Введение. Учебно-методическое пособие предназначено для слушателей курсов повышения квалификации специальности «Геофизика»

Учебно-методическое пособие предназначено для слушателей курсов повышения квалификации специальности «Геофизика». В учебно-методическом пособии излагаются теоретические основы общефизических свойств горных пород: плотностных, упругих, тепловых, магнитных, электрических и ядерно-физических. В составлении учебно-методического пособия использовалась хрестоматийная литература по курсу «Петрофизика» ведущих отечественных геофизиков и петрофизиков: Кобрановой В.Н., Дортман Н.Б., Зинченко В.С., Вахрамеева Г.С. и др. В первой главе рассматриваются методы изучения петрофизических параметров и методы статистического анализа петрофизических данных. В последующих главах со второй по седьмую рассматриваются основные физические свойства. В главах сначала рассматриваются основные свойства веществ и минералов (минеральных ассоциаций) и завершаются обзором общих свойств горных пород и нефтей. Восьмая глава посвящена петрофизическому моделированию. В конце каждой главы предложены контрольные вопросы, на которые слушателям необходимо ответить в письменном виде.

Глава 1. Методика петрофизических исследований

1.1. Цели и задачи петрофизики

Для того чтобы правильно истолковывать измеренные физические поля, необходимо знать физические свойства среды, обусловившие физическое поле. То есть необходимо изучать физические свойства горных пород, слагающий изучаемый объект. Физические свойства это характерные качества, присущие веществам – твердым, жидким и газообразным: это плотность, упругость, магнитность, электропроводность, теплопроводность, радиоактивность и др /4,6,8/.

Исследование физических свойств веществ являются задачей физики твердых тел, жидкостей и газов, а также ее частных наук как магнетизм, электричество, и др.

В различных областях науки и техники изучаются разные физические свойства и параметры веществ, главным образом с целью их использования в промышленности.

Исследования физических свойств в геологии и геофизики, ведущиеся для изучения горных пород и руд, являются специфическими и характеризуются своими задачами, теорией, методикой. Эта область знаний выделена в науку петрофизику. Петрофизика изучает, главным образом, свойства геологических образований (пород) создающие физические поля, которые могут быть измерены геофизическими методами. Таким образом, можно считать, что прикладная геофизика базируется на такой науке как петрофизика.

Понятие «Петрофизики» было введено немецким геофизиком Ф. Фрёлихом в 1953 году, как прикладной раздел наук о Земле. Петрофизика находится на стыке таких наук как геология (петрология, литология, гидрогеология, инженерная геология и др.), геофизика (глубинная, региональная, разведочная) и физика вещества. В «западной» терминологии петрофизика имеет более широкое понятие и включает так же интерпретацию данных геофизических исследований скважин (ГИС).

Петрофизика предусматривает изучение /8/:

· физических величин (проницаемость, электропроводность, радиоактивность и др.), включающие понятия этих величин, единиц измерений;

· физических и физико-химических процессов, происходящих в горных породах, во время которых проявляется их физические и физико-химические свойства;

· предельные, средние, медианные и модальные значения (вариационные ряды) петрофизических величин и характеристик для типов и групп пород;

· связей петрофизических величин между собой и с другими величинами;

· локальных и региональных площадных изменений петрофизических величин, связанных с особенностями геологического строения тел или регионов, процессами магматизма, седиментации, деятельностью подземных вод, залежами полезных ископаемых;

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 ρ_k), 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).

Оптимальная ширина интервала может быть вычислена по формуле Стерджесса:

, (1.1)

где x_max, x_min – пределы распределения параметра; N – число значений в распределении.

Для характеристики петрофизической группы требуется не менее 20-30 образцов. Приведенный пример (таблица 1.1 и рис.1.2) взят из «Справочника геофизика. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых» под ред. Н.Б.Дортман, 1984г.

Таблица 1.1.

Пример составления вариационного ряда плотности пород

Интервал изменения плотности, г/см3	Частота ΔN	Частость , %	Накопление частоты ΣΔN	Накопление частоты , %
2,5-2,52 2,52-2,54 2,54-2,56 2,56-2,58 2,58-2,6 2,6-2,62 2,62-2,64

На вариационных кривых частость обозначена через N

На основании вариационного ряда может быть построена вариационная кривая и гистограмма или кривая накопления частот (рис.1.2).

Рис.1.2. Вариационные кривые и гистограммы распределения плотности

Форма вариационной кривой или гистограммы служат основным качественным критерием для выяснения правильности выделения петрофизической группы. Распределение параметра плотности и скорости распространения упругих волн в породах, не подвергшихся вторичным изменениям, обычно подчиняются нормальному закону, магнитная восприимчивость и намагниченность – логнормальному. Нормальный закон описывается функцией:

, (1.2)

где x – значение параметра; - среднее арифметическое значение параметра; St - стандарт распределения параметра.

Логнормальный закон описывается функцией:

, (1.3)

где y – значение параметра; - среднее арифметическое значение логарифмов параметра; St - стандарт распределения логарифмов параметра.

С целью проверки соответствия распределения тому или иному закону используют кривые накопленных частот, построенные в специальном вероятностном масштабе. В случае соответствия исследуемого распределения нормальному или логнормальному законам график будет выражаться прямой линией. Резкое несоответствие является показателем неоднородности совокупности/8/.

Вариационные кривые распределения петрофизических свойств пород, состоящих их нескольких максимумов, каждый из которых соответствует той или иной группе.

1.5. Построение петрофизических карт и разрезов

В данном параграфе представлены основные требования и положения для составления петрографических карт и разрезов рекомендованные «Справочником геофизика. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых» под ред. Н.Б.Дортман, 1984г.

Наиболее полное и наглядное представление о распределении физическох свойств геологических образований в дают карты:

1) петрофизические, отражающие распределение в плане петрофизических групп горных пород (или геологических формаций);

2) физических параметров, показывающие значения физических параметров пород (толщ) без учета их типа и состава;

3) специализированные – карты приведенных аномальных значений физических свойств горных пород, палеомагнитные и др.

Петрофизические карты

В основе легенд петрофизических карт лежит петрофизическая классификация горных пород, т.е. подразделение и группирование по физической характеристике пород различных генетических типов и петрографического (литологического) состава.

Классификацию пород района проводят с учетом их возраста или структурно-формационных комплексов. Карты строят раздельно – петроплотностные, петромагнитные, петроскоростные и др.

При построении карт стремятся:

· возможно полнее показать физическую латеральную неоднородность геологических образований района;

· отразить наиболее существенные закономерности изменения физической характеристики пород разного генезиса и состава;

· с наибольшей детальностью показать физическую характеристику рудоносных, угленосных и нефтегазоносных формаций и зон околорудных изменений (на крупномасштабных картах).

Петрофизические карты или карты физических свойств пород (петроплотностная, петромагнитная, петроэлектрическая, петроскоростная и др.), полученные по данным лабораторных измерений на образцах, являются фактической основой для петрографического (литологического) картирования изучаемой площади.

Масштабы карт определяются густотой точек наблюдения (средние расстояния между точками должны быть не больше 1 см в масштабе карты). Сечение изолиний на картах зависит от точности съемки и должно быть в 3 раза больше среднеквадратических или арифметических ошибок наблюдений.

Рекомендуется группировать физические свойства по интервалам их изменения буквенными индексами в алфавитном порядке.

Так, для плотности при σ<2 г/см³ вводится индекс а, далее с ростом σ на 0,05 г/см³ группам придаются индексы в виде букв русского алфавита: при σ = 2-2,05 (б), 2,05-2,10 (в), 2,10-2,15 (г),..., >3,2 (я).

Магнитная восприимчивость большинства ферро- и парамагнитных пород с χ < 100*10^-5 ед. СИ обозначается заглавной буквой А, а далее обозначают: при χ = 100-300 (Б), 300-700 (В), 700-1500 (Г) и т.д. (с увеличением интервала группирования вдвое при χ >40000*10^-5 ед. СИ (К)).

Для скоростей продольных волн вводится латинский алфавит: при V_p = 2,0-2,3 км/с (а) и далее скорости с интервалом 0,3 км/с обозначаются 2,4-2,7 (b), 2,8-3,1 (с), 3,2-3,5 (d),..., 7,6-7,9 (v).

При необходимости дается более дробная индексация: a1, a2,..., A1, A2,..., d1, d2 и т.п.

Один или несколько интервалов группирования физических свойств, соответствующие определенным литологическим или стратиграфическим образованиям на геологической карте, заштриховываются или закрашиваются в соответствии с правилами оформления геологических карт. При достаточном количестве и качестве геологических данных, в том числе петрографических определений образцов, ведется петрографическое (литологическое) группирование пород по физическим свойствам.

Сначала выделяются основные генетические типы пород: магматические (интрузивные и эффузивные), метаморфические и осадочные, затем их подразделения (ультраосновные, основные, кислые, карбонатные, песчано-обломочные, глинистые) и, наконец, при достаточной информации дается более точный петрографический (литологический) состав.

Наиболее важно на картах выделить полезные ископаемые, характеризующиеся экстремальными значениями физических свойств.: