Giáo trình Địa vật lý giếng khoan

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 loại quặng và n−ớc d−ới đất. Giếng khoan là một công trình tìm kiếm thăm dò hoặc khai thác. Loại công trình này đ−ợc tạo bằng ph−ơng pháp cơ học - ph−ơng pháp khoan giếng, nhằm mục đích lấy mẫu đất đá, tạo ra một vết lộ địa chất còn “t−ơi”, ch−a bị phong hoá, hoặc để khai thác các chất l−u nh− dầu khí, n−ớc d−ới đất, n−ớc nóng có chứa năng l−ợng nhiệt. Thông th−ờng việc lấy mẫu lõi khoan khó thực hiện đ−ợc 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, ng−ời 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 “t−ơi” nguyên, ch−a 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 đ−ợc thực hiện bằng các ph−ơng pháp vật lý, hoá học. Nhờ các ph−ơng pháp này ta có thể xác định đ−ợc 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 tr−ng 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 tr−ng 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 th−ờng dựa vào nguồn gốc của đá để phân loại chúng, vì nguồn gốc thể hiện rất rõ trên các đặc tr−ng vật lý, hoá học, cơ học của đá. Theo nguồn gốc sinh thành của đá, ng−ời ta phân đá ở vỏ Quả đất thành 3 nhóm: macma, trầm tích và biến chất; mỗi nhóm có những đặc tr−ng riêng nh−ng 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 đ−ợc 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 tr−ờng địa chất, tiềm năng khoáng sản có ích (quặng, than, dầu khí...). Địa vật lý giếng khoan trong nghiên cứu dầu khí có đối t−ợng chủ yếu là đá trầm tích. Khi phân tích tài liệu địa vật lý giếng khoan, mô hình đá đ−ợc xem là môi tr−ờng có lỗ rỗng cấu tạo từ 3 pha: Cứng, lỏng và khí. Pha cứng bao gồm x−ơng đá (matrix) là những hạt khoáng vật tạo đá, xi măng gắn kết th−ờng là sét, cacbonat...; pha lỏng bao gồm n−ớc, dầu; pha khí bao gồm các khí hydrocacbon, khí CO2, H2S, N2... Cũng có một mô hình đơn giản bao gồm hai thành phần: matrix và sét; trong không gian, lỗ rỗng của đá đ−ợc lấp đầy chất l−u (dầu, khí, n−ớc). Hai thành phần cấu thành pha cứng của đá (matrix và sét) có ảnh h−ởng 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 b∙o hoà...). Sét trong nhiều tr−ờng hợp đ−ợc 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 th−ớc 1/16 - 1/256 mm. Matrix: Trong phân tích tài liệu matrix đ−ợc 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 l−ợng cho phép (< 5%). Giới hạn hàm l−ợng 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 tr−ng vật lý (phóng xạ, điện trở, chỉ số hydro, mật độ khối, tốc độ sóng đàn hồi...) của một số khoáng vật chính th−ờng 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 d−ới tác dụng của áp suất. Trong đá cát sét, sét nén th−ờng 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 đ−ờng 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 đ−ờng kính trong khoảng tử 1/256 - 1/16 mm, chứa nhiều hạt sét với hàm l−ợng 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 th−ờng 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 đ−ợc 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 đ−ờng 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 tr−ng của các khoáng vật sét Do khả năng hấp phụ của các hạt sét nên sét th−ờng 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 n−ớc khác nhau tuỳ từng loại. Sét xâm tán ngậm hydro cao hơn sét nén. Hydro có trong: a) Các ion hydroxit trong các phân K íc h th −ớ c cá c tin h th ể sé t Khả năng hấp phụ của sét (méq./100g) Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc ô mạng của một số loại sét Nhóm Các khoáng vật sét Công thứcTên Kích th−ớc 0A % K Khối l−ợng riêng (g/cm3) Chỉ số H (%) 10 tử khoáng vật sét; b) Trên bề mặt (lớp n−ớc màng) của hạt khoáng vật sét; c) N−ớc trong không gian giữa các màng tinh thể của sét. L−ợng n−ớc 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 h−ởng rất mạnh mẽ lên các thông số vật lý đo đ−ợc trong giếng khoan. L−u chất Trong không gian rỗng giữa các hạt vụn của đá đ−ợc lấp đầy chất l−u (n−ớc, dầu, không khí, các khí tự nhiên...). Vậy có bao nhiêu l−u chất có trong đá tr−ớc hết phụ thuộc không gian rỗng trong đá, tức vào độ lỗ rỗng của đá (Hình 1.2). Nếu chất l−u chứa trong lỗ rỗng của đá là n−ớc vỉa thì giữa matrix và n−ớc b∙o hoà có đặc tính dẫn điện hoàn toàn khác nhau. Th−ờng thì các khoáng vật tạo đá trong matrix là những khoáng vật kém dẫn điện, trong khi đó n−ớc vỉa có độ khoáng hoá nhất định trở thành chất dẫn điện rất tốt. Trong môi tr−ờng lỗ rỗng có chứa n−ớc thì khả năng dẫn điện của môi tr−ờng đó phụ thuộc chủ yếu vào n−ớc và độ khoáng hoá của n−ớc. 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 h−ởng 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, ng−ợc lại các kênh thông nối hẹp lại cong queo thì độ dẫn điện giảm. Sự khác nhau đó đ−ợc đánh giá bằng một tham số không thứ nguyên gọi là độ cong kênh rỗng. Độ cong kênh dẫn không chỉ ảnh h−ởng lên độ dẫn điện mà còn ảnh h−ởng lên độ thấm cơ học của đá - độ cong càng lớn thì độ thấm càng kém. Trong tr−ờng hợp chất l−u b∙o hoà trong không gian lỗ rỗng của đá không chỉ có n−ớc 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 l−ợng n−ớc trong đá giảm, l−ợng hydrocacbon tăng. Trong tr−ờng hợp này, độ dẫn điện của đá là một hàm số của độ b∙o hoà n−ớc 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 l−u (dầu, khí, n−ớc) trong không gian rỗng của đá. Các chất l−u nh− dầu khí chủ yếu là di chuyển từ nơi khác đến và lấp đầy trong lỗ rỗng của đá chứa. Đá chứa th−ờng 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 rỗng Hạt vụn Kênh dẫn Hình1.2. Độ rỗng giữa hạt của đá clastic b∙o hoà chất l−u 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 d−ới tác dụng của lực kiến tạo. Đá chứa là đá macma, nh− tr−ờng 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 đ−ợc 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 l−u. Độ thấm của đá chứa cát sét phụ thuộc vào độ rỗng, độ hạt, hàm l−ợng sét... Độ mở hay độ thông nối của kiểu lỗ rỗng khe nứt lớn hơn lỗ rỗng giữa hạt nên có cùng độ rỗng nh−ng 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 đ−ợc 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 ng−ời ta chia lỗ rỗng ra các loại: a) Độ rỗng toàn phần (Φt) 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 =−=Φ (1.1) Trong đó: vp: Thể tích của mọi không gian trống trong đá (thông th−ờng trong vp có chứa dầu, n−ớc, khí) vs: Thể tích của vật liệu rắn vt: Thể tích toàn phần của khối đá. Độ rỗng toàn phần gồm 2 phần: Lỗ rỗng nguyên sinh (Φ1) và độ lỗ rỗng thứ sinh (Φ2). Độ lỗ rỗng Φ1 là lỗ rỗng giữa hạt hay giữa các tinh thể, nó phụ thuộc vào kiểu, kích th−ớc hạt và cách sắp xếp của các hạt trong pha cứng. Φ2 là phần lỗ rỗng đ−ợc 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 (Φthn) đ−ợc tạo thành từ các phần lỗ trống có thông nối với nhau. Độ lỗ rỗng thông nối Φthn th−ờng nhỏ hơn lỗ rỗng toàn phần Φt bởi có nhiều tr−ờng hợp các bọt rỗng trong đá không thông nối đ−ợc với nhau. Chẳng hạn đá bọt có độ rỗng Φ1 vào cỡ 50%, nh−ng vì các bọt không có kênh thông nối với nhau nên Φthn = 0. 12 c) Độ lỗ rỗng tiềm năng (Φp) là phần lỗ rỗng hở có đ−ờng kính các kênh thông nối đủ lớn để cho dòng các chất l−u có thể đi qua dễ dàng (lớn hơn 50 àm đối với dầu, và 5 àm đối với khí). Độ lỗ rỗng tiềm năng (Φp) đôi khi có giá trị nhỏ hơn độ rỗng hở (Φthn). Ví dụ các lớp sét có độ rỗng hở rất cao từ 50 - 85% nh−ng 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 (Φef) là thuật ngữ đ−ợc sử dụng trong phân tích tài liệu địa vật lý giếng khoan. Đây là phần lỗ rỗng chứa chất l−u tự do trong không gian của lỗ rỗng hở Φthn hoặc lỗ rỗng Φp, nghĩa là không tính đến phần thể tích của các lớp n−ớc bao, n−ớc hydrat sét (n−ớc hấp phụ trên bề mặt các hạt sét), n−ớc tàn d−. Chú ý: Độ rỗng, hay tỷ phần thể tích lỗ rỗng trong đá là đại l−ợng 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 tr−ờng trầm tích ảnh h−ởng lên độ rỗng của đá sẽ đ−ợc 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 đ−ợc đo bằng đơn vị Ohm.m2/m hay Ohm.m (Ωm). Một khối đá đồng nhất đẳng h−ớng có hình lập ph−ơng với kích th−ớc 1 mét có trở kháng 1Ω giữa hai mặt đối diện, sẽ có điện trở suất R = 1Ωm. 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 (Ωm) = 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 n−ớc 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 th−ờng xuyên có n−ớc và phân bố liên tục trong đá. Điện trở suất của đá phụ thuộc vào: - Điện trở suất của chất l−u trong lỗ rỗng. Điện trở này thay đổi theo bản chất, nồng độ muối hoà tan trong n−ớc và nhiệt độ. 13 - L−ợng n−ớc chứa trong đá, nghĩa là phụ thuộc vào độ rỗng và độ b∙o hoà n−ớc 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 tr−ờng không đẳng h−ớng 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//) th−ờng thấp hơn theo chiều vuông góc (R⊥). Đặc điểm đó của đá đ−ợc đánh giá bằng hệ số bất đẳng h−ớng λ: 2 1 //R R    = ⊥λ (1.2) Hệ số λ có thể thay đổi trong phạm vi 1,0 ≤ λ ≤ 2,5. Các phép đo điện trở trong giếng khoan bằng các thiết bị đo sâu khác nhau (laterolog, cảm ứng) th−ờng đo đ−ợc giá trị điện trở suất R: ( )21//RRR ì= ⊥ (1.3) Bất đẳng h−ớng trong phạm vi một vỉa đồng nhất đ−ợc xem là bất đẳng h−ớng vi mô; khi xét trong phạm vi một tập vỉa hay một đoạn lát cắt trầm tích thì gọi là bất đẳng h−ớng vĩ mô. Bất đẳng h−ớng vĩ mô sẽ ảnh h−ởng lên mọi giá trị đo của các thiết bị đo điện trở khác nhau. Bất đẳng h−ớng 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 h−ớng vuông góc với thành giếng. ảnh h−ởng đó thể hiện lên giá trị đo bằng hệ thiết bị MLL hoặc PML. Tóm lại khi gọi là điện trở suất thực (Rt) của thành hệ là điện trở phụ thuộc vào hàm l−ợng chất l−u và bản chất cũng nh− cấu hình của x−ơng 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 d−ới 100.000ppm, quan hệ này là đồng biến. Nh−ng khi nồng độ tiếp tục tăng lên thì đ−ờng 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 t−ợng 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 đ−ợc giải thích là ở nồng độ b∙o hoà và quá b∙o 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 CaCl2 và MgCl2... và mạnh hơn nhóm sunfat (xem hình 1.3). Trong điều kiện tự nhiên muối NaCl vừa có hoạt tính mạnh vừa có hàm l−ợng lớn nên trong nghiên cứu ng−ời ta th−ờng đ−a nồng độ các muối khoáng của dung dịch về nồng độ t−ơng đ−ơng 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 đ−ợc dùng để chuyển đổi điện trở đo đ−ợc ở nhiệt độ thứ nhất (T1) về điện trở ở nhiệt độ T2 bất kỳ. Đ ộ dẫ n m M ho m 2 / m Nồng độ ppm Hình 1.3. Quan hệ giữa độ dẫn và nồng độ khoáng hoá. Điện trở suất dung dịch (Ωm) N hi ệt đ ộ Nồng độ NaCl Hình 1.4. Bản chuẩn quy đổi điện trở suất của dung dịch từ nhiệt độ T1 và nồng độ C1 về điện trở suất ở nhiệt độ T2 bất kỳ. 15 Cơ sở để xây dựng bản chuẩn ở hình 1.4 là công thức gần đúng của Arps:     + += 77,6T 77,6TRR 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 1WT R và 2WT R là điện trở suất dung dịch ở thiệt độ T1 và T2. 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 d−ờng 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 l−u b∙o hoà ngoài n−ớc, d−ờng nh− dẫn điện tốt hơn ta t−ởng do bề mặt khối của nó (hình 1.5a). Sét giống nh− màng rất mỏng nh−ng có diện tích bề mặt riêng rất lớn, tuỳ từng loại khoáng vật sét (1.5b). Có sự thiếu hụt điện tích d−ơng ở các màng sét. Điều này làm nảy sinh tr−ờng điện âm vuông góc