8.6.1. Петрофизика и геофизические свойства горных пород
8.6.2. Геолого-гидрогеологические и деформационно-прочностные свойства
8.6.3. Методика измерений физических свойств горных пород
* * *
Ответственным, иногда самым трудным и неоднозначным по результатам комплексных геофизических исследований этапом является геологическое, гидрогеологическое, инженерно-геологическое, мерзлотно-гляциологическое и экологическое истолкование результатов. Оно выполняется с помощью петрофизических исследований.
8.6.1. Петрофизика и геофизические свойства горных пород
Петрофизика (физика горных пород) — это прикладной раздел наук о Земле, находящийся на стыке геологии (петрологии, литологии, наук о полезных ископаемых, гидрогеологии, инженерной геологии, геокриологии и др.), геофизики (глубинной, региональной, разведочной, инженерной, экологической), а также физических исследований Земли и физики вещества. Петрофизика изучает различные физические свойства горных пород, взаимосвязи между ними, а также их связь с физическими полями Земли и с геолого-гидрогеологическими и петрофизическими характеристиками (табл. 8.1).
Таблица 8.1. Осредненные, часто встречающиеся значения физических свойств горных пород
|
Породы |
Плотность (σ), г/см3 |
Пористость (n), % |
Скорости упругих волн |
Магнитная 10–5 ед. СИ |
Удельное |
||
|
Vp, км/c |
Vs, км/с |
||||||
|
Магматические |
|||||||
|
Ультраосновные |
3,2–3,3 |
0,1–0,5 |
7,5 |
8,5 |
4,5 |
1000–25 000 |
105–108 |
|
Основные (габбро, диорит) |
2,9–3,0 2,7–2,8 |
0,01–1 0,01–1 |
6,0 5,6 |
6,6 6,3 |
3,8 3,5 |
300–15 000 1000–70 000 |
104–107 103–107 |
|
Кислые (гранодиорит, гранит и др.) |
2,7 2,6 |
0,2–5 0,1–3 |
4,6 3,0 |
6,0 5,5 |
3,3 2,8 |
100–45 000 50–40 000 |
103–106 103–105 |
|
Эффузивные (диабаз, базальт) |
2,9 2,5 |
0,1–5 3–6 |
3,5 3,0 |
6,5 5,5 |
3,5 3,0 |
500–150 000 100–150 000 |
105–106 103–107 |
|
Метаморфические |
|||||||
|
(Гнейсы, сланцы) |
2,7 2,6 |
0,01–1 0,01–1 |
3,8 3,5 |
5,6 4,8 |
3,2 3,0 |
100–20 000 50–3000 |
103–105 103–105 |
|
Осадочные |
|||||||
|
Скальные (известняк, доломит, мергель, песчаники) |
2,6 2,7 2,4 2,5 |
2–25 2–17 5–35 2–35 |
2 1 1,5 1 |
6 5,5 4,5 4,5 |
3 2,5 2 1 |
50–2500 50–800 10–1000 50–5000 |
100–105 100–104 10–103 100–104 |
|
Обломочные (гравийно-галечные; пески) |
3 1,3–2 |
2–20 2–40 |
0,8 0,5 |
2,5 2 |
0,5 0,2 |
50–5000 50–2500 |
100–103 10–104 |
|
Пластичные |
1,2–2,4 |
2–40 |
1,5 |
2,5 |
0,4 |
10–3000 |
1–100 |
С точки зрения петрофизики каждая горная порода — это сложное вещество трехфазового состава, т. е. состоящее из твердой (один или несколько минералов), жидкой (вода, нефть, нефтепродукты) и газообразной (воздух, горючие газы) фаз. Физические свойства горных пород определяются прежде всего свойствами самих фаз, их количественным соотношением в породе и взаимодействием. Такие физические свойства твердой фазы, как плотность, магнитные, электрические, упругие, тепловые, ядерные, определяются в основном атомным строением химических элементов минералов, из которых состоит порода, температурой и зависят от геологических факторов: термодинамических условий образования магматических пород, степени их метаморфизма, условий накопления осадочных пород, структурно-текстурных особенностей массивов пород.
8.6.2. Геолого-гидрогеологические и деформационно-прочностные свойства
Горные породы различаются по минеральному составу, размерам твердых частиц, соотношению объемов твердой, жидкой и газообразной фаз, структурно-тектоническим особенностям и другим факторам, определяющим их геолого-гидрогеологические, геомеханические, физико-механические, деформационно-прочностные и фильтрационно-емкостные (водо-, нефте- и газоколлекторские) свойства. В качестве примера в табл. 8.2 приведены количественные связи параметров рыхлых осадочных пород.
Таблица 8.2. Приближенные количественные связи некоторых инженерно-геологических и гидрогеологических параметров пород
|
Инженерно-геологические и гидрогеологические параметры пород |
Глина |
Суглинок |
Супесь |
Песок |
Галечник |
Валуны |
||||||||
|
Т |
С |
Л |
Т |
С |
Л |
Т |
С |
Л |
МЗ |
СЗ |
КЗ |
|||
|
Л |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
|
dср, мм |
n⋅10–5 |
n⋅10–4 |
10–3 |
0,002–0,005 |
0,005–0,01 |
0,01–0,02 |
0,02–0,05 |
0,05–0,1 |
0,1–0,2 |
0,2–0,5 |
0,5–1 |
1–2 |
3–10 |
20–80 |
|
Г, % |
≥65 |
≥ 50 |
≥40 |
≥30 |
≥20 |
≥15 |
15–20 |
12–15 |
10–12 |
10 |
5 |
0 |
0 |
0 |
|
П |
25 |
20 |
17 |
17–13 |
13–10 |
10–7 |
7 |
4 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
kп, % |
60 |
40 |
20 |
55 |
45 |
25 |
50 |
40 |
30 |
50 |
40 |
30 |
30 |
|
|
km, % |
5 |
10 |
20 |
30 |
40 |
|||||||||
|
kф, м/сут |
0,001 |
0,01 |
0,1 |
10 |
100 |
|||||||||
Примечание:
• dср — средний диаметр твердых частиц;
• Л — литология осадочных пород, которая численно может быть выражена в виде арифметического ряда чисел: от Л = 1, 2, 3 для тяжелых (Т), средних (С), легких (Л) глин, далее таких же суглинков (4, 5, 6), супесей (7, 8, 9), мелко- (МЗ), средне- (СЗ), крупнозернистых (КЗ) песков (10, 11, 12), а также галечников (13) и валунов (14);
• Г — глинистость песчано-глинистых пород: Г = Vm(<0,01)/V, где Vm(<0,01) — объем глинистых минералов с dcp < 0,01 мм = 10 мкм, а V — общий объем породы;
• П — число пластичности (в условных единицах), которым определяется способность глинистых пород деформироваться при обводнении;
• kп — коэффициент пустотности (пористости): kп = Vп/V, где Vп — объем пустот; V — объем породы;
• km — активная пористость, или водоотдача: km = V(своб)/Vп, указывающая на доли воды, извлекаемой из породы;
• kф — коэффициент фильтрации, которым определяется скорость (в м/сут) фильтрации свободных подземных вод.
Дополнительно можно отметить деформационно-прочностные свойства, такие как: модуль упругости, или модуль Юнга (Е), являющийся коэффициентом пропорциональности между растягивающе-сжимающими напряжениями, действующими на упругое тело, и его относительными линейными деформациями того же направления; коэффициент Пуассона (ν) — отношение поперечного сжатия к продольному удлинению при одноосном растяжении; модули общей деформации (Едеф) и пределы прочности образцов горных пород при сжатии (σсж), характеризующие прочностные свойства образцов при значительных длительных нагрузках и др. Модули Е, Едеф, σсж измеряются в паскалях (Па), ν — в относительных единицах, а скорости — в км/с.
К фильтрационно-емкостным относятся также следующие свойства, характеризующие флюидонасыщенность, т. е. способность пористых пород удерживать, пропускать и отдавать жидкости и газы:
• коэффициент водонасыщенности (общей влажности): Кв = (Vсвяз + Vсвоб)/Vп, где Vсвяз — объем капиллярно связанной воды, адсорбированной глинистыми частицами; Vсвоб — объем свободной воды, отдаваемой породой, например, при откачках из скважин; Vп — объем пор. Для полностью водонасыщенной породы Кв = 1;
• коэффициенты нефте-, газо-, водонасыщенности пор (Кн = Vн/Vп; Кг= Vг/Vп; Кв = Vв/Vп, где Vн, Vг, Vв и Vп — объемы соответствующих фаз и общий объем пор);
• коэффициент проницаемости (Кпр) — один из обобщенных параметров, характеризующий водоупорные и коллекторские свойства горных пород, т. е. способность их давать промышленные притоки нефти, газа, воды. Он сложным образом зависит от коэффициента пустотности, удельной поверхности и строения поровых каналов, пропорционален коэффициенту фильтрации и измеряется в (мкм)2. К проницаемым коллекторам относят породы с Кпр > 10–2 (мкм)2, к полупроницаемым с Кпр = 10–4–10–2 (мкм)2. Водоупорными считаются породы с Кпр < 10–4 (мкм)2.
8.6.3. Методика измерений физических свойств горных пород
Физические свойства горных пород (плотность, магнитные, электрические, упругие, тепловые, ядерные) определяются путем прямых лабораторных измерений на образцах и испытаний пород на опытных площадках, а также косвенным путем в результате интерпретации скважинных и полевых, акваториальных и воздушных геофизических наблюдений (см. гл. 1–7).
Большинство геолого-гидрогеологических свойств (литология, механический состав, глинистость, пористость, статические деформационно-прочностные, некоторые водные свойства), а также физических (плотность, магнитные, электрические, упругие, тепловые, ядерные) определяются в лабораторных условиях на образцах, взятых из обнажений, горных выработок и скважин (керн), на опытных площадках.
Водные свойства изучаются с помощью специальных гидрогеологических исследований (наливы воды в шурфы, откачки ее из скважин). Свойства, измеренные на образцах и в естественном залегании, отличаются. Это принято объяснять масштабным коэффициентом, т. е. несовпадением малых объемов изучаемых образцов (истинные свойства) и больших объемов массивов (пластовые и осредненные свойства толщ горных пород).
Полученные физические свойства должны быть подвергнуты статистической обработке. Сначала выявляется закон распределения, рассчитываются средние значения, среднеквадратические отклонения (дисперсии). Далее устанавливаются корреляционные связи между некоторыми свойствами с определением коэффициентов корреляции и получением уравнений регрессии. Существует множество способов и программ статистической обработки данных на ЭВМ.
8.6.4. Взаимосвязи петрофизических свойств горных пород
Связи родственных геолого-геофизических свойств горных пород (физико-механических, деформационно-прочностных, фильтрационно-емкостных, геофизических) иногда выражаются в виде формул, полученных аналитически или эмпирически. Однако чаще они являются корреляционно-статистическими. Межпараметрические связи устанавливаются путем проведения совместных геолого-геофизических работ на опытных или ключевых участках изучаемого района. В этом случае в результате статистической обработки материалов можно получить уравнения регрессии для парной или множественной корреляции между разными геолого-гидрогеологическими и геофизическими параметрами (см. 8.4.2).
Особый практический интерес представляют определения геолого-гидрогеологических свойств полевыми геофизическими методами. Например, с помощью гравитационных и магнитных или электрических и ядерных методов можно вести петрофизическое (литологическое) картирование. Применение комплекса методов ГИС позволяет изучать коллекторские свойства пород и выявлять заполнитель пустот (вода, нефть, газ). Основными прикладными задачами петрофизики является установление подобных связей. Поскольку физико-геологические связи многофакторны, их лучше всего определять с помощью многомерной корреляции. С этой целью для любого геологического свойства в пределах изучаемого района надо получить уравнение многомерной связи этого свойства с рядом других свойств, т. е. получить уравнения регрессии. Например, коэффициент нефтенасыщенности можно определить по формуле: Кн = avp+ bρ + cη, где а, b, c — коэффициенты, которые находятся в ходе эталонирования (обучения) на участках с известными Кн, скоростями продольных волн (vр), удельными электрическими сопротивлениями (ρ) и поляризуемостями (η) нефтеносных пород. Можно попытаться определить ряд геологических свойств по одному геофизическому параметру с помощью одномерных линейных уравнений связи. Однако надежность таких определений невысока.
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 три 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 > 40 000⋅10–5 ед. СИ (К)). Для скоростей продольных волн вводится латинский алфавит: при vp = 2,0–2,3 км/с (a) 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: рудные отличаются очень низкими значениями УЭС (ρ << 1 Ом ⋅ м) и высокими плотностями (σ > 4 г/см3); радиоактивные — высокими концентрациями урана (еU > 0,1); железорудные — высокими плотностями (σ > 4 г/см3) и магнитными восприимчивостями (χ > 0,01 ед. СИ); нерудные — высокими плотностями (σ > 4 г/см3) и высокими скоростями продольных упругих волн (vp > 6 км/с) и т. д.