ФЕДЕРАЛЬНОЕ
АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ФИЛИАЛ
УФИМСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО НЕФТЯНОГО
ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА В Г. ОКТЯБРЬСКОМ
Кафедра ИТМЕН
Реферат
по дисциплине: Математическое
и физическое моделирование
процессов добычи природных
углеводородов
На тему:
«Какие свойства горных пород изучает
электроразведка и как она
может использоваться для изучения
их строения»
Выполнил: ст. гр.
ГР-07-12
Сибгатуллин Р. Ф.
Проверил: преподаватель
Шакурова А. Ф.
2010
Содержание
Введение…………………………………………………………………………………….3
История
развития электроразведки…………………………………….……4
Сущность
электроразведки…………………………………………………….…5
Электромагнитные
свойства горных пород…………………………..…7
Заключение………………………………………………………………………………11
Литература………………………………………………………………………………12
Введение
Электрическая
разведка, или электроразведка, является
одним из основных разделов разведочной
геофизики — науки, относящейся
к циклу наук о Земле и занимающейся
изучением геологического строения
земной коры и глубинных зон нашей
планеты. Методы электроразведки широко
применяются как при геологоструктурных
исследованиях и геологическом
картировании, так и при поисках
и разведке месторождений полезных
ископаемых.
В
электроразведке сейчас насчитывается
свыше пятидесяти различных методов
и модификаций, предназначенных
как для глубинных исследований,
так и для изучения верхней
части разреза. В зависимости
от принципа исследования их можно
разделить на следующие группы: методы
сопротивлений (методы постоянного
тока) и электромагнитные методы. Рассмотрим
сущность методов.
История
развития электроразведки
Электроразведка,
как и вся разведочная геофизика,
является наукой сравнительно молодой.
Первые работы по применению электричества
при поисках полезных ископаемых
относятся к 1829 г., когда А. Фокс наблюдал
на медноколчеданными месторождениями
Корнуэльса (Англия) естественные электрические
поля, связанные с окислительно-восстановительными
процессами. Общий прогресс геофизики
в конце ХIХ и начале ХХ столетия
коснулся также и методов изучения
геологического строения Земли; он дал
толчок развитию прикладной геофизики
в целом и электрических методов
разведки в частности. В 1903 г. Русским
инженером Е.И Рагозиным была
опубликована монография "О применении
электричества для разведки рудных
залежей". В 1910 г. французский учёный
К. Шлюмберже разработал метод сопротивлений,
нашедший впоследствии широкое применение
при геологоструктурных исследованиях.
В 1919 – 1922 гг. шведские учёные Н. Лундберг
и К. Зундберг своими работами положили
начало электроразведке переменными
полями и, в частности, методам, основанным
на наблюдении эквипотенциальных линий
электрического поля и напряжённости
магнитного поля. Несколько позже
в Америке был предложен метод
индукции (радиор). Большую роль в
развитии теории электроразведки постоянным
током сыграли исследования немецкого
учёного И. Гуммеля и в особенности
румынского учёного С. Стефанеску, разработавших
методы расчёта электрических полей
точечных источников при плоскопараллельных
поверхностях раздела. В 1924 г. Основоположник
отечественной электроразведки
А.А Петровский провел впервые в
Советском Союзе электроразведочные
работы методами естественного поля
(Риддерское полиметаллическое месторождение
на Алтае). В 1925 г. Метод эквипотенциальных
линий был поставлен на переменном
токе и в этой модификации в
последующие годы широко опробован
на сульфидных месторождениях СССР. К
1925 г. Относятся также первые опытные
работы по применению метода интенсивности,
проведенные на Урале (Богомоловский
рудник). С 1926 г. в практику электроразведочных
работ входит метод индукции. С 1928
г. А. А. Петровский проводит систематические
исследования в области радиоволновых
методов разведки. Таким образом,
в двадцатые годы ХХ века электроразведку
использовали в основном при поисках
и разведке рудных месторождений. Однако
проводившиеся работы носили в значительной
мере опытный характер, объём производственных
работ был невелик. В 1928 – 1929 гг. электроразведку
начинают применять для поисков и разведки
нефтеносных и газоносных структур. В
последующие годы объём этих работ существенно
возрастает в соответствии с общим увеличением
объёма геофизических работ при поисках
нефти и газа и организацией геофизической
службы в нефтяной промышленности. В 1930
г. А.С. Семенов проводит первые электроразведочные
работы для решения гидрогеологических
и инженерно-геологических задач. В 1932
г. были проведены первые электроразведочные
работы с целью поисков и разведки месторождений
ископаемых углей. В этой области геологических
исследований электроразведка получила
применение как метод изучения геологической
структуры угольных бассейнов и поисков
угольных пластов, а также угленосных
свит. В 1960 – 1970х гг. большой вклад в развитие
электроразведки постоянным током внесли
А. И. Заборовский, Л.М. Альпина, В.Н. Дахнова,
А.Н. Тихонова, А.П. Краева, Е.Н. Каленова,
А.М. Пылаева и др. Другие же методы электроразведки
развивали Е.А. Сергеев (метод естественного
тока), А.С Семенов (метод заряда), А.Г. Тархова,
И.Г. Михайлова (метод индукции) и др.
Сущность
электроразведки
Электроразведка
(точнее электромагнитная разведка) объединяет
физические методы исследования геосфер
Земли, поисков и разведки полезных
ископаемых, основанные на изучении электрических
и электромагнитных полей, существующих
в Земле либо в силу естественных
космических, атмосферных, физико-химических
процессов, либо созданных искусственно.
Используемые поля могут быть: установившимися,
т.е. существующими свыше секунды
(постоянными и переменными, гармоническими
или квазигармоническими с частотой
от миллигерц (1 мГц = Гц)
до петагерц (1 ПГц = Гц))
и неустановившимися,
импульсными с длительностью
импульсов от микросекунд
до секунд. С помощью
разнообразной аппаратуры
измеряют амплитудные
и фазовые составляющие
напряженности электрических (Е) и магнитных (Н) полей.
Если напряженность и структура естественных
полей определяется их природой, интенсивностью,
а также электромагнитными свойствами
горных пород, то для искусственных полей
она зависит и от мощности источника, частоты
или длительности, а также способов возбуждения
поля.
Основными
электромагнитными свойствами горных
пород являются удельное электрическое
сопротивление (УЭС, или
), электрохимическая активность (
), поляризуемость (
), диэлектрическая (
) и магнитная (
) проницаемости. Электромагнитные свойства
геологических сред, вмещающей среды,
пластов, объектов, а также геометрические
параметры последних служат основой для
построения геоэлектрических разрезов.
Геоэлектрический разрез над однородным
по тому или иному электромагнитному свойству
полупространством принято называть нормальным,
а над неоднородным - аномальным. На выделении
аномалий и основана электроразведка.
Изменение
глубинности электроразведки достигается
изменением мощности источников, частоты
и длительности возбуждения, а также
зависит от способов создания поля.
Последние могут быть гальваническими
(ток вводится в Землю с помощью
заземлений) или индукционными (ток
пропускается в незаземленную петлю,
рамку). Глубинностью можно управлять
также геометрическим (дистан-ционным)
и частотным приемами. Сущность дистанционного
(геометрического) приема сводится к
увеличению расстояния между источником
поля и точками, где оно измеряется,
что ведет к росту объема среды,
вовлекаемого в исследование. Частотный
принцип увеличения глубинности
основан на скин-эффекте, т.е. прижимании
поля к поверхности Земли, тем
большем, чем выше частота гармонического
поля(f) или меньше время (t) после создания
импульсного поля. Наоборот, чем меньше
частота, больше
(период колебаний) или t (его называют
временем диффузии, становления поля,
или переходного процесса), тем больше
глубинность разведки. В целом она может
меняться от сотен и десятков километров
на постоянном токе и инфранизких частотах
до сантиметров и миллиметров на частотах
свыше гигагерц (Ггц =
Гц).
Вследствие
многообразия используемых полей, их частотно-временных
спектров, электромагнитных свойств
горных пород электроразведка отличается
от других геофизических методов
большим количеством методов (свыше
50). По физической природе их можно
сгруппировать в методы естественного
переменного электромагнитного
поля, поляризационные (геоэлектрохимические),
сопротивлений, индукционные низкочастотные,
высокочастотные, сверхвысокочастотные,
биогеофизические.
По
геометрии и строению изучаемых
геологических разрезов методы электроразведки
условно делятся на: 1) зондирования,
которые служат для расчленения
горизонтально (или полого) слоистых
разрезов в вертикальном направлении;
2) профилирования, предназначенные
для изучения крутослоистых разрезов
или выявления объектов в горизонтальном
направлении; 3) подземно-скважинные (объемные),
объединяющие методы выявления неоднородностей
между скважинами, горными выработками
и земной поверхностью.
Электроразведка
с той или иной эффективностью
применяется для решения практически
всех задач, при которых используются
геофизические методы. В частности,
с помощью естественных переменных
полей солнечно-космического происхождения
разведываются земные недра на глубинах
до 500 км и ведется изучение таких
геосфер, как осадочная толща, кристаллические
породы, земная кора, верхняя мантия.
Электромагнитные зондирования используются
при глубинных и структурных
исследованиях, поисках нефти и
газа. Электромагнитные профилирования
применяются при картировочно-поисковых
съемках, поисках рудных и нерудных
полезных ископаемых. Объемные методы
применяются при разведке месторождений.
Малоглубинные электромагнитные зондирования
и профилирования используются при
инженерных и экологических исследованиях.
По
технологии и месту проведения работ
различают аэрокосмические, полевые
(наземные), акваториальные (или аквальные,
водные, морские, речные), подземные (шахтно-рудничные)
и скважинные (межскважинные) методы
электроразведки.
Электромагнитные
свойства горных пород
Как
отмечалось выше, к основным электромагнитным
свойствам горных пород относятся:
удельное электрическое сопротивление
(ρ), электрохимическая активность (α),
поляризуемость (η), диэлектрическая (θ)
и магнитная (μ) проницаемости. Параметрами,
а также частотой поля определяется коэффициент
поглощения поля средой горных пород.
Удельное
электрическое сопротивление (УЭС),
измеряемое в омметрах (Омм), характеризует
способность пород оказывать
электрическое сопротивление прохождению
тока и является наиболее универсальным
электромагнитным свойством. Оно меняется
в горных породах и рудах в очень широких
пределах: от
до Омм. Величина обратная
называется электропроводностью и измеряется
в сименсах на метр (См / м). Для наиболее
распространенных осадочных, изверженных
и метаморфических горных пород УЭС зависит
от минерального состава, физико-механических
и водных свойств горных пород, концентрации
солей в подземных водах и в меньшей мере
от их химического состава, а также от
некоторых других факторов (температуры,
глубины залегания, степени метаморфизма
и др.).
1.
Удельное электрическое сопротивление
минералов зависит от их внутрикристаллических
связей. Для минералов-диэлектриков
(кварц, слюды, полевые шпаты
и др.) с преимущественно ковалентными
связями характерны очень высокие
сопротивления (-
Омм). Минералы-полупроводники (карбонаты,
сульфаты, галоиды и
др.) имеют ионные связи
и отличаются высокими
сопротивлениями (-
Омм). Глинистые минералы (гидрослюды,
монтморилломонит, каолинит
и др.) обладают ионно-ковалентными
связями и выделяются
достаточно низкими
сопротивлениями (
Омм). Рудные минералы (самородные, некоторые
окислы) отличаются электронной проводимостью
и очень хорошо проводят ток (
Омм). Первые две группы минералов составляют
"жесткий" скелет большинства горных
пород. Глинистые минералы создают "пластичный"
скелет, способный адсорбировать связанную
воду, а породы с "жесткими" минералами
могут насыщаться лишь растворами и свободной
водой, т.е. той, которая может быть выкачана
из породы.
2.
Удельное электрическое сопротивление
свободных подземных вод (грави-тационных
и капиллярных) меняется от
долей Омм при высокой общей
минерализации (
г / л) до 1000 Омм при низкой минерализации
(
г / л) и может быть оценено по формуле
. Химический состав растворенных в воде
солей не играет существенной роли, поэтому
по данным электроразведки можно судить
лишь об общей минерализации подземных
вод. Удельное электрическое сопротивление
связанных вод, адсорбированных твердыми
частицами породы, низкое и мало меняется
(от 1 до 100 Омм). Это объясняется достаточно
постоянной их минерализацией (3-1 г / л).
Средняя минерализация вод мирового океана
равна 36 г / л.
3.
Так как поровая вода (свободная
и связанная) отличается значительно
более низким удельным электрическим
сопротивлением, чем минеральный
скелет большинства минералов,
то сопротивление горных пород
практически не зависит от
его минерального состава, а
определяется такими параметрами
пород, как пористость, трещиноватость,
водонасыщенность. С их увеличением сопротивление
пород уменьшается за счет увеличения
ионов в подземной воде. Поэтому электропроводность
большинства пород является ионной (электролитической).
4.
С ростом температуры на 40 градусов
сопротивление уменьшается примерно в
2 раза, что объясняется увеличением подвижности
ионов. При замерзании сопротивление горных
пород возрастает скачком, так как свободная
вода становится практически изолятором,
а электропроводность определяется лишь
связанной водой, которая замерзает при
очень низких температурах (ниже -50 С).
Возрастание сопротивлений при замерзании
разных пород различно: в несколько раз
оно увеличивается у глин, до 10 раз - у скальных
пород, до 100 раз - у суглинков и супесей
и до 1000 и более раз - у песков и грубообломочных
пород.
5.
Глубина залегания, степень метаморфизма,
структура и текстура породы
также влияют на ее сопротивление,
изменяя коэффициент микроанизотропии,
за который принято брать
, где
и
- сопротивления породы вкрест и вдоль
слоистости. Чаще всего \lambda меняется от
1 до 1,5, достигая 2-3 у сильно рассланцованных
пород. Величина \lambda может достигать нескольких
единиц для мерзлых пород разной криогенной
структуры и льдовыделения.
6.
Несмотря на зависимость ρ от
множества факторов и широкий диапазон
изменения у разных пород, основные закономерности
УЭС установлены достаточно четко. Изверженные
и метаморфические породы характеризуются
высокими сопротивлениями (от 500 до 10000
Омм). Среди осадочных пород высокие сопротивления
(100 - 1000 Омм) у каменной соли, гипcов, известняков,
песчаников и некoторых других. Обломочные
осадочные породы, как правило, имеют тем
большее сопротивление, чем больше размер
зерен, составляющих породу, т.е. зависят
прежде всего от глинистости. При переходе
от глин к суглинкам, супесям и пескам
удельное сопротивление изменяется от
долей и первых единиц омметров к первым
десяткам и сотням oмметров.
Особенности
геологического применения
электромагнитных зондирований
Несмотря
на то, что все методы электромагнитных
зондирований предназначены для
расчленения горизонтально и
полого слоистых сред, их геологические
возможности разные и зависят
прежде всего от проектируемой глубинности
и решаемых задач.
Так,
для малоглубинных (до 100 м) исследований
целесообразно применять ВЭЗ, ВЭЗ-ВП,
в условиях повышенных сопротивлений
(больше 100 Омм) и при плохих условиях
заземления - ВИЗ, в условиях высокоомных
(больше 1000 Омм) разрезов, например, при
изучении льдов, мерзлоты, поисках подземных
вод в пустынях - РВЗ, РЛМ.
При
разведке глубин до 500 м можно применять
ВЭЗ, ВЭЗ-ВП, а также ЗСБ и ЧЗ
(особенно при наличии в разрезе
высокоомных карбонатных или
галогенных экранов). С помощью этих
методов решаются следующие задачи:
-
определение мощности и состава покровных
и коренных осадочных отложений, глубины
залегания фундамента, что очень важно
для структурно-геологического объемного
картирования;
-
оценка геометрических параметров и физических
свойств массивов горных пород, представляющих
большой интерес для инженерно-геологического,
мерзлотно-гляциологического, гидрогеологического
картирования;
-
поиски пластовых, как правило, нерудных
полезных ископаемых.
Методы электромагнитного зондирования
позволяют изучать геологический
разрез в вертикальном направлении.
Измерения проводятся в одной
и той же точке профиля при
изменении расстояния между электродами
(дистанционное зондирование) или
изменении частот электромагнитного
поля (частотное зондирование). Электромагнитные
зондирования применяются главным образом
для изучения полого залегающих геологических
структур (в т. ч. благоприятных для скопления
нефти и газа). Индуктивные (или электромагнитные)
методы. При работе этими методами поле
возбуждается индуктивным способом (незаземлёнными
контурами с переменным током). См. Электромагнитная
разведка. Радиоволновые методы основаны
на изучении поглощения радиоволн при
их распространении в горных породах.
Основной радиоволновой метод — радиоволновое
просвечивание, при котором в одной из
скважин или горных выработок помещается
радиопередатчик, а в соседних измеряется
напряжённость электромагнитного поля.
Хорошо проводящие рудные залежи, находящиеся
в пространстве между скважинами или выработками,
поглощают большей частью электромагнитного
поля и создают в области измерений радиотень.
По её положению и размерам устанавливают
наличие рудных тел и их контуров. Изучение
геологического строения приповерхностных
частей геологического разреза (до глубин
20—30 м) основано на использовании полей
радиовещательной станций, распространяющихся
вдоль поверхности земли и индуцирующих
в проводящих объектах вторичные токи.
Заключение
Применение Э. р. позволяет
удешевить и ускорить геологические исследования
за счёт сокращения объёма дорогостоящих
горно-проходческих и буровых работ. Развитие
Э. р. связано с разработкой новых методов,
увеличением исследуемой глубины земной
коры и повышением степени надёжности
получаемых результатов.
Литература
- Матвеев Б.К. Электроразведка:
Учеб. для вузов.- 2-е изд., перераб. и доп.-М.:Недра.1990-368
с.:ил.
- Хмелевской В.К.
Геофизические методы исследования земной
коры
- Инструкция по
электроразведке: Наземная электроразведка,
скважинная электроразведка, шахтно-рудничная
электроразведка, аэроэлектроразведка,
морская электроразведка/М-во геологии
СССР.-Л.:1984.-352 с.
- Якубовский Ю.В.,
Ренард И.В. Электроразведка. 4 изд., перераб.
и доп. М.: Недра, 1991.359 с.
