Введение
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
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):
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).
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.
Изучение физических свойств горных пород на установках высокого давления и температуры.
Построение петрофизических карт и петрофизических разрезов на основании петрофизической классификации пород региона.