Giáo trình Địa chất vật lý giếng khoan

ủa hệ đếm. Khoảng thời gian đó gọi là “thời gian chết”. Bình th−ờng mỗi xung tín hiệu chỉ kéo dài khoảng 2às nh−ng thời gian chết giữa hai xung có khi tới hàng chục às. Thời gian chết của hệ đếm (đo) phụ thuộc vào trở kháng thuần và trở kháng cảm của cáp. Chẳng hạn ta có các xung âm tạo từ nguồn 125 - 120 volt lên đầu cáp có điện trở 200Ω và điện dung 14 àF, khi đó thế tới hạn cần khoảng thời gian nạp đủ là T = RC = 200*14.10-6 ≈ 28 às. Trong khi đó, xung ban đầu chỉ có 2às. 125 Sai số có thể gặp trong đo ghi tốc độ đếm xung (xung/s) càng lớn khi thời gian chết càng dài. Xác suất gặp sai số do hiện t−ợng này đ−ợc tính: τn N NP =∆= . Trong đó: ∆N là số xung thất thoát trong thời gian chết [xung/s]. N là c−ờng độ bức xạ thực [xung/s]. τ là thời gian chết [s]. n = N - ∆N là c−ờng độ bức xạ đo đ−ợc [xung/s]. Từ đó ta có: ττ n nNn N nN N N −== −=∆ 1 và Nh− vậy, theo lý thuyết giá trị đo đ−ợc càng gần giá tị thực khi τ càng nhỏ hoặc chính n cũng nhỏ. Trong thực tế còn phải tính đến đặc điểm thống kê của hiện t−ợng phóng xạ. Số lần phân r∙ của một l−ợng chất phóng xạ nào đó trong một đơn vị thời gian bao giờ cũng là số thay đổi xung quanh một giá trị trung bình N t−ơng ứng và có phân bố chuẩn gause (Hình 5.5). Nếu khoảng thời gian quan sát T càng dài thì giá trị trung bình tính đ−ợc càng gần với giá trị N. Trong tính toán lấy mod của phân bố là giới hạn để có ít nhất 50% số lần phân r∙ rơi vào khoảng ( ) 212 67,0 NT N± gọi là giới hạn gặp sai số. Với T là hằng số thời gian của hệ đo, N là giá trị trung bình đặc tr−ng cho c−ờng độ phóng xạ tại điểm đo trong lát cắt. Rõ ràng N càng lơn, T càng dài, sai số càng ít. Các máy đo hiện tại có hằng số thời gian T = 1ữ 6 giây. N th−ờng gặp trong các phép đo thực tế thay đổi trong khoảng 10 ữ 103 xung/s. 5.3. Các ph−ơng pháp đo phóng xạ nghiên cứu giếng khoan Các ph−ơng pháp đo phóng xạ hạt nhân trong giếng khoan phổ biến hay gặp trong thực tế xản suất bao gồm: - Ph−ơng pháp đo gamma tự nhiên, GR. Giá trị trung bình Giới hạn sai số Xung/giây Hình 5.5. Sự phân bố số đo xung quanh một giá trị trung bình 126 - Ph−ơng pháp đo phổ gamma tự nhiên: SGT, SGR. - Ph−ơng pháp đo gamma tán xạ: G-G, FDC, LDT. - Ph−ơng pháp đồng vị phóng xạ gamma. - Các ph−ơng pháp nơtron với nhiều biến thể: + Ph−ơng pháp nơtron - gamma: N-G. + Ph−ơng pháp nơtron - nơtron: N-N; CNT. + Ph−ơng pháp xung nơtron. + Ph−ơng pháp tiết diện bắt giữ nơtron nhiệt. + Ph−ơng pháp kích hoạt phóng xạ. - Ph−ơng pháp cộng h−ởng từ hạt nhân: NML. 5.3.1. Ph−ơng pháp đo bức xạ gamma tự nhiên (GR) Ph−ơng pháp đo bức xạ gamma tự nhiên (GR) gọi khác: Carota gamma, nghĩa là đo vẽ c−ờng độ bức xạ gamma tự nhiên ở trục giếng khoan để nghiên cứu lát cắt địa chất ở thành giếng khoan. Nh− ta đ∙ biết giữa các đá, đặc biệt là đá trầm tích rất khác nhau về c−ờng độ phóng xạ gamma tự nhiên nên ta có thể nghiên cứu bản chất, nguồn gốc địa tầng của đá theo tham số này. a) Sơ đồ đo bức xạ gamma tự nhiên Khi đo sự thay đổi c−ờng độ bức xạ theo chiều sâu giếng khoan có thể bố trí sơ đồ đo nh− hình 5.6. Trong máy giếng 1 có detector D, th−ờng là ống đếm Geiger-Muller, tiếp đếm các l−ợng tử gamma. Sau khi lọt vào ống đếm, các l−ợng tử gamma tạo thành các tín hiệu là xung điện ở đầu ra của mạch tích phân. Tín hiệu đ−ợc khuyếch đại và lọc rồi đ−a qua cáp lên khối điều chế tín hiệu 2 ở mặt đất. Đầu ra của khối 2 là tín hiệu d−ới dạng hiệu điện thế. Bộ ghi 3 sẽ ghi tín hiệu điện t−ơng ứng với c−ờng độ bức xạ gamma ở chiều sâu điểm đo của máy giếng (điểm gữa của detectơ D). Máy giếng 1 đ−ợc kéo lên từ từ đồng thời bộ ghi 3 ghi đ−ợc sự biến đổi c−ờng độ bức xạ gamma theo chiều sâu. Kết quả đo GR có thể dễ dàng biểu diễn trên biểu đồ t−ơng tự : Iγ = f(h) Hình 5.7. 5 2 3 1 - Máy giếng 2 - Detectơ 3 - Bộ ghi 4 - Bộ điều chế tín hiệu 5 - Nguồn nuôi D 1 4 Hình 5.6. Sơ đồ nguyên tắc đo GR 127 C−ờng độ bức xạ gamma tự nhiên biểu thị hoạt tính phóng xạ của các đá trong lát cắt giếng khoan và cũng là thể hiện hàm l−ợng của đồng vị phóng xạ của các lớp đá đó. b) Các yếu tố ảnh h−ởng lên kết quả đo GR Đ−ờng cong đo ghi c−ờng độ bức xạ gamma tự nhiên trong giếng khoan phụ thuộc vào nhiều yếu tố, tr−ớc hết phải kể đến: - Các lớp đất đá trong lát cắt giếng khoan chứa các nguyên tố đồng vị 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 vị trí t−ơng đối của detector trong giếng khoan so với các lớp đất đá. - Đ−ờng kính thực của giếng khoan, mật độ và loại dung dịch khoan. - Số lớp ống chống, chiều dày của ống chống và lớp ximăng. - Mật độ của các lớp đất đá ở thành giếng khoan. - Tốc độ kéo cáp khi đo ghi. Tất cả các yếu tố trên đây đồng thời ảnh h−ởng lên giá trị đo gamma tự nhiên. Trong phân tích kết quả đo GR cần phải xác định xem những yếu tố nào ảnh h−ởng nhất lên phép đo trong tr−ờng hợp cụ thể và đ−a ra phép hiệu chỉnh t−ơng ứng. Giá trị đo c−ờng độ bức xạ gamma phụ thuộc trực tiếp vào quá trình suy giảm tia gamma bị hấp phụ trong môi tr−ờng nghiên cứu. Sự suy giảm đó tuân theo quy luật h∙m mũ: )18.5(xeoGRxGR à−= Trong đó GRx và GRo là c−ờng độ bức xạ gamma tr−ớc và sau khi xuyên qua đoạn đ−ờng x trong môi tr−ờng nghiên cứu có hệ số hấp thụ à(cm-1). Giá trị hệ số hấp thụ à phụ thuộc vào năng l−ợng của tia gamma và mật độ khối của môi tr−ờng. Bảng 5.3 là hệ số hấp thụ à các tia gamma trong các môi tr−ờng khác nhau. Hình 5.7. Một thí dụ đ−ờng cong đo vẽ GammRay và phổ Gamma tự nhiên 128 Bảng 5.3 Hệ số hấp thụ (cm-1) trong Năng l−ợng tia gamma (MeV) N−ớc Đá rắn chắc Sắt thép Chì 0.2 0.137 0.32 1.13 11.8 1.0 0.071 0.15 0.47 0.79 5.0 0.03 0.07 0.25 0.49 Các giá trị hệ số à trong các môi tr−ờng đối với các tia gamma có năng l−ợng khác nhau dùng để tính hiệu chỉnh suy giảm tia gamma trong dung dịch do đ−ờng kính giếng thay đổi trong ống chống và trong vành ximăng xung quanh giếng khoan. Ví dụ, phép đo với máy giếng đặt định tâm (Hình 5.6), do đ−ờng kính giếng thay đổi, đoạn đ−ờng ( )oddx −= 2 1 là hành trình các tia gamma từ đất đá ở thành giếng đi qua dung dịch để đến detector. Nếu mật độ dung dịch ρ = 1,2(g/cm3), có hệ số hấp thụ à = f(ρ)= 0,01(cm-1), từ (5.18) ta tính đ−ợc hệ số hiệu chỉnh đ−ờng kính: )19.5(10).(5,0ln 20 −−=   dd Grx Gro Các hiệu chỉnh khác đối với ống chống, vành ximăng cũng có cách tính t−ơng tự. c) Phạm vi ứng dụng: Ph−ơng pháp đo gamma tự nhiên trong giếng khoan (GR) đ−ợc sử dụng để phân chia địa tầng của các lớp trong lát cắt, sử dụng để liên kết chúng ở quy mô khu vực và địa ph−ơng. Do c−ờng độ phóng xạ càng cao khi hàm l−ợng sét trong đá càng nhiều nên đ−ờng cong GR cho dấu hiệu tốt để phân biệt các lớp đá sét (tầng sinh, tầng chắn) và đá chứa ít sét hoặc không chứa sét (tầng thấm chứa dầu khí), phát hiện các vỉa than trong tập đá acgilit than Nhìn chung, các phép đo gamma trong giếng khoan không bị ảnh h−ởng bởi độ khoáng hoá và phép đo có thể thực hiện đ−ợc trong dung dịch gốc dầu. Vì tia gamma có khả năng đâm xuyên cao, thậm chí có thể đi qua thành ống chống bằng thép có chiều dày 15mm, nên ph−ơng pháp GR có thể đo trong các giếng khoan đ∙ chống ống. Đây là −u điểm nổi trội nhất của ph−ơng pháp gamma so với các ph−ơng pháp đo Địa vật lý giếng khoan khác. C−ờng độ bức xạ gamma của các đá chứa lục nguyên và cacbonat, không chứa khoáng vật phóng xạ, tỷ lệ với hàm l−ợng khoáng vật sét trong đá là cơ sở để ta xác định hàm l−ợng sét trong đá chứa theo kết quả đo GR. Hàm l−ợng sét VS tính theo thể tích trong đá chứa có quan hệ hàm số với tham số ∆Jγ khá chặt chẽ: 129 )20.5)( minmax min ShVfGRGR GRGRJ =− −=∆ γ Trong đó: GR là giá trị c−ờng độ bức xạ gamma đo đ−ợc tại điểm quan sát. GRmax, GRmin lần l−ợt là c−ờng độ bức xạ gamma tại vỉa sét và vải cát sạch. Trong tr−ờng hợp lát cắt không có vỉa đá cát sạch, có thể sử dụng các giá trị GRmax, GRmin là các giá trị đo đ−ợc ở hai vỉa đá có độ sét biết tr−ớc. Khi đó ph−ơng pháp xác định độ sét theo (5.20) gọi là ph−ơng pháp hai vỉa (tầng) chuẩn. Quan hệ hàm số giữa tham số ∆Jγ và độ sét VSh th−ờng đ−ợc xác định bằng thực nghiệm. Trong thực tế, ta gặp một số ph−ơng trình thực nghiệm của các tác giả khác nhau: Quan hệ tuyến tính: γJVSh ∆= Clavier ( )27,038,37,1 +∆−−= γJVSh Steiber ( )γγ JJVSh ∆−∆= 5,15,0 Tuy nhiên, vì sự có mặt của các khoáng vật sét là một chỉ thị của môi tr−ờng trầm tích nên quan hệ hàm số ( )ShVfJ =∆ γ là rất phức tạp và khác nhau giữa vùng này và vùng khác. Cách đúng đắn nhất vẫn là thay vì sử dụng các công thức thực nghiệm có sẵn bằng việc xây dựng quan hệ thực nghiệm giữa các tham số đó cho từng vùng cụ thể, thậm chí cho từng phân vị địa tầng khác nhau. Một ứng dụng quan trọng khác của ph−ơng pháp GR là trong nghiên cứu các giếng khoan thăm dò tìm kiếm các quặng phóng xạ. C−ờng độ bức xạ gamma tự nhiên GR có quan hệ trực tiếp với hàm l−ợng các quặng phóng xạ trong các lớp đất đá ở thành giếng khoan. Vì vậy, dựa vào dáng điệu đ−ờng cong GR và biên độ dị th−ờng trên đ−ờng cong đó ta dễ dàng phát hiện các đới quặng hoá và tính toán hàm l−ợng các khoáng vật quặng phóng xạ trong đối t−ợng nghiên cứu. Khi nghiên cứu các mỏ muối, đ−ờng cong đo GR đ−ợc sử dụng để xác định chiều dày các lớp muối và xác định hàm l−ợng muối KCl trong mỏ muối. 5.3.2. Ph−ơng pháp đo phổ gamma tự nhiên- SGR, NGS 5.3.2.1. Cơ sở vật lý - địa chất Khi tiến hành đo GR ta đo c−ờng độ bức xạ tia gamma phát xạ từ những đồng vị phóng xạ của các nguyên tố đồng vị trong ba d∙y Urani, Thori và Kali. Các tia gamma phát xạ từ các đồng vị của ba d∙y vừa nêu đều d−ới dạng xung năng l−ợng rời rạc (Hình 5.8). 129 )20.5)( minmax min ShVfGRGR GRGRJ =− −=∆ γ Trong đó: GR là giá trị c−ờng độ bức xạ gamma đo đ−ợc tại điểm quan sát. GRmax, GRmin lần l−ợt là c−ờng độ bức xạ gamma tại vỉa sét và vải cát sạch. Trong tr−ờng hợp lát cắt không có vỉa đá cát sạch, có thể sử dụng các giá trị GRmax, GRmin là các giá trị đo đ−ợc ở hai vỉa đá có độ sét biết tr−ớc. Khi đó ph−ơng pháp xác định độ sét theo (5.20) gọi là ph−ơng pháp hai vỉa (tầng) chuẩn. Quan hệ hàm số giữa tham số ∆Jγ và độ sét VSh th−ờng đ−ợc xác định bằng thực nghiệm. Trong thực tế, ta gặp một số ph−ơng trình thực nghiệm của các tác giả khác nhau: Quan hệ tuyến tính: γJVSh ∆= Clavier ( )27,038,37,1 +∆−−= γJVSh Steiber ( )γγ JJVSh ∆−∆= 5,15,0 Tuy nhiên, vì sự có mặt của các khoáng vật sét là một chỉ thị của môi tr−ờng trầm tích nên quan hệ hàm số ( )ShVfJ =∆ γ là rất phức tạp và khác nhau giữa vùng này và vùng khác. Cách đúng đắn nhất vẫn là thay vì sử dụng các công thức thực nghiệm có sẵn bằng việc xây dựng quan hệ thực nghiệm giữa các tham số đó cho từng vùng cụ thể, thậm chí cho từng phân vị địa tầng khác nhau. Một ứng dụng quan trọng khác của ph−ơng pháp GR là trong nghiên cứu các giếng khoan thăm dò tìm kiếm các quặng phóng xạ. C−ờng độ bức xạ gamma tự nhiên GR có quan hệ trực tiếp với hàm l−ợng các quặng phóng xạ trong các lớp đất đá ở thành giếng khoan. Vì vậy, dựa vào dáng điệu đ−ờng cong GR và biên độ dị th−ờng trên đ−ờng cong đó ta dễ dàng phát hiện các đới quặng hoá và tính toán hàm l−ợng các khoáng vật quặng phóng xạ trong đối t−ợng nghiên cứu. Khi nghiên cứu các mỏ muối, đ−ờng cong đo GR đ−ợc sử dụng để xác định chiều dày các lớp muối và xác định hàm l−ợng muối KCl trong mỏ muối. 5.3.2. Ph−ơng pháp đo phổ gamma tự nhiên- SGR, NGS 5.3.2.1. Cơ sở vật lý - địa chất Khi tiến hành đo GR ta đo c−ờng độ bức xạ tia gamma phát xạ từ những đồng vị phóng xạ của các nguyên tố đồng vị trong ba d∙y Urani, Thori và Kali. Các tia gamma phát xạ từ các đồng vị của ba d∙y vừa nêu đều d−ới dạng xung năng l−ợng rời rạc (Hình 5.8). 130 Hình 5.8 mô phỏng phổ năng l−ợng các tia gamma của các d∙y K, Th và Urani. Từ mỗi d∙y ta có thể chọn đ−ợc phổ năng l−ợng đặc tr−ng cho d∙y đó, không lẫn lộn với các d∙y khác. D∙y 40K chỉ có duy nhất một phổ đơn năng Eγ = 1,46MeV khi bắn ra tia gamma để trở thành đồng vị 40Ar bền vững. Trong d∙y 232Thori có nhiều đồng vị phát xạ gamma có năng l−ợng khác nhau, trong số đó đồng vị Thallium 208Tl phát xạ gamma có phổ năng l−ợng Eγ = 2,62MeV cao nhất trong d∙y. T−ơng tự chọn phổ Eγ = 1,76MeV phát xạ từ đồng vị Bismuth 214B là phổ đặc tr−ng cho d∙y 238Urani. Ta có nhận xét: Các phổ năng l−ợng của tia gamma chọn đặc tr−ng cho ba d∙y phóng xạ tự nhiên đều có năng l−ợng Eγ > 1,20MeV, lớn hơn vùng năng l−ợng mà tia gamma dễ bị tán xạ Compton trong môi tr−ờng đất đá. ở vùng năng l−ợng cao nh− vậy các l−ợng tử gamma t−ơng tác với môi tr−ờng rất dễ sinh hiệu ứng tạo cặp trong thành hệ và trong tinh thể của detector. Quan sát phổ ở dạng liên tục (Hình 5.9) dễ dàng chính xác hơn ở dạng rời rạc và phù hợp với điều kiện đo ở giếng khoan hơn. Sở dĩ nh− thế là vì: a) Kích th−ớc hạn chế của detector (tính kém hiệu quả). b) Thể tích vùng nghiên cứu (vùng có phần đóng góp quan trọng các tia gamma tán xạ). c) Khoảng thời gian kéo dài của phép đo (phụ thuộc tốc độ kéo cáp). Kết quả sẽ có một khoảng rộng hơn phổ đo đến mức làm cho một nửa số pic có thể bị là bằng hoàn toàn (Hình 5.9). Biên độ t−ơng đối của ba phổ nói trên sẽ tỷ lệ thuận với hàm l−ợng các đồng vị của các d∙y phóng xạ tự nhiên K, Th và U trong các thành hệ. Sự phụ thuộc này khá K Dãy Th Dãy U Năng l−ợng tia Gamma MeV X á c s u ấ t p h á t x ạ đ o đ − ợ c Hình 5.8. Phổ bức xạ Gamma của các nguyên tố phóng xạ S ố đế m t− ơn g đố i Năng l−ợng tia Gamma MeV Phông tán xạ Compton Hình 5.9. Phổ liên tục của K, Th và U ghi đ−ợc bằng tinh thể NaI 131 chặt chẽ đủ để có thể tính hàm l−ợng của Th, Ur và K có trong thành hệ dựa vào sự suy giảm mạnh phổ toàn phần ở sau mỗi phổ đặc tr−ng của mỗi d∙y. Khi tính hàm l−ợng Th, U và K theo phép phân tích phân bổ năng l−ợng toàn phần, phải chia năng l−ợng toàn phần ra làm hai vùng. a) Vùng năng l−ợng cao có ba pic chính đặc tr−ng cho ba d∙y phóng xạ Th (2,26 MeV), U(1,76MeV) và K(1,46MeV). b) Vùng năng l−ợng thấp, năng l−ợng của các tia gamma trong thành hệ là sản phẩm của quá trình tán xạ Compton bao gồm các phát xạ năng l−ợng thấp từ hai d∙y U và Th. Trong tự nhiên gặp các đá có tính phóng xạ khác nhau, có chứa các đồng vị U, Th và K ở mức độ khác nhau. - Sét và diệp thạch sét là những khoáng vật và đá chứa một hàm l−ợng nhất định các đồng vị K, U và Th. Ngoài ra, chúng còn có thể chứa một l−ợng đáng kể phosphat hay một chất hữu cơ giàu Urani và các loại khoáng vật có phóng xạ (feldspat, mica, các loại khoáng vật nặng có chứa U và Th. Bảng 5.4) - Muối Kali, KCl trong các thành tạo trầm tích bốc hơi. - Các lớp mỏng bitum và alumit hoá KAl3[(OH)6/(SO4)2]. Bảng 5.4 Tên khoáng vật Th (ppm) U (ppm) Tên khoáng vật Th (ppm) U (ppm) Allanit 500– 20.000 30-70 Monazit (25-20).104 500-3000 Apatit 20-150 5-150 Sphen 100-600 100-700 Epidot 50-500 20-50 Xenotim Rất thấp 500-3,5.104 Magnetit 0.3-20 1-30 Zircon 50-4000 100-6000 - Phosphat [PO4] 3- - Một số đá cát ackose, bùn, cát kết cuội kết chứa nhiều khoáng vật nh−: feldspat, mica hoặc các khoáng vật chứa K, U và Th nh− zircon, monazit, alamit, xenotin, - Một số đá cacbonat có nguồn gốc từ biển có chứa K và U hoặc giàu vật chất hữu cơ hay phosphat. - Một số vỉa than hấp phụ và tích tụ U có liên quan đến các đá giàu U. - Các đá macma axit và bazơ nh−: granit, syenit, rhyolit. 132 5.3.2.2. Các thiết bị máy giếng đo phổ gamma Trong sản xuất sử dụng các Zond đo phổ gamma khác nhau. Mỗi loại có những đặc điểm riêng chi tiết nh−ng có điểm chung về nguyên tắc. Zond đo có nhiều cửa sổ, mỗi cửa sổ đo các tia gamma có vùng năng l−ợng nhật định, t−ơng đ−ơng với phổ năng l−ợng đặc tr−ng của từng nhóm nguyên tố K, U và Th. H∙ng Dresser Atlas dùng thiết bị đo có ba cửa sổ W3, W4 và W5để đo phổ năng l−ợng đặc tr−ng của K, Th và U (Hình 5.10). Tuy vậy, giới hạn đo phổ năng l−ợng của từng cửa sổ đ∙ không thể “sạch” hoàn toàn. Ví dụ cửa sổ W3 không phải chỉ t−ơng ứng với K mà còn cả với U và Th. Nghĩa là ta có thể lập hệ ph−ơng trình: 232Th = m13W3 + m14W4 + m15W5 238U = m23W3 + m24W4 + m25W5 (5.21) 40K = m33W3 + m34W4 + m35W5 Trong đó: mij là các yếu tố của thành phần gọi là “ma trận đo” hay chính là phần đóng góp bức xạ gamma của nguyên tố thứ i trong cửa sổ thứ j. Các thành phần ma trận đo mij đ−ợc xác định trên mô hình mẫu chuẩn. Hệ ph−ơng trình (5.21) cho phép xác định hàm l−ợng các nguyên tố K, U và Th dựa vào sổ đọc trên các cửa sổ W3, W4 và W5. Công ty Schlumberger sử dụng máy phổ có 5 cửa sổ, trong đó các cửa sổ W1 và W2 đo gamma toàn phần năng l−ợng thấp (Hình 5.11). Dựa vào các số đo vùng năng l−ợng thấp (W1 và W2) có thể lọc các thăng giáng của các đ−ờng cong K và U. Sơ đồ nguyên tắc đo phổ gamma tự nhiên (NGS) theo Schlumberger đ−ợc trình bày trong hình 5.12. S ố kê nh Năng l−ợng tia Gamma MeV Hình 5.10. Các cửa sổ đo năng l−ợng đặc tr−ng K và Th 133 Trong sơ đồ sử dụng detector nhân quang điện, với tinh thể cảm xạ là NaI(Tl) 1. Qua detector các tia gamma có năng l−ợng E khác nhau sẽ tạo thế đầu ra khác nhau t−ơng ứng. Tín hiệu đ−ợc khuyếch đại bởi bộ amplifier 2 rồi chuyển vào cửa sổ có định cỡ V t−ơng ứng nhờ mạch ổn định (Stabilization) 3. Tín hiệu ở các cửa sổ đ−ợc đ−a tới bộ m∙ hoá truyền tải (Transmission Encoder) 4 bằng kỹ thuật điều biến tần số, rồi đ−a lên mặt đất qua đ−ờng cáp 5. Trên mặt đất, khối giải m∙ (Transmission Decoder) 6 tách các tín hiệu theo m∙ riêng của kênh t−ơng ứng rồi đ−a vào ngăn tích phân có hằng số thời gian chọn tr−ớc (4sec) 7. Các số liệu thô này một mặt đ−ợc ghi lại bởi khối (TTR) 8, một mặt đ−ợc đ−a vào khối tính toán (computer) 9 hàm l−ợng của các nguyên tố K, U, Th và GR. Các giá trị này đ−ợc ghi trên băng hoặc phim ảnh nhờ một bộ ghi (camera) 10. Cũng nh− các máy móc thiết bị đo Địa vật lý hạt nhân khác, máy đo NGS cũng cần phải chuẩn khắc độ. Trong tr−ờng hợp này, chuẩn máy thực chất là xác định các Hình 5.11. Đ−ờng cong t−ơng ứng U, Th và K (Detectơ dùng tinh thể NaI) Năng l−ợng thấp Hiệu suất đếm cao Năng l−ợng cao Hiệu suất đếm thấp X ác s uấ t p há t x ạ đo đ −ợ c Mã hoá truyền Bộ giải mã Trên mặt đất Trong giếng khoan Hình 5.12. Sơ đồ nguyên tắc của Zond đo phổ phóng xạ Gamma 1 2 3 4 5 5 6 7 8 9 10 134 tham số thành phần của ma trận đo, chính là phần đóng góp bức xạ gamma của mỗi nguyên tố trong nhóm K, U và Th vào cửa sổ nào đó trong số 5 cửa sổ (W1,, W5) đ−ợc sử dụng. Nh− vậy có tất cả 9 hệ số mij trong hệ ph−ơng trình (5.21) cần đ−ợc xác định. Để xác định các hê số này tại các trung tâm lớn ng−ời ta thực hiện trong các giếng khoan mô hình chứa 3 lớp có hàm l−ợng các nguyên tố U, Th và K cho tr−ớc. Việc chuẩn khắc độ có thể thực hiện tại hiện tr−ờng ở miệng giếng khoan tr−ớc khi tiến hành đo NGS. Khi chuẩn nh− vậy đ−ợc thực hiện nhờ một mẫu chuẩn bằng đồng vị 220Ra để kiểm tra số đếm của mỗi cửa sổ. Chiều sâu nghiên cứu của ph−ơng pháp đo phổ gamma tự nhiên phụ thuộc vào nhiều yếu tố: năng l−ợng của tia gamma, mật độ của dung dịch và đ−ờng kính giếng khoan. Ngoài ra nó còn phụ thuộc vào mật độ của các đá ở thành giếng khoan. Năng l−ợng Eγ của tia gamma càng cao, chiều sâu nghiên cứu càng sâu trong môi tr−ờng xung quanh giếng khoan. Mật độ dung dịch koan và mật độ khối của đất đá trong môi tr−ờng càng cao thì càng hạn chế chiều sâu nghiên cứu của ph−ơng pháp đo. Số đo của NGS trên các cửa sổ chủ yếu nhạy với sự thay đổi hàm l−ợng các đồng vị của các d∙y U, Th và K trong đất đá ở thành giếng khoan. Tuy vậy, có nhiều tr−ờng hợp bị ảnh h−ởng bởi khi gặp các pic nhiễu do: Hiện t−ợng xảy ra các pic lạ chen vào làm hạn chế các pic chính trong các cửa sổ đo năng l−ợng thấp. Sự xuất hiện của hai pic lạ đ−ợc liên kết với mỗi pic năng l−ợng cao từ Th sẽ gây nhiễu trong cửa sổ U và t−ơng tự từ cửa sổ K (Các pic “lạ” th−ờng là cặp electron và pozitron trong tinh thể NaI(Tl). 5.3.2.3. Phạm vi ứng dụng - Xác định địa tầng: Trong trầm tích bốc hơi, việc phân chia địa tầng dựa vào sự khác nhau giữa sét và muối. Trong các vỉa muối giàu Kali hơn là trong các lớp sét. Hàm l−ợng Th trong muối rất thấp gần nh− bằng không. Có thể phát hiện các vỉa muối dựa vào đ−ờng K%. Đ−ờng này phân dị khá tốt trên ranh giới các vỉa muối với đất đá vây quanh. Trong môi tr−ờng trầm tích lục nguyên (cát, sét), các vỉa cát sạch rất nghèo K, Th và U nên các giá trị đo ở cả 4 kênh đều thấp. Đối với các vỉa sét thì ng−ợc lại, giá trị đo Th và K đều cao. Dựa vào các số đo Th và K hay tổng của chúng (CGR) có thể đánh giá độ sét VSh: ( ) min min ThTh ThThV Sh ThSh − −= ( ) min min KK KKV Sh KSh − −= ( ) min min CGRCGR CGRCGRV Sh CGRSh − −= 135 - Xác định bản chất và sự hiện diện của các nguồn gây dị th−ờng bức xạ gamma trong đá cát có liên quan đến một số đối t−ợng nh−: feldspat, mica, các khoáng vật nặng nh−: zircon, allanit, monazit giàu Th và U. Các phép toán này dựa vào kỹ thuật đồ thị trực giao (Cross-plot) giữa các tham số khác nhau. - Trong môi tr−ờng cacbonat th−ờng rất nghèo các đồng vị phóng xạ và không có mối liệnhệ chặt chẽ với sét trong đá, có chăng c−ờng độ bức xạ gamma trong đá cacbonat có liên quan đến sự có mặt của Urani. Trong đá cacbonat thuần trầm tích biển khơi thì không có Thori, bởi vì nó không hoà tan. Ngang với vỉa cacbonat sạch, các đ−ờng Th và K gần bằng không. Nếu ở đó, đ−ờng U cũng thấp hoặc bằng không thì cacbonat đó đ∙ ở môi tr−ờng oxy hoá. Ngang các vỉa đá cacbonat chỉ có dị th−ờng d−ơng cao trên đ−ờng U (ppm) khi nó chứa các vật liệu hữu cơ. Nếu sét chứa trong các lớp đá cacbonat thì làm cho cả 3 đ−ờng U, Th và K đều có dị th−ờng lớn. Tr−ờng hợp đá cacbonat có chứa phosphat hay glauconit thì đ−ờng U và cả đ−ờng U lẫn K đều có giá trị cao. - Liên kết giữa các giếng khoan: Việc liên kết giữa các lát cắt giữa giếng khoan th−ờng dựa vào các pic trên đ−ờng Th, chúng th−ờng có liên quan tới các lớp tro núi lửa hoặc xuất hiện bentonit trên diện rộng. - Phát hiện đới nứt nẻ: Trong các khe nứt của đá cacbonat hay đá móng macma, các nhiệt dịch hoặc n−ớc ở các tầng sâu giàu Urani có thể tràn vào làm cho khi đo phổ ta dễ dàng phát hiện ra chúng. 5.3.3. Các ph−ơng pháp gamma tán xạ 5.3.3.1. Cơ sở vật lý Chiếu xạ vào môi tr−ờng đất đá xung quanh giếng khoan bằng một chùm tia gamma có năng l−ợng khác nhau và đo các tia gamma tán xạ do kết quả t−ơng tác của chúng với môi tr−ờng (Hình 5.13) gọi là ph−ơng pháp gamma tán xạ hoặc gamma- gamma, nghĩa là chiếu xạ bằng tia gamma và đo các tia gamma sau khi đ∙ mất bớt năng l−ợng bị tán xạ do t−ơng tác với vật chất trong môi tr−ờng nghiên cứu. Khi các tia gamma t−ơng tác với môi tr−ờng đất đá chúng sẽ gây ba hiệu ứng chính (Xem 5.13): - Hấp thu quang điện: Tia gamma bị hấp thu hoàn toàn. - Tán xạ Compton: Tia gamma mất bớt năng l−ợng, chuyển động lệch h−ớng. - Tạo cặp: Tia gamma va chạm hạt nhân làm bắn ra cặp điện tử trái dấu e+ và e-. Hình 5.13. Nguyên tắc đo gamma tán xạ 136 Trở lại với ph−ơng trình (5.8) ta có nhận xét hệ số hấp thụ tia gamma của môi tr−ờng hay hệ số tắt dần là tổng các hệ số tắt dần tuyến tính của các qúa trình hấp thụ quang điện, tán xạ compton và tạo cặp. Để thuận tiện trong nghiên cứu môi tr−ờng vật chất ở các trạng thái rắn, ta dùng một hệ số cơ bản hơn - hệ số hấp thụ khối (àm). Hệ số hấp thụ khối là tỷ số của hệ số tắt dần à chia cho mật độ khối ρb của môi tr−ờng (àm = à/ρb). Hệ số hấp thụ khối cuả một chất giảm khi năng l−ợng của l−ợng tử gamma tăng. Với cùng một mức năng l−ợng của tia tới, hệ số hấp thụ khối của các vật chất khác nhau có giá trị gần xấp xỉ nhau. Đây là điểm rất quan trọng và là cơ sở vật lý của các phép đo gamma tán xạ trong giếng khoan. Ph−ơng trình vừa nêu có thể đ−ợc viết: ( ) )22.5( x o b beII ρρ à γ    −= hay x o bmeII ρàγ −= Lấy logarit (5.22) ta có: )23.5(lnln xII bmo ρàγ −= Ta dễ dàng nhận thấy: Nếu c−ờng độ bức xạ của nguồn Io và hệ số àm không đổi, khoảng cách x từ nguồn đến detector là cố định thì giá trị c−ờng độ phóng xạ gamma tán xạ Iγ đo đ−ợc sẽ là hàm số chỉ phụ thuộc vào mật độ khối ρb của môi tr−ờng. Từ đó ta có thể tìm đ−ợc một ph−ơng trình thực nghiệm biểu thị mối liên hệ khá chặt chẽ giữa c−ờng độ gamma tán xạ với mật độ khối ρb của đất đá ở thành giếng khoan. Trong tr−ờng hợp năng l−ợng của các tia gamma đủ lớn, hiệu ứng compton sẽ trội hơn thì mối quan hệ hàm số Iγ = f(ρb) càng chặt chẽ và do đó ng−ời ta gọi phép đo gamma tán xạ này là ph−ơng pháp gamma tán xạ mật độ (For