Петрофизика (стр. 2 из 20)
Петрофизическая характеристика геологических образований составляет основу геофизики /4,6,8/. Характер распределения значений отдельных петрофизических величин в пределах геологических тел необходимо знать как для правильного проектирования полевых геофизических исследований, так и для истолкования их результатов. Важнейшее значение петрофизика имеет при геофизических исследованиях скважин, когда по комплексу измеряемых в скважине физических величин определяют вскрытые породы, выделяют среди них полезные ископаемые и оценивают их запасы.
Петрофизика применительно к геологическим наукам это область исследований физических свойств горных пород и руд с целью изучения геологического строения отдельных регионов, поисков и разведки полезных ископаемых.
Основными разделами петрофизики являются /4,6,8/:
· исследования природы каждого из многочисленных физических свойств горных пород, зависимости их от факторов различной природы;
· построение физической модели среды как непосредственно через измеренные свойства, так и по данным физико-математической интерпретации результатов различных геофизических методов;
· построение физико-геологических моделей среды (ФГМ) в ходе геологического истолкования геофизических материалов.
Физические свойства по природе и характеру закономерных изменений подразделяются на три группы (рис.1.1) (Дортман Н.Б., 1992):
I группа – плотность, упругость (скорость упругих волн, упругие модули), температура плавления – эти свойства обусловлены электронным строением и массой ядер атомов;
II группа – электрическая проводимость (и электрическое сопротивление), магнитная восприимчивость и намагниченность, теплопроводность и другие тепловые свойства – связаны с особенностями строения электронных орбит;
III группа – радиоактивные свойства – зависят от строения атомных ядер.
В общем случае периодичность изменения атомных радиусов элементов в периодической системе Д.И.Менделеева определяет периодичность изменения физических свойств I и II групп, направленное возрастание массы атомов обуславливает направленное изменение свойств II группы.
Рис.1.1. Схема связи физических свойств пород с атомным строением химических элементов
Комплекс работ при изучении петрофизических характеристик района (или целого региона) включает следующие виды исследований (Дортман Н.Б., 1984):
1. Определение физических свойств (плотности, намагниченности, скорости упругих волн, электрических свойств, радиоактивности, теплопроводности) различных геологических тел (однородных по физической характеристике) по геофизическим данным in situ (на поверхности и в скважинах).
2. Лабораторные исследования физических свойств горных пород и полезных ископаемых совместно с изучением петрографических и минералогических особенностей, включающих:
· Отбор образцов горных пород, в том числе коллекторов нефти и газа, руд, углей.
· Измерение физических свойств; петрографические, минераграфические определения;
· Статистическая обработка данных.
3. Изучение физических свойств горных пород на установках высокого давления и температуры.
4. Построение петрофизических карт и петрофизических разрезов на основании петрофизической классификации пород региона.
1.2. Методы изучения физических свойств
Физическую характеристику можно определить по полям, измеренных на поверхности земли, в воздухе, в скважинах, по физическим свойствам образцов горных пород. Аэро- и наземные съемки позволяют получить физическую характеристику пород в естественном залегании на различных глубинах, в том числе на глубинах недоступных бурению. Геофизические исследования скважин (ГИС) устанавливают характер линейного распределения исследуемых свойств в естественных условиях /4,6,8/.
Лабораторные методы позволяют получить высокую точность определения физического параметра в образце. Свойства образца при этом не всегда точно отражают свойства породы в естественном залегании. Так как физическое состояние образца в лабораторном эксперименте не соответствует породе, находящейся в естественном залегании в условиях обводненности, механических и тепловых напряжений и т.д. Кроме того, образец имеет различные приделы изменения состава. Играет роль и масштабный коэффициент, т.е. несовпадение малых объемов изучаемых образцов (истинные свойства) и больших объемов массивов (пластовые и осредненные свойства толщ) горных пород. Поэтому величины физических свойств, измеренных на образцах в лабораторных условиях и в естественном залегании, отличаются.
Однако большинство геологических (литология, механический состав, глинистость, пористость, статические деформационно-прочностные, некоторые водные свойства), а также физических (плотность, магнитные, электрические, упругие, тепловые, ядерные) свойств горных пород определяются в лабораторных условиях на образцах, взятых из обнажений, горных выработок и скважин (керн).
Некоторые свойства, например, деформационно-прочностные, магнитные (каппа-метрия), упругие (ультразвуковые) и др., определяются на опытных площадках, где коренные породы выходят на поверхность.
Водные свойства изучаются с помощью специальных гидрогеологических исследований (наливы воды в шурфы, откачки ее из скважины).
1.3. Характеристика основных геофизических свойств горных пород.
Свойства горных пород, получаемые в результате интерпретации данных геофизических методов исследования, необходимы в начале для петрофизического, а в последствии для геологического истолкования результатов и определения геологических свойств. Остановимся на краткой характеристике основных физических свойств горных пород /9/.
Латеральные (плановые) изменения плотности горных пород приводят к появлению гравитационных аномалий, или аномалий приращения силы тяжести. Плотность разных пород изменяется в диапазоне от 1 до 3,5 г/см3 в зависимости от плотности минерального скелета, пустотности (пористости и трещиноватости), водогазонасыщенности, а также других факторов.
Все горные породы, находящиеся в магнитном поле, намагничиваются по-разному, так как обладают различными магнитными свойствами. Основным магнитным параметром горных пород является магнитная восприимчивость (каппа), представляющая собой коэффициент пропорциональности между интенсивностью намагничивания и напряженностью намагничивающего геомагнитного поля. Есть еще физическая величина как намагниченность, которая является магнитным моментом единицы объема и состоит из двух компонентов- индуцированного и остаточного магнитных моментов.
Большинство методов электроразведки основаны на определении удельного электрического сопротивления, измеряемого в Ом*м, или обратного ему параметра - электропроводности, измеряемой в сименсах (См). В практике электроразведки сопротивление часто определяют по кажущемуся сопротивлению (КС или ρk), являющемуся сложной функцией параметров геологического разреза.
Главными факторами, влияющими на величины продольной скорости и поперечной скорости, являются: наличие структурных связей в породах жестких и отсутствие связей в рыхлых песчано-гравийных породах. Скорости увеличиваются с уменьшением пустотности (первичной пористости и вторичной трещиноватости), а для продольных волн - и водонасыщенности. Скорости поперечных волн не зависят от того, чем заполнены пустоты: воздухом или водой, а в жидкостях они не распространяются.
В терморазведке измеряемыми параметрами являются температура горных пород в градусах Цельсия (С°) или Кельвинах (К), градиенты температуры и величины теплового потока из земных недр в Вт/м2 . По ним рассчитываются основные тепловые (теплофизические) свойства: теплопроводность (в Вт/К*м), теплоемкость, температуропроводность.
Ядерно-физические свойства горных пород разделяются на естественные (радиоактивность) и искусственные (гамма-лучевые и нейтронные). Среди более 200 радиоактивных элементов наиболее распространены в земной коре: уран (U) - ~2*10-4 %, торий (Th) - ~7*10-4 % и калий-40 (К) - ~1,8 % (вместе около 99 %). Количественную оценку радиоактивности в радиометрии чаще всего рассчитывают в единицах уранового эквивалента: 1 eU = 1 Ur = 10-4 % U. Урановый эквивалент - это такая концентрация (масса) естественных радиоактивных элементов (ЕРЭ), которая эквивалентна излучению урановой руды с концентрацией урана 10-4 %. Радиоактивность горных пород определяется радиоактивностью минералов, содержащих ЕРЭ.
Гамма-лучевыми и нейтронными свойствами горных пород определяется их реакция при облучении их гамма-лучами или нейтронами разных энергий и длительности. По эффектам взаимодействия с ядрами и электронами атомов минералов, приводящим к замедлению, рассеянию и поглощению нейтронов, можно судить о химическом составе элементов, а также о плотности, пористости.
1.4. Статистические методы обработки определений физических свойств.
Статистическая обработка материалов состоит из двух этапов: предварительной обработки и математического анализа. Предварительная обработка заключается в составлении каталогов данных о составе и физических свойствах пород. Математический анализ позволяет установить основные закономерности изменения физических параметров и выделить петрофизические группы и ассоциации /4,8/.
При выделении петрофизических групп пород применяется метод группирования по наиболее общим и устойчивым признакам: генетическому типу, составу, текстурно-структурными особенностями, диагенезу и метаморфизму.
Для выяснения распределения физического параметра в пределах предварительно выделенной петрофизической группы используют вариационный ряд, где каждому значения параметра x или интервалу его изменения ΔN соответствует определенная повторяемость значений параметра (частота).