L&TD
LOGGING & TESTING DIVISION
Các phương pháp đo điện
Trong địa vật lý giếng khoan, các phương pháp điện bao gồm rất nhiều phép đo khác nhau nhằm xác định giá trị điện trở suất của thành hệ giếng khoan. Các phương pháp trong nhóm này có các đặc điểm chung là qua các điện cực, người ta phát các dòng điện kích thích vào môi trường nghiên cứu rồi dùng các điện cực khác đặt cách điểm phát một khoảng cách nhất định để đo các tín hiệu tương ứng từ môi trường nghiên cứu.
Một hệ được sắp xếp có quy luật gồm các điện cực thu tương ứng dùng để đo điện trở suất của môi trường nghiên cứu thì được gọi là hệ điện cực, thường được gọi là Zond (sonde). Các hệ điện cực đo có chiều sâu nghiên cứu khác nhau từ một vài centimet (phương pháp đo điện trở vi cực MBK, MSFL,...) đến vài mét (phương pháp chuẩn, BK,DLL...) sâu vào thành giếng nhờ khả năng
hội tụ điện trường kích thích và cách thu tín hiệu của chúng. Nhờ các phép đo bằng các hệ điện cực có chiều sâu nghiên cứu khác nhau người ta có thể đánh giá các giá trị điện trở suất của các đới khác nhau xung quanh giếng khoan.
Trong chương này ta sẽ lần lượt xem xét cơ sở của một số phương pháp chủ yếu đang có sử dụng phổ biến trong thực tế sản xuất.
Các phương pháp đo bằng hệ điện cực không có cực hội tụ
Qua điện cực A, người ta phát dòng điện tần số thấp (vài chục đến vài trăm và 1200Hz đối với hệ máy của Tver ), cường độ I vào môi trường đồng nhất đẳng hướng. Cùng với điện cực phát A, trong mạch phát có điện cực B đặt ở rất xa. Xung quanh điện cực A hình thành các mặt đẳng thế hình cầu đồng tâm tại A. Nếu điện thế ở một điểm cách tâm A một khoảng r là U(r) thì hiệu điện thế giữa hai mặt đẳng thế có bán kính chênh lệch dr sẽ là:
dU= -RIdr/4πr2 (3.1)
ở đây:
I - Cường độ dòng phát;
R - Điện trở suất của môi trường (Rdr/4πr2 là điện trở của vành xuyến môi trường nằm giữa hai mặt cầu).
Lấy tích phân (3.1) theo r ta có:
U = RI/4πr (3.2)
và cường độ điện trường E cũng được tính:
E = -dU/dr = RI/4πr2 (3.3)
Từ các phường trình (3.2) và (3.3) có thể tính được điện trở suất tương ứng như sau:
R = 4πr U/I (3.4)
R = 4πr² E/I (3.5)
Ta có hai cách đo điện trở suất sau đây:
a) Sơ đồ đo zond thế - Hệ điện cực thế
Một điện cực thu M đặt gần điện cực phát A (hình 3.2a), cường độ dòng I trong mạch AB được duy trì cố định. Điện thế UM so với điện thế tại N ở rất xa (giả thiết UN = 0), nếu bỏ qua ảnh hưởng của giếng khoan, có thể viết phương trình (3.2) như sau:
UM = RI / 4πAM (3.6)
ở đây AM là khoảng cách từ A đến M, gọi là chiều dài của hệ điện cực thế. Khi cường độ dòng I không đổi, điện thế UM tỷ lệ với điện trở suất R. Hệ số 4πAM gọi là hệ số zond KN của hệ điện cực thế, và ta có thể viết lại:
R = KN UM/I (3.7)
Vậy khi đo liên tục của UM theo một tỷ lệ đo tương ứng chính là đo điện trở suất R dọc theo trục giếng khoan. Trong thực tế, các hệ điện cực thế thường được dùng ở hai kích thước:
AM = 0.4 m, tương đương 16″, gọi là hệ điện cực thế ngắn
AM = 1.6 m, tương đương 64″, gọi là hệ điện cực thế trung bình.
Offset (Điểm đo) của zond thế được tính cho điểm giữa các điện cực A và M.
b) Sơ đồ đo zond gradien - Hệ điện cực gradien
Trên sơ đồ đo zond gradien (hình 3.3), hai điện cực M và N đều được lần lượt gần điện cực A với các khoảng cách xác định ( AN > AM ). Hiệu điện thế UMN giữa hai mặt cầu đẳng thế có chứa các điện cực M và N được tính:
UMN = UM – UN = RI|MN| / 4π|AM||AN|, (3.8 )
gọi KG = 4π|AM||AN| / |MN| thì:
R = KG UMN/I (3.9)
Khi I được duy trì không đổi thì điện trở suất R của môi trường tỷ lệ với hiệu điện thế UMN. Trong thực tế, để tiết kiệm năng lượng phát dòng và tránh hiện tượng ngắt mạch trong các lát cắt điện trở cao, người ta đưa điện cực phát B và điện cực thu N vào trong giếng khoan (hình 3.3b). Do tính tương hỗ trong một hệ điện cực, ta có thể đổi vai trò của điện cực phát cho điện cực thu và ngược lại mà giá trị điện trở suất đo theo (3.9) vẫn không thay đổi, vì KG là như nhau.
Chọn điểm O nằm giữa M và N, nếu khoảng cách từ M đến N càng gần nhau, MN << AM và AN thì ta có thể viết:
R = 4π|AO|2 dU / Idh (3.10)
Đạo hàm dU/dh = E là cường độ điện trường tại O, và điện trở suất R tỷ lệ với cường độ điện trường E. Khi đó AO (hay MO ) gọi là chiều dài của hệ điện cực gradien, và O cũng là offset (điểm đo) của hệ điện cực.
Chiều dài của hệ điện cực gradien được chọn khác nhau sao cho có hiệu quả khi đo trong từng đối tượng nghiên cứu cụ thể khi đo vỉa than hay dầu khí... Ví dụ ở Việt Nam khi nghiên cứu các giếng khoan than...có đường kính giếng trung bình bằng 120 mm thì chọn AO = 1m0; còn trong các giếng khoan dầu khí, có đường kính trung bình 200mm, thì lấy chiều dài AO = 2m05 làm hệ điện cực chuẩn.
Điện trở suất biểu kiến
Môi trường thực tế ở giếng khoan không phải là môi trường đồng nhất đẳng hướng và vô hạn lý tưởng. Trước hết đất đá là môi trường dị tính phức tạp, hơn thế nữa khi giếng khoan được tạo thành nó chứa dung dịch khoan có điện trở suất khác hẳn với
đất đá ở thành giếng. Trong mọi trường hợp filtrat của dung dịch thấm vào thành giếng tạo ra lớp vỏ sét và các đới cận giếng khác tạo thành môi trường bất đồng nhất điện trở có tính đối xứng trục.
Tóm lại, môi trường nghiên cứu ở giếng khoan luôn luôn là môi trường bất đồng nhất, vì vậy đường dòng phát từ A đi vào môi trường không còn là những đường thẳng xuyên tâm như ở hình 3.1, mà có bị khúc xạ cong trên các mặt trụ đồng trục ranh giới
bất đồng nhất. Nói cách khác các mặt đẳng thế bao quanh điện cực A không phải là các mặt cầu đồng tâm A, vì vậy các phương trình (3.6) và (3.8 ) không hoàn toàn đúng trong môi trường đo thực tế và điện trở suất tính theo (3.7) và (3.9) cũng không còn là
điện trở suất thực của môi trường đồng nhất.
Trong thực tế ta chỉ đo được các giá trị điện trở suất biểu kiến
Ra = KN UM/I đối với hệ zond thế, và
Ra = KGG UMN/I cho trường hợp hệ điện cực gradien.
Trong đó:
UM và UMN là các giá trị thế và hiệu điện thế đo được trong môi trường bất đồng nhất theo các sơ đồ ở các hình 3.2 và hình 3.3.
Ra - điện trở suất biểu kiến: điện trở suất đo được trong môi trường không đồng nhất ở giếng khoan.
Tại cùng một điểm ở trục giếng khoan giá trị điện trở Ra đo đươc bằng các hệ điện cực khác nhau thường không bằng nhau do đặc điểm tên gọi (thế hoặc gradien), kích thước, thứ tự sắp xếp các điện cực...của chúng khác nhau.
Dạng đường cong đo điện trở trong giếng khoan
Điện trở suất biểu kiến đo được trong giếng khoan phụ thuộc phức tạp vào các yếu tố:
- loại và chiều dài của hệ điện cực đo,
- đường kính giếng,
- chiều sâu đới ngấm,
- điện trở suất và
- chiều dày của các lớp đất đá trong lát cắt...
Hình 3.5 thể hiện các đặc điểm và dáng điệu của các đường cong đo ghi Ra trong giếng khoan bằng các điện cực thế và gradien qua các phần lát cắt khác nhau.
Trường hợp zond thế
Dáng chung của đường Ra là đối xứng qua điểm giữa của vỉa.
Trường hợp vỉa dày (h >> AM), điện trở cao (Rt > Rsh) (hình 3.5a), các điểm uốn (p và p’) trên đường cong lần lượt nằm ở vị trí thấp hơn nóc và cao hơn vách vỉa một khoảng đúng bằng AM/2 . Vậy trong trường hợp nà, nếu vạch vỉa theo các điểm uốn thì chiều dày biểu kiến sẽ nhỏ hơn chiều dày thực của vỉa một giá trị bằng AM.
Trường hợp vỉa mỏng (h << AM) điện trở cao (hình 3.5b) thì đường cong có dạng đối xứng nhưng giá trị điện trở suất biểu kiến tại giữa vỉa lại rất thấp, bằng giá trị điện trở suất của các lớp vây quanh. Đường cong có 2 điểm cực đại ảo nằm cao hơn nóc và thấp hơn vách vỉa một đoạn bằng AM/2 , nghĩa là các điểm cực đại cách nhau bằng (h + AM) đối xứng qua trung tâm của vỉa.
Trường hợp vỉa dày có điện trở rất cao Rt = ∞ (hình 3.5e) nếu điện cực N đặt trên mặt đất (hệ điện cực thế lý tưởng) đường cong có dạng hình chuông, còn nếu N cũng thả trong giếng khoan cách M một khoảng 6m thì đường Ra có dạng gấp góc (đường đứt nét trong hình 3.5e).
Các trường hợp vỉa có điện trở thấp hơn các vỉa vây quanh (hình 3.5c, 3.5d) đường Ra vẫn giữ hình dạng đối xứng. Phụ thuộc vào chiều dày h của vỉa, nếu h lớn thì giá trị Ra có cực tiểu gần với giá trị điện trở suất thực Rt của vỉa hơn, nếu là vỉa mỏng thì giá trị này luôn luôn lớn hơn Rt. Khác với các trường hợp vỉa điện trở cao, các trường hợp vỉa điện trở thấp luôn luôn cho chiều dày biểu kiến lớn hơn chiều dày thực của vỉa bằng hai nửa chiều dài của hệ điện AM/2 .
Trường hợp hệ điện cực gradien
Đối diện với các vỉa dày (h > AO ), điện trở cao đường cong Ra luôn luôn có dạng không đối xứng (hinh 3.5a). Khi các điện cực M và N đi vào vỉa (vùng 1) chỉ có một phần dòng rất nhỏ đi được vào vỉa nên hiệu điện thế đo được rất thấp, trên đường cong đánh dấu bằng một cực tiểu ở ngay nóc vỉa. Lúc điện cực phát A đi vào vỉa a thì
điện trở Ra đo được tăng nhanh và tiến tới gần giá trị Rt (vùng 2). Khi các điện cực M
và N tiến vào vỉa vây quanh bên dưới thì hiệu điện thế giữa cặp điện cực này đột ngột tăng do sự tập trung dòng phát từ môi trường điện trở cao vào môi trường điện trở thấp.
Hiện tượng này được đánh dấu bằng một cực đại trên đúng vách vỉa. Tiếp theo là hiệu điện thế giảm đột ngột do sự phân tán dòng trong môi trường điện trở thấp nên giá trị Ra đo được cũng giảm theo (vùng 3). Điện trở trong vùng 3 giảm dần đến giá trị Rsh ở
bên dưới, cách ranh giới vỉa một khoảng bằng chiều dài AO của hệ điện cực.
Dáng điện trường Ra vừa mô tả là dáng điệu của đường cong Ra đo được bằng hệ điện cực gradien xuôi. Trường hợp trên nếu phép đo thực hiện bằng hệ điện cực gradien ngược thì dáng điệu của đường cong đo được sẽ đảo ngược theo nguyên tắc ảnh gương qua đường đối xứng đi qua trung tâm vỉa.
Trường hợp vỉa mỏng (h < AO ) điện trở cao đường Ra cũng có dạng không đối xứng (hình 3.5b) nhưng có dạng một pich nhọn ở vách vỉa. Các ranh giới vỉa được vạch ở chân và đỉnh của pich nhọn. Thấp hơn ranh giới vách vỉa đường Ra có một cực đại lặp
lại (cực đại ảo) có biên độ thấp hơn. Hai cực đại này cách nhau một khoảng bằng chiều dài AO của hệ điện cực.
Gặp trường hợp vỉa dày điện trở rất cao (hình 3.5e) đường Ra có dạng peak nhọn không đối xứng, đỉnh của peak này nằm ngay trên vách vỉa. Cũng như trường hợp vỉa dày (hình 3.5a) ranh giới nóc vỉa được xác định tại điểm cách chân của pich nhọn một khoảng bằng AO về phía trên.
Các vỉa mỏng có điện trở thấp (hình 3.5c và 3.5d) thể hiện trên đường Ra phức tạp hơn các trường hợp vừa xét. Dáng đường cong Ra không đối xứng, các ranh giới nóc và vách vỉa có thể xác định theo các điểm cực trị: cực đại ở nóc, cực tiểu ở vách vỉa. Bên dưới vách các vỉa này cùng tồn tại những cực tiểu lặp lại (cực tiểu ảo) các một đoạn bằng AO .
Chiều sâu nghiên cứu của các hệ điện cực
a) Zond thế
Trong môi trường đồng nhất đẳng hướng, từ các phương trình (3.2) và (3.6) ta dễ dàng nhận thấy rằng tín hiệu UM sẽ giảm đi một nửa khi tăng chiều dài của hệ điện cực lên hai lần (AM’ = 2AM), và giảm tiếp đến 90% khi AM’ = 10AM. Vậy đất đá ở ngoài mặt cầu có bán kính r = 10AM chỉ còn đóng góp 10% tín hiệu đo.
Nếu tính chiều sâu nghiên cứu của hệ điện cực là giới hạn phần môi trường bao bởi mặt cầu để ở đó có được tín hiệu không ít hơn 50% thì chiều sâu nghiên cứu (r) của hệ điện cực thế bằng hai lần kích thước của hệ điện cực: r = 2 AM .
b) Hệ điện cực gradien
Từ phương trình (3.8 ) cũng có thể suy ra rằng vùng cho tín hiệu chính khi đo điện trở bằng hệ điện cực gradien là phần môi trường giới hạn bởi hai mặt cầu đồng tâm có bán kính lần lượt bằng AM và AN. Vậy có thể nói rằng chiều sâu nghiên cứu của hệ điện cực gradien bằng chiều dài AO (hoặc MO) của hệ điện cực.
c) Trong môi trường thực tế ở giếng khoan
Trong môi trường thực tế ở giếng khoan luôn luôn gặp môi trường không đồng nhất phức tạp. Vì vậy các mặt đẳng thế U(M) trong môi trường này không còn là các mặt cầu đồng tâm đơn giản như môi trường đồng nhất đẳng hướng. Phần thể tích của môi trường có góp phần vào tín hiệu đo phụ thuộc rất nhiều vào kích thước hình học và điện trở của các đới lân cận giếng, đường kính giếng khoan và lớp vỏ sét (Mud Cake). Các hình 3.6 và 3.7 sẽ giúp ta hình dung về chiều sâu nghiên cứu và vùng đóng góp tín hiệu đo từ các đới khác nhau lần lượt của hệ điện cực thế và gradien.
Từ những điều phân tích và các hình vẽ 3.6 và 3.7 có thể đưa ra các nhận xét như sau:
- Nếu mọi yếu tố là như nhau, thì khi chiều dài của hệ điện cực càng lớn thì chiều sâu nghiên cứu của nó càng lớn.
- Đối với một hệ điện cực không có cực chắn, chiều sâu nghiên cứu của nó sẽ giảm dần khi tỷ số điện trở thành hệ/ điện trở dung dịch khoan càng cao.
- Khi có cùng chiều dài, hệ zond thế sẽ có chiều sâu nghiên cứu lớn hơn hệ zond gradien.
(còn tiếp)
NXQ
