Ứng dụng công nghệ bức xạ tại Xí nghiệp Địa vật lý Giếng khoan - Vietsovpetro09:02:00 28/05/2021

Công nghệ bức xạ được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực hàn-địa vật lý để tìm kiếm và thăm dò dầu khí. Các kỹ thuật sử dụng năng lượng bức xạ cung cấp thông tin quan trọng trong việc đánh giá đặc tính vật lý của sự hình thành địa chất - dầu khí. Các nguyên tắc và ưu điểm của công nghệ đo phổ sử dụng kỹ thuật bức xạ đã giúp nâng cao chất lượng dữ liệu địa vật lý cũng như cung cấp cái nhìn trực quan và đáng tin cậy để giúp các nhà địa vật lý và địa chất đưa ra quyết định chính xác, kịp thời, tăng hệ số thu hồi dầu và tăng tuổi thọ của giếng dầu khí.

Có bốn loại thiết bị đo ứng dụng công nghệ bức xạ đã được sử dụng là:

- Thiết bị đo giếng trần có nguồn: Sử dụng bức xạ gamma để đo mật độ thạch học và bức xạ nơtron để đo độ rỗng của giếng;

- Thiết bị đo giếng trần không có nguồn: Đo gamma tự nhiên liên kết dữ liệu và đo phổ gamma tự nhiên để xác định thành phần thạch học;

- Thiết bị đo giếng đóng có nguồn: Sử dụng bức xạ gamma mềm có năng lượng cỡ 60 KeV từ nguồn Am-241 để đo mật độ chất lỏng;

- Thiết bị đo sau ống chống có nguồn: Sử dụng nguồn nơtron xung năng lượng 14MeV để xác định phân bố chất lưu sau ống chống qua thời gian hàng chục năm khai thác.

Bài viết này sẽ giới thiệu về các thiết bị ứng dụng công nghệ bức xạ hiện có tại Xí nghiệp Địa vật lý giếng khoan thuộc Liên doanh Dầu khí Vietsovpetro.

MÁY ĐO GAMMA TỰ NHIÊN GK (GAMMA KAROTA)

Phương pháp đo bức xạ gamma tự nhiên được áp dụng để đo hoạt độ bức xạ gamma tự nhiên theo độ sâu của giếng khoan phục vụ nghiên cứu lát cắt địa chất ở thành hệ giếng khoan. Đá trầm tích rất khác nhau về hoạt độ phóng xạ gamma tự nhiên nên ta có thể nghiên cứu bản chất, nguồn gốc địa tầng của đá theo tham số này. Do sự ổn định của phông phóng xạtheo thời gian nên phương pháp đo gamma tự nhiên được áp dụng trong việc cập nhật dữ liệu.

Xí nghiệp hiện có 79 máy đo Gamma gồm:

- 12 máy GR-35 đo trong chế độ kiểm tra khai thác có ɸ35mm;

- 10 máy GR-38 đo trong chế độ kiểm tra khai thác có ɸ38mm;

- 20 máy GR-43 đo trong chế độ kiểm tra khai thác có ɸ43mm và đo liên kết bắn mìn qua cần khai thác;

- 08 máy GK-1T-60 có ɸ60mm đo liên kết độ sâu trong giếng trần bên trong cần khoan;

- 20 máy GK-1T-76 có ɸ76mm đo liên kết độ sâu trong giếng trần thông thường;

- 08 máy GK-90 Memory có ɸ90mm đo liên kết độ sâu trong giếng trần, di chuyển trong giếng khoan bằng cần khoan và ghi dữ liệu vào bộ nhớ;

- 01 máy đo gamma tự nhiên GK-1T-K được dùng cho việc đo tia gamma các giếng khoan dầu khí, có đường kính từ 100 đến 350 mm. Giá trị của nhiệt độ môi trường xung quanh là 175°C và áp suất thủy tĩnh là 120 Mpa.

Thông số kỹ thuật:

+Đường kính giếng khảo sát từ 100 đến 350 mm;

+Dải đo phóng xạ gamma từ 14.10-14 đến 18.10-12 A/kg;

+Độ nhạy của máy đo gamma của Ra-226 tại điểm 0.6 của giá trị trên của dải đokhông nhỏ hơn 3.10-14 kg/A.s;

+Giá trị trên của áp suất thủy tĩnh là 120 Mpa;

+Thời gian hoạt động liên tục của máy ở nhiệt độ môi trường là 175°C không được hơn 3 giờ với tổng thời lượng công việc không quá 8 giờ;

+Đầu dò đo bức xạ gamma dùng tinh thể nhấp nháy CsI (Na), kích thước 42x275mm

MÁY ĐO PHỔ GAMMA TỰ NHIÊN SGK (SPECTRUM GAMMA KAROTA)

Máy SGK đo theo phổ năng lượng và theo độ sâu của giếng khoan. Do hoạt động trong điều kiện nhiệt độ cao lên đến 160oC và áp suất lên đến 15000 PSI, máy lại kéo rất chậm khi đo, trong khi dữ liệu cần là định lượng nên máy này rất đắt.

Xí nghiệp có 08 máy đang hoạt động, trong đó có 5 máy 1024 kênh và 3 máy 256 kênh. Tinh thể nhấp nháy CsI (Tl) lớn (cỡ 6cmx30cm) để đo đến trên 3MeV. Thiết bị xác định phổ gamma 1.024 kênh, có kèm theonguồn Am-241 để chuẩn cửa sổ kênh.

Hình 1.Các đỉnh phổ đặc trưng của phổ gamma tự nhiên.

Ứng dụng của máy đo:

- Xác định địa tầng: Trong trầm tích bốc hơi, việc phân chia địa tầng dựa vào sự khác nhau giữa sét và muối.

- Xác định bản chất và sự hiện diện của các nguồn gây dị thường bức xạ gamma: Đá cacbonat trầm tích biển có hàm lượng Thori là 0. Nếu hàm lượng Urani cũng thấp thì đá cacbonat đó đã ở môi trường oxy hoá. Ngược lại, các vỉa đá cacbonat có dị thường urani cao thì nó chứa các vật liệu hữu cơ.

- Liên kết giữa các giếng khoan: Theo hàm lượng Thori, liên quan tới các lớp tro núi lửa trên diện rộng.

- Phát hiện đới nứt nẻ giàu Urani: Trong các khe nứt của đá cacbonat hay đá móng macma, các nhiệt dịch hoặc nước ở các tầng sâu giàu Urani có thể tràn vào làm cho khi đo phổ ta dễ dàng phát hiện ra chúng.

MÁY ĐO MẬT ĐỘ THẠCH HỌC LPTGGK-1T-K

Xí nghiệp hiện có 12 máy đo LPTGGK-1T-K.Các máy này được dùng để đo mật độ thạch học trong thân trần của giếng khoan dầu khí có đường kính từ 120mm đến 350mm, nhiệt độ lên đến +185°C, áp suất thủy tĩnh lên đến 150Mpa. Máy dùng nguồn Cs-137, hoạt độ 4Ci...Thông tin thu được từ thiết bị này được sử dụng cho việc phân tích thạch học của thành hệ giếng khoan, xác định định lượng độ rỗng của đất đá.Máy đo mật độ khối ρ và chỉ số sự hấp thụ quang điện Pe của thành hệ đất đá là chiếu xạ thành hệ bằng tia gamma từ nguồn Cs-137, số đếm tia gamma trung bình để tính ra mật độ khối và chỉ sốhấp thụ quang điện của đất đá trong thành hệ giếng khoan.

Tham số kỹ thuậtcủa máyLPTGGK-1T-K:

- Đường kính giếng khoan chỉ định từ120 mm đến 350 mm, góc nghiêng dưới 55°;

- Mật độ từ 1,7 g/cm3 đến 3,0 g/cm3;

- Chỉ số hấp thụ quang điện từ 1,3 đến 7,0 barn/electron;

- Áp suất chịu đựng 150 Mpa;

- Máy không dừng lâu trong thân trần quá 15 phút;

- Máy làm việc ở nhiệt độ +185°C không quá 3 giờ với thời gian tổng cộng không quá 8 giờ.

Máy gồm phần zond đo và phần càng cơ khí để ép zond bám sát vào đối tượng đo là thành hệ. Càng sẽ đóng khi di chuyển tự do trong giếng khoan và sẽ bung ra để ép khi ở chế độ đo.Có thể dùng lệnh từ trạm đo trên bề mặt để chỉnh thang năng lượng hoặc đặt tự động tinh chỉnh thang năng lượng, khi đó các đỉnh tham chiếu có năng lượng 662keV và 32keV.Dữ liệu máy gồm 256 word cơ sở của phổ và có 16 word thông tin kỹ thuật của máy. Khi đo phông tự nhiên thì số đếm kênh БЗ sẽ vượt hơn kênh M3 khoảng 40% và phổ của zond đo thạch học ЛЗ được tham chiều theo 2 đỉnh phổ có mức năng lượng 662keV và 32keV.

Chiều sâu nghiên cứu của các thiết bị đo gamma tán xạ mật độ phụ thuộc vào mật độ khối của đất đá ở thành giếng khoan. Mật độ càng cao thì chiều sâu nghiên cứu của phép đo càng giảm. Trong các thành hệ có lỗ rỗng và thấm tốt, chiều sâu nghiên cứu của các thiết bị hiện nay không quá 6 inch (∼ 15cm), nghĩa là trong vùng đới ngấm ở thành giếng.

Hình 2.Sơ đồ đo Gamma tán xạ bù.

MÁY ĐO NƠTRON BU 2NNK-1T-K

Xí nghiệp hiện có 12 máy đo 2NNK-1T-K-76. Máy đo được thiết kế cho thăm dò cả thân trần và giếng đã chống ống giếng khoan có đường kính danh định từ 100-350 mm theo phương pháp nơtron –nơtronnhiệt.

- Máy làm việc trong các giếng dầu và nước có hàm lượng NaCl có thể lên đến 300 mg/l ở nhiệt độ lên đến + 185°C và áp suất thủy tĩnh 150 MPa.

- Nguồn phóng xạ là hỗn hợp Pu-Be với thông lượng nơtron từ 5x106/s đến 3x107/s.

- Máy đo độ rỗng bão hòa của vỉa trong giếng thân trần.

Giá trị của độ rỗng Kp (%) tính từ cặp số đếm trung bình của kênh NNM3 và NNB3 được chuẩn tín hiệu từ hệ số Kb = Nb/ Nm (trong nước Kp = 100%) và các ống chuẩn có Kp xác định khác.

Tham số kỹ thuật:

- Độ rỗng từ 1 đến 40%;

- Nguồn nuôi máy giếng 220VAC/ 50 Hz;

- Máy hoạt động ở 185° С không quá 3 giờ trong toàn bộ 8 giờ;

- Độ nhạy bộ đếm nơtron nhiệt 3:

+ Zond gần (M3, bộ đếm 9,6He3/760/ 225NX) - không ít hơn 30.000 CPM;

+ Zond xa (BZ, bộ đếm 25He3/ 304/ 50HW) - không ít hơn 2.500 CPM.

Nguồn phát xạ nơtron:

Trong thực tế sản xuất người ta có thể dùng một trong hai loại nguồn phát nơtron: Nguồn đồng vị; Máy phát nơtron.

Các nguồn đồng vị phát xạ nơtron phổ biến là dùng các đồng vị Ra, Po, Pu hoặc Am ở dạng bột trộn lẫn với bột Be. Nguồn Ra- Be cóưu điểm là thông lượngnơtronổn định vì chu kỳ bán rã của Radi là 1.620 năm; nhược điểm là có phông phóng xạ gamma lớn, không có lợi cho phép đo nơtron-gamma. Nguồn Po-Be phát ra các nơtronvới phông gamma không đáng kể nhưng có nhược điểm là chu kỳ bán rã ngắn (T1/2 của Po là 140 ngày) nên nguồn cần được chuẩn theo định kỳ. Nguồn Pu-Be và Am-Be phát luồng nơtron kèm với phông gamma thấp, có chu kỳ bán rã dài (T1/2 của Pu là24.360 năm và T1/2của Am là 458 năm) là nguồn lý tưởng sử dụng trong địa vật lý giếng khoan. Các nguồn này phát luồng nơtron khá ổn định.

MÁY ĐO MẬT ĐỘ CHẤT LỎNG BẰNG PHÓNG XẠFDR

Xí nghiệp hiện có khoảng 40 máy đo FDR có đường kính ngoài 35mm và 43mm đang được sử dụng.Mục đích của FDR là đo mật độ chất lỏng chảy qua hốc đo củamáy. Mật độ trung bình được đo để xem dòng chảy là đơn hay đa pha. Mật độ chất lỏng trung bình trong hốc đo tăng tỷ lệ nghịch với số đếm nhận được.Phép đo có thể xác định tỷ lệ của hai pha khác nhau, mật độ trong hỗn hợp chất lỏng hai pha.

Máy sử dụng nguồn gamma mềm Am-241 năng lượng 60 keV. Nguồn nằm ở dưới cuối máy, cạnh đầu dò. Giữa nguồn và máy dò là một cửa sổ, qua đó chất lỏng được đưa vào trực tiếp.

- Logarit của máy có mật độ xấp xỉ tuyến tính trong phạm vi mật độ 0,0 đến 0,90g/cc.

- Mật độ: Giải đo 0 tới 1,25g/cc;  Độ phân giải:0,01g/cc .

MÁY NƠTRON XUNG ĐO ĐỘ BÃO HÒA VỈA RAS

   Xí nghiệp hiện đang sử dụng4 hệ thống máy đo nơtronxung RAS có đường kính ngoài 43 mm. Máy RAS được sử dụng đểđo độ bão hòa vỉa chủ yếu cho các ứng dụng khảo sát thành trong giếng đã chống ống. Đặc biệt có ý nghĩa trong các trường hợp:

- Đánh giá lại các giếng cũ, nơi mà dữ liệu đo thân trần không đầy đủ hoặc không có;

- Theo dõi vỉa đã khai thác trong một thời gian dài;

- Theo dõi tiến độ của các dự án phục hồi vỉa;

- Xác định độ bão hòa nước trong các vỉa Hydrocarbon.

Khi các vỉa chứa Hydrocarbon ban đầu đã được đánh giá bằng các phương pháp đo địa vật lý thân trần, các kết quả phân tích của phương pháp đo nơtron xung sau đó có thể được sử dụng để theo dõi trắc đồ cạn kiệt nằm sau ống chống tại bất kỳ thời điểm nào trong suốt thời gian khai thác giếng. Các thông tin có được gồm:Dự trữ Hydrocarbon còn lại; định vị và xác định các tiếp xúc dầu, nước và khí; cảnh báo nguy cơ xảy ra sự xâm nhập của khí hoặc nước vào vỉa sản phẩm.

Thông số kỹ thuật của máy RAS:

- RAS là hệ thống nơtron xung nhiều đầu dò để đo độ bão hòa vỉa sử dụng kỹ thuật đo tiết diện tán xạ Sigma và đo tỷ số C/O;

- Phần zond có 3 đầu dò gamma, đầu dò gần và xa dùng tinh thể LaCl3 có độ phân giải cao để đo Sigma và C/O, đầu dò dài sử dụng tinh thể NaI(Tl) có khoảng cách đủ xa nhạy với khí và độ rỗng.

Bảng 1.Thông số kỹ thuật của máy RAS

Loại nguồn

Máy phát nơtron14-MeV

Đầu dò gần

Đầu dò gamma

Đầu dò xa

Đầu dò gamma

Đầu dò dài

Đầu dò gamma

Tốc độ bắn Chế độ C/O

Xung 30 µs ở 6,25Hz

Tốc độ bắn Chế độ Sigma

Loại: Xung 200 µs ở 500Hz

 

Máy RAS 002 sử dụng nguồn phát nơtron được sản xuất bởi hãng EADS SODERN của Pháp. Bộ phát nơtronbao gồm phần điều khiển, nguồn cao thế và đèn Sodilog nơtron có chứa Tritium hydride, tất cả được đặt trong vỏ bằng thép chịu áp lực và được bơm đầy khí Sulfur Hexafluoride (SF6) ở áp suất 120 PSI.

 

Hình 3.Tấm bia được tẩm hổn hợp 50% deuterium và 50% tritium (5.0 Ci).

Đèn Sodilog nơtrongồm một nguồn phát ion D, điện trường gia tốc VHV lên đến 100kV, một tấm bia Triti, tất cả được bọc kín bởi ống làm bằng kim loại và ceramic, được hút chân không. Khi đèn hoạt động, ống phóng ion được cung cấp điện áp khoảng 2kV, bia được phân cực ở điện áp từ 70 đến 110 KV phụ thuộc vào mức độ phát xạ yêu cầu.Bia sẽ phát ra chùm nơtron lên đến 2 x 108 n/s với mức năng lượng 14,1 MeV khi những ion D và T được gia tốc va đập với nhau. 03 đầu dò: Lanthanium Chloride (gần/xa) đo Sigma và C/Ovà Sodium Iodide (dài) nhạy với khí và độ rỗng. Log Sigma và C/O theo chuẩn công nghiệp và có thể đo ở chế độ Memory.

Đèn giải nhiệt bằng SF6: SF6 nặng hơn không khí khoảng 5 lần. Độ dẫn nhiệt chỉ bằng 42% so với không khí, nhưng nó có khả năng chịu nhiệt cao. Khi nhiệt độ tăng đột biến từ 2.100oKđến 2.500oK, phân tử bị tách ra và tự liên kết lại với nhau. Do có tính chất đặc biệt này nên nó thường được sử dụng để thu hồi nhiệt, làm mát.

Trong chế độ C/O, chùm nơtronphát ra là 2 x 108n/s với chu kỳ công suất là 10%. Các nơtron 14,1MeV va chạm với các nguyên tử lớn hơn như Carbon và Oxygen. Một số lượng nhất định những va đập tạo ra các tia gamma không đàn hồi với mức năng lượng đặc trưng bởi các nguyên tử va đập. Tán xạ không đàn hồi chỉ xảy ra đối với neutron nhanh nhất 14,1MeV, gần lỗ khoan và trong thời gian sớm hơn so với quá trình bắt giữ.

Các giá trị tính toán của Sigma vàC/O thể hiện rõ trong vỉa được nghiên cứu. Sự khác biệt của các thông số đo trong vỉa (Sigma, C/O) không vượt quá 1%. Kết quả của hai phương pháp đo độc lập để xác định độ bão hòa Hydrocacbon nhằm làm giảm khả năng xâm nhập của nước.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Qua hoạt động nghiên cứu và ứng dụng tại Xí nghiệp Địa vật lý giếng khoan với hàng trăm thiết bị, hàng ngàn đầu dò và công nghệ xử lý đã chứng minh công nghệ bức xạ được sử dụng rất phổ biến trong lĩnh vực địa vật lý giếng khoan để tìm kiếm và thăm dò dầu khí. Đó là các hệ đo quan trọng mang tính định lượng và độc lập. Các máy đo phóng xạ cung cấp thông tin quan trọng trong việc đánh giá bản chất vật lý của thành hệ.

Đặc biệt, những nguyên lý đo lường và xử lý hiện đại, kết hợp với những ưu việt của công nghệ đo phổ trong các máy phóng xạ đã giúp tăng cao chất lượng dữ liệu cũng như cung cấp cái nhìn trực quan và tin cậy để giúp các nhà địa vật lý và địa chất đưa ra những quyết định chính xác, đánh giá trữ lượng kịp thời nhằm tăng hệ số thu hồi dầu và tăng tuổi thọ của giếng khoan dầu khí.

Với doanh thu dịch vụ thường rất cao, các nghiên cứu, ứng dụng bức xạ trong lĩnh vực địa vật lý giếng khoan sẽ đem đến lợi ích xã hội to lớn. Trên thực tế, các cơ sở rất nghiêm túc trong công tác bảo đảm an toàn bức xạ và an ninh nguồn phóng xạ, tác phong công nghiệp, khoa học nên việc hiện đại hóa hay mở rộng các nghiên cứu ứng dụng sẽ thuận lợi cho cả nhà nghiên cứu và cơ sở ứng dụng.

NGUYỄN XUÂN QUANG, PHẠM HỒNG KHANH

Xí nghiệp Địa vật lý Giếng khoan - Vietsovpetro

Tài liệu tham khảo

1. Giáo trình địa vật lý tổng hơp - Nguyễn Xuân Quang, Hàn Đại Hào - 2017.

2. Hệ thống đo độ bão hòa dầu RAS - Nguyễn Hoàng Viễn, Vũ Xuân Diệu - 2016.

3. Máy neutron xung - Tạ Tương Hoan, Nguyễn Xuân Quang, Trần Đại Tính 2008.

4. Các máy hệ P-Karat - Nguyễn Xuân Quang, Lê Mạnh Cường, Nguyễn Đức Huân- 2004.