Современные методы исследования горных пород

Самарский Государственный Технический Университет

Кафедра «Геология и геофизика» 
 
 
 
 
 

Реферат на тему:

Современные методы исследования горных пород 
 

                                                                        Выполнила: студент 3-НТФ -13

                                                                                 Кочнева Д.А.

                                                                              Проверил:  Чемоданов В.Е. 
 
 
 

Самара 2010 

Содержание

1. Методы в геологии…………………………………………………………………………….3-5
2. Современные методы исследования геологического пространства…………………….….6-9
3. Свойства горных пород:

- Пористость горных пород…………………………………………………………..10-10

- Проницаемость пород и ее распределение…………………………………….…..10-11

- Породы-коллекторы……………………………………………………………...…12-12

- Основные признаки пород-коллекторов……………………………...…………...12-15

4.  Список литературы…………………………………………………………………………….16 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Методы  в геологии

   Современная геология изучает состав, строение и историю Земли, закономерности и процессы формирования земной коры, слагающих ее минералов, горных пород, руд и других полезных ископаемых и их взаимные отношения, а также  историю развития жизни на Земле. Практическое значение геологии очень  велико и разнообразно. Вся мощная современная техника основана на использовании продуктов земных недр — нефти, угля, металлов, различных  строительных материалов, подземных  вод и др. Необходимость поисков  извлечения разнообразного минерального сырья способствует развитию геологических  исследований, ставит перед геологией  все новые теоретические и  практические задачи, требует скорейшего их решения.

   Очень велико и познавательное значение геологии. Как наука о Земле, ее происхождении  и формировании, затрагивающая вопросы  происхождения и развития жизни, геология всегда была в центре ожесточенной идеологической борьбы, являлась важнейшим  звеном в борьбе за материалистическое понимание мира, против идеалистических  мировоззрений и религиозных  предрассудков.

   Земля состоит из ядра и нескольких оболочек, обладающих различным составом и  разными физическими свойствами. Практическая работа геолога протекает  в пределах верхней части твердой  оболочки — земной коры, находящейся  в постоянном взаимодействии с внешними (атмосферой, гидросферой и биосферой) и с внутренними оболочками, обладающими  иным составом и другими физическими  свойствами, чем земная кора. В зависимости  от этого геологические процессы делятся на внешние (экзогенные), связанные  с взаимодействием земной коры с  внешними оболочками и через них  с космосом, и внутренние (эндогенные), связанные с развитием материи  в глубоких недрах планеты.

   При геологических исследованиях изучаются  главным образом верхние горизонты  земной коры непосредственно в естественных обнажениях (выходах на поверхность  Земли горных пород из-под наносов) и в обнажениях искусственных  — горных выработках (закопушках, канавах, шурфах, карьерах, шахтах, буровых скважинах  и др.). Для изучения глубинных  частей земного шара применяются  главным образом геофизические  методы. Объектами геологических  исследований являются:

1) природные тела, слагающие верхние горизонты земной коры (горные породы, руды, минералы и др.), в частности их строение и состав;

2) расположение  природных тел в земной коре, определяющее геологическое строение  или структуру последней;

3) различные  геологические процессы, как внешние,  так и внутренние, в результате  которых природные тела появились  и появляются, изменяются и исчезают, а также формируется рельеф  земной поверхности;

4) причины  и закономерности возникновения  и развития геологических процессов,  а также закономерности развития  Земли в целом.

     Специфической особенностью развития Земли являются исключительная длительность и огромные масштабы многих существеннейших геологических  процессов, распространяющихся на огромные территории и растягивающихся на миллионы и миллиарды лет. По сравнению  с этим не только жизнь отдельных  людей, но и существование всего человечества представляется мгновенным эпизодом в истории планеты. Геологические процессы, изменяющие земную кору и формирующие ее, если и могут наблюдаться (многие из них вообще недоступны для непосредственного наблюдения и невоспроизводимы в лабораторных условиях), то на протяжении ничтожно короткого промежутка времени по сравнению с их общей продолжительностью. Судить об этих процессах можно лишь по их результатам, проявляющимся, например, в образовании различных пород и руд, геологических структур, разных типов рельефа земной поверхности и т. д., определяющим строение и состав земной коры. Понять эти процессы можно, восстанавливая шаг за шагом их историю и в конечном счете историю Земли, ее твердой оболочки. Вот почему геология, прежде всего — историческая наука. Она стала успешно развиваться лишь после того, как были выяснены в XVII— XVIII вв. общие закономерности процесса осадконакопления (порядок формирования слоистых осадочных пород), а также была разработана на рубеже XVIII и XIX вв. методика определения относительного возраста осадочных пород, основанная на изучении включенных в них остатков вымерших организмов. Изучение этих остатков показало, что каждой эпохе развития Земли соответствуют определенные, свойственные ей формы органического мира — животные и растения, населявшие в то время Землю.

     Метод определения относительного возраста горных пород позволил разработать  общую для планеты геохронологическую шкалу, выделить запечатленные в  камнях эры, периоды, эпохи и века в развитии органической жизни и  соответственно разделить массы  горных пород, слагающих верхние  горизонты земной коры, на последовательно  сменяющиеся группы, системы, отделы и ярусы, отвечающие по времени образования  эрам, периодам, эпохам и векам. Это  позволило также установить последовательность проявления, масштаб и относительную  длительность геологических процессов, имевших место в геологическом  прошлом.

     Значительно позднее — после открытия радиоактивного распада — были разработаны методы определения точного (абсолютного) возраста (точнее, времени первичного образования или преобразования) горных пород. Применение этих методов  показало, что длительность существования  земной коры превосходит 3,5—4 млрд. лет, причем основная часть этого времени  приходится на древнейшие эры в жизни  Земли — архейскую и протерозойскую, для выяснения истории которых  палеонтологический метод непригоден. Изучение строения докембрийских толщ на радиометрической основе позволило  выявить ряд крупнейших переломных моментов («великих обновлений») в истории  формирования земной коры в эти древнейшие времена.

     Однако  для суждения о геологических  процессах оказалось недостаточно представления о их возрасте, длительности проявления и масштабах. Для этого  нужно было понять и объяснить  их сущность, содержание и направленность. Ж.Кювье и его ученики (А. Д. Орбиньи, Ж. Агассис и др.), выявившие изменения  органического мира, объясняли их периодически повторявшимися в истории  Земли катастрофами, уничтожавшими  все организмы. Появление после  катастроф новой жизни объяснялось  новыми актами творения. Эти взгляды  разделялись крупнейшими европейскими геологами XIX в. и были положены в  основу представлений о вулканизме, горообразовании и др. Они сыграли  отрицательную роль в развитии геологии, так как объясняли развитие Земли  мистическими причинами («чудесами», по образному выражению Ф. Энгельса). Поэтому в развитии геологии огромное значение имело введение эволюционного  метода, известного под названием  актуализма.

     Актуализм возник стихийно в борьбе против религиозных  представлений о сотворении мира в XVI и XVII вв., но был оформлен лишь в 30-х годах XIX в. крупнейшим английским геологом Ч. Лайелем. Сущность этого метода заключается в определении решающей роли связи настоящего с прошедшим для понимания геологических процессов. Как писал Ч. Лайель, «настоящее — ключ к познанию прошлого», т. е. только тщательное изучение современных геологических процессов и сравнение их результатов с результатами геологических процессов далекого прошлого может указать правильный путь к пониманию сущности последних. Принцип актуализма оказал огромное положительное влияние на развитие современной геологии, и с ним справедливо связывают начало ее зарождения.

     В настоящее время идея актуализма претерпела серьезные изменения. Советские  геологи придали ей новую, качественно  более высокую форму сравнительно-исторического  метода. Сравнение образований прошлых  геологических эпох с современными производится не механически, а с  учетом изменений физико-географических условий и процессов породообразования, предопределивших современную нам  геологическую обстановку.

     Основным  методом геологии является геологическая  съемка — совокупность геологических  исследований, необходимых для всестороннего  изучения геологического строения и  полезных ископаемых местности. Геологическую  съемку называют также геологическим  картированием, поскольку она всегда или сопровождается составлением геологической  карты, или опирается на геологическую  карту и вносит в нее те или  иные дополнения и уточнения. При  геологическом картировании широко используются многочисленные и разнообразные  геофизические, геохимические методы, аэрофотосъемка, а также мощная современная  техника, позволяющая создавать  искусственные обнажения на разных глубинах.

     Правильная  интерпретация всех этих методов  возможна лишь на хорошей геологической  основе, и до последнего времени  они имели вспомогательное значение при геологической съемке. Однако в настоящее время, когда для  большей части материков имеются  геологические карты, роль этих методов  растет и часто они становятся ведущими. Особенно велико значение геофизических  методов для изучения геологического строения дна морей и океанов, а также глубоких недр и Земли  в целом. Наконец, в последнее  время выявляется положительное  значение «космических» методов, позволяющих  рассматривать Землю с огромных высот и сравнивать ее с другими  планетами Солнечной системы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Современные методы исследования геологического пространства

   В настоящее время при инженерных изысканиях широкое применение получили методы статического и динамического  зондирования. Это очень простые  методы исследований преимущественно  песчаных и глинистых пород, дающие широкую информацию об их плотности, прочности, деформационных свойствах  и однородности. Кроме того, с  помощью этих методов можно устанавливать  изменение геологического разреза  по глубине, выявлять глубину залегания  и мощность слабых слоев и зон  плотных, прочных и коренных пород, а также изменение степени  уплотнения, и упрочнения искусственно отсыпанных или намытых пород  во времени. Методы зондирования позволяют  получать необходимые данные для  проектирования и оценки условий  строительства свайных фундаментов, шпунтовых ограждений и других видов  строительных работ.

   Опыты состоят в задавливании или забивании в горные породы зонда с коническим наконечником (редко грунтоноса-пробоотборника). При статическом зондировании зонд задавливается в породы, при динамическом — забивается. По тем сопротивлениям, которые оказывают горные породы проникновению в них зонда, судят об их плотности, прочности и других свойствах. Естественно, что такие исследования горных пород не являются достаточно точными, они дают предварительные, главным образом приближенные представления об их свойствах. При сочетании методов зондирования с другими видами геологических работ, результативность их, т.е. точность и достоверность, значительно повышаются.

   Статическое и динамическое зондирование — это  полевые экспресс - методы, для интерпретации  результатов которых на предварительных  стадиях изысканий их надо обязательно  сочетать с разведочными работами —  геофизическими и горно-буровыми, а  на детальных — использовать в  качестве дополнительных с целью  повышения детальности изысканий  в целом и решения специальных  вопросов (например, при проектировании свайных фундаментов и др.).

   ГОСТ 20069—74 и 19912—74 и «Указания по зондированию горных пород для строительства» (СН 448-72) рекомендуют при инженерных изысканиях для конкретных зданий и  сооружений зондирование производить  в пределах их контуров или не более  чем в 5 м от них. Для получения  сопоставимых данных часть точек  зондирования рекомендуется располагать  на расстояниях не более 5 м от разведочных  выработок, из которых производят отбор  монолитов горных пород для лабораторных исследований и выполняют другие полевые исследования. Практика показывает, что данные зондирования необходимо рассматривать совместно с данными, получаемыми при бурении скважин  и проходке горных выработок. Этого  требуют ГОСТ 20069—74 и 19912—74. Глубину  зондирования определяют исходя из необходимости  исследования определенной толщи горных пород как оснований зданий и  сооружений. Предельная глубина зондирования не должна превышать 20-и. Область применения статического и динамического зондирования в зависимости от вида и физического  состояния горных пород регламентируется данными, приведенными в табл.1. 
 
 
 
 

Таблица 1.

Область применения статического и динамического  зондирования по СН 448-72

* Допускается по специально разработанной  методике при проведении экспериментальных  работ.

     При статическом зондировании основными  показателями свойств горных пород  являются:

а) общее сопротивление зондированию R_общ, кгс;

б) сопротивление погружению конуса R_кон кгс/см²;

в) удельное сопротивление погружению конуса R_уд. _кон, кгс/см²;

г) сопротивление трению по боковой  поверхности зонда R_тр, кгс/см².

Общее сопротивление горных пород —  это то сопротивление, которое они  оказывают проникновению зонда. Оно равно тому усилию (кгс), которое  передается зонду гидравлическим домкратом  или весом груза.

     При использовании современных гидравлических установок оно равно

R_общ = pF_ц,

где p — показание манометра, отражающее давление в цилиндре гидравлического домкрата, кгс/см²; F_ц — площадь поршня гидравлического домкрата, см².Часть усилий, расходуемых на вдавливание зонда, расходуется на преодоление сил трения между зондом и породой. Если исключить эти сопротивления, получим сопротивление горных пород, оказываемое непосредственно проникновению конуса, т. е. сопротивление погружению конуса R_кон.

R_кон = R_общ – R_тр.

     Современные установки для статического зондирования позволяют производить измерение  общего сопротивления зондированию по показаниям манометра, а сопротивления  проникновению конуса — по показаниям динамометра и индикаторов часового типа.

Удельное  сопротивление статическому зондированию конусом равно

R_уд = R_кон / F_к ,

где F_к - площадь поперечного сечения конуса, см².

     Удельное  сопротивление — это сопротивление  горных пород проникновению конуса, приходящееся на единицу его поперечного  сечения. Международными конгрессами  по механике грунтов и фундаментостроению (IV в 1957 г. в Лондоне и V в 1961 г. в  Париже) было рекомендовано использовать для статического зондирования конус  диаметром 36 мм, площадью 10 см², с углом при вершине 60°.

     Сопротивление горных пород трению по боковой поверхности  зонда равно

R_тр = R_общ – R_кон

     Современные конструкции установок для статического зондирования позволяют измерять либо общее сопротивление горных пород  и сопротивление их погружению конуса, либо сопротивление проникновению  конуса и величину трения по боковой  поверхности зонда.

     При динамическом зондировании горных пород  основными показателями являются: а) показатель динамического зондирования N; б) глубина погружения зонда от определенного числа ударов стандартного молота S (это число ударов принято называть залогом); в) условное динамическое сопротивление горных пород R_д, кгс/см² (по ГОСТ 19912-74 обозначается p_д, т. е. не так, как оно обозначается международными индексами).

     Показателем динамического зондирования принято  называть число ударов молота, необходимое  для погружения зонда на определенную глубину. В нашей стране эта глубина  принята равной 10 см. Отсюда показатель динамического зондирования равен

N = 10n / S ,

где n — число ударов в залоге; S — глубина погружения зонда от принятого числа ударов молота в залоге.

     Показатель  динамического зондирования зависит  не только от сопротивления, оказываемого горными породами проникновению  зонда, но и от сил трения, развивающихся  по боковой поверхности зонда  при его погружении, и от увеличения его веса с глубиной. Поэтому при  обработке результатов испытаний  вводят соответствующие поправки на боковое трение пород и на увеличение веса зонда. Эти поправки приводятся в методических руководствах.

     Основным  показателем свойств горных пород  при динамическом зондировании считается  условное динамическое сопротивление  горных пород R_д. Только этот показатель предлагается ГОСТ 19912—74 и «Указаниями по зондированию горных пород для строительства» (СН 448—72). Его вычисляют по формуле

R_д = KП₀Фn / S ,

где K — коэффициент для учета потерь энергии при ударе, определяемый по специальной таблице; П₀ — коэффициент для учета влияния применяемого оборудования, определяемый по специальной таблице; Ф — коэффициент для учета трения штанг о горные породы, определяемый по данным двух испытаний, в одном из которых зондирование производится в процессе бурения; n — число ударов в залоге; S — глубина погружения зонда от принятого числа ударов молота в залоге.

     Для статического и динамического зондирования применяют разнообразные установки  и станки. Наиболее часто используют установки конструкции ГПИ Фундаментпроект  марки С-979, БашНИИ-промстроя марки  С-832 и ВСЕГИНГЕО марки СПК. Известны установки конструкции и других организаций.

     Также все применяемые в настоящее время методы можно разделить на две основные группы: методы изучения геологического строения разреза и методы прогноза нефтеносности.

К первой группе методов относятся:

·  высокоточная сейсморазведка, последующая обработка ее данных с применением процедуры миграции сейсмограмм до суммирования и дальнейшая их кинематическая интерпретация с использованием технологий, основывающихся на методе взаимных точек;

·  динамическая интерпретация данных сейсморазведки: прогноз типов разреза терригенных и карбонатных пород с различными коллекторскими свойствами по данным геологической типизации и спектрально-временного анализа (СВАН) сейсмической записи, а также его модификаций: факторного анализа спектрально-временных параметров (ФА СВП) и факторного анализа параметров спектра (ФА ПАРС);

·  решение обратной динамической задачи сейсморазведки с помощью программного комплекса ПАРМ (динамическая инверсия), получение разрезов псевдоакустических жесткостей (ПАЖ);

·  детальные аэрокосмогеологические исследования (АКГИ);

·  исследования сейсмическим локатором бокового обзора (СЛБО).

Ко второй группе методов относятся:

·  комплекс геохимических и геофизических методов (ГГХМ);

·  биогеохимическое тестирование (БГХТ);

·  нейросейсмическая обработка материалов сейсморазведки (<Нейросейсм>);

·  дифференциально-нормированный метод электроразведки (ДНМЭ). 
 

3. Свойства  горных пород

Пористость  горных пород

  Пористость  горных пород, совокупность пустот (пор), заключённых в горных породах. Количественно  П. г. п. выражается отношением объёма всех пор к общему объёму горных пород (в долях единицы или процентах). Поры в горных породах по величине принято делить на субкапиллярные (менее 0,2 мк), капиллярные (0,2—100 мк), сверхкапиллярные (более 100 мк).

  По  форме поры могут быть различного типа — пузырчатые, каналовидные, щелевидные, ветвистые и т.п. Форма и размер отдельных пор и их взаимная связь  определяют геометрию порового пространства пород.

  Различают П. г. п. общую (или абсолютную, физическую, полную) — совокупность всех пор, заключённых  в горных породах; открытую (насыщения) — объём связанных (сообщающихся) между собой пор; закрытую — совокупность замкнутых, взаимно не сообщающихся пор. В нефтяной геологии выделяют также  эффективную П. г. п., т. е. совокупность пор, занятых нефтью, газом, и динамическую П. г. п. — объём пор, через которые  при определённых давлении и температуре  происходит движение насыщающих жидкостей  или газов; она всегда меньше общей  П. г. п.

  Наиболее  высокая П. г. п. свойственна почвам и рыхлым осадкам — пескам, глинам и др. (до 60—80% и более). Осадочные  и вулканогенные горные породы (песчаники, известняки, лавы, туфы и др.) характеризуются  большим диапазоном значений пористости (от 50 до 10% и менее). Магматические  и метаморфические породы обладают, как правило, малой пористостью (0,1—3%). С возрастанием глубины залегания  пород П. г. п. обычно уменьшается (особенно осадочных) и на больших глубинах может иметь очень малые значения.

  В лабораторных условиях П. г. п. определяется методами свободного, вакуумного (под  вакуумом) и принудительного (под  давлением) насыщения горных пород  жидкостью, а также методами, основанными  на расширении газа, и др. В полевых  условиях для оценки величины П. г. п. используются различные виды каротажа скважин. Результаты изучения П. г. п. используются для подсчёта запасов полезных ископаемых (например, нефти и газа), выборе технологии разработки полезных ископаемых и др.

Проницаемость пород и ее распределение

  Характер  движения нефти или газа к забою  добывающей скважины определяется двумя  основными факторами:

  физико-химическими  свойствами этих углеводородов;

  структурой  порового пространства среды – коллектора, в которой они распространяются.

  Для описания течения углеводородов  с учетом этих факторов, наряду с  другими характеристиками, вводится понятие проницаемости горной породы,

  характеризующей ее способность пропускать жидкости и газы. Для оценки проницаемости  пород обычно пользуются законом  фильтрации Дарси, согласно которому скорость фильтрации (просачивания) жидкости в  среде пропорциональна градиенту  давления и обратно пропорциональна  ее динамической вязкости  :

   .

  Перепишем эту формулу в скалярной форме  для одномерной задачи. Для этого  выделим образец породы длиной  , и предположим, что ее фильтрационные свойства одинаковы по всей длине. Тогда имеем

   , (1.1)

  где  - скорость линейной (плоскопараллельной) фильтрации,  - объемный расход жидкости в единицу времени,  - площадь фильтрации,  - перепад давления на выделенном участке пористой среды. Коэффициент пропорциональности в (1.1) называется коэффициентом проницаемости:

   .  (1.2)

  Величина  имеет размерность площади, и в системе СИ измеряется в  :

   .

  Совокупность  результатов, приведенных в [1] для  проницаемостей пород, приводятся в  табл. 1. Здесь еще раз отметим, что данные, приведенные в этой таблице, выбраны в качестве объекта  для анализа из-за важности рассматриваемой  характеристики. В силу специфики  представления материала, в [1] отсутствует  ссылка на первоисточники этой таблицы. Не понятно также, являются ли эти  результаты обобщением различных данных, полученных разными авторами, или  же они относятся к конкретному  месторождению. В последнем случае, общие рассуждения, которые приводятся ниже, могли бы представлять некоторый  практический интерес. Перейдем теперь к описанию характеристик, приведенных в табл. 2:

  i – номера интервалов, на которые  разбивается весь наблюдаемый  диапазон значений проницаемостей. Число таких интервалов в табл. 1 равно 10.

  Ni – число пород, проницаемости  которых лежат в i - том интервале.  Общее число исследованных пород  составляет  .

  pi – относительное число пород,  проницаемости которых попадают  в i- тый интервал:  , величина  равна относительной доле образцов с выделенной проницаемостью. На языке математической статистики  есть вероятность того, что проницаемость одной случайно выбранной породы из тысячи, попадет в интервал проницаемостей шириной  .

  Таблица 2