Изучение углеразведочных скважин геофизическими методами (на примере месторождения Шубарколь)

Размеры графика  произвольны, однако для удобства пользования им целесообразно по оси ординат J_gg/J_ggэ его размер установить в пределах ширины диаграммной ленты и регистрировать диаграммы J_gg в том же масштабе, в котором построен градуировочный график, т. е. в эталонных единицах. В этом случае указанный график может быть палеткой и непосредственно использован для отсчета по диаграмме J_gg плотности пород, а также и зольности угля. С этой целью ось абсцисс палетки совмещается с осью глубин диаграммы и палетка перемещается вдоль диаграммы. Плотность пород отсчитывается по оси палетки в точках пересечения ее кривой с экстремальными участками диаграммы. Палетка также позволяет нанести непосредственно на диаграмму шкалу плотности (рисунок 1.4).

Для выделения  пластов различных пород и  углей в разрезе скважины с  целью определения их плотности  необходимо пользоваться комплексом диаграмм различных геофизических методов. На палеточную кривую наносят значения интенсивности рассеянного гамма-излучения по замерам в эталонировочном устройстве при эталонировании аппаратуры. По этим значениям контролируют соответствие условий регистрации диаграмм J_gg условиям получения палеточной кривой.

1 – без учета  влияния вещественного состава  угля;

2 – исправленная за влияние вещественного состава угля;

э₁-э₃ – замеры J_gg в эталонировочном устройстве;

э_1у, э_2у – замеры J_gg в угольном пласте с известной зольностью

 

                Рисунок 1.2 – Палетка для определения плотности углей и пород по

                                         диаграммам рассеянного гамма-излучения J_gg

 

В области малозольных углей (А^с£25%) наблюдается влияние их вещественного   состава (повышенное содержание водорода) на результаты измерений J_gg. Поэтому первоначальную кривую 1 в интервале плотности от 1 до 1,6 г/см³ следует корректировать по замерам J_gg в малозольных углях с известной плотностью (кривая 2), которой и следует пользоваться на практике (рисунок 1.3). Для пород с малой плотностью, вещественный состав которых не изменяется, следует пользоваться кривой 1 палетки.

Палетку так же, как и эталонировочный  график, строят для каждого скважинного прибора, эталонировочного устройства, зонда и источника гамма-излучения.

 

Рисунок 1.3 – Палетки поправочных коэффициентов за скорость

                      регистрации диаграмм (а) и за мощность пласта (б)

 

1 – конкреция; 2 – алевролит; 3 – аргиллит; 4 – среднеуглекислый аргиллит; 5 – высокоуглистый аргиллит; 6 – уголь

 

Рисунок 1.4 – Определение по диаграмме рассеянного гамма излучения плотности пород и зольности углей

 

Если в отдельных  интервалах скважины наблюдаются отклонения от оптимальных условий регистрации диаграмм J_gg (скорость и положение зонда) и оптимального разреза (тонкий прослой, изменение вещественного состава пласта, естественная радиоактивность), то в этом случае необходимо вносить в диаграмму соответствующие поправки (рисунок 1.3).

Значения радиоактивности  угленосных отложений J_g, приведенные к условиям регистрации диаграмм J_gg, не превышают 10% по отношению к регистрируемой интенсивности. Поэтому такую поправку в диаграмму J_gg можно не вводить. В диаграмму вносят еще поправки за скорость регистрации и мощность пласта.

В благоприятных условиях измерений рассеянного гамма-излучения (отсутствия каверн, ровные стенки скважин) плотность пород и углей определяется с погрешностью ±1%, что в абсолютных значениях составляет для вмещающих   пород ±0,025 г/см³ и для углей ±0,015 г/см³. В осложненных скважинах (неровные стенки, каверны и т. п.) точность определения плотности пород и углей по диаграммам J_gg снижается.

Плотность насыщенных водой пород  находят по формулам:

 

, , .  (1.4)

Кроме того, плотность  насыщенных водой основных угленосных пород можно получить по палетке корреляционных связей этого параметра с другими параметрами (рисунок 1.2).

Скорость  распространения упругих волн. Горные породы различаются между собой по скорости распространения упругих волн (таблица 1.1). Это свойство горных пород используется в сейсморазведке и в ультразвуковом или акустическом методе исследования скважин /3/.

По скорости распространения продольных упругих волн в породах из разрезов угленосных месторождений резко выделяются изверженные породы и известняки, обладающие максимальными скоростями, а также пески, имеющие минимальные скорости (таблица 1.1). Скорость распространения упругих волн в угленосных породах зависит от их пористости, слоистости, трещиноватости, состава и типа цемента, насыщающих вод и других причин.

С увеличением  пористости пород уменьшается скорость распространения в них упругих волн. Следовательно, изменение упругих свойств пород может служить показателем степени их диагенеза и эпигенеза. Минералогический состав пород оказывает влияние на изменение их упругих свойств. Так, скорость распространения упругих волн в породах возрастает при увеличении содержания в них карбонатного цемента, уменьшении глинистого цемента, увеличении размера зерен.

Акустические  свойства пород изменяются в зависимости  от характера заполнителя их пор. Скорость звука в воде больше, чем  в нефти. Поэтому скорость распространения звука в песке, насыщенном водой, на 15—20% больше скорости звука в песке, насыщенном нефтью.

Скорость распространения  упругих продольных волн v_p в пластах пород определяют по диаграммам интервального времени DT. Предварительно находят видимую мощность изучаемого пласта, для чего используют диаграмму тока метода фокусированных зондов. Затем, если мощность пласта больше размера базы акустического зонда — расстояния между двумя излучателями (h>L), значение v_p определяют в следующей последовательности:

а) Определяют границы пласта (кровли Н_к и подошвы Н_п) на диаграмме DТ.

б) На диаграмме DТ находят участок кривой в пределах глубины Н_п-L/2 и Н_к+L/2.

в) Определяют по диаграмме DT среднее значение времени распространения упругой волны в пласте (DТ_ср) в интервале Н_п-L/2 и Н_к+L/2.

г) Скорость распространения продольных волн v_р в пласте определяют по формуле

 

.     (1.5)

Для определения  скорости распространения упругих  продольных волн можно использовать корреляционные связи этого параметра с физическими свойствами различных литотипов.

Радиоактивность угленосных пород. Радиоактивные элементы (естественные и искусственные) отличаются различной средней скоростью распада, постоянной для каждого из них. Обычно скорости радиоактивного распада характеризуются обратной величиной - периодом полураспада Т_1/2 - временем, в течение которого распадается половина радиоактивных ядер. Для различных радиоактивных элементов период полураспада изменяется от долей секунды до миллиардов лет.

Для измерения  радиоактивности горных пород приняты следующие единицы: кюри (Ки) и г×экв Ra/г.

Для оценки интенсивности  гамма-излучения, возникающего при  радиоактивном распаде элементов, применяется рентген (Р).

Естественная  радиоактивность горных пород обуславливается содержанием в них изотопов урана (²³⁵U, ²³⁸U), тория (²³²Th) и продуктов их распада, а также калия (⁴⁰К) и рубидия (⁸⁷Rb). Содержание других радиоактивных элементов в горных породах незначительно, и поэтому практически они не оказывают влияния на их радиоактивность. Естественные радиоактивные изотопы излучают гамма-кванты с энергией от 0,5 до 3 МэВ (в среднем 1 МэВ).

В различных  горных породах в зависимости  от физико-химических условий образования содержится разное количество радиоактивных элементов (таблица 1.1). Из магматических пород минимальная естественная радиоактивность   около 10^-12 г×экв Ra/г наблюдается в основных породах. В кислых магматических породах естественная радиоактивность повышается до 10^-11 г×экв Ra/г.

В осадочные  отложения радиоактивные элементы попадают путем раздробления и переноса изверженных пород.

В общем случае из осадочных  пород наибольшей естественной радиоактивностью характеризуются глубоководные осадки (глины) и калийные соли. Содержание радиоактивных элементов в глубоководных глинах достигает 90 пг×экв Ra/г. Неглубоководные и континентальные глины, а также известковистые и песчаные глины характеризуются естественной радиоактивностью от 2 до 30 пг×экв Ra/г. Радиоактивность этих пород тем выше, чем больше содержится в них тонкодисперсного глинистого материала. Песчаники, известняки и доломиты имеют еще более низкую радиоактивность (от 0,5 до 10 пг×экв Ra/г). Самую низкую естественную радиоактивность, порядка десятых и единиц пикограмм эквивалента радия на 1 г породы имеют гипсы, ангидриты, каменная соль и каменные угли. В редких случаях в каменных высокозольных углях наблюдается повышенная радиоактивность.

Таким образом, наличие большой  дифференциации горных пород по их естественной радиоактивности позволяет  изучать геологические разрезы скважин гамма-методом, т. е. по материалам измерения естественной радиоактивности пород по стволу скважины.

Взаимодействие гамма-излучения  с горными породами характеризуется тремя процессами: фотоэффектом, образованием пар и комптоновским эффектом.

Фотоэффект заключается  в поглощении гамма-квантов с  передачей энергии электрону. Если энергия фотона больше энергии связи электрона с атомом, ее избыток передается электрону в виде кинетической энергии. Фотоэлектрическое поглощение наблюдается преимущественно с гамма-квантами энергий меньше 0,2 МэВ и резко возрастает в средах, содержащих тяжелые элементы - поглощение пропорционально примерно четвертой степени атомного номера элемента.

Процесс образования пар  состоит в том, что при облучении  вещества g-лучами отдельные фотоны, обладающие большой энергией (более 1,02 МэВ), в поле ядра превращаются в пару электрон - позитрон (b^- - b⁺). Процесс образования пар имеет большое значение при высоких энергиях гамма-излучения (более 2—5 МэВ), с которыми в большинстве случаев не приходится встречаться при геофизических исследованиях скважин.

Максимальная доля потери энергии гамма-квантов при прохождении сквозь горные породы возникает вследствие комптоновского рассеяния. В этом процессе взаимодействие гамма-лучей (фотонов) с электронами можно уподобить соударениям упругих шаров. В результате удара фотона с электроном первый, отдав часть энергии, превращается в фотон меньшей энергии, направление движения которого отличается от падающего фотона, а электрон отдачи получит движение, направленное под некоторым углом к траектории первичного фотона.

Так как комптоновское рассеяние  происходит на электронах атомных оболочек, то оно будет определяться числом электронов в единице объема среды

,     (1.6)

где N_A - постоянная Авогадро;

Z - порядковый номер элемента;

А - атомная масса;

d - плотность.

Так как отношение Z/A практически постоянно (для элементов, составляющих осадочные горные породы, Z/A»0,5), интенсивность комптон-эффекта в основном определяется плотностью породы. Поэтому породы повышенной плотности будут отмечаться на диаграммах рассеянного гамма-излучения пониженными значениями интенсивности измеряемого гамма-излучения, а породы пониженной плотности, наоборот, высокими значениями этого параметра.

Метод изучения рассеяния  гамма-излучения, как показывает практика, весьма чувствителен к изменению плотности горных пород. Среди осадочных пород угольные пласты обладают аномально низкой плотностью (1,15 до 1,7 г/см³), а вмещающие породы - повышенной плотностью (2,0 - 2,8 г/см³).

Интенсивность естественного  гамма-излучения пород J_g, измеряют по разрезу скважины скважинными радиометрами, проградуированными в единицах микрорентген в час (мкР/ч). Значение интенсивности естественного гамма-излучения определяется непосредственно по диаграмме J_g, с введением поправок за мощность пласта и диаметр скважины.

На рисунке 1.5 приведена  палетка для определения поправочного коэффициента k_hи за мощность пласта и инерционность прибора.

Палеткой следует пользоваться следующим образом.

а) Выбрать кривую с соответствующим шифром, равным параметру регистрации w=vt интерпретируемой диаграммы J_g, где v - скорость движения радиометра в скважине (м/ч); t - постоянная времени интегрирующей ячейки радиометра (с).

б) На выбранной  палеточной кривой отметить точку с  абсциссой, равной мощности исследуемого пласта.

в) Ордината найденной  точки будет равна искомому коэффициенту

 

,           (1.7)

где    DJ_g¥ - приращение интенсивности DJ_g для пласта неограниченной  мощности (практически h>1 м) по отношению к вмещающим породам J_gвм минимальной интенсивности;

DJ_gmax - максимальное приращение интенсивности исследуемого пласта по отношению к тем же вмещающим породам.

г) Определить исправленное приведенное значение DJ_gп приращения интенсивности за мощность пласта и инерционность аппаратуры

 

.            (1.8)