Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московской области

Международный университет природы, общества и человека «Дубна»

Факультет естественных и инженерных наук

Кафедра общей и прикладной геофизики

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине «Геофизические исследования скважин»

На тему:

Методы ГИС при поиске и разведке угольных месторождений

Оглавление

• Введение
• Глава 1. Общие сведения об угольных месторождениях. Классы угольных месторождений
• Глава 2. Типовые комплексы ГИС для исследования скважин и выделения угольных пластов
• 2.1 Методы электрометрии
• 2.2 Методы радиоактивного каротажа
• 2.3 Нейтронные методы каротажа
• 2.4 Каротаж на основе сейсмоакустических полей
• Глава 3. Задачи ГИС при поиске и разведке угольных месторождений. Методы, применяемые для исследования и решения задач
• Заключение
• Список литературы

Введение

Геофизические исследования скважин - это комплекс физических методов, основанный на изучении естественных и искусственных полей используемых для изучения горных пород в околоскважинном и межскважинном пространствах, а также для контроля технического состояния скважин.

Геофизические исследования скважин делятся на две обширные группы методов - методы каротажа и методы скважинной геофизики.

Каротажем - называют геофизические исследования, основанные на измерении параметров физических полей в околоскважинном пространстве. Методы служащие для изучения межскважинного пространства называют - скважинной геофизикой, это геофизические исследования, выполняемые с целью изучения массива горных пород в окрестностях скважины и между скважинами на расстояниях от долей до сотен метров.

До создания ГИС исследование образца горной породы, извлеченной из скважины, полученным в процессе бурения было главным источником информации о продуктивности вскрываемых пластов. В настоящее время эти задачи решаются в основном с помощью геофизических исследований скважин.

Методы ГИС применяются при поисках, разведке и разработке нефтегазовых, угольных и рудных месторождений. Основные задачи, решаемые методами ГИС, состоят в литологическом расчленении разреза скважин, выявлении пластов бурых и каменных углей, антрацитов и горючих сланцев, определении их мощности и строения.

Исследование скважин проводят в процессе разведки, опытной и промышленной эксплуатации с целью получения исходных данных для определения запасов, проектирования разработки месторождений, обустройства промысла, установления технологического режима работы скважин, обеспечивающего их эксплуатацию при оптимальных условиях без осложнений и аварий, оценки эффективности работ по интенсификации и контроля за разработкой и эксплуатацией месторождения.

Глава 1. Общие сведения об угольных месторождениях

Твердые горючие полезные ископаемые по количеству добываемого сырья, морфологическим особенностям месторождений, составу окружающих горных пород и физическим свойствам похожи на нерудные полезные ископаемые. Поэтому иногда нерудную и угольную геофизику объединяют в один прикладной раздел геофизики.

Роль ГИС при поисках разведке и эксплуатации угольных месторождений весьма значительна. В большей степени это касается угольных месторождений, поскольку из-за низкой механической прочности углей вынос керна из них весьма мал. Рассмотрим более подробно месторождения угольных полезных ископаемых.

Классы угольных месторождений

Угли и близкие к ним по свойствам горючие сланцы залегают в виде пластов или протяжных линз в песчано-глинистых, реже всего в карбонатных породах. Пласты углей и горючих сланцев имеют мощность от нескольких сантиметров до десятков метров.

Физические свойства углей зависят от степени их метаморфизма, влажности, трещиноватости и минерального состава. Существуют угли бурые, каменные и антрациты.

Бурые угли характеризуются сравнительно небольшим содержанием углерода (60-70%) и значительной влажностью (до 40%). Каменные угли содержат 80-95% углерода и до 5% влаги. Антрациты, отличающиеся наибольшей степенью метаморфизма, включают более 95% углерода и практически не содержат влаги. (Геофизические исследования скважин, И.Ю. Горбачев, М., Недра,1990).

Угольные месторождения подразделяются на четыре класса с маркой углей, указанными в Таблице 1.

Первый класс месторождений - буроугольные с землистыми (), плотными матовыми и блестящими бурыми углями. Характеризуются низким УЭС, скоростью и плотностью, а также малыми отрицательными значениями ПС. (Рисунок 4, а)

Второй класс месторождений - каменноугольные, содержащие угли переходные от бурых к каменным (Б-Д) и каменные: длиннопламенные (,), газовые (Г), жирные (Ж), коксовые (К), отощенно-спекающиеся (ОС) и тощие (). Характеризуются высоким УЭС, значительными отрицательными потенциалами ПС и некоторым увеличением плотности. Скорость упругих волн с повышением степени метаморфизма понижается, становится минимальной к коксовым углям, а затем начинает нарастать, достигая максимума в антрацитах. (Рисунок 4, б)

Третий класс месторождений с тощими углями () и полуантрацитами (П). Угли этого класса по отношению к предыдущему классу характеризуются резким снижением удельного сопротивления вследствие появления в них наряду с ионной и электронной проводимости. (Рисунок 4, в)

Четвертый класс месторождений полуантрацитов () и антрацитов (-), в которых преобладает электронная проводимость. Угли характеризуются снижением общей пористости, низкими сопротивлениями, высокими значениями потенциалов собственной и вызванной поляризации, плотности и скорости распространения упругих колебаний. (Рисунок 4, г)

Несмотря на рост плотности углей по мере увеличения степени метаморфизма, она всегда остается на 0,4-1,0 г/см ниже плотности вмещающих пород. Угли обладают сравнительно низким эффективным атомным номером, обусловленным их высоким углеродосодержанием.

Уголь состоит из органической массы, минеральных примесей и влаги. Содержание влаги изменяется для бурых углей от 5 до 20%, для каменных до 5% и для антрацитов от 1 до 3%. Влажность угля увеличивается с увеличением содержания минеральных примесей.

Таблица 1

Классы угольных месторождений

Основную часть минеральных примесей составляют глинистые минералы, сульфиды железа, кварц, карбонаты кальция и железа. Остальные минералы имеют подчиненное значение и практически не оказывают влияния на физические свойства углей.

По мощности различают угольные пласты: тонкие, мощность до 1,3 м и мощные - более 3.5м.

Важным показателем качества углей является их зольность, выражаемая в процентах от массы, и представляющая собой негорючий остаток от сжигания угля. Средняя зональность угольного пласта зависит от соотношения мощностей породных и углистых прослоев и зональности последних. Зольность угольных пластов составляет от нескольких процентов до 50 %, у глинистых пород от 50 до 80%, неглинистых пород - свыше 80 %.

Для детальных геологических исследований, решения вопроса о наличии полезных ископаемых, а также для подсчетов их запасов бурят скважины, которые изучают с помощью геофизических методов исследования скважин. (Состав и физические свойства горных пород и полезных ископаемых, справочник геофизика, М., Недра, 1984)

Глава 2. Типовые комплексы ГИС для исследования скважин и выделения угольных пластов

Ведущими наземными и скважинными методами разведки угольных месторождений являются электрические. Это объясняется характерными свойствами углей, удельное электрическое сопротивление которых изменяется в очень широких пределах от до Ом•м. Оно зависит от химико-технологических характеристик угля, степени их углефикации и обводненности. Под химико-технологическими характеристиками понимают качественный и количественный состав органической массы, а также количество твердой негорючей массы, называемой золой. На величину электрического сопротивления оказывает влияние в основном зольность углей. При переходе от малозольных (негорючий остаток меньше 10%) к среднезольным (10-30%) и высокозольным (золы больше 30%) бурым и каменным углям сопротивление уменьшается в 3-5 раз. Наоборот, у хорошо проводящих ток антрацитов с увеличением зольности сопротивление растет.

Антрациты и графит, являясь электронными проводниками, отличаются высокой электропроводимостью, электрохимической активностью и поляризуемостью. В зависимости от литологии и степени метаморфизма и обводненности угли могут отличаться как высоким, так и низким электрическим сопротивлением от вмещающих пород. Иногда их электрическое сопротивление такое же, как у вмещающих пород. Кроме того, угольные пласты характеризуются пониженными, по сравнению с вмещающимися породами, плотностью. Скоростью упругих волн, повышенной поляризуемостью.

Сланцы, торф отличаются от окружающих пород пониженными значениями плотности, скорости распространения упругих волн, электрохимического сопротивления. Рассмотрим более подробно комплексы ГИС, применяемые для исследования разреза скважин и выделения угольных пластов.

2.1 Методы электрометрии

Классическим электромагнитным методом является электрический каротаж методом КС кажущихся сопротивлений. Исследования выполняются с использованием искусственно созданного поля. Одновременно с методом КС производится регистрация потенциалов постоянного естественного электрического поля, т.е. потенциалов собственной поляризации - ПС. Схема электрического каротажа КС и ПС приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема электрического каротажа КС и ПС: 1 - генератор, 2 - измеритель, 3, 4 - фильтры, А, В - питающие электроды, М, N - измерительные электроды

Метод КС выполняется посредством электропрофилирования по стволу скважины с помощью осевых электроразведочных установок. На каждом конкретном месторождении при записи кривых КС выбираются оптимальные условия их регистрации, то есть те, которые в наилучшей степени позволяют выделить границы пластов и охарактеризовать их литологическую принадлежность.

Индукционный каротаж (ИК) - электромагнитный метод, основанный на измерении кажущейся удельной электрической проводимости у_к, то есть параметра у_э = 1/с, который измеряется в единицах Сим/м. Сущность метода в электромагнитном профилировании по стволу скважины.

Осевая установка ЭМП, состоящая из генераторной(Г_к) и приемной (И_к) катушек и представляет собой специальный конструкции зонд. Расстояние между катушками составляет длину зонда L. Зонд является составной частью скважинного прибора, содержащего электронную схему рисунок 2.

Рисунок. 2. Схема скважинного прибора индукционного каротажа

Метод потенциалов самопроизвольной поляризации (ПС или СП) основан на измерении естественного постоянного электрического поля Земли, дополнительно деформированного влиянием скважины. Это поле создается в основном вследствие окислительно-восстановительных фильтрационных и диффузионно-адсорбционных процессов. Последние приводят к существованию на границах разделов сред двойных электрических слоев, суммарный потенциал которых и характеризует интенсивность поля ПС. Метод ПС простой, но весьма эффективный, входящий в обязательный комплекс ГИС угольных скважин. Измерение потенциалов естественного поля (U_сп) сводится к замеру разности потенциалов между подвижным электродом М и неподвижным электродом N, находящимся на поверхности Рисунок 3.

Рис. 3. Схема измерений методом ПС

Рисунок 4. Диаграммы ПС (1) для углей. а, б - бурые угли низкого и высокого УЭС, в - тощих, г - антрацитов 3 - песчаник, 4 - алевролит, 5 - аргиллит, 6 - угли

2.2 Методы радиоактивного каротажа

Основные методы РК, которые применяются при поиске и разведке угольных месторождений - это гамма-каротаж.

Метод гамма-каротажа (ГК), создан на основе поля естественной радиоактивности, а на основе наведенной радиоактивности методы гамма- гамма-каротажа (ГГК) и методы нейтронного каротажа (НК).

При каротаже ГК измеряют естественную радиоактивность (J_г) в скважине с помощью специального скважинного прибора, содержащего электронную схему и индикатор гамма-излучения. В современных комплексных приборах РК, ГК являются отдельным модулем. Кроме того, канал ГК может быть частью любого комплексного прибора ГИС. В качестве индикаторов гамма излучения используется газоразрядные и сцинтилляционные счетчики. В качестве сцинтилляторов применяют монокристаллы йодистого натрия NaJ или йодистого цезия СsJ, активированные для увеличения световыхода таллием Tl. Световая вспышка (сцинтилляция) преобразуется в электрический импульс и усиливается в 10⁵-10⁶ раз с помощью фотоэлектронных умножителей. Последний подключается к электронной схеме. Сигналы со скважинного прибора передаются по кабелю в наземную панель и регистрируется либо в цифровом, либо в аналоговом виде. ГК являются основным методом в стандартном комплексе ГИС и эффективно используется совместно с методами КС и ПС для литологического расчленения разрезов.

Метод гамма-гамма каротажа (ГГК), или плотностной гамма-гамма метод (ГГК-П) создан на основе Комптон-эффекта. Второй процесс взаимодействия г-квантов с веществом - фотоэффект положен в основу метода гамма-гамма селективного каротажа (ГГК-С). При ГГК-П используются «жесткие» источники гамма-квантов. Cо⁶⁰, Cs¹³⁷, а при ГГК-С мягкие источники гамма-квантов Тm¹⁷⁰, Se¹²⁴.

ГГК-П применяют для определения плотности горных пород и оценки качества крепления скважин. Скважинный прибор или модуль в комплексном приборе включает зонд ГГК-П, состоящий из источника и индикатора гамма-квантов (Рисунок 5).

Источник помещается в прибор только во время каротажа, а в остальное время перевозится или хранится в специальном контейнере. Для уменьшения влияния скважины прибор снабжается прижимным устройством. Обязателен свинцовый экран, который с одной стороны защищает индикатор от прямого «первичного» гамма-излучения, а с другой снижает действия гамма-излучения промывочной жидкости. Следует отметить, что имеется аппаратура ГГК в которой на основе источников жесткого гамма-излучения осуществляется разделение гамма квантов низкой и высокой энергий за счет спектрометрии. При этом логарифм отношения скоростей счета мягкой и жесткой компонент однозначно связан с содержанием тяжелых элементов.

Рисунок 5 Схема зонда ГГК

2.3 Нейтронные методы каротажа

Нейтронные методы каротажа (НК) В число методов входят: 1) нейтронные гамма-каротаж (НГК), Скважинные приборы НК имеют подобную конструкцию. Зондовое устройство аналогично таковым в методах ГГК и ГГК-С (Рисунок 6)

Источник нейтронов является ампульным и во время каротажа подсоединяется к прибору вместе с хвостовиком. Последний хранится и перевозится в специальном защитном устройстве (как и в методах ГГК должны соблюдаться меры безопасной работы с радиоактивными веществами).

Рисунок 6. Схема зондов нейтронных методов каротажа

Модификации НК зависят главным образом от типа детектора и окружающих его фильтров.

2.4 Каротаж на основе сейсмоакустических полей

Методы акустического каротажа (АК) основаны на возбуждении упругих волн в полосе частот f = 1-10 кГц. Существует несколько модификаций зондов АК. Наибольшее распространение получили трехэлементные зонды. Они состоят из одного излучателя и 2-х приемников или в силу принципа взаимности, наоборот - одного приемника и 2-х излучателей (Рисунок 7).

Трехэлектродным зондом регистрируют параметры:

1) tp₁ - время первого вступления первого приемника,

2) tp₂ - время первого вступления второго приемника,

3) ?t - интервальное время - разница времен прихода головной волны на второй и первый приемники,

4) А1 - амплитуда сигнала на первом приемнике в заданной точке,

5) А2 - амплитуда сигнала на втором приемнике в заданной точке, 6) б - коэффициент поглощения.

Рисунок 7. Схема трехэлементного зонда АК

L_3-1, L_3-2- длины зондов, ?L - база зонда, П1, П2 -приемники, И - излучатель

?t = ?L/V и б = ln (A₁/A₂) / ?L

Наиболее информативной в АК является кривая ?t. Базу выбирают в соответствии требуемой разрешающей способностью. Чем меньше ?L, тем более тонкие пласты могут быть выделены.

геофизический каротаж скважина угольный пласт

Глава 3. Задачи ГИС при поиске и разведке угольных месторождений

Комплексы геофизических методов определяют исходя из поставленных геологических, задач, ориентируясь на последние достижения геофизики и ее возможности, а также на требования угольной промышленности к качеству и достоверности угольных месторождений.

К геологическим задачам, в первую очередь, относят методы, используемые для выявления угольных пластов, определения их синонимики, литологического расчленения и корреляции разрезов скважин, выявление полезных ископаемых и определение параметров, необходимых для подсчета запасов. Выделения тектонических нарушений, называют поисковыми геофизическими методами, а их совокупность - детализационным комплексом методов.

К техническим задачам относят изучение инженерно-геологических и гидрогеологических особенностей разрезов, изучение технического состояния скважин, контроль разработки месторождений нефти, газа и угля, проведение прострелочно-взрывных работ.

Комплексные геофизические исследования в скважинах служат также для определения зональности, плотности, пористости механического и петрографо-минерального состава угля и окружающих пород, оценки их физико-механических свойств и прочности, что необходимо для выбора способа крепления выработок.

В ходе интерпретации материалов устанавливают корреляционные зависимости между геофизическим параметрами и перечисленными физико-химическими свойствами углей.

Решение стоящих перед ГИС задач в сложных условиях скважинной геометрии требует всестороннего изучения физических свойств среды. В связи с этим существует большое число методов ГИС, которые объединяют в несколько групп. Основные из них

-- электрические, электромагнитные, ядерно-физические и акустические методы.

Схема установки проведения ГИС приведена на рисунке 8. Она содержит: скважинный измерительный прибор - зонд конкретного метода ГИС 1, спускаемый на кабеле 2. Кабель намотан на барабан лебедки каротажного подъемника 5, установленной на транспортном средстве 6. В зонде располагаются датчики физических величин и электронные узлы, питаемые по кабелю. Прибор опускается в скважину через направляющий блок 4 и блок-баланс 3. Сигналы от датчиков зонда передаются по кабелю на поверхность через соединительный кабель 8 в геофизическую лабораторию 7. В ней ведется аналоговая или цифровая регистрация. (Геофизические исследования скважин. Геофизика, под редакцией В.К. Хмелевского, М., 2012)

Рисунок 8 Схема установки проведения ГИС

1 - Скважинный прибор,

2 - каротажный кабель,

3,4 - подвесной и наземный блок-балансы,

5 - каротажная лебедка,

6 - операторская подъемника,

7 - измерительный блок (модуль),

8 - операторская каротажной станции,

9 - соединительные провода.

Методы, применяемые для исследования и решения задач

Геологическое расчленение разрезов скважин и, в частности, определение литологии, выявление пластов углей и горючих сланцев, определение мощности и строения слоев, оценка качества - главное назначение геофизических методов исследований скважин.

Литологическое расчленение разрезов угольных скважин выполняется по диаграммам поисковых комплексов ГИС, которые разрабатываются и применяются для определенных типов месторождений.

На диаграммах, полученных разными методами, выделяются аномалии: максимумы, минимумы, положительные, отрицательные, повышенные, пониженные, средние, нулевые значения тех или иных параметров поля. Производится расчленение разреза на пласты, выясняются их положение и мощность, которая может быть определена по ширине большинства аномалий. Основными методами являются Гамма-каротаж (ГК), Гамма-гамма-плотностный каротаж (ГГК-П), Нейтронный-гамма каротаж (НГК), методы электрометрии - Кажущегося сопротивления (КС), Индукционный каротаж (ИК), Потенциалов самопроизвольной поляризации (ПС). Трещиноватые и разуплотненные породы, а также минерализованные разности выделяют с помощью кавернометрии, методов Акустического каротажа (АК), Гамма-гамма-плотностного каротажа (ГГК-П), Кажущегося сопротивления (КС), Нейтронного-гамма каротажа (НГК).

Выявление пластов углей и горючих сланцев проводят комплексом ГИС, аналогично применяемому для литологического расчленения разрезов. Угли первой и второй (бурые и каменные), отличающиеся повышенной пористостью, можно выделить с помощью НГК. В сложных случаях для повышения надежности выделения угольных пластов первой и второй групп, а также для корреляции разрезов скважин применяют методы КС, ПС, токовый каротаж, метод потенциалов (МЭП).

Выделение пластов третьей и четвертой групп - антрацитов и полуантрацитов проводят с помощью методов КС, ПС, МЭП. (Рисунок 9). Метод МЭП обеспечивает выделение продуктивных прослоев. В сложных случаях для интерпретации привлекают данные ГГК-П, НГК, ГК, КС, ИК.

Рисунок 9. Пример выделения пласта антрацита и изучение его строения: 1 - антрацит, 2 - высокозольный антрацит, 3 - углистая порода, 4 - порода со следами угля

Оценка зольности углей и горючих сланцев может быть выполнена на основе корреляционных связей между этим параметром и показаниями методов ГИС. С зональностью связаны естественная радиоактивность, удельное электрическое сопротивление, плотность, эффективный атомный номер. При увеличении зольности УЭС каменных и бурых углей убывает, а у антрацитов возрастает. Плотность углей с увеличением зольности растет, что позволяет применять для оценки зольности ГГК-П. при этом точность оценки не высока.

Тесная связь существует между зольностью и эффективным атомным номером, так как величина Zэф определяется соотношением органической и минеральной компонент углей и горючих сланцев. В этой связи можно применить метод ГГК-С. Преимуществами обладает имеющая большую разрешающую способность микромодификация ГГК-С. На Рисунке 10 представлен график зависимости интенсивности рассеянного гамма-излучения от зольности, полученной с зондом ГГК-С.

Рисунок 10. Зависимость показаний микромодификации ГГК-С от зольности углей

Далее проводится корреляция одинаковых по виду аномалий по соседним скважинам. Сначала выделяются опорные горизонты, участки диаграмм, которые связаны с выдержанными по простиранию пластами, четко отличающимися по физическим свойствам от окружающих пород. Затем по каротажным диаграммам соседних скважин проводится корреляция всех слоев с одинаковым типом и формой аномалий. Пример корреляции разрезов скважин. (Рисунок 11)

Следующий этап интерпретации - сопоставление полученных по аномалиям разных методов каротажа пластов с определенными литологическими комплексами, или геологическое истолкование результатов. Для увязки геофизических данных с литологией используют все сведения по геологическому строению района, в том числе данные картировочного бурения, поинтервального отбора керна, анализа образцов, полученных с помощью грунтоносов, а также шлама и буровой жидкости в процессе проходки скважин.

Рисунок 11. Корреляционная схема. Расстояние между скважинами а-д - 200-700 м, диаграммы 1 - ГГК-С, 2 - ГК; породы 3 - известняк, 4 - горючие сланцы, 5 - песчаник, 6 - аргиллит

В результате сопоставления геологических данных с типичными диаграммами каротажа, полученными разными методами, составляют нормальные или сводные геолого-геофизические разрезы, которые служат "эталоном" для интерпретации всех материалов каротажа в данном районе. При подготовке этих разрезов используют диаграммы, полученные стандартными зондами, однотипной аппаратурой, с учетом характера бурового раствора, обсадных колонн и т.д. При сопоставлении нормальных или сводных геолого-геофизических разрезов, а также при интерпретации материалов используют наборы типичных аномалий геофизических параметров, полученных теоретическим и экспериментальным путем.

По данным интерпретации диаграмм каротажа и корреляционных разрезов в изученном районе можно построить геологические разрезы, структурные карты, карты мощностей и решить другие геологические задачи. Использование данных ГИС позволяет надежно увязать разрезы скважин и получить представлении о месторождении в целом.

Заключение

Эффективное решение геологических и технологических задач возможно только на основе комплексного применения геофизических методов. Сходство задач и способов их решения для различных районов позволяет устанавливать типовые комплексы геофизических исследований скважин, пробуренных с целью поисков и разведки полезных ископаемых. Комплексы методов ГИС, применяемые при разведке угольных и рудных месторождений обусловлены спецификой решаемых задач и петрофизическими особенностями пород, слагающих соответствующие разрезы.

Зольность и другие характеристики качества углей определяют с помощью корреляционных зависимостей между показателями качества и геофизическими параметрами. Для исключения неоднозначности в определении показателей и внесения поправок применяют комплексы ГИС, позволяющие определить следующие параметры: удельное электрическое сопротивление или электропроводность.

Роль ГИС при поисках разведке и эксплуатации угольных месторождений значительна.

В данной курсовой работе были теоретически изучены основные методы ГИС при поиске и разведке угольных месторождений.

Список литературы

1. Геофизические методы исследования скважин. Справочник геофизика, М., Недра, 1983

2. Геофизика. Геофизические исследования скважин. Под редакцией В.К Хмелевского, М.,2012

3. Комплексирование геофизических методов при решении геологических задач. Под редакцией В.Е Никитского и В.В. Бродового М., Недра, 1987

4. Геофизические исследования скважин, И.Ю. Горбачев, М., Недра,1990

Размещено на Allbest.ru