Giáo trình địa vật lý giếng khoan part 4

Chia sẻ: Asfj Asfhjk | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

128
lượt xem 27
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

ta thấy với cùng giá trị yếu tố hình học, độ dẫn của đới nào cao hơn thì đóng góp của đới đó vào tín hiệu toàn phần lớn hơn. Trong môi trường đồng nhất, các phần không gian có tỷ phần đóng góp vào tín hiệu chung của các đới quanh Zond đo được thể hiện trong hình Giá trị đo Ca của Zond đo cảm ứng tính cho điểm O nằm chính giữa hai ống dây T và R - vì vậy điểm O gọi là điểm đo của hệ thiết bị đo cảm ứng hai ống dây. c)...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình địa vật lý giếng khoan part 4

Tõ (3.100) ta thÊy víi cïng gi¸ trÞ yÕu tè h×nh häc, ®é dÉn cña ®íi nµo cao h¬n th× ®ãng gãp cña ®íi ®ã vµo tÝn hiÖu toµn phÇn lín h¬n. Trong m«i tr−êng ®ång nhÊt, c¸c phÇn kh«ng gian cã tû phÇn ®ãng gãp vµo tÝn hiÖu chung cña c¸c ®íi quanh Zond ®o ®−îc thÓ hiÖn trong h×nh 3.27. Tû phÇn ®ãng ghãp tÝn hiÖu ®o theo yÕu tè h×nh häc 5% ÷ 10% > 50% Gi¸ trÞ ®o Ca cña Zond ®o 25 ÷ 50% 2 ÷ 5% 10 ÷ 25% < 2% c¶m øng tÝnh cho ®iÓm O n»m chÝnh gi÷a hai èng d©y T vµ R - v× vËy ®iÓm O gäi lµ ®iÓm ®o cña hÖ thiÕt bÞ ®o c¶m øng hai èng d©y. c) ChiÒu s©u nghiªn cøu vµ kh¶ n¨ng ph©n gi¶i ChiÒu s©u nghiªn cøu theo H×nh 3.27. YÕu tè h×nh häc cña Zond ®o c¶m øng (theo Schlumberger) ph−¬ng b¸n kÝnh vµ kh¶ n¨ng ph©n gi¶i l¸t c¾t theo ph−¬ng z cña mét Zond ®o c¶m øng trong giÕng khoan ®−îc tÝnh to¸n nh− sau: YÕu tè h×nh häc cña phÇn m«i YÕu tè h×nh häc tr−êng n»m gi÷a hai mÆt trô b¸n kÝnh r vµ (r+dr) kÐo dµi theo trôc z tõ -∞ ®Õn +∞ ®−îc tÝnh: +∞ ∫ gdz Gr = (3.101) −∞ §èi víi tr−êng hîp cña Zond hai èng d©y, gi¸ trÞ Gr tÝnh theo (3.101) biÕn ®æi nh− hµm sè cña r (h×nh 3.28). H×nh 3.28 chØ ra r»ng Zond hai èng d©y kh«ng héi tô tr−êng ®iÖn tõ tËp trung chñ yÕu trong ®íi trô cã b¸n 1 kÝnh r = L ®Õn L. 4 H×nh 3.28. YÕu tè h×nh häc Gr theo ph−¬ng b¸n kÝnh cña Zond 2 èng d©y H×nh 3.29 cho thÊy c¸c Zond ®o cã nhiÒu èng d©y héi tô cã chiÒu s©u nghiªn cøu t¨ng theo chiÒu dµi cña Zond. Chó ý: C¸c ký hiÖu 6FF27, 5FF40 vµ 6FF40 lµ nh÷ng ký hiÖu cña c¸c Zond ®o c¶m øng. Trong c¸c ký hiÖu ®ã ch÷ sè Hy L¹p ®Çu tiªn chØ sè èng d©y, c¸c ký tù FF chØ 82
r»ng Zond ®o cã héi tô, vµ con sè cuèi YÕu tè h×nh häc cïng lµ chiÒu dµi L cña Zond ®o, tÝnh b»ng inches. YÕu tè h×nh häc theo ph−¬ng th¼ng ®øng t¹i vÞ trÝ c¸ch ®iÓm ®o O mét kho¶ng Z (h×nh 3.30) ®−îc tÝnh theo biÓu thøc sau: Kho¶ng c¸ch H×nh 3.29. YÕu tè h×nh häc Gr theo r ∞ G Z = ∫ gdr cña c¸c Zond ®o cã nhiÒu èng d©y (3.102) 0 LÊy tÝch ph©n (3.102) ta sÏ nhËn ®−îc c¸c biÓu thøc sau: L L 1 GZ = , trong kho¶ng − < Z < + 2L 2 2 L L 1 GZ = , ngoµi kho¶ng trªn, nghÜa lµ Z < − vµ Z > + . 2 2 2 8Z VËy lµ mét vØa cã chiÒu dµy lín h¬n L th× ¶nh h−ëng cña c¸c líp v©y quanh sÏ rÊt nhá, ®iÒu ®ã ®ång nghÜa víi nhËn xÐt ®é ph©n gi¶i l¸t c¾t cña Zond ®o c¶m øng b»ng chiÒu dµi L cña nã. d) Lµm héi tô tr−êng kÝch thÝch vµ tÝn hiÖu ®o Nh− ®∙ nãi, trong thùc tÕ s¶n xuÊt c¸c Zond ®o c¶m øng ng−êi ta kh«ng dïng lo¹i H×nh 3.30. YÕu tè h×nh häc theo ph−¬ng th¼ng ®øng cã hai èng d©y, mµ th−êng (®Æc tÝnh ph©n gi¶i theo z) dïng lo¹i cã nhiÒu èng d©y, gåm hai èng d©y ph¸t thu chÝnh cßn thªm c¸c èng d©y phô. C¸c èng d©y phô cã chøc n¨ng lµm héi tô ®Þnh xø tr−êng kÝch thÝch vµo vïng cÇn thiÕt ®Ó tÝn hiÖu ®o ®−îc cã phÇn ®ãng gãp cña c¸c vïng ®ã nhiÒu h¬n. Th−êng th× viÖc lµm héi tô nh»m môc ®Ých thu ®−îc c¸c tÝn hiÖu cña vïng s©u h¬n ®íi thÊm dông dÞch - vïng ®íi nguyªn. Sö dông héi tô ph¶i ®¹t ®−îc c¸c kÕt qu¶ sau: - Cã kh¶ n¨ng ph©n dÞ l¸t c¾t tèt h¬n, h¹n chÕt tèi ta ¶nh h−ëng cña c¸c líp v©y quanh. - Gi¶m thiÓu ¶nh h−ëng cña giÕng khoan, t¨ng chiÒu s©u nghiªn cøu, lo¹i bá c¸c tÝn hiÖu ë ®íi ngÊm. 83
- H¹n chÕ c¸c tÝn hiÖu reactive - tÝn hiÖu kh«ng mong muèn. C¸c h×nh 3.30 vµ 3.31 cho thÊy −u ®iÓm cña thiÕt bÞ ®o cã thªm èng d©y thu R’. Khi kÕt hîp cÆp T-R víi cÆp T-R’ ta cã T-R- R’ vµ nhËn ®−îc ®−êng biÓu diÔn cã ®é ph©n gi¶i l¸t c¾t cao h¬n, ë nãc vØa cã xuÊt hiÖn gi¸ trÞ ©m (h×nh 3.31c). Trªn h×nh 3.31 ta còng thÊy sù kÕt H×nh 3.31. §Æc ®iÓm ph©n gi¶i theo hîp nh− vËy sÏ lµm t¨ng kh¶ n¨ng nghiªn ph−¬ng th¼ng ®øng cña Zond ®o 3 cøu theo ph−¬ng b¸n kÝnh ®−îc tèt h¬n; lµm èng d©y gi¶m thiÓu ¶nh h−ëng cña ®íi ngÊm. e) HiÖu øng Skin HiÖu øng skin, hay cßn gäi lµ hiÖu øng bÒ mÆt, ®Æc biÖt m¹nh trong c¸c tr−êng hîp m«i tr−êng nghiªn cøu cã ®é dÉn cao, nã lµ kÕt qu¶ t−¬ng t¸c gi÷a c¸c vßng thµnh phÇn lµm cho gi¸ trÞ ®o ®é dÉn biÓu kiÕn thÊp ®i rÊt nhiÒu so víi thùc tÕ. Dßng Foucault trong mçi vßng T-R kh«ng cßn ®éc lËp nhau cho nªn tÝn hiÖu toµn phÇn ®o ®−îc kh«ng cßn lµ tæng cña c¸c vßng thµnh phÇn nh− ®iÒu gi¶ ®Þnh ë môc a. T - R’ Søc ®iÖn ®éng ®−îc t¹o thµnh lµ kÕt qu¶ cña chÝnh mçi vßng vµ cña c¸c vßng l©n cËn. ChÝnh c¸c thµnh phÇn tõ c¸c vßng xung quanh ®∙ lµm sai lÖch c¶ biªn ®é lÉn pha cña tÝn hiÖu ®i tíi èng d©y thu. C¸c vßng ë gÇn víi Zond ®o l¹i lµ nguyªn nh©n lµm h¹n chÕ tr−êng ®iÖn tõ ®i vµo c¸c vßng T - R - R’ thµnh phÇn ë xa h¬n v×: N¨ng l−îng bÞ tiªu hao theo luång dßng trong vßng thµnh phÇn nªn ®∙ gi¶m n¨ng l−îng ®Ó chuyÓn tíi phÇn m«i tr−êng ë xa h¬n M« h×nh thùc tÕ - Tr−êng ®iÖn tõ ë pha sau, sinh ra do dßng Foucault ë gÇn Zond ®o, bÞ ph¸ vì h¹n chÕ tr−êng ph¸t s¬ cÊp truyÒn ra xa h¬n. KÕt qu¶ lµ phÇn m«i tr−êng (®Êt ®¸) thùc sù cã ®ãng gãp cho tÝn hiÖu ®o chØ ë líp vá s¸t thµnh giÕng khoan víi chiÒu s©u H×nh 3.32: §Æc ®iÓm nghiªn cøu theo δ h¹n chÕ b»ng: ph−¬ng b¸n kÝnh r cña Zond ®o 3 èng d©y 84
2 δ= (3.103) ωµc ë ®©y: δ lµ chiÒu s©u, n¬i cã tíi 63% tÝn hiÖu ph¸t ®∙ bÞ suy gi¶m, vµ gäi lµ chiÒu 1 s©u skin (63% lµ tÝnh b»ng 1 − , víi e = 2,718) e ω = 2πf, víi f lµ tÇn sè cña tÝn hiÖu (Hz) µ - §é tõ thÈm (4π.10-7 ®èi víi kh«ng gian rçng). c - §é dÉn cña m«i tr−êng (mmho/m hoÆc mS/m). H×nh 3.33 biÓu diÔn sù suy gi¶m cña tÝn hiÖu ph¸t khi lµm viÖc víi tÇn sè kHz vµ ®é dÉn cña ®Êt ®¸ trÇm tÝch th−êng gÆp trong thùc tÕ. §é dÉn (mS/m) Tõ h×nh vÏ nµy ta thÊy chiÒu s©u skin δ gi¶m khi ®é dÉn cña ®Êt ®¸ t¨ng. % tÝn hiÖu cßn l¹i Do hiÖu øng skin mµ ®é dÉn biÓu kiÕn ®o ®−îc th−êng nhá h¬n gi¸ trÞ thùc. NÕu Cg lµ ®é dÉn thùc vµ Ca lµ ®é dÉn biÓu kiÕn ®o ®−îc b»ng Zond ®o c¶m øng th× hiÖu øng skin CS ®−îc tÝnh: CS = Cg - Ca (3.104) Gi¸ trÞ CS phô thuéc vµo ®é dÉn thùc cña m«i tr−êng nghiªn cøu (h×nh 3.34). §é dÉn cña m«i tr−êng nghiªn cøu cµng cao th× CS cµng lín. Kho¶ng c¸ch ®Õn T (in) CS Ca H×nh 3.33. Sù suy gi¶m cña tÝn hiÖu ph¸t C¸c Zond ®o hiÖn ®ang dïng phæ biÕn trong s¶n xuÊt 6FF40 ®−îc thiÕt kÕ ®Ó tù ®éng tÝnh hiÖu chØnh ¶nh h−ëng skin ngay trong khi ®o. Cg Khi ®o c¶m øng b»ng c¸c Zond ®o 5FF40 vµ 5FF27 th× phÐp hiÖu chØnh skin dùa vµo c¸c b¶n chuÈn cña Schlumberger. H×nh 3.34. HiÖu chØnh hiÖu øng Skin 85
g) Nh÷ng nhËn xÐt chung Trong thùc tÕ s¶n xuÊt chñ yÕu dïng c¸c Zond ®o c¶m øng cã nhiÒu èng d©y vµ gäi lµ Zond héi tô. Kho¶ng c¸ch gi÷a hai èng d©y T vµ R lµ chiÒu dµi cña Zond. ChiÒu dµi L cña Zond cã ý nghÜa quan träng ®èi víi c¸c ®Æc tr−ng cña nã. Khi t¨ng chiÒu dµi L sÏ lµm t¨ng phÇn ®ãng gãp cña ®íi xa vµo tÝn hiÖu ®o, nh−ng l¹i lµm gi¶m ¶nh h−ëng cña ®íi gÇn lªn kÕt qu¶ ®o. VÒ nguyªn t¾c, dïng Zond cã chiÒu dµi L kh¸c nhau, vµ c¸c èng d©y cã sè vßng kh¸c nhau ta cã thÓ lµm gi¶m phÇn lín tin hiÖu sinh ra tõ c¸c thµnh phÇn trong m«i tr−êng. §Ó lµm t¨ng kh¶ n¨ng nghiªn cøu theo b¸n kÝnh cña Zond th× cÇn gi¶m tÝn hiÖu cña giÕng khoan so víi tÝn hiÖu tõ ®íi nguyªn. MÆt kh¸c muèn t¨ng kh¶ n¨ng ph©n gi¶i cña Zond ®ã theo chiÒu th¼ng ®øng th× l¹i cÇn lµm gi¶m phÇn tÝn hiÖu tõ c¸c vØa v©y quanh so víi tÝn hiÖu cña vØa nghiªn cøu. Víi c¸ch nh− vËy, cÊu tróc cña c¸c Zond nhiÒu èng d©y h¬n sÏ cã c¸c kh¶ n¨ng phï hîp víi c¸c ®ßi hái cã phÇn tr¸i ng−îc nhau: - Muèn lµm cho Zond ®o cã kh¶ n¨ng nghiªn cøu s©u h¬n theo ph−¬ng b¸n kÝnh th× ph¶i gi¶m ¶nh h−ëng cña c¸c phÇn m«i tr−êng ë gÇn, trong khi ®ã kh«ng ®−îc gi¶m tÝn hiÖu cña phÇn ë xa giÕng khoan. - §Ó lµm t¨ng kh¶ n¨ng ph©n gi¶i l¸t c¾t theo chiÒu th¼ng ®øng cÇn gi¶m ¶nh h−ëng cña c¸c phÇn m«i tr−êng ë xa Zond ®o vÒ phÝa trªn vµ d−íi, nh−ng kh«ng ®−îc gi¶m phÇn tÝn hiÖu cña phÇn m«i tr−êng ë gÇn, ngang víi ®iÓm ®o. gr 1.0 5FF40 .9 6FF40 .8 .7 .6 .5 .4 .3 .2 .1 0 40 200 240 80 120 160 320 280 §−êng kÝnh (in.) H×nh 3.35. YÕu tè h×nh häc theo ph−¬ng b¸n kinh cña c¸c Zond ®o c¶m øng s©u vµ trung b×nh C¸c Zond ®o 6FF40 vµ 5FF40 ®−îc thiÕt kÕ ®Ó tho¶ m∙n hÇu hÕt c¸c ®ßi hái cã phÇn tr¸i ng−îc nhau nh− trªn. Chóng cã chiÒu dµi L b»ng nhau lµ 40 inches (t−¬ng ®−¬ng 1,0 m). Zond ®o 5FF40 cã b¸n kÝnh nghiªn cøu v−ît qu¸ chiÒu s©u ®íi ngÊm th−êng gÆp (Di = 5d). Trong thùc tÕ cã thÓ gÆp c¸c tr−êng hîp ®íi ngÊm s©u h¬n (Di > 10d), 86
lóc ®ã Zond 6FF40 vÉn cã thÓ cho kÕt qu¶ ®o tèt v× nã cã chiÒu s©u nghiªn cøu lín h¬n hai lÇn chiÒu s©u nghiªn cøu cña Zond 5FF40. H×nh 3.35 lµ ®å thÞ so s¸nh yÕu tè h×nh häc Gr theo ph−¬ng b¸n kÝnh cña c¸c Zond 5FF40 vµ 6FF40. YÕu tè h×nh häc GZ theo chiÒu th¼ng ®øng Z cña c¸c Zond 5FF40 vµ 6FF40 xÊp xØ nh− nhau, cã nghÜa lµ kh¶ n¨ng ph©n gi¶i l¸t c¾t cña chóng lµ nh− nhau. h) ChuÈn m¸y ®o c¶m øng C¸c m¸y mãc vµ Zond ®o c¶m øng trong giÕng khoan cÇn ®−îc chuÈn kh¾c ®é theo ®Þnh kú hoÆc sau mçi lÇn söa ch÷a. Cã mét c¸ch chuÈn kh¾c ®é c¸c Zond ®o c¶m øng, hay dïng ë c¸c c¬ së l¾p r¸p m¸y ®Þa vËt lý lµ th¶ m¸y ®o trong m«i tr−êng ®∙ biÕt tr−íc ®é dÉn ®iÖn (®iÖn trë suÊt) vµ tiÕn hµnh ®o. Gi¸ trÞ ®o ®−îc ®Þnh cì theo gi¸ trÞ ®é dÉn cña m« h×nh chuÈn ®∙ cho. Nh−ng nh− vËy m« h×nh chuÈn ph¶i cã kÝch th−íc lín ®Ó tho¶ m∙n ®iÒu kiÖn ®ång nhÊt ®¼ng h−íng v« h¹n nh− lý thuyÕt. Mét bÒ m« h×nh víi kÝch th−íc lín kh«ng ph¶i cã thÓ l¾p ®Æt dÔ dµng ë bÊt cø n¬i nµo. V× vËy, c¸ch nµy chØ thÊy dïng ë c¸c trung t©m chÕ t¹o l¾p r¸p m¸y lín trªn thÕ giíi. C¸ch thø hai, hay dïng h¬n, lµ dïng vßng d©y cã ®iÖn trë suÊt biÕt tr−íc ®Æt xung quanh Zond ®o c¶m øng (m¸y giÕng). Thao t¸c thùc tÕ nh− sau: phèi hîp trë kh¸ng cña mçi vßng, ®−êng kÝnh vµ vÞ trÝ cña vßng so víi thiÕt bÞ sao cho c¸c thµnh phÇn Uact vµ Ureact cña tÝn hiÖu tæng lµ xÊp xØ b»ng nhau t−¬ng øng víi søc ®iÖn ®éng t¹o ra trong ®iÒu kiÖn m«i tr−êng h÷u h¹n. §èi víi c¸c ®¸ th−êng gÆp ë vß Qu¶ ®Êt cã ®é dÉn kho¶ng 2 mS/m (R = 500 Ωm), tÇn sè lµm viÖc 20 kHz, chiÒu dµi Zond L = 1m th× thµnh phÇn Uact lín h¬n Ureact rÊt nhiÒu. Trong ®iÒu kiÖn ®ã khi chuÈn kh¾c ®é cã thÓ chØ cÇn tiÕn hµnh ®o thµnh phÇn Uact. i) Ph¹m vi øng dông cña ph−¬ng ph¸p c¶m øng Ph−¬ng ph¸p ®o c¶m øng trong giÕng khoan lµ ph−¬ng ph¸p ®iÖn trë duy nhÊt nghiªn cøu cã hiÖu qu¶ c¸c giÕng khoan dïng dung dÞch ®en hay giÕng khoan kh«. Nh÷ng thËp kû gÇn ®©y lµ kho¶ng thêi gian c¸c m¸y mãc thiÕ bÞ ®o ®Þa vËt lý giÕng khoan nãi chung, m¸y mãc ®o c¶m øng nãi riªng ®∙ cã nh÷ng tiÕn bé v−ît bËc. V× vËy ph−¬ng ph¸p ®o c¶m øng ®∙ ®¸p øng cho viÖc nghiªn cøu c¸c giÕng khoan khoan b»ng dung dÞch n−íc ngät. Trong c¸c l¸t c¾t ®iÖn trë ®Êt ®¸ tõ 30 ®Õn 200 Ωm ph−¬ng ph¸p c¶m øng cho kÕt qu¶ rÊt tèt. Ngoµi kho¶ng giíi h¹n nªu trªn kÕt qu¶ ®o c¶m øng vÉn cßn nh¹y víi sù thay ®æi thµnh phÇn th¹ch häc cña c¸c thµnh hÖ nh−ng b¾t ®Çu cã sai sè. Theo ®¸nh gi¸ cña Halliburton, víi c¸c thiÕt bÞ ®o c¶m øng hiÖn ®ang dïng phæ biÕn trong s¶n xuÊt, ë l¸t c¾t ®iÖn trë 250 Ωm, sai sè ®o kho¶ng ±1 mS/m. C¸c Zond ®o c¶m øng 6FF40 ®∙ cã kh¶ n¨ng ®Þnh xø tÝn hiÖu ®o cña ®íi s©u (0,8 - 1,3m), cho nªn khi kÕt hîp víi c¸c phÐp ®o laterolog, ph−¬ng ph¸p ®o c¶m øng ®−îc dïng ®Ó x¸c ®Þnh ®iÖn trë suÊt thùc Rt cña vØa nghiªn cøu. Trong tæ hîp cïng c¸c 87
ph−¬ng ph¸p ®Þa vËt lý giÕng khoan kh¸c, ph−¬ng ph¸p c¶m øng cho kh¶ n¨ng ph©n biÖt c¸c ®¸ chøa b∙o hoµ dÇu, khÝ hoÆc n−íc. 3.4.4. C¸c d¹ng kh¸c cña ph−¬ng ph¸p ®iÖn tõ tr−êng Vµi chôc n¨m trë l¹i ®©y, trong ®Þa vËt lý giÕng khoan ®−a vµo sö dông mét hÖ ph−¬ng ph¸p sãng ®iÖn tõ ë tÇn sè cao tõ megahertz (106) ®Õn gigahertz (109) b»ng hÖ Zond ®o sãng radio hay vi sãng. ë tÇn sè cao ®é thÈm ®iÖn m«i ε ¶nh h−ëng ®Õn sù lan truyÒn vµ cã ®ãng gãp nhiÒu nhÊt ®Õn tÝn hiÖu ®o. V× thÕ c¸c phÐp ®o tr−êng ®iÖn tõ ë tÇn sè cao nh− vËy trong giÕng khoan gäi lµ ph−¬ng ph¸p h»ng sè ®iÖn m«i. Ng−êi ®Æt c¬ së lý thuyÕt vµ thùc nghiÖm cho ph−¬ng ph¸p nµy lµ Daev D.C., mét nhµ khoa häc x« viÕt vµo ®Çu thËp kû 60, nh−ng ph¸t triÓn vÒ m¸y mãc vµ c«ng nghÖ ®Ó nã thµnh mét ph−¬ng ph¸p sö dông cã kÕt qu¶ trong s¶n xuÊt l¹i lµ c¸c chuyªn gia ë c¸c n−íc ph−¬ng T©y vµo nh÷ng n¨m 70 cña thÕ kû XX. ë tÇn sè gigahertz, h»ng sè ®iÖn m«i ε’ vµ thêi gian lan truyÒn cña sãng ®iÖn tõ tp trong m«i tr−êng t−¬ng øng cña c¸c ®¸ vµ kho¸ng vËt kh¸c h¼n trong n−íc (b¶ng 3.1). B¶ng 3.1 H»ng sè ®iÖn m«i ε Thêi gian lan truyÒn §¸, kho¸ng vËt tp (NS/m) (so víi kh«ng khÝ) C¸t kÕt 4.66 7.2 Dolomit 6.8 8.7 §¸ v«i 7.5 - 9.2 9.1 - 10.2 Anhydrit 6.35 8.4 Coloit (kh«) 5.76 8.0 Muèi má 5.6 6.35 Th¹ch cao 4.16 6.8 DÇu má 2.0 - 2.4 4.7 - 5.2 N−íc ngät 78.30 29.5 §Æc biÖt thùc nghiÖm ®∙ kh¼ng ®Þnh: gi¸ trÞ h»ng sè ®iÖn m«i cña n−íc rÊt Ýt thay ®æi theo ®é kho¸ng ho¸. V× vËy, gi¸ trÞ h»ng sè ®iÖn m«i cña m«i tr−êng ®Êt ®¸ sÏ lµ hµm sè cña ®é lç rçng b∙o hoµ n−íc. HÖ ®o Schlumberger cã hai Zond ®o thêi gian tp vµ h»ng sè ®iÖn m«i ε: tÇn sè vi sãng vµ tÇn sè radio. 88
C¸c h×nh 3.36 vµ 3.37 lµ sè ®o c¸c Zond ®o lan truyÒn sãng ®iÖn tõ (EMP) theo hÖ vi sãng vµ sãng radio. ThiÕt bÞ gåm c¸c anten ph¸t T vµ thu R. Mét m¸y ph¸t dßng biÕn ®æi cho anten ph¸t ®Ó tõ ®©y ph¸t sãng Dung dÞch §íi röa ®iÖn tõ truyÒn trong m«i tr−êng. Sãng ®iÖn tõ bÞ suy gi¶m vµ lÖch pha §íi nguyªn khi lan truyÒn. Mçi anten thu ®o ®é suy gi¶m n¨ng l−îng tÝn côc bé vµ lÖch pha cña c¸c sãng nµy. hiÖu trong vØa thiÕt bÞ trªn Nguyªn lý chung lµ ph¸t vµ thu sãng ®iÖn tõ trong m«i tr−êng anten n¨ng l−îng tÝn nghiªn cøu, nh−ng phÐp ®o cã thÓ lµ vi sãng hiÖu trong vØa ®o ®é lÖch pha, hoÆc ®o thêi gian lan thiÕt bÞ d−íi truyÒn (tèc ®é) sãng ®iÖn tõ gi÷a hai antan hoÆc ®o ®é suy gi¶m biªn ®é n¨ng l−îng (n¨ng l−îng) sãng trªn qu∙ng ®−êng trong vá sÐt gi÷a hai anten ®ã. C¸c ®¹i l−îng nµy ®Òu cã quan hÖ hµm sè víi ®é thÈm c¸ch ®iÖn ε cña m«i tr−êng. Vá sÐt S¬ ®å ®o theo hÖ vi sãng (h×nh 3.36) ®−îc ¸p s−ên cã chiÒu s©u nghiªn cøu kh«ng v−ît qu¸ 2” (≈ H×nh 3.36. CÊu h×nh c¸c anten cña Zond ®o ë 5cm) trong ®íi röa. Thêi gian lan tÇn sè vi sãng truyÒn tpo trªn qu∙ng ®−êng gi÷a c¸c anten thu trong vØa b∙o hoµ n−íc (SW = 1) ®−îc ®−a vÒ d¹ng ph−¬ng tr×nh thêi gian trung b×nh: tpo = ΦtpW + (1 - Φ)tpm (3.105) vµ trong vØa dÇu: tpo = (ΦSxo)tpW + Φ(1 - Sxo)tph + (1 - Φ)tpm (3.106) Trong ®ã: tpW – Thêi gian truyÒn trong n−íc (phô thuéc nhiÖt ®é) tpm – Thêi gian lan truyÒn trong matrix tph – Thêi gian lan truyÒn trong dÇu má C¸c tham sè cßn l¹i: Sxo ®−îc x¸c ®Þnh b»ng c¸c ph−¬ng ph¸p kh¸c. Tõ ®ã dÔ dµng x¸c ®Þnh ®é rçng Φ. 89
KhuyÕch Lªn mÆt ®Êt ®¹i 16Mhz KhuyÕch C¸p dÉn ®¹i tæng KhuyÕch ®¹i 30Mhz Nguån kh«ng ®æi ChuyÓn m¹ch H×nh 3.37. CÊu h×nh Zond ®o lan truyÒn sãng ®iÖn tõ ë tÇn sè radio PhÐp ®o theo s¬ ®å ë h×nh 3.37 lµm viÖc ë tÇn sè MHz. ThiÕt bÞ m¸y giÕng cã cÊu t¹o gÇn gièng Zond ®o c¶m øng. C¸c èng d©y ph¸t vµ thu còng cã chøc n¨ng ph¸t vµ thu tÝn hiÖu ë nh÷ng tÇn sè 16MHz vµ 30MHz. §é lÖch pha gi÷a c¸c sè ®o cña c¸c cÆp anten thu gÇn vµ xa theo biªn ®é vµ pha lµ sè liÖu ®o cña phÐp ®o. Gi÷a ®é lÖch pha vµ suy gi¶m biªn ®é cã mèi quan hÖ hµm sè phô thuéc h»ng sè ®iÖn m«i ε cña m«i tr−êng. Tõ c¸c gi¸ trÞ ®o gãc lÖch pha (tÝnh b»ng ®é) vµ ®é suy gi¶m biªn ®é (tÝnh b»ng dB) ta cã thÓ x¸c ®Þnh ε cña ®Êt ®¸ trong m«i tr−êng nghiªn cøu. H»ng sè ®iÖn m«i cã quan hÖ hµm sè víi c¸c tham sè kh¸c cña m«i tr−êng: ε re = ΦSW ε w + (1 − SW )ε h + (1 − Φ )ε m ep e e (3.107) Trong ®ã: εr - H»ng sè ®iÖn m«i cña ®¸ εw - H»ng sè ®iÖn m«i cña n−íc εh - H»ng sè ®iÖn m«i cña hydrocacbon εm - H»ng sè ®iÖn m«i cña matrix e - Sè mò ®iÖn m«i th¹ch häc, gièng nh− tham sè “m” trong m« h×nh Archie p - Sè mò ph©n cùc, liªn quan ®Õn ®é dÉn cña dung dÞch khoan. 90
C¸c tham sè e vµ p ®−îc x¸c ®Þnh b»ng thùc nghiÖm cho tõng vïng má hoÆc cho tÇng ®Êt ®¸. 3.5. C¸c yÕu tè ¶nh h−ëng lªn kÕt qu¶ ®o vµ ph¹m vi øng dông cña c¸c ph−¬ng ph¸p ®iÖn trë ë chõng mùc nhÊt ®Þnh chóng ta ®∙ h×nh dung r»ng lu«n lu«n cã nh÷ng nhiÔu do ¶nh h−ëng cña m«i tr−êng lªn tÝn hiÖu ®o. B©y giê h∙y xem xÐt ®Õn tÇm quan träng cña mét sè ®Æc ®iÓm cña c¸c thµnh hÖ vÒ khÝa c¹nh ®Þa chÊt: nh− thµnh phÇn, kiÕn tróc, thÕ n»m, m«i tr−êng trÇm tÝch, nhiÖt ®é ¸p suÊt... 3.5.1. Thµnh phÇn ®¸ - B¶n chÊt cña pha r¾n, gåm c¸c h¹t vôn xi m¨ng g¾n kÕt trong ®¸ lµ kh«ng dÉn ®iÖn hoÆc cã ®iÖn trë rÊt cao, ®iÒu nµy lµ phæ biÕn nh− mét quy luËt. - C¸c chÊt l−u b∙o hoµ trong lç rçng cña ®¸: hydrocacbon còng cã ®iÖn trë v« cïng lín, n−íc lµ thµnh phÇn chÊt l−u cã ®é dÉn ®iÖn tèt phô thuéc vµo ®é kho¸ng ho¸ vµ nhiÖt ®é. - §é lç rçng vµ ®é b∙o hoµ 3.5.2. KiÕn tróc ®¸ H×nh d¸ng kÝch th−íc ph©n bè s¾p xÕp cña c¸c h¹t cã ¶nh h−ëng nhiÒu ®Õn ®é lç rçng; kÝch th−íc, ®Æc ®iÓm ph©n bè cña c¸c lç rçng vµ kªnh dÉn trong ®¸ l¹i cã ¶nh h−ëng rÊt lín ®Õn ®iÖn trë suÊt cña ®¸. CÊu tróc lç rçng trong c¸c ®¸ lµ mét cÊu tróc fractal. §é cong lç rçng thÓ hiÖn lªn c¸c tham sè “a” vµ “m” trong quan hÖ gi÷a F vµ Φ. §é thÊm kh¸c nhau sÏ lµm thay ®æi trong ®íi ngÊm vµ ®é b∙o hoµ c¶ vÒ b¶n chÊt còng nh− kÝch th−íc cña ®íi ngÊm. BÊt ®¼ng h−íng nhá. Trong khi hÖ ®iÖn cùc ph¸t dßng theo h−íng n»m ngang, nÕu bÊt ®¼ng nhÊt kh«ng theo mét h−íng nhÊt ®Þnh (bÊt ®¼ng h−íng nhá) th× sè ®o sÏ thay ®æi kh«ng cã quy luËt. KiÓu ph©n bè cña sÐt hay c¸c kho¸ng vËt dÉn ®iÖn kh¸c trong ®¸ còng cã vai trß quan träng lµm cho ®iÖn trë cña ®¸ thay ®æi. Trong c¸c hang hèc, khe nøt nÕu cã chøa dung dÞch dÉn ®iÖn hay chøa n−íc sÏ −u tiªn cho mét phÇn dßng ®i tõ c¸c hÖ cùc vµ tõng khe nøt sÏ cã ¶nh h−ëng kh¸c nhau lªn kÕt qu¶ ®o. C¸c tham sè “a” vµ “m” còng v× thÕ mµ thay ®æi. 3.5.3. Gãc dèc vµ cÊu tróc c¸c líp ®¸ ThÕ n»m cña c¸c líp ®¸ kh«ng lu«n lu«n n»m ngang, trôc giÕng khoan còng kh«ng lu«n lu«n theo ph−¬ng th¼ng ®øng, nghÜa lµ c¸c mÆt ph©n líp kh«ng lu«n lu«n vu«ng gãc víi trôc giÕng khoan, nªn ®iÖn trë suÊt biÓu kiÕn cã thÓ cã sai sè. §©y còng lµ mét kiÓu sai sè gièng nh− khi gÆp bÊt ®ång nhÊt nhá. 91
ChiÒu dµy, c¸ch tæ chøc s¾p xÕp bªn trong cña vØa nghiªn cøu vµ c¸c vØa v©y quanh (®©y lµ mét kiÓu bÊt ®¼ng h−íng vÜ m«) phô thuéc vµo lÞch sö l¾ng ®äng, ®Æc ®iÓm m«i tr−êng trÇm tÝch trong tõng nhÞp ®Þa chÊt...C¸c d¹ng cÊu tróc vÜ m« ®ã ®Òu thÓ hiÖn rÊt râ rµng theo sù thay ®æi gi¸ trÞ ®iÖn trë cña c¸c líp trong l¸t c¾t. 3.5.4. NhiÖt ®é, ¸p suÊt nÐn Ðp HiÖu øng cña nhiÖt ®é lªn ®iÖn trë suÊt cña chÊt l−u nh− n−íc vØa ®∙ ®−îc xem xÐt ë ch−¬ng thø nhÊt. Cã mét sè ®o nhiÖt ®é ë ®¸y giÕng lµ cÇn thiÕt ®èi víi ph−¬ng ph¸p ®iÖn trë nÕu ta ch−a biÕt râ gradien ®Þa nhiÖt cña vïng. ¸p suÊt vØa lµ hµm sè cña nhiÒu yÕu tè - bao gåm lùc nÐn Ðp kiÕn t¹o, thiÓu nÐn Ðp. Sù nÐn Ðp lµm cho ®¸ chÆt xÝt, c¸c h¹t ®¸ bÞ biÕn d¹ng vµ ®é lç rçng thay ®æi theo chiÒu gi¶m khi lùc nÐn Ðp t¨ng. PhÐp thö nghiÖm ®−îc thùc hiÖn ë phÇn l¸t c¾t cã ®èi t−îng nghiªn cøu dùa vµo sù kh¸c biÖt ¸p suÊt thuû tÜnh cña cét dung dÞch vµ ¸p suÊt vØa. 3.5.5. C¸c øng dông C¸c øng dông kh¸c nhau cña c¸c ph−¬ng ph¸p ®o ®iÖn trë sÏ ®−îc nghiªn cøu chi tiÕt ë phÇn hai cña gi¸o tr×nh nµy. ë ®©y chØ nªu tãm t¾t viÖc sö dông kÕt qu¶ ®o ®iÖn trë suÊt/®é dÉn ®iÖn vµo c¸c phÐp x¸c ®Þnh tham sè colect¬ vµ ®Æc ®iÓm ®Þa chÊt. a) §é b∙o hoµ PhÇn lín c¸c øng dông cña phÐp ®o ®iÖn trë suÊt / ®é dÉn ®iÖn ë giÕng khoan lµ ®Ó x¸c ®Þnh ®é b∙o hoµ n−íc (hoÆc ®é b∙o hoµ dÇu) trong ®íi röa vµ ®íi nguyªn. Rxo cã thÓ ®−îc ®o trùc tiÕp b»ng c¸c vi hÖ ®iÖn cùc. Rt th−êng kh«ng ®o trùc tiÕp v× lu«n lu«n cã ¶nh h−ëng cña cét dung dÞch, líp vá sÐt vµ ®íi ngÊm, ngoµi ra cßn ¶nh h−ëng cña c¸c líp v©y quanh. ChØ trong c¸c ®iÒu kiÖn thËt thuËn lîi, c¸c Zond ®o cã héi tô (LLd, ILd) míi cã kh¶ n¨ng cho sè ®o gÇn víi gi¸ trÞ Rt, kh«ng cÇn ph¶i hiÖu chØnh. B×nh th−êng c¸c sè ®o ®iÖn trë b»ng c¸c hÖ cùc s©u vÉn ph¶i hiÖu chØnh nhê c¸c b¶n chuÈn chuyªn dông ®Ó lo¹i bá ¶nh h−ëng cña giÕng khoan, ®íi ngÊm vµ c¸c vØa v©y quanh. PhÐp hiÖu chØnh ®èi víi ®íi röa th−êng kÕt hîp sè ®o cña ba phÐp ®o cã chiÒu s©u nghiªn cøu kh¸c nhau ®Ó t×m ba Èn sè: Di, Rxo vµ Rt. Ch¼ng h¹n ta cã: (Ra)cor = RxoGxo + RiGi + RtGt Gxo(Di) + Gi(Di) + Gt(Di) = 1 lµ tæng yÕu tè h×nh häc cña c¸c ®íi t−¬ng øng. NÕu lo¹i trõ ¶nh h−ëng cña ®íi chuyÓn tiÕp (Gi = 0) th× ph−¬ng tr×nh trªn ®−îc rót gän: (Ra)cor = RxoGxo + RtGt víi 1 = Gxo(Di) + Gt(Di) ë ®©y Gxo, Gi ®−îc x¸c ®Þnh theo ®−êng kÝnh ®íi ngÊm Di (trong c¸c ph−¬ng ph¸p c¶m øng yÕu tè h×nh häc lÊy ký hiÖu G, cßn trong c¸c ph−¬ng ph¸p laterolog ký hiÖu ®ã lµ J). 92
LÊy c¸c sè ®o ®iÖn trë tõ ba Zond ®o cã chiÒu s©u nghiªn cøu kh¸c nhau, hoÆc gi¶ thiÕt gÇn ®óng. Rxo, Di, Rt cã thÓ ®−îc tÝnh theo ph−¬ng tr×nh hoÆc dïng b¶n chuÈn thÝch hîp (vÊn ®Ò nµy sÏ ®−îc lÆp l¹i khi ph©n tÝch ®Þnh l−îng trong phÇn hai cña gi¸o tr×nh). b) §é lç rçng NÕu ®¸ chøa ®−îc xem lµ ®¸ s¹ch (®é sÐt d−íi 5%) vµ b∙o hoµ n−íc 100% th× ®é lç rçng cña ®¸ cã thÓ tÝnh theo hÖ sè (yÕu tè) thµnh hÖ: R xo R F= =0 (3.108) Rmf RW MÆt kh¸c: a F= Φm víi “a” vµ “m” lµ c¸c tham sè fractal ®−îc x¸c ®Þnh theo thùc nghiÖm. c) §iÖn trë suÊt n−íc vØa X¸c ®Þnh ®−îc ®é rçng Φ, ta cã thÓ t×m ®−îc RW hay Rmf trong líp ®¸ s¹ch chøa n−íc. Re RWa = F (3.109) R = xo Rmf a F ë ®©y RWa, Rmfa chØ lµ ®iÖn trë suÊt biÓu kiÕn t−¬ng øng víi RW vµ Rmf cña n−íc vµ cña filtrat dung dÞch trong ®¸ s¹ch b∙o hoµ n−íc 100%. NÕu vØa chøa cã hydrocacbon th× sÏ cã RWa > RW vµ Rmfa > Rmf. Cã thÓ tÝnh theo mét ®iÓm cùc tiÓu (picking) cho RWa vµ Rmfa. NÕu biÕt thªm SW b»ng c¸c phÐp ®o kh¸c (nh− TDT) ®iÖn trë suÊt cña chÊt l−u cã thÓ ®−îc tÝnh to¸n tõ ph−¬ng tr×nh Archie trong vØa dÇu. d) Liªn kÕt l¸t c¾t c¸c giÕng khoan Liªn kÕt l¸t c¾t gi÷a c¸c giÕng khoan lµ mét øng dông ®¬n gi¶n nhÊt cña ph−¬ng ph¸p ®iÖn trë. Dùa vµo c¸c dÊu hiÖu gièng nhau vÒ h×nh d¹ng cña c¸c ®−êng cong gi¸ trÞ t−¬ng ®−¬ng Ra ®o ë c¸c giÕng khoan kh¸c nhau trong cïng mét ®¬n vÞ cÊu t¹o, vïng ®Þa chÊt. B×nh th−êng mçi tËp ®¸ trÇm tÝch thµnh t¹o trong m«i tr−êng nhÊt ®Þnh nªn c¸c ®Æc ®iÓm vÒ h×nh d¹ng ®−êng cong Ra, ®Æc ®iÓm thay ®æi ®iÖn trë cña tËp vØa còng ®Ó l¹i c¸c dÊu hiÖu nhËn biÕt trªn biÓu ®å ®o. Khi liªn kÕt l¸t c¾t gi÷a c¸c giÕng khoan chiÒu s©u ®¸y hoÆc nãc cña mét tËp vØa kh«ng nhÊt thiÕt ph¶i b»ng nhau ë c¸c giÕng khoan kh¸c nhau v× gi÷a c¸c giÕng khoan cã thÓ tån t¹i c¸c ®øt g∙y ®Þa chÊt, hoÆc cã sù thay ®æi gãc dèc cña vØa tõ giÕng khoan nµy ®Õn giÕng khoan kh¸c. Còng nh− vËy, chiÒu dµy cña tËp vØa hay cña líp ®¸ nµo ®ã kh«ng nhÊt thiÕt b»ng nhau ë hai giÕng khoan kh¸c nhau. HiÖn t−îng ®ã lµ do sù v¸t nhän cña c¸c líp ®¸ theo chiÒu ngang cña l¸t c¾t ®Þa chÊt. 93
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