Xem mẫu
- Ch−¬ng 4
C¸c ph−¬ng ph¸p thÕ tù ph©n cùc
vµ ph©n cùc kÝch thÝch
ThÕ ®iÖn tù ph©n cùc hay cßn gäi lµ thÕ tù nhiªn vµ thÕ ph©n cùc kÝch thÝch lµ
hai tr−êng ®iÖn quan träng cã nguån gèc kh¸c nhau. ThÕ ®iÖn tù ph©n cùc lµ kÕt qu¶
cña c¸c qóa tr×nh ho¸ lý x¶y ra khi dung dÞch khoan tiÕp xóc víi ®Êt ®¸ vµ chÊt l−u b∙o
hoµ trong vØa nghiªn cøu vµ c¸c líp ®¸ v©y quanh. ThÕ ®iÖn ph©n cùc kÝch thÝch l¹i lµ
kÕt qu¶ cña c¸c qu¸ tr×nh ho¸ lý x¶y ra trªn bÒ mÆt ng¨n c¸ch gi÷a thµnh phÇn cã ®Æc
tÝnh dÉn ®iÖn ion vµ thµnh phÇn dÉn ®iÖn ®iÖn tö trong m«i tr−êng nghiªn cøu mçi khi
bÞ kÝch thÝch bëi dßng ®iÖn ngoµi.
Trªn c¬ së cña hai tr−êng ph©n cùc nªu trªn, trong §Þa vËt lý giÕng khoan ng−êi
ta x©y dùng c¬ së lý thuyÕt vµ c«ng nghÖ cña hai nhãm ph−¬ng ph¸p t−¬ng øng: ThÕ
®iÖn tù ph©n cùc (Self - Potential, Spontaneous Potential) vµ ThÕ ®iÖn ph©n cùc kÝch
thÝch (Provocative Potential).
4.1. Ph−¬ng ph¸p thÕ ®iÖn tù ph©n cùc - SP
LÇn ®Çu tiªn, n¨m 1928, lóc chuÈn bÞ s¬ ®å ®Ó ®o ®iÖn trë suÊt trong giÕng
khoan, Schlumberger ph¸t hiÖn thÊy cã sù tån t¹i mét hiÖu ®iÖn thÕ gi÷a ®iÖn cùc M
trong giÕng khoan vµ ®iÖn cùc N ®Æt trªn mÆt ®Êt khi kh«ng cã dßng ®iÖn ph¸t. §iÖn
thÕ ®ã thay ®æi rõ líp ®Êt ®¸ nµy sang líp ®Êt ®¸ kh¸c, víi gi¸ trÞ tõ mét vµi ®Õn hµng
tr¨m millivolt. §iÖn thÕ ®ã cã tªn gäi lµ ®iÖn thÕ tù ph©n cùc.
Ph−¬ng ph¸p ®o thÕ ®iÖn nµy gäi lµ ph−¬ng ph¸p thÕ ®iÖn tù ph©n cùc - SP.
Tr−êng ®iÖn tù ph©n cùc trong giÕng khoan ®∙ ®−îc rÊt nhiÒu nhµ nghiªn cøu
ph©n tÝch chi tiÕt: Doll (1949), Willie (1949), Daxnov (1950), Gondouin (1958), Hill
vµ Anderson (1959), v.v
Theo sù ph©n tÝch cña c¸c t¸c gi¶ kh¸c nhau, thÕ ®iÖn tù ph©n cùc trong giÕng
khoan cã hai thµnh phÇn chÝnh do hai qu¸ tr×nh vËn ®éng cña c¸c ion:
a) ThÕ ®iÖn ®éng lùc (®iÖn thÊm läc, dßng ch¶y) EK ph¸t sinh khi cã dung dÞch
®iÖn ph©n thÊm vµo m«i tr−êng lç rçng kh«ng kim lo¹i.
b) ThÕ ®iÖn ho¸ EC xuÊt hiÖn khi hai chÊt l−u kh«ng cã cïng ®é kho¸ng ho¸ tiÕp
xóc trùc tiÕp víi nhau hay qua mµng b¸n thÊm (vÝ dô sÐt) vµ qu¸ tr×nh oxy ho¸ khö
trong m«i tr−êng cã quÆng ho¸ kim lo¹i.
94
- 4.1.1. C¸c qu¸ tr×nh ®iÖn ho¸ vµ ®iÖn ®éng lùc trong m«i tr−êng quanh giÕng
khoan:
a) Qu¸ tr×nh khuyÕch t¸n:
C¸c ph©n tö muèi kho¸ng khi hoµ tan trong n−íc sÏ ph©n ly thµnh c¸c ion. Trªn
bÒ mÆt tiÕp xóc gi÷a hai dung dÞch ®iÖn ph©n cã nång ®é C1 vµ C2 (C1 > C2) ®−îc ng¨n
c¸ch bëi mét mµng b¸n thÊm (H×nh 4.1), c¸c ion ë phÝa cã nång ®é kho¸ng ho¸ cao sÏ
dÞch chuyÓn sang phÝa cã nång ®é thÊp h¬n.
V× ho¹t tÝnh cña c¸c ion kh«ng gièng nhau, phÝa m«i tr−êng cã nång ®é thÊp sÏ
nhËn c¸c ion cã ®iÖn tÝch vµ ho¹t tÝnh cao. NÕu muèi hoµ tan lµ NaCl th× phÝa bªn cã
nång ®é thÊp C2 sÏ cã thÕ ©m v× Cl- lµ ion cã ho¹t tÝnh m¹nh h¬n Na+. ThÕ ®iÖn
khuyÕch t¸n ED sinh ra trªn mÆt tiÕp xóc gi÷a hai dung dÞch cïng lo¹i muèi NaCl, chØ
kh¸c nhau vÒ nång ®é ®−îc tÝnh theo biÓu thøc Nerst:
RT l K − l a C1
ED = * ln (4.1)
F lK + la C2
Trong ®ã:
R: H»ng sè khÝ (8,313 joule/K.mol)
T : NhiÖt ®é tuyÖt ®èi.
F : Sè Faraday (96500 coulombi)
lK, la: Ho¹t ®é cña cation vµ anion (cm2/V.s)
C1, C2: Nång ®é kho¸ng ho¸ trªn mÆt ranh giíi (g/l).
Ho¹t ®é hay ®é linh ®éng cña c¸c ion tû lÖ víi tèc ®é khuyÕch t¸n cña chóng
trong dung dÞch. V× vËy, ta cã thÓ
tÝnh gÇn ®óng c«ng thøc (4.1) theo
tèc ®é U vµ V cña cation vµ cña
anion trong tr−êng ®iÖn cã gradien 1
vol/cm.
RT u − v C1 C
ED = = K D log 1
* ln (4.2)
NaCl ®Ëm ®Æc NaCl lo·ng
F u + v C2 C2
Trong ®ã:
Mµng sÐt
RT u − v
K D = 2,3 * * gäi lµ
F u+v
H×nh 4.1. S¬ ®å h×nh thµnh thÕ khuyÕch t¸n hÖ sè khuyÕch t¸n.
MÆt kh¸c, ®é linh ®éng cña c¸c ion trong dung dÞch tû lÖ víi nång ®é. Do ®ã, ë
nång ®é kh«ng qu¸ cao cã thÓ thay thÕ nång ®é C1 vµ C2 b»ng ho¹t tÝnh ho¸ häc a1 vµ a2:
95
- a1
E D = K D log (4.3)
a2
Trong thùc tÕ, víi mét kho¶ng thay ®æi nång ®é kho¸ng ho¸ rÊt réng, ho¹t tÝnh
1 1
ho¸ häc cña dung dÞch cã thÓ thay b»ng ®é dÉn ®iÖn cña nã: a1 ≈ vµ a 2 ≈
R1 R2
Cuèi cïng, thÕ khuyÕch t¸n ®−îc tÝnh:
R2
E D = K D log (4.4)
R1
HÖ sè khuyÕch t¸n KD lµ hµm sè phô thuéc vµo nhiÖt ®é, thµnh phÇn ho¸ häc,
ho¸ trÞ vµ nång ®é dung dÞch. NÕu c¸c ®iÒu kiÖn sau cïng ®∙ x¸c ®Þnh, khi ®ã KD chØ
cßn phô thuéc vµo nhiÖt ®é m«i tr−êng.
§èi víi dung dÞch NaCl, ë nhiÖt ®é 180C ®é linh ®éng cña c¸c ion lµ:
Na+ → lK = 43,5.10-5 cm2/V.s
Cl- → la = 65,5.10-5 cm2/V.s
TÝnh ®−îc:
RT 43,5 − 65,5
K D = 2,3 * = −11,6mV
* (4.5)
F 43,5 + 63,5
V× vËy:
§èi víi tr−êng hîp C1 = 10C2 th×:
C
E D = −11,6 log 1 = −11,6mV (4.6)
C2
NÕu hai dung dÞch trªn mÆt tiÕp xóc cã nång ®é kh«ng qu¸ kh¸c biÖt nhau th×:
R2
E D = −11,6 log ( 4 .7 )
R1
Trong c¸c tr−êng hîp dung dÞch hoµ tan nhiÒu lo¹i muèi cã nång ®é kh¸c nhau
th× lo¹i muèi nµo cã −u thÕ h¬n sÏ cã vai trß lín h¬n theo tû lÖ phÇn ®ãng gãp vµo gi¸
trÞ cña thÕ khuyÕch t¸n.
b) Qu¸ tr×nh hÊp phô:
Trong rÊt nhiÒu tr−êng hîp nh÷ng dung dÞch kh¸c nhau vÒ nång ®é kho¸ng ho¸
ph©n c¸ch nhau qua mµng máng cã ®é lç rçng nhá, vÝ dô líp sÐt máng. Khi ®ã, sù
96
- khuyÕch t¸n c¸c ion theo c¸c lç rçng, mét sè ion linh ®éng cã thÓ bÞ hÊp phô. SÐt
th−êng gi÷ l¹i c¸c ion ©m vµ ®Èy c¸c ion d−¬ng ®i qua. Nãi c¸ch kh¸c, sÐt lµ mµng
thÊm c¸c cation mµ kh«ng thÊm ®èi víi c¸c anion. NÕu dung dÞch ë hai bªn mµng thÊm
®Òu lµ NaCl th× sÏ cã hiÖn t−îng dÞch chuyÓn c¸c cation Na+ ë phÝa nång ®é cao sang
phÝa bªn cã nång ®é thÊp h¬n. Trong khi ®ã c¸c anion Cl- th× bÞ hÊp phô trªn thµnh
kªnh dÉn. KÕt qu¶ lµ ë hai bªn cña mµng b¸n thÊm xuÊt hiÖn mét ®iÖn thÕ. ThÕ ®iÖn
sinh ra do hiÖn t−îng võa nªu ë hai phÝa bªn cña mµng ng¨n c¸ch cã tªn gäi lµ thÕ ®iÖn
hÊp phô do sÐt g©y ra (EA). Còng cã t¸c gi¶ gäi EA lµ thÕ mµng läc (Membrane).
C¸c quan s¸t thùc tÕ cho thÊy EA thay ®æi theo h×nh th¸i cÊu tróc mµ kh«ng phô
thuéc vµo chiÒu dµy cña mµng thÊm.
NÕu gi¶ sö mét dung dÞch l−ìng ph©n cã hai ion cïng ho¸ trÞ (γK = γa = γ) nh−
dung dÞch NaCl, khi ®ã biÓu thøc tÝnh thÕ ®iÖn hÊp phô cã thÓ lÊy gièng nh− ë (4.1).
Trong ®ã, ®é linh ®éng la cña anion sÏ gÇn b»ng kh«ng, v× bÞ hÊp phô bëi h¹t kho¸ng
vËt trªn thµnh èng dÉn.
Do ®ã:
C
RT
EA = ln 1 ( 4 .8 )
γF C2
§èi víi muèi NaCl, γ = 1 nªn biÓu thøc (4.8) trë thµnh:
C
RT
E A = 2 ,3 log 1 ( 4 .9 )
F C2
T−¬ng tù nh− (4.2) vµ (4.4) ta viÕt:
C1 a R
E A = K A log = K A log 1 = K A log 2 ( 4 . 10 )
C2 a2 R1
Trong ®ã: KA = 2,3RT/F lµ hÖ sè hÊp phô. Tham sè nµy còng phô thuéc vµo
nhiÖt ®é cña m«i tr−êng.
ë nhiÖt ®é 180C, cho tr−êng hîp dung dÞch NaCl hÖ sè KA = +57,65 (mV).
Do ®ã:
R2
E A = +57,65 log (4.11)
R1
ThÕ ®iÖn hÊp phô EA phô thuéc vµo bÒ mÆt riªng (cßn gäi lµ bÒ mÆt hÊp phô) hay
®é h¹t cña ®¸. §é h¹t cµng mÞn, diÖn tÝch bÒ mÆt riªng cña ®¸ cµng cao.
HiÖn t−îng hÊp phô c¸c anion, nÕu muèi hoµ tan lµ NaCl th× phÝa bªn trong mµng
thÊm cã nång ®é thÊp h¬n sÏ cã thÕ d−¬ng v× Na+ dÔ dÞch chuyÓn h¬n Cl- (H×nh 4.2).
97
- c) ThÕ khuyÕch t¸n hÊp phô:
Hai qu¸ tr×nh ®iÖn ho¸ khuyÕch t¸n vµ hÊp phô sinh ra c¸c ®iÖn thÕ t−¬ng øng
ED vµ EA. C¸c thÕ ®iÖn nµy ®Òu do sù kh¸c biÖt nång ®é kho¸ng ho¸ ë hai phÇn dung
dÞch C1 vµ C2. ë ®iÒu kiÖn giÕng khoan ta lu«n gÆp c¸c ranh giíi tiÕp xóc nh− thÕ:
thµnh giÕng khoan, ranh giíi gi÷a c¸c líp ®Êt ®¸, gi÷a ®íi ngÊm víi ®íi nguyªn. C¸c
ranh giíi ®ã ®Òu lµ mÆt ng¨n c¸ch gi÷a c¸c phÇn ®Êt ®¸ b∙o hoµ chÊt láng cã ®é
kho¸ng ho¸ kh¸c nhau.
Trong tr−êng hîp dung dÞch khoan lµ dung dÞch sÐt c¬ së n−íc ngät th× ®é
kho¸ng ho¸ Cf cña filtrat dung dÞch th−êng nhá h¬n nång ®é kho¸ng ho¸ Cw cña n−íc
vØa (Cw > Cf). Khi ®é kho¸ng ho¸ tù nhiªn cña n−íc vØa Cw vµ cña filtrat Cf ®∙ ®−îc quy
®æi vÒ nång ®é kho¸ng ho¸ NaCl t−¬ng ®−¬ng th× thÕ ®iÖn khuyÕch t¸n ë phÇn ®Êt ®¸
cã lç rçng vµ ®é thÊm cao. Theo (4.7) ta cã:
Rf
E D = −11,6 log (4.12)
Rw
Ng−îc l¹i, ë ®o¹n giÕng ®i qua c¸c ®¸ cã ®é rçng hiÖu dông vµ ®é thÊm kÐm nh−
c¸c líp sÐt th× qu¸ tr×nh hÊp phô l¹i m¹nh, lµm ng¨n c¶n qu¸ tr×nh khuyÕch t¸n. Trªn bÒ
mÆt c¸c líp sÐt, qu¸ tr×nh hÊp phô chØ tiÕp nhËn c¸c anion vµ ®Èy tr¶ c¸c cation.
Hai qu¸ tr×nh ®iÖn ho¸ m¹nh yÕu kh¸c nhau vµ cã tÝnh tr¸i ng−îc nhau ë c¸c vØa
thÊm vµ kh«ng thÊm cho nªn trªn thµnh giÕng khoan, ngang c¸c vØa c¸t (®é rçng vµ ®é
thÊm cao) sÏ cã líp ion ©m. Cßn ë ngang c¸c líp sÐt (thÊm kÐm) sÏ cã líp ion d−¬ng.
Sù h×nh thµnh c¸c mÆt tÝch ®iÖn + -
- +
+ -
tr¸i dÊu nh− vËy sÏ sinh ra dßng ®iÖn dÞch - +
+ -
-
cã chiÒu theo mòi tªn (H×nh 4.3). SÐt
+
- EA
+
- +
T−¬ng tù nh− ®èi víi thÕ khuyÕch
+
+ ----- -
------
t¸n, thÕ hÊp phô EA trong giÕng khoan
-v v- +E + + +
+ + + ++
®−îc tÝnh theo (4.10). Ta cã:
+D
- -
+
§íi röa + C¸t
- -
Rf +
E A = +57,65 log +
(4.13) - -
+
+++ +
Rw ++++ - -
+∧ ∧+
------ ----- -
- -
+
+
Hai qu¸ tr×nh ®iÖn ho¸ khuyÕch
- -
+ SÐt
+
t¸n vµ hÊp phô x¶y ra trªn mÆt tiÕp xóc - -
+
+
gi÷a hai dung dÞch kh«ng cã cïng nång - -
+
+
®é kho¸ng ho¸ (filtrat dung dÞch vµ n−íc
H×nh 4.3: Sù h×nh thµnh thÕ ED vµ EA
vØa). Qu¸ tr×nh thø nhÊt m¹nh mÏ ë c¸c ®¸
cã ®é rçng vµ ®é thÊm cao. Qu¸ tr×nh thø
hai chñ yÕu ë c¸c ®¸ sÐt cã ®éthÊm kÐm.
Qu¸ tr×nh nµy cho c¸c ion linh ®éng ®i qua dÔ dµng, qu¸ tr×nh kia th× hÊp phô c¸c ion
®ã. VÒ mÆt h×nh thøc, hai qu¸ tr×nh khuyÕch t¸n – hÊp phô nh− hai mÆt ®èi lËp cña sù
thèng nhÊt: Qu¸ tr×nh ®iÖn ho¸.
Hai mÆt ®èi lËp cña mét qu¸ tr×nh thèng nhÊt lu«n lu«n ®i kÌm víi nhau. NÕu
kh«ng cã hÊp phô th× qu¸ tr×nh khuyÕch t¸n sÏ kÕt thóc nhanh vµ ng−îc l¹i, nÕu chØ cã
98
- qu¸ tr×nh hÊp phô th× b¶n th©n nã còng nhanh chãng trung hoµ ®iÖn tÝch. Khi ®ã, kÕt
qu¶ lµ ranh giíi gi÷a c¸c líp ®¸ c¸t vµ sÐt kh«ng thÓ hiÖn râ qu¸ tr×nh ®iÖn ho¸.
C¸c qu¸ tr×nh ®iÖn ho¸ lµm xuÊt hiÖn thÕ khuyÕch t¸n vµ thÕ hÊp phô nh− hai
thµnh phÇn cña thÕ ®iÖn ho¸ khuyÕch t¸n – hÊp phô EDA. Trªn ranh giíi c¸c líp c¸t/sÐt
thÕ ®iÖn ho¸ sÏ lµ tæng ®¹i sè cña c¸c thµnh phÇn ED vµ EA (H×nh 4.4).
Rf Rf
E DA = E D + E A = ( K D + K A ) log = K DA log (4.14)
Rw Rw
vµ gäi KDA = (KD+KA) lµ hÖ sè khuyÕch t¸n - hÊp phô.
ë nhiÖt ®é 180C, hÖ sè nµy cã
gi¸ trÞ b»ng -69,25 mV, ®«i
EDA khi nã ®−îc lµm trßn:-70 mV.
Rf
SÐ t
Rf E DA = −70 log [mV ] (4.15)
ED = −11,6 log EA Rw
Rw
Chó ý: Ngang vØa sÐt kh«ng
Rf
ED
E A = 57,65 log cã ®íi ngÊm mÆt ranh giíi
Rw C¸t gi÷a Rf hay Rm víi Rw chÝnh
lµ thµnh giÕng khoan. Trong
vØa c¸t, mÆt ranh giíi gi÷a Rf
vµ Rw chÝnh lµ ranh giíi ngoµi
H×nh 4.4: DÞ th−êng EDA ë ranh giíi c¸c líp c¸t/sÐt
cïng cña ®íi ngÊm Di. §−êng
kÝnh ®íi ngÊm t¨ng theo thêi gian cho ®Õn khi qu¸ tr×nh thÊm dung dÞch ngõng h¼n.
Khi ®−êng kÝnh ®íi ngÊm cßn thay ®æi th× thµnh phÇn ED thay ®æi lµm cho EDA
còng v× thÕ mµ thay ®æi theo.
§iÒu nµy gi¶i thÝch t¹i sao ®o thÕ ®iÖn SP trong giÕng khoan ë c¸c thêi ®iÓm
kh¸c nhau ta cã thÓ gÆp tr−êng hîp gi¸ trÞ biªn ®é EDA thay ®æi v× ®−êng kÝnh ®íi ngÊm
cßn ®ang thay ®æi.
d) Qu¸ tr×nh thÊm läc
Dßng thÊm cña chÊt láng trong m«i tr−êng lç rçng nh− ®Êt ®¸ lµ kÕt qu¶ cña
møc chªnh ¸p suÊt trong m«i tr−êng ®ã. ë ®iÒu kiÖn giÕng khoan filtrat dung dÞch
thÊm vµo ®Êt ®¸ ë thµnh giÕng khi ¸p suÊt thuû tÜnh cña cét dung dÞch lín h¬n ¸p suÊt
vØa, nÕu ng−îc l¹i th× n−íc vØa sÏ ch¶y vµo giÕng khoan.
C¸c qu¸ tr×nh thÊm ®ã lµm xuÊt hiÖn ë giÕng khoan mét thÕ ®iÖn mang dÊu ©m
nÕu filtrat thÊm vµo ®Êt ®¸ ë thµnh giÕng; sÏ lµ dÊu d−¬ng nÕu n−íc vØa ch¶y vµo giÕng
khoan. ThÕ ®iÖn cã nguån gèc do dßng thÊm läc cã tªn gäi lµ thÕ ®iÖn thÊm läc hay thÕ
®iÖn ®éng lùc.
ThÕ ®iÖn thÊm läc Ef lµ hµm phô thuéc vµo møc chªnh ¸p ∆P gi÷a ®iÓm ®Çu vµ
®iÓm cuèi cña dßng thÊm, ®iÖn trë suÊt Rw vµ ®é nhít η, h»ng sè ®iÖn m«i ε cña chÊt
99
- l−u vµ ®iÖn thÕ zeta ξ (hiÖu ®iÖn thÕ gi÷a c¸c líp ®iÖn kÐp linh ®éng vµ kh«ng linh
®éng ë thµnh èng mao qu¶n):
ε ξ ∆P
Ef = Rw (4.16)
4π η
Trong ®ã:
∆P = P2 – P1 (P1 lµ ¸p suÊt cét dung dÞch; P2 lµ ¸p suÊt vØa).
DÊu cña Ef phô thuéc vµo dÊu cña ∆P. Trong thùc tÕ khi khoan b»ng dung dÞch
sÐt th−êng gi÷ ë ®iÒu kiÖn ¸p suÊt P1 ≥ P2. Filtrat thÊm vµo vØa ®Ó l¹i trªn thµnh giÕng
mét líp vá sÐt ®ñ dµy ®Ó ng¨n kh«ng cho filtrat tiÕp tôc thÊm vµo vØa. §Õn thêi ®iÓm
®ã, qu¸ tr×nh thÊm thùc chÊt lµ bÞ dõng h¼n. V× vËy, thÕ ®iÖn thÊm läc Ef ë vØa c¸t vµ
vØa sÐt lóc ®ã lµ nh− nhau, nãi c¸ch kh¸c thÕ ®iÖn nµy trë nªn rÊt nhá ë c¸c giÕng
khoan dïng dung dÞch sÐt.
Trong c¸c giÕng khoan thuû v¨n dïng dung dÞch n−íc l∙ cã ®é kho¸ng ho¸ thÊp
th× tr−êng ®iÖn thÊm läc trë nªn cã tÇm quan träng, v× thµnh phÇn nµy cã liªn quan hµm
sè víi hÖ sè thÊm c¬ häc f cña c¸c líp chøa n−íc:
P1 − P2
EÌ = − f Rf (4.17)
ξ
e) Qu¸ tr×nh Oxy ho¸ khö
Ph¶n øng oxy ho¸ khö lµ ph¶n øng ho¸ häc trao ®æi ®iÖn tö. Trong ph¶n øng oxy
ho¸ khö, chÊt nµo mÊt mét hoÆc nhiÒu ®iÖn tö th× chÊt ®ã lµ chÊt oxy ho¸ vµ kÕt qu¶
xuÊt hiÖn mét ion d−¬ng (Cu → Cu++ + 2e-; Fe++ → Fe+++ + e-; ), chÊt nµo thu mét hay
nhiÒu ®iÖn tö th× nã lµ chÊt khö. Khi ®ã nguyªn tè ho¸ häc mang ®iÖn tÝch ©m hoÆc trë
vÒ trung tÝnh (2H+ + 2e- → H2).
KÕt qu¶ cña qu¸ tr×nh oxy ho¸ khö sÏ lµm t¸ch phÇn m«i tr−êng cã ®iÖn tÝch
d−¬ng vµ ©m dÉn ®Õn sù ph©n cùc vµ h×nh thµnh mét thÕ ®iÖn. §iÖn thÕ nµy cã thÓ ®−îc
tÝnh b»ng c«ng thøc:
C'
RT
EOX = ln( " K ) (4.18)
γF C
Trong ®ã:
EXO lµ thÕ ®iÖn oxy hãa khö.
C’, C” lµ hµm l−îng c¸c chÊt oxy ho¸ ë møc ®é nhiÒu h¬n hoÆc Ýt h¬n.
K lµ h»ng sè c©n b»ng ph¶n øng oxy ho¸ khö.
γ lµ ho¸ trÞ cña chÊt bÞ oxy ho¸ hoÆc khö.
100
- ThÕ ®iÖn oxy ho¸ khö th−êng gÆp trong c¸c tr−êng hîp giÕng khoan ®i qua ®íi
kho¸ng ho¸ hay c¸c vØa quÆng ®a kim, vØa than biÕn chÊt cao
C¸c kho¸ng vËt nh− pyrit, pyrotin, chancopyrit, calcozin, covelin, th−êng dÔ bÞ
oxy ho¸ trong m«i tr−êng axÝt nªn cã nhiÒu kh¶ n¨ng tham gia trong c¸c qu¸ tr×nh oxy
ho¸ khö. C¸c ®íi kho¸ng ho¸ nhiÖt dÞch sulfua ë gÇn mÆt ®Êt th−êng biÓu hiÖn qua thÕ
®iÖn oxy ho¸ khö cao. Trong giÕng khoan, ë chiÒu s©u lín gÆp m«i tr−êng cã tÝnh khö
m¹nh th× mét sè kho¸ng vËt nhãm sulfua nh−: pyrit, calcozin, kh«ng bÞ oxy ho¸
nh−ng khi gÆp dung dÞch khoan giµu oxy th× c¸c ph¶n øng oxy ho¸ khö x¶y ra m¹nh
mÏ vµ do ®ã còng xuÊt hiÖn thÕ oxy ho¸ khö mµ ta cã thÓ ®o ®−îc.
4.1.2. ThÕ ®iÖn tù ph©n cùc toµn phÇn - SP
C¸c qu¸ tr×nh khuyÕch t¸n - hÊp phô, thÊm läc vµ oxy ho¸ khö lµm xuÊt hiÖn c¸c
thÕ ®iÖn lÇn l−ît t−¬ng øng lµ: EDA, Ef vµ EOX. C¸c thµnh phÇn nµy x¶y ra ®ång thêi vµ
hîp thµnh thÕ ®iÖn tù ph©n cùc ESP trong giÕng khoan.
E SP = E DA + E f + EOX (4.19)
Trong c¸c giÕng khoan th¨m dß dÇu khÝ, ë phÇn l¸t c¾t ®¸ trÇm tÝch, hai thµnh
phÇn ®Çu tiªn, nhÊt lµ thµnh phÇn khuyÕch t¸n - hÊp phô EDA lµ m¹nh mÏ nhÊt. Thµnh
phÇn thø ba oxy ho¸ khö EOX th−êng kh«ng xuÊt hiÖn hoÆc rÊt yÕu, cã thÓ bá qua.
Ng−îc l¹i, trong c¸c giÕng khoan th¨m dß quÆng hoÆc than ®«i khi cã tr−êng hîp thµnh
phÇn EOX lµ m¹nh h¬n c¸c thµnh
phÇn kh¸c.
Dung
§å thÞ thÕ tÜnh SÐt
dÞch
Mµng
c¸ch ®iÖn
ThÕ ®iÖn tÜnh ESSP tû lÖ víi
C¸t
mét dßng ISP trong m«i tr−êng
Vá
sÐt
nghiªn cøu theo ®Þnh luËt Ohm:
§íi ngÊm
E SSP = RI SP M (4.20)
SÐt
Trong ®ã: R lµ trë kh¸ng cña
phÇn m«i tr−êng mµ dßng ISP ®i qua
SÐt
(H×nh 4.5). Trong giÕng khoan lµ Rm.
§å thÞ thÕ tÜnh
Trong vØa nghiªn cøu lµ RXO. Trong
vØa v©y quanh lµ RS. V× vËy cã thÓ
C¸t
tÝnh:
E SSP = (Rm + R XO + RS )I SP ( 4.20 )'
§−êng cong SP
SÐt
Trong giÕng khoan, dßng ISP
®i qua Rm nªn gi¸ trÞ ®o ®−îc USP sÏ
lµ:
§å thÞ thÕ tÜnh SPP
§å thÞ ®o SP
U SP = Rm I SP (4.21)
’
H×nh 4.5. S¬ ®å biÓu diÔn ph©n bè thÕ ®iÖn, Thay (4.20) vµo (4.21) ta sÏ
®−êng dßng SP vµ ®−êng cong quanh vØa thÊm nhËn ®−îc:
101
- Rm
U SP = E SSP (4.22)
Rm + R XO + RS
Tõ (4.22) ta thÊy thÕ ®iÖn USP ®o ®−îc trong giÕng khoan cã gi¸ trÞ tuyÖt ®èi
lu«n lu«n nhá h¬n thÕ ®iÖn tÜnh tÝnh theo lý thuyÕt ESSP. Trªn h×nh 4.5a ®−êng biÓu
diÔn thÕ ®iÖn tÜnh ESSP lµ ®−êng kh«ng liÒn nÐt cã gi¸ trÞ “kh«ng” ë vØa sÐt vµ b»ng
const ë vØa c¸t. H×nh 4.5b biÓu diÔn gi¸ trÞ thÕ ®iÖn tù ph©n cùc USP ®o ®−îc trong
giÕng khoan b»ng ®−êng ®å thÞ liÒn nÐt. DÞ th−êng USP cã d¹ng ®èi xøng vµ cã gi¸ trÞ
cùc tiÓu ë ®iÓm gi÷a vØa c¸t vµ tiÕn tíi “kh«ng” ë c¸c vØa sÐt v©y quanh (USP < ESSP).
NÕu vØa nghiªn cøu cã chiÒu dµy lín, ¶nh h−ëng cña ®iÖn trë RS tõ c¸c líp v©y
quanh kh«ng cßn. TiÕt diÖn ngang cña giÕng khoan nhá h¬n tiÕt diÖn ngang cña ®íi
ngÊm nªn trë kh¸ng RXO nhá h¬n trë kh¸ng cña giÕng khoan (RXO
- U SP = U SP − U SP
MN M N
NÕu c¶ hai ®iÖn cùc M vµ N cïng dÞch chuyÓn trong giÕng khoan (H×nh 4.6a) th×
phÐp ®o cã gi¸ trÞ lµ gradien SP. Khi N ®Æt cè ®Þnh trªn mÆt ®Êt, M lµ ®iÖn cùc ch¹y
trong giÕng khoan th× phÐp ®o cã gi¸ trÞ ®o lµ thÕ SP t¹i ®iÓm M.
U SP = U SP − U SP = U SP − const = U SP
M N M
Trong s¶n xuÊt phæ biÕn dïng s¬ ®å ®o thÕ SP. ChØ dïng s¬ ®å ®o gradien SP khi cã
nhiÔu m¹nh. VÒ nguyªn t¾c tõ sè ®o ®o gradien SP cã thÓ tÝnh chuyÓn thµnh thÕ USP.
b) §å thÞ hay biÓu ®å ®o SP trong giÕng khoan:
Trong giÕng khoan,®å thÞ hay biÓu ®å ®o SP lµ ®−êng liªn tôc biÓu diÔn sù thay ®æi thÕ
®iÖn tù ph©n cùc SP theo chiÒu s©u. C¸c líp ®¸ kh¸c nhau trong l¸t c¾t thÓ hiÖn kh¸c
nhau theo h×nh d¸ng, biªn ®é vµ dÊu cña dÞ th−êng ∆USP.
Tû lÖ ngang vµ dÊu
cña biÓu ®å SP ®−îc Ên ®Þnh
trªn dÊu ký hiÖu - ↔ + ë
®Çu b¨ng ghi (H×nh 4.7).
C¸c dÊu “-” vµ “+” chØ
chiÒu gi¶m vµ t¨ng cña gi¸ trÞ
USP. ChiÒu dµi cña mòi tªn §−êng “0”
hai ®Çu lµ gi¸ trÞ thay ®æi cña
gi¸ trÞ ®o t−¬ng øng trªn b¨ng
ghi tÝnh b»ng mV. Trªn h×nh
4.7, dÊu hiÖu ®ã biÓu thÞ thay MÆt bÊt
®æi cña gi¸ trÞ ®o 20mV trªn chØnh hîp
MÆt bÊt
chiÒu dµi t−¬ng øng. chØnh hîp
c) §−êng kh«ng
(zero) cña biÓu ®å SP: Kho¶ng dÞch
®−êng “0”
§−êng “0”
§−êng cong ®o USP
gÇn nh− kh«ng ®æi trªn
®−êng th¼ng ë c¸c ®o¹n chiÒu
s©u giÕng khoan ®i qua c¸c
líp sÐt hay ®¸ macn¬ cã
chiÒu dµy ®ñ lín (H×nh 4.8).
Ng−êi ta chän ®−êng nèi c¸c
gi¸ trÞ SP ®i qua c¸c líp sÐt
®Ó dùng mét ®−êng th¼ng kÐo
dµi theo chiÒu s©u giÕng H×nh 4.7. BiÓu ®å ®o SP trong giÕng khoan
khoan. §−êng ®ã ®−îc gäi lµ
®−êng c¬ së hay ®−êng “kh«ng” (zero) cña biÓu ®å ®o SP. §−êng nµy v× vËy còng cã
tªn gäi kh¸c lµ ®−êng sÐt.
103
- DÞ th−êng ∆USP tÝnh b»ng milivol sÏ ®−îc v¹ch so víi gi¸ trÞ “0” trªn ®−êng sÐt.
§−êng “kh«ng” (®−êng sÐt) trªn biÓu ®å ®o SP cã thÓ thay ®æi do mét sè nguyªn nh©n
kh¸c nhau:
- Thay ®æi ®é kho¸ng ho¸ cña dung dÞch khoan.
- Thay ®æi thµnh phÇn ho¸ häc kho¸ng vËt cña vØa sÐt.
- Trong l¸t c¾t, ë mét chiÒu s©u nµo ®ã, cã mét líp sÐt kh«ng kÝn hoµn toµn ®Ó
ng¨n c¸ch ph©n chia c¸c líp c¸t cã ®é kho¸ng ho¸ kh¸c nhau.
- Cã sù ph©n cùc ë c¸c ®iÖn cùc thu.
ë gi÷a l¸t c¾t cã tån t¹i mét bÊt chØnh
hîp ®Þa tÇng.
Trªn h×nh 4.8, chÌn gi÷a c¸c líp c¸t B SÐt A
vµ D cã ®é kho¸ng ho¸ kh¸c nhau lµ líp sÐt C
kh«ng kÝn. Thµnh phÇn kho¸ng vËt sÐt ë c¸c
líp G vµ E kh¸c víi sÐt ë líp A. C¸t B
SÐt C
NÕu USP trong vØa sÐt cã thµnh phÇn Ef
th× gi¸ trÞ cña thµnh phÇn thÊm läc nµy còng C¸t D
gÇn gièng nh− ë phÇn líp c¸t cã vá sÐt. V× thÕ,
®−êng sÐt trong tr−êng hîp ®ã xem nh− kh«ng SÐt E
®æi vµ kh«ng ¶nh h−ëng ®Õn dÞ th−êng ∆USP.
Trong thùc tÕ, nhiÒu tr−êng hîp, thµnh phÇn C¸t F
thÊm läc kh«ng ®−îc tÝnh ®Õn v× nã qu¸ nhá.
SÐt G
Trong l¸t c¾t lôc nguyªn, nÕu kh«ng cã C¸t H
sù xuÊt hiÖn cña pyrit vµ c¸c kho¸ng vËt
quÆng kh¸c th× m«i tr−êng nghiªn cøu nµy
®−îc xem lµ m«i tr−êng kh«ng kim lo¹i. Do H×nh 4.8. §−êng kh«ng vµ sù thay
®ã, thµnh phÇn oxy ho¸ khö còng kh«ng ®−îc ®æi ®−êng kh«ng trªn biÓu ®å SP
tÝnh ®Õn.
4.1.4. C¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn h×nh d¸ng vµ biªn ®é dÞ th−êng ∆USP
Biªn ®é vµ h×nh d¸ng cña dÞ th−êng SP ë ®o¹n giÕng ®i qua c¸c vØa thÊm phô
thuéc vµo mét lo¹t c¸c yÕu tè kh¸c nhau:
- §é lín cña tr−êng ®iÖn tù ph©n cùc ESP.
- ChiÒu dµy h vµ ®iÖn trë Rt cña ®íi nguyªn.
- §iÖn trë Ri vµ ®−êng kÝnh Di cña ®íi ngÊm.
- §iÖn trë suÊt RS cña c¸c líp v©y quanh.
- Hµm l−îng sÐt trong vØa nghiªn cøu.
104
- Gi¸ trÞ USP mµ ta ®o ®−îc trong giÕng khoan lµ hµm sè phô thuéc vµo c¸c yÕu tè nãi trªn.
hR R D
U SP = f E SP , , t , i , i .... (4.24)
d Rm Rm d
Rt
, E SP ,... lªn d¸ng ®iÖu
H×nh 4.9 thÓ hiÖn ¶nh h−ëng chiÒu dµy vØa h, ®iÖn trë
Rm
vµ biªn ®é ®−êng cong ®o ghi USP.
Gi¸ trÞ ®o SP sÏ bÞ gi¶m dÇn khi
®−êng kÝnh giÕng t¨ng. TÊt c¶ c¸c yÕu tè
kh¸c cña nã kh«ng thay ®æi, gi¸ trÞ SP
gi¶m khi ®íi ngÊm s©u.
ThÕ ®iÖn USP lµ gi¸ trÞ ®o tr−êng
®iÖn gi÷a mét ®iÖn cùc M ch¹y trong giÕng
khoan so víi ®iÖn cùc N ®Æt trªn mÆt ®Êt.
Nã ®−îc h×nh thµnh do dßng ®iÖn ®i trong
dung dÞch khoan. Biªn ®é ∆USP gÇn b»ng
víi ESSP chØ trong tr−êng hîp trë kh¸ng ®èi
víi dßng ISP trong ®íi nguyªn vµ c¸c vØa
v©y quanh lµ kh«ng ®¸ng kÓ so víi trë
kh¸ng trong dung dÞch. §iÒu ®ã chØ x¶y ra
khi vØa cã chiÒu dµy rÊt lín, cßn nãi chung
trong mäi tr−êng hîp th−êng gÆp th× USP
®Òu bÞ gi¶m do chiÒu dµy vØa máng.
H×nh 4.10 lµ c¸c b¶n chuÈn hiÖu
VØa thÊm kh«ng thÊm
VØa thÊm
chØnh ®−a gi¸ trÞ USp, (ESP) trong tr−êng
§−êng ghi SP
SP tÜnh
hîp vØa cã chiÒu dµy h h÷u h¹n vÒ tr−êng
H×nh 4.9. ¶nh h−ëng cña h, R lªn kÕt hîp t−¬ng ®−¬ng vØa cã chiÒu dµy lín v«
qu¶ ®o USP (theo Doll, 1948) h¹n.
Kh«ng thÊm cã thÊm
H×nh 4.10. B¶n chuÈn hiÖu chØnh gi¸ trÞ ®o SP
105
- 4.1.5. Ph¹m vi øng dông cña ph−¬ng ph¸p SP
Ph−¬ng ph¸p thÕ ®iÖn tù ph©n cùc ®−îc øng dông réng r∙i trong nghiªn cøu c¸c
giÕng khoan nh»m môc ®Ých kh¸c nhau, ®Æc biÖt trong th¨m dß dÇu khÝ vµ than. Trong
thùc tÕ s¶n xuÊt, ph−¬ng ph¸p nµy ®−îc sö dông ®Ó gi¶i quyÕt c¸c nhiÖm vô kh¸c nhau:
- Ph©n chia c¸c líp ®Êt ®¸ trong l¸t c¾t giÕng khoan theo thµnh phÇn th¹ch häc.
NhËn biÕt c¸c líp ®¸ cã thÊm vµ kh«ng thÊm (tÇng chøa vµ tÇng ch¾n).
- X¸c ®Þnh ranh giíi vµ chiÒu dµy c¸c vØa c¸t sÐt dùa vµo kh¶ n¨ng thÊm cña chóng.
- Liªn kÕt ®ång danh c¸c líp trong l¸t c¾t gi÷a c¸c giÕng khoan trªn tuyÕn liªn kÕt.
- X¸c ®Þnh ®iÖn trë suÊt cña n−íc vØa, Rw.
- Trong ®iÒu kiÖn thuËn lîi, khi ®∙ x¸c ®Þnh ®−îc ®é sÐt Vsh cña ®¸ chøa th× kÕt
qu¶ ®o SP cã thÓ ®−îc sö dông ®Ó ®¸nh gi¸ ®é lç rçng cña ®¸.
4.2. Ph−¬ng ph¸p thÕ ®iÖn ph©n cùc kÝch thÝch PP
Khi tiÕn hµnh c¸c ph−¬ng ph¸p ®iÖn trë suÊt trong c¸c giÕng khoan than vµ
quÆng ta hay gÆp hiÖn t−îng sau: Khi ®∙ ng¾t dßng ph¸t qua c¸c ®iÖn cùc AB mµ vÉn
cßn quan s¸t ®−îc hiÖu ®iÖn thÕ gi÷a c¸c ®iÖn cùc thu MN. HiÖu ®iÖn thÕ nµy cã gi¸ trÞ
lín, nhá vµ kÐo dµi qu¸ tr×nh t¾t dÇn trong kho¶ng thêi gian kh¸c nhau ë nh÷ng líp ®Êt
®¸ kh¸c nhau trong l¸t c¾t.
Tr−êng ®iÖn nµy gäi lµ tr−êng ®iÖn ph©n cùc kÝch thÝch. ThÕ ®iÖn ph©n cùc kÝch
thÝch UPP h×nh thµnh do sù ph©n cùc cña cña c¸c thµnh phÇn dÉn ®iÖn ®iÖn tö, dÉn ®iÖn
ion vµ kh«ng dÉn ®iÖn trong m«i tr−êng mçi khi bÞ kÝch thÝch bëi dßng ®iÖn ph¸t. §Æc
®iÓm dÔ nhËn biÕt cña thÕ ®iÖn ph©n cùc kÝch thÝch lµ nã t¾t dÇn theo thêi gian, theo
quy luËt hµm mò.
4.2.1. Qu¸ tr×nh h×nh thµnh thÕ ®iÖn ph©n cùc kÝch thÝch
§∙ cã nhiÒu gi¶ thiÕt vÒ hiÖn t−îng ph©n cùc kÝch thÝch. C¸c kÕt qu¶ ph©n tÝch
lý thuyÕt vµ thùc nghiÖm ®Òu cho thÊy cã hai nhãm qu¸ tr×nh lµm h×nh thµnh ®iÖn thÕ
ph©n cùc kÝch thÝch trong m«i tr−êng nghiªn cøu:
- C¸c qu¸ tr×nh x¶y ra trªn bÒ mÆt tiÕp xóc gi÷a phÇn m«i tr−êng dÉn ®iÖn ®iÖn
tö vµ phÇn m«i tr−êng dÉn ®iÖn ion.
- C¸c qu¸ tr×nh x¶y ra trªn bÒ mÆt tiÕp xóc gi÷a pha láng dÉn ®iÖn ion vµ pha r¾n
kh«ng dÉn ®iÖn.
a) Qu¸ tr×nh ®iÖn ho¸ trªn mÆt tiÕp xóc cña c¸c m«i tr−êng dÉn ®iÖn ®iÖn tö vµ
dÉn ®iÖn ion
Trong ®¸, phÇn dÉn ®iÖn ®iÖn tö th−êng lµ c¸c kho¸ng vËt nhãm sulfua, oxit vµ
c¸c vØa than biÕn chÊt cao antraxit, c¸c líp grafit, PhÇn dÉn ®iÖn ion lµ n−íc b∙o hoµ
trong lç rçng.
106
- C¸c qu¸ tr×nh xuÊt hiÖn thÕ kÝch thÝch ë nhãm nµy lµ kiÓu ph©n cùc ®iÖn cùc.
ThÕ ph©n cùc ®iÖn cùc phô thuéc vµo tõng kim lo¹i kh¸c nhau vµ nång ®é ion trong
chÊt ®iÖn ph©n.
Mét mÈu kim lo¹i khi nhóng vµo dung dÞch ®iÖn ph©n nã sÏ cã vai trß nh− mét
®iÖn cùc. Trªn bÒ mÆt tiÕp xóc víi dung dÞch sÏ cã sù c©n b»ng vËt chÊt mang tÝnh
®éng häc. Mét sè nguyªn tö cña ®iÖn cùc chuyÓn thµnh tr¹ng th¸i ion khi gi¶i phãng
®iÖn tö vµo m«i tr−êng dung dÞch. Trong khi ®ã cã mét l−îng c¸c ion t−¬ng ®−¬ng tõ
dung dÞch ®iÖn ph©n chuyÓn ®éng vÒ phÝa ®iÖn cùc. §©y lµ tr¹ng th¸i tr−íc khi cã dßng
®iÖn kÝch thÝch. T¹i thêi ®iÓm cã dßng ®iÖn vu«ng gãc víi mÆt ®iÖn cùc, hiÖu thÕ ®iÖn
ban ®Çu sÏ thay ®æi do hiÖu øng tÝch tô ion tõ dung dÞch vÒ phÝa ®iÖn cùc. ë c¸c phÇn
bÒ mÆt cã dßng ®iÖn ®i vµo vµ ®i ra sÏ lµm ph©n ly chÊt ®iÖn ph©n. §èi víi dung dÞch
NaCl, sù ph©n ly lµm xuÊt hiÖn c¸c ion Na+ vµ Cl-. C¸c bät khÝ b¸m trªn bÒ mÆt ®iÖn
cùc h×nh thµnh mét pin gavanic cã c¸c ®iÖn cùc khÝ (H×nh 4.11).
Khèi chÊt dÉn ®iÖn Khi xung dßng kÝch
®iÖn tö
thÝch kÕt thóc, pin gavanic gi¶i
®iÖn vµ sinh ra trong m«i
tr−êng xung quanh tr−êng
ph©n cùc kÝch thÝch. VËy lµ sù
←
→ - -
- +
+ + thay ®æi ®iÖn thÕ trªn mÆt tiÕp
←
→ e
- + - -
+ + xóc kim lo¹i/dung dÞch do tÝch
←
→
+ - + - -
+ + tô ion trªn ®iÖn cùc cho ®Õn
←
→ - +
+ + - - gi¸ trÞ cùc ®¹i gäi lµ ®iÖn ¸p
Cl-
H+ tíi h¹n. §iÖn ¸p tíi h¹n thÓ
hiÖn d−íi d¹ng kh¸c lµ thÕ
Dung dÞch ®iÖn ph©n ®iÖn kÝch thÝch trªn mÆt tiÕp
H×nh 4.11: Khèi chÊt dÉn ®iÖn ®iÖn tö xóc gi÷a c¸c phÇn m«i tr−êng
trong dung dÞch ®iÖn ph©n dÉn ®iÖn ®iÖn tö vµ dÉn ®iÖn
ion.
Khi tr−êng ®iÖn ngoµi b¾t ®Çu suy gi¶m, ®iÖn ¸p tíi h¹n cã xu h−íng håi phôc
tr¹ng th¸i ban ®Çu cña c©n b»ng ®éng häc. Sù håi phôc nµy kÐo theo sù di chuyÓn cña
c¸c ®iÖn tÝch, nghÜa lµ cã dßng ®iÖn - dßng ph©n cùc kÝch thÝch.
§èi víi dßng ph©n cùc cã mËt ®é thÊp, ®iÖn thÕ tíi h¹n tû lÖ tuyÕn tÝnh víi mËt
®é dßng – hiÖn t−îng tuyÕn tÝnh.
ë mét sè tr−êng hîp, c¸c s¶n phÈm trong dung dÞch ®iÖn ph©n t¸i ph¶n øng ho¸
häc víi c¸c ph©n tö dÉn ®iÖn theo kiÓu ph¶n øng oxy ho¸ khö. C¸c ph¶n øng nµy cã sù
trao ®æi ®iÖn tÝch gi÷a phÇn m«i tr−êng giµu oxy vµ phÇn m«i tr−êng khö oxy vµ lµ lý
do h×nh thµnh mét hiÖu thÕ kÝch thÝch gi÷a c¸c ®iÓm kh¸c nhau trªn bÒ mÆt kho¸ng vËt.
b) C¸c qu¸ tr×nh x¶y ra trªn ranh giíi c¸c phÇn m«i tr−êng cã ®é dÉn ®iÖn ion vµ
kh«ng dÉn ®iÖn. M« h×nh ®¸ chøa lµ c¸t sÐt cã hai pha. Pha cøng ®−îc xem nh− kh«ng
dÉn ®iÖn. Pha láng – n−íc b∙o hoµ cã ®Æc tÝnh dÉn ®iÖn ion.
HiÖn t−îng ph©n cùc kÝch thÝch trong tr−êng hîp nµy x¶y ra kh«ng ®ång ®Òu gi÷a c¸c
®¸ cã ®é sÐt kh¸c nhau lµm cho n−íc trong lç rçng còng ®ång thêi chÞu mét ¸p lùc
cïng chiÒu víi dßng ®iÖn vµ líp ®iÖn kÐp th× bÞ biÕn d¹ng, m«i tr−êng bÞ ph©n cùc
107
- khèi. ë thêi ®iÓm kÕt thóc xung dßng kÝch thÝch líp ®iÖn kÐp cã xu h−íng trë vÒ tr¹ng
th¸i c©n b»ng (c¸c cation dÞch chuyÓn ng−îc l¹i vÞ trÝ ban ®Çu) n−íc trong lç rçng tho¸t
khái ¸p lùc, chuyÓn ®éng theo chiÒu ng−îc l¹i, c¸c cation dÞch chuyÓn theo h−íng cña
dßng n−íc. Qu¸ tr×nh dÞch chuyÓn cña c¸c cation lµm xuÊt hiÖn thÕ ph©n cùc kÝch thÝch. ë
tr−êng hîp nµy thÕ ®iÖn ph©n cùc kÝch thÝch cã b¶n chÊt cña thÕ ®iÖn thÊm läc vµ m«i
tr−êng nghiªn cøu bÞ ph©n cùc khèi.
Trong c¸c ®¸ s¹ch, kh«ng cã sÐt, sù xuÊt hiÖn thÕ ph©n cùc kÝch thÝch lµ biÓu
hiÖn cña qu¸ tr×nh ®iÖn ®éng lùc trong hÖ thèng kªnh rçng. Trong c¸c kªnh rçng th«ng
nèi cña ®¸ h¹t vôn, hiÖn t−îng
®iÖn ®éng lùc t¹o ra tr−êng ®iÖn
phô thuéc vµo ®é lín vµ dÊu cña –
–+
–– + +
thÕ “zeta”. ë thµnh èng mao +
–– + +– –
+
qu¶n trong ®¸ lµ c¸c kho¸ng vËt –+
–+ +–
–+
kh«ng dÉn ®iÖn hÊp phô cã chän +–
+
– +–
läc c¸c ion, phæ biÕn lµ c¸c +
– +
anion. HiÖn t−îng ®ã dÉn ®Õn kÕt +–
–+ +
– – + + – + +–
qu¶ lµ trªn thµnh èng mao qu¶n + –
+
+ – –
xuÊt hiÖn líp ®iÖn kÐp. C¸c anion ++
–– +
– +–
bÞ gi÷ chÆt h¬n, cßn c¸c cation
chØ bÞ hót bëi lùc tÜnh ®iÖn gi÷a
c¸c ion nªn chóng cã kh¶ n¨ng
linh ®éng h¬n. D−íi ®iÖn ¸p cña
tr−êng ®iÖn g©y kÝch thÝch, c¸c H×nh 4.12: Sù di chuyÓn cña cation d−íi
cation dÔ dµng di chuyÓn vÒ phÝa ®iÖn ¸p kÝch thÝch
®iÖn cùc ©m (H×nh 4.12).
Do ®Æc ®iÓm cña qu¸ tr×nh ®iÖn ®éng lùc (®iÖn thÊm läc) diÔn ra nh− võa nªu
trªn nªn thµnh phÇn nµy cña thÕ tr−êng ®iÖn ph©n cùc kÝch thÝch sÏ cao ë phÇn m«i
tr−êng cã tiÕt diÖn lç rçng nhá vµ thÊp ë phÇn m«i tr−êng nghiªn cøu cã tiÕt diÖn lç
rçng lín, nghÜa lµ nã tû lÖ nghÞch víi ®é lç rçng cña m«i tr−êng.
D−íi t¸c dông cña dßng ®iÖn kÝch thÝch, thÕ ®iÖn ph©n cùc kÝch thÝch còng phô
thuéc vµo nång ®é kho¸ng ho¸ cña n−íc vØa. Khi ng¾t dßng kÝch thÝch, d−íi t¸c dông
cña ¸p lùc thÈm thÊu, nång ®é kho¸ng ho¸ cña dung dÞch còng cã vai trß trong qu¸
tr×nh h×nh thµnh lùc ®iÖn ®éng häc kÝch thÝch do ®Æc ®iÓm kÝch thÝch. Qu¸ tr×nh h×nh
thµnh ®iÖn thÕ kÝch thÝch theo c¸ch nµy ®−îc gäi lµ ph©n cùc nång ®é.
Trong c¸c ®¸ cã chøa sÐt, theo thùc nghiÖm th× vai trß chÝnh cña sù h×nh thµnh
thÕ ph©n cùc kÝch thÝch l¹i ë líp mµng sÐt trªn thµnh lç rçng hay bao trªn mÆt cña h¹t
®¸. §é lín cña thÕ ph©n cùc kÝch thÝch phô thuéc kh¸ phøc t¹p vµo ®iÖn trë suÊt cña
n−íc vØa b∙o hoµ, hµm l−îng vµ lo¹i sÐt vµ vµo phÇn cation phô tréi chøa trong sÐt.
HiÖn t−îng ph©n cùc kÝch thÝch trong c¸c ®¸ c¸t sÐt cã thÓ xem nh− lµ qu¸ tr×nh
thÈm t¸ch ®iÖn (electrical dialisic)1 ®Ó gi÷ l¹i sÐt b»ng mµng b¸n thÊm lµ h¹t ®¸.
Tr−êng ®iÖn ®−îc h×nh thµnh cã thÓ ®∙ gi÷ l¹i mét phÇn trong sè c¸c ion trao ®æi cña
sÐt (cation) lµm thay ®æi nång ®é cña chóng, nghÜa lµ hiÖn t−îng “ph©n lo¹i” c¸c ion.
1. ThÈm t¸ch ®iÖn lµ c¸ch lµm s¹ch chÊt r¾n b»ng mét chÊt ®iÖn ph©n hay ng−îc l¹i nhê mét dßng b¸n thÊm chØ
cho chÊt ®iÖn ph©n ®i qua vµ gi÷ l¹i chÊt r¾n. Qu¸ tr×nh lµm s¹ch sÏ nhanh h¬n nhê t¸c dông cña dßng ®iÖn
108
- Khi dßng ®iÖn ngoµi chÊm døt, c¸c ion trao ®æi l¹i t¸i ph©n bæ trªn mµng sÐt vµ
sinh ra gradien nång ®é lµm xuÊt hiÖn thÕ ph©n cùc kÝch thÝch. VËy cã thÓ nãi r»ng trÞ
sè ph©n cùc gi¶m khi t¨ng nång ®é ion cña chÊt ®iÖn ph©n. C¸c ®¸ c¸t sÐt b∙o hoµ n−íc
th× sÏ cã hiÖu øng thÊp.
Trong tù nhiªn ta cã thÓ gÆp c¸c tr−êng hîp m«i tr−êng cã tÊt c¶ c¸c ®iÒu kiÖn
bÒ mÆt tiÕp xóc gi÷a c¸c bé phËn dÉn ®iÖn ion, ®iÖn tö vµ c¸ch ®iÖn (c¸c ®¸ lôc nguyªn
vµ cacbonat cã chøa pyrit d−íi d¹ng x©m t¸n, b∙o hoµ n−íc kho¸ng ho¸ cao ), dßng
dÉn trong m«i tr−êng, v× vËy ®ång thêi cã tÊt c¶ hiÖu øng dÉn ion vµ dÉn ®iÖn ®iÖn tö.
Trong ®iÒu kiÖn ®ã, hiÖu øng toµn phÇn sÏ lµ tæng cña c¸c thÕ ®iÖn h×nh thµnh tõ
c¸c hiÖn t−îng võa nªu trªn.
4.2.2. §o thÕ ®iÖn ph©n cùc kÝch thÝch trong giÕng khoan
1. S¬ ®å nguyªn t¾c
H×nh vÏ 4.13 lµ s¬ ®å nguyªn t¾c ®o thÕ ®iÖn ph©n cùc kÝch thÝch ∆UPP trong
giÕng khoan.
Ra
∆UPP
E mA
P
Cm Cc Rh
CP
N
B
A1
M
A2
H×nh 4.13. S¬ ®å ®o UPP
Trong s¬ ®å ®o ∆UPP sö dông mét hÖ ®iÖn cùc A1MA2. C¸c ®iÖn cùc ph¸t A1 vµ
A2 nèi th«ng nhau, ®iÖn cùc M ®Æt chÝnh gi÷a ®Ó tr¸nh bÞ kÝch thÝch khi ph¸t dßng IPP.
§iÖn cùc B ®Æt c¸ch xa hÖ A1MA2 mét kho¶ng c¸ch ®ñ lín ®Ó tr¸nh nhiÔu c¶m øng khi
®o. Nhê bé chuyÓn m¹ch P, m¹ch ®o thÕ ∆UPP vµ m¹ch ph¸t AB lµm viÖc theo chÕ ®é
lu©n chuyÓn (m¹ch nµy më, m¹ch kia ®ãng) cßn m¹ch ®o ®iÖn trë Ra th× lµm viÖc ®ång
109
- bé víi m¹ch AB. Víi s¬ ®å ë h×nh 4.13 ta ®ång thêi ®o thÕ ph©n cùc kÝch thÝch ∆UPP vµ
®iÖn trë suÊt biÓu kiÕn Ra.
C−êng ®é dßng ph¸t kÝch thÝch ®−îc duy tr× æn ®Þnh vµ ®ñ lín ®Ó ¶nh h−ëng cña
thÕ tù ph©n cùc SP lµ kh«ng ®¸ng kÓ.
2. C¸c ®−êng cong ®o ghi thÕ ∆UPP
Nghiªn cøu thÕ ®iÖn ph©n cùc kÝch thÝch trong giÕng khoan ng−êi ta cã thÓ chän
mét trong c¸c quan hÖ phô thuéc hµm sè cña gi¸ trÞ ®o ∆UPP víi c−êng ®é dßng ph¸t I,
thêi gian trÔ tÝnh tõ thêi ®iÓm kÕt thóc dßng ph¸t hoÆc mËt ®é dßng (j) hay chän c¶ ba
tham sè trªn cho phï hîp víi ®èi t−îng nghiªn cøu.
∆UPP = f(I)
∆UPP = f(τ) (4.25)
∆UPP = φ(j)
ViÖc lùa chän mét trong c¸c tham sè hay chän c¶ ba tham sè phô thuéc vµo ®èi
t−îng nghiªn cøu.
C¸c qu¸ tr×nh ph©n cùc trªn bÒ mÆt tiÕp xóc gi÷a c¸c thµnh phÇn dÉn ®iÖn ®iÖn
tö vµ dÉn ®iÖn ion gÆp ë c¸c ®èi t−îng nghiªn cøu lµ ®íi quÆng ho¸ (sulfua, oxit), vØa
than biÕn chÊt cao (antraxit).
Qu¸ tr×nh ph©n cùc kÝch thÝch trªn ranh giíi tiÕp xóc gi÷a phÇn dÉn ®iÖn ion vµ
phÇn kh«ng dÉn ®iÖn hay gÆp ë c¸c lo¹i ®¸ chøa cacbonat vµ ®¸ mãng nøt nÎ kh«ng cã
quÆng ho¸ kim lo¹i.
3) ThÕ ph©n cùc kÝch thÝch
Cïng m«t gi¸ trÞ dßng ph¸t kÝch thÝch kh«ng ®æi khi tiÕn hµnh ®o ph©n cùc kÝch
thÝch nh−ng tr−êng ®iÖn kÝch thÝch thay ®æi theo ®iÖn trë suÊt cña m«i tr−êng. ThÕ
ph©n cùc kÝch thÝch th× phô thuéc vµo c−êng ®é cña tr−êng kÝch thÝch nªn sè ®o ∆UPP
chÞu ¶nh h−ëng cña ®iÖn trë suÊt cña vØa nghiªn cøu. V× thÕ trong c¸c ®¸ cã ®iÖn trë
cao, c¸c ®−êng cong ®o thÕ ph©n cùc, vÒ mÆt ®Þnh tÝnh cã d¹ng t−¬ng tù nh− ®−êng
cong ®o ®iÖn trë suÊt biÓu kiÕn vµ râ rµng nh− vËy kh«ng cho thªm th«ng tin g× trong
ph©n tÝch ®Þa chÊt.
C¸c ¶nh h−ëng cña ®iÖn trë suÊt cã thÓ bÞ h¹n chÕ ®i rÊt nhiÒu nÕu ta ®o gi¸ trÞ
hÖ sè t−¬ng ®èi1 cña thÕ ph©n cùc kÝch thÝch ηPP sau ®©y:
∆U PP
η PP = (4.26)
∆U Ra
Trong ®ã:
1. HÖ sè t−¬ng ®èi ηPP cßn cã tªn gäi kh¸c lµ: hÖ sè ph©n cùc kÝch thÝch
110
- ∆UPP - thÕ ®iÖn ph©n cùc kÝch thÝch.
∆URa - thÕ ®iÖn gi÷a hai ®iÖn cùc thu M vµ N khi cã dßng ph¸t trong m«i
tr−êng. §¹i l−îng nµy t−¬ng øng víi tÝn hiÖu ®o ®iÖn trë suÊt biÓu kiÕn.
HÖ sè ph©n cùc kÝch thÝch t−¬ng ®èi ηPP sÏ kh«ng cßn chÞu ¶nh h−ëng do sù
thay ®æi ®iÖn trë cña m«i tr−êng xung quanh giÕng khoan. V× thÕ, nã thuËn tiÖn h¬n
thÕ ph©n cùc kÝch thÝch khi nghiªn cøu l¸t c¾t giÕng khoan th¨m dß c¸c ®íi quÆng ho¸.
Khi gÆp c¸c ®íi quÆng ho¸, trªn ®−êng cong ηPP cã dÞ th−êng lín h¬n ®−êng cong ∆UPP
rÊt nhiÒu v× ë ®ã, gi¸ trÞ ∆URa rÊt nhá.
4. Ph¹m vi øng dông cña ph−¬ng ph¸p ph©n cùc kÝch thÝch
Ph−¬ng ph¸p thÕ ®iÖn ph©n cùc kÝch thÝch lµ mét trong c¸c ph−¬ng ph¸p nghiªn
cøu c¸c giÕng khoan t×m kiÕm th¨m dß c¸c quÆng r¾n vµ than. KÕt qu¶ ®o ph©n cùc
kÝch thÝch ®Æc biÖt cã hiÖu qu¶ cao ë c¸c tr−êng hîp nghiªn cøu quÆng sulfua ®a kim
vµ than biÕn chÊt cao. C¸c ®íi quÆng ho¸ hay gÆp trong ®¸ x©m nhËp vµ ®¸ biÕn chÊt lµ
c¸c ®¸ cã ®iÖn trë suÊt cao nªn cã thÓ ¶nh h−ëng ®Õn kÕt qu¶ ®o ∆UPP. Trong tr−êng
hîp ®íi quÆng giµu hoÆc x©m t¸n th× biÖn ph¸p ®o hÖ sè ηPP sÏ cã kÕt qu¶ râ rµng h¬n.
Cßn mét lÜnh vùc kh¸ hÊp dÉn khi ¸p dông ph−¬ng ph¸p ph©n cùc kÝch thÝch ®Ó
gi¶i quyÕt c¸c bµi to¸n t×m kiÕm n−íc d−íi ®Êt vµ vÒ nguyªn t¾c cã thÓ dùa vµo kÕt qu¶
®o ph©n cùc kÝch thÝch ®Ó x¸c ®Þnh ®é thÊm cña tÇng chøa n−íc.
111
nguon tai.lieu . vn
