171
Chơng 6
Phơng pháp sóng âm

Phơng pháp sóng âm còn gọi là phơng pháp siêu âm hay phơng pháp âm
(Sonic Log) xuất hiện muộn hơn các phơng pháp địa vật lý nghiên cứu giếng khoan
khác nh: Phơng pháp điện từ, phóng xạ hạt nhân, nhng lại có phạm vi ứng dụng khá
rộng.
Nguyên lý của phơng pháp sóng âm là đánh giá tính chất đàn hồi của các lớp
đá ở thành giếng dựa trên cơ sở của sự lan truyền sóng đàn hồi trong các lớp đá đó.
Khi lan truyền trong các lớp đá khác nhau sóng âm truyền với tốc độ khác nhau
và suy giảm năng lợng (biên độ) trong từng lớp đá đó cũng khác nhau. Các đặc điểm
vừa nêu là cơ sở để tiến hành các phép đo âm khác nhau: Phơng pháp tốc độ,

t,
phơng pháp đo biên độ sóng âm, phơng pháp biến đổi mật độ.
Các phép đo tốc độ, hay
t trong giếng khoan có thể đo liên tục (Nguồn phát và
máy thu tín hiệu sóng âm đặt cách nhau một khoảng L và tịnh tiến khi đo) có thể đo
từng điểm (Nguồn trên mặt đất, các máy thu tín hiệu áp sát thành giếng ở các chiều sâu
khác nhau) đó là trờng hợp của phơng pháp tuyến địa chấn thẳng đứng VSP).
6.1. Tín hiệu sóng âm
Một tín hiệu âm (Hình 6.1) có dạng một sóng âm do kết quả của sự giải toả
năng lợng sóng đàn hồi.
Tín hiệu sóng âm cũng đợc đặc trng bằng các tham số: Chu kỳ T - đợc định
nghĩa là khoảng thời gian kéo dài của một chu kỳ dao động (
às). Trên hình vẽ 6.1 chu
kỳ T là khoảng thời gian nằm giữa hai pick dơng (hoặc âm) liên tiếp (A
x-1
A

x
).
- Tần số f là số giao động trong một giây, f = 1/T, đo bằng H
z
= 1 giao
động/giây.
- Chiều dài bớc sóng
là khoảng cách mặt sóng đi đợc trong môi trờng
trong một chu kỳ dao động. Đại lợng này phụ thuộc vào tốc độ lan truyền sóng v và
tần số f ;
= v/f.
6.2. Sóng âm (Siêu âm)
- Sóng nén hay sóng dọc P: Loại sóng này gây cho các hạt vật chất điểm chất
chuyển dời xung quanh vị trí cân bằng theo phơng song song với phơng truyền của
mặt sóng (Hình 6.2). Sóng P tồn tại trong môi trờng rắn và lỏng.

172







Hình 6.1. Tín hiệu sóng âm









Hình 6.2. Lan truyền của sóng dọc
- Sóng kéo hay sóng ngang S - Sóng
làm cho các điểm chất dao động theo
phơng vuông góc với phơng truyền sóng
(Hình 6.3). Sóng S chỉ tồn tại trong môi
trờng rắn, không có trong môi trờng lỏng.
- Trong môi trờng liên tục tốc độ
lan truyền của sóng dọc P lớn hơn tốc độ
truyền của sóng ngang S. Trong đất đá tỷ số
tốc độ sóng dọc và sóng ngang thay đổi:
v
P
/v
s


1.6
ữ
2.0 .
Trong đất đá tồn tại cả sóng P và
sóng S, trong dung dịch khoan năng lợng
chuyển sang sóng dọc P.
Sóng ngang S lan truyền với tốc độ
thấp hơn, nhng năng lợng của sóng này
lớn hơn hàng chục lần năng lợng của sóng
dọc P.
Vậy dựa vào hình ảnh của đợt sóng

(Hình 6.4) ta dễ dàng nhận ra sóng dọc P
(đến sớm hơn, biên độ nhỏ tắt dần chậm); sóng ngang S (đến chậm hơn, biên độ cao
hơn nhng cũng suy giảm nhanh hơn).
- Sóng dẫn đờng hay còn gọi là sóng ống (Stoneley Wave) trong điều kiện ở
giếng khoan có dung dịch (nớc), trên thành giếng còn tồn tại một loại sóng sinh ra
trên bề mặt tiếp xúc giữa dung dịch khoan và đất đá ở thành giếng khoan (Hình 6.5).
Sự lan truyền của loại sóng này làm cho thành giếng bị biến dạng. Tốc độ của sóng ống
V
St
rất thấp, thậm chí nó lan truyền theo thành giếng còn chậm hơn cả sóng P truyền
trong dung dịch.
Khoản
g
cách
Thời
g
ian
Biên độ
Đợ
t són
g

H
ình 6.3. Sự lan truyền của sóng ngang (a);
kết h
ợp
các són
g
P và S
(

b
)
(a)
(b)

173
Tốc độ V
St
và biên độ của sóng
ống phụ thuộc vào:
- Tính đàn hồi của dung dịch trong
giếng.
- Tính đàn hồi của đá ở thành
giếng.
- Độ thấm của đá ở thành giếng.
6.3. Tốc độ sóng âm
Tốc độ sóng âm trong môi trờng
đàn hồi có thể đợc biểu diễn qua modul
đàn hồi.
Tốc độ sóng lọc V
P
có thể tính
theo công thức:


Và tốc độ lan truyền của sóng ngang V
S


Trong đó:

E: Modul Young
()( )
)1.6(
211
1
*
4
3








+

=













+
=



à
bb
P
E
k
V
()
)2.6(
12
1
*
2
1
2
1








+

=








=

à
bb
S
E
V
H
ình 6.5. Sự lan truyền của
sóng ống (Stoneley Wave)
Són
g
d
ọ
c
Són
g
n
g
an
g

Dấu hiệu tru
y
ền
tín hi
ệ
u
Tín hiệu
Thời
g
ian
Biên độ (mV)
H
ình 6.4 Phân biệt sóng dọc và sóng ngang theo thời gian đến và biên độ của chún
g

174
2
1
b
P
k
V











k: Modul đàn hồi khối

à
: Modul kéo

: Hệ số Poision


b
: Mật độ khối của môi trờng.
Ta có nhận xét: Trong môi trờng chất lỏng, modul kéo hay hệ số biến dạng thể
tích gần bằng không cho nên V
S
xác định theo (6.2) sẽ bằng không, còn sóng dọc:
Đất đá thờng gặp ở vỏ Quả đất có Modun Yuong thay đổi trong khoảng
0,15.10
-6
đến 0,60.10
-6
kg/cm
2
và hệ số Poisson phổ biến bằng 0,25. Vì vậy, từ (6.1) và
(6.2) ta có:
Ước lợng đợc tỷ số này là rất quan trọng không chỉ khi đo ghi tín hiệu ở điều
kiện giếng khoan mà cả khi phân tích kết quả đo.
Các đá và khoáng vật thờng gặp trong các lớp đá ở vỏ Quả đất khác nhau rõ ràng
về tốc độ truyền sóng đàn hồi. Khoảng biến thiên tốc độ này nằm trong khoảng 1500 -
8000m/s, hẹp hơn so với một số tham số vật lý khác của đất đá nh điện trở suất.

Bảng 6.1 là một tập hợp số liệu về tốc độ và khoảng thời gian để sóng đàn hồi đi
qua một đơn vị chiều dài của các đá và vật liệu khác nhau.
Tốc độ truyền sóng đàn hồi trong đá đá phụ thuộc vào nhiều yếu tố nh thành
phần khoáng vật của đá, độ gắn kết, độ lỗ rỗng và kiểu lỗ rỗng (giữa hạt, nứt nẻ, hang
hốc), độ bo hoà chất lu, tính chất của chất lu bo hoà, áp suất vỉa, áp suất thạch tĩnh
liên quan đến chiều sâu thế nằm của đá.
Cha cần phân tích tỷ mỉ về ảnh hởng của từng yếu tố vừa nêu ta cũng thấy
rằng pha cứng của đá có đóng góp quan trọng lên tốc độ truyền sóng đàn hồi. Từ bảng
6.1 ta thấy đối với các đá có thành phần khoáng vật khác nhau (vôi, dolomit, cát thạch
anh) thể hiện sự biến đổi về tốc độ truyền sóng trong những khoảng khá rộng. Vì vậy,
đối với các thành hệ có pha cứng không đơn khoáng nh các lát cắt cacbonat thì tốc độ
lan truyền sóng đàn hồi của nó sẽ phụ thuộc vào tỷ phần của các khoáng vật thành
phần trong pha cứng, vì các khoáng vật thành phần đó có khả năng truyền năng lợng
siêu âm khác nhau.
)3.6(73,1
S
P
V
V

175
Bảng 6.1
Tốc độ Thời gian truyền
Môi trờng (đá, khoáng vật, vật liệu)
m/s ft/s
às/m às/ft
Không khí (
0
C, áp suất, khí quyển) 330 1020 3000 995
Nớc sạch 1500 4600 668 218

Nớc có: 10%NaCl, 1600 4800 625 208
20%NaCl 1740 5300 575 189
Phù sa bồi tích 310 940 3230 1035
Sét cha nén kết 1980-2630 6000-8000 505-380 168-125
Sét kết 5300 16000 189 >62
Anhydrit 6600-6850 20000-20500 152-146 50-49
Đá vôi 6900-7550 21000-23000 145-132 47.6-43.5
Đá macnơ 3300-6900 10000-21000 303-145 100-48
Dolomit 7550-8500 23000-26000 132-118 4.5-38.5
Ximăng 3750 11400 267 88
Thép ống chống 5650-6500 17200-19700 177-154 58-51
Dung dịch khoan (ngọt) 1640-1740 5000-5300 610-575 200-189
Dung dịch mặn 1780 5400 560 185
Cát (bở rời) 5900 13000 170 55.6
Cát kết 5900-6900 18000-21000 170-145 55.6-47.6
Metan (
0
C, áp suất khí quyển) 480 1450 2080 690
Dầu thô (
0
C, áp suất khí quyển) 1380 420 725 240
Muối 4950-5600 15000-17000 200-179 67-59
Độ gắn kết và thành phần ximăng gắn kết đá cũng ảnh hởng mạnh đến tốc độ
truyền sóng. Đá càng gắn kết tốt thì tốc độ truyền sóng đàn hồi của nó càng lớn và thời
gian lan truyền càng nhỏ.
Tốc độ truyền sóng đàn hồi có quan hệ tỷ lệ nghịch với độ lỗ rỗng của môi trờng.
Mối quan hệ giữa tốc độ (V) và độ lỗ rỗng

thể hiện qua phơng trình tốc độ
trung bình của Wyllie (1958):

Trong đó:
V: Tốc độ truyền sóng đo đợc bằng phơng pháp siêu âm.
V
m
: Tốc đô truyền sóng của pha cứng (matrix).
V
f
: Tốc độ truyền sóng của chất lu bo hoà.
Năng lợng sóng âm truyền trong các đá có kiểu lỗ rỗng khác nhau sẽ không
giống nhau. Trong các đá có lỗ rỗng giữa hạt phân bố đồng đều, năng lợng sóng âm suy
giảm chậm hơn trong đá có kiểu lỗ rỗng phân bố không đồng đều (nứt nẻ, hang hốc).
)4.6(
11
fm
VVV

+


=

176
Chất lu bo hoà trong không gian lỗ rỗng của đá (nớc, dầu, khí) có ảnh hởng
đến sự suy giảm năng lợng sóng đàn hồi cũng nh tốc độ truyền sóng đàn hồi của đá.
ả
nh hởng của chất lu nh vậy đặc biệt mạnh ở các đá có độ lỗ rỗng cao. Có cùng lỗ
rỗng, vỉa chứa khí có tốc độ truyền sóng đàn hồi chậm hơn vỉa chứa nớc. Cùng chứa
khí nhng vỉa có áp suất cao sẽ có tốc độ truyền sóng đàn hồi lớn hơn vỉa có áp suất
thấp.
ả

nh hởng của chất lu và áp suất vỉa lên tốc độ truyền sóng đàn hồi không
mạnh mẽ ở các vỉa có độ lỗ rỗng thấp. Các thành hệ đá chứa ở chiều sâu lớn chịu lực
nén ép cao độ lỗ rỗng thờng thấp, tính chất của chất lu không ảnh hởng nhiều đến
tốc độ truyền sóng cho nên tốc độ truyền sóng đàn hồi đợc xem là có quan hệ trực
tiếp với độ lỗ rỗng.
6.4. Cơ chế lan truyền sóng âm
Sự phản xạ và khúc xạ sóng âm (sóng đàn hồi) truyền trong môi trờng liên tục
là nhờ vào sự dao động của các điểm chất trong môi trờng đó. Khi dao động xung
quanh vị trí cân bằng của mình, các điểm chất truyền năng lợng cho các điểm chất
bên cạnh và biến nó thành điểm nguồn sóng mới theo nguyên lý Huygen (Hình 6.6).
Điểm chất dao động theo phơng song song với phơng truyền sóng là kết quả
của quá trình nén của sóng đàn hồi trong môi trờng. Sự kéo gin của sóng đàn hồi đối
với điểm chất làm cho nó dao động theo phơng vuông góc với phơng truyền sóng.
Quá trình nén và kéo gin chính là các quá trình tạo thành sóng dọc P và sóng ngang S.







Hình 6.6. Sự lan truyền sóng đàn hồi







Hình 6.7. Sự phản xạ và khúc xạ sóng âm

Theo định luật Descarte, tại điểm I trên ranh giới giữa hai phần môi trờng đồng
nhất đẳng hớng vô hạn, có tốc độ V
P1
, V
S1
, V
P2
, V
S2
sóng P có góc tới i
1
sẽ phân thành
bốn sóng mới. Hai trong số đó là sóng phản xạ P
r
và S
r
có góc phản xạ lần lợt là r
1
và
r
2
(Hình 6.7). Hai sóng còn lại là sóng khúc xạ P
R
và S
R
có góc khúc xạ R
1
và R
2
.

Nếu chỉ xét riêng sóng dọc thì theo định luật phản xạ: i
1
= r
1
và theo định luật khúc xạ:
)6.6(
2
1
P
P
V
V
SinI
=
Phơng truyền sóng
Mặt sóng ở
thời điểm t
2
Mặt sóng ở
thời điểm t
1

V
S1
, V
P1
V
S2
, V
P2

S
r

P
r

P
r
S
r


177
Nếu V
P2
>V
P1
, góc i đạt tới góc I tới hạn thì R
1
= 90 và gọi là góc khúc xạ toàn
phần, ta có:
Ta có thể định nghĩa hai góc phản xạ, một cho sóng dọc và một cho sóng ngang.
Nếu quy ớc là các sóng phản xạ và khúc xạ tạo ra sóng ngang thì ta có:
Và
Ta có nhận xét rằng trờng hợp ở thành giếng khoan, môi trờng 1 là dung dịch
nên sóng phản xạ không có thành phần sóng ngang.
Giữa tốc độ sóng đàn hồi và mật độ của môi trờng có quan hệ chặt chẽ với
nhau. Tích số của tốc độ sóng V trong môi trờng và mật độ

của môi trờng đó đợc

gọi là trở kháng âm học r.
r = V.
(6.9)
Trên bề mặt ngăn cách giữa hai môi trờng có trở kháng âm học khác nhau, nếu
góc tới i = 90
0
thì ở đó có hệ số phản xạ:
Và dĩ nhiên khi góc tới i thay đổi thì R
1-2
cũng thay đổi phụ thuộc vào i
1
, V
S1
và V
S2
.
Trong môi trờng đất đá cũng xảy ra hiện tợng giao thoa sóng đàn hồi, khi tại
một điểm cùng một lúc có các sóng cùng tần số đến từ hớng khác nhau.
Tuy nhiên, ở giếng khoan thờng giếng không tròn, các chấn tử phát và chấn tử
thu hiếm khi nằm chính xác trên trục giếng nên hiện tợng vật lý này khá phức tạp
(Hình 6.8).
)7.6(
21
21
SP
V
Sinr
V
Sini
=

)8.6(
V
SinR
V
Sini
21
S
2
P
1
=
)10.6(
1122
1122
21


VV
VV
R
+

=


178
Hình 6.8. Hiện tợng giao thoa sóng siêu âm có cùng tần số 1, 2, 3, 4 và trờng hợp
không cùng bớc sóng
6.5. Phơng pháp đo tốc độ sóng âm
Phơng pháp tốc độ siêu âm dựa trên cơ sở sóng đàn hồi truyền trong các lớp đất

đá khác nhau với tốc tốc độ khác nhau hay trên cùng đoạn đờng bằng nhau thời gian
lan truyền của sóng đàn hồi không giống nhau trong các đá khác nhau.
Phơng pháp tốc độ siêu âm thực chất là phép đo thời gian lan truyền của sóng
đàn hồi (
t) qua một đoạn đờng dài cho trớc.
6.5.1. Nguyên lý và sơ đồ máy giếng
Dùng một máy phát từ giảo, điều khiển từ mặt đất phát ra các xung phát sóng
siêu âm, có tần số từ 20 - 40KHz (Hình 6.9) qua chấn tử phát E. Các xung có trờng độ
ngắn (khoảng 200
à
s) và lập lại từ 10
đến 60 lần trong một giây, tuỳ theo
từng loại máy. Sóng lan truyền từ chấn
tử E đi về mọi hớng dới dạng các mặt
sóng cầu. Mặt sóng truyền qua dung
dịch khoan và chạm vào thành giếng ở
thời điểm và góc tới i khác nhau, tuỳ
thuộc vào khoảng cách từ E đến thành
giếng và loại sóng dọc hay sóng ngang
(Hình 6.10).
Trong phép đo ghi tốc độ thờng
ngời ta quan tâm đến sóng dọc P.
Khi phát xung sóng từ E ta có các trờng hợp sau:
Đ
ồng pha L
ệ
ch pha Ngợc phaLêch pha
/
2
Biên độ

Thời
g
ian
H
ình 6.9. Hình ảnh xung phát

179
a. Nếu góc tới i nhỏ hơn góc tới hạn thì ở điểm tới mỗi sóng dọc chia làm hai
phần: Khúc xạ và phản xạ, còn sóng ngang chỉ có thành phần khúc xạ (vì nó không
phản xạ đợc vào môi trờng dung dịch).
b. Nếu góc tới lớn hơn góc tới
hạn thì sóng dọc sẽ chỉ tạo ra sóng phản
xạ và bắt đầu từ đó mỗi điểm ở thành
giếng khoan sẽ trở thành nguồn sóng.
Sóng dọc phản xạ đi qua dung
dịch chậm hơn so với sóng dọc hay
sóng nén đi trong thành hệ vì tốc độ
truyền sóng trong đất đá lớn hơn trong
dung dịch.
Theo các tia sóng dọc khúc xạ từ
thành giếng vào dung dịch với góc tới
hạn r (Hình 6.10) bởi chúng lan truyền
trên thành giếng với tốc độ V
P2
và đi tới
các chấn tử thu R
1
và R
2
qua dung dịch

với tốc độ V
P1
.
Nếu các chấn tử R
1
và R
2
đặt
trên trục của Zond đo và của giếng
khoan ở những khoảng cách xác định
thì thời gian sóng đến đối với chúng đợc tính:

Nhng vì khoảng đờng BR
1
= CR
2
nên ta có:
Và
6.5.2. Nhận biết sóng dọc và sóng ngang
Trong phép đo, máy sẽ ghi nhận thời gian của sóng đến sớm nhất, đó chính là
sóng khúc xạ toàn phần đi từ thành giếng khoan dới góc tới hạn r vào dung dịch ròi
lần lợt đến các chấn tử R
1
và R
2
theo con đờng ngắn nhất (Hình 6.11).
Thực chất: a. Các sóng dọc khúc xạ khác cũng đi trong đất đá với tốc độ giống
nh sóng đầu nhng khoảng đờng chúng phải đi thì dài hơn nên vẫn đến chậm hơn và
b. Sóng ngang khúc xạ vào đất đá đi với tốc độ chậm hơn rất nhiều so với sóng dọc
thành thử chúng đến chậm nhất. Tuy nhiên, sóng ngang có năng lợng lớn hơn nên dễ

nhận biết chúng theo biên độ sóng.
Trong mọi trờng hợp bao giờ cũng dễ tách sóng dọc và sóng ngang theo thời
gian đến và theo biên độ (năng lợng) của chúng.
121
1
1
PPP
R
V
BR
V
AB
V
EA
T ++=
)11.6(
1221
2
2
PPPP
R
V
CR
V
BC
V
AB
V
EA
T

+++=
)12.6(
2
12
P
RR
V
BC
TTt
==
21
21
,
11
RRBC
V
CR
V
BR
PP
==
,và
H
ình 6.10. Sơ đồ nguyên tắc đo thời gian
lan truyền

t (Zond 2 chấn tử thu)

180
Để dễ dàng tách sóng dọc và sóng ngang trong phơng pháp siêu âm,

Schlumberger sử dụng Zond đo dài (Long Spacing Sonic Tool). Phép đo thực hiện theo
nguyên tắc nh mô tả ở hình 6.12.
Dun
g
dịch
Thành hệ
Tín hiệu đo
Mặt són
g

(
phát
)
Mặt són
g
khúc xạ
Hớn
g
tru
y
ền
của mặt sóng
Sóng dọc
Mặt són
g
khúc xạ
Sóng ngang
Tín hiệu đo
p
2

p
1

Hình 6.11. Sự lan truyền siêu âm. Nguyên tắc đo thời gian lan truyền

t
bằng Zond hai chấn tử thu (theo O. Serra)

181
Để xác định

t
P
dùng ngỡng năng lợng (BIAS) thấp vì biên độ của sóng dọc
(sóng nén) thấp. Khi đo

t
S
- dùng ngỡng năng lợng (biên độ) cao, vì sóng ngang có
biên độ lớn hơn sóng dọc.
Các giá trị
t
P
, t
S
và tỷ số t
P
/t
S
đợc đo ghi trên băng (Hình 6.13)









Hình 6.13. Thí dụ biểu diễn kết quả đo

t
P
và

t
S
bằng Zond dài
(theo Schlumberger)









Hình 6.14. Xác định đặc điẻm thạch học
theo biểu đồ trực giao


t
P
với

t
S

(theo Pickett, 1963)

Tỷ số V
P
/V
S
của sóng âm trong thành hệ đá mang những thông tin của các yếu
tốc thạch học địa tầng. Theo một nghiên cứu của Pickett (1963) có thể áp dụng các đặc
trng âm học để phân loại và đánh giá các đá khác nhau (Hình 6.14). Dựa vào tỷ số
Biên độ
Thời
g
ian
Thời
g
ian
Thời
g
ian
Thời
g
ian


t
P

t
S
Són
g
d
ọ
c
Són
g
n
g
an
g

H
ình 6.12. Phơng pháp đo

t của sóng P và sóng S
Bias
Bias
Bias
Bias
Vôi s
ạ
ch
Dolomit s
ạ

ch
Cát s
ạ
ch
Vôi sạch
Dolomit
Cát sạch
t
p
(às/ft)
Thời gian

t
p
= 75
à
s/ft,

t
S
= 125
à
s/ft

182
V
P
/V
S
hay


t
S
/

t
P
thể hiện trên hình 6.14 phân biệt rõ các đá theo chiều tăng từ cát kết
đến Dolomit và đá vôi.
6.5.3. Loại trừ ảnh hởng đờng kính giếng khoan
Ta có nhận xét việc đo

t theo sơ đồ của Zond hai chấn tử thu nh hình 6.10 sẽ
chịu ảnh hởng của sự thay đổi đờng kính giếng và sự nghiêng của Zond đo trong
giếng khoan.
Khi đờng kính giếng thay đổi thì đờng biểu đồ

t

sẽ thay đổi khác nhau: nhỏ
hơn hoặc lớn hơn giá trị thực (Hình 6.15)
Hình 6.15. ảnh hởng của đờng kính giếng lên kết quả đo

t
Khi trục của Zond đo và trục giếng khoan không trùng nhau (giếng nghiêng,
Zond thẳng đứng và ngợc lại) đều làm cho
t kéo dài thêm (Hình 6.16)
Để khắc phục tình trạng đó, ngời ta dùng Zond đo kép để bù chỉnh đờng kính.
Zond đo này gồm 2 Zond đặt ngợc nhau. Một Zond phát E
1

ở trên các chấn tử
R
1
và R
2
đặt phía dới; Zond đo thứ hai thì ngợc lại, chấn tử E
2
đặt dới, các chấn tử
R
1

và R
2

đặt ở phía trên (Hình 6.17).
Đối với thiết bị Zond đo nh hình 6.17 thì điểm đo đợc tính là điểm giữa R
1
và R
1

.
Chiều tăng của t
Chiều tăng của

t
Thời
g
ian tru
y
ền

không đổi
tăn
g
n
g
ắn
tăn
g
dài
th
ự
c
biểu kiến
tăn
g

dài
Khoản
g
s
ập
lở
tăn
g

n
g
ắn

183





























6.5.4. Chiều sâu nghiên cứu và độ phân giải của Zond đo tốc độ siêu âm kép
(BHC)

Chiều sâu nghiên cứu của máy giếng BHC phụ thuộc vào chiều dài bớc sóng
hay tần số sử dụng và tốc độ truyền sóng của thành hệ. Nếu các lớp đá thờng gặp đều
có tốc độ truyền sóng đàn hồi trong khoảng 5000 đến 25000 ft/s thì chiều dài bớc
sóng

khoảng 8 đến 40cm (đối với tần số f = 20KHz) và 4 đến 20cm (đối với tần số f
= 40KHz). Trong dải tần số đó, chiều sâu nghiên cứu của các Zond đo tới độ sóng âm
khoảng bằng 3

.
Vậy chiều sâu nghiên cứu của phép đo tốc độ sóng vào khoảng từ 12cm đến
100cm, nghĩa là trong vùng đới ngấm. Muốn tăng chiều sâu nghiên cứu vào vùng đới
nguyên, Schlumberger sử dụng Zond đo sóng âm có chiều dài lớn. Tuy nhiên, đối với
các Zond dài thì sóng đến sẽ yếu có nguy cơ mất chu kỳ, nhất là trờng hợp gặp các đá
có nứt nẻ hang hốc là môi trờng làm sóng đàn hồi suy giảm mạnh. Độ phân dải của
Zond đo tốc độ sóng âm bằng khoảng cách giữa hai chấn tử thu, thờng vào khoảng 60
đến 70cm, nhng cũng có lúc lớn hơn khoảng 1 đến 2m.
6.5.5. Đơn vị đo
Trong công nghiệp ngời ta dùng đơn vị micro giây/bộ (
às/ft) để đo thời gian
truyền, đó là khoảng thời gian
t tính bằng micro giây để sóng đàn hồi đi đợc khoảng
đờng 1 foot trong môi trờng nghiên cứu. Hệ số để quy đổi
à
s/ft sang
à
s/m hoặc từ
tốc độ m/s thành ft/s là 3,28084.
H
ình 6.17. Sơ đồ nguyên tắc của Zond kép đo


t
Hình 6.16. ảnh hởng của giếng
khoan nghiêng lên kết quả đo

t
tăn
g

dài thêm

184
Nghĩa là khi có

t tính bằng
à
s/ft, muốn đổi sang đơn vị
à
s/m thì phải nhân với
hệ số 3,28084. Cũng nh vậy, nếu có tốc độ v đo bằng m/s, khi đổi sang đơn vị là ft/s
thì cũng nhân với hệ số trên.
6.5.6. Các yếu tố thể hiện lên kết quả đo
Các yếu tố môi trờng nh pha cứng, pha lỏng, pha khí, cấu trúc, kiến trúc, độ
lỗ rỗng, nhiệt độ, áp suất vỉa đều thể hiện lên kết quả đo tốc độ sóng âm trong lỗ
khoan.
a. Pha cứng hay xơng đá
Tốc độ sóng âm trong các đá phụ thuộc vào thành phần khoáng vật tạo đá. ảnh
hởng của các khoáng vật đợc đánh giá qua mật độ và các tham số đàn hồi của chúng.
Bảng 6.1 là các giá trị trung bình thời gian lan truyền


t (
à
s/ft) và tốc độ sóng
dọc v
p
(ft/s.10
3
) của một số khoáng vật và đá thờng gặp.
Trờng hợp đá gồm nhiều khoáng vật thì các giá trị
t và v phụ thuộc vào tỷ
phần thể tích và tốc độ truyền sóng của mỗi khoáng vật thành phần, ngoài ra còn chịu
ảnh hởng của sự phân bố của khoáng vật trong đá. Ví dụ, sét có thể có nhiều cách
phân bố trong đá cát sét, mỗi kiểu phân bố có kiểu ảnh hởng riêng lên tốc độ truyền
sóng chung của đá.
Bảng 6.1
Tên đá, khoáng vật, vật liệu
t
(às/ft)
V
p

(ft/s).10
3

Modul khối
k (kgm
-1
s
-2
)

Dolomit 44.0 22.798 85
Canxit 46.5 21.505 67
Nhôm 48.7 20.539 -
Anhydrit 50.0 20.00 54
Granit 50.8 19.685 -
Thép 50.5 19.686 -
Đá vôi đặc xít 47.7-53.0 18.750-21.00 -
Thạch cao 53.0 19.047 40
Thạch anh 55.1 18.149 38
Cát kết 57.0 17.544 -
ống chống (thép) 57.1 17.50 -
Sét 60.0-170.0 5.882-16.667 -
Halit 66.7 15.00 23
Than bitum 120.0 8.333 -
Nớc 200000ppm NaCl, 15 psi 180.5 5.540 -
Nớc 100000ppm NaCl, 15psi, 25
0
C 192.3 5.200 2.752
Nớc nguyên chất (25
0
C) 207.0 4.830 2.239
Dầu 238.0 4.200 -
Methan, 15psi 626.0 1.600 -
Không khí, 15psi 910.0 1.100 -


185
b. Độ lỗ rỗng và chất lu
Tốc độ sóng âm trong đá cũng phụ thuộc vào độ lỗ rỗng và chất lu bo hoà:
Trong mọi trờng hợp đá bo hoà chất lu bất kỳ, khi độ lỗ rỗng của đá cao thì

tốc độ lan truyền sóng âm thấp và ngợc lại.
Nói chung ở cùng chiều sâu đá có cùng thành phần khoáng vật và độ rỗng khi
thay nớc bằng dầu hay dầu bằng khí bo hoà thì tốc độ âm sẽ giảm.
Tốc độ âm trong nớc phụ thuộc vào độ mặn. độ mặn càng cao thì tốc độ truyền
sóng đàn hồi càng cao.
Hình 6.18. Bản chuẩn xác định tốc độ âm trong nớc theo độ muối, nhiệt độ và
áp suất vỉa khác nhau.
c. Nhiệu độ và áp suất
Ta đ thấy nhiệt độ và áp suất ảnh hởng đến tốc độ truyền sóng âm trong nớc.
Trong dầu, khí và cả trong khung đá, các tham số môi trờng này (nhiệt độ và áp suất)
cũng gây ảnh hởng lên tốc độ truyền sóng âm.
Nhiệt độ
á
p suất vỉa
Tốc độ sóng âm trong nớc
Tốc độ sóng âm trong nớc
Nhiệt độ
á
p suất vỉa
Độ muối
H
ình 6.18. Tốc độ sóng âm trong nớc là tham số của độ
muối, nhiệt độ và áp suất

186
Các kết quả thực nghiệm của Viện
dầu khí Pháp (IFP) đ cho thấy rằng tốc độ
truyền sóng âm trong đá vôi và cát kết giảm
dần khi nhiệt độ tăng (Hình 6.19), trong khi
đó tốc độ sóng âm cũng trong cát kết thì lại

tăng theo áp suất (Hình 6.20).
d. Kiến trúc
Sự sắp xếp của các hạt rắn và lỗ
rỗng của đá ảnh hởng rất lớn đến tốc độ sóng âm trong đá. Có những công trình
nghiên cứu đ chỉ ra hình dáng, kích thớc và phân bố sắp xếp của lỗ rỗng (giữa hạt,
hang hốc, nứt nẻ) đều có thể hiện lên tốc độ sóng âm. Với một cỡ kích thớc nào đó, lỗ
rỗng co thể tính đến trong đặc điểm đàn hồi của đá, nhng đối với các lỗ rỗng có kích
thớc lớn hay hang hốc thì có thể sóng âm đi theo phần ngắn nhất trong matrix nghĩa
là đi vòng quanh lỗ rỗng nhiều hơn là đi xuyên qua nó. Kích thớc tới hạn của lỗ rỗng
có quan hệ trực tiếp với chiều dài bớc sóng. Kích thớc nhỏ hơn thì sóng âm có thể
xuyên thẳng, ngợc lại kích thớc lớn hơn thì sóng âm vòng theo matrix.
Chúng ta từng thấy rằng đối với một loại lỗ rỗng thì tốc độ phụ thuộc vào kiểu
tiếp xúc của các hạt với nhau. Sự tiếp xúc có thể là từng điểm (các hạt hình cầu với
nhau), từng đờng kéo dài (trờng hợp hạt hình Elipsoid phỏng cầu) hay theo mặt hạt
(hạt đa diện hình lập phơng hay dạng vảy).
Những kiểu độ hạt nh vậy, phần lớn là không đẳng thớc dẫn đến môi trờng
các đá là môi trờng bất đẳng hớng. Khi xét về tốc độ sóng âm, suy rộng ra ta cũng
có thể thấy rằng góc cắm của vỉa cũng ảnh hởng đến kết quả đo tốc độ sóng âm, cần
phải tính đến trong đo vẽ thực tế.
Trong đá có độ rỗng thấp, lỗ rỗng ít nhiều bị tách biệt và phân bố lộn xộn,
Matrix có cấu trúc nh một pha liên tục và do đó sóng đầu đi nhanh theo Matrix mà bỏ
qua lỗ rỗng. Thông thờng, khi độ rỗng đến khoảng từ 5 - 10% thì thời gian lan truyền
thực sự không có thay đổi lớn từ
t
ma
. Vì vậy, phơng pháp âm trong giếng khoan đợc
xem là không thể hiện độ rỗng thứ sinh trong kiểu hang hốc.
Cát kết
Cát kết
á

p
suất
H
ình 6.20. Tốc độ truyền âm phụ thuộc
vào áp suất môi trờng (theo IFP)

Vôi
Cát kết
H
ình 6.19. Tốc độ sóng âm phụ thuộc
nhiệt độ bên ngoài (theo IFP)
Nhiệt độ

187
Ngợc lại nếu các hạt thả trong chất lu nh kiểu đá sét gắn kết yếu và đá cát ở
gần trên mặt đất có độ rỗng cao hơn 48-50%. Pha liên tục lại là chất lu ,thành thử số
đo thời gian lan truyền chủ yếu là thời gian sóng âm đi trongchất lu .Điều này gặp
trong trờng hợp đo siêu âm ở các vùng băng giá quanh năm. Khi đo ta đợc thời gian
lan truyền là của sóng âm trong băng. Nh vậy nghĩa là thời gian lan truyền trong chất
lu sẽ đo đợc khi độ rỗng cao hơn 50%. Thờng thì ở các trờng hợp nh vậy không
thể đo đợc thời gian lan truyền trong đá,đợt sóng đến đầu tiên theo Raymer và nxb
(1980) là sóng đi trong dung dịch.
Gặp khi trong đá có vi nứt nẻ tự nhiên hay do quá trình khoan gây ra thì cũng
làm giảm tốc độ sóng âm bởi sự hình thành của
các vi lỗ rỗng có dạng mặt (plane) có thể đ sắp
xếp theo phơng vuông góc với phơng truyền
sóng. Điều đó giải thích tại sao trong một số
loại đá (phổ biến là sét và đá cacbonat còn cát
kết thì ít hơn) có sự trái ngợc giữa kết quả xác
định tốc độ lớp bằng địa chấn và phơng pháp

âm trong giếng khoan. Trong trờng hợp đó,
phép đo trong giếng khoan nên sử dụng Zond
dài để đo đợc tốc độ sóng đi vòng qua đới vi
nứt nẻ ở sát thành giếng (Hình 6.21).
6.5.7. Phân tích kết quả
Từ các yếu tố ảnh hởng lên phép đo vừa
nêu trên ta thấy phơng pháp tốc độ âm trong
giếng khoan có thể đợc sử dụng trong nghiên
cứu thạch học và độ lỗ rỗng ở dạng giữa hạt hay
dạng giữa các tinh thể.
Đối với mọi loại đá khi Zond đo có vùng
nghiên cứu chủ yếu ở trong đới thấm, tốc độ
sóng âm (hay thời gian lan truyền
t) có quan
hệ hàm số với độ lỗ rỗng.
Trong thực tế ở các đá có độ gắn kết tốt,
với một gần đúng bậc một chúng ta có thể xem
các biến thiên tốc độ sóng âm theo chiều sâu
(áp suất với nhiệt độ) của chất lu và matrix là
không đáng kể, có thể bỏ qua, và tốc độ cuối
cùng trong đá đ đợc hình thành theo độ gắn kết và phân bố lỗ rỗng.
Wyllie(1956) đ đa ra một số phơng trình thực nghiệm trên cơ sở các số
liệuđo trong phòng thí nghiệm trên các mẫu đá sạch:

t =t
f
+ (1-) t
ma
(6.13)
Trong đó :

H
ình 6.21. Hai phần tia khúc xạ trong
đới vi nứt nẻ và vùng đá nguyên khối
Phần tia khúc xạ 2
Phần tia khúc x
ạ
1
Thành
g
iến
g
Gần
Xa
Dun
g
d
ị
ch
Đ
ới biến đổi ha
y
phá hu
ỷ
Vùng đá
nguyên khối
Đớivinứtnẻ

188

t - Thời gian lan

truyền sóng âm trong đá, (
à
s)
t
f
- Thời gian lan
truyền sóng âm trong chất lu
(pha lỏng); (
à
s)

t
ma
- Thời gian lan
truyền sóng âm trong matrix
(pha cứng); (
às)

- Độ rỗng của đá (%)
ý nghĩa vật lý của
phơng trình (6.13) là: Thời
gian để sóng âm đi trên đoạn
đờng L trong đá bằng tổng
thời gian sóng đi trong pha
lỏng và thời gian sóng đi qua
pha rắn (matrix) trên đoan
đờng đó. Hình 6.22 mô
phỏng sự xuyên qua thành hệ
cát kết bo hoà nớc của sóng dọc. Sóng đ đi qua không gian lỗ rỗng
bo hoà nớc

và đi qua matrix có tỷ phần thể tích (1-
) trong đá.
Từ (6.13) ta sẽ có :
maf
ma
s
tt
tt






=
(6.14)
Hình 6.23 là đồ thị thể hiện quan hệ giữa giá trị
t với độ rỗng của đá tính
theo phơng trình Wyllie cho các trờng hợp

t
ma
khác nhau.
Trong các thành hệ gắn kết yếu phơng trình (6.14) sẽ tính đợc độ rỗng
quá
lớn do đó không nên sử dụng trực tiếp mà cần có hiệu chỉnh.
Cần có một lợng hiệu chỉnh ảnh hởng của nhiệt độ và áp suất, để cho giá trị
tính toán sát với giá trị thực hơn. Khi đó phơng trình cuối cùng đợc viết:
()
shmaf

ma
e
S
t.C
.
tt
tt




100


=
(6.15)
Với C - Độ nén ép của đá sét
Cách tốt nhất để tính tích C.
t
sh
là so sánh các giá trị tính
s
với giá độ rỗng
thực đợc xác định từ những nguồn khác nhau:

D
,

N
,


R
(tính từ phơng pháp R
v
đá
bo hoà nớc 100%). Có một vài tác giả đa ra công thc tính C.

t
sh
nh sau:
t
ma
, t
f

H
ình 6.22. Sơ đồ đờng truyền sóng âm trong đá cát

189
C.
t
sh
= 100
s
/
N
hoặc C.

t
sh

= 100

s
/

R
(6.16)
Trong đó :

sh
- Tốc độ sóng trong lớp sét kề bên


s
- Độ rỗng tính theo (6.14)
Từ những nghiên cứu của các tác giả khác nhau Geerstoma K (1961) đ đa ra
một hệ thức biểu diễn mỗi quan hệ giữa tốc độ sóng âm với các tham số môi trờng:
Modun đàn hồi (M), hệ số Poisson (

), độ nén ép của pha cứng (C
ma
), pha lỏng (C
ft
)
mật độ khối (

b
) và độ bo hoà (S
w
), của đá phù hợp với lý thuyết cổ điển (xem tài

liệu tham khảo).
Những năm gần đây lại đ có những kết quả nghiên cứu mới (Raymer et al
1980) cho thấy rằng phơng trình tốc độ trung bình (6.23) chỉ phù hợp trong các
trờng hợp độ rỗng thấp (

< 25%). ở những môi trờng có độ rỗng lớn (

> 45%)
trong đá cát kết quan hệ
t = f() không còn là quan hệ của hàm tuyến tính .
6.5.8. Các sai số có thể gặp
Trong đo vẽ thời gian lan truyền (
t) có thể gặp các sai số do ảnh hởng của
môi trờng và các yếu tố khác nhau .
H
ình 6.23. Quan hệ giữa độ rỗng

và thời gian truyền

t

V
f
= 5300


190
a. Sự kéo dài của thời gian truyền (

t) do trớc khi đến chấn tử thu thứ hai (xa)

sóng bị suy giảm mạnh, biên độ sóng ở đó nhỏ hơn ngỡng phát hiện của máy (hình
6.24). Trong trờng hợp đó giá trị

t bị
kéo dài.
b. Bỏ sót chu kỳ: Có một số trờng
hợp do chọn ngỡng đo quá thấp hoặc
năng lợng (biên độ) sóng tới chấn tử xa
quá yếu nên triger đánh dấu thời gian chỉ
làm việc với chu kỳ thứ hai hoặc thứ ba
(hình 6.25). Vì thế
t kéo dài thêm ít nhất
một chu kỳ. Hiện tợng sóng bị hấp thụ
mạnh trớc khi tới chấn tử thu xa có thể
do vỉa bo hoà khí, có khi cả dầu Trong
đá cacbonat và đá móng. Hiện tợng này
còn có thể do gặp đới nứt nẻ mạnh làm
cho sóng bị giảm biên độ.
c. Kích thớc giếng
Khi đờng kính giếng quá lớn, thì
sóng đi từ chấn tử phát lên thành giếng và
từ thành giếng đến chấn tử thu thì dài hơn
đoạn đờng từ chấn tử phát đến chấn tử thu thứ nhất. Trong trờng hợp đó tín hiệu đầu
tiên đến chấn tử thhu gần là tín hiệu sóng đi thẳng qua dung dịch. Muốn khắc phục
hiện tợng này phải bố trí Zond đo định tâm trong giếng khoan.
Trong giếng khoan nếu chứa
dung dịch có hoà tan không khí
hoặc gas thì sóng dễ bị hấp thụ, suy
giảm năng lợng đặc biệt là tín hiệu
ở chấn tử thu thứ nhất.

Hiện tợng hoà tan khí trong
dung dịch khoan thờng gặp ở ngay
các vỉa chứa khí.
d. Vùng ngấm dung dịch
Dung dịch trong vùng ngấm
có thể không ảnh hởng đến số đo
ở vỉa nớc. Trong các vỉa chứa dầu
hoặc khí bo hoà nớc cao thì tốc
độ truyền sóng âm trong các đới
rửa và đới nguyên là hoàn toàn
khác nhau.
Trong trờng hợp đới ngầm sâu, số đo siêu âm thờng chỉ phản ánh đới rửa và
gần nh không thể hiện sự có mặt của dầu khí trong đá chứa.
H
ình 6.24. Sự kéo dài thời gian do sóng
âm bị suy giảm mạnh trớc khi đến chấn
tử thu xa
Gần
Xa
Ngỡng phát
hiện
Ngỡng phát
hiện
Tín hiệu bị
suy giảm
Tín hiệu
bình thờng
Thời
g
ian kéo dài

B
iên độ
T
hời gian
H
ình 6.25. Sự bỏ sót chu kỳ
Gần
Xa
Biên độ
Ngỡng
phát hiện
Tín hiệu thờn
g
T
hời
Tín hiệu bị suy giảm
Chu k
ỳ
b
ị

bỏ sót
Ngỡng
phát hiện

191
Trờng hợp đới ngầm nông hoặc không có đới ngầm thì khí và dầu nhẹ sẽ có
ảnh hởng rõ ràng lên số đo. Nếu giá trị đo

t nhỏ hơn trong dung dịch thì số đo này

thể hiện phần môi trờng trong đới nguyên. Tuy nhiên, khi sử dụng giá trị đo này để
tính độ lỗ rỗng thì phải hết sức thận trọng. Nếu giá trị

t đo đợc lớn hơn giá trị

t
f

trong dung dịch khoan (hay gặp ở các lớp đất đá gần mặt đất, độ nồng lớn) thì rõ ràng
giá trị đo siêu âm gần với

t
m
trong dung dịch và giá trị

t trong đới nguyên cũng
không thể bị giảm đi. Để xác định nó ta phải thực hiện các phép hiệu chỉnh nhng
không nên dùng nó trong xác định
độ lỗ rỗng.
Khi không có đới ngầm và
đoạn giếng ở chế độ khai thác nhẹ
(có dầu khí từ vỉa chảy chậm vào
giếng) thì có thể xuất hiện các bong
bóng khí dầu trong dung dịch, gây ra
hiện tợng suy giảm sóng mạnh mẽ
và gía trị

t đo đợc dài ra. Đôi khi
cũng có thể gặp tốc độ âm trong đá
rất thấp (


t, cao) do vỉa nớc có bo
hoà khí, dù rất ít nhng chúng đ tạo
thành các bọt khí lơ lửng trong nớc
và làm cho sóng âm bị hấp thụ
mạnh. Đomenico (1976) đ chỉ rõ là
khi bo hoà khí tới 15% thì sẽ làm
tốc độ sóng nén giảm đột ngột (hình
6.26). Cả đo về thực nghiệm và tính
toán lý thuyết đều thẳng nh vậy.
e.
ả
nh hởng của vết nứt theo phơng bán kính
Ta biết rằng khi khoan giếng, choòng khoan làm rạn nứt đất đá ở thành giếng
khoan. Mức độ rạn nứt trong đất đá giảm dần theo phơng bán kính. Các đá có thể gặp
hiện tợng này (sét, sét vôi) là các đá dễ tạo thành sập lở thành giếng. Các vết rạn nứt
thành giếng sẽ làm cho thời gian đo

t dài ra, tơng đơng với tốc độ quá thấp. Các vết
nứt theo phơng bán kính thờng sẽ ảnh hởng lên số đo của các Zond do ngắn mạnh
hơn là các Zond đo dài.
6.5.9. Dấu tích luỹ thời gian truyền sóng
Để xác định vận tốc lớp trong địa vật lý ở giếng khoan, các máy đo tốc độ âm
đợc thiết kế thêm chức năng đánh các dấu tích luỹ thời gian truyền sóng theo phơng
song song với trục giếng khoan. Các dấu vạch ngang thờng đợc ghi ở bên trái của
băng ghi
t. Khoảng cách giữa hai dấu vạch ngắn liên tiếp là khoảng chiều sâu mà
sóng truyền trong đơn vị thời gian bằng 1ms. Trên băng cứ 10 khoảng dấu vạch ngắn
thì đến một vạch dài. Nh vậy, khoảng cách giữa hai vạch dài liên tiếp là khoảng sâu
để sóng lan truyền hết 10ms (Hình 6.27).

Hình 6.26. ảnh hởng của khí bo hoà
lên tốc độ sóng nén trong đá gắn kết yếu
Tốc đ
ộ
của són
g
nén
Số đo
Tính toán
Độ
bão hoà kh
í
Tốc độ (ft/s)

192
Hiển nhiên là các dấu tích luỹ cũng chịu các sai số nh

t. Dựa vào các vạch
tích luỹ thời gian, ta có thể xác định vận tốc lớp cho đoạn giếng khoan bất kỳ.
6.5.10. Các ứng dụng
Phơng pháp tốc độ sóng âm (

t) đợc sử dụng chủ yếu là để xác định độ lỗ
rỗng (

S
) của thành hệ đá chứa. So với các phơng pháp hạt nhân, các số đo của
phơng pháp tốc độ âm ít chịu ảnh hởng của giếng khoan nên có thể dùng nó để xác
định độ lỗ rỗng thứ sinh của các vỉa đá chứa, đặc biệt là trong trờng hợp các tầng chứa
là đá cacbonat hay đá móng kết tinh.

Phơng pháp tốc độ sóng âm cũng đợc dùng để xác định thạch học khi kết hợp
với phơng pháp Neutron và Gamma tán xạ mật độ. Phơng pháp đồ thị trực giao M và
N có thể sử dụng nhằm mục đích nêu trên. Số đo tốc độ siêu âm không nhạy với sự
thay đổi đờng kính giếng khoan nên phép đo này có thể dùng để nghiên cứu độ nén ép
trong các tập cát sét hoặc tính toán tỷ số
t
S
/t
P
.
Từ số đo (1/

t) ta xác định đợc
tốc độ (V) lan truyền của sóng đàn hồi,
vì thế khi kết hợp với phơng pháp mật
độ (FDC) ngời ta có thể tính toán đợc
trở kháng âm (Acoustic impedance r =
V.
) và hệ số phản xạ giữa hai lớp 1 và
2, R
1-2
:
Công thức (6.17) là đại lợng
giúp cho việc phân tích chính xác từ tài
liệu tuyến địa chấn thẳng đứng, xác
định tớng địa chấn, xác định bản chất
của chất lu bo hoà trong vỉa.
Chất lu bo hoà trong vỉa có thể
đợc nhận biết rõ ràng hơn khi so sánh
các số liẹu đo âm với các phơng pháp

khác (Neutron - Mật độ - Điện trở).
Cũng nh các phơng pháp
khác, phơng pháp tốc độ siêu âm đợc
dùng để liên kết địa tầng và nghiên cứu
bể trầm tích vì có độ phân dải theo phơng thẳng đứng khá tốt (khoảng 60cm) cho nên
phơng pháp tốc độ siêu âm cũng có thể xác định chiều dày các vỉa.
Trong trờng hợp xác định đợc vận tốc sóng dọc và sóng ngang theo đó ngời
ta có thể đánh giá đợc các tính chất cơ học của các lớp đá. Ví dụ, kết hợp phơng
pháp tốc độ siêu âm với phơng pháp khác (Neutron, Mật độ,) có thể xác định các
tham số đàn hồi của đá:
)17.6(
1122
1122
21


vv
vv
R
+

=

H
ình 6.27. Thí dụ băng đo ghi tốc độ truyền
sióng âm

t (theo Schlumberger)
Thời gian truyền (
à

s/ft)
Dấu tích lu
ỹ
thời
g
ian

193
- Modun Yuong E
Trong đó k là modun khối

Modun kéo
à
:
Hệ số Poisson-ứng suất

:

6.6. Phép đo suy giảm biên độ sóng âm
Biên độ của sóng siêu âm giảm dần khi nó lan truyền trong môi trờng. Sự thay
đổi biên độ sóng nh vậy là do sự suy giảm năng lợng của sóng trên đờng truyền
(Hình 6.28).
Khoảng cách lúc sóng xuất hiện cho đến khi bị suy giảm hoàn toàn gọi là đợt
sóng, nó gồm một số bớc sóng
1
.


1. Trong sóng địa chấn, đợt sóng chỉ kéo dài từ 1,5 đến 2 chu kỳ, còn trong phép đo siêu âm ở giếng khoan đợt
sóng có thể kéo dài nhiều chu kỳ hơn.

).(psi.,.
tt
tt
t
=
v+k
vk
=E
PS
PS
SS
S
18610341
43
3
9
10
22
22
22
2






(
)
19610341

3
43
3
4
-
10
22
22
22
.psi.,.
tt
tt
=vv=k
ps
ps
sp



).(psi.,.
t
=v=
s
s
20610341
10
2
2



à
).(
tt
tt
=
v
v
v
v
=
ps
ps
s
p
s
p
216
2
2
1
1
2
2
1
22
22
2




H
ình 6.28. Sự suy giảm sóng âm theo đờng truyền
Biên độ
Đ
ợt són
g
Khoản
g
cách
Thời gian

194
Sự tắt dần biên độ sóng siêu âm trên đờng truyền trong môi trờng đất đá phụ
thuộc vào nhiều yếu tố:
- Chiều dài bớc sóng và loại sóng (sóng dọc, sóng ngang).
- Kiến trúc của đá (lỗ rỗng, kích thớc hạt, độ bào mòn, độ chọn lọc của hạt
vụn) liên quan đến độ rỗng, độ thấm, bề mặt riêng của đá.
- Loại chất lu bo hoà trong lỗ rỗng và độ nhớt của chúng.
- Các nứt nẻ hang hốc trong đá
Nh vậy phép đo suy giảm biên độ sóng âm có thể đợc dùng để nghiên cứu
phân tích các tầng đá chứa.
Trong các giếng khoan có chống ống sự suy giảm biên độ phụ thuộc chủ yếu
vào chất lợng trám ximăng xung quanh ống chống, việc xác định nó có thể bằng cách
đo bìên độ sóng âm. Phép ứng dụng này đợc biết dói tên gọi đo gắn kết ximăng
(Cement Bond Log - CBL).
6.6.1. Các trờng hợp xuất hiện suy giảm năng lợng và tái phân bố năng lợng
của sóng
Quá trình mất năng lợng có thể do các kiểu ma sát:
- Cơ chế truyền sóng đàn hồi trong môi trờng liên tục là sóng làm cho các hạt
nhỏ hay tinh thể của đá vận động xung quanh vị trí ban đầu. Các vận động đó truyền từ

điểm chất này sang điểm chất bên cạnh. Sự vận động này gây ma sát giửa các hạt rắn
với hạt rắn và phát ra nhiệt. Đây chính là nguyên nhân năng lợng sóng bị tiêu hao.
- Trên mặt tiếp xúc giữa chất lu và hạt rắn cũng sinh ra sự ma sát tơng tự.
Trong trờng hợp này lực ma sát phát năng lợng từ chất lu đến chất rắn ở xung
quanh làm cho năng lợng tiêu hao dới dạng nhiệt.
- Trên bề mặt tiếp xúc giữa hai chất lu không dễ trộn lẫn (dầu/nớc; dầu/khí;
khí/nớc) cũng có sự ma sát khi có sự lan truyền của sóng âm, lực ma sát tác động từ
chất lu kém linh động hơn tới chất lu bên cạnh gây ma sát dẫn đến tiêu hao năng
lợng.
Sự phân bố năng lợng của sóng đàn hồi có thể theo nhiều cách:
- Truyền theo ranh giới môi trờng. Trên thành giếng là ranh giới giữa hai môi
trờng lỏng và rắn. Từ môi trờng dung dịch khoan có một sóng dọc đầu tiên đi vào
môi trờng rắn là đất ở thành giếng tạo ra một sóng nén đi trong môi trờng đó. Sóng
thứ sinh này bị khúc xạ theo một góc bằng góc tới hạn của góc tới.
- Năng lợng của sóng đầu tiên chủ yếu chuyển thành năng lợng của sóng thứ
sinh đi vào môi trờng rắn.
- Một sóng đi trong môi trờng lỏng cũng sẽ chuyển một phần năng lợng của
nó vào môi trờng rắn dới dạng một sóng nén (sóng dọc).

195
Cả hai trờng hợp đó đều có thể xảy ra
trong giếng khoan trần và ở đoạn ximăng gắn
kết yếu của giếng khoan chống ống.
- Truyền qua mặt ranh giới khi sóng đàn
hồi đi qua ranh giới giữa các phần môi trờng
thứ nhất và thứ hai có độ kháng âm khác nhau,
phụ thuộc vào góc tới, phần phản xạ toàn phần
của sóng hoặc thành phần của sóng khúc xạ sẽ
đi vào môi trờng thứ hai, phần còn lại phản xạ
vào môi trờng thứ nhất (Hình 6.29). ở môi

trờng thứ hai (môi trờng rắn), sóng khúc xạ
có các thành phần sóng dọc P và sóng ngang S
có góc khúc xạ không bằng nhau.
- Sự tán xạ năng lợng khi sóng âm gặp
các hạt có kích thớc nhỏ hơn bớc sóng thì
năng lợng sóng bị tán xạ về mọi hớng, có
dạng của mặt phản xạ.
Trong giếng khoan ta sẽ gặp hai trờng hợp:
+ Giếng trần không chống ống: Năng lợng sóng âm tiêu hao trong dung dịch
và tiêu hao trong đất đá.
a. Trong một dung dịch đồng chất, sự suy giảm theo luật hàm mũ với từng tần số:

m
= e
mx
(6.22)
Với m là hệ số suy giảm trong dung dịch, tỷ lệ với tần số nguồn, x là khoảng
cách từ điểm nguồn tới vị trí quan sát. Trong nớc ngọt, ở điều kiện chuẩn về áp suất
và nhiệt độ đối với nguồn có tần số 20KHz thì hệ số suy giảm ở vào khoảng 3.10
-5

db/ft. Đại lợng này sẽ cao hơn nớc mặn và trong dầu và giảm khi áp suất và nhiệt độ
tăng. Trong dung dịch sét thông thờng, hệ số suy giảm m = 0,03db/ft, ở tần số f =
20KHz khi dung dịch khoan bị nhiễm khí thì sự tán xạ năng lợng sóng thay đổi rất
lớn khó tính toán đợc.
b. Trong các thành hệ đá thì sự tiêu hao năng lợng có thể do các ma sát, tán xạ
và biến đổi năng lợng khi qua các mặt ranh giới của môi trờng.
Trong đá nguyên khối không bị nứt nẻ, sự suy giảm của sóng ngang và sóng dọc
trên đờng lan truyền theo hàm mũ có dạng:


f
= e
al
(6.23)
Trong đó a = a

+ a

+ a

là hệ số suy giảm toàn phần, bằng tổng của các hệ số
suy giảm do ma sát trên mặt tiếp xúc lần lợt rắn/rắn, lỏng/lỏng, l - là khoảng đờng
sóng đi trong đá.
P
12
P
P

S
Lỏn
g

Rắn
H
ình 6.29. Sự phân bố năng lợng
són
g
âm trên m
ặ
t ranh

g
iới lỏn
g
/rắn