Редактируется

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования

«Гомельский государственный технический университет

имени П.О.Сухого»

А.П. ПИНЧУК,

Г.В.ПИМЕНОВ

ФИЗИКА ГОРНЫХ ПОРОД И ПРОЦЕССОВ

Тексты лекций

Гомель 2010

УДК 553.98:622.276

ББК 26.325.4

П 32

Рекомендовано к изданию научно-методическим советом

машиностроительного факультета ГГТУ им. П.О.Сухого

(протокол № -- от --------2010 г.)

Рецензент:

Пинчук А.П., Пименов Г.В.

П 32 Физика горных пород и процессов: курс лекций по одноименной дисциплине для студентов специальности 1-51 02 02 «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений» / А.П.Пинчук, Г.В.Пименов. – Гомель: ГГТУ им. П.О.Сухого, 2010.- 93 с.

УДК 553.98: 622.276

ББК 26.325.4

©Пинчук А.П., Пименов Г.В. 2010

© Учреждение образования «Гомельский

государственный технический университет

имени П.О.Сухого», 2010

Введение

Проектирование разработки и эксплуатация углеводородных месторождений, применение геофизических исследований и истолкования их результатов требуют знания характера распределения значений отдельных петрофизических величин в пределах геологических тел. Особенно важное значение физика горных пород и процессов (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.

Физические свойства пород и полезных ископаемых, изучаемые в нефтегазовой геофизике, объединяются в следующие группы:

1) емкостную (пористость, влагоемкость.);

2) капиллярную (капиллярное давление, смачиваемость);

3) газо- и гидродинамическую (газо-, водо- и нефтепроницаемость);

4) плотностную (плотность твердой, жидкой, газовой фаз);

5) электрическую (электропроводность, диэлектрическая проницаемость, естественная и вызванная поляризация и активность);

6) тепловую (теплоемкость, тепло- и температуропроводность;

7) магнитную (намагниченность, магнитная восприимчивость;

8) ядерную (радиоактивность, нейтронная активность);

9) упругую (способность к деформациям);

10) прочностную (прочность на сжатие, разрыв, сдвиг);

11) пластичную (пластичность).

Каждая группа свойств характеризуется комплексом петрофизических величин. Например, емкостная группа — коэффициентами общей, открытой, эффективной и динамической пористости, коэффициентами полной, капиллярной, подвешенной, максимально гигроскопической и гигроскопической влагоемкостями.

Петрофизические связи положены в основу определения петрофизических величин, необходимых при подсчете запасов полезных ископаемых геофизическими методами.

Тема 1. Неоднородность геологических тел

Горные породы находятся в недрах Земли в виде взаимосвязанных тел. Общим и важнейшим свойством геологических тел является их неоднородность. Каждое из геологических тел содержит различные по происхождению, размерам, форме, составу, структуре и другим свойствам виды неоднородности.

Для количественных характеристик неоднородности геологического тела пользуются параметрами изотропии и анизотропии.

Изотропия – характеризуется одинаковыми значениями любых геофизических и петрофизических параметров тела по разным направлениям.

Анизотропия – характеризуется различием величин петрофизических и геофизических параметров тела по разным направлениям.

Коэффициент анизотропии определяется соотношением величин одноименного параметра горной породы, измеренного во взаимо-перпендикулярных направлениях. Если коэффициент анизотропии близок к единице, то свойства параметров тела близко к изотропному состоянию. Например: в направлении распространения горизонта и перпендикулярно этому направлению в связи с условиями отложения зерен горной породы, будут различны такие параметры как электропроводность, скорость сейсмических волн, проницаемость и т.д.

Детальность изучения геологического тела можно повысить за счет непрерывного уменьшения размера, элементарного объема, однако число элементов неоднородности будет изменяться скачками в соответствии с дискретностью — определенными уровнями размеров отдельных неоднородностей геологического тела. При самых крупных элементарных объемах будут выделяться соизмеримые с ними элементы неоднородности только тогда, когда с помощью измерительной установки, определяющей характеристику неоднородности, исследуют породу в объеме значительно меньшем (не менее чем на два порядка), чем элемент неоднородности.

Неоднородности, близкие по объему к изучаемой измерительной установке, способствуют существенному разбросу определяемой величины и могут служить помехой для выделения исследуемой неоднородности. Непрерывно уменьшая элементарные объемы и соответственно объемы, изучаемые с помощью измерительной установки, выявляют все меньшие по размеру элементы и различные по видам неоднородности геологических тел. Чем крупнее геологическое тело, тем больше у него видов неоднородностей и тем значительнее должен быть набор элементарных объемов и измерительных установок.

У простейших и относительно малых по размеру геологических тел (монокристаллы минералов) различают, структурную и неструктурную неоднородности.

Структурная неоднородность — это отсутствие тождества структурных ячеек по всему заполненному ими объему. Структурные ячейки минералов неодинаковы по химическому составу — равные положения в их объеме могут занимать разные атомы, в ячейках встречаются также вакансии (незаполненные атомами узлы), внедрившиеся атомы и дислокации.

Неструктурная неоднородность — это неодинаковый состав и строение отдельных частей минерального элемента.

Пластовые тела имеют, кроме перечисленных неоднородностей и более низкие их виды или уровни. Эти тела заполняются многокомпонентными породами, между полиминеральными, разноразмерными зернами которых со структурной и неструктурной неоднородностью располагаются определенный по составу цемент, природные воды и их смеси с жидкими и газообразными углеводородами. По простиранию и падению пластовых тел нередко наблюдается закономерная изменчивость соотношения между их твердой и другими компонентами, минерального и гранулометрического составов зерен и цемента.

Гораздо больше различных видов неоднородности содержат крупные геологические тела, как щиты и плиты, континентальные платформы, континентальные геосинклинально-складчатые орогенные системы, пояса и т. д. Для континентальных платформ выделяются низкие уровни неоднородности. Они обусловленны структурной многоэтажностью этих тел, наличием глубинных разломов и других их особенностей. В этом случае для выявления низких уровней неоднородности применяются методы прикладной геофизики, фотосъемки со спутников и др.

Проводят комплексные геофизические параметрические исследования вскрытых скважиной пластов с установками различного типа и размера. По этим данным с применением статистики находят предельные, средние и медианные значения петрофизических величин для пласта или залежи в целом.

В каждом геологическом объекте можно выделить неоднородности от мета неоднородности до ультра и микро неоднородности, или классифицировать их по рангу. Если взять такую геологическую структуру как Припятский прогиб, то в ней мета неоднородности (1 ранга) будут ступени и грабены, затем локальные структуры, отдельные блоки внутри этих структур, изменения свойств (мощности, пористости, проницаемости и т.д.) в пределах блоков, пластов. Соответственно идет изучение геологической структуры различными методами от первого ранга до высоких рангов или ультра микро неоднородностей, т.е. с постоянно уменьшающимся объемом исследуемых пород. Так первоначально проводят региональные геофизические исследования с единичными структурными скважинами, затем проводят детальные работы и разведочные или поисковые скважины. После этого этапа и выявления залежи нефти проводят детализационные работы, закладываются новые скважины, исследуются продуктивные горизонты геофизическими скважинными методами и лабораторными методами на извлеченном керне, применяют фильтрационно-трассирующие и другие методы для выявления структуры изучаемой залежи, т.е. её неоднородности

Любое месторождение углеводородов имеет цепочку геологических неоднородностей разного ранга. Например: наличие нескольких залежей углеводородов, наличие в каждой залежи тектонических нарушений, неравномерное распределение всех свойств коллектора от сводовой части к крыльям, анизотропию свойств по простиранию и вкрест простирания горизонта, локальные неоднородности, неоднородность минерального состава и т.д.

При исследовании коллекторских свойств горных пород применяют геофизические и лабораторные методы. При использовании полученных результатов следует учитывать несколько условий: бурение скважины и отбор образца горной породы с подъемом его на поверхность изменяет его свойства; небольшой объем образца не может с большой степенью вероятности характеризовать весь продуктивный горизонт ни по его глубине, ни по площади; геофизические исследования в скважине содержат ошибки применяемого метода измерения, проникновением бурового раствора в горную породу, минерализацией бурового раствора, ограниченностью радиуса исследования горной породы данным размером зонда.