Giáo trình ĐỊA VẬT LÝ GIẾNG KHOAN - Chương 4

Chia sẻ: Norther Light | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:18

Thêm vào BST

Báo xấu

157
lượt xem 69
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ch-ơng 4 Các ph-ơng pháp thế tự phân cực và phân cực kích thích Thế điện tự phân cực hay còn gọi là thế tự nhiên và thế phân cực kích thích là hai tr-ờng điện quan trọng có nguồn gốc khác nhau. Thế điện tự phân cực là kết quả của các qúa trình hoá lý xảy ra khi dung dịch khoan tiếp xúc với đất đá và chất l-u bão hoà trong vỉa nghiên cứu và các lớp đá vây quanh. Thế điện phân cực kích thích lại là kết quả của các quá trình hoá lý xảy ra...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình ĐỊA VẬT LÝ GIẾNG KHOAN - Chương 4

Ch−¬ng 4 C¸c ph−¬ng ph¸p thÕ tù ph©n cùc vµ ph©n cùc kÝch thÝch ThÕ ®iÖn tù ph©n cùc hay cßn gäi lµ thÕ tù nhiªn vµ thÕ ph©n cùc kÝch thÝch lµ hai tr−êng ®iÖn quan träng cã nguån gèc kh¸c nhau. ThÕ ®iÖn tù ph©n cùc lµ kÕt qu¶ cña c¸c qóa tr×nh ho¸ lý x¶y ra khi dung dÞch khoan tiÕp xóc víi ®Êt ®¸ vµ chÊt l−u b∙o hoµ trong vØa nghiªn cøu vµ c¸c líp ®¸ v©y quanh. ThÕ ®iÖn ph©n cùc kÝch thÝch l¹i lµ kÕt qu¶ cña c¸c qu¸ tr×nh ho¸ lý x¶y ra trªn bÒ mÆt ng¨n c¸ch gi÷a thµnh phÇn cã ®Æc tÝnh dÉn ®iÖn ion vµ thµnh phÇn dÉn ®iÖn ®iÖn tö trong m«i tr−êng nghiªn cøu mçi khi bÞ kÝch thÝch bëi dßng ®iÖn ngoµi. Trªn c¬ së cña hai tr−êng ph©n cùc nªu trªn, trong §Þa vËt lý giÕng khoan ng−êi ta x©y dùng c¬ së lý thuyÕt vµ c«ng nghÖ cña hai nhãm ph−¬ng ph¸p t−¬ng øng: ThÕ ®iÖn tù ph©n cùc (Self - Potential, Spontaneous Potential) vµ ThÕ ®iÖn ph©n cùc kÝch thÝch (Provocative Potential). 4.1. Ph−¬ng ph¸p thÕ ®iÖn tù ph©n cùc - SP LÇn ®Çu tiªn, n¨m 1928, lóc chuÈn bÞ s¬ ®å ®Ó ®o ®iÖn trë suÊt trong giÕng khoan, Schlumberger ph¸t hiÖn thÊy cã sù tån t¹i mét hiÖu ®iÖn thÕ gi÷a ®iÖn cùc M trong giÕng khoan vµ ®iÖn cùc N ®Æt trªn mÆt ®Êt khi kh«ng cã dßng ®iÖn ph¸t. §iÖn thÕ ®ã thay ®æi rõ líp ®Êt ®¸ nµy sang líp ®Êt ®¸ kh¸c, víi gi¸ trÞ tõ mét vµi ®Õn hµng tr¨m millivolt. §iÖn thÕ ®ã cã tªn gäi lµ ®iÖn thÕ tù ph©n cùc. Ph−¬ng ph¸p ®o thÕ ®iÖn nµy gäi lµ ph−¬ng ph¸p thÕ ®iÖn tù ph©n cùc - SP. Tr−êng ®iÖn tù ph©n cùc trong giÕng khoan ®∙ ®−îc rÊt nhiÒu nhµ nghiªn cøu ph©n tÝch chi tiÕt: Doll (1949), Willie (1949), Daxnov (1950), Gondouin (1958), Hill vµ Anderson (1959), v.v Theo sù ph©n tÝch cña c¸c t¸c gi¶ kh¸c nhau, thÕ ®iÖn tù ph©n cùc trong giÕng khoan cã hai thµnh phÇn chÝnh do hai qu¸ tr×nh vËn ®éng cña c¸c ion: a) ThÕ ®iÖn ®éng lùc (®iÖn thÊm läc, dßng ch¶y) EK ph¸t sinh khi cã dung dÞch ®iÖn ph©n thÊm vµo m«i tr−êng lç rçng kh«ng kim lo¹i. b) ThÕ ®iÖn ho¸ EC xuÊt hiÖn khi hai chÊt l−u kh«ng cã cïng ®é kho¸ng ho¸ tiÕp xóc trùc tiÕp víi nhau hay qua mµng b¸n thÊm (vÝ dô sÐt) vµ qu¸ tr×nh oxy ho¸ khö trong m«i tr−êng cã quÆng ho¸ kim lo¹i. 94
4.1.1. C¸c qu¸ tr×nh ®iÖn ho¸ vµ ®iÖn ®éng lùc trong m«i tr−êng quanh giÕng khoan: a) Qu¸ tr×nh khuyÕch t¸n: C¸c ph©n tö muèi kho¸ng khi hoµ tan trong n−íc sÏ ph©n ly thµnh c¸c ion. Trªn bÒ mÆt tiÕp xóc gi÷a hai dung dÞch ®iÖn ph©n cã nång ®é C1 vµ C2 (C1 > C2) ®−îc ng¨n c¸ch bëi mét mµng b¸n thÊm (H×nh 4.1), c¸c ion ë phÝa cã nång ®é kho¸ng ho¸ cao sÏ dÞch chuyÓn sang phÝa cã nång ®é thÊp h¬n. V× ho¹t tÝnh cña c¸c ion kh«ng gièng nhau, phÝa m«i tr−êng cã nång ®é thÊp sÏ nhËn c¸c ion cã ®iÖn tÝch vµ ho¹t tÝnh cao. NÕu muèi hoµ tan lµ NaCl th× phÝa bªn cã nång ®é thÊp C2 sÏ cã thÕ ©m v× Cl- lµ ion cã ho¹t tÝnh m¹nh h¬n Na+. ThÕ ®iÖn khuyÕch t¸n ED sinh ra trªn mÆt tiÕp xóc gi÷a hai dung dÞch cïng lo¹i muèi NaCl, chØ kh¸c nhau vÒ nång ®é ®−îc tÝnh theo biÓu thøc Nerst: RT l K − l a C1 ED = * ln (4.1) F lK + la C2 Trong ®ã: R: H»ng sè khÝ (8,313 joule/K.mol) T : NhiÖt ®é tuyÖt ®èi. F : Sè Faraday (96500 coulombi) lK, la: Ho¹t ®é cña cation vµ anion (cm2/V.s) C1, C2: Nång ®é kho¸ng ho¸ trªn mÆt ranh giíi (g/l). Ho¹t ®é hay ®é linh ®éng cña c¸c ion tû lÖ víi tèc ®é khuyÕch t¸n cña chóng trong dung dÞch. V× vËy, ta cã thÓ tÝnh gÇn ®óng c«ng thøc (4.1) theo tèc ®é U vµ V cña cation vµ cña anion trong tr−êng ®iÖn cã gradien 1 vol/cm. RT u − v C1 C ED = = K D log 1 * ln (4.2) NaCl ®Ëm ®Æc NaCl lo·ng F u + v C2 C2 Trong ®ã: Mµng sÐt RT u − v K D = 2,3 * * gäi lµ F u+v H×nh 4.1. S¬ ®å h×nh thµnh thÕ khuyÕch t¸n hÖ sè khuyÕch t¸n. MÆt kh¸c, ®é linh ®éng cña c¸c ion trong dung dÞch tû lÖ víi nång ®é. Do ®ã, ë nång ®é kh«ng qu¸ cao cã thÓ thay thÕ nång ®é C1 vµ C2 b»ng ho¹t tÝnh ho¸ häc a1 vµ a2: 95
a1 E D = K D log (4.3) a2 Trong thùc tÕ, víi mét kho¶ng thay ®æi nång ®é kho¸ng ho¸ rÊt réng, ho¹t tÝnh 1 1 ho¸ häc cña dung dÞch cã thÓ thay b»ng ®é dÉn ®iÖn cña nã: a1 ≈ vµ a 2 ≈ R1 R2 Cuèi cïng, thÕ khuyÕch t¸n ®−îc tÝnh: R2 E D = K D log (4.4) R1 HÖ sè khuyÕch t¸n KD lµ hµm sè phô thuéc vµo nhiÖt ®é, thµnh phÇn ho¸ häc, ho¸ trÞ vµ nång ®é dung dÞch. NÕu c¸c ®iÒu kiÖn sau cïng ®∙ x¸c ®Þnh, khi ®ã KD chØ cßn phô thuéc vµo nhiÖt ®é m«i tr−êng. §èi víi dung dÞch NaCl, ë nhiÖt ®é 180C ®é linh ®éng cña c¸c ion lµ: Na+ → lK = 43,5.10-5 cm2/V.s Cl- → la = 65,5.10-5 cm2/V.s TÝnh ®−îc: RT 43,5 − 65,5 K D = 2,3 * = −11,6mV * (4.5) F 43,5 + 63,5 V× vËy: §èi víi tr−êng hîp C1 = 10C2 th×: C E D = −11,6 log 1 = −11,6mV (4.6) C2 NÕu hai dung dÞch trªn mÆt tiÕp xóc cã nång ®é kh«ng qu¸ kh¸c biÖt nhau th×: R2 E D = −11,6 log ( 4 .7 ) R1 Trong c¸c tr−êng hîp dung dÞch hoµ tan nhiÒu lo¹i muèi cã nång ®é kh¸c nhau th× lo¹i muèi nµo cã −u thÕ h¬n sÏ cã vai trß lín h¬n theo tû lÖ phÇn ®ãng gãp vµo gi¸ trÞ cña thÕ khuyÕch t¸n. b) Qu¸ tr×nh hÊp phô: Trong rÊt nhiÒu tr−êng hîp nh÷ng dung dÞch kh¸c nhau vÒ nång ®é kho¸ng ho¸ ph©n c¸ch nhau qua mµng máng cã ®é lç rçng nhá, vÝ dô líp sÐt máng. Khi ®ã, sù 96
khuyÕch t¸n c¸c ion theo c¸c lç rçng, mét sè ion linh ®éng cã thÓ bÞ hÊp phô. SÐt th−êng gi÷ l¹i c¸c ion ©m vµ ®Èy c¸c ion d−¬ng ®i qua. Nãi c¸ch kh¸c, sÐt lµ mµng thÊm c¸c cation mµ kh«ng thÊm ®èi víi c¸c anion. NÕu dung dÞch ë hai bªn mµng thÊm ®Òu lµ NaCl th× sÏ cã hiÖn t−îng dÞch chuyÓn c¸c cation Na+ ë phÝa nång ®é cao sang phÝa bªn cã nång ®é thÊp h¬n. Trong khi ®ã c¸c anion Cl- th× bÞ hÊp phô trªn thµnh kªnh dÉn. KÕt qu¶ lµ ë hai bªn cña mµng b¸n thÊm xuÊt hiÖn mét ®iÖn thÕ. ThÕ ®iÖn sinh ra do hiÖn t−îng võa nªu ë hai phÝa bªn cña mµng ng¨n c¸ch cã tªn gäi lµ thÕ ®iÖn hÊp phô do sÐt g©y ra (EA). Còng cã t¸c gi¶ gäi EA lµ thÕ mµng läc (Membrane). C¸c quan s¸t thùc tÕ cho thÊy EA thay ®æi theo h×nh th¸i cÊu tróc mµ kh«ng phô thuéc vµo chiÒu dµy cña mµng thÊm. NÕu gi¶ sö mét dung dÞch l−ìng ph©n cã hai ion cïng ho¸ trÞ (γK = γa = γ) nh− dung dÞch NaCl, khi ®ã biÓu thøc tÝnh thÕ ®iÖn hÊp phô cã thÓ lÊy gièng nh− ë (4.1). Trong ®ã, ®é linh ®éng la cña anion sÏ gÇn b»ng kh«ng, v× bÞ hÊp phô bëi h¹t kho¸ng vËt trªn thµnh èng dÉn. Do ®ã: C RT EA = ln 1 ( 4 .8 ) γF C2 §èi víi muèi NaCl, γ = 1 nªn biÓu thøc (4.8) trë thµnh: C RT E A = 2 ,3 log 1 ( 4 .9 ) F C2 T−¬ng tù nh− (4.2) vµ (4.4) ta viÕt: C1 a R E A = K A log = K A log 1 = K A log 2 ( 4 . 10 ) C2 a2 R1 Trong ®ã: KA = 2,3RT/F lµ hÖ sè hÊp phô. Tham sè nµy còng phô thuéc vµo nhiÖt ®é cña m«i tr−êng. ë nhiÖt ®é 180C, cho tr−êng hîp dung dÞch NaCl hÖ sè KA = +57,65 (mV). Do ®ã: R2 E A = +57,65 log (4.11) R1 ThÕ ®iÖn hÊp phô EA phô thuéc vµo bÒ mÆt riªng (cßn gäi lµ bÒ mÆt hÊp phô) hay ®é h¹t cña ®¸. §é h¹t cµng mÞn, diÖn tÝch bÒ mÆt riªng cña ®¸ cµng cao. HiÖn t−îng hÊp phô c¸c anion, nÕu muèi hoµ tan lµ NaCl th× phÝa bªn trong mµng thÊm cã nång ®é thÊp h¬n sÏ cã thÕ d−¬ng v× Na+ dÔ dÞch chuyÓn h¬n Cl- (H×nh 4.2). 97
c) ThÕ khuyÕch t¸n hÊp phô: Hai qu¸ tr×nh ®iÖn ho¸ khuyÕch t¸n vµ hÊp phô sinh ra c¸c ®iÖn thÕ t−¬ng øng ED vµ EA. C¸c thÕ ®iÖn nµy ®Òu do sù kh¸c biÖt nång ®é kho¸ng ho¸ ë hai phÇn dung dÞch C1 vµ C2. ë ®iÒu kiÖn giÕng khoan ta lu«n gÆp c¸c ranh giíi tiÕp xóc nh− thÕ: thµnh giÕng khoan, ranh giíi gi÷a c¸c líp ®Êt ®¸, gi÷a ®íi ngÊm víi ®íi nguyªn. C¸c ranh giíi ®ã ®Òu lµ mÆt ng¨n c¸ch gi÷a c¸c phÇn ®Êt ®¸ b∙o hoµ chÊt láng cã ®é kho¸ng ho¸ kh¸c nhau. Trong tr−êng hîp dung dÞch khoan lµ dung dÞch sÐt c¬ së n−íc ngät th× ®é kho¸ng ho¸ Cf cña filtrat dung dÞch th−êng nhá h¬n nång ®é kho¸ng ho¸ Cw cña n−íc vØa (Cw > Cf). Khi ®é kho¸ng ho¸ tù nhiªn cña n−íc vØa Cw vµ cña filtrat Cf ®∙ ®−îc quy ®æi vÒ nång ®é kho¸ng ho¸ NaCl t−¬ng ®−¬ng th× thÕ ®iÖn khuyÕch t¸n ë phÇn ®Êt ®¸ cã lç rçng vµ ®é thÊm cao. Theo (4.7) ta cã: Rf E D = −11,6 log (4.12) Rw Ng−îc l¹i, ë ®o¹n giÕng ®i qua c¸c ®¸ cã ®é rçng hiÖu dông vµ ®é thÊm kÐm nh− c¸c líp sÐt th× qu¸ tr×nh hÊp phô l¹i m¹nh, lµm ng¨n c¶n qu¸ tr×nh khuyÕch t¸n. Trªn bÒ mÆt c¸c líp sÐt, qu¸ tr×nh hÊp phô chØ tiÕp nhËn c¸c anion vµ ®Èy tr¶ c¸c cation. Hai qu¸ tr×nh ®iÖn ho¸ m¹nh yÕu kh¸c nhau vµ cã tÝnh tr¸i ng−îc nhau ë c¸c vØa thÊm vµ kh«ng thÊm cho nªn trªn thµnh giÕng khoan, ngang c¸c vØa c¸t (®é rçng vµ ®é thÊm cao) sÏ cã líp ion ©m. Cßn ë ngang c¸c líp sÐt (thÊm kÐm) sÏ cã líp ion d−¬ng. Sù h×nh thµnh c¸c mÆt tÝch ®iÖn + - - + + - tr¸i dÊu nh− vËy sÏ sinh ra dßng ®iÖn dÞch - + + - - cã chiÒu theo mòi tªn (H×nh 4.3). SÐt + - EA + - + T−¬ng tù nh− ®èi víi thÕ khuyÕch + + ----- - ------ t¸n, thÕ hÊp phô EA trong giÕng khoan -v v- +E + + + + + + ++ ®−îc tÝnh theo (4.10). Ta cã: +D - - + §íi röa + C¸t - - Rf + E A = +57,65 log + (4.13) - - + +++ + Rw ++++ - - +∧ ∧+ ------ ----- - - - + + Hai qu¸ tr×nh ®iÖn ho¸ khuyÕch - - + SÐt + t¸n vµ hÊp phô x¶y ra trªn mÆt tiÕp xóc - - + + gi÷a hai dung dÞch kh«ng cã cïng nång - - + + ®é kho¸ng ho¸ (filtrat dung dÞch vµ n−íc H×nh 4.3: Sù h×nh thµnh thÕ ED vµ EA vØa). Qu¸ tr×nh thø nhÊt m¹nh mÏ ë c¸c ®¸ cã ®é rçng vµ ®é thÊm cao. Qu¸ tr×nh thø hai chñ yÕu ë c¸c ®¸ sÐt cã ®éthÊm kÐm. Qu¸ tr×nh nµy cho c¸c ion linh ®éng ®i qua dÔ dµng, qu¸ tr×nh kia th× hÊp phô c¸c ion ®ã. VÒ mÆt h×nh thøc, hai qu¸ tr×nh khuyÕch t¸n – hÊp phô nh− hai mÆt ®èi lËp cña sù thèng nhÊt: Qu¸ tr×nh ®iÖn ho¸. Hai mÆt ®èi lËp cña mét qu¸ tr×nh thèng nhÊt lu«n lu«n ®i kÌm víi nhau. NÕu kh«ng cã hÊp phô th× qu¸ tr×nh khuyÕch t¸n sÏ kÕt thóc nhanh vµ ng−îc l¹i, nÕu chØ cã 98
qu¸ tr×nh hÊp phô th× b¶n th©n nã còng nhanh chãng trung hoµ ®iÖn tÝch. Khi ®ã, kÕt qu¶ lµ ranh giíi gi÷a c¸c líp ®¸ c¸t vµ sÐt kh«ng thÓ hiÖn râ qu¸ tr×nh ®iÖn ho¸. C¸c qu¸ tr×nh ®iÖn ho¸ lµm xuÊt hiÖn thÕ khuyÕch t¸n vµ thÕ hÊp phô nh− hai thµnh phÇn cña thÕ ®iÖn ho¸ khuyÕch t¸n – hÊp phô EDA. Trªn ranh giíi c¸c líp c¸t/sÐt thÕ ®iÖn ho¸ sÏ lµ tæng ®¹i sè cña c¸c thµnh phÇn ED vµ EA (H×nh 4.4). Rf Rf E DA = E D + E A = ( K D + K A ) log = K DA log (4.14) Rw Rw vµ gäi KDA = (KD+KA) lµ hÖ sè khuyÕch t¸n - hÊp phô. ë nhiÖt ®é 180C, hÖ sè nµy cã gi¸ trÞ b»ng -69,25 mV, ®«i EDA khi nã ®−îc lµm trßn:-70 mV. Rf SÐ t Rf E DA = −70 log [mV ] (4.15) ED = −11,6 log EA Rw Rw Chó ý: Ngang vØa sÐt kh«ng Rf ED E A = 57,65 log cã ®íi ngÊm mÆt ranh giíi Rw C¸t gi÷a Rf hay Rm víi Rw chÝnh lµ thµnh giÕng khoan. Trong vØa c¸t, mÆt ranh giíi gi÷a Rf vµ Rw chÝnh lµ ranh giíi ngoµi H×nh 4.4: DÞ th−êng EDA ë ranh giíi c¸c líp c¸t/sÐt cïng cña ®íi ngÊm Di. §−êng kÝnh ®íi ngÊm t¨ng theo thêi gian cho ®Õn khi qu¸ tr×nh thÊm dung dÞch ngõng h¼n. Khi ®−êng kÝnh ®íi ngÊm cßn thay ®æi th× thµnh phÇn ED thay ®æi lµm cho EDA còng v× thÕ mµ thay ®æi theo. §iÒu nµy gi¶i thÝch t¹i sao ®o thÕ ®iÖn SP trong giÕng khoan ë c¸c thêi ®iÓm kh¸c nhau ta cã thÓ gÆp tr−êng hîp gi¸ trÞ biªn ®é EDA thay ®æi v× ®−êng kÝnh ®íi ngÊm cßn ®ang thay ®æi. d) Qu¸ tr×nh thÊm läc Dßng thÊm cña chÊt láng trong m«i tr−êng lç rçng nh− ®Êt ®¸ lµ kÕt qu¶ cña møc chªnh ¸p suÊt trong m«i tr−êng ®ã. ë ®iÒu kiÖn giÕng khoan filtrat dung dÞch thÊm vµo ®Êt ®¸ ë thµnh giÕng khi ¸p suÊt thuû tÜnh cña cét dung dÞch lín h¬n ¸p suÊt vØa, nÕu ng−îc l¹i th× n−íc vØa sÏ ch¶y vµo giÕng khoan. C¸c qu¸ tr×nh thÊm ®ã lµm xuÊt hiÖn ë giÕng khoan mét thÕ ®iÖn mang dÊu ©m nÕu filtrat thÊm vµo ®Êt ®¸ ë thµnh giÕng; sÏ lµ dÊu d−¬ng nÕu n−íc vØa ch¶y vµo giÕng khoan. ThÕ ®iÖn cã nguån gèc do dßng thÊm läc cã tªn gäi lµ thÕ ®iÖn thÊm läc hay thÕ ®iÖn ®éng lùc. ThÕ ®iÖn thÊm läc Ef lµ hµm phô thuéc vµo møc chªnh ¸p ∆P gi÷a ®iÓm ®Çu vµ ®iÓm cuèi cña dßng thÊm, ®iÖn trë suÊt Rw vµ ®é nhít η, h»ng sè ®iÖn m«i ε cña chÊt 99
l−u vµ ®iÖn thÕ zeta ξ (hiÖu ®iÖn thÕ gi÷a c¸c líp ®iÖn kÐp linh ®éng vµ kh«ng linh ®éng ë thµnh èng mao qu¶n): ε ξ ∆P Ef = Rw (4.16) 4π η Trong ®ã: ∆P = P2 – P1 (P1 lµ ¸p suÊt cét dung dÞch; P2 lµ ¸p suÊt vØa). DÊu cña Ef phô thuéc vµo dÊu cña ∆P. Trong thùc tÕ khi khoan b»ng dung dÞch sÐt th−êng gi÷ ë ®iÒu kiÖn ¸p suÊt P1 ≥ P2. Filtrat thÊm vµo vØa ®Ó l¹i trªn thµnh giÕng mét líp vá sÐt ®ñ dµy ®Ó ng¨n kh«ng cho filtrat tiÕp tôc thÊm vµo vØa. §Õn thêi ®iÓm ®ã, qu¸ tr×nh thÊm thùc chÊt lµ bÞ dõng h¼n. V× vËy, thÕ ®iÖn thÊm läc Ef ë vØa c¸t vµ vØa sÐt lóc ®ã lµ nh− nhau, nãi c¸ch kh¸c thÕ ®iÖn nµy trë nªn rÊt nhá ë c¸c giÕng khoan dïng dung dÞch sÐt. Trong c¸c giÕng khoan thuû v¨n dïng dung dÞch n−íc l∙ cã ®é kho¸ng ho¸ thÊp th× tr−êng ®iÖn thÊm läc trë nªn cã tÇm quan träng, v× thµnh phÇn nµy cã liªn quan hµm sè víi hÖ sè thÊm c¬ häc f cña c¸c líp chøa n−íc: P1 − P2 EÌ = − f Rf (4.17) ξ e) Qu¸ tr×nh Oxy ho¸ khö Ph¶n øng oxy ho¸ khö lµ ph¶n øng ho¸ häc trao ®æi ®iÖn tö. Trong ph¶n øng oxy ho¸ khö, chÊt nµo mÊt mét hoÆc nhiÒu ®iÖn tö th× chÊt ®ã lµ chÊt oxy ho¸ vµ kÕt qu¶ xuÊt hiÖn mét ion d−¬ng (Cu → Cu++ + 2e-; Fe++ → Fe+++ + e-; ), chÊt nµo thu mét hay nhiÒu ®iÖn tö th× nã lµ chÊt khö. Khi ®ã nguyªn tè ho¸ häc mang ®iÖn tÝch ©m hoÆc trë vÒ trung tÝnh (2H+ + 2e- → H2). KÕt qu¶ cña qu¸ tr×nh oxy ho¸ khö sÏ lµm t¸ch phÇn m«i tr−êng cã ®iÖn tÝch d−¬ng vµ ©m dÉn ®Õn sù ph©n cùc vµ h×nh thµnh mét thÕ ®iÖn. §iÖn thÕ nµy cã thÓ ®−îc tÝnh b»ng c«ng thøc: C' RT EOX = ln( " K ) (4.18) γF C Trong ®ã: EXO lµ thÕ ®iÖn oxy hãa khö. C’, C” lµ hµm l−îng c¸c chÊt oxy ho¸ ë møc ®é nhiÒu h¬n hoÆc Ýt h¬n. K lµ h»ng sè c©n b»ng ph¶n øng oxy ho¸ khö. γ lµ ho¸ trÞ cña chÊt bÞ oxy ho¸ hoÆc khö. 100
ThÕ ®iÖn oxy ho¸ khö th−êng gÆp trong c¸c tr−êng hîp giÕng khoan ®i qua ®íi kho¸ng ho¸ hay c¸c vØa quÆng ®a kim, vØa than biÕn chÊt cao C¸c kho¸ng vËt nh− pyrit, pyrotin, chancopyrit, calcozin, covelin, th−êng dÔ bÞ oxy ho¸ trong m«i tr−êng axÝt nªn cã nhiÒu kh¶ n¨ng tham gia trong c¸c qu¸ tr×nh oxy ho¸ khö. C¸c ®íi kho¸ng ho¸ nhiÖt dÞch sulfua ë gÇn mÆt ®Êt th−êng biÓu hiÖn qua thÕ ®iÖn oxy ho¸ khö cao. Trong giÕng khoan, ë chiÒu s©u lín gÆp m«i tr−êng cã tÝnh khö m¹nh th× mét sè kho¸ng vËt nhãm sulfua nh−: pyrit, calcozin, kh«ng bÞ oxy ho¸ nh−ng khi gÆp dung dÞch khoan giµu oxy th× c¸c ph¶n øng oxy ho¸ khö x¶y ra m¹nh mÏ vµ do ®ã còng xuÊt hiÖn thÕ oxy ho¸ khö mµ ta cã thÓ ®o ®−îc. 4.1.2. ThÕ ®iÖn tù ph©n cùc toµn phÇn - SP C¸c qu¸ tr×nh khuyÕch t¸n - hÊp phô, thÊm läc vµ oxy ho¸ khö lµm xuÊt hiÖn c¸c thÕ ®iÖn lÇn l−ît t−¬ng øng lµ: EDA, Ef vµ EOX. C¸c thµnh phÇn nµy x¶y ra ®ång thêi vµ hîp thµnh thÕ ®iÖn tù ph©n cùc ESP trong giÕng khoan. E SP = E DA + E f + EOX (4.19) Trong c¸c giÕng khoan th¨m dß dÇu khÝ, ë phÇn l¸t c¾t ®¸ trÇm tÝch, hai thµnh phÇn ®Çu tiªn, nhÊt lµ thµnh phÇn khuyÕch t¸n - hÊp phô EDA lµ m¹nh mÏ nhÊt. Thµnh phÇn thø ba oxy ho¸ khö EOX th−êng kh«ng xuÊt hiÖn hoÆc rÊt yÕu, cã thÓ bá qua. Ng−îc l¹i, trong c¸c giÕng khoan th¨m dß quÆng hoÆc than ®«i khi cã tr−êng hîp thµnh phÇn EOX lµ m¹nh h¬n c¸c thµnh phÇn kh¸c. Dung §å thÞ thÕ tÜnh SÐt dÞch Mµng c¸ch ®iÖn ThÕ ®iÖn tÜnh ESSP tû lÖ víi C¸t mét dßng ISP trong m«i tr−êng Vá sÐt nghiªn cøu theo ®Þnh luËt Ohm: §íi ngÊm E SSP = RI SP M (4.20) SÐt Trong ®ã: R lµ trë kh¸ng cña phÇn m«i tr−êng mµ dßng ISP ®i qua SÐt (H×nh 4.5). Trong giÕng khoan lµ Rm. §å thÞ thÕ tÜnh Trong vØa nghiªn cøu lµ RXO. Trong vØa v©y quanh lµ RS. V× vËy cã thÓ C¸t tÝnh: E SSP = (Rm + R XO + RS )I SP ( 4.20 )' §−êng cong SP SÐt Trong giÕng khoan, dßng ISP ®i qua Rm nªn gi¸ trÞ ®o ®−îc USP sÏ lµ: §å thÞ thÕ tÜnh SPP §å thÞ ®o SP U SP = Rm I SP (4.21) ’ H×nh 4.5. S¬ ®å biÓu diÔn ph©n bè thÕ ®iÖn, Thay (4.20) vµo (4.21) ta sÏ ®−êng dßng SP vµ ®−êng cong quanh vØa thÊm nhËn ®−îc: 101
Rm U SP = E SSP (4.22) Rm + R XO + RS Tõ (4.22) ta thÊy thÕ ®iÖn USP ®o ®−îc trong giÕng khoan cã gi¸ trÞ tuyÖt ®èi lu«n lu«n nhá h¬n thÕ ®iÖn tÜnh tÝnh theo lý thuyÕt ESSP. Trªn h×nh 4.5a ®−êng biÓu diÔn thÕ ®iÖn tÜnh ESSP lµ ®−êng kh«ng liÒn nÐt cã gi¸ trÞ “kh«ng” ë vØa sÐt vµ b»ng const ë vØa c¸t. H×nh 4.5b biÓu diÔn gi¸ trÞ thÕ ®iÖn tù ph©n cùc USP ®o ®−îc trong giÕng khoan b»ng ®−êng ®å thÞ liÒn nÐt. DÞ th−êng USP cã d¹ng ®èi xøng vµ cã gi¸ trÞ cùc tiÓu ë ®iÓm gi÷a vØa c¸t vµ tiÕn tíi “kh«ng” ë c¸c vØa sÐt v©y quanh (USP < ESSP). NÕu vØa nghiªn cøu cã chiÒu dµy lín, ¶nh h−ëng cña ®iÖn trë RS tõ c¸c líp v©y quanh kh«ng cßn. TiÕt diÖn ngang cña giÕng khoan nhá h¬n tiÕt diÖn ngang cña ®íi ngÊm nªn trë kh¸ng RXO nhá h¬n trë kh¸ng cña giÕng khoan (RXO
U SP = U SP − U SP MN M N NÕu c¶ hai ®iÖn cùc M vµ N cïng dÞch chuyÓn trong giÕng khoan (H×nh 4.6a) th× phÐp ®o cã gi¸ trÞ lµ gradien SP. Khi N ®Æt cè ®Þnh trªn mÆt ®Êt, M lµ ®iÖn cùc ch¹y trong giÕng khoan th× phÐp ®o cã gi¸ trÞ ®o lµ thÕ SP t¹i ®iÓm M. U SP = U SP − U SP = U SP − const = U SP M N M Trong s¶n xuÊt phæ biÕn dïng s¬ ®å ®o thÕ SP. ChØ dïng s¬ ®å ®o gradien SP khi cã nhiÔu m¹nh. VÒ nguyªn t¾c tõ sè ®o ®o gradien SP cã thÓ tÝnh chuyÓn thµnh thÕ USP. b) §å thÞ hay biÓu ®å ®o SP trong giÕng khoan: Trong giÕng khoan,®å thÞ hay biÓu ®å ®o SP lµ ®−êng liªn tôc biÓu diÔn sù thay ®æi thÕ ®iÖn tù ph©n cùc SP theo chiÒu s©u. C¸c líp ®¸ kh¸c nhau trong l¸t c¾t thÓ hiÖn kh¸c nhau theo h×nh d¸ng, biªn ®é vµ dÊu cña dÞ th−êng ∆USP. Tû lÖ ngang vµ dÊu cña biÓu ®å SP ®−îc Ên ®Þnh trªn dÊu ký hiÖu - ↔ + ë ®Çu b¨ng ghi (H×nh 4.7). C¸c dÊu “-” vµ “+” chØ chiÒu gi¶m vµ t¨ng cña gi¸ trÞ USP. ChiÒu dµi cña mòi tªn §−êng “0” hai ®Çu lµ gi¸ trÞ thay ®æi cña gi¸ trÞ ®o t−¬ng øng trªn b¨ng ghi tÝnh b»ng mV. Trªn h×nh 4.7, dÊu hiÖu ®ã biÓu thÞ thay MÆt bÊt ®æi cña gi¸ trÞ ®o 20mV trªn chØnh hîp MÆt bÊt chiÒu dµi t−¬ng øng. chØnh hîp c) §−êng kh«ng (zero) cña biÓu ®å SP: Kho¶ng dÞch ®−êng “0” §−êng “0” §−êng cong ®o USP gÇn nh− kh«ng ®æi trªn ®−êng th¼ng ë c¸c ®o¹n chiÒu s©u giÕng khoan ®i qua c¸c líp sÐt hay ®¸ macn¬ cã chiÒu dµy ®ñ lín (H×nh 4.8). Ng−êi ta chän ®−êng nèi c¸c gi¸ trÞ SP ®i qua c¸c líp sÐt ®Ó dùng mét ®−êng th¼ng kÐo dµi theo chiÒu s©u giÕng H×nh 4.7. BiÓu ®å ®o SP trong giÕng khoan khoan. §−êng ®ã ®−îc gäi lµ ®−êng c¬ së hay ®−êng “kh«ng” (zero) cña biÓu ®å ®o SP. §−êng nµy v× vËy còng cã tªn gäi kh¸c lµ ®−êng sÐt. 103
DÞ th−êng ∆USP tÝnh b»ng milivol sÏ ®−îc v¹ch so víi gi¸ trÞ “0” trªn ®−êng sÐt. §−êng “kh«ng” (®−êng sÐt) trªn biÓu ®å ®o SP cã thÓ thay ®æi do mét sè nguyªn nh©n kh¸c nhau: - Thay ®æi ®é kho¸ng ho¸ cña dung dÞch khoan. - Thay ®æi thµnh phÇn ho¸ häc kho¸ng vËt cña vØa sÐt. - Trong l¸t c¾t, ë mét chiÒu s©u nµo ®ã, cã mét líp sÐt kh«ng kÝn hoµn toµn ®Ó ng¨n c¸ch ph©n chia c¸c líp c¸t cã ®é kho¸ng ho¸ kh¸c nhau. - Cã sù ph©n cùc ë c¸c ®iÖn cùc thu. ë gi÷a l¸t c¾t cã tån t¹i mét bÊt chØnh hîp ®Þa tÇng. Trªn h×nh 4.8, chÌn gi÷a c¸c líp c¸t B SÐt A vµ D cã ®é kho¸ng ho¸ kh¸c nhau lµ líp sÐt C kh«ng kÝn. Thµnh phÇn kho¸ng vËt sÐt ë c¸c líp G vµ E kh¸c víi sÐt ë líp A. C¸t B SÐt C NÕu USP trong vØa sÐt cã thµnh phÇn Ef th× gi¸ trÞ cña thµnh phÇn thÊm läc nµy còng C¸t D gÇn gièng nh− ë phÇn líp c¸t cã vá sÐt. V× thÕ, ®−êng sÐt trong tr−êng hîp ®ã xem nh− kh«ng SÐt E ®æi vµ kh«ng ¶nh h−ëng ®Õn dÞ th−êng ∆USP. Trong thùc tÕ, nhiÒu tr−êng hîp, thµnh phÇn C¸t F thÊm läc kh«ng ®−îc tÝnh ®Õn v× nã qu¸ nhá. SÐt G Trong l¸t c¾t lôc nguyªn, nÕu kh«ng cã C¸t H sù xuÊt hiÖn cña pyrit vµ c¸c kho¸ng vËt quÆng kh¸c th× m«i tr−êng nghiªn cøu nµy ®−îc xem lµ m«i tr−êng kh«ng kim lo¹i. Do H×nh 4.8. §−êng kh«ng vµ sù thay ®ã, thµnh phÇn oxy ho¸ khö còng kh«ng ®−îc ®æi ®−êng kh«ng trªn biÓu ®å SP tÝnh ®Õn. 4.1.4. C¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn h×nh d¸ng vµ biªn ®é dÞ th−êng ∆USP Biªn ®é vµ h×nh d¸ng cña dÞ th−êng SP ë ®o¹n giÕng ®i qua c¸c vØa thÊm phô thuéc vµo mét lo¹t c¸c yÕu tè kh¸c nhau: - §é lín cña tr−êng ®iÖn tù ph©n cùc ESP. - ChiÒu dµy h vµ ®iÖn trë Rt cña ®íi nguyªn. - §iÖn trë Ri vµ ®−êng kÝnh Di cña ®íi ngÊm. - §iÖn trë suÊt RS cña c¸c líp v©y quanh. - Hµm l−îng sÐt trong vØa nghiªn cøu. 104
Gi¸ trÞ USP mµ ta ®o ®−îc trong giÕng khoan lµ hµm sè phô thuéc vµo c¸c yÕu tè nãi trªn.  hR R D  U SP = f  E SP , , t , i , i .... (4.24)   d Rm Rm d   Rt , E SP ,... lªn d¸ng ®iÖu H×nh 4.9 thÓ hiÖn ¶nh h−ëng chiÒu dµy vØa h, ®iÖn trë Rm vµ biªn ®é ®−êng cong ®o ghi USP. Gi¸ trÞ ®o SP sÏ bÞ gi¶m dÇn khi ®−êng kÝnh giÕng t¨ng. TÊt c¶ c¸c yÕu tè kh¸c cña nã kh«ng thay ®æi, gi¸ trÞ SP gi¶m khi ®íi ngÊm s©u. ThÕ ®iÖn USP lµ gi¸ trÞ ®o tr−êng ®iÖn gi÷a mét ®iÖn cùc M ch¹y trong giÕng khoan so víi ®iÖn cùc N ®Æt trªn mÆt ®Êt. Nã ®−îc h×nh thµnh do dßng ®iÖn ®i trong dung dÞch khoan. Biªn ®é ∆USP gÇn b»ng víi ESSP chØ trong tr−êng hîp trë kh¸ng ®èi víi dßng ISP trong ®íi nguyªn vµ c¸c vØa v©y quanh lµ kh«ng ®¸ng kÓ so víi trë kh¸ng trong dung dÞch. §iÒu ®ã chØ x¶y ra khi vØa cã chiÒu dµy rÊt lín, cßn nãi chung trong mäi tr−êng hîp th−êng gÆp th× USP ®Òu bÞ gi¶m do chiÒu dµy vØa máng. H×nh 4.10 lµ c¸c b¶n chuÈn hiÖu VØa thÊm kh«ng thÊm VØa thÊm chØnh ®−a gi¸ trÞ USp, (ESP) trong tr−êng §−êng ghi SP SP tÜnh hîp vØa cã chiÒu dµy h h÷u h¹n vÒ tr−êng H×nh 4.9. ¶nh h−ëng cña h, R lªn kÕt hîp t−¬ng ®−¬ng vØa cã chiÒu dµy lín v« qu¶ ®o USP (theo Doll, 1948) h¹n. Kh«ng thÊm cã thÊm H×nh 4.10. B¶n chuÈn hiÖu chØnh gi¸ trÞ ®o SP 105
4.1.5. Ph¹m vi øng dông cña ph−¬ng ph¸p SP Ph−¬ng ph¸p thÕ ®iÖn tù ph©n cùc ®−îc øng dông réng r∙i trong nghiªn cøu c¸c giÕng khoan nh»m môc ®Ých kh¸c nhau, ®Æc biÖt trong th¨m dß dÇu khÝ vµ than. Trong thùc tÕ s¶n xuÊt, ph−¬ng ph¸p nµy ®−îc sö dông ®Ó gi¶i quyÕt c¸c nhiÖm vô kh¸c nhau: - Ph©n chia c¸c líp ®Êt ®¸ trong l¸t c¾t giÕng khoan theo thµnh phÇn th¹ch häc. NhËn biÕt c¸c líp ®¸ cã thÊm vµ kh«ng thÊm (tÇng chøa vµ tÇng ch¾n). - X¸c ®Þnh ranh giíi vµ chiÒu dµy c¸c vØa c¸t sÐt dùa vµo kh¶ n¨ng thÊm cña chóng. - Liªn kÕt ®ång danh c¸c líp trong l¸t c¾t gi÷a c¸c giÕng khoan trªn tuyÕn liªn kÕt. - X¸c ®Þnh ®iÖn trë suÊt cña n−íc vØa, Rw. - Trong ®iÒu kiÖn thuËn lîi, khi ®∙ x¸c ®Þnh ®−îc ®é sÐt Vsh cña ®¸ chøa th× kÕt qu¶ ®o SP cã thÓ ®−îc sö dông ®Ó ®¸nh gi¸ ®é lç rçng cña ®¸. 4.2. Ph−¬ng ph¸p thÕ ®iÖn ph©n cùc kÝch thÝch PP Khi tiÕn hµnh c¸c ph−¬ng ph¸p ®iÖn trë suÊt trong c¸c giÕng khoan than vµ quÆng ta hay gÆp hiÖn t−îng sau: Khi ®∙ ng¾t dßng ph¸t qua c¸c ®iÖn cùc AB mµ vÉn cßn quan s¸t ®−îc hiÖu ®iÖn thÕ gi÷a c¸c ®iÖn cùc thu MN. HiÖu ®iÖn thÕ nµy cã gi¸ trÞ lín, nhá vµ kÐo dµi qu¸ tr×nh t¾t dÇn trong kho¶ng thêi gian kh¸c nhau ë nh÷ng líp ®Êt ®¸ kh¸c nhau trong l¸t c¾t. Tr−êng ®iÖn nµy gäi lµ tr−êng ®iÖn ph©n cùc kÝch thÝch. ThÕ ®iÖn ph©n cùc kÝch thÝch UPP h×nh thµnh do sù ph©n cùc cña cña c¸c thµnh phÇn dÉn ®iÖn ®iÖn tö, dÉn ®iÖn ion vµ kh«ng dÉn ®iÖn trong m«i tr−êng mçi khi bÞ kÝch thÝch bëi dßng ®iÖn ph¸t. §Æc ®iÓm dÔ nhËn biÕt cña thÕ ®iÖn ph©n cùc kÝch thÝch lµ nã t¾t dÇn theo thêi gian, theo quy luËt hµm mò. 4.2.1. Qu¸ tr×nh h×nh thµnh thÕ ®iÖn ph©n cùc kÝch thÝch §∙ cã nhiÒu gi¶ thiÕt vÒ hiÖn t−îng ph©n cùc kÝch thÝch. C¸c kÕt qu¶ ph©n tÝch lý thuyÕt vµ thùc nghiÖm ®Òu cho thÊy cã hai nhãm qu¸ tr×nh lµm h×nh thµnh ®iÖn thÕ ph©n cùc kÝch thÝch trong m«i tr−êng nghiªn cøu: - C¸c qu¸ tr×nh x¶y ra trªn bÒ mÆt tiÕp xóc gi÷a phÇn m«i tr−êng dÉn ®iÖn ®iÖn tö vµ phÇn m«i tr−êng dÉn ®iÖn ion. - C¸c qu¸ tr×nh x¶y ra trªn bÒ mÆt tiÕp xóc gi÷a pha láng dÉn ®iÖn ion vµ pha r¾n kh«ng dÉn ®iÖn. a) Qu¸ tr×nh ®iÖn ho¸ trªn mÆt tiÕp xóc cña c¸c m«i tr−êng dÉn ®iÖn ®iÖn tö vµ dÉn ®iÖn ion Trong ®¸, phÇn dÉn ®iÖn ®iÖn tö th−êng lµ c¸c kho¸ng vËt nhãm sulfua, oxit vµ c¸c vØa than biÕn chÊt cao antraxit, c¸c líp grafit, PhÇn dÉn ®iÖn ion lµ n−íc b∙o hoµ trong lç rçng. 106
C¸c qu¸ tr×nh xuÊt hiÖn thÕ kÝch thÝch ë nhãm nµy lµ kiÓu ph©n cùc ®iÖn cùc. ThÕ ph©n cùc ®iÖn cùc phô thuéc vµo tõng kim lo¹i kh¸c nhau vµ nång ®é ion trong chÊt ®iÖn ph©n. Mét mÈu kim lo¹i khi nhóng vµo dung dÞch ®iÖn ph©n nã sÏ cã vai trß nh− mét ®iÖn cùc. Trªn bÒ mÆt tiÕp xóc víi dung dÞch sÏ cã sù c©n b»ng vËt chÊt mang tÝnh ®éng häc. Mét sè nguyªn tö cña ®iÖn cùc chuyÓn thµnh tr¹ng th¸i ion khi gi¶i phãng ®iÖn tö vµo m«i tr−êng dung dÞch. Trong khi ®ã cã mét l−îng c¸c ion t−¬ng ®−¬ng tõ dung dÞch ®iÖn ph©n chuyÓn ®éng vÒ phÝa ®iÖn cùc. §©y lµ tr¹ng th¸i tr−íc khi cã dßng ®iÖn kÝch thÝch. T¹i thêi ®iÓm cã dßng ®iÖn vu«ng gãc víi mÆt ®iÖn cùc, hiÖu thÕ ®iÖn ban ®Çu sÏ thay ®æi do hiÖu øng tÝch tô ion tõ dung dÞch vÒ phÝa ®iÖn cùc. ë c¸c phÇn bÒ mÆt cã dßng ®iÖn ®i vµo vµ ®i ra sÏ lµm ph©n ly chÊt ®iÖn ph©n. §èi víi dung dÞch NaCl, sù ph©n ly lµm xuÊt hiÖn c¸c ion Na+ vµ Cl-. C¸c bät khÝ b¸m trªn bÒ mÆt ®iÖn cùc h×nh thµnh mét pin gavanic cã c¸c ®iÖn cùc khÝ (H×nh 4.11). Khèi chÊt dÉn ®iÖn Khi xung dßng kÝch ®iÖn tö thÝch kÕt thóc, pin gavanic gi¶i ®iÖn vµ sinh ra trong m«i tr−êng xung quanh tr−êng ph©n cùc kÝch thÝch. VËy lµ sù ← → - - - + + + thay ®æi ®iÖn thÕ trªn mÆt tiÕp ← → e - + - - + + xóc kim lo¹i/dung dÞch do tÝch ← → + - + - - + + tô ion trªn ®iÖn cùc cho ®Õn ← → - + + + - - gi¸ trÞ cùc ®¹i gäi lµ ®iÖn ¸p Cl- H+ tíi h¹n. §iÖn ¸p tíi h¹n thÓ hiÖn d−íi d¹ng kh¸c lµ thÕ Dung dÞch ®iÖn ph©n ®iÖn kÝch thÝch trªn mÆt tiÕp H×nh 4.11: Khèi chÊt dÉn ®iÖn ®iÖn tö xóc gi÷a c¸c phÇn m«i tr−êng trong dung dÞch ®iÖn ph©n dÉn ®iÖn ®iÖn tö vµ dÉn ®iÖn ion. Khi tr−êng ®iÖn ngoµi b¾t ®Çu suy gi¶m, ®iÖn ¸p tíi h¹n cã xu h−íng håi phôc tr¹ng th¸i ban ®Çu cña c©n b»ng ®éng häc. Sù håi phôc nµy kÐo theo sù di chuyÓn cña c¸c ®iÖn tÝch, nghÜa lµ cã dßng ®iÖn - dßng ph©n cùc kÝch thÝch. §èi víi dßng ph©n cùc cã mËt ®é thÊp, ®iÖn thÕ tíi h¹n tû lÖ tuyÕn tÝnh víi mËt ®é dßng – hiÖn t−îng tuyÕn tÝnh. ë mét sè tr−êng hîp, c¸c s¶n phÈm trong dung dÞch ®iÖn ph©n t¸i ph¶n øng ho¸ häc víi c¸c ph©n tö dÉn ®iÖn theo kiÓu ph¶n øng oxy ho¸ khö. C¸c ph¶n øng nµy cã sù trao ®æi ®iÖn tÝch gi÷a phÇn m«i tr−êng giµu oxy vµ phÇn m«i tr−êng khö oxy vµ lµ lý do h×nh thµnh mét hiÖu thÕ kÝch thÝch gi÷a c¸c ®iÓm kh¸c nhau trªn bÒ mÆt kho¸ng vËt. b) C¸c qu¸ tr×nh x¶y ra trªn ranh giíi c¸c phÇn m«i tr−êng cã ®é dÉn ®iÖn ion vµ kh«ng dÉn ®iÖn. M« h×nh ®¸ chøa lµ c¸t sÐt cã hai pha. Pha cøng ®−îc xem nh− kh«ng dÉn ®iÖn. Pha láng – n−íc b∙o hoµ cã ®Æc tÝnh dÉn ®iÖn ion. HiÖn t−îng ph©n cùc kÝch thÝch trong tr−êng hîp nµy x¶y ra kh«ng ®ång ®Òu gi÷a c¸c ®¸ cã ®é sÐt kh¸c nhau lµm cho n−íc trong lç rçng còng ®ång thêi chÞu mét ¸p lùc cïng chiÒu víi dßng ®iÖn vµ líp ®iÖn kÐp th× bÞ biÕn d¹ng, m«i tr−êng bÞ ph©n cùc 107
khèi. ë thêi ®iÓm kÕt thóc xung dßng kÝch thÝch líp ®iÖn kÐp cã xu h−íng trë vÒ tr¹ng th¸i c©n b»ng (c¸c cation dÞch chuyÓn ng−îc l¹i vÞ trÝ ban ®Çu) n−íc trong lç rçng tho¸t khái ¸p lùc, chuyÓn ®éng theo chiÒu ng−îc l¹i, c¸c cation dÞch chuyÓn theo h−íng cña dßng n−íc. Qu¸ tr×nh dÞch chuyÓn cña c¸c cation lµm xuÊt hiÖn thÕ ph©n cùc kÝch thÝch. ë tr−êng hîp nµy thÕ ®iÖn ph©n cùc kÝch thÝch cã b¶n chÊt cña thÕ ®iÖn thÊm läc vµ m«i tr−êng nghiªn cøu bÞ ph©n cùc khèi. Trong c¸c ®¸ s¹ch, kh«ng cã sÐt, sù xuÊt hiÖn thÕ ph©n cùc kÝch thÝch lµ biÓu hiÖn cña qu¸ tr×nh ®iÖn ®éng lùc trong hÖ thèng kªnh rçng. Trong c¸c kªnh rçng th«ng nèi cña ®¸ h¹t vôn, hiÖn t−îng ®iÖn ®éng lùc t¹o ra tr−êng ®iÖn phô thuéc vµo ®é lín vµ dÊu cña – –+ –– + + thÕ “zeta”. ë thµnh èng mao + –– + +– – + qu¶n trong ®¸ lµ c¸c kho¸ng vËt –+ –+ +– –+ kh«ng dÉn ®iÖn hÊp phô cã chän +– + – +– läc c¸c ion, phæ biÕn lµ c¸c + – + anion. HiÖn t−îng ®ã dÉn ®Õn kÕt +– –+ + – – + + – + +– qu¶ lµ trªn thµnh èng mao qu¶n + – + + – – xuÊt hiÖn líp ®iÖn kÐp. C¸c anion ++ –– + – +– bÞ gi÷ chÆt h¬n, cßn c¸c cation chØ bÞ hót bëi lùc tÜnh ®iÖn gi÷a c¸c ion nªn chóng cã kh¶ n¨ng linh ®éng h¬n. D−íi ®iÖn ¸p cña tr−êng ®iÖn g©y kÝch thÝch, c¸c H×nh 4.12: Sù di chuyÓn cña cation d−íi cation dÔ dµng di chuyÓn vÒ phÝa ®iÖn ¸p kÝch thÝch ®iÖn cùc ©m (H×nh 4.12). Do ®Æc ®iÓm cña qu¸ tr×nh ®iÖn ®éng lùc (®iÖn thÊm läc) diÔn ra nh− võa nªu trªn nªn thµnh phÇn nµy cña thÕ tr−êng ®iÖn ph©n cùc kÝch thÝch sÏ cao ë phÇn m«i tr−êng cã tiÕt diÖn lç rçng nhá vµ thÊp ë phÇn m«i tr−êng nghiªn cøu cã tiÕt diÖn lç rçng lín, nghÜa lµ nã tû lÖ nghÞch víi ®é lç rçng cña m«i tr−êng. D−íi t¸c dông cña dßng ®iÖn kÝch thÝch, thÕ ®iÖn ph©n cùc kÝch thÝch còng phô thuéc vµo nång ®é kho¸ng ho¸ cña n−íc vØa. Khi ng¾t dßng kÝch thÝch, d−íi t¸c dông cña ¸p lùc thÈm thÊu, nång ®é kho¸ng ho¸ cña dung dÞch còng cã vai trß trong qu¸ tr×nh h×nh thµnh lùc ®iÖn ®éng häc kÝch thÝch do ®Æc ®iÓm kÝch thÝch. Qu¸ tr×nh h×nh thµnh ®iÖn thÕ kÝch thÝch theo c¸ch nµy ®−îc gäi lµ ph©n cùc nång ®é. Trong c¸c ®¸ cã chøa sÐt, theo thùc nghiÖm th× vai trß chÝnh cña sù h×nh thµnh thÕ ph©n cùc kÝch thÝch l¹i ë líp mµng sÐt trªn thµnh lç rçng hay bao trªn mÆt cña h¹t ®¸. §é lín cña thÕ ph©n cùc kÝch thÝch phô thuéc kh¸ phøc t¹p vµo ®iÖn trë suÊt cña n−íc vØa b∙o hoµ, hµm l−îng vµ lo¹i sÐt vµ vµo phÇn cation phô tréi chøa trong sÐt. HiÖn t−îng ph©n cùc kÝch thÝch trong c¸c ®¸ c¸t sÐt cã thÓ xem nh− lµ qu¸ tr×nh thÈm t¸ch ®iÖn (electrical dialisic)1 ®Ó gi÷ l¹i sÐt b»ng mµng b¸n thÊm lµ h¹t ®¸. Tr−êng ®iÖn ®−îc h×nh thµnh cã thÓ ®∙ gi÷ l¹i mét phÇn trong sè c¸c ion trao ®æi cña sÐt (cation) lµm thay ®æi nång ®é cña chóng, nghÜa lµ hiÖn t−îng “ph©n lo¹i” c¸c ion. 1. ThÈm t¸ch ®iÖn lµ c¸ch lµm s¹ch chÊt r¾n b»ng mét chÊt ®iÖn ph©n hay ng−îc l¹i nhê mét dßng b¸n thÊm chØ cho chÊt ®iÖn ph©n ®i qua vµ gi÷ l¹i chÊt r¾n. Qu¸ tr×nh lµm s¹ch sÏ nhanh h¬n nhê t¸c dông cña dßng ®iÖn 108
Khi dßng ®iÖn ngoµi chÊm døt, c¸c ion trao ®æi l¹i t¸i ph©n bæ trªn mµng sÐt vµ sinh ra gradien nång ®é lµm xuÊt hiÖn thÕ ph©n cùc kÝch thÝch. VËy cã thÓ nãi r»ng trÞ sè ph©n cùc gi¶m khi t¨ng nång ®é ion cña chÊt ®iÖn ph©n. C¸c ®¸ c¸t sÐt b∙o hoµ n−íc th× sÏ cã hiÖu øng thÊp. Trong tù nhiªn ta cã thÓ gÆp c¸c tr−êng hîp m«i tr−êng cã tÊt c¶ c¸c ®iÒu kiÖn bÒ mÆt tiÕp xóc gi÷a c¸c bé phËn dÉn ®iÖn ion, ®iÖn tö vµ c¸ch ®iÖn (c¸c ®¸ lôc nguyªn vµ cacbonat cã chøa pyrit d−íi d¹ng x©m t¸n, b∙o hoµ n−íc kho¸ng ho¸ cao ), dßng dÉn trong m«i tr−êng, v× vËy ®ång thêi cã tÊt c¶ hiÖu øng dÉn ion vµ dÉn ®iÖn ®iÖn tö. Trong ®iÒu kiÖn ®ã, hiÖu øng toµn phÇn sÏ lµ tæng cña c¸c thÕ ®iÖn h×nh thµnh tõ c¸c hiÖn t−îng võa nªu trªn. 4.2.2. §o thÕ ®iÖn ph©n cùc kÝch thÝch trong giÕng khoan 1. S¬ ®å nguyªn t¾c H×nh vÏ 4.13 lµ s¬ ®å nguyªn t¾c ®o thÕ ®iÖn ph©n cùc kÝch thÝch ∆UPP trong giÕng khoan. Ra ∆UPP E mA P Cm Cc Rh CP N B A1 M A2 H×nh 4.13. S¬ ®å ®o UPP Trong s¬ ®å ®o ∆UPP sö dông mét hÖ ®iÖn cùc A1MA2. C¸c ®iÖn cùc ph¸t A1 vµ A2 nèi th«ng nhau, ®iÖn cùc M ®Æt chÝnh gi÷a ®Ó tr¸nh bÞ kÝch thÝch khi ph¸t dßng IPP. §iÖn cùc B ®Æt c¸ch xa hÖ A1MA2 mét kho¶ng c¸ch ®ñ lín ®Ó tr¸nh nhiÔu c¶m øng khi ®o. Nhê bé chuyÓn m¹ch P, m¹ch ®o thÕ ∆UPP vµ m¹ch ph¸t AB lµm viÖc theo chÕ ®é lu©n chuyÓn (m¹ch nµy më, m¹ch kia ®ãng) cßn m¹ch ®o ®iÖn trë Ra th× lµm viÖc ®ång 109
bé víi m¹ch AB. Víi s¬ ®å ë h×nh 4.13 ta ®ång thêi ®o thÕ ph©n cùc kÝch thÝch ∆UPP vµ ®iÖn trë suÊt biÓu kiÕn Ra. C−êng ®é dßng ph¸t kÝch thÝch ®−îc duy tr× æn ®Þnh vµ ®ñ lín ®Ó ¶nh h−ëng cña thÕ tù ph©n cùc SP lµ kh«ng ®¸ng kÓ. 2. C¸c ®−êng cong ®o ghi thÕ ∆UPP Nghiªn cøu thÕ ®iÖn ph©n cùc kÝch thÝch trong giÕng khoan ng−êi ta cã thÓ chän mét trong c¸c quan hÖ phô thuéc hµm sè cña gi¸ trÞ ®o ∆UPP víi c−êng ®é dßng ph¸t I, thêi gian trÔ tÝnh tõ thêi ®iÓm kÕt thóc dßng ph¸t hoÆc mËt ®é dßng (j) hay chän c¶ ba tham sè trªn cho phï hîp víi ®èi t−îng nghiªn cøu. ∆UPP = f(I) ∆UPP = f(τ) (4.25) ∆UPP = φ(j) ViÖc lùa chän mét trong c¸c tham sè hay chän c¶ ba tham sè phô thuéc vµo ®èi t−îng nghiªn cøu. C¸c qu¸ tr×nh ph©n cùc trªn bÒ mÆt tiÕp xóc gi÷a c¸c thµnh phÇn dÉn ®iÖn ®iÖn tö vµ dÉn ®iÖn ion gÆp ë c¸c ®èi t−îng nghiªn cøu lµ ®íi quÆng ho¸ (sulfua, oxit), vØa than biÕn chÊt cao (antraxit). Qu¸ tr×nh ph©n cùc kÝch thÝch trªn ranh giíi tiÕp xóc gi÷a phÇn dÉn ®iÖn ion vµ phÇn kh«ng dÉn ®iÖn hay gÆp ë c¸c lo¹i ®¸ chøa cacbonat vµ ®¸ mãng nøt nÎ kh«ng cã quÆng ho¸ kim lo¹i. 3) ThÕ ph©n cùc kÝch thÝch Cïng m«t gi¸ trÞ dßng ph¸t kÝch thÝch kh«ng ®æi khi tiÕn hµnh ®o ph©n cùc kÝch thÝch nh−ng tr−êng ®iÖn kÝch thÝch thay ®æi theo ®iÖn trë suÊt cña m«i tr−êng. ThÕ ph©n cùc kÝch thÝch th× phô thuéc vµo c−êng ®é cña tr−êng kÝch thÝch nªn sè ®o ∆UPP chÞu ¶nh h−ëng cña ®iÖn trë suÊt cña vØa nghiªn cøu. V× thÕ trong c¸c ®¸ cã ®iÖn trë cao, c¸c ®−êng cong ®o thÕ ph©n cùc, vÒ mÆt ®Þnh tÝnh cã d¹ng t−¬ng tù nh− ®−êng cong ®o ®iÖn trë suÊt biÓu kiÕn vµ râ rµng nh− vËy kh«ng cho thªm th«ng tin g× trong ph©n tÝch ®Þa chÊt. C¸c ¶nh h−ëng cña ®iÖn trë suÊt cã thÓ bÞ h¹n chÕ ®i rÊt nhiÒu nÕu ta ®o gi¸ trÞ hÖ sè t−¬ng ®èi1 cña thÕ ph©n cùc kÝch thÝch ηPP sau ®©y: ∆U PP η PP = (4.26) ∆U Ra Trong ®ã: 1. HÖ sè t−¬ng ®èi ηPP cßn cã tªn gäi kh¸c lµ: hÖ sè ph©n cùc kÝch thÝch 110
∆UPP - thÕ ®iÖn ph©n cùc kÝch thÝch. ∆URa - thÕ ®iÖn gi÷a hai ®iÖn cùc thu M vµ N khi cã dßng ph¸t trong m«i tr−êng. §¹i l−îng nµy t−¬ng øng víi tÝn hiÖu ®o ®iÖn trë suÊt biÓu kiÕn. HÖ sè ph©n cùc kÝch thÝch t−¬ng ®èi ηPP sÏ kh«ng cßn chÞu ¶nh h−ëng do sù thay ®æi ®iÖn trë cña m«i tr−êng xung quanh giÕng khoan. V× thÕ, nã thuËn tiÖn h¬n thÕ ph©n cùc kÝch thÝch khi nghiªn cøu l¸t c¾t giÕng khoan th¨m dß c¸c ®íi quÆng ho¸. Khi gÆp c¸c ®íi quÆng ho¸, trªn ®−êng cong ηPP cã dÞ th−êng lín h¬n ®−êng cong ∆UPP rÊt nhiÒu v× ë ®ã, gi¸ trÞ ∆URa rÊt nhá. 4. Ph¹m vi øng dông cña ph−¬ng ph¸p ph©n cùc kÝch thÝch Ph−¬ng ph¸p thÕ ®iÖn ph©n cùc kÝch thÝch lµ mét trong c¸c ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu c¸c giÕng khoan t×m kiÕm th¨m dß c¸c quÆng r¾n vµ than. KÕt qu¶ ®o ph©n cùc kÝch thÝch ®Æc biÖt cã hiÖu qu¶ cao ë c¸c tr−êng hîp nghiªn cøu quÆng sulfua ®a kim vµ than biÕn chÊt cao. C¸c ®íi quÆng ho¸ hay gÆp trong ®¸ x©m nhËp vµ ®¸ biÕn chÊt lµ c¸c ®¸ cã ®iÖn trë suÊt cao nªn cã thÓ ¶nh h−ëng ®Õn kÕt qu¶ ®o ∆UPP. Trong tr−êng hîp ®íi quÆng giµu hoÆc x©m t¸n th× biÖn ph¸p ®o hÖ sè ηPP sÏ cã kÕt qu¶ râ rµng h¬n. Cßn mét lÜnh vùc kh¸ hÊp dÉn khi ¸p dông ph−¬ng ph¸p ph©n cùc kÝch thÝch ®Ó gi¶i quyÕt c¸c bµi to¸n t×m kiÕm n−íc d−íi ®Êt vµ vÒ nguyªn t¾c cã thÓ dùa vµo kÕt qu¶ ®o ph©n cùc kÝch thÝch ®Ó x¸c ®Þnh ®é thÊm cña tÇng chøa n−íc. 111