Phát hiện "vàng đen" trong các lớp đá dưới đáy biển sâu

Hình ảnh này làm ta liên tưởng nó giống một số vách “ta-luy” ở bên đường quốc lộ, nơi người ta xẻ núi cho con đường chạy qua ở vùng trung du miền núi. Chỉ khác đây là lát cắt địa chất “ảo” thể hiện sắp xếp của các lớp đất đá ở dưới sâu vài ba cây số trong lòng đất, được vẽ ra theo tài liệu đo địa vật lý trên biển, còn các mái ta-luy mà bạn gặp trên đường, chúng lộ ở ngay trên mặt đất, đó là những vết lộ địa chất đã được mở ra khi người ta làm đường. Với các vết lộ trên mặt đất nhà địa chất tha hồ mà quan sát, lấy mẫu không hạn chế để nghiên cứu, soi kính, nhìn tận mắt, mô tả ghi chép, còn với các lớp đá dưới sâu kia thì sao?

Muốn nghiên cứu các lớp đá ở dưới sâu hàng cây số người ta phải dùng máy khoan các giếng khoan thăm dò tới chiều sâu của các lớp đá đó, mở ra một vết lộ địa chất “thực” ở thành giếng. Hiện nay, các giếng khoan thăm dò dầu khí ở thềm lục địa của chúng ta có chiều sâu phổ biến 4- 5 km. Trong các giếng này có đường kính khoảng 20- 30cm, sâu hàng cây số không ai có thể chui lọt xuống dưới đó để làm việc được.

Biện pháp kỹ thuật là phải dùng các phương pháp vật lý nghiên cứu địa chất giếng khoan, gọi tắt là Địa vật lý giếng khoan (ĐVLGK). Đây là loại hình nghiên cứu đặc thù, dùng các phương pháp vật lý để gián tiếp nghiên cứu lát cắt địa chất ở thành giếng khoan. Ở đây “gián tiếp” với ý nghĩa là không trực tiếp quan sát hay lấy mẫu đất đá, mà đo các tham số vật lý của chúng để nhận biết chúng. Các trường vật lý được đo vẽ trong nghiên cứu giếng khoan gồm: Điện, Từ, Phóng xạ, Hạt nhân, Sóng đàn hồi, Nhiệt và cả trường Trọng lực nhưng chưa phổ biến lắm.

Mô hình giàn khoan mỏ Rồng

NHIỆM VỤ CỦA ĐỊA VẬT LÝ GIẾNG KHOAN LÀ GÌ ?

Trong thăm dò khai thác dầu khí nhiệm vụ quan trọng của ĐVLGK là thực hiện các phép đo vẽ lát cắt địa chất tới các chiều sâu mà giếng đã khoan qua, xác định thành phần thạch học và tham số vật lý các lớp đá: mật độ, độ rỗng, độ thấm, độ ẩm, độ bão hòa... nhằm phát hiện các lớp đá chứa dầu khí, một loại nhiên liệu hóa thạch mà có người ví nó quý như “vàng đen”.

LÀM THẾ NÀO ĐỂ THỰC HIỆN CÁC PHÉP ĐO VẬT LÝ TRONG LÒNG GIẾNG KHOAN SÂU?

Để đo các tham số vật lý đá trong giếng khoan phải dùng các máy đo Địa vật lý giếng khoan. Máy bao gồm hai phần chính: Phần máy đo ghi đặt trên mặt đất, gọi là trạm đo và phần thả trong lòng giếng gọi là máy giếng. Hai phần này được kết nối với nhau qua cáp chuyên dụng. Từ trạm đo, người kỹ sư điều khiển cho máy giếng ở vào vị trí đo có chế độ làm việc đồng bộ với các máy đo ghi trên mặt đất. Quá trình đo ghi diễn ra đồng thời với việc kéo máy giếng liên tục từ đáy lên miệng giếng khoan. Các tín hiệu đo sẽ từ máy giếng theo cáp truyền lên máy ghi trên trạm, ở đó tín hiệu một mặt được ghi vào bộ ghi số, mặt khác vẽ trên băng giấy, theo kiểu ghi tương tự với trục ngang là giá trị của tham số đo, còn trục đứng là chiều sâu theo trục giếng khoan. Mỗi tham số vật lý của đất đá (điện thế, điện trở suất, độ phóng xạ, tốc độ sóng đàn hồi,...) được ghi vào một mạch riêng và có thể truyền thẳng về Trung tâm xử lý qua đường truyền vệ tinh. Ở đó tài liệu được tích hợp với các thông tin khác khi minh giải tổng hợp tài liệu giếng khoan. Kết quả cuối cùng là báo cáo tổng hợp Địa chất – địa vật lý có những kết luận về các tầng chứa dầu khí trong giếng khoan rồi chuyển ngay cho khách hàng cũng theo đường truyền này.

CÁC THAM SỐ NÀO CẦN CHO VIỆC PHÁT HIỆN TẦNG ĐÁ CHỨA ?

Đá là một cấu trúc vật chất khá phức tạp, nhưng nhìn chung đó là môi trường có lỗ rỗng, được gắn kết bởi các hạt vụn, hoặc các tinh thể nhờ các chất “keo xi măng”. Dù các hạt vụn hay tinh thể có kích thước lớn hay nhỏ, tròn hay dẹt, khi chồng xếp lên nhau bao giờ giữa các hạt cũng để lại các khoảng trống, vì vậy trong đá luôn có lỗ rỗng. Tỷ số thể tích không gian các lỗ rỗng trong khối đá chia cho thể tích của khối đá đó gọi là độ rỗng của đá. Trong quá trình trưởng thành, bị chôn vùi nén ép ở áp suất nhiệt độ khác nhau làm cho đá thay đổi các tính chất vật lý hóa học, do đó độ rỗng giữa hạt (độ rỗng nguyên sinh) của đá cũng thay đổi. Vỏ quả đất luôn bị biến động bởi các sự kiện địa chất: co rút, trồi sụt, tách giản, nén ép, xô dịch,...làm cho các lớp đất đá bị uốn nếp, đứt gãy, nứt vỡ, phong hóa bào mòn,... Kết quả là trong đá sẽ xuất hiện các khe nứt, hang hốc tạo ra một loại độ rỗng mới- độ rỗng nứt nẻ hang hốc, hay còn gọi là độ rỗng thứ sinh. Theo tính toán độ rỗng nguyên sinh trong đá thường lớn hơn độ rỗng thứ sinh nhưng khi trong đá bắt đầu có xuất hiện độ rỗng thứ sinh, dù chỉ rất nhỏ thì tính thấm của đá thay đổi tốt hơn hẳn. Điều này có nghĩa độ rỗng nguyên sinh quyết định khả năng chứa, còn độ rỗng thứ sinh chi phối khả năng thấm của đá. Mối quan hệ giữa độ rỗng và độ thấm trong đá là khá phức tạp, nhưng nhìn chung các đá có độ rỗng thông nối (độ rỗng mở) càng lớn thì có độ thấm càng cao. Trong công nghệ dầu khí, đá chứa phải là đá có khả năng chứa lớn và độ thấm cao. Vì vậy, để nhận biết và phát hiện tầng đá chứa trong giếng khoan thì trước hết phải đánh giá độ rỗng và độ thấm của đá, đó là hai tham số quan trọng nói lên tiềm năng các lớp đá chứa dầu khí. Khả năng thấm chứa của đá càng lớn thì vỉa chứa càng được đánh giá có tiềm năng cao.

Trong khoảng không gian rỗng của đá chứa sẽ được lấp kín (bảo hòa) bởi nước hoặc dầu khí, gọi chung là chất lưu. Theo quy luật tự nhiên, các thành phần chất lưu bảo hòa trong đá, nước xuất hiện sớm nhất, thậm chí là ngay trong giai đoạn tích tụ ban đầu; dầu khí sinh ra từ các tầng đá giàu vật chất hữu cơ, có khi phân bố cách đó rất xa, sau đó qua các biến cố địa chất được chiết tách ra và di cư vào vỉa đá chứa. Dầu đẩy nước ra ngoài theo quy luật cân bằng áp suất và theo tỷ trọng. Vì nước là chất dính ướt nên không dễ bị đẩy ra khỏi vỉa đá chứa. Một vỉa đá chứa mà gọi là vỉa nước thì chỉ có nước là thành phần chất lưu bảo hòa 100%, vỉa đá được gọi là vỉa dầu khí thì độ bão hòa dầu khí bao giờ cũng lớn nhưng ngoài ra còn có một tỷ lệ nước nhất định. Đá chứa càng chứa nhiều dầu khí, càng ít nước thì càng có giá trị cao. Tùy thuộc vào tỷ phần giữa dầu-khí và nước mà người ta xác định đó là tầng chứa dầu-khí hay chứa nước để đưa vào tính trữ lượng dầu khí ở mỏ, thường tỷ phần dầu- khí trên 40% được xem là tầng chứa sản phẩm để tính trũ lượng.

Như vậy còn một tham số quan trọng khác của đá chứa cần xác định đó là độ bảo hòa dầu hoặc nước. Độ bảo hòa dầu hay nước trong đá là tỷ phần không gian lỗ rỗng trong đá có chứa dầu hay nước. Ở điều kiện tự nhiên, ta thường gặp trong không gian lỗ rỗng của đá, dầu và nước là hai thành phần chất lưu bổ sung thay thế nhau lấp kín không gian lỗ rỗng của đá, cho nên chỉ cần xác định được độ bảo hòa nước thì tính được độ bảo hòa dầu trong vỉa chứa.

Hoàn thiện phương pháp xác định bẫy phi cấu tạo từ các tài liệu địa vật lý giếng khoan, địa chấn

PHƯƠNG PHÁP NÀO CÓ THỂ TÍNH CÁC THAM SỐ CHO ĐÁ CHỨA?

Địa vật lý giếng khoan có nhiều phương pháp để tính độ rỗng độ thấm và độ bão hòa cho các vỉa đá chứa. Cũng như các phương pháp địa vật lý trên mặt đất, địa vật lý giếng khoan dựa trên cơ sở đo vẽ các trường vật lý ở xung quanh máy giếng để nghiên cứu các lớp đất đá ở đó. Trường vật lý là thuộc tính vật lý của vật chất, nó tồn tại và lan truyền được trong môi trường đất đá xung quanh giếng khoan phụ thuộc vào các đặc tính vật lý của đá: thành phần khoáng vật, mật độ, độ rỗng, cấu trúc lỗ rỗng, thành phần chất lưu bão hòa trong lỗ rỗng (nước, dầu khí),... Các trường vật lý nghiên cứu trong giếng khoan có thể là trường tự nhiên (nguồn trường ở rất xa nơi quan sát), trường nhân tạo (nguồn trường ở ngay trong máy giếng). Đo vẽ xác định cường độ, sự phân bố lan truyền của các trường đó, cho phép ta xác định được thành phần thạch học, độ rỗng, độ thấm, độ bão hòa của các lớp đá ở thành giếng khoan.

Các phương pháp xác định độ rỗng của đá

Để xác định độ rỗng, thành phần thạch học của các đá ở thành giếng khoan người ta có thể áp dụng các phương pháp sau đây: Phương pháp mật độ, phương pháp sóng siêu âm và phương pháp nơtron là ba phương pháp được gọi là phương pháp độ rỗng trong địa vật lý giếng khoan.

Phương pháp mật độ là phép đo mật độ của các đá ở thành giếng khoan để tính ra độ rỗng của chúng. Nội dung vật lý của phương pháp này là: Từ máy giếng ta chiếu xạ một chùm tia gamma vào thành giếng, các tia này sẽ va chạm chủ yếu với các electron vành ngoài của các nguyên tử trong môi trường. Sau mỗi va chạm tia gamma mất dần năng lượng và chuyển động lệch hướng. Trong vật lý hạt nhân gọi hiện tượng này là tán xạ Compton. Mật độ các electron trong môi trường càng dày đặc thì tán xạ Compton càng mạnh, đồng nghĩa các tia gamma mất năng lượng càng nhiều và không thể đi xa hơn trong môi trường. Trong tính toán vật lý không khó chứng minh mật độ electron tỷ lệ với mật độ khối (tính bằng gam trên centimet khối (g/cc) của môi trường nghiên cứu. Mật độ môi trường càng cao, các tia gamma mất năng lượng càng nhanh khi đi qua môi trường đó. Trên cùng đoạn đường trong cùng loại đá, số tia gamma xuyên qua được sẽ nhiều hơn nếu mẫu đá đó có độ rỗng cao hơn và ngược lại. Quan hệ giữa độ rỗng và mật độ như ta biết: mật độ khối càng cao thì độ rỗng càng thấp.

Phương pháp âm (siêu âm) là phép đo tốc độ lan truyền sóng đàn hồi tần số âm trong đá ở thành giếng khoan. Ở đây nếu xem đá là môi trường liên tục có 3 pha : pha rắn (xương đá, còn gọi Matrix), pha lỏng (nước, dầu) và pha khí. Khi lan truyền qua các pha đó, sóng đàn hồi đi với tốc độ không giống nhau. Theo thứ tự, trong matrix sóng đàn hồi sẽ đi nhanh nhất, trong pha lỏng sóng đàn hồi chỉ có thành phần sóng dọc lại đi chậm hơn, còn trong pha khí nó sẽ đi chậm nhất. Sự khác biệt rõ rệt về tốc độ truyền sóng đàn hồi trong các pha sẽ là cơ sở thuận lợi để phân biệt đá có độ rỗng cao hay thấp. Ở điều kiện vỉa, không gian lỗ rỗng của đá luôn được lấp kín bởi các pha lỏng hoặc khí là thành phần có tốc độ truyền sóng chậm hơn, nên đá có độ rỗng cao sẽ có tốc độ truyền sóng chậm hơn trong đá có độ rỗng thấp. Các phép đo siêu âm trong giếng khoan thay vì đo tốc độ, người ta đo khoảng thờì gian lan truyền sóng trên đơn vị chiều dài trong đá. Trên cùng chiều dài đoạn đường trong đá có độ rỗng cao thời gian lan truyền sóng đàn hồi sẽ dài hơn trong đá có độ rỗng thấp. Khi ta ước lượng được thời gian lan truyền của sóng trong matrix và trong pha lõng, thì từ số đo thời gian trong phép đo có thể tính độ rỗng của đá ở thành giếng khoan bằng các phép tính đơn giản!

Ta có nhận xét, hai phương pháp đo mật độ và siêu âm dùng để xác định độ rỗng của đá chứa có cùng nguyên tắc giống như khi người ta đo kiểm tra khuyết tật trong các chi tiết máy hay dò các vết nứt trong các khối bêtông đúc tại chỗ ở các đập thủy điện. Khác nhau là khi dò khuyết tật trong các sản phẩm đúc kim loại hay đánh giá chất lượng thân đập thì chỉ cần đo định tính nhằm phát hiện ra nơi có bọt khí hay vết nứt trong sản phẩm, còn trong địa vật lý giếng khoan thì đòi hỏi số đo phải có độ chính xác cao để định lượng ra độ rỗng của đá ở thành giếng khoan. Các máy địa vật lý hiện nay có đủ độ chính xác cao để làm việc đó .

Phương pháp nơtron cũng là phương pháp hạt nhân xác định độ rỗng đất đá ở thành giếng khoan nhưng dựa vào một hiện tượng vật lý khác: Khi bắn phá môi trường đất đá bằng chùm hạt nơtron có năng lượng cao, trong môi trường sẽ xảy ra các va chạm và phản ứng hạt nhân. Vì nơtron không tích điện nên trong môi trường chúng chủ yếu va chạm với các hạt nhân và mất dần năng lương. Các nghiên cứu cơ bản chứng minh rằng khi va chạm đàn hồi với hạt nhân Hydro, nơtron mất nhiều năng lượng nhất vì cả hai có cùng khối lượng nguyên tử bằng một. Mỗi va chạm đàn hồi với hạt nhân làm cho nơtron mất đi nhiều năng lượng và chuyển động chậm dần, cho đến khi chỉ còn rất ít năng lượng (khoảng 0,025 eV), trở thành các nơtron nhiệt, thì chúng rất dễ bị hạt nhân của một số nguyên tố như B, Cl, Mn, H,.... bắt giữ. Mỗi hạt nhân sau khi chiếm giữ một nơtron nhiệt sẽ rơi vào trạng thái kích thích, và khi thoát khỏi trạng thái đó chúng phát xạ một lượng tử gamma chiếm giữ có phổ năng lượng đặc trưng. Ví dụ: hạt nhân nguyên tử Hydro khi bắt giữ một nơtron nhiệt sẽ phát xạ ra tia gamma có năng lượng 2,23 MeV, không lẫn với các hạt nhân khác. Trong các vỉa đá chứa, Hydro là nguyên tố chính cấu thành các phân tử nước và phân tử dầu, 2 thành phần chủ yếu của chất lưu bảo hòa trong lỗ rỗng của đá. Nước và dầu đều có chỉ số hydro HI (số nguyên tử hydro trong một centimet khối của dầu hoặc nước) cao nhất, gần bằng nhau và bằng 1,0... Chỉ số này của khí thấp hơn rất nhiều. Các khoáng vật khác như sét có chỉ số HI trong khoảng 0,06- 0,25 vì có ngậm nước, cho nên cần phải tính toán loại trừ ảnh hưởng của sét lên kết quả đo. Trong các đá chứa có độ rỗng cao lại bão hòa dầu nước nên chiều sâu đâm xuyên của các nơtron vào thành giếng sẽ không lớn, cho nên việc hiệu chỉnh này không khó khăn lắm. Sau khi loại trừ các ảnh hưởng nêu trên đối với số đo cường độ bức xạ gamma chiếm giữ hoặc mật độ các nơtron nhiệt là ta có thể xác định được độ rỗng của đá ở thành giếng khoan. Độ rỗng này gọi là độ rỗng nơtron (PHIN), có khác so với độ rỗng hiệu dụng (PHIEF).

Phương pháp xác định thành phần chất lưu trong đá chứa

Các phương pháp độ rỗng chỉ mới cho ta biết khả năng chứa của đá, nghĩa là mới biết trong một mét khối đá có lỗ rỗng để chứa được bao nhiêu lít chất lưu, còn trong đó là nước, dầu hay khí? Để giải quyết vấn đề này người ta lợi dụng khả năng dẫn điện của đá. Pha rắn (matrix) của đá cấu tạo từ các khoáng vật, phần lớn chúng thuộc các nhóm Silicat, Cacbonat, Oxid không dẫn điện, hoặc dẫn điện kém. Pha chất lưu gồm có nước, dầu và khí, trong đó nước có độ dẫn điện rất cao vì ở điều kiện vỉa nước luôn luôn hòa tan các muối khoáng, còn dầu khí ngược lại dẫn điện rất kém. Chính sự tương phản về khả năng dẫn điện của các thành phần trong đá mà khi đo điện trở suất (hay điện trở riêng) của đá ta cũng có thể tính độ bão hòa nước của đá chứa. Khi bão hòa nước 100%, trong lỗ rỗng của đá chỉ có nước thì đá có điện trở suất thấp nhất. Khi dầu khí di cư vào đẩy nước ra để choán từng phần không gian rỗng trong đá sẽ làm cho điện trở suất tăng cao. Gọi Ro là điện trở suất của đá lúc bão hòa 100% nước, Rt- điện trở suất thực của đá khi bão hòa một phần nước, một phần dầu. Tỷ số Rt/Ro=RI gọi là chỉ số tăng điện trở. RI=1 khi độ bão hòa nước Sw trong đá bằng 100% ; RI > 1 và bắt đầu tăng dần khi nước bão hòa trong đá giảm dần. Bằng thực nghiệm người ta tìm ra quan hệ hàm số Sw= f(RI) giữa RI và Sw. Vậy chỉ cần đo điện trở suất thực Rt và Ro ta sẽ tính được độ bão hòa nước Sw. Các máy đo địa vật lý trong giếng khoan hiện nay cho phép đo và tính toán các tham số vật lý đá có độ chính xác rất cao. Khi tính được độ bão hòa Sw thì có thể dễ dàng tính độ bão hòa dầu Sh, theo luật thay thế lấp đầy: Sh = 1–Sw.

****

Dầu khí vẫn còn đang rất cần cho sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa nền kinh tế của chúng ta. Loại nhiên liệu hóa thạch này sẽ ngày càng cạn kiệt, khan hiếm nên việc tìm kiếm nó càng trở nên khó khăn. Việc phát hiện các vỉa đá chứa dầu trong lát cắt địa chất ở các giếng khoan sâu là một công việc phức tạp, tưởng chừng như “mò kim đáy bể” nhưng khi thực hiện nó hóa ra lại chỉ là áp dụng các nguyên lý rất giản đơn trong khoa học cơ bản. Có điều trong công việc này, đòi hỏi phải có máy móc thiết bị hiện đại có độ chính xác cao, nhưng cần hơn là phải đào tạo tay nghề kỹ năng làm việc cho những người làm dầu khí. Chúng ta rất vui mừng là các kỹ sư địa vật lý của chúng ta, có rất nhiều người đã nhanh chóng tiếp cận một cách sáng tạo với nền khoa học công nghệ tiên tiến của thế giới và họ đang làm công việc này rất tốt.

Nguyễn Văn Phơn