Giáo trình Địa vật lý giếng khoan

1 Mục lục Mở đầu ............................................................................................................................5 Ch−ơng 1. Đối t−ợng và các tham số nghiên cứu .......................................................7 1.1. Đối t−ợng nghiên cứu ...........................................................................................7 1.2. Phân loại đá theo thành phần, điều kiện thành tạo và các đặc tr−ng vật lý thạch học ...............................................................................................................................7 1.3. Đá chứa, các tham số vật lý của đá chứa ............................................................10 1.3.1. Độ rỗng........................................................................................................11 1.3.2. Điện trở suất và độ dẫn điện ........................................................................12 1.4. Cấu kiến trúc của đá ...........................................................................................16 1.4.1. Yếu tố thành hệ - mối liên hệ giữa độ rỗng với điện trở suất ......................16 1.4.2. Quan hệ giữa độ b∙o hoà và điện trở suất - Công thức Archie ....................18 I.4.3. ảnh h−ởng của độ sét lên giá trị điện trở suất và độ b∙o hoà của đá ...........20 1.5. Độ thấm ..............................................................................................................23 Ch−ơng 2. Nguyên lý chung trong địa vật lý giếng khoan .......................................30 2.1. Các ph−ơng pháp khảo sát ..................................................................................30 2.1.1. Hệ thiết bị đo (hệ quan sát)..........................................................................30 2.1.2 Phân loại các phép đo trong giếng khoan .....................................................32 2.2. Các vấn đề xung quanh việc đo vẽ ở giếng khoan..............................................34 2.2.1. Sự ngấm dung dịch ......................................................................................34 2.2.2. Hiệu ứng hình học của Zond .......................................................................35 2.2.3. Tốc độ kéo cáp.............................................................................................38 2.3. Nguyên lý đo ghi ................................................................................................39 2.4. Biểu diễn kết quả đo ghi .....................................................................................40 2.5. Đo kiểm tra và chuẩn máy..................................................................................40 2.6. Chuyển tải số liệu ...............................................................................................42 Ch−ơng 3. Các ph−ơng pháp điện từ tr−ờng.............................................................43 3.1. Giới thiệu ............................................................................................................43 3.2. Các ph−ơng pháp đo bằng hệ điện cực không hội tụ ..........................................43 3.2.1. Bài toàn lý thuyết của ph−ơng pháp điện trở trong giếng khoan .................47 3.2.2. Điện trở suất biểu kiến.................................................................................53 3.2.3. Dáng điệu của đ−ờng cong đo điện trở trong giếng khoan..........................57 3.2.3.1. Tr−ờng hợp hệ điện cực thế......................................................................57 3.2.3.2. Tr−ờng hợp hệ điện cực gradien...............................................................58 3.2.4. Chiều sâu nghiên cứu của các hệ điện cực ..................................................59 3.2.5. Các phép hiệu chỉnh.....................................................................................61 3.2.6. Vi hệ điện cực (không hội tụ dòng) - Microlog ML....................................62 3.3. Các ph−ơng pháp đo bằng hệ điện cực có hội tụ dòng .......................................64 3.3.1. Ph−ơng pháp Laterolog, LL.........................................................................65 3.3.2. Ph−ơng pháp vi hệ điện cực hội tụ dòng......................................................71 3.4. Các ph−ơng pháp điện từ tr−ờng.........................................................................73 3.4.1. Tr−ờng điện từ trong môi tr−ờng đất đá.......................................................73 3.4.2. Tr−ờng điện từ của một ống dây trong giếng khoan...................................75 3.4.3. Ph−ơng pháp đo cảm ứng (Induction Log - IL) ...........................................78 3.4.4. Các dạng khác của ph−ơng pháp điện từ tr−ờng..........................................88 3.5. Các yếu tố ảnh h−ởng lên kết quả đo và phạm vi ứng dụng của các ph−ơng pháp điện trở.......................................................................................................................91 2 3.5.1. Thành phần đá .............................................................................................91 3.5.2. Kiến trúc đá .................................................................................................91 3.5.3. Góc dốc và cấu trúc các lớp đá ....................................................................91 3.5.4. Nhiệt độ, áp suất nén ép...............................................................................92 3.5.5. Các ứng dụng ...............................................................................................92 Ch−ơng 4. Các ph−ơng pháp thế tự phân cực và phân cực kích thích.......................94 4.1. Ph−ơng pháp thế điện tự phân cực - SP...............................................................94 4.1.1. Các quá trình điện hoá và điện động lực trong môi tr−ờng quanh giếng khoan: ....................................................................................................................95 4.1.2. Thế điện tự phân cực toàn phần - SP.........................................................101 4.1.3. Sơ đồ đo thế điện tự phân cực - SP.............................................................102 4.1.4. Các yếu tố ảnh h−ởng đến hình dáng và biên độ dị th−ờng ∆USP..............104 4.1.5. Phạm vi ứng dụng của ph−ơng pháp SP.....................................................106 4.2. Ph−ơng pháp thế điện phân cực kích thích – PP .............................................106 4.2.1. Quá trình hình thành thế điện phân cực kích thích....................................106 4.2.2. Đo thế điện phân cực kích thích trong giếng khoan ..................................109 1. Sơ đồ nguyên tắc .............................................................................................109 2. Các đ−ờng cong đo ghi thế ∆UPP.....................................................................110 3. Thế phân cực kích thích ..................................................................................110 4. Phạm vi ứng dụng của ph−ơng pháp phân cực kích thích ...............................111 Ch−ơng 5. Các ph−ơng pháp phóng xạ hạt nhân ...................................................112 5.1. Cơ sở vật lý - địa chất .......................................................................................112 5.1.1. C−ờng độ phóng xạ tự nhiên trong đá........................................................112 5.1.2. C−ờng độ phóng xạ nhân tạo hay kích thích .............................................115 5.1.3. Mật độ electron và mật độ khối .................................................................119 5.2. Đặc điểm của các phép đo phóng xạ tự nhiên và nhân tạo trong giếng khoan.124 5.3. Các ph−ơng pháp đo phóng xạ nghiên cứu giếng khoan ..................................125 5.3.1. Ph−ơng pháp đo bức xạ gamma tự nhiên (GR)..........................................126 5.3.2. Ph−ơng pháp đo phổ gamma tự nhiên- SGR, NGS ....................................129 5.3.2.1. Cơ sở vật lý - địa chất.............................................................................129 5.3.2.2. Các thiết bị máy giếng đo phổ gamma...................................................132 5.3.2.3. Phạm vi ứng dụng...................................................................................134 5.3.3. Các ph−ơng pháp gamma tán xạ................................................................135 5.3.3.1. Cơ sở vật lý.............................................................................................135 5.3.3.2. Sơ đồ đo gamma tán xạ trong giếng khoan............................................137 5.3.3.3. Phép đo gamma tán xạ mật độ bù (kép).................................................138 5.3.3.4. Chiều sâu nghiên cứu và độ phân giải của các Zond đo gamma tán xạ mật độ.........................................................................................................................139 5.3.3.5. Chuẩn khắc độ các máy đo gamma tán xạ.............................................139 5.3.3.5. Phạm vi ứng dụng của ph−ơng pháp gamma tán xạ mật độ...................140 5.3.4. Ph−ơng pháp đồng vị phóng xạ gamma.....................................................142 5.3.5. Các ph−ơng pháp nơtron ............................................................................145 5.3.5.1. Ph−ơng pháp nơtron - gamma ................................................................145 5.3.5.2. Ph−ơng pháp nơtron - nơtron..................................................................150 5.3.5.3. Ph−ơng pháp xung nơtron ......................................................................159 5.3.5.4. Ph−ơng pháp quang nơtron ....................................................................167 5.3.5.5. Ph−ơng pháp kích hoạt phóng xạ ...........................................................167 3 Ch−ơng 6. Ph−ơng pháp sóng âm.............................................................................171 6.1. Tín hiệu sóng âm ..............................................................................................171 6.2. Sóng âm (Siêu âm)............................................................................................171 6.3. Tốc độ sóng âm.................................................................................................173 6.4. Cơ chế lan truyền sóng âm ...............................................................................176 6.5. Ph−ơng pháp đo tốc độ sóng âm.......................................................................178 6.5.1. Nguyên lý và sơ đồ máy giếng ..................................................................178 6.5.2. Nhận biết sóng dọc và sóng ngang ............................................................179 6.5.3. Loại trừ ảnh h−ởng đ−ờng kính giếng khoan.............................................182 6.5.4. Chiều sâu nghiên cứu và độ phân giải của Zond đo tốc độ siêu âm kép (BHC)...................................................................................................................183 6.5.5. Đơn vị đo ...................................................................................................183 6.5.6. Các yếu tố thể hiện lên kết quả đo.............................................................184 6.5.7. Phân tích kết quả........................................................................................187 6.5.8. Các sai số có thể gặp..................................................................................189 6.5.9. Dấu tích luỹ thời gian truyền sóng ............................................................191 6.5.10. Các ứng dụng ...........................................................................................192 6.6. Phép đo suy giảm biên độ sóng âm .................................................................193 6.6.1. Các tr−ờng hợp xuất hiện suy giảm năng l−ợng và tái phân bố năng l−ợng của sóng ..............................................................................................................194 6.6.2. Phép đo chất l−ợng trám xi măng (CBL) ...................................................197 6.6.3. Phép đo biến thiên mật độ (VDL)..............................................................199 Ch−ơng 7. Các ph−ơng pháp đo khí dung dịch và các tham số cơ học.................201 7.1. Mở đầu..............................................................................................................201 7.2. Các phép đo dung dịch .....................................................................................202 7.2.1. Sự thấm của khí và chất lỏng trong môi tr−ờng lỗ rỗng ............................202 7.2.2. Vai trò của dung dịch khoan và sự thâm nhập của dầu khí vào dòng dung dịch đối l−u ..........................................................................................................203 7.2.3. Trạng thái của hydrocacbon khi xâm nhập vào dòng dung dịch đối l−u...204 7.2.4. Tách khí từ dung dịch khoan .....................................................................206 7.2.5. Phát hiện và phân tích khí toàn phần .........................................................207 7.2.6. Phân tích khí bằng sắc ký ..........................................................................208 7.2.7. Phát hiện khí H2S .......................................................................................210 7.2.8. Đo các tham số phụ trợ khác .....................................................................210 7.3. Các phép đo mùn khoan ...................................................................................211 7.3.1. Phát hiện và mô tả......................................................................................211 7.3.2. Hàm l−ợng dầu khí và sự phân tích ...........................................................212 7.3.3. Mật độ........................................................................................................213 7.3.4. Phân tích hàm l−ợng cacbonat ...................................................................214 7.3.5. Sự đánh giá tiềm năng dầu khí của đá mẹ .................................................214 7.4. Phân tích và sử dụng các kết quả ......................................................................215 7.4.1. Nhận biết thạch học ...................................................................................215 7.4.2. Phân tích các biểu hiện khí ........................................................................217 7.4.3. Đánh giá định l−ợng các dị th−ờng khí .....................................................217 7.4.4. Tính chỉ số b∙o hoà khí ở đáy giếng..........................................................219 7.4.5. Tỷ số hàm l−ợng khí ..................................................................................220 7.4.6. d- exponent ................................................................................................222 7.5. Các ch−ơng trình hỗ trợ ứng dụng ....................................................................226 4 7.6. Nhận xét............................................................................................................227 Ch−ơng 8. Các ph−ơng pháp đo khác ......................................................................228 8.1. Đo đ−ờng kính giếng ........................................................................................228 8.1.1. Sơ đồ nguyên tắc của phép đo....................................................................228 8.1.2. Các yếu tố ảnh h−ởng ................................................................................229 8.1.3. áp dụng .....................................................................................................229 8.2. Xác định góc nghiêng và góc ph−ơng vị của trục giếng khoan ........................230 8.2.1. Sơ đồ cấu tạo của máy đo góc nghiêng và ph−ơng vị ................................230 8.2.2. Xử lý tính toán các đại l−ợng nghiên cứu..................................................231 8.3. Đo góc cắm của các lớp đất đá .........................................................................232 8.3.1. Nguyên lý của phép đo góc cắm................................................................233 8.3.2. Tính góc cắm của vỉa .................................................................................234 8.3.3. Biểu diễn các kết quả đo, vẽ góc cắm và ph−ơng vị ..................................240 8.3.4. Phạm vi ứng dụng ......................................................................................241 8.4. Đo nhiệt độ trong giếng khoan .........................................................................242 8.4.1. Tr−ờng nhiệt độ trong giếng khoan .................................................................242 8.4.2. Phép đo nhiệt độ ........................................................................................243 8.4.2.1. Đo không liên tục...................................................................................243 8.4.2.2. Đo liên tục..............................................................................................246 8.4.3. Các ứng dụng của ph−ơng pháp đo nhiệt độ ở giếng khoan ......................247 Ch−ơng 9. Lấy mẫu thành giếng và khoan nổ ........................................................249 9.1. Lấy mẫu đá .......................................................................................................249 9.1.1. Lấy mẫu thành giếng bằng súng (Corgun) ................................................249 9.1.2. Lấy mẫu đá bằng thiết bị khoan thành giếng.............................................250 9.2. Lấy mẫu chất l−u và đo áp suất vỉa...................................................................251 9.2.1. Thử vỉa (FT)...............................................................................................251 9.2.3. Thử vỉa lặp lại (RFT) .................................................................................254 Tài liệu tham khảo chính ..........................................................................................258 Phụ lục số 1.1a,b. Các đặc tr−ng địa vật lý của những khoáng vật phổ biến trong đá trầm tích . 260 Phụ lục số 2. Các ký hiệu viết tắt... 263 Phụ lục số 3. Tra cứu theo trang in.... 264 Phụ lục số 4. Chuyển đổi và sử dụng t−ơng đ−ơng. ...268 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 ph−ơng 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 ph−ơng vật lý để nghiên cứu lát cắt địa chất giếng khoan qua các thời kỳ và từng đối t−ợng khác nhau đ∙ từng có những tên gọi khác nhau. Những năm 1960 về tr−ớc lĩnh vực này đ−ợc 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 ph−ơng pháp Địa vật lý giếng khoan đ−ợc 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 b∙o hiện nay của khoa học công nghệ, Địa vật lý giếng khoan này càng phong phú về số ph−ơng 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, d−ờng nh− những ý t−ởng khoa học hôm nay thì ngày mai đ∙ trở thành công nghệ áp dụng trong sản xuất. ở Việt Nam các ph−ơng pháp địa vật lý giếng khoan đ∙ đ−ợc 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 n−ớc 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 ng−ời 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 ph−ơng 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 d−ới mặt đất, một trong lĩnh vực thăm dò than, quặng và n−ớc d−ới 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 đ−ợc 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 tr−ớc 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 Tr−ờng đại học ch−a 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 tr−ớc đây, đặc biệt là trong ngành công nghiệp dầu khí. Cùng với những thay đổi đó ở n−ớc ta đội ngũ những ng−ời làm công tác địa vật lý giếng khoan ngày càng đông đảo, những ng−ời 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 tr−ờng 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 tr−ờng 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 tr−ờng đại học trong đó giới thiệu nội dụng các ph−ơng 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 ph−ơng pháp. Trong giáo trình không chú trọng mô tả các máy móc thiết bị đo Địa vật lý giếng khoan mà trong mỗi ph−ơng pháp hay nhóm ph−ơng 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 đ−ợc 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 tr−ờng địa chất, cấu kiến trúc của đá chứa, xác định thành phần vật chất, tính toán trữ l−ợng 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 đ−ợc các đồng nghiệp đóng góp ý kiến. Các tác giả bày tỏ lòng cảm ơn đối với các đồng nghiệp ở tr−ờng 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 tr−ờng 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 Ch−ơng 1 Đối t−ợng và các tham số nghiên cứu 1.1. Đối t−ợng nghiên cứu Đối t−ợng 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