PHƯƠNG PHÁP ĐỊA VẬT LÍ PHƯƠNG PHÁP MẬT ĐỘ PHƯƠNG PHÁP NƠTRON PHƯƠNG PHÁP ÂM HỌC lê hải an

Phần 2: Các phương pháp xác ñịnh ñộ rỗng

ðỊA VẬT LÝ GIẾNG KHOAN
TS. Lê Hải An
Bộ môn ðịa vật lý, Khoa Dầu khí,
TRƯỜNG ðẠI HỌC MỎ - ðỊA CHẤT

•

Phương pháp mật ñộ (Density, Litho-density Logs)

•

Phương pháp nơtron (Neutron Log)

•

Phương pháp âm học (Sonic Log)

Phương pháp mật ñộ

Phương pháp mật ñộ

Phương pháp mật ñộ là phương pháp ño ghi mật ñộ khối biểu kiến của thành hệ
dựa trên hiện tượng tán xạ của tia gamma khi tương tác với môi trường (còn gọi là
pp. gamma-gamma)

Tương tác của tia gamma trong môi trường

Năng lượng của tia gamma: Eγ=hν, trong ñó h là hằng số Plank, ν là vận tốc

Tương tác của tia gamma trong môi trường

Tùy theo mức năng lượng của tia gamma mà xảy ra các hiệu ứng: tạo cặp, tán
xạ Compton hay hấp thụ quang ñiện

Khi ñi qua môi trường vật chất (thành hệ ñất ñá), tia gamma thực hiện các va
chạm với các electron và hạt nhân của các nguyên tử trong môi trường ñó và
mất dần năng lượng sau mỗi lần tương tác
Ba hiệu ứng chính của tia gamma khi tương tác với môi trường
1. Hiệu ứng tạo cặp
2. Hiệu ứng tán xạ Compton
3. Hiệu ứng hấp thụ quang ñiện

1


Hệ số suy giảm µ

Phương pháp mật ñộ (density log)

Quá trình này ñược ñặc trưng bởi hệ số suy giảm µ của tia gamma
Iγ = Iγ0 .e-µx

•
•
•
•

Khi tương tác với môi trường, phụ thuộc vào mức năng lượng, tia gamma bị lôi
cuốn vào tạo cặp, tán xạ Compton hay hấp thụ quang ñiện, kết quả cuối cùng là

tia gamma mất dần năng lượng, một phần bị hấp thụ

Sử dụng nguồn Cs137, phát ra tia gamma có mức năng lượng E = 0.66 MeV
Tại mức năng lượng này thì hiệu ứng tạo cặp là không có
Detector ñược thiết kế sao cho chắn ngoài tất cả tia gamma có E < 0.2 MeV
Như vậy E từ 0.2 ñến 0.66 MeV, tán xạ Compton là chủ yếu

µ= µp+µc+µe

Toàn phần

tán xạ Compton
hấp thụ
quang ñiện

tạo cặp

Phương pháp mật ñộ (density log)

Phương pháp mật ñộ (density log)

• E từ 0.2 ñến 0.66 MeV: tán xạ Compton
• Số tia gamma tán xạ Compton mà máy giếng ghi ñược liên quan trực tiếp với
mật ñộ electron (số electron trong 1 cm3 - ρe) trong thành hệ
• Mật ñộ electron lại có quan hệ trực tiếp với mật ñộ khối ρb của thành hệ ñó
• Số ñếm tia gamma của detector sẽ là một chỉ thị cho mật ñộ khối của môi
trường ñất ñá

• Quan hệ giữa mật ñộ electron ρe và mật ñộ khối ρb của thành hệ

 2Z 

 A 

ρ e = ρb 


ρ e = ρ b 

2

∑ Z's

 Mol.W

Phương pháp mật ñộ (density log)

• ðối với phần lớn các ñá và các nguyên tố phổ biến trong các khoáng vật tạo ñá,
số hạng trong dấu ngoặc ñơn ở hai công thức trên xấp xỉ bằng 1






Phương pháp mật ñộ (density log)

• Vì vậy các thiết bị ño tán xạ mật ñộ chuẩn ñịnh cỡ trong môi trường ñá vôi bão
hoà nước ngọt thì mật ñộ khối biểu kiến ño ñược bằng thiết bị ñó ra có quan hệ
với chỉ số mật ñộ electron

ρa

= 1,0704 ρe – 0.1883

2


Phương pháp mật ñộ

Máy giếng ño mật ñộ

• Có hai Detector ñặt
xa nhau ñể loại trừ
ảnh hưởng của lớp
vỏ sét
• ðặt áp sườn ñể loại
trừ ảnh hưởng của
dung dịch khoan và
ñường kính giếng
khoan

Phương pháp mật ñộ thạch học (litho-density log)

• Phương pháp mật ñộ thạch học là một biến thể của phương pháp mật ñộ, ngoài
ño mật ñộ khối ρb còn ño chỉ số tiết diện hấp thụ quang ñiện (Pe).
• Chỉ số Pe này liên quan chặt chẽ ñến thành phần thạch học của thành hệ.
• Nguồn phát tia gamma có mức năng lượng 662 keV
• Tia gamma bị mất năng lượng khi tán xạ trong môi trường và cuối cùng bị hấp
thụ hoàn toàn bằng hiệu ứng hấp thụ quang ñiện

Phương pháp mật ñộ thạch học (litho-density log)

Tiết diện hấp thụ quang ñiện Pe (barn/electron) liên quan ñến số nguyên tử
của các nguyên tố Z như sau:

Z

 10 


3, 6

Công thức (5.9) trong sách
Log Interpretation/Principles Applications

Pe = 

SAI!

Low electrone density
High electrone density

Phương pháp mật ñộ thạch học (litho-density log)

Chỉ số thể tích hấp thụ quang ñiện U:

Pe ρ e = U

ðường cong ño ghi mật ñộ

1.7

(gm/cc) bulk density
2.5
2.9
2.1

Shale
Quartzite
Sandstone

2.65 gm/cc

ø=0

2.49 gm/cc

ø = 10%
ø=0

2.71 gm/cc

Limestone

2.54 gm/cc

ø = 10%
ø=0

2.87 gm/cc

Dolomite

2.68 gm/cc

ø = 10%

Shale
gas

Sandstone
ø = 20%

gas effect

oil
water

2.32 gm/cc

poorly
compacted

density variable
2- 2.8 gm/cc

Shale
compact

1.2 - 1.5 gm/cc

Coal
Organic shale
Salt

2.03 g/cc
2.95 gm/cc

Sill (igneous)
Shale

cave

3


Thiết bị mật ñộ - thạch học (LDT) - Spines and Ribs

ðường cong ño ghi mật ñộ

Spines= ñường thẳng
gia tăng của mật ñộ khi
cross-plot số ño của
detector xa và detector
gần

1.9
2.0
Mud cake

with barite

Khi không có sự có mặt
của lớp vỏ sét hai số ño
phải cho cùng một mật
ñộ (nằm trên ñường
thẳng Spines)

B
C
2.4
Increasing
Mud cake
Thickness

A

Increasing
Mud cake
Thickness

2.5
2.6

Mud cake
without
barite

2.7
2.8

2.9
Short spacing Count Rate

ðường cong ño ghi mật ñộ

ðiểm A: mật ñộ thật

1.9

Khi có mặt của lớp vỏ
sét, ñiểm A dịch chuyển
ñến ñiểm B hoặc ñiểm C
phụ thuộc vào sự có mặt
của khoáng vật nặng
(barite) trong dung dịch
khoan hay không

2.0
Mud cake
with barite

Mật ñộ ñã
hiệu chỉnh

2.1
2.2
B
2.3

.

Long Spacing Count Rate

Máy giếng sẽ tự hiệu
chỉnh giá trị mật ñộ về
giá trị thật

.

Long Spacing Count Rate

2.3

Khi có sự có mặt của lớp
vỏ sét (qua vỉa thấm) hai
số ño mật ñộ khác nhau
và cần phải hiệu chỉnh
ñể xác ñịnh mật ñộ thật

Thiết bị mật ñộ - thạch học (LDT) - Spines and Ribs

2.1
2.2

C
2.4
Increasing
Mud cake
Thickness

A

2.5
2.6
2.7

ρ

Increasing
Mud cake
Thickness

Mud cake
without
barite

Giá trị hiệu
chỉnh

∆ρ

2.8
2.9
Short spacing Count Rate

ðường cong ño ghi mật ñộ

∆ρ ∼ ρLS − ρSS

∆ρ > 0

ðường cong ño ghi mật ñộ

Caliper

∆ρ

ρb

∆ρ > 0

4


∆ρ

ðường cong ño ghi mật ñộ

ðường cong ño ghi mật ñộ

ρb

∆ρ

∆ρ < 0

ρb
Cyclic

∆ρ < 0

Các yếu tố môi trường ảnh hưởng lên số ño của các phương pháp mật ñộ

Ứng dụng của các phương pháp mật ñộ

•

Xác ñịnh ñộ rỗng của ñá chứa

•

Xác ñịnh khoáng vật (kết hợp với GR, NGS)

• ðộ nhẵn của thành giếng khoan

•

Xác ñịnh ranh giới vỉa

• Lớp vỏ sét

•

Kiểm tra trạng thái kỹ thuật của giếng khoan sau khi chống ống

• Dung dịch khoan

Xác ñịnh ñộ rỗng của ñá chứa

Xác ñịnh ñộ rỗng của ñá chứa

Thành hệ

Matrix

ρb

ρma
ρb=

Δρ

ρ

f( ma,

Φ

ρf

Φ, ρf)

Φ=?

5


Xác ñịnh ñộ rỗng và thành phần khoáng vật

Xác ñịnh thành phần khoáng vật

Xác ñịnh thành phần khoáng vật
Bài tập: xác ñịnh ñộ rỗng

Xác ñịnh ñộ rỗng

Xác ñịnh ñộ rỗng
8
7

1. Xác ñịnh ñộ rỗng của các vỉa 1 - 8. Hiệu chỉnh ảnh hưởng của sét
lên ñộ rỗng. Giả thiết thành hệ là cát kết
2. Xác ñịnh ñộ rỗng của vỉa sản phẩm 1 – 4, giả thiết thành hệ là ñá
vôi

6

0 ______ GR _____ 100 API

5
4
3

2 ______ RHOB ____ 3 g/cc

RHOB
GR

2

1

6


Phương pháp neutron

Phương pháp neutron

Neutron

Phương pháp neutron là phương pháp
nghiên cứu lát cắt giếng khoan thông
qua nghiên cứu mật ñộ neutron, cường
ñộ bức xạ gamma trong môi trường sau
khi bắn phá bằng chùm neutron có
năng lượng cao

Neutron

Phụ thuộc vào năng lượng, neutron ñược phân loại thành:

•

Neutron là hạt không mang ñiện, có khối lượng bằng 1.6749x10-27g

•

Dễ dàng ñâm xuyên qua vật chất

•

Là một hạt không bền, phân rã với chu kỳ T1/2=1.01x103 giây=16.83 phút,

1.

Neutron nhanh: En > 0.1 MeV

2.

Neutron trung gian: 100 eV < En < 0.1 MeV

3.

Neutron trên nhiệt: 0.025 eV < En < 100 eV

4.

Neutron nhiệt: En < 0.025 eV

thành Proton, Electron và Antineutron với năng lượng phát ra là 0.78 MeV

Tương tác của Neutron với môi trường vật chất

Khi neutron tương tác với môi trường vật chất thường xảy ra các hiện tượng sau:
1.

Tán xạ ñàn hồi

2.

Tán xạ không ñàn hồi

3.

Hấp thụ neutron

Tán xạ ñàn hồi

Xảy ra giữa hạt nhân và neutron như hai quả cầu lý tưởng
Neutron nhanh mất năng lượng và tán xạ dưới một góc ϕ so với hướng ban ñầu
Sau mỗi lần va chạm với hạt nhân, neutron lại chuyển ñộng chậm lại

7


Tán xạ ñàn hồi

Tán xạ không ñàn hồi

Tiêu hao năng lượng của neutron phụ thuộc vào khối lượng của hạt nhân M
và góc tán xạ ϕ

E = Eo

M + 2 M cos ϕ + 1
(M + 1)2
2

Xảy ra với neutron nhanh và hạt nhân của các nguyên tố nặng (không thể xảy ra với

hạt nhân của Hydro)
Neutron truyền ñộng năng của mình cho hạt nhân làm hạt nhân tích thêm năng lượng
Hạt nhân bị kích thích và phát ra lượng tử gamma ñể trở về trạng thái ban ñầu

Emin = αEo

α=

(M − 1)2
(M + 1)2

∆E = E0 − E = (1 − α ) E0

Tiêu hao năng lượng

Tiêu hao năng lượng của neutron là lớn nhất khi α = 0 khi neutron va chạm
với hạt nhân của nguyên tử Hydro (M=1)

Hấp thụ neutron

Tiết diện (σ) bắt giữ neutron và ñàn hồi

Chủ yếu xảy ra với neutron nhiệt
Khi hạt nhân hấp thụ neutron thường kéo theo xảy ra các hiện tượng giải phóng
proton, hạt α (He), bắn ra một vài neutron hoặc lượng tử gamma
3 nguyên tố có hạt nhân bắt giữ neutron nhiều nhất là Cl, B và Cd

Thời gian sống của neutron

Thời gian sống của neutron

Hai quá trình xảy ra khi neutron rời
nguồn: làm chậm và bị hấp thụ

Máy phát xung
Nguồn AmBe

năng lượng khi rời
nguồn

)
V
e
(
n
o
rt
u
e
n
g
n
ợ
lư
g
n
ă
n

Bức xạ ra tia

gamma
Vùng năng
lượng neutron
trên nhiệt
Bắt giữ

Vùng năng lượng
neutron nhiệt

Mật ñộ của neutron tại một ñiểm phụ
thuộc vào:
Khoảng cách từ nguồn
Mật ñộ của nguyên tử gây nên tán xạ
Mật ñộ của nguyên tử gây nên bắt giữ

Thời gian µs

8


Thiết bị ño ghi neutron

Thiết bị ño ghi neutron

Nguồn phát neutron: có thể là nguồn hóa
học hoặc nguồn phát xung

Nguồn hóa học

Nguồn hóa học: chứa hỗn hợp Am và Be

4Be + 2He -> 6C + n + 5.76 MeV
Nguồn phát xung: gồm một máy gia tốc
electron và một bia, khi electron bắn vào bia
làm phát ra chùm neutron

Thiết bị ño ghi neutron

Nguồn phát xung

Thiết bị ño ghi neutron
Detector
gần

Detector: gồm 2 dectector ñược ñặt gần và
xa so với nguồn

Khoảng cách từ nguồn ñến
hai detector phải ñược
thiết kế sao cho không
nằm vào vùng giao thoa
(không phân dị) của các
ñường cong biến thiên mật
ñộ neutron theo khoảng
cách và ñộ rỗng

Vùng
giao
thoa

Detector

xa

no
tru
en
ộñ
ật
M
ðộ rỗng

khoảng cách từ nguồn (cm)

Thiết bị ño ghi neutron

CNL – Compensated Neutron Log

Mật ñộ của neutron nhiệt tại một ñiểm cách nguồn một khoảng cố ñịnh phụ
thuộc chủ yếu vào lượng hydrogen (chỉ số hydro – hydrogen index HI) giữa
nguồn và ñiểm ñó.
CNL ñược thiết kế ñể ño neutron nhiệt – cho phép xác ñịnh chỉ số hydro của
thành hệ

DNL: Dual Energy Neutron Log
SNP: Sidewall Neutron Porosity Log
CNL: Compensated Neutron Log
GNT: Gamma Neutron Tool

9

ðường cong neutron

Phương pháp neutron cho biết
chỉ số Hydro (HI) của thành hệ
HI của nước = 1
HI của dầu ~ nước
HI của khí rất nhỏ (là cơ sở
ñể xác ñịnh gas effect)

ðơn vị neutron API

Tại University of Houston
Một ống trụ dài 24ft., 6ft. ñường
kính, ở giữa chứa 6ft. ñá vôi
Indiana với 19% ñộ rỗng
1 neutron API ñược ñịnh nghĩa bằng
1/1000 của chênh lệch giữa
“electrical zero” và số ño ở 6ft. ñá
vôi Indiana có 19% ñộ rỗng

ðơn vị ño ñộ rỗng neutron

Mỗi thiết bị sẽ có một phép chuyển ñổi từ ñơn vị neutron API sang ñộ rỗng
ðộ rỗng neutron (theo chuẩn ñá vôi – limestone matrix)
= ln (Số ño API * hằng số 1 + hằng số 2)

ðộ rỗng (thành hệ cát kết) = 0.95 (ðộ rỗng neutron (chuẩn ñá vôi)) + .035

Hiệu ứng khí (Gas Effect)

Ứng dụng của phương pháp neutron

•

Xác ñịnh ñộ rỗng của ñá chứa

•

Kết hợp với các phương pháp khác ñể xác ñịnh thạch học và ñộ rỗng

•

Xác ñịnh vỉa khí

•

Xây dựng lát cắt thành giếng khoan

•

Xác ñịnh các ranh giới dầu nước, dầu khí, khí nước

Xác ñịnh ñộ rỗng

10


Xác ñịnh ñộ rỗng và thạch học
Bài tập: xác ñịnh ñộ rỗng

Xác ñịnh ñộ rỗng

Xác ñịnh ñộ rỗng

GR
1. Xác ñịnh ñộ rỗng của các vỉa sản phẩm A - D. Giả thiết thành hệ là
ñá vôi
2. Xác ñịnh ñộ rỗng của các vỉa sản phẩm A - D. Giả thiết thành hệ là
cát kết

Xác ñịnh ñộ rỗng

1. Xác ñịnh ñộ rỗng của các vỉa cát sét X880, X980, X025. Hiệu chỉnh
ảnh hưởng của sét lên thành hệ.

0 ______ GR _____ 80 API
30 ______ NPHI ____ -10 %

NPHI

Xác ñịnh ñộ rỗng

0 ______ GR _____ 125 API
6 - - - CAL - - - 16 in
30 ______ NPHI ____ -10 %
30 ______ PHID ____ -10 %

PHID
NPHI

11


Alpha Processing

Alpha Processing

NPHI

• NPHI: traditional ratio to porosity
transform from instantaneous near and

NPHI

far counts
• TNPH: new ratio to porosity transform:

TNPH

dead time, depth and resolution match
• NPOR: enhanced resolution processing

NPOR

using short spacing detector countrates

TNPH

NPOR

and TNPH

Alpha Processing

It utilizes the higher resolution of the near detector to increase the resolution of
the more accurate far detector

Alpha Processing

Alpha Processing

The first step is to depth-match the two detectors' responses.

Alpha Processing

The difference between the two readings now gives the "high frequency" information which highlights thin beds missed by the far detector.

The next step is to match the resolution of both detectors.

12


Alpha Processing

The "high frequency" information is added to the far detector signal to give the final
enhanced log.

Phương pháp âm

Phương pháp âm

Lan truyền của sóng âm trong môi trường

Phương pháp âm là phương pháp nghiên cứu lát cắt giếng khoan thông qua nghiên
cứu thời gian lan truyền của sóng ñàn hồi ở tần số âm thanh trong môi trường ñất ñá

Sóng ñàn hồi ñược ñặc trưng bởi các tham số: biên ñộ, chu kỳ, tần số, bước sóng,
vận tốc

Các loại sóng âm

Các loại sóng âm

Sóng dọc (sóng nén): hướng dịch chuyển của vật chất song song với hướng truyền sóng

13


Các loại sóng âm

Lan truyền của sóng âm trong môi trường giếng khoan

Sóng ngang: hướng dịch chuyển của vật chất vuông góc với hướng truyền sóng
Sóng dọc

Sóng ngang

Sóng ống

hc

cá
gn
aỏ
hK

Thời gian

Lan truyền của sóng âm trong môi trường giếng khoan

Thiết bị ño âm

Sóng ñàn hồi ñược phát từ chấn
tử phát (T), qua dung dịch khoan
(a), khúc xạ và lan truyền trong
thành hệ (b), sau ñó lại khúc xạ và
ñi qua dung dịch khoan (c) tới
chấn tử thu (R)
•

Chấn tử phát và chấn tử thu
ñược ñặt cách nhau một khoảng
cách L cố ñịnh
•

Thời gian sóng ñàn hồi ñi theo
ñường a, b, c ñược gọi là thời gian
truyền sóng t
•

Thiết bị ño âm

Thiết bị ño âm
• Thời gian sóng ñàn hồi ñi theo
a, b, c ñược gọi là thời gian truyền
sóng t
•

Vận tốc truyền sóng là:
L / (a+b+c)

Trong phương pháp âm, ñơn vị
biểu diễn là thời gian truyền sóng
trên một ñơn vị chiều dài:
•

∆t=

ðể loại trừ ảnh hưởng của dung
dịch khoan, thiết bị có hai chấn tử
thu R1, R2 ñược sử dụng
•

•

Thời gian truyền sóng:

∆t=

[(a+b+c)-(a+d+c)]/L

= (b-d)/L

(a+b+c)/L

• ðơn vị µs/ft hoặc µs/m

14


Thiết bị ño âm

Thiết bị ño âm

Thiết bị ño âm

Thiết bị ño âm

Vị trí của thiết bị ño âm trong giếng khoan

Các hiệu ứng khi thiết bị ño âm lệch tâm trong giếng khoan

15


Thiết bị ño âm (Array – Sonic)

Cho phép ño ghi cả 3 sóng (sóng dọc, sóng ngang và sóng ống)

Phương pháp xử lý Slowness-Time Coherence (STC)
1.

Mục ñích ñể trích thông tin của sóng sóng ngang và sóng ống

2.

ðánh dấu các loại sóng ñã xác ñịnh

Phương pháp xử lý Slowness-Time Coherence (STC)

Phương pháp xử lý Slowness-Time Coherence (STC)

Phương pháp xử lý Slowness-Time Coherence (STC)

ðường cong ño âm

ðơn vị µs/ft hoặc µs/m

16


Hiệu ứng khí (Gas Effect)

Ứng dụng của phương pháp âm học

•

Tính ñộ rỗng của ñá cát sét

•

Kết hợp với các phương pháp ñộ rỗng khác ñể tính ñộ rỗng nứt nẻ trong các ñá

carbonate

Xác ñịnh ñộ rỗng của ñá chứa

•

Minh giải ñịa chấn (Synthetic – tích chập)

•

Phát hiện dị thường áp suất cao...

Xác ñịnh ñộ rỗng của ñá chứa

Thành hệ

Matrix

∆t

∆tma

Φ

∆tf

∆t= f(∆tma, Φ, ∆tf)
Φ=?

Tính ñộ rỗng của ñá cát sét

Hiệu chỉnh ảnh hưởng của sét

fluid

Vma

Vfl

17


Synthetic – tích chập

Lan truyền của sóng trong môi trường
© Schlumberger

Bài tập: xác ñịnh hàm lượng sét và ñộ rỗng

STC & STC Projection Log
© Schlumberger

Bài tập
1. Xác ñịnh hàm lượng sét từ ñường cong SP và GR ở các khoảng ñộ sâu
sau:
6500-6510, 6530-6540, 6545-6555, 6570-6580, 6610-6620, 6640-6650,
6690-6700 ft.
2. Tại sao lại có sự khác biệt của hàm lượng sét tính từ SP và GR ở các

khoảng 6610-6620 và 6690-6700 ft. Hàm lượng sét phải hiệu chỉnh ra
sao?
3. Xác ñịnh Rw biết: nhiệt ñộ thành hệ là 150oF, Rmf@150oF=0.0967 Ohmm
4. Xác ñịnh ñộ rỗng theo sonic log ở các khoảng ñộ sâu kể trên, giả thiết
thành hệ là cát sét
5. Xác ñịnh thành phần thạch học tại các khoảng ñộ sâu: 6562-6568, 66606680 và 6680-6700 ft.
6. Nguyên nhân của dị thường tại khoảng ñộ sâu dưới 6570 ft.

18


Acknowledgments

Schlumberger
Baker Atlas
Halliburton

19