73
3.4. Các phơng pháp điện từ trờng
Trong các mục 3.2 và 3.3 ta đ xét các phơng pháp đo điện trở của đất đá trên
cơ sở đo vẽ trờng điện của các nguồn điểm có dòng nuôi là dòng một chiều hoặc xoay
chiều tần số thấp. Trong mục này sẽ nghiên cứu các phơng pháp có nguồn là trờng
điện từ tần số khác nhau.
3.4.1. Trờng điện từ trong môi trờng đất đá
Sóng điện từ lan truyền từ nguồn phát đi trong môi trờng đất đá sẽ bị suy giảm
lệch pha, và phản xạ trên các mặt ranh giới bất đồng nhất. Trong mọi trờng hợp ta cần
nghiên cứu sự phân bố của trờng điện từ trong giếng khoan gắn liền với các tính chất
điện và từ của đất đá.
Nguồn trờng sẽ là một ống dây đợc nuôi bằng một dòng biến đổi có tần số nhất
định, đợc coi nh một lỡng cực từ biến đổi có momen đặt trùng với trục giếng khoan.
Để xác định tín hiệu sinh ra trong một ống dây thu hy bắt đầu từ hệ phơng
trình Maxwell viết cho trờng điện từ chuẩn dừng quen thuộc sau đây:
C
ặ
p điện c
ự
c chắn
C
ặ
p điện c
ự
c chắn
Hiệu thế đo
Hiệu thế màn chắn
(a) (b)
Hình 3.23. Sơ đồ vi hệ cực hội tụ cầu MSFL
a) Nguyên tắc đo. b) Sơ đồ sắp xếp các điện cực (theo Schlumberger)

H
ình 3.24. Zond MSFL gắn trên một cánh đòn của thiết bị đo đờng kính

74
0
0
=
=
=
=
Hdiv
Ediv
EcHrot
HiErot
à
(3.66)
Từ phơng trình thứ nhất và thứ ba của hệ (3.66) ta có thể viết:
ArotE = (3.67)
Với
A
là thế vectơ của trờng điện từ.
Mặt khác cũng có thể viết:
à
iArot =
(3.68)
Với
là thế vô hớng.
Để tìm
A
và


, cuối cùng tính
E
và
H
ta đặt
Pdiv=

(3.69)
Trong đó
P
là vectơ Hertz.
Từ hai phơng trình (3.68) và (3.69) ta có:
PiA
à
=
(3.70)
Khi chú ý tới (3.67) ta sẽ có:
ProtiE
à
= (3.71)
Mặt khác cũng từ phơng trình thứ hai và thứ t của hệ (3.66), và dựa vào (3.71)
ta có:
ProtKPcrotiHrot
2
==
à

Hoặc


gradPKH =
2
(3.72)
Trong đó:
K
2
= iàc Là bình phơng số sóng (trong trờng hợp dòng dịch nhỏ
hơn dòng dẫn)
c - Độ dẫn điện của môi trờng
à
- Độ thẩm từ của môi trờng
- Vận tốc góc

75
Thay (3.69) vào (3.72) ta có biểu thức:
PgraddivPKH +=
2
(3.73)
Kết hợp (3.71) với (3.73) ta có hệ phơng trình:





+=
=
PgraddivPKH
ProtiE
2
à

(3.74)
Từ các hệ phơng trình (3.66) và (3.74) ta có:
Erot
i
H
à
1
=
(3.75)
Thay
E
ở (3.74) vào (3.75) ta có:
PPgraddivProtrotH == (3.76)
Đồng nhất thành phần
H
ở các phơng trình (3.76) và (3.74) ta sẽ nhận đợc
phơng trình Helmholz:
0
2
=+ PKP (3.77)
3.4.2. Trờng điện từ của một ống dây trong giếng khoan
Quy ớc có một ống dây (phát) nh một lỡng cực từ biến đổi có momen M đặt
trùng với trục Z của giếng khoan.
Trờng điện từ sơ cấp phát ra từ ống dây lan truyền trong môi trờng đất đá và
gây ra dòng cảm ứng trong môi trờng đó. Cờng độ dòng cảm ứng tỷ lệ với độ dẫn
điện của đất đá xung quanh giếng khoan, và chính dòng này, đến lợt nó gây ra trờng
điện từ thứ cấp. Trờng điện từ thứ cấp sẽ gây ra trong một ống dây thu (đặt cách ống
dây phát một đoạn L trên trục Z) một sức điện động cũng chính là tín hiệu thu.
Tín hiệu trong ống dây thu có thể tính đợc từ nghiệm của phơng trình
Helmholz.

Trong tọa độ trụ, thành phần điện của trờng điện từ chỉ có thành phần tiếp
tuyến E

, còn thành phần từ thì có H
r
và H
Z
. Các thành phần này có liên hệ hàm số với
vectơ
P
nh sau:
r
P
iE
z
P
PKH
rz
P
H
Z
r


=


+=



=
à

2
2
2
2
(3.78)

76
Trong môi trờng đồng nhất momen M của lỡng cực từ đợc tính:
ttttt
IAInaM ==
2

(3.79)
Trong đó:
a
t
- Bán kính của ống dây phát
n
t
- Số vòng trong ống dây
I
t
- Cờng độ dòng phát trong ống dây
A
t
- Diện tích hiệu dụng của ống dây
Còn vector Hertz sẽ đợc biểu diễn theo thế của lỡng cực từ biến đổi:

R
e
MP
iKR
= (3.80)
với
2
1
22
)( ZrR +=
là khoảng cách từ tâm ống dây phát T đến điểm quan sát
(hình 3.25).
Tín hiệu sinh ra trong ống dây thu R đợc tính bằng cách lấy tích phân vòng
khép kín dọc theo chiều dài ống dây.

==


EanEdRU
rr
2
(3.81)
Trong đó:
n
r
- Số vòng trong ống dây thu
a
r
- Bán kính trung bình của ống dây thu
Thành phần tiếp tuyến của trờng điện E


, theo (3.78) và (3.80) ta có:
2
2
sin)1(
.)1(
R
e
iKRMi
R
e
R
r
iKRMi
r
P
iE
iKR
iKR
à
àà

=
=


=
(3.82)
Thay (3.82) vào (3.81) ta nhận đợc:
2

)1(2
R
e
SinaiKRMianU
iKR
rr
=
à
(3.83)
Vì L >> a
;
R = L và r = a
r
nên (3.83) biến đổi thành:

77
()
3
2
12
L
e
iKLianU
iKL
rr
=
à
(3.84)
Đặt
2

rrr
anA

=
là diện tích hiệu dụng của ống dây thu và chú ý tới (3.79) ta có:
iKL
ttr
eiKL
L
IAAi
U )1(
2
3
=
à
(3.85)
Phơng trình biểu thị tín hiệu ở (3.85) có thể phân tích thành:
)1(
0
iKLeUU
iKL
= (3.86)
Với U
0
là sức điện động của trờng trực tiếp gây cảm ứng trong ống dây thu bởi
một lỡng cực từ biến đổi khi lỡng cực này và ống dây cùng đặt trong môi trờng
đồng nhất có độ từ thẩm
à.
Khi biến đổi thừa số e
iKL

ở (3.86) thành chuỗi, ta có:
)
4
L
4
K
24
5
3
L
3
K
3
2
i
2
L
2
K
2
1
1(
0
U

!3
3
)iKL(
!2
2

)iKL(
!1
iKL
1)iKL1(
0
UU
++++=








++++=
(3.87)
Trong biểu thức trên, số hạng thứ nhất là tín hiệu cảm ứng trực tiếp từ ống dây T đến
ống dây R. Số hạng thứ hai tỷ lệ với độ dẫn của môi trờng và đồng pha với dòng trong ống
dây phát. Các số hạng còn lại, với độ chính xác nào đó, sẽ là hiệu ứng lan truyền.
Trong địa vật lý giếng khoan, số hạng cảm ứng trực tiếp đợc bù khử, còn thành
phần theo pha của tín hiệu trong ống dây thu đợc xác định bởi một cảm biến nhạy với
thay đổi pha.
Tín hiệu U cảm ứng trong ống thu R nh ở (3.86) có thể biểu diễn qua hai thành
phần: thành phần kích hoạt (active) lệch pha 90

so với trờng trực tiếp U
0
; và thành
phần không sinh công (reactive) cùng pha với U

0
.
Khi đó số sóng K đợc biểu thị dới dạng:
)1(
2
i
C
K +=
à
(3.88)
và nếu ta đa vào (3.86) hệ thức:
R
c
P
2
à
= để biểu diễn tham số đặc trng của
trờng tại một điểm cách tâm lỡng cực một khoảng R trên hớng kéo dài của lỡng
cực thì nhận đợc:
]sin)1(cossincos)1[(
0
PPiPiPPPPPeUU
P
+++=



78
Từ biểu thức cuối cùng, ta tách ra các thành phần
]PcosPPsin)P[(eiUU

P
act
+=

1
0
(3.89)
và
]PsinPPcos)P[(eUU
P
react
++=

1
0
(3.90)
Thành phần U
act
đợc sinh ra do dòng cảm ứng từ môi trờng xung quanh giếng
khoan; còn thành phần U
react
là tổng sức điện động của trờng trực tiếp và trờng dị thờng.
Đối với một tham số P nhỏ, vế bên phải của các phơng trình (3.89) và (3.90) có
thể khai triển thành chuỗi và tính toán với P
0.
U
act


iU

0
P
2
(3.89)
U
react
U
0
(1-
3
2
P
2
) (3.90)
Từ (3.62), nếu U
0
đợc bù khử, thì thành phần U
react
của tín hiệu cảm ứng trong
ống dây thu R chỉ còn lại ảnh hởng của dòng cảm ứng từ môi trờng.
3
0
3
2
PUU
react
=

(3.91)
Từ các biểu thức (3.89) và (3.91) ta bảo rằng ở vùng tham số P có giá trị nhỏ,

thành phần U
act
của dị thờng lớn hơn thành phần U
react
rất nhiều.
Lý thuyết chứng minh rằng với P

0,1, công thức (3.89) có thể dùng để tính
thành phần U
act
với sai số không quá 10%.
Muốn nghiên cứu sự phân bố của dòng điện cảm ứng trong môi trờng, cần phải
xác định yếu tố giả hình học và giá trị tham số P, đại lợng đặc trng cho trờng biến
đổi trong môi trờng dẫn. Lý thuyết của Doll (1949) dựa trên cơ sở gần đúng với quy
ớc là dòng cảm ứng trong môi trờng không có tơng tác lẫn nhau, việc đo chúng chỉ
là để xác định riêng trờng từ sơ cấp của lỡng cực. Thực thế chứng tỏ rằng ở mọi
điểm trong môi trờng dòng cảm ứng luôn luôn nhỏ so với dòng đợc tạo ra do trờng
sơ cấp, và sự khác biệt đó tăng theo khoảng cách tính từ ống dây phát.
Cũng tính toán nh vậy, Kaufman (1961) đ có kết luận rằng lý thuyết do Doll
H.G. đề xuất có sử dụng yếu tố hình học là lý thuyết của những tham số P nhỏ.
3.4.3. Phơng pháp đo cảm ứng (Induction Log - IL)
a) Nguyên lý chung
Các phép đo cảm ứng trong giếng khoan hiện đang thịnh hành trong sản xuất
đều có nguyên lý chung nh sau:

79
ố
ng dây phát T đợc nuôi bởi một
nguồn G phát dòng biến đổi tần số f. Cách T
một khoảng L đặt ống dây thu R. Các ống

dây T và R đặt thằng hàng và đồng trục tạo
thành một Zond đo đơn giản (hình 3.25).
Khi đợc cung cấp một dòng biến đổi
tần số f, ống dây T trở thành một lỡng cực từ
biến đổi, nó tạo ra trong môi trờng xung
quanh giếng khoan một trờng điện từ sơ cấp
(cũng gọi là trờng trực tiếp). Trờng điện từ
sơ cấp lan truyền trong đất đá có độ dẫn C và
làm xuất hiện trong môi trờng này dòng cảm
ứng do kết quả của hiệu ứng Foucault.
Dòng cảm ứng truyền trong môi
trờng dẫn vòng quanh ống dây ở những khoảng cách và bán kính nhất định. Cờng độ
dòng cảm ứng tỷ lệ với độ dẫn của môi trờng và lệch pha với dòng phát đúng bằng
2

,
nhng đồng pha với thành phần U
react
.
Đến lợt nó, dòng cảm ứng cũng gây ra trong môi trờng nghiên cứu một
trờng điện từ thứ cấp
ngợc pha với dòng phát. Trờng điện từ biến đổi thứ cấp sẽ gây
cảm ứng trong ống dây thu R một sức điện động (tín hiệu) tỷ lệ với độ dẫn của đất đá
xung quanh giếng khoan.
Dựa trên nguyên lý chung nêu trên, Doll H.G. (1949) đề xuất lý thuyết gần đúng
của phơng pháp cảm ứng cho một mô hình đợc đơn giản hoá trong tính toán qua
tham số yếu tố hình học.
Mô hình quy ớc đó có các điều kiện sau:
- Môi trờng có các mặt ngăn
cách bất đồng nhất song song nằm

ngang, giếng khoan cắt vuông góc với
các lớp có điện trở khác nhau, đờng
dòng cảm ứng trong môi trờng tập
trung trong một lớp nằm ngang ở
khoảng giữa các ống dây T và R.
- Tần số của dòng phát do
nguồn G cung cấp không quá cao và
độ dẫn của đất đá cũng không quá lớn
do đó có thể bỏ qua tơng tác giữa
các phần dòng cảm ứng trong môi
trờng, xem tín hiệu đo là tổng các tín
hiệu của mọi phần trong môi trờng.
T
R

r
*
O
R

H
ình 3.25. Nguyên tắc lắp đặt của
Zond đo cảm ứn
g
2 ốn
g
dâ
y
H
ình 3.26. Nguyên tắc làm việc của một Zond

đo cảm ứng


80
- Môi trờng đợc chia ra thành các vòng xuyến thành phần có tiết diện vuông
rất nhỏ phân chia bởi các trụ đồng trục và các mặt nằm ngang. Một vòng xuyến bán
kính r, chiều cao z có tiết diện ds = drdz thì gọi là vòng thành phần (hình 3.26).
- Kích thớc của các ống dây đơc xem là nhỏ so với kích thớc của các vòng
thành phần, và khoảng cách (Dr, Dt) từ các vòng thành phần đến điểm giữa của các
ống dây; nghĩa là trong tính toán xem các ống dây là các điểm.
Các Zond đo cảm ứng trong thực tế, ngoài hai ống dây phát T và thu R còn đợc
lắp đặt thêm các ống dây hội tụ nhằm giảm thiểu ảnh hởng của cột dung dịch và các
lớp đá vây quanh.
b) Yếu tố hình học
Với gần đúng bậc một phù hợp cho Zond đo cảm ứng đơn giản gồm hai ống dây
đặt trong môi trờng đồng nhất đẳng hớng (hình 3.26). Bỏ qua sự cảm ứng tơng hỗ
và tự cảm ứng của các đờng dòng vòng tròn đồng trục, ta có thể xem tín hiệu e từ mỗi
vòng thành phần tỷ lệ với độ dẫn của vòng đó theo một hệ sô gọi là
yếu tố hình học

phụ thuộc vào vị trí của vòng dới góc nhìn

tới các ống dây.
e = Kgc (3.92)
Trong đó:
e - Sức điện động trong ống dây R (volt)
g - Yếu tố giả hình học đối với vòng thành phần
c - Độ dẫn điện của vòng thành phần
K - Hệ số của Zond đo
L

SISf
K
RT
22
à
=
(3.93)
với
à
- Độ thẩm từ của môi trờng (henry/m)
f - Tần số của dòng nuôi (Hz)
I - Cờng độ dòng nuôi (A)
L - Chiều dài Zond đo (khoảng cách T-R) (m)
S
T
, S
R
- Diện tích hiệu dụng của các ống dây T và R (m
2
)
Yếu tố hình học g có thể đợc diễn giải bằng một trong hai cách:
nh hàm số của góc nhìn
lên chiều dài L:

81
2
3
L2
sin
g


=
(3.94)
hoặc theo bán kính r và chiều cao z, khoảng cách tính từ O đến điểm giữa của T và R:
2
3
2
2
2
3
2
2
3
z
2
1
rz
2
1
r
r
.
2
L
g















++














+
=
(3.95)
Vậy cho toàn bộ không gian tín hiệu toàn phần đợc tính:

+


=
0
drdzgcKE (3.96)
Lấy tích phân (3.96) bằng cách phân chia phơng trình dới dấu tích phân thành
các đới trụ đồng trục A, B tơng ứng với giếng khoan, đới ngấm và đất đá ở đới nguyên:






++=


B
B
A
A
gdrdzCgdrdzCKE (3.97)
Trong đó:
C
A
, C
B
là độ dẫn điện của phần môi trờng trong các đới A, B
Các số hạng tích phân kép trong ngoặc của (3.97) lần lợt là các yếu tố hình
học, thể hiện tỷ phần đóng góp trong tín hiệu toàn phần của các đới A, B

=

A
A
gdrdzG - hệ số hình học của đới A

=
B
B
gdrdzG - hệ số hình học của đới B (3.98)

Thay các số hạng tơng ứng ở (3.98) vào (3.97) ta có:
E = K[C
A
G
A
+ C
B
G
B
+ ] (3.99)
Phép đo cảm ứng trong giếng khoan là đo tỷ số
K
E
, đại lợng này tỷ lệ với độ dẫn
biểu kiến C
a
của môi trờng nghiên cứu bao gồm tất cả các đới A, B, C
++==
BBAAa
GCGC
K

E
C
(3.100)
với G
A
+ G
B
+ = 1

82
Từ (3.100) 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 trờng đồng nhất,
các phần không gian có tỷ phần
đóng góp vào tín hiệu chung của
các đới quanh Zond đo đợc thể
hiện trong hình 3.27.
Giá trị đo C
a
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) Chiều sâu nghiên cứu
và khả năng phân giải
Chiều sâu nghiên cứu theo
phơng bán kính và khả năng

phân giải lát cắt theo phơng z
của một Zond đo cảm ứng trong giếng khoan đợc tính toán nh sau:
Yếu tố hình học của phần môi
trờng nằm giữa hai mặt trụ bán kính
r và (r+dr) kéo dài theo trục z từ -

đến +

đợc tính:

+

= gdzG
r
(3.101)
Đối với trờng hợp của Zond
hai ống dây, giá trị G
r
tính theo
(3.101) biến đổi nh hàm số của r
(hình 3.28).
Hình 3.28 chỉ ra rằng Zond hai
ống dây không hội tụ trờng điện từ
tập trung chủ yếu trong đới trụ có bán
kính
Lr
4
1
=
đến L.

Hình 3.29 cho thấy các Zond
đo có nhiều ống dây hội tụ có chiều sâu nghiên cứu tăng theo chiều dài của Zond.
Chú ý: Các ký hiệu 6FF27, 5FF40 và 6FF40 là những ký hiệu của các Zond đo
cảm ứng. Trong các ký hiệu đó chữ số Hy Lạp đầu tiên chỉ số ống dây, các ký tự FF chỉ
> 50%
25
ữ
50%
10
ữ
25%
5% ữ 10%
2 ữ 5%
< 2%
Tỷ phần đóng ghóp tín hiệu đo theo yếu tố hình học
H
ình 3.27. Yếu tố hình học của Zond đo cảm ứng
(
theo Schlumber
g
er
)

Yếu tố hình học
H
ình 3.28. Yếu tố hình học G
r
theo phơng
bán kính của Zond 2 ốn
g

dâ
y

83
rằng Zond đo có hội tụ, và con số cuối
cùng là chiều dài L của Zond đo, tính
bằng inches.

Yếu tố hình học theo phơng
thẳng đứng tại vị trí cách điểm đo O
một khoảng Z (hình 3.30) đợc tính
theo biểu thức sau:


=
0
gdrG
Z
(3.102)
Lấy tích phân (3.102) ta sẽ nhận đợc các biểu thức sau:
L
G
Z
2
1
=
, trong khoảng
22
L
Z

L
+<<
2
8
1
Z
G
Z
= ,
ngoài khoảng trên, nghĩa là
2
L
Z
<
và

2
L
Z
+> .
Vậy là một vỉa có
chiều dày lớn hơn L thì ảnh
hởng của các lớp vây quanh
sẽ rất nhỏ, điều đó đồng nghĩa
với nhận xét độ phân giải lát
cắt của Zond đo cảm ứng
bằng chiều dài L của nó.
d) Làm hội tụ trờng
kích thích và tín hiệu đo
Nh đ nói, trong thực

tế sản xuất các Zond đo cảm
ứng ngời ta không dùng loại
có hai ống dây, mà thờng
dùng loại có nhiều ống dây,
gồm hai ống dây phát thu
chính còn thêm các ống dây phụ. Các ống dây phụ có chức năng làm hội tụ định xứ
trờng kích thích vào vùng cần thiết để tín hiệu đo đợc có phần đóng góp của các
vùng đó nhiều hơn. Thờng thì việc làm hội tụ nhằm mục đích thu đợc các tín hiệu
của vùng sâu hơn đới thấm dụng dịch - vùng đới nguyên.
Sử dụng hội tụ phải đạt đợc các kết quả sau:
- Có khả năng phân dị lát cắt tốt hơn, hạn chết tối ta ảnh hởng của các lớp vây
quanh.
- Giảm thiểu ảnh hởng của giếng khoan, tăng chiều sâu nghiên cứu, loại bỏ các
tín hiệu ở đới ngấm.
H
ình 3.30. Yếu tố hình học theo phơng thẳng đứng
(đặc tính phân giải theo z)
H
ình 3.29. Yếu tố hình học G
r
theo r
của các Zond đo có nhiều ốn
g
dâ
y
Yếu tố hình học
Khoản
g
cách


84
- Hạn chế các tín hiệu reactive - tín hiệu không mong muốn.
Các hình 3.30 và 3.31 cho thấy u
điểm của thiết bị đo có thêm ống dây thu R.
Khi kết hợp cặp T-R với cặp T-R ta có T-R-
R và nhận đợc đờng biểu diễn có độ phân
giải lát cắt cao hơn, ở nóc vỉa có xuất hiện
giá trị âm (hình 3.31c).
Trên hình 3.31 ta cũng thấy sự kết
hợp nh vậy sẽ làm tăng khả năng nghiên
cứu theo phơng bán kính đợc tốt hơn; làm
giảm thiểu ảnh hởng của đới ngấm.
e) Hiệu ứng Skin
Hiệu ứng skin, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt, đặc biệt mạnh trong các trờng
hợp môi trờng nghiên cứu có độ dẫn cao, nó là kết quả tơng tác giữa các vòng thành
phần làm cho giá trị đo độ dẫn biểu kiến
thấp đi rất nhiều so với thực tế.
Dòng Foucault trong mỗi vòng
không còn độc lập nhau cho nên tín hiệu
toàn phần đo đợc không còn là tổng của
các vòng thành phần nh điều giả định ở
mục a.
Sức điện động đợc tạo thành là kết
quả của chính mỗi vòng và của các vòng
lân cận. Chính các thành phần từ các vòng
xung quanh đ làm sai lệch cả biên độ lẫn
pha của tín hiệu đi tới ống dây thu. Các
vòng ở gần với Zond đo lại là nguyên nhân
làm hạn chế trờng điện từ đi vào các vòng
thành phần ở xa hơn vì:

Năng lợng bị tiêu hao theo luồng
dòng trong vòng thành phần nên đ giảm
năng lợng để chuyển tới phần môi trờng
ở xa hơn
- Trờng điện từ ở pha sau, sinh ra
do dòng Foucault ở gần Zond đo, bị phá vỡ
hạn chế trờng phát sơ cấp truyền ra xa
hơn. Kết quả là phần môi trờng (đất đá)
thực sự có đóng góp cho tín hiệu đo chỉ ở
lớp vỏ sát thành giếng khoan với chiều sâu

hạn chế bằng:
H
ình 3.31. Đặc điểm phân giải theo
phơng thẳng đứng của Zond đo 3
ống dây

Mô hình thực t
ế

T - R - R

T - R


T - R
H
ình 3.32: Đặc điểm nghiên cứu theo
p
hơn

g
bán kính r của Zond đo 3 ốn
g
dâ
y

85
c
à

2
=
(3.103)
ở
đây:

là chiều sâu, nơi có tới 63% tín hiệu phát đ bị suy giảm, và gọi là chiều
sâu skin (63% là tính bằng
e
1
1
, với e = 2,718)

= 2

f, với f là tần số của tín hiệu (Hz)
à - Độ từ thẩm (4.10
-7
đối với không gian rỗng).
c - Độ dẫn của môi trờng (mmho/m hoặc mS/m).

Hình 3.33 biểu diễn sự suy giảm của tín hiệu phát khi làm việc với tần số kHz
và độ dẫn của đất đá trầm tích thờng gặp trong thực tế.
Từ hình vẽ này ta thấy chiều sâu
skin
giảm khi độ dẫn của đất đá tăng.
Do hiệu ứng skin mà độ dẫn biểu
kiến đo đợc thờng nhỏ hơn giá trị thực.
Nếu C
g
là độ dẫn thực và C
a
là độ
dẫn biểu kiến đo đợc bằng Zond đo
cảm ứng thì hiệu ứng skin C
S
đợc tính:
C
S
= C
g
- C
a
(3.104)
Giá trị C
S
phụ thuộc vào độ dẫn
thực của môi trờng nghiên cứu (hình
3.34). Độ dẫn của môi trờng nghiên
cứu càng cao thì C
S

càng lớn.
Các Zond đo hiện đang dùng phổ biến
trong sản xuất 6FF40 đợc thiết kế để tự động
tính hiệu chỉnh ảnh hởng skin ngay trong
khi đo.
Khi đo cảm ứng bằng các Zond đo
5FF40 và 5FF27 thì phép hiệu chỉnh skin dựa
vào các bản chuẩn của Schlumberger.
H
ình 3.33. Sự su
y

g
iảm của tín hiệu
p
hát
Đ
ộ dẫn
(
mS/m
)
% tín hiệu còn lại
Khoản
g
cách đến T
(
in
)
H
ình 3.34. Hiệu chỉnh hiệu ứng Skin

C
a

C
g
C
S

86
g) Những nhận xét chung
Trong thực tế sản xuất chủ yếu dùng các Zond đo cảm ứng có nhiều ống dây và
gọi là Zond hội tụ. Khoảng cách giữa hai ống dây T và R là chiều dài của Zond. Chiều
dài L của Zond có ý nghĩa quan trọng đối với các đặc trng của nó. Khi tăng chiều dài
L sẽ làm tăng phần đóng góp của đới xa vào tín hiệu đo, nhng lại làm giảm ảnh hởng
của đới gần lên kết quả đo. Về nguyên tắc, dùng Zond có chiều dài L khác nhau, và
các ống dây có số vòng khác nhau ta có thể làm giảm phần lớn tin hiệu sinh ra từ các
thành phần trong môi trờng.
Để làm tăng khả năng nghiên cứu theo bán kính của Zond thì cần giảm tín hiệu
của giếng khoan so với tín hiệu từ đới nguyên. Mặt khác muốn tăng khả năng phân giải
của Zond đó theo chiều thẳng đứng thì lại cần làm giảm phần tín hiệu từ các vỉa vây
quanh so với tín hiệu của vỉa nghiên cứu.
Với cách nh vậy, cấu trúc của các Zond nhiều ống dây hơn sẽ có các khả năng
phù hợp với các đòi hỏi có phần trái ngợc nhau:
- Muốn làm cho Zond đo có khả năng nghiên cứu sâu hơn theo phơng bán
kính thì phải giảm ảnh hởng của các phần môi trờng ở gần, trong khi đó không đợc
giảm tín hiệu của phần ở xa giếng khoan.
- Để làm tăng khả năng phân giải lát cắt theo chiều thẳng đứng cần giảm ảnh
hởng của các phần môi trờng ở xa Zond đo về phía trên và dới, nhng không đợc
giảm phần tín hiệu của phần môi trờng ở gần, ngang với điểm đo.


Hình 3.35. Yếu tố hình học theo phơng bán kinh
của các Zond đo cảm ứng sâu và trung bình
Các Zond đo 6FF40 và 5FF40 đợc thiết kế để thoả mn hầu hết các đòi hỏi có
phần trái ngợc nhau nh trên. Chúng có chiều dài L bằng nhau là 40 inches (tơng
đơng 1,0 m).
Zond đo 5FF40 có bán kính nghiên cứu vợt quá chiều sâu đới ngấm thờng
gặp (D
i
= 5d). Trong thực tế có thể gặp các trờng hợp đới ngấm sâu hơn (D
i
> 10d),
0
40
80 120 160
200
240
280
320
.1
.2
.3
.4
.5
.6
.7
.8
.9
1.0
g
r


Đ
ờn
g
kính
(
in.
)

5FF40
6FF40

87
lúc đó Zond 6FF40 vẫn có thể cho kết quả đo tốt vì nó có chiều sâu nghiên cứu lớn hơn
hai lần chiều sâu nghiên cứu của Zond 5FF40.
Hình 3.35 là đồ thị so sánh yếu tố hình học G
r
theo phơng bán kính của các
Zond 5FF40 và 6FF40.
Yếu tố hình học G
Z
theo chiều thẳng đứng Z của các Zond 5FF40 và 6FF40 xấp xỉ
nh nhau, có nghĩa là khả năng phân giải lát cắt của chúng là nh nhau.
h) Chuẩn máy đo cảm ứng
Các máy móc và Zond đo cảm ứng trong giếng khoan cần đợc chuẩn khắc độ
theo định kỳ hoặc sau mỗi lần sửa chữa.
Có một cách chuẩn khắc độ các Zond đo cảm ứng, hay dùng ở các cơ sở lắp ráp
máy địa vật lý là thả máy đo trong môi trờng đ biết trớc độ dẫn điện (điện trở suất) và
tiến hành đo. Giá trị đo đợc định cỡ theo giá trị độ dẫn của mô hình chuẩn đ cho.
Nhng nh vậy mô hình chuẩn phải có kích thớc lớn để thoả mn điều kiện đồng nhất

đẳng hớng vô hạn nh lý thuyết. Một bề mô hình với kích thớc lớn không phải có thể
lắp đặt dễ dàng ở bất cứ nơi nào. Vì vậy, cách này chỉ thấy dùng ở các trung tâm chế tạo
lắp ráp máy lớn trên thế giới.
Cách thứ hai, hay dùng hơn, là dùng vòng dây có điện trở suất biết trớc đặt
xung quanh Zond đo cảm ứng (máy giếng). Thao tác thực tế nh sau: phối hợp trở
kháng của mỗi vòng, đờng kính và vị trí của vòng so với thiết bị sao cho các thành
phần U
act
và U
react
của tín hiệu tổng là xấp xỉ bằng nhau tơng ứng với sức điện động
tạo ra trong điều kiện môi trờng hữu hạn.
Đối với các đá thờng gặp ở vò Quả đất có độ dẫn khoảng 2 mS/m (R = 500
m), tần số làm việc 20 kHz, chiều dài Zond L = 1m thì thành phần U
act
lớn hơn U
react

rất nhiều. Trong điều kiện đó khi chuẩn khắc độ có thể chỉ cần tiến hành đo thành
phần U
act
.
i) Phạm vi ứng dụng của phơng pháp cảm ứng
Phơng pháp đo cảm ứng trong giếng khoan là phơng pháp điện trở duy nhất
nghiên cứu có hiệu quả các giếng khoan dùng dung dịch đen hay giếng khoan khô.
Những thập kỷ gần đây là khoảng thời gian các máy móc thiế bị đo địa vật lý giếng
khoan nói chung, máy móc đo cảm ứng nói riêng đ có những tiến bộ vợt bậc. Vì vậy
phơng pháp đo cảm ứng đ đáp ứng cho việc nghiên cứu các giếng khoan khoan bằng
dung dịch nớc ngọt. Trong các lát cắt điện trở đất đá từ 30 đến 200
m phơng pháp

cảm ứng cho kết quả rất tốt. Ngoài khoảng giới hạn nêu trên kết quả đo cảm ứng vẫn
còn nhạy với sự thay đổi thành phần thạch học của các thành hệ nhng bắt đầu có sai
số. Theo đánh giá của Halliburton, với các thiết bị đo cảm ứng hiện đang dùng phổ
biến trong sản xuất, ở lát cắt điện trở 250

m, sai số đo khoảng

1 mS/m.
Các Zond đo cảm ứng 6FF40 đ có khả năng định xứ tín hiệu đo của đới sâu
(0,8 - 1,3m), cho nên khi kết hợp với các phép đo laterolog, phơng pháp đo cảm ứng
đợc dùng để xác định điện trở suất thực R
t
của vỉa nghiên cứu. Trong tổ hợp cùng các

88
phơng pháp địa vật lý giếng khoan khác, phơng pháp cảm ứng cho khả năng phân
biệt các đá chứa bo hoà dầu, khí hoặc nớc.
3.4.4. Các dạng khác của phơng pháp điện từ trờng
Vài chục năm trở lại đây, trong địa vật lý giếng khoan đa vào sử dụng một hệ
phơng pháp sóng điện từ ở tần số cao từ megahertz (10
6
) đến gigahertz (10
9
) bằng hệ
Zond đo sóng radio hay vi sóng.
ở
tần số cao độ thẩm điện môi
ảnh hởng đến sự lan
truyền và có đóng góp nhiều nhất đến tín hiệu đo. Vì thế các phép đo trờng điện từ ở
tần số cao nh vậy trong giếng khoan gọi là phơng pháp

hằng số điện môi
. Ngời đặt
cơ sở lý thuyết và thực nghiệm cho phơng pháp này là Daev D.C., một nhà khoa học
xô viết vào đầu thập kỷ 60, nhng phát triển về máy móc và công nghệ để nó thành
một phơng pháp sử dụng có kết quả trong sản xuất lại là các chuyên gia ở các nớc
phơng Tây vào những năm 70 của thế kỷ XX.
ở tần số gigahertz, hằng số điện môi
và thời gian lan truyền của sóng điện từ tp
trong môi trờng tơng ứng của các đá và khoáng vật khác hẳn trong nớc (bảng 3.1).
Bảng 3.1
Đá, khoáng vật
Hằng số điện môi

(so với không khí)
Thời gian lan truyền
tp (NS/m)
Cát kết 4.66 7.2
Dolomit 6.8 8.7
Đá vôi 7.5 - 9.2 9.1 - 10.2
Anhydrit 6.35 8.4
Coloit (khô) 5.76 8.0
Muối mỏ 5.6 6.35
Thạch cao 4.16 6.8
Dầu mỏ 2.0 - 2.4 4.7 - 5.2
Nớc ngọt 78.30 29.5
Đặc biệt thực nghiệm đ khẳng định: giá trị hằng số điện môi của nớc rất ít
thay đổi theo độ khoáng hoá. Vì vậy, giá trị hằng số điện môi của môi trờng đất đá sẽ
là hàm số của độ lỗ rỗng bo hoà nớc.
Hệ đo Schlumberger có hai Zond đo thời gian tp và hằng số điện môi
: tần số vi

sóng và tần số radio.

89
Các hình 3.36 và 3.37 là số đo các Zond đo lan truyền sóng điện từ (EMP) theo
hệ vi sóng và sóng radio. Thiết bị gồm các anten phát T và thu R.
Một máy phát dòng biến đổi
cho anten phát để từ đây phát sóng
điện từ truyền trong môi trờng.
Sóng điện từ bị suy giảm và lệch pha
khi lan truyền.
Mỗi anten thu đo độ suy giảm
cục bộ và lệch pha của các sóng này.
Nguyên lý chung là phát và
thu sóng điện từ trong môi trờng
nghiên cứu, nhng phép đo có thể là
đo độ lệch pha, hoặc đo thời gian lan
truyền (tốc độ) sóng điện từ giữa hai
antan hoặc đo độ suy giảm biên độ
(năng lợng) sóng trên qung đờng
giữa hai anten đó. Các đại lợng này
đều có quan hệ hàm số với độ thẩm
cách điện

của môi trờng.
Sơ đồ đo theo hệ vi sóng (hình
3.36) đợc áp sờn có chiều sâu
nghiên cứu không vợt quá 2 (

5cm) trong đới rửa. Thời gian lan
truyền t

po
trên qung đờng giữa các
anten thu trong vỉa bo hoà nớc (S
W
= 1) đợc đa về dạng phơng trình thời gian
trung bình:
t
po
=

t
pW
+ (1 -

)t
pm
(3.105)
và trong vỉa dầu:
t
po
= (S
xo
)t
pW
+ (1 - S
xo
)t
ph
+ (1 - )t
pm

(3.106)
Trong đó:
t
pW
Thời gian truyền trong nớc (phụ thuộc nhiệt độ)
t
pm
Thời gian lan truyền trong matrix
t
ph
Thời gian lan truyền trong dầu mỏ
Các tham số còn lại: S
xo
đợc xác định bằng các phơng pháp khác. Từ đó dễ
dàng xác định độ rỗng

.

Dung dịch
Đ
ới rửa
Đ
ới nguyên
năng lợng tín
hiệu trong vỉa
thiết bị trên
năng lợng tín
hiệu trong vỉa
thiết bị dới
năng lợng

trong vỏ sét
anten
vi sóng
Vỏ sét
H
ình 3.36. Cấu hình các anten của Zond đo ở
tần số vi sóng

90
Phép đo theo sơ đồ ở hình 3.37 làm việc ở tần số MHz. Thiết bị máy giếng có
cấu tạo gần giống Zond đo cảm ứng. Các ống dây phát và thu cũng có chức năng phát
và thu tín hiệu ở những tần số 16MHz và 30MHz. Độ lệch pha giữa các số đo của các
cặp anten thu gần và xa theo biên độ và pha là số liệu đo của phép đo. Giữa độ lệch pha
và suy giảm biên độ có mối quan hệ hàm số phụ thuộc hằng số điện môi
của môi
trờng. Từ các giá trị đo góc lệch pha (tính bằng độ) và độ suy giảm biên độ (tính bằng
dB) ta có thể xác định

của đất đá trong môi trờng nghiên cứu.
Hằng số điện môi có quan hệ hàm số với các tham số khác của môi trờng:
e
m
e
hW
ep
wW
e
r
SS


)1()1( ++= (3.107)
Trong đó:

r
- Hằng số điện môi của đá

w
- Hằng số điện môi của nớc

h
- Hằng số điện môi của hydrocacbon

m
- Hằng số điện môi của matrix
e - Số mũ điện môi thạch học, giống nh tham số m trong mô hình Archie
p - Số mũ phân cực, liên quan đến độ dẫn của dung dịch khoan.
Lên mặt đất Khuyếch
đạ
i 16Mhz
Khuyếch
đạ
i 30Mhz
Khuyếch
đạ
i tổng
Cáp dẫn
Nguồn
không đổi
Chuyển mạch
H

ình 3.37. Cấu hình Zond đo lan truyền sóng điện từ ở tần số radio


91
Các tham số e và p đợc xác định bằng thực nghiệm cho từng vùng mỏ hoặc cho
tầng đất đá.
3.5. Các yếu tố ảnh hởng lên kết quả đo và phạm vi ứng dụng của các
phơng pháp điện trở
ở
chừng mực nhất định chúng ta đ hình dung rằng luôn luôn có những nhiễu
do ảnh hởng của môi trờng lên tín hiệu đo. Bây giờ hy xem xét đến tầm quan trọng
của một số đặc điểm của các thành hệ về khía cạnh địa chất: nh thành phần, kiến trúc,
thế nằm, môi trờng trầm tích, nhiệt độ áp suất
3.5.1. Thành phần đá
- Bản chất của pha rắn, gồm các hạt vụn xi măng gắn kết trong đá là không dẫn
điện hoặc có điện trở rất cao, điều này là phổ biến nh một quy luật.
- Các chất lu bo hoà trong lỗ rỗng của đá: hydrocacbon cũng có điện trở vô
cùng lớn, nớc là thành phần chất lu có độ dẫn điện tốt phụ thuộc vào độ khoáng hoá
và nhiệt độ.
- Độ lỗ rỗng và độ bo hoà
3.5.2. Kiến trúc đá
Hình dáng kích thớc phân bố sắp xếp của các hạt có ảnh hởng nhiều đến độ lỗ
rỗng; kích thớc, đặc điểm phân bố của các lỗ rỗng và kênh dẫn trong đá lại có ảnh
hởng rất lớn đến điện trở suất của đá.
Cấu trúc lỗ rỗng trong các đá là một cấu trúc fractal. Độ cong lỗ rỗng thể hiện
lên các tham số a và m trong quan hệ giữa F và
.
Độ thấm khác nhau sẽ làm thay đổi trong đới ngấm và độ bo hoà cả về bản
chất cũng nh kích thớc của đới ngấm.
Bất đẳng hớng nhỏ. Trong khi hệ điện cực phát dòng theo hớng nằm ngang,

nếu bất đẳng nhất không theo một hớng nhất định (bất đẳng hớng nhỏ) thì số đo sẽ
thay đổi không có quy luật. Kiểu phân bố của sét hay các khoáng vật dẫn điện khác
trong đá cũng có vai trò quan trọng làm cho điện trở của đá thay đổi.
Trong các hang hốc, khe nứt nếu có chứa dung dịch dẫn điện hay chứa nớc sẽ
u tiên cho một phần dòng đi từ các hệ cực và từng khe nứt sẽ có ảnh hởng khác nhau
lên kết quả đo. Các tham số a và m cũng vì thế mà thay đổi.
3.5.3. Góc dốc và cấu trúc các lớp đá
Thế nằm của các lớp đá không luôn luôn nằm ngang, trục giếng khoan cũng
không luôn luôn theo phơng thẳng đứng, nghĩa là các mặt phân lớp không luôn luôn
vuông góc với trục giếng khoan, nên điện trở suất biểu kiến có thể có sai số. Đây cũng
là một kiểu sai số giống nh khi gặp bất đồng nhất nhỏ.

92
Chiều dày, cách tổ chức sắp xếp bên trong của vỉa nghiên cứu và các vỉa vây
quanh (đây là một kiểu bất đẳng hớng vĩ mô) phụ thuộc vào lịch sử lắng đọng, đặc
điểm môi trờng trầm tích trong từng nhịp địa chất Các dạng cấu trúc vĩ mô đó đều
thể hiện rất rõ ràng theo sự thay đổi giá trị điện trở của các lớp trong lát cắt.
3.5.4. Nhiệt độ, áp suất nén ép
Hiệu ứng của nhiệt độ lên điện trở suất của chất lu nh nớc vỉa đ đợc xem
xét ở chơng thứ nhất. Có một số đo nhiệt độ ở đáy giếng là cần thiết đối với phơng
pháp điện trở nếu ta cha biết rõ gradien địa nhiệt của vùng.
á
p suất vỉa là hàm số của nhiều yếu tố - bao gồm lực nén ép kiến tạo, thiểu nén
ép. Sự nén ép làm cho đá chặt xít, các hạt đá bị biến dạng và độ lỗ rỗng thay đổi theo
chiều giảm khi lực nén ép tăng.
Phép thử nghiệm đợc thực hiện ở phần lát cắt có đối tợng nghiên cứu dựa vào
sự khác biệt áp suất thuỷ tĩnh của cột dung dịch và áp suất vỉa.
3.5.5. Các ứng dụng
Các ứng dụng khác nhau của các phơng pháp đo điện trở sẽ đợc nghiên cứu chi
tiết ở phần hai của giáo trình này.

ở
đây chỉ nêu tóm tắt việc sử dụng kết quả đo điện trở
suất/độ dẫn điện vào các phép xác định tham số colectơ và đặc điểm địa chất.
a) Độ bo hoà
Phần lớn các ứng dụng của phép đo điện trở suất / độ dẫn điện ở giếng khoan là
để xác định độ bo hoà nớc (hoặc độ bo hoà dầu) trong đới rửa và đới nguyên.
R
xo
có thể đợc đo trực tiếp bằng các vi hệ điện cực. R
t
thờng không đo trực tiếp vì
luôn luôn có ảnh hởng của cột dung dịch, lớp vỏ sét và đới ngấm, ngoài ra còn ảnh hởng
của các lớp vây quanh. Chỉ trong các điều kiện thật thuận lợi, các Zond đo có hội tụ (LLd,
ILd) mới có khả năng cho số đo gần với giá trị R
t
, không cần phải hiệu chỉnh.
Bình thờng các số đo điện trở bằng các hệ cực sâu vẫn phải hiệu chỉnh nhờ các
bản chuẩn chuyên dụng để loại bỏ ảnh hởng của giếng khoan, đới ngấm và các vỉa
vây quanh. Phép hiệu chỉnh đối với đới rửa thờng kết hợp số đo của ba phép đo có
chiều sâu nghiên cứu khác nhau để tìm ba ẩn số: D
i
, R
xo
và R
t
. Chẳng hạn ta có:
(R
a
)
cor

= R
xo
G
xo
+ R
i
G
i
+ R
t
G
t

G
xo
(D
i
) + G
i
(D
i
) + G
t
(D
i
) = 1 là tổng yếu tố hình học của các đới tơng ứng.
Nếu loại trừ ảnh hởng của đới chuyển tiếp (G
i
= 0) thì phơng trình trên đợc
rút gọn: (R

a
)
cor
= R
xo
G
xo
+ R
t
G
t
với 1 = G
xo
(D
i
) + G
t
(D
i
)
ở
đây G
xo
, G
i
đợc xác định theo đờng kính đới ngấm D
i
(trong các phơng
pháp cảm ứng yếu tố hình học lấy ký hiệu G, còn trong các phơng pháp laterolog ký
hiệu đó là J).


93
Lấy các số đo điện trở từ ba Zond đo có chiều sâu nghiên cứu khác nhau, hoặc giả
thiết gần đúng. R
xo
, D
i
, R
t
có thể đợc tính theo phơng trình hoặc dùng bản chuẩn thích
hợp (vấn đề này sẽ đợc lặp lại khi phân tích định lợng trong phần hai của giáo trình).
b) Độ lỗ rỗng
Nếu đá chứa đợc xem là đá sạch (độ sét dới 5%) và bo hoà nớc 100% thì độ
lỗ rỗng của đá có thể tính theo hệ số (yếu tố) thành hệ:
Wmf
xo
R
R
R
R
F
0
==
(3.108)
Mặt khác:
m
a
F

=

với a và m là các tham số fractal đợc xác định theo thực nghiệm.
c) Điện trở suất nớc vỉa
Xác định đợc độ rỗng

, ta có thể tìm đợc R
W
hay R
mf
trong lớp đá sạch chứa nớc.
F
R
R
F
R
R
xo
mf
e
Wa
a
=
=
(3.109)
ở
đây R
Wa
, R
mfa
chỉ là điện trở suất biểu kiến tơng ứng với R
W

và R
mf
của nớc
và của filtrat dung dịch trong đá sạch bo hoà nớc 100%. Nếu vỉa chứa có
hydrocacbon thì sẽ có R
Wa
> R
W
và R
mfa
> R
mf
. Có thể tính theo một điểm cực tiểu
(picking) cho R
Wa
và R
mfa
.
Nếu biết thêm S
W
bằng các phép đo khác (nh TDT) điện trở suất của chất lu
có thể đợc tính toán từ phơng trình Archie trong vỉa dầu.
d) Liên kết lát cắt các giếng khoan
Liên kết lát cắt giữa các giếng khoan là một ứng dụng đơn giản nhất của phơng
pháp điện trở. Dựa vào các dấu hiệu giống nhau về hình dạng của các đờng cong giá
trị tơng đơng R
a
đo ở các giếng khoan khác nhau trong cùng một đơn vị cấu tạo,
vùng địa chất. Bình thờng mỗi tập đá trầm tích thành tạo trong môi trờng nhất định
nên các đặc điểm về hình dạng đờng cong R

a
, đặc điểm thay đổi điện trở của tập vỉa
cũng để lại các dấu hiệu nhận biết trên biểu đồ đo.
Khi liên kết lát cắt giữa các giếng khoan chiều sâu đáy hoặc nóc của một tập vỉa
không nhất thiết phải bằng nhau ở các giếng khoan khác nhau vì giữa các giếng khoan
có thể tồn tại các đứt gy địa chất, hoặc có sự thay đổi góc dốc của vỉa từ giếng khoan
này đến giếng khoan khác. Cũng nh vậy, chiều dày của tập vỉa hay của lớp đá nào đó
không nhất thiết bằng nhau ở hai giếng khoan khác nhau. Hiện tợng đó là do sự vát
nhọn của các lớp đá theo chiều ngang của lát cắt địa chất.