Địa vật lý hố khoan

Địa vật lý hố khoan còn gọi là địa vật lý lỗ khoan, địa vật lý giếng khoan (tiếng Anh: Borehole Logging hay Well Logging), là một lĩnh vực của Địa vật lý thăm dò, thực hiện các quan sát đo đạc địa vật lý trong hố khoan, từ đó phân tích, giải đoán tài liệu để phân chia đất đá trong không gian quanh hố khoan theo thành phần, tính chất, trạng thái, và xác định các tham số vật lý của chúng.
Kết quả phân tích được liên kết với cột địa tầng hố khoan và biểu diễn thành Băng ghi địa vật lý hố khoan
Địa vật lý hố khoan được dùng trong khảo sát địa chất tổng quát, trong tìm kiếm dầu khí, khoáng sản, nước ngầm, nước khoáng, địa nhiệt, địa chất công trình, địa chất môi trường - tai biến tự nhiên.
Tại Việt Nam nhiều người gọi nó là "ca-rô-ta", là cách gọi theo tiếng Nga Каротаж khi kỹ thuật địa chất nhập vào nước ta hồi những năm 1957-1965, vốn là thuật ngữ có gốc là tiếng Pháp Carottage. Tuy nhiên hiện nay tại Nga thiên về dùng thuật ngữ Геофизические исследования скважин, và tại Pháp thì dùng Diagraphie để chỉ Địa vật lý hố khoan.

Lịch sử

Conrad và Marcel Schlumberger, người sáng lập Schlumberger Ltd vào năm 1926, được coi là phát minh của địa vật lý điện hố khoan. Vào ngày 05/09/1927 một thành viên đội thăm dò đã thả các điện cực xuống hố khoan ở Pechelbronn, Alsace, Pháp, thu được kết quả địa vật lý hố khoan (logging) đầu tiên.

Các phương pháp

Các phương pháp đo được thực thi ở đầu đo. Cùng với phương pháp truyền thống, thì những phương pháp mới đang được nghiên cứu phát triển. Các trang web Downhole Probes của hãng Mount Sopris Instrument, Terraplus Inc. hay Robertson Geologging Ltd là nơi giới thiệu về các đầu đo điển hình.

Đo điện trở suất

Đo điện trở suất hố khoan (Resistivity log) thực hiện theo cơ sở lý thuyết của Thăm dò Điện trở, bố trí hệ điện cực trong đầu đo ở hố khoan, nhằm thu được thông tin điện trở suất của đất đá. Nó là một trong các phép đo chủ chốt có mặt trong hầu hết các chuyến đo địa vật lý hố khoan, góp phần khẳng định hay hiệu đính cột địa tầng hố khoan.
Vì khi khoan, đất đá quanh thành hố khoan bị nứt vỡ với mức độ khác nhau. Sau đó sự xâm nhập của nước làm điện trở suất giảm tùy theo mức nứt vỡ quanh hố khoan. Để xác định điện trở suất của đới đất đá nguyên dạng, cũng như bán kính các đới nứt vỡ quanh hố khoan, thì dùng Đầu đo điện đa điểm với các phân bố cực đo 8-16-32-64 inch. Ví dụ đầu đo PolyElectric Probes 2PEA-1000 & 2PEA-1000/F 8-16-32-64” normal resistivity probe.

Đo ảnh điện (Resistivity Imaging)

Đo ảnh điện trở suất hố khoan (Resistivity Imaging) thực hiện theo phương pháp Mặt cắt ảnh điện (Resistivity/Chargeability Imaging) trong Thăm dò Điện trở, với cáp đo đa cực chế riêng cho hố khoan. Giãn cách điện cực cỡ 0,2 – 2 m. Đo ghi thực hiện bằng máy đo điện đa cực mặt đất. Kết quả giải ra phân bố điện trở suất tỏa tròn quanh hố khoan với bán kính tương tự “độ sâu khảo sát” của hệ cực đã chọn, và không phân biệt được hướng tồn tại dị thường. Nó được ứng dụng cho hố khoan không quá sâu trong tìm kiếm khoáng sản, địa chất thủy văn, địa chất công trình.

Đo điện trở dung dịch

Đo điện trở dung dịch hố khoan (Fluid Resistivity log) thực hiện theo cơ sở lý thuyết của Thăm dò Điện trở, với hệ vi điện cực bố trí trong đầu đo ở hố khoan, nhằm thu được thông tin điện trở suất của dung dịch khoan, từ đó đánh giá tình trạng thủy văn của đất đá quanh hố khoan. Nó được ứng dụng cho hố khoan không quá sâu trong tìm kiếm nước ngầm, địa chất thủy văn, địa chất công trình.

Đo điện phân cực kích thích

Đo điện phân cực kích thích hố khoan (Induced polarization log) thực hiện theo cơ sở lý thuyết của Thăm dò điện phân cực kích thích, bố trí hệ điện cực trong đầu đo ở hố khoan, nhằm thu được thông tin độ nạp (Chargeability) của đất đá. Kết quả được dùng cho đánh giá bản chất và mức độ triển vọng của đối tượng tìm kiếm các tầng đất đá quan tâm. Nó được ứng dụng cho hố khoan không quá sâu trong tìm kiếm khoáng sản có tính ôxy hóa cao như pyrit, graphit, galena, bornit, magnetit, đồng chì kẽm,..., trong tìm kiếm nước ngầm, địa chất thủy văn, địa chất công trình. Ví dụ đầu đo QL40-IP Induced Polarization. Đầu này đo đồng thời điện trở suất theo phân bố cực 8-16-32-64”, độ nạp tại cực 16” và 64” với 10 cửa sổ, điện trường thiên nhiên (SP) và trở tiếp địa (SPR) tại cực phát A.

Đo điện trường thiên nhiên

Đo điện trường thiên nhiên hố khoan (Spontaneous potential log) thực hiện theo cơ sở lý thuyết của Thăm dò điện trường thiên nhiên, đo điện thế giữa điện cực M ở đầu đo và điện cực N trên mặt đất. Các điện cực làm bằng vòng chì. Trong thực tế ở nhiều bộ máy nó được đo đồng thời với đo điện trở suất. Các dị thường SP liên quan đến quặng có tính oxy hóa, hoặc nước ngầm thấm lọc.

Đo cảm ứng điện từ

Đo cảm ứng điện từ hố khoan (Induction log) thực hiện theo cơ sở của Phương pháp điện từ, phát trường điện từ vào đất đá và thu nhận cảm ứng ở các khoảng cách thu khác nhau. Kết quả thu được là độ dẫn điện tính ra mS/m, đặc trưng cho đới quanh thành hố khoan ở bán kính tùy theo tần số làm việc và khoảng cách phát-thu. Ví dụ đầu đo QL40-IND Dual Induction Probe, dùng tần 100 KHz, đo ở hai khoảng cách 50 và 80 cm.

Đo gamma tự nhiên

Đo gamma tự nhiên hố khoan (Gamma ray log) thực hiện theo cơ sở lý thuyết của Thăm dò phóng xạ, đo cường độ bức xạ gamma trong dải năng lượng 0,4 - 2,8 MeV nhằm phát hiện và đánh giá mức độ chứa nguyên tố phóng xạ của đất đá. Ngoài các vùng mỏ phóng xạ urani và thori, thì kali là thành phần của rất nhiều khoáng vật như biotit, mica, muscovit, các khoáng vật sét,... và là nguồn tia gamma tự nhiên phổ biến. Vì thế đo gamma tự nhiên là một trong các phép đo chủ chốt, phục vụ cho phân chia đất đá theo thành phần và địa tầng trong các khảo sát địa chất. Ví dụ đầu đo QL40-GR – Natural Gamma.

Đo mật độ

Đo mật độ hố khoan còn gọi là đo gamma-gamma (Density log) thực hiện theo cơ sở lý thuyết của Thăm dò phóng xạ, dùng nguồn tia gamma thường là Cesium Cs¹³⁷ chiếu vào đất đá. Các tia gamma thứ cấp phát sinh theo Tán xạ Compton (Compton scattering) và Hiệu ứng quang điện (Photoelectric effect) trên các nguyên tử môi trường. Các đất đá có mật độ cao thì phát sinh tia gamma thứ cấp nhiều hơn. Đo gamma ở các khoảng cách gần nguồn và xa nguồn, sẽ xác định được mức độ kích thích này, từ đó tính ra mật độ. Máy sử dụng các khối mẫu phân cỡ để thực hiện thủ tục phân cỡ (Calibration), từ đó xác định hệ số phân cỡ dùng cho tính và hiện kết quả trực tiếp mật độ đất đá quanh hố khoan ra g/cm³.
Độ chính xác đo mật độ phụ thuộc cường độ nguồn chiếu. Các nguồn dưới 20 mCurie cho kết quả định tính, nguồn từ 100 mCurie trở lên cho kết quả định lượng cao. Ví dụ đầu đo QL40-DEN Compensated Dual Density – Caliper.

Đo neutron-gamma

Đo độ rỗng neutron hố khoan (Neutron porosity log) dùng nguồn neutron chiếu vào đất đá, rồi đo ở các khoảng cách đến nguồn khác nhau của tia gamma, neutron nhiệt tán xạ hay neutron năng lượng cao tán xạ.
Sự tán xạ nhạy với lượng hydro trong đất đá, và nó gắn với dầu khí hay nước, mà lượng này gắn liền với độ rỗng. Dị thường giả có thể có ở nơi có nhiều sét vốn không rỗng nhưng bắt giữ nước cao (Xem thêm: Formation evaluation neutron porosity). Đầu dò thường đặt cách nguồn từ 30 cm (12") đến 40 cm (16"). Nếu có hai đầu dò thì cái thứ hai nằm ở khoảng 60 cm (24") để thu mức phông.
Ví dụ đầu đo Q40NEU-1000 Neutron Tool, dùng nguồn neutron loại Am²⁴¹Be cường độ 1 đến 3 Curie, khoảng cách đầu dò 35 cm.

Đo độ từ cảm

Đo độ từ cảm hố khoan (Magnetic Susceptibility log) được thực hiện bằng cách phát trường điện từ xoay chiều cỡ KHz vào đất đá và đo tín hiệu cảm ứng, từ đó tính ra độ từ cảm biểu kiến. Dải đo của đầu đo thường là 10⁻⁵ đến 10⁻¹ cgs. Phương pháp được dùng cho phân chia địa tầng, đặc biệt là đới chứa quặng nhiễm từ. Ví dụ đầu đo Bartington BSS-02B Borehole Magnetic Susceptibility Sonde.

Suspension PS Logging

Suspension PS Logging hay PS Log là một hệ thống đo thí nghiệm địa chấn trong hố khoan sâu trên 50m, nơi phép đo với nguồn trên mặt đất khó với tới được. Nó được các nhà nghiên cứu của OYO Corporation (Nhật Bản) phát triển vào giữa những năm 1970.
Đầu đo gồm có nguồn phát sóng và các đầu thu lắp theo giãn cách cỡ 1m, tổng bề dài 6-7m, nối lên mặt đất bằng cáp nhiều ruột. Khoảng nối các phần tử trên làm bằng vật liệu cách âm (Filter tubes) để ngăn sóng truyền trực tiếp theo đầu đo. Nó không có càng ép thành hố khoan, nên chỉ làm việc ở đoạn có dung dịch khoan.
Nguồn phát sóng là một búa điện (Solenoid hammer) phát xung có băng tần 100–1000 Hz, đặt ở dưới cùng. Khi sóng này gặp thành hố khoan sẽ phát sinh trao đổi sóng, cho ra sóng dọc P và sóng ngang SH, lan trong đất đá và khúc xạ về các đầu thu.
Kết quả ghi tại mỗi điểm độ sâu là băng ghi, được vạch sóng xác định thời gian truyền tp, ts. Tốc độ truyền sóng được tính cho hai điểm thu cạnh nhau, và tùy theo offset sẽ phản ánh cho đới xa gần quanh thành hố khoan.

Các phương pháp khác

Gồm những dạng đo có thể không có nội dung vật lý, nhưng được thực hiện bởi khối điều khiển và tời cáp của hệ thống đo địa vật lý hố khoan.

Đo đường kính

Đo đường kính hố khoan (Caliper log) bằng đầu đo Caliper, thường có dạng 3 cần chìa ra ba hướng với góc 120°. Đầu đo khép cần được thả xuống đáy hố khoan, sau đó mở cần rồi đo trong hành trình kéo lên.
Nó phát hiện các đoạn lở thành do đất yếu, do dung dịch khoan không phù hợp. Ví dụ QL40-CAL 3-Arm Caliper dùng cho hố khoan đường kính 50 – 736 mm (2” - 29”).

Đo độ lệch

Đo độ lệch hố khoan (Deviation log) nhằm xác định độ nghiêng (Inclination) và phương vị (Azimuth) thực tế của từng đoạn hố khoan. Nó phục vụ giám sát các hố khoan nghiêng, hoặc để hiệu chỉnh độ sâu cho hố khoan thẳng đứng nhưng thi công bị lệch.
Các máy thế hệ mới dùng máy đo từ fluxgate ba thành phần để xác định phương vị, và gia tốc kế (accelerometer) ba thành phần để xác định độ nghiêng, cho ra số đo liên tục, được số hóa và truyền lên mặt đất. Ví dụ đầu đo Mount Sopris QL40-DEV Borehole Deviation.

Đo nhiệt độ

Đo nhiệt độ hố khoan (Temperature log) nhằm xác định tình trạng nhiệt trong hố khoan. Tại các hố khoan địa chất thủy văn (tìm kiếm hoặc quan trắc nước ngầm) thì nhiệt độ liên quan đến dòng chảy và thấm lọc nước. Ví dụ đầu đo QL40FTC Temperature-Fluid Conductivity Probe.

Chụp ảnh thành hố khoan

Chụp ảnh thành hố khoan (Borehole Wall Imaging hay Borehole image logs) thực hiện chụp ảnh dọc thành hố khoan và cho ra ảnh trực quan về thành phần và trạng thái đất đá ở thành hố khoan. Nó được thực hiện trong hố khoan khô hoặc nước trong. Ví dụ đầu chụp ảnh QL40-OBI-2G Optical Televiewer. Hệ thống đèn chiếu, lăng kính, cảm biến 360° và đầu dò độ lệch (Deviation) bằng máy từ fluxgate để định hướng,... đảm bảo quét được ảnh liên tục và có số liệu phương vị rõ ràng. Nó cung cấp cả số liệu độ nghiêng và phương vị thực tế của từng đoạn.

Lấy mẫu thành hố khoan

Lấy mẫu thành hố khoan dùng ống chứa dãy các đầu đạn có đầu rỗng và dây giữ, đặt trong ô chứa thuốc súng và kíp điện nhỏ, thả xuống độ sâu quan tâm rồi điểm hỏa. Đầu đạn cắm vào thành hố khoan, thu giữ cỡ 1 cm³ đất đá. Nếu đá cứng thì đầu đạn bị "bẹp đầu". Nó được thực hiện nơi khoan bị thiếu mẫu, hoặc có sự thiếu tương hợp giữa địa tầng khoan và kết quả đo địa vật lý hố khoan. Việc lấy mẫu phải quyết định ngay trước khi rời hiện trường. Ngày nay ít dùng.

Xử lý phân tích

Xử lý phân tích là chủ đề rộng như số phương cách đo đạc được áp dụng vào hố khoan. Ngày nay hỗ trợ phân tích được tích hợp trong phần mềm phân tích, như WellCAD, hiện có version 5.2 (năm 2017), nên công đoạn này được thực hiện nhanh chóng.

Hiệu đính độ sâu

Khi đo hố khoan, số liệu thô (Raw Data) được ghi trong Cơ sở dữ liệu theo độ sâu quy ước. Đó là giá trị được tính theo cảm biến độ sâu cho điểm tính độ sâu quy ước, trong khi ở dãy các đầu đo lắp nối tiếp nhau, thì vị trí điểm đo vật lý đã ở cách đó vài mét. Điểm tính độ sâu quy ước tùy thuộc người đo chọn, chẳng hạn chọn là đầu nối cáp khi nó nằm ở miệng hố thì có độ sâu =0.
Hiệu đính độ sâu chỉnh cho số liệu vật lý cụ thể về vị trí đặc trưng của nó, dựa theo độ dịch vị trí của điểm đo với điểm tính độ sâu quy ước trên dãy đầu đo.

Xác định ranh giới vật lý-địa chất

Xác định ranh giới vật lý-địa chất bằng các điểm đặc trưng tại vị trí có giá trị thay đổi mạnh. Nếu ranh giới theo các quan sát khác nhau bị lệch nhau thì phải tìm nguyên nhân. Trong thực tế thì có thể xảy ra địa vật lý, hoặc riêng phép đo nào đó, bị sai do lỗi thi công nào đó.

Các phân tích định lượng

Các phân tích định lượng thì theo quy trình của phương pháp cụ thể. Chẳng hạn kết quả đo phổ gamma chi tiết được dùng cho tính hàm lượng nguyên tố trong mỏ.

Biểu diễn kết quả

Kết quả của tất cả các phép đo, cùng với cột địa tầng hố khoan đã hiệu chỉnh theo địa vật lý, được biểu diễn thành Băng ghi địa vật lý hố khoan.