Công nghệ hạt nhân và công nghệ bức xạ đóng vai trò “mắt thần” không thể thay thế trong ngành dầu khí hiện đại. Từ việc xác định tính chất thạch học của vỉa chứa sâu hàng nghìn mét dưới lòng đất đến việc tối ưu hóa quy trình khai thác và vận chuyển, các kỹ thuật này giúp giảm rủi ro khoan khô, tối ưu hóa hệ số thu hồi dầu (EOR) và đảm bảo an toàn vận hành.
Các phương pháp địa vật lý giếng khoan
Đây là ứng dụng quan trọng nhất trong giai đoạn tìm kiếm và thăm dò. Các thiết bị đo (Sondes) chứa nguồn phóng xạ hoặc máy phát neutron được thả xuống giếng để phân tích tính chất đất đá.
– Phương pháp đo Gamma tự nhiên (Gamma Ray Log – GR):
- Nguyên lý: đo cường độ bức xạ gamma tự nhiên phát ra từ các đồng vị Kali-40 (K-40), Uranium-238 (U-238), và Thorium-232 (Th-232) có trong đất đá.
- Ứng dụng: phân biệt vỉa sét (Shale – chứa nhiều phóng xạ) và vỉa cát/đá vôi (Sand/Limestone – chứa ít phóng xạ). Đây là phương pháp cơ bản để xác định ranh giới vỉa chứa.
- Công nghệ hiện đại: sử dụng Phổ kế Gamma (Spectral Gamma Ray) để xác định tỷ lệ K, U, Th, giúp phân tích môi trường trầm tích và xác định loại sét.
– Phương pháp đo Mật độ (Density Log / Gamma-Gamma):
- Nguồn sử dụng: Cesium-137 (Cs-137) phát tia gamma năng lượng 662 keV.
- Cơ chế: hiệu ứng tán xạ Compton. Tia gamma va chạm với electron trong vỉa đá và quay trở lại đầu thu. Mật độ electron tỷ lệ thuận với mật độ khối (Bulk Density) của đất đá.
- Dữ liệu đầu ra: độ rỗng của đá.
– Phương pháp đo Neutron (Neutron Porosity Log):
- Nguồn sử dụng: Americium-Beryllium (Am-241-Be) hoặc máy phát neutron.
- Cơ chế: neutron nhanh va chạm với hạt nhân nguyên tử trong vỉa. Sự giảm tốc năng lượng neutron phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng Hydro (H). Vì dầu và nước chứa nhiều H, nên chúng làm giảm tốc neutron mạnh nhất.
- Phân tích Gas Effect: Trong vỉa dầu/nước, hai đường cong Neutron và Density trùng nhau hoặc tách nhẹ. Trong vỉa khí (Gas), đường Neutron báo độ rỗng thấp giả tạo, đường Density báo độ rỗng cao, tạo ra hiệu ứng “Crossover” (cắt chéo) đặc trưng để phát hiện khí.
– Công nghệ đo xung Neutron (Pulsed Neutron Capture – PNC):
- Đặc điểm: sử dụng máy phát điện cao thế để tạo chùm neutron (phản ứng D-T) thay vì nguồn hóa học, an toàn hơn và có thể tắt mở.
- Ứng dụng: đo độ bão hòa dầu/nước qua ống chống (Cased hole) để theo dõi sự suy giảm vỉa dầu theo thời gian.
Bảng dữ liệu tổng hợp dùng cho so sánh hiệu quả kỹ thuật
| Công nghệ (Log Type) | Nguồn bức xạ | Đối tượng đo chính | Ứng dụng chính trong Thăm dò | Giới hạn kỹ thuật |
| Gamma Ray (GR) | Tự nhiên (K, U, Th) | Sét (Shale) | Xác định thạch học, ranh giới vỉa | Bị ảnh hưởng bởi KCl trong dung dịch khoan |
| Density (FDC) | Cs-137 (Gamma) | Mật độ electron | Tính độ rỗng, phát hiện khí | Cần tiếp xúc tốt với thành giếng (Pad contact) |
| Neutron (CNL) | Am-241-Be (Neutron) | Chỉ số Hydro (HI) | Tính độ rỗng, phân biệt Dầu/Khí | Bị ảnh hưởng bởi sét và khí (Excavation effect) |
| Pulsed Neutron | Máy phát 14 MeV | Tiết diện bắt nơ-tron | Theo dõi độ bão hòa sau ống chống | Độ sâu khảo sát nông, chi phí cao |
| NMR (Cộng hưởng từ) | Không (Từ trường) | Spin proton H | Độ rỗng hiệu dụng, độ thấm | Chi phí rất cao, tốc độ đo chậm |
Kỹ thuật đánh dấu phóng xạ (radiotracers) trong khai thác dầu khí
Kỹ thuật đồng vị đánh dấu (Tracers) là phương pháp duy nhất cung cấp thông tin trực tiếp về dòng chảy của chất lưu trong vỉa chứa phức tạp.
– Truy tìm kết nối giữa các giếng (Inter-well Tracer Test):
- Mục tiêu: xác định hướng và tốc độ di chuyển của nước bơm ép từ giếng bơm (Injection Well) đến giếng khai thác (Production Well).
- Chất đánh dấu phổ biến: cho pha nước: Tritium (H-3), Carbon-14 (C-14), Cobalt-60 (Co-60 dạng phức chất), Iodine-125 (I-125); cho pha khí: Krypton-85 (Kr-85), Xenon-133 (Xe-133).
– Đo độ bão hòa dầu dư (Single Well Chemical Tracer Test):sử dụng các chất đánh dấu phân bố (Partitioning tracers) để xác định lượng dầu còn lại trong vỉa sau khi đã khai thác sơ cấp, làm cơ sở áp dụng các giải pháp tăng cường thu hồi dầu (EOR).
Trong môi trường áp suất cao và ăn mòn, hệ thống điều khiển hạt nhân (NCS) lại là giải pháp tối ưu.
– Đồng hồ đo lưu lượng đa pha (Multiphase Flow Meters – MPFM):
- Vấn đề: dòng sản phẩm là hỗn hợp Dầu – Khí – Nước, cần đo thời gian thực mà không cần tách pha.
- Giải pháp: sử dụng tia gamma năng lượng kép (Dual-energy Gamma Ray) từ nguồn Cs-137 và Am-241. Sự suy giảm tia gamma khác nhau đối với từng chất lưu giúp giải phương trình tính toán phần trăm (Cut) của từng pha.
– Đo mức và Tỷ trọng (Level & Density Gauges): nguồn và đầu thu đặt bên ngoài thành ống/bình chứa. Không tiếp xúc trực tiếp với lưu chất, loại bỏ hoàn toàn nguy cơ ăn mòn hay tắc nghẽn cảm biến.
Hiệu quả kinh tế
– Giảm rủi ro: việc sử dụng tổ hợp Logging hạt nhân giúp giảm tỷ lệ khoan khô (Dry hole) từ 30% xuống còn dưới 10% tại các mỏ có cấu trúc phức tạp.
– Tăng thu hồi: ứng dụng Tracer để tối ưu hóa bơm ép nước có thể tăng hệ số thu hồi dầu (Recovery Factor) thêm 5-10%.
Xu hướng chuyển dịch từ nguồn phóng xạ hóa học sang nguồn điện tử (Máy phát Neutron) đang tăng mạnh để giảm rủi ro sự cố kẹt nguồn.
Bảng số liệu xu hướng chuyển dịch công nghệ
| Năm | Tỷ lệ dùng nguồn Hóa học (%) | Tỷ lệ dùng Máy phát Neutron (%) |
| 2015 | 85 | 15 |
| 2018 | 70 | 30 |
| 2021 | 55 | 45 |
| 2024 | 40 | 60 |
Một ứng dụng tiên tiến mới là sử dụng Micro-CT (X-ray Computed Tomography) năng lượng cao để quét mẫu lõi đá (Core sample). Quy trình: mẫu đá – quét CT độ phân giải cao – tái tạo mô hình 3D lỗ rỗng. Ứng dụng này cho phép mô phỏng dòng chảy chất lưu trên máy tính (Digital Core Analysis) mà không cần phá hủy mẫu vật lý.
Từ khóa: dầu khí;
– CMD –
