ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ
BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN
 

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

ĐỀ TÀI:

ỨNG DỤNG HẠT NHÂN TRONG
THĂM DÒ VÀ KHAI THÁC DẦU KHÍ

GVHD : TS. Hoàng Văn Quý
GVPB : ThS. Huỳnh Trúc Phương
SVTH : Vũ Văn Huy

Thành phố Hồ Chí Minh - 2005


LỜI CẢM ƠN
Những năm tháng học tập, tôi đã nhận được rất nhiều công ơn dạy bảo của
thầy cô ở bộ môn vật lý hạt nhân. Kiến thức thầy cô dạy bảo sẽ là nền tảng
cho tôi tiếp tục nghiên cứu về lónh vực hạt nhân. Vì những công ơn to lớn đó,
tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy cô.
Trong quá trình thực tập, các cô chú ở XN Đòa vật lí Giếng khoan đã giúp
đỡ tạo điều kiện cho tôi tiếp cận những công nghệ hạt nhân đang được áp
dụng trong dầu khí. Tôi xin trân thành cám ơn Tiến só Hoàng Văn Quý, Viện
trưởng Viện nghiên cứu khoa học và thiết kế đã hướng dẫn tôi thực hiện khóa
luận. Tôi trân thành cám ơn kó sư Trần Văn Lứu, kó sư Mai Văn Bình cùng cô
chú trong XN Đòa vật lí Giếng khoan đã nhiệt tình giúp đỡ để tôi hoàn thành

2.3. Phương pháp gamma..............................................................................................19
2.3.1. Phương pháp gamma tự nhiên ................................................................19
2.3.1.1. Cơ sở vật lí .................................................................................19
2.3.1.2. Sơ đồ đo gamma tự nhiên ..........................................................20
2.3.1.2. Phạm vi ứng dụng của phương pháp gamma tự nhiên ...............21
2.3.2. Phương pháp gamma phổ .......................................................................23
2.3.2.1 Cơ sở vật lí ..................................................................................23
2.3.2.2 Sơ đồ gamma phổ .......................................................................25
2.3.2.3 Phương pháp tính phổ..................................................................26
2.3.2.4 Phạm vi ứng dụng của phương pháp gamma phổ........................27
2.3.3. Phương pháp tán xạ ................................................................................29


2.3.3.1. Cơ sở vật lí .................................................................................29
2.3.3.2. Sơ đồ đo gamma tán xạ ..............................................................30
2.3.3.3. Phép đo gamma tán xạ mật độ bù..............................................33
2.3.3.4. Phạm vi ứng dụng tán xạ ...........................................................34
2.3. Phương pháp neutron ..........................................................................................35
2.4.1. Phương pháp neutron – gamma ..............................................................35
2.4.1.1 Cơ sở vật lí .................................................................................35
2.4.1.2 Sơ đồ đo neutron – gamma ........................................................37
2.4.1.3 Nguồn phát xạ neutron...............................................................37
2.4.1.4 Phạm vi ứng dụng neutron - gamma ..........................................40
2.4.2. Phương pháp neutron – neutron .............................................................40
2.4.2.1 Phương pháp neutron – neutron trên nhiệt .................................40
2.4.2.2 Phương pháp neutron – neutron nhiệt ........................................41
2.4.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng lên kết quả đo neutron ...........................43
2.4.2.4 Phân tí ch kết quả đo neutron trong giếng khoan ......................46
2.4.2.5 Phạm vi ứng dụng của phương pháp neutron – neutron ............47
2.4.3. Phương pháp phát xung neutron .............................................................47

khoan bằng các phương pháp đòa vật lý thường do các công ty hay xí nghiệp
chuyên ngành thực hiện.
Ngành đòa vật lý giếng khoan được thực hiện nền móng đầu tiên tại
Pháp do Schlumberger đề nghò dùng phương pháp đo điện trở để khảo sát lắt
cắt giếng khoan vào năm 1928. Ở Việt Nam, công tác khảo sát đòa vật lý được
áp dụng từ những năm 60 để khảo sát các giếng khoan nông thăm dò than và
quặng.
Trong những năm tiếp theo và cho đến nay, nhờ áp dụng các tiến bộ của
khoa học kỹ thuật ngành vật lý giếng khoan đã có sự phát triển tột bậc cả về
đòa vật lý lý thuyết, cả về trang thiết bò được dùng để khảo sát giếng khoan.
Trang 1


Nhiều phương pháp đòa vật lý mới đã nghiên cứu và áp dụng vào thực tiễn.
Các thiết bò dùng để khảo sát giếng khoan ngày càng hiện đại về kó thuật, đa
dạng về chủng loại và phương pháp.
Công tác khảo sát đòa vật lý giếng khoan đóng vai trò quan trọng vì nó
đưa ra các thông tin về lát cắt đòa chất của giếng khoan, đặc biệt là về các đới
chứa dầu, khí. Các tham số đòa vật lý mà các phương pháp đòa vật lý nghiên
cứu bao gồm:
- Phân biệt các lớp đất đá: sét, cát, đá sỏi, anhydrit, muối mỏ v.v
- Xác đònh các tham số đòa vật lý như:
+ Mật độ của đất đá (  )
+ Độ rỗng của các lớp đất đá (  ), độ bão hòa dầu, khí ( S MC )
+ Độ thấm của các đất đá (  )
+ Chiều dày của các vỉa chứa sản phẩm (h)
Trên cơ sở các tham số đòa vật lý, người ta tính toán được trữ lượng của
các mỏ dầu khí.
Ngày nay người ta sử dụng rất nhiều phương pháp khảo sát đòa vật lý
giếng khoan với mục đích khác nhau. Tổ hợp các phương pháp đòa vật lý

kiếm thăm dò, khai thác các khoáng sản có ích trong đó dầu và khí.
Giếng khoan là công trình tìm kiếm thăm dò hoặc khai thác. Loại công
trình này được tạo bằng phương pháp cơ học – phương pháp khoan giếng,
nhằm mục đích lấy mẫu đất đá, tạo ra một vết lộ đòa chất còn mới, chưa được
phong hóa, hoặc để khai thác các chất lưu như dầu, khí, nước dưới đất, nước
nóng chứa năng lượng nhiệt. Thông thường việc lấy mẫu lõi khoan khó thực
hiện được tốt và giá thành cao, trạng thái kỹ thuật và độ ổn đònh của công
trình phụ thuộc vào nhiều yếu tố kó thuật và đòa chất. Để thay thế cho việc lấy
mẫu lõi, xác đònh trạng thái kỹ thuật và theo dõi độ ổn đònh của các giếng
khoan, người ta khai thác triệt để các thông tin đòa chất và kỹ thuật trên vết lộ
đòa chất (lát cắt đòa chất trên thành giếng khoan) của công trình. Ưu điểm của
vết lộ đòa chất này là ở chổ nó còn “tươi” nguyên, chưa bò phong hóa lại
xuyên cắt mọi lớp đất đá tới chiều sâu đáy giếng.
Việc khai thác các thông tin đòa chất và kỹ thuật trên vết lộ đòa chất ở
thành giếng khoan được thực hiện bằng các phương pháp vật lý, hóa học. Nhờ
các phương pháp này ta có thể xác đònh trạng thái kỹ thuật và độ ổn đònh của
công trình, đánh giá hiệu suất khai thác của giếng … là mục đích của đòa vật lý
giếng khoan.
1.2. Phân loại đá theo thành phần, điều kiện kiến tạo và các đặc trưng vật
lý thạch học
Đá là những tập hợp có quy luật của những khoáng vật tạo thành những
thể đòa chất độc lập ở vỏ trái đất. Thể đòa chất độc lập ở đây là nói đến những
sản phẩm đặc trưng của một quá trình đòa chất nhất đònh. Vậy đá phải là kết
Trang 4


Chương 1 : Đối tượng và các tham số nghiên cứu

quả của một quá trình đòa chất nào đó chứ không phải là một tập hợp ngẫu
nhiên các khoáng vật hay các nguyên tố.

Đá chứa là đá macma, như trường 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 (đá móng như vẫn quen gọi) có độ mở thông nối rất
tốt nên mặc dù có giá trò độ rỗng thấp nhưng các thân dầu trong đá móng vẫn
cho giá trò khai thác cao. Các khe nứt trong đá macma được hình thành do tác
dụng của lực kiến tạo, do bò co ngót khi nguội, và do phá hủy phong hóa 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 lưu. Độ thấm của đá chứa cát sét phụ thuộc
vào độ rỗng, độ hạt, hàm lượng sét… Độ mở hay độ thông nối của kiểu lỗ rỗng
khe nứt lớn hơn lỗ rỗng giữa hạt nên có cùng độ rỗng nhưng độ thấm trong
các tầng chứa là đá cacbonat và đá móng bao giờ cũng lớn hơn trong đá cát
sét.
1.4. Độ rỗng
Đònh nghóa: Độ rỗng là tỉ phần không gian không được 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 người ta chia lỗ ra các loại:
a) Độ rỗng toàn phần (  t ) hay độ rỗng chung là tỷ số thể tích của tất cả
không gian rỗng (giữa hạt, kênh thông nối, nứt nẻ, hang hốc, bọt …) cộng lại
có trong đá.
t 

vt  v s v p

vt
vt

(1.1)


d) Độ rỗng hiệu dụng (  ef ) là thuật ngữ được sử dụng trong phân tích tài
liệu đòa vật lý giếng khoan. Đây là phần lỗ rỗng chứa chất lưu tự do trong
không gian của lỗ rỗng hở  thn hoặc lỗ rỗng  p , nghóa là không tính đến
phần thể tích của các lớp nước bao, nước hydrat sét (nước hấp thụ trên bề mặt
các hạt sét), nước tàn dư.
Độ rỗng, là đại lượng không thứ nguyên có thể biểu thò bằng phần trăm (ví
dụ 30%),
Trang 7


Chương 2 : Ứng dụng hạt nhân trong đòa vật lí giếng khoan

CHƯƠNG 2
ỨNG DỤNG HẠT NHÂN TRONG ĐỊA VẬT LÍ GIẾNG
KHOAN
Các phương pháp phóng xạ hạt nhân có cơ sở vật lý – đòa chất dựa trên
các hiện tượng phóng xạ tự nhiên và kích thích nhân tạo trong các lớp đất đá
ở thành giếng khoan.
2.1. Phóng xạ tự nhiên
2.1.1 Đặc tính phóng xạ tự nhiên của đất đá
Trong đất đá, các nguyên tố phóng xạ thường gặp là Kali 40, dãy Uran,
dãy Thori.
Bảng 2.1.1a. Biểu thò hàm lượng K, U, Th có trong các loại khoáng vật
trong đá móng (trích trong tài liệu Openhole Log Analysis and Formation
Evaluation, 1991, Halliburton Company)

Materials
Allanite
Apatite
Epidote

U(ppm)
30-700
5-150
20-50
5-3E+3
100-700
0.5-34E+3
3-3E+3
0,8
2,0
0,99
0,53

Feldspar, orthoclase
Feldspar, microline
Gabbro (mafic igneous)
Granite, (silicic igneous)
Granite, Rhode Island
Granite,preCambr. (MN,OK,CO)
Granodiorite
Granodiorite (Colorado, Idaho)
Perododite
Phoshates
Rhyolite
Sandstones,range (average)
Silica, quartz, quartzite (pure)
Sands, Gulf Coast beaches
Sands, Atlantic Coast (FL,NC)
Sands, Atlantic Coast (NJ,MA)
Shales, common, range (average)
Shale, average of 200 Samples
Shales, Colorado oil shales
Schist (biotite)

K(%)

3-30
1-20
2-5
1,5-3
1,5


11,27
2,07
8-18(12)
12,0
1-30
13-25

Trang 9


Olivine

Magnetite

Enstatite

Olivine

Oxide

Othopyroxennes

K2(Mg,Fe)2Al6(Si4O10)3(OH)2

glauconite

(Mg,Fe,Al)SiO3

Fe3O4



Alkali

(Na,Ca)(SiAl)4O8

Oligoclase

Amphibole

Mica

Alkali
Fedspar

NaALSi3O8

Albite

SiO2(H2O)n

Opal

Plagioclase
Feldspar

SiO2

Quart

Silica


6-55

3-35

10

5

GR

0.01-40

1-30

0.01

2.8-43

8.1

2.6-48

1.2-2.6

1.9-6

0

0.1-5


0

0.5-1

6.8-9.4

5.4-8.1

0-1.6

0

0

Pota

Chương 2 : Ứng dụng hạt nhân trong đòa vật lí giếng khoan

Bảng 2.1.1b Hàm lượng U, K, Th trong đá móng.
(trích trong tài liệu XN Đòa vật lí GK)

Trang 10


Chương 2 : Ứng dụng hạt nhân trong đòa vật lí giếng khoan

2.1.2 Hoạt tính phóng xạ của đất đá
Hoạt tính phóng xạ của đất đá rất khác nhau và chúng phụ thuộc thành
phần khoáng vật và nguồn gốc của đất đá.

lượng các chất phóng xạ như cát chứa monazit và đá vôi chứa Uran. Biên độ
của dò thường thậm chí lớn hơn cả khi cát kết chứa glauconit.
Than và các lớp đá thủy hóa (thạch cao, anhyhit, muối mỏ) có độ phóng
xạ tự nhiên thấp nhất. Chỉ khi các đá thủy hóa có kèm theo các muối Kali
(Sinvin, Carnalit, Kailmit) thì mới có độ phóng xạ tự nhiên cao.
2.1.3 Đơn vò dùng trong đòa vật lí giếng khoan.
Đơn vò chuẩn dùng để xác đònh cường độ phóng xạ là API.
a) Đối với gamma :
Người ta tạo ra một cái giếng hình trụ có độ sâu 24 feet, đường kính 4
feet, xung quanh giếng được trám bằng ximăng chia ra thành ba vùng. Vùng ở
giữa có chiều dài 8 feet trám bằng ximăng nhân tạo. Đó là ximăng trộn với 13
ppm Uranium, 24 ppm Thorium và 4% Kalium. Hai vùng 2 bên là ximăng
không trộn chất phóng xạ.
Người ta đònh nghóa cường độ phóng xạ giữa hai vùng này là 200 API.
Gọi vùng có phủ chất phóng xạ là vùng “hot” và vùng không phủ chất phóng
xạ là vùng “cool”. Người ta tính được độ nhạy G như sau:
G=200API/( Ihot-Icool)

(2.1)

b) Đối với neutron :
Mô hình được cấu tạo gồm các khối khác nhau và ở giữa có khoan lỗ
khoan. Trong lỗ khoan chứa nước ngọt. Mỗi khối trụ có chiều dày là 6 feet,
đường kính 6 feet. Các khối này được đặt trong hầm bêtông, nằm dưới nưới
ngọt sâu 6 feet.
Từ dưới lên lần lượt là khối đá vôi Austin có độ rỗng 26%, khối đá vôi
n Độ có độ rỗng 19%, bên trên là khối đá cẩm thạch có độ rỗng 1,9% và
trên là lớp nước ngọt có chỉ số độ rỗng là 100%.

Trang 12

Trang 13


Chương 2 : Ứng dụng hạt nhân trong đòa vật lí giếng khoan

e là năng lượng liên kết của quang electron.

Thực nghiệm chứng minh rằng tiết diện tương tác quang điện a gần
như tỷ lệ với Z và giảm tỷ lệ nghòch với h :
a 

Z4
h

(2.4)

Trong nghiên cứu người ta còn dùng một số tắt dần tuyến tính  . Hệ số
này được tính như sau:
 (cm 1 )  N (

nguyentu
)a (cm 2 )
3
cm

2.2.1.2. Hiệu ứng Compton
Electron Compton
Electron

Phôtôn tới h 0


Phôtôn tới

Hạït nhân
Cặp e- và e+

Hình 2.2.1.3. Hiệu ứng tạo cặp
Năng lượng của quá trình sẽ là:
h  T  T  2m0C 2

(2.6)

Trong đó :
T- và T+ lần lượt là động năng của electron và pozitron.
2mC2 là năng lượng cần thiết sinh ra một electron đứng yên.
Cả hai hạt tích điện e- và e+ đều sinh ra từ năng lượng của gamma cho
nên quá trình chỉ được phép về mặt năng lượng nếu h  2m0C 2 (tức là
>1,02MeV)
Tiết diện trên mỗi nguyên tử đối với quá trình tạo cặp aK tăng tỷ lệ với
Z2 và loga của năng lượng h . Hệ số tắt dần tuyến tính k là Nak.

Trang 15


Chương 2 : Ứng dụng hạt nhân trong đòa vật lí giếng khoan

2.2.1.4. Hệ số hấp thụ toàn phần
Trong thực tế, cả ba quá trình quang điện, Compton và tạo cặp đồng thời
có thể tạo ra và gây ra 3 hiệu ứng tương ứng.
Gọi  là hệ số hấp thụ tia gamma toàn phần của môi trường vật chất thì


Chương 2 : Ứng dụng hạt nhân trong đòa vật lí giếng khoan

Nói chung, các neutron đều có thể bò bắt bởi các hạt nhân ở mọi cấp
năng lượng, nhưng xác xuất để neutron nhanh bò bắt giữ nhỏ hơn rất nhiều so
với neutron trên nhiệt và neutron nhiệt.
Trong Đòa vật lý giếng khoan thường dùng các nguồn phát ra neutron có
năng lượng cao như nhóm neutron nhanh. Chúng có thể bò bắt giữ dễ dàng khi
mức năng lượng chỉ còn khoảng 0,0025eV sau quá trình làm chậm. Thông
thường hạt nhân bắt giữ một neutron thì tạo thành hạt nhân mới. Các hạt nhân
phức hợp này thường ở trạng thái kích thích và chúng sẽ trở về trạng thái cơ
bản bằng cách phát xạ gamma. Phổ năng lượng của tia gamma phát xạ trong
trường hợp này rất đặc trưng cho các hạt nhân phức hợp vừa tạo thành. Dựa
vào đặc trưng đặc trưng này ta có thể nhận biết sự có mặt của một số nguyên
tố trong môi trường nghiên cứu.
Tán xạ là dạng tương tác quan trọng của neutron trong môi trường vật
chất. Sau mỗi va chạm với hạt nhân, các neutron mất bớt năng lượng và
chuyển động lệch hướng so với hướng ban đầu. Do chuyển động lệch hướng
sau mỗi lần va chạm nên neutron khuyếch tán lan tỏa và chuyển động chậm
hơn trong môi trường.
Các va chạm là chậm neutron có hai hình thức: tán xạ đàn hồi và tán xạ
không đàn hồi.
Tán xạ đàn hồi: năng lượng E của neutron sau va chạm được tính theo
năng lượng E0 của chính nó trước lúc va chạm và góc tán xạ  :
E

M 2  2M cos   1
E0
( M  1) 2



(2.11)

Khi đó E  E0 , nghóa là neutron sẽ mất toàn bộ năng lượng mỗi khi va
chạm với hydro.
Tán xạ không đàn hồi: Tán xạ không đàn hồi chủ yếu xảy ra đối với
các neutron nhanh và đặc biệt với hạt nhân nặng. Thực nghiệm chứng minh
trong miền năng lượng của neutron từ 2 đến 4 MeV, tiết diện va chạm không
đàn hồi của mọi hạt nhân, trừ các hạt nhân có số nuclon lạ, đều tăng dần theo
khối lượng theo quy luật A2/3. Trong vùng năng lượng 1 MeV tiết diện va
chạm không đàn hồi lại thay đổi mạnh từ nhóm hạt nhân này đến nhóm hạt
nhân khác.
Sự bắt neutron là neutron bò hạt nhân bắt để trở thành nhân trung gian.
Tiết diện hấp thụ neutron của nhiều hạt nhân giảm tỉ lệ nghòch với tốc độ của
neutron theo quy luật 1/v. Điều đó có nghóa là xác suất để một hạt nhân bắt
giữ được một neutron nhiệt bao giờ cũng lớn hơn đối với một neutron nhanh.
Đối với đa số hạt nhân, nhất là các hạt nhân nặng, còn có sự hấp thụ
cộng hưởng. Các cộng hưởng này xuất hiện mỗi khi hạt nhân trung gian được
tạo thành ở mức năng lượng kích thích nó. Nhờ có hấp thụ cộng hưởng ở mức
năng lượng này mà một số hạt nhân có tiết diện bắt giữ neutron nhiệt rất lớn.

Trang 18


Chương 2 : Ứng dụng hạt nhân trong đòa vật lí giếng khoan

2.3. Các phương pháp gamma
2.3.1 Phương pháp gamma tự nhiên
2.3.1.1 Cơ sở lý
Trong các lớp đất đá tự nhiên, bao giờ cũng chứa một hàm lượng nhất


2
4

cáp

Hình 2.3.1.2a. Sơ đồ khối của máy đo gamma
1. Khối tính thể NaI
2. Ống nhân quang điện
3. Khối nguồn nuôi
4.Khối khuyếch đại và chế biến tín hiệu

Hình 2.3.1.2b. Máy đo gamma tự nhiên và gamma phổ ở XN
Đòa vật lý Giếng khoan
b) Các yếu tố ảnh hưởng lên kết quả đo GR.
Đường cong đo ghi cường độ bức xạ gamma tự nhiên trong giếng khoan
phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trước hết hết phải kể đến:

Trang 20


Chương 2 : Ứng dụng hạt nhân trong đòa vật lí giếng khoan

- Các lớp đá trong lát cắt giếng khoan chứa các nguyên tố đồng vò
phóng xạ, trong đó quan trọng nhất là U, Th và K.
- Đặc tính kỹ thuật của các detector dùng trong phép đo, chiều dày vỉa
và vò trí tương đối của detector trong giếng khoan so với các lớp đất đá.
- Đường kính thực của giếng khoan, mật độ và loại dung dòch khoan.
- Mật độ của các lớp đá ở thành giếng khoan .
- Tốc độ kéo cáp khi đo ghi.