độ thấp dới 100.000ppm, quan hệ này là đồng biến. Nhng khi nồng
độ tiếp tục tăng lên thì đờng biểu diễn quan hệ này của các muối khác nhau bắt đầu
chuyển sang quan hệ nghịch biến với những giá trị nồng độ khác nhau. Hiện tợng

14
quan hệ phụ thuộc của độ dẫn vào nồng độ muối hoà tan là đồng biến ở nồng độ thấp

và nghịch biến ở nồng độ cao đợc giải thích là ở nồng độ bo hoà và quá bo hoà, các
ion trong dung dịch mất dần hoạt tính và kém linh động, khả năng dẫn điện của dung dịch
giảm. Các dung dịch muối trong nhóm halogen, KCl và NaCl là các dung dịch có hoạt tính
dẫn điện mạnh hơn CaCl
2
và MgCl
2
và mạnh hơn nhóm sunfat (xem hình 1.3).
Trong điều kiện tự nhiên
muối NaCl vừa có hoạt tính mạnh
vừa có hàm lợng lớn nên trong
nghiên cứu ngời ta thờng đa nồng
độ các muối khoáng của dung dịch
về nồng độ tơng đơng muối NaCl.
Quan hệ phụ thuộc của điện
trở với nhiệt độ
Điện trở suất của dung dịch
giảm khi nhiệt độ tăng. Bản chuẩn ở
hình 1.4 đợc dùng để chuyển đổi
điện trở đo đợc ở nhiệt độ thứ nhất
(T
1
) về điện trở ở nhiệt độ T
2
bất kỳ.

Độ dẫn mMho m
2
/m
Nồn

g
đ
ộ
ppm
H
ình 1.3. Quan hệ giữa độ dẫn và nồng độ
khoán
g
hoá.
Điện trở suất dung dịch (

m)
Nhi
ệ
t đ
ộ

Nồn
g
đ
ộ
NaCl
Hình 1.4. Bản chuẩn quy đổi điện trở suất của dung dịch từ nhiệt độ T
1
và nồng độ C
1
v
ề

điện trở suất ở nhiệt độ T

2
bất kỳ.

15
Cơ sở để xây dựng bản chuẩn ở hình 1.4 là công thức gần đúng của Arps:








+
+
=
77,6T
77,6T
RR
2
1
WTWT
12
(1.4)
khi dùng thang đo
F, và
5,21
5,21
2
1

12
+
+
=
T
T
RR
WTWT
(1.5)
khi dùng thang đo
C.
Trong đó
1
WT
R và
2
WT
R là điện trở suất dung dịch ở thiệt độ T
1
và T
2
.
Điện trở suất của sét

Ngoại trừ một số khoáng vật quặng hay vật liệu bán dẫn nh graphit, pyrit,
hematit và một vài khoáng vật khác, còn lại các khoáng vật khô hầu nh không dẫn điện.
Có một vài khoáng vật bề ngoài dờng nh là vật dẫn điện ở thể rắn, sét là một
thí dụ nh thế. Theo Waxman và Smits (1968), vật liệu trầm tích sét bản thân nó giống
nh một thành hệ sạch có độ rỗng, độ cong kênh dẫn và chất lu bo hoà ngoài nớc,
dờng nh dẫn điện tốt hơn ta tởng do bề mặt khối của nó (hình 1.5a).

Sét giống nh màng rất mỏng nhng có diện tích bề mặt riêng rất lớn, tuỳ từng
loại khoáng vật sét (1.5b).
Có sự thiếu hụt điện tích dơng ở các màng sét. Điều này làm nảy sinh trờng
điện âm vuông góc với bề mặt màng sét, hút các ion dơng (Na
+
, K
+
, Ca
2+
) và đẩy
các ion âm (Cl
-
) có trong nớc. Kết quả của sự trao đổi trung hoà điện tích ấy sẽ hình
thành dung tích hấp phụ cation, thờng ký hiệu bằng CEC (meq/g đá khô) hoặc Q
V

(meq/cm
3
thể tích rỗng toàn phần). CEC quan hệ chặt chẽ với diện tích riêng S
q
của sét
(b)

(a)

H
ình 1.5. Độ dẫn C
0
của đá cát sét phụ thuộc vào độ dẫn của nớc C
W

(a);
Q
uan h
ệ

g
iữa đ
ộ
dẫn m
ặ
t và đ
ộ
rỗn
g
của các lo
ạ
i sét
(
b
)


16
và phụ thuộc vào loại khoáng vật sét. Đại lợng này thấp nhất ở sét caolimit và cao
nhất ở sét montmorilonit và vermiculit.
Sét không chỉ gặp phổ biến ở các vỉa riêng biệt mà còn trộn lẫn trong các đá
khác nh cát kết, đá vôi.
Khi đề cập tới sét trong đá ta có thể xem phần xơng đá là không dẫn điện.
Thành phần sét sẽ đợc tính đến trong tính toán dựa trên các phép đo điện trở (yếu tố
thành hệ, độ lỗ rỗng, độ bo hoà ). ảnh hởng của sét sẽ phụ thuộc vào tỷ phần, tính

chất vật lý và dạng hình tồn tại của sét trong đá.
1.4. Cấu kiến trúc của đá
Các đá trong vỏ Quả đất đều có nguồn gốc và hoàn cảnh sinh thành riêng của
mỗi loại. Nghiên cứu cấu trúc và kiến trúc của đá là một vấn đề hết sức có ý nghĩa
trong thực tế, là mối quan tâm chung của các nhà địa chất và địa vật lý mỏ. Khái niệm
về kiến trúc bao gồm các đặc tính về kích thớc, hình dáng, đặc tính bề mặt và số
lợng tơng đối của các phần tử tạo nên đá. Còn cấu trúc của đá thì phản ánh các đặc
điểm phân bố của các phần tử đó trong đá.
Nói đến kiến trúc là nói đến bản thân các phần tử tạo nên đá, còn nói về cấu trúc
là nói về sự phân bố và mối tơng quan giữa các phần tử tạo đá.
1.4.1. Yếu tố thành hệ - mối liên hệ giữa độ rỗng với điện trở suất
Trong đá cát sạch chứa nớc có điện trở R
W
, khi đó điện trở suất của đá R
0
tỷ lệ
với điện trở R
W
:
R
0
= FR
W
(1.6)
Trong đó hệ số tỷ lệ F có tên gọi là
yếu tố thành hệ
hay tham số độ rỗng:
W
R
R

F
0
= (1.7)
Tham số F là hàm số của kiến trúc đá.
Trong thực tế dòng điện đi qua môi trờng
lỗ rỗng theo các kênh thông nối từ các lỗ rỗng
giữa hạt. Đờng dẫn đó rất phức tạp, phụ thuộc
vào kiến trúc của đá và cấu hình của hệ thống
kênh dẫn nh những mao quản xen chéo và cắt
nhau. Mức độ phức tạp của đờng dẫn trong đá
đợc đánh giá bằng hệ số độ cong kênh dẫn, là tỷ
số giữa chiều dài thực l của kênh dẫn trên chiều
dài l
0
của mẫu đá (hình 1.6).
Với một tập hợp lớn số đo của các mẫu đá
Archie (1942), cho thấy yếu tố thành hệ của đá
cát sét có quan hệ với độ rỗng

theo phơng trình mang tên ông:
l

l
0
H
ình 1.6. Hệ số độ cong 1
0
=
l
l

T

17
m
a
F

= (1.8)
Với a là một hệ số có giá trị thay đổi 0,6 - 2,0 tuỳ từng loại đá; m là hệ số gắn
kết, hay yếu tố độ cong mao quản, m thay đổi trong khoảng từ 1 đến 3, phụ thuộc vào
loại trầm tích, kiểu dạng và đặc điểm phân bố của lỗ rỗng cũng nh độ gắn kết xi măng
của đá. Đối với kiểu lỗ rỗng nứt nẻ ở dạng hẹp không kéo dài thờng lấy m = 1;

=
1
F
Các đá cát kết thạch anh có lỗ rỗng giữa hạt là chính. Công thức Humble thờng
đợc dùng để đánh giá lỗ rỗng trong các trờng hợp này:
15,2
62,0

=F .
Đối với các đá có độ gắn kết tốt,
m
F

=
1
có vẻ thích hợp hơn. Các đá cacbonat
cấu tạo khối độ rỗng thấp thờng phù hợp với công thức Shell:

m
F

=
1
với

+=
019,0
87,1m
.
Bản chuẩn ở hình 1.7 thể hiện sự phụ thuộc của F vào độ rỗng
với các giá trị
của hệ số a và m khác nhau.


Đ
ộ lỗ rỗng (%)
Yếu tố thành hệ F
Hình 1.7. Quan hệ phụ thuộc F với

(theo Schlumberger)


18
Việc đánh giá chính xác các
tham số a và m thờng đợc thực
hiện nhờ một đồ thị dựng trên toạ
độ vuông góc loga kép, của tỷ số
W

R
R
0
(trục tung), và độ rỗng (trục
hoành), lấy từ số đo của phần cát
sạch chứa nớc 100% của tầng sản
phẩm (hình 1.8).
Các giá trị độ rỗng lấy từ các
số đo mẫu lõi hoặc từ số đo của
phơng pháp địa vật lý giếng khoan
khác (ví dụ neutron - density).
Trên hình vẽ đờng đậm nét
đi qua phía tây nam của tập hợp
các điểm hàm ý rằng đờng vạch
này là đờng nớc của thành hệ
(các điểm trên đờng này không có liên quan đến dầu). Trên đồ thị với các giá trị F
1
và
F
2
ta có thể tìm đợc các giá trị

1
và

2
tơng ứng. Từ 2 cặp số (

1
, F

1
) và (

2
, F
2
),
dựa vào (1.8)
m
W
a
F
R
R

==
0
có thể xác định các giá trị m và a nh sau:
12
21
loglog
loglog


=
FF
m (1.9)
và
mm
FFa

2211
== (1.10)
Vậy ta có thể thấy rằng các số đo R
0
(bằng các phép đo sau: LL
d
, lL
d
) hay R
x0

(bằng các vi hệ điện cực) có thể đợc dùng để tính độ lỗ rỗng
nếu biết a và m (dĩ
nhiên khi dùng R
x0
thay cho R
0
thì cũng phải dùng R
mf
thay cho R
W
trong các biểu thức
tính).
Chú ý: Trong trờng hợp vừa xét điện trở suất chỉ phụ thuộc vào độ rỗng có
thông nối

thn
hay độ rỗng hở.

1.4.2. Quan hệ giữa độ bo hoà và điện trở suất - Công thức Archie

Độ bo hoà của một chất lu nào đó trong đá chứa đợc định nghĩa bằng tỷ số
thể tích lỗ rỗng mà chất đó chiếm so với thể tích độ rỗng toàn phần của đá. Nếu chất
lu là nớc vỉa thì đó là độ bo hoà nớc S
W
và tính bằng:
p
W
W
V
V
S =
(1.11)
Hình 1.8. Đồ thị F với

dựng trên toạ độ
loga kép để xác định a và m.


19
Trờng hợp trong lỗ rỗng không có các chất lu khác, V
W
= V
p
, thì S
W
= 1,0;
khi đó đá chứa gọi là đá chứa nớc, tầng chứa nớc (aquifer).
Nếu trong lỗ rỗng có cả các thành phần chất lu khác, nh hydrocacbon (V
hy
)

thì V
W
= V
p
- V
hy
, nên:
p
hyp
p
W
W
V
VV
V
V
S

==
(1.12)
Chú ý: Cũng nh độ rỗng, độ bo hoà là đại lợng không thứ nguyên, có thể
biểu thị độ bo hoà bằng phần trăm (%), bằng số thập phân 0

S
W

1,0.
Trên thế giới có nhiều phòng thí nghiệm thực hiện các phép đo và chỉ ra rằng S
W

có quan hệ với điện trở suất theo phơng trình có dạng:
t
n
W
R
R
S
0
= (1.13)
Trong đó:
R
0
là điện trở của đá có độ rỗng hiệu dụng

ef
, chứa bo hoà 100% nớc
có điện trở R
W
.
R
t
là điện trở suất thực của chính đá đó có bo hoà cả nớc và
hydrocacbon (bo hoà nớc S
W
, bo hoà hydrocacbon S
h
= 1 - S
W
)
n là số mũ bo hoà, đợc xác định bằng thực nghiệm và thay đổi trong

phạm vi 1,2
ữ
2,2.
Tỷ số
0
R
R
t
có tên gọi khác nhau: chỉ số tăng điện trở, tham số bo hoà; ký hiệu I,
hoặc RI.
Chỉ số I = 1 khi S
W
= 1,0 và lớn
hơn 1 khi có hydrocacbon xuất hiện
trong lỗ rỗng của đá chứa.
Hình 1.9 mô tả phơng pháp xác
định số mũ n theo các số đo trong
phòng thí nghiệm. Trên toạ độ loga kép
mỗi điểm là toạ độ của cặp số (I; S
W
).
Đờng vạch đậm nét là đờng hồi quy
tuyến tính đặc trng cho tập các giá trị I
và S
W
. (I 1; 0 S
W
1). Từ đờng hồi
quy ta có thể viết:
I

I
Sn
W
log
1
loglog =






=
(1.14)
I
H
ình 1.9. Đồ thị xác định số mũ n theo
S
W
và I

20
Vậy
I
n
S
W
log
1
log

=
và







n
1
là hệ số góc của đờng biểu diễn.
Từ đó có thể tính:
W
S
I
n
log
log
=
(1.15)
Trong trờng hợp chung, với gần đúng bậc 1, n lấy bằng 2.
Nếu theo (1.6) ta thay R
0

= FR
W
thì:
n
W
W
t
S
FR
R =
(1.16)
Phơng trình (1.16) gọi là phơng trình Archie thứ hai cho trờng hợp đá sạch.
Hydrocacbon không bao giờ bo hoà 100% trong đá chứa vì thờng chúng di
dời từ nơi khác đến. Khi hydrocacbon đẩy nớc để choán chỗ trong lỗ rỗng của đá
chứa thì nớc luôn luôn còn sót lại do lực mao dẫn. Nớc lu lại trong vỉa dầu tạo nên
độ bo hoà nớc d
ir
W
S . Giá trị
ir
W
S phụ thuộc vào loại lỗ rỗng, kích thớc kênh rỗng,
tính chất của hạt đá, một số chất rắn sót lại trong nớc cũng ảnh hởng lớn đến hiện
tợng này.
Dầu khí đ bo hoà trong đá chứa thì cũng có đặc điểm là dầu bám vào thành lỗ
rỗng với lực bám khá bền vững.
I.4.3.
ả
nh hởng của độ sét lên giá trị điện trở suất và độ bo hoà của đá
Khi có thành phần sét trong đá là thêm yếu tố dẫn điện trong đá đó và vì vậy sét

có ảnh hởng đến số đo điện trở. Chẳng hạn có hai mẫu đá, một là đá sạch, mẫu kia là
có sét, và chúng bo hoà cùng thứ nớc trong lỗ rỗng. Điện trở suất của các mẫu đá
này lại hoàn toàn khác nhau. Điện trở suất của đá sét phụ thuộc vào loại sét, hàm lợng
và kiểu phân bố của sét.
Trong phân tích địa vật lý
ngời ta chú ý đến ba kiểu phân bố
của sét trong đá nh hình vẽ 1.10.
Mỗi kiểu phân bố của sét đều có
ảnh hởng lên điện trở suất, thể tự
phân cực và tốc độ sóng siêu âm,
làm thay đổi độ thấm, độ bo hoà
của tầng chứa theo cách khác nhau.
a) Sét phân lớp: Đây là các
lớp mỏng hay màng sét kẹp giữa
các lớp của tập đá chứa (cát, vôi )
nh hình 1.11.
Cát s
ạ
ch Sét phân lớp Sét cấu trúc Sét phân tán
H
ình 1.10. Các kiểu phân bố khác nhau của sét
trong đá chứa


21
Bởi vậy trong trờng hợp này sét
không làm thay đổi độ rỗng hiệu dụng, độ
bo hoà hay độ thấm trong vỉa chứa, nó
không tạo ra những bờ chắn thấm theo
chiều dọc mặt phân lớp. Cố nhiên theo

chiều vuông góc với bề mặt vỉa chứa thì
sét phân lớp làm triệt tiêu khả năng thấm
theo chiều thẳng đứng của tầng. Nói cách
khác các lớp sét mỏng ngăn đờng thấm
giữa các lớp cát có lỗ rỗng ở bên trên và
dới chúng.
Về mặt dẫn điện, sét phân lớp tạo
ra một hệ thống các đờng dẫn song song
với các lớp có độ dẫn lớn hoặc nhỏ hơn.
Vận dụng mô hình đờng dẫn song song ta có thể viết phơng trình tính điện trở
R
t
của tập vỉa cát sét:
sd
sh
sh
sh
t
R
V
R
V
R

+=
1
1
(1.17)
Trong đó:
V

sh
và R
sh
là tỷ phần sét trong tập vỉa (hình 1.11) và điện trở suất của sét
R
sd
là điện trở suất của cát sạch và có quan hệ với các tham số khác trong tập
nh sau:
2
W
Wsd
sd
S
RF
R =
(1.18)
Với F
sd
là yếu tố thành hệ của cát sạch.
Thay (1.18) vào (1.17) ta có:
Wsd
Wsh
sh
sh
t
RF
SV
R
V
R

2
)1(
1

+=
(1.19)
Từ đó:
2
1
1
1

















=
sh

Wsd
sh
sh
t
W
V
RF
R
V
R
S
(1.20)
b) Sét xâm tán:
ở
dạng xâm tán sét bám phủ trên bề mặt các hạt đá tạo thành
lớp màng bao và lấp nhét một phần kênh thông nối giữa các nang rỗng. Sét xâm tán
làm thay đổi các tính chất vật lý của đá nhiều hơn là sét phân lớp. Độ thấm rõ ràng
giảm đi nhiều nhất, vì sét xâm tán làm bít các kênh thông nối trong hệ thống lỗ rỗng,
H
ình 1.11. Sơ đồ phân bố của sét
phân lớp trong tập vỉa cát sét

22
chất lu khó lu thông trong hệ đó hơn là trờng hợp sét phân lớp. Mặt khác sét trơng
nở ngậm nhiều nớc, nớc bám vào các hạt sét bằng lực lớn hơn khi bám vào hạt thạch
anh. Các yếu tố đó dẫn đến trong vỉa đá có sét xâm tán thì độ bo hoà nớc lớn hơn,
nhng nớc linh động (nớc tự do) lại ít đi thành thử độ thấm giảm nhiều.
Về khả năng dẫn điên, ở đá có sét xâm tán cơ chế dẫn hỗn hợp của các đờng
dẫn hợp bởi nớc lỗ rỗng và sét xâm tán.
De Witte (1950) đ đề xuất một phép gần đúng cho hỗn hợp nớc - sét theo chất

điện giải đơn để tính điện trở R
t
, từ các điện trở R
cl
và R
W
của sét xâm tán và nớc vỉa:









=









+

=
W
Z
clZW
Z
WZ
cl
Z
t
R
qS
R
q
SR
S
qS
R
S
q
R
11
(1.21)
Trong đó:
q là phần lỗ rỗng

t
chứa sét xâm tán
R
cl
là điện trở suất của sét xâm tán
S
Z
là phần lỗ rỗng
t
chứa hỗn hợp nớc sét.
S
Z
= S
W
(1 - q) + q
(1.22)
Z
S
q
là tỷ phần của sét xâm tán trong hỗn hợp nớc + sét
Z
Z
S
qS
là tỷ phần nớc trong hỗn hợp nói trên
m
Z
a
F
2

=
là yếu tố thành hệ tơng ứng với mô hình cát sét xâm tán. Phơng
trình Archie khi đó có dạng:
2
Z
ZZ
t
S
RF
R =
(1.23)
Từ các biểu thức cuối cùng ta có:









+=
W
Z
clZ
Z
t
R
qS

R
q
SF
S
R
1
.
1
2
2
(1.24)
Từ (1.22) và (1.23) ta tính R
t
, rồi tính S
W
:

23
q
R
RRq
R
RRq
R
aR
S
cl
Wcl
cl
Wcl

tZ
W
W









+










+

=
1
2
)(
2

)(
2
1
2
2
(1.25)
Điện trở suất R
cl
của sét xâm tán thờng đợc lấy bằng 0,4R
sh
(R
sh
là điện trở
suất của vỉa sét nén bênh cạnh). Nếu R
sh
>> R
W
thì một số số hạng trong (1.25) trở nên
nhỏ đơn giản, nên sẽ có dạng:
q
qq
R
aR
S
tZ
W
W

+

=
1
24
2
1
2
2
(1.26)

z
tính theo độ rỗng của phơng pháp siêu âm; q xác định theo:
S
DS
q


= (1.27)
Độ rỗng

S
chỉ độ rỗng chung bao gồm phần chứa nớc hay sét, trong khi đó

D
chỉ độ rỗng hiệu dụng (gộp phần mật độ sét ngậm nớc nh chính mật độ của hạt
cát sạch).
c) Sét cấu trúc: Sét cấu trúc là các hạt hay phiến sét cấu thành một phần của pha
cứng nh những hạt thạch anh hoặc các khoáng vật khác. Loại hình tồn tại của loại sét
này có nhiều đặc tính giống với sét phân lớp vì chúng cùng phụ thuộc vào độ nén ép
nh nhau. Tuy nhiên các ảnh hởng của chúng lên độ thấm và điện trở suất thì ít hơn
nhiều so với sét xâm tán, mặc dù chúng là một phần của sét trong đá. Sét phân lớp và
sét cấu trúc có cùng một nguồn gốc lắng đọng, trong khi đó sét xâm tán lại rất khác
nhau về thành phần khoáng vật (fieldspar ) hoặc điều kiện lắng đọng.
Tất cả ba kiểu tồn tại của sét có thể đồng thời có trong thành hệ cát sét. Không
có loại đá chỉ có sét phân lớp mà không có sét xâm tán hay sét cấu trúc, cũng không có
trờng hợp chỉ có sét xâm tán mà không có loại hình sét khác. Điều đó cũng giống nh
trong các đá trầm tích lục nguyên không có đá là cát sạch và cũng không tồn tại một
lớp đá thuần sét không có cát. Vậy ta phải hiểu rằng khi nói lớp đá cát thì đó là đá có
nhiều cát, ít sét, cũng nh khi nói đến lớp sét ta hiểu rằng thành phần khoáng vật chính
của lớp đó là sét, ít cát.
1.5. Độ thấm
Đá thấm là đá có độ lỗ rỗng mở. Độ thấm của đá là khả năng cho chất lu có độ
nhớt nhất định đi qua đá đó dới một đơn vị gradien áp lực.
Độ thấm tuyệt đối k biểu thị dòng chất lu đồng nhất không có những tác động
hoá học với đá ở pha cứng đợc biểu thị theo định luật Darcy nh sau:

24
)(.
21
pp
h
S
kQ =

à
(1.28)
Trong đó:
Q: Lu lợng (cm
3
/s)
à: Độ nhớt của chất lu (cp)
S: Diện tích tiết diện ngang (cm
2
)
h: Chiều dài tính bằng cm của phần môi trờng qua đó có dòng thấm đi
theo phơng thấm
p
1
, p
2
:
á
p suất (atmosphere) ở hai mặt phẳng chắn vuông góc với dòng
thấm ở đầu và cuối dòng
k: Độ thấm tuyệt đối tính bằng Darcy.
a) Quan hệ giữa độ thấm và độ rỗng
Cha tìm đợc một quan hệ chung về mặt toán học giữa độ thấm và độ rỗng để
dùng cho mọi trờng hợp. Đối với các đá hạt vụn chiều hớng quan hệ giữa hai tham
số này đợc thể hiện trong hình 1.12 và 1.13.
Tuy vậy trong thực tế có trờng hợp độ rỗng rất cao nhng độ thấm lại rất kém.
Có thể lấy thí dụ trờng hợp của đá bọt và đá sét. Trờng hợp các đá bọt có độ rỗng rất
cao nhng độ thấm bằng không vì các bọt rỗng trong đá không có kênh thông nối với
nhau; trờng hợp của đá sét thì do lực ma sát bề mặt của dung dịch thấm với mạng tinh
thể sét là rất lớn. Cả hai trờng hợp vừa nêu có thể độ rỗng của đá tới 80%, nhng độ

thấm thì gần triệt tiêu. Điều đó cho thấy rằng giá trị độ rỗng không quyết định cho khả
năng thấm của đá mà kiến trúc lỗ rỗng mới là quan trọng.
b) Hiện tợng mao dẫn trên bề mặt tiếp xúc giữa nớc và đá
Lỗ rỗng hay thông nối với nhau qua các đờng ống có đờng kính r cỡ dới
1
àm. Trên thành các ống đó xảy ra hiện tợng kéo nớc thấm dâng lên tới chiều cao h
tạo ra một áp lực P
e
gọi là áp lực mao dẫn (hình 1.14). Phơng trình Laplace biểu thị
quá trình trên nh sau:
r
T
P
e

cos2
=
(1.29)
Trong đó:
P
e
là áp lực mao dẫn (dyn/cm
2
)
T là sức căng trên bề mặt tiếp xúc giữa nớc với thuỷ tinh (dyn/cm)

là góc tiếp giáp giữa mặt cong với thành ống (độ)
r là bán kính ống (cm)

25

Có thể tính (1.29) tơng đơng nh sau:
gh
r
T
P
e


==
cos2
(1.30)
với h là chiều cao cột nớc (cm);
là mật độ của nớc (g/cm
3
); g là gia tốc
trọng lực (cm/s
2
)


Độ rỗng

(%)
Đ
ộ thấm K (md)
H
ình 1.12. Quan hệ
g
iữa độ thấm và độ rỗn
g

của các đá cát sét có độ hạt khác nhau
Đ
ộ rỗng (%)
K


r (àm)
H
ình 1.13. Quan hệ
g
iữa độ thấm, độ rỗn
g
và bán kính rỗn
g


26
Từ (1.30):
gr
T
h


cos2
=
(1.31)
Phơng trình (1.31) là phơng trình chiều
cao cột nớc theo định luật Jurin.
Từ (1.31) ta thấy ngay là khi bán kính ống
mao dẫn càng nhỏ thì chiều cao dâng cột nớc

càng lớn. Đối với nớc trong ống thuỷ tinh, ví dụ
T = 73 dyn/cm ở 20

C và

= 0

; nếu r = 1mm thì
h = 1,5cm, và nếu r = 1
à
m thì h = 15m.
á
p lực mao dẫn trong đá cát phụ thuộc vào độ hạt của đá, và thay đổi trong
khoảng 3000 dyn/cm
2
, đối với cát hạt thô, và 60000 dyn/cm
2
đối với cát hạt rất mịn.
c) Độ thấm hiệu dụng và độ thấm tơng đối
Trong phần lớn các đá chứa là đá trầm tích, thoạt đầu chúng bo hoà nớc, khi
dầu di c từ nơi khác tới thì dầu sẽ lấn dần choán chỗ thay nớc trong lỗ rỗng. Sự lấn
dần đó chỉ xảy ra khi lực đẩy nớc của dầu trên bề mặt tiếp xúc dầu - nớc lớn hơn lực
mao dẫn giữa nớc với đá. Với các đá có độ hạt càng mịn, đờng kính kênh dẫn càng
nhỏ, lực mao dẫn càng lớn thì dầu không thể đẩy đợc nớc khỏi không gian lỗ rỗng.
Trong trờng hợp đó đá sẽ không thấm dầu. Vì vậy một cách tơng đối (phụ thuộc áp
lực) đá có thể chỉ thấm nớc, không thấm dầu và có trờng hợp đá có thể thấm cả hai
lu chất dầu nớc.
Nếu trong hệ thấm chỉ có một trong hai chất lu kể trên thì dòng thấm sẽ phù
hợp với định luật Darcy (1.28). Trờng hợp tồn tại cả hai, hoặc nhiều hơn số chất lu
trong hệ thì hoạt động động học của các pha thành phần đó sẽ không đơn giản nh vậy.

Ví dụ trong hệ thấm có cả dầu lẫn nớc, độ thấm hiệu dụng tính cho mỗi thành phần
đó sẽ là:
- Đối với pha dầu:
PS
hQ
k

=
00
0
à
(1.32)
- Đối với pha nớc:
PS
hQ
k
WW
W

=
à
(1.33)
Trong đó:
Q
0
và Q
W
là lu lợng thấm của dầu và nớc
à
0

và
à
W
là độ nhớt của dầu và của nớc
H
ình 1.14. Hiện tợng hình thành
á
p
l
ự
c mao dẫn


27

P là áp lực thấm
h và S có ý nghĩa nh ở (1.28)
Trong thực tế, thờng gặp đồng thời cả hai pha dầu và nớc, khi đó k
t
= k
0
+ k
W

sẽ nhỏ hơn độ thấm tuyệt đối k, và đơng nhiên Q
t
= Q
0
+ Q
W

cũng nhỏ hơn lu lợng
thấm của dòng đơn pha. Điều đó có nghĩa là hai pha cản trở lẫn nhau khi thấm qua môi
trờng lỗ rỗng.
Có một cách đánh giá hiện tợng này theo định nghĩa của độ thấm tơng đối:
Độ thấm tơng đối là tỷ số của độ thấm hiệu dụng của đá đối với một pha chia cho độ
thấm tuyệt đối, và biến thiên theo giá trị độ bo hoà của pha đó.
k
k
k
ro
0
= là độ thấm tơng đối của dầu (1.34)
k
k
k
W
rw
= là độ thấm tơng đối của nớc (1.35)
Trên hình 1.15 ta thấy độ thấm tơng
đối của dầu (k
ro
) ở giá trị bo hòa nớc d
(S
Wir
) nhỏ hơn 1,0 và nó tiếp tục giảm khi độ
bo hoà nớc (S
W
) tăng, nhng cuối cùng tiến
tới không khi S
W

có giá trị tới hạn, tơng
đơng với giá trị bo hoà dầu dính (S
or
).
Độ thấm tơng đối của nớc tiến tới
không ngay ở giá trị bo hoà nớc d (S
Wir
)
và tăng theo độ bo hoà nớc S
W
. Ta có nhận
xét trong đá cát sét, độ bo hoà nớc d
thờng lớn hơn độ bo hoà dầu dính.
ở
vùng
bo hoà chuyển tiếp S
W
S
Wir
chỉ có dòng
dầu thấm, ngợc lại ở vùng S
0
< S
or
chỉ có
dòng nớc thấm. Trong thực tế ta hay gặp k
ro

= k
rw

ở giá trị độ bo hoà S
W
= 60%.
Trong lĩnh vực này có nhiều công trình đề xuất các phơng trình thực nghiệm
chỉ quan hệ giữa k
ro
, k
rw
với S
W
, S
Wir
và S
or
. Một số trong các phơng trình đó nh sau:
3
1










=
ir
ir

W
WW
rw
S
SS
k
(1.36)
()
3
3
0
1
ir
W
ro
S
S
k

=
(1.37)
()
3
3
1
ir
W
g
rg
S

S
k

=
(1.38)
Đ
ộ bão hoà
Độ thấm tơng đối
H
ình 1.15. Độ thấm tơng đối phụ
thu
ộ
c đ
ộ
bo hoà

28
Nếu giếng khai thác là hoàn toàn ở vào vùng chuyển tiếp, ở đó tầng chứa giảm
hẳn độ bo hòa nớc, tới khi k
rw
= 0 thì nớc không còn thấm vào giếng. Nếu sự hoàn
tất giếng đ thấy ở vùng chuyển tiếp thì phần nớc trong dòng khai thác xem nh bị
loại trừ. Khi đó có thể tính nh sau:
Lu lợng dòng dầu
l
SPk
Q
0
0
0

)(
à

= (1.39)
Lu lợng dòng nớc
l
SPk
Q
W
W
)(

= (1.40)
Và khi đó tỷ số nớc/dầu sẽ là:

=
W
W
k
k
WOR
à
à
0
0
(1.41)
Tỷ số
0
k
k
W
là đại lợng có thể đợc lấy từ tỷ số độ thấm tơng đối, hoặc tính từ
giá trị liên kết rộng. Thành phần nớc trong dòng khai thác từ giếng sẽ là:
0
QQ
Q
WC
W
W
+
=
(1.42)
hoặc
WOR
WOR

WC
+
=
1
(1.43)
d) Mối quan hệ giữa độ thấm và độ bo hoà
Đ có nhiều công trình nghiên cứu tìm quan hệ giữa độ thấm tuyệt đối của đá
lục nguyên theo tài liệu đo địa vật lý giếng khoan. Các tính toán này gồm hai loại: một
là ứng dụng ở gần vùng chuyển tiếp, và một cho chính vùng chuyển tiếp. Một vài công
thức thực nghiệm dùng cho vùng chuyển tiếp:
Theo Timur (1968)
24,4
136,0

=
ir
W
Sk (1.44)
Theo Wyllie và Rose (1950)
- Đối với dầu
2
3
250
ir
W
S
k

=
(1.45)

- Đối với khí

29
2
3
79
ir
W
S
k

=
(1.46)
Theo Raymer và Freeman
- Đối với dầu
2
0
)(
122









=

W
h
k
(1.47)
- Đối với khí
2
)(
140









=
gW
h
k

(1.48)
Trong đó:
S
Wir
- Độ bo hoà nớc d
- Độ rỗng
h - Chiều cao từ mực nớc tự do đến nóc vùng chuyển tiếp (feet)

W
- Mật độ (tỷ trọng) của nớc

0
và
g
- Mật độ của dầu và khí
Hình 1.16 là đồ thị
biểu diễn sự phụ thuộc
của độ bo hoà nớc d
S
Wir
vào độ lỗ rỗng hiệu
dụng với các giá trị độ
thấm cho trớc, tính theo
các công thức của Wyllie
và Rose (1.45) và (1.46).
Các đồ thị này trở thành
bản chuẩn để tính độ thấm
dầu và khí của đá trầm
tích khi giá trị S
Wir
đợc
xác định từ các phép đo
mẫu lõi hay đo điện trở.
Độ rỗng
đợc xác định
từ các kết quả đo siêu âm

S

và đo mật độ
D
.
Độ lỗ rỗng

(%)
Đ
ộ bão hoà nớc d S
wi
(%)
Đ
ộ thấm
(
K
)

Đ
ối với dầu
Đ
ối với khí
Hình 1.16. Quan hệ phụ thuộc giữa độ lỗ rỗng (

), độ bo
hoà nớc d (S
Wir
) và độ thấm K