Курсовая работа (т): Методы геофизического исследования скважин при поиске и разведке угольных месторождений

Методы геофизического исследования скважин при поиске и разведке угольных месторождений

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московской области

Международный университет природы, общества и человека «Дубна»

Факультет естественных и инженерных наук

Кафедра общей и прикладной геофизики

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине «Геофизические исследования скважин»

На тему:

Методы ГИС при поиске и разведке угольных месторождений

Оглавление

Введение

Глава 1. Общие сведения об угольных месторождениях. Классы угольных месторождений

Глава 2. Типовые комплексы ГИС для исследования скважин и выделения угольных пластов

.1 Методы электрометрии

.2 Методы радиоактивного каротажа

.3 Нейтронные методы каротажа

.4 Каротаж на основе сейсмоакустических полей

Глава 3. Задачи ГИС при поиске и разведке угольных месторождений. Методы, применяемые для исследования и решения задач

Заключение

Список литературы

Введение

Геофизические исследования скважин - это комплекс физических методов, основанный на изучении естественных и искусственных полей используемых для изучения горных пород в околоскважинном и межскважинном пространствах, а также для контроля технического состояния скважин.

Геофизические исследования скважин делятся на две обширные группы методов - методы каротажа и методы скважинной геофизики.

Каротажем - называют геофизические исследования, основанные на измерении параметров физических полей в околоскважинном пространстве. Методы служащие для изучения межскважинного пространства называют - скважинной геофизикой, это геофизические исследования, выполняемые с целью изучения массива горных пород в окрестностях скважины и между скважинами на расстояниях от долей до сотен метров.

До создания ГИС исследование образца горной породы, извлеченной из скважины, полученным в процессе бурения было главным источником информации о продуктивности вскрываемых пластов. В настоящее время эти задачи решаются в основном с помощью геофизических исследований скважин.

Методы ГИС применяются при поисках, разведке и разработке нефтегазовых, угольных и рудных месторождений. Основные задачи, решаемые методами ГИС, состоят в литологическом расчленении разреза скважин, выявлении пластов бурых и каменных углей, антрацитов и горючих сланцев, определении их мощности и строения.

Исследование скважин проводят в процессе разведки, опытной и промышленной эксплуатации с целью получения исходных данных для определения запасов, проектирования разработки месторождений, обустройства промысла, установления технологического режима работы скважин, обеспечивающего их эксплуатацию при оптимальных условиях без осложнений и аварий, оценки эффективности работ по интенсификации и контроля за разработкой и эксплуатацией месторождения.

Глава 1. Общие сведения об угольных месторождениях

Твердые горючие полезные ископаемые по количеству добываемого сырья, морфологическим особенностям месторождений, составу окружающих горных пород и физическим свойствам похожи на нерудные полезные ископаемые. Поэтому иногда нерудную и угольную геофизику объединяют в один прикладной раздел геофизики.

Роль ГИС при поисках разведке и эксплуатации угольных месторождений весьма значительна. В большей степени это касается угольных месторождений, поскольку из-за низкой механической прочности углей вынос керна из них весьма мал. Рассмотрим более подробно месторождения угольных полезных ископаемых.

Классы угольных месторождений

Угли и близкие к ним по свойствам горючие сланцы залегают в виде пластов или протяжных линз в песчано-глинистых, реже всего в карбонатных породах. Пласты углей и горючих сланцев имеют мощность от нескольких сантиметров до десятков метров.

Физические свойства углей зависят от степени их метаморфизма, влажности, трещиноватости и минерального состава. Существуют угли бурые, каменные и антрациты.

Бурые угли характеризуются сравнительно небольшим содержанием углерода (60-70%) и значительной влажностью (до 40%). Каменные угли содержат 80-95% углерода и до 5% влаги. Антрациты, отличающиеся наибольшей степенью метаморфизма, включают более 95% углерода и практически не содержат влаги. (Геофизические исследования скважин, И.Ю. Горбачев, М., Недра,1990).

Угольные месторождения подразделяются на четыре класса с маркой углей, указанными в Таблице 1.

Первый класс месторождений - буроугольные с землистыми (), плотными матовыми  и блестящими  бурыми углями. Характеризуются низким УЭС, скоростью и плотностью, а также малыми отрицательными значениями ПС. (Рисунок 4, а)

Второй класс месторождений - каменноугольные, содержащие угли переходные от бурых к каменным (Б-Д) и каменные: длиннопламенные (,), газовые (Г), жирные (Ж), коксовые (К), отощенно-спекающиеся (ОС) и тощие (). Характеризуются высоким УЭС, значительными отрицательными потенциалами ПС и некоторым увеличением плотности. Скорость упругих волн с повышением степени метаморфизма понижается, становится минимальной к коксовым углям, а затем начинает нарастать, достигая максимума в антрацитах. (Рисунок 4, б)

Третий класс месторождений с тощими углями () и полуантрацитами (П). Угли этого класса по отношению к предыдущему классу характеризуются резким снижением удельного сопротивления вследствие появления в них наряду с ионной и электронной проводимости. (Рисунок 4, в)

Четвертый класс месторождений полуантрацитов () и антрацитов (-), в которых преобладает электронная проводимость. Угли характеризуются снижением общей пористости, низкими сопротивлениями, высокими значениями потенциалов собственной и вызванной поляризации, плотности и скорости распространения упругих колебаний. (Рисунок 4, г)

Несмотря на рост плотности углей по мере увеличения степени метаморфизма, она всегда остается на 0,4-1,0 г/см ниже плотности вмещающих пород. Угли обладают сравнительно низким эффективным атомным номером, обусловленным их высоким углеродосодержанием.

Уголь состоит из органической массы, минеральных примесей и влаги. Содержание влаги изменяется для бурых углей от 5 до 20%, для каменных до 5% и для антрацитов от 1 до 3%. Влажность угля увеличивается с увеличением содержания минеральных примесей.

Таблица 1

Классы угольных месторождений

Основную часть минеральных примесей составляют глинистые минералы, сульфиды железа, кварц, карбонаты кальция и железа. Остальные минералы имеют подчиненное значение и практически не оказывают влияния на физические свойства углей.

По мощности различают угольные пласты: тонкие, мощность до 1,3 м и мощные - более 3.5м.

Важным показателем качества углей является их зольность, выражаемая в процентах от массы, и представляющая собой негорючий остаток от сжигания угля. Средняя зональность угольного пласта зависит от соотношения мощностей породных и углистых прослоев и зональности последних. Зольность угольных пластов составляет от нескольких процентов до 50 %, у глинистых пород от 50 до 80%, неглинистых пород - свыше 80 %.

Для детальных геологических исследований, решения вопроса о наличии полезных ископаемых, а также для подсчетов их запасов бурят скважины, которые изучают с помощью геофизических методов исследования скважин. (Состав и физические свойства горных пород и полезных ископаемых, справочник геофизика, М., Недра, 1984)

Глава 2. Типовые комплексы ГИС для исследования скважин и выделения угольных пластов

Ведущими наземными и скважинными методами разведки угольных месторождений являются электрические. Это объясняется характерными свойствами углей, удельное электрическое сопротивление которых изменяется в очень широких пределах от  до Ом∙м. Оно зависит от химико-технологических характеристик угля, степени их углефикации и обводненности. Под химико-технологическими характеристиками понимают качественный и количественный состав органической массы, а также количество твердой негорючей массы, называемой золой. На величину электрического сопротивления оказывает влияние в основном зольность углей. При переходе от малозольных (негорючий остаток меньше 10%) к среднезольным (10-30%) и высокозольным (золы больше 30%) бурым и каменным углям сопротивление уменьшается в 3-5 раз. Наоборот, у хорошо проводящих ток антрацитов с увеличением зольности сопротивление растет.

Антрациты и графит, являясь электронными проводниками, отличаются высокой электропроводимостью, электрохимической активностью и поляризуемостью. В зависимости от литологии и степени метаморфизма и обводненности угли могут отличаться как высоким, так и низким электрическим сопротивлением от вмещающих пород. Иногда их электрическое сопротивление такое же, как у вмещающих пород. Кроме того, угольные пласты характеризуются пониженными, по сравнению с вмещающимися породами, плотностью. Скоростью упругих волн, повышенной поляризуемостью.

Сланцы, торф отличаются от окружающих пород пониженными значениями плотности, скорости распространения упругих волн, электрохимического сопротивления. Рассмотрим более подробно комплексы ГИС, применяемые для исследования разреза скважин и выделения угольных пластов.

2.1 Методы электрометрии

Классическим электромагнитным методом является электрический каротаж методом КС кажущихся сопротивлений. Исследования выполняются с использованием искусственно созданного поля. Одновременно с методом КС производится регистрация потенциалов постоянного естественного электрического поля, т.е. потенциалов собственной поляризации - ПС. Схема электрического каротажа КС и ПС приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема электрического каротажа КС и ПС: 1 - генератор, 2 - измеритель, 3, 4 - фильтры, А, В - питающие электроды, М, N - измерительные электроды

Метод КС выполняется посредством электропрофилирования по стволу скважины с помощью осевых электроразведочных установок. На каждом конкретном месторождении при записи кривых КС выбираются оптимальные условия их регистрации, то есть те, которые в наилучшей степени позволяют выделить границы пластов и охарактеризовать их литологическую принадлежность.

Индукционный каротаж (ИК) - электромагнитный метод, основанный на измерении кажущейся удельной электрической проводимости σ_к, то есть параметра σ_э = 1/ρ, который измеряется в единицах Сим/м. Сущность метода в электромагнитном профилировании по стволу скважины.

Осевая установка ЭМП, состоящая из генераторной(Г_к) и приемной (И_к) катушек и представляет собой специальный конструкции зонд. Расстояние между катушками составляет длину зонда L. Зонд является составной частью скважинного прибора, содержащего электронную схему рисунок 2.

Рисунок. 2. Схема скважинного прибора индукционного каротажа

Метод потенциалов самопроизвольной поляризации (ПС или СП) основан на измерении естественного постоянного электрического поля Земли, дополнительно деформированного влиянием скважины. Это поле создается в основном вследствие окислительно-восстановительных фильтрационных и диффузионно-адсорбционных процессов. Последние приводят к существованию на границах разделов сред двойных электрических слоев, суммарный потенциал которых и характеризует интенсивность поля ПС. Метод ПС простой, но весьма эффективный, входящий в обязательный комплекс ГИС угольных скважин. Измерение потенциалов естественного поля (U_сп) сводится к замеру разности потенциалов между подвижным электродом М и неподвижным электродом N, находящимся на поверхности Рисунок 3.

Рис. 3. Схема измерений методом ПС

Рисунок 4. Диаграммы ПС (1)  для углей. а, б - бурые угли низкого и высокого УЭС, в - тощих, г - антрацитов 3 - песчаник, 4 - алевролит, 5 - аргиллит, 6 - угли

2.2 Методы радиоактивного каротажа

Основные методы РК, которые применяются при поиске и разведке угольных месторождений - это гамма-каротаж.

Метод гамма-каротажа (ГК), создан на основе поля естественной радиоактивности, а на основе наведенной радиоактивности методы гамма- гамма-каротажа (ГГК) и методы нейтронного каротажа (НК).

При каротаже ГК измеряют естественную радиоактивность (J_γ) в скважине с помощью специального скважинного прибора, содержащего электронную схему и индикатор гамма-излучения. В современных комплексных приборах РК, ГК являются отдельным модулем. Кроме того, канал ГК может быть частью любого комплексного прибора ГИС. В качестве индикаторов гамма излучения используется газоразрядные и сцинтилляционные счетчики. В качестве сцинтилляторов применяют монокристаллы йодистого натрия NaJ или йодистого цезия СsJ, активированные для увеличения световыхода таллием Tl. Световая вспышка (сцинтилляция) преобразуется в электрический импульс и усиливается в 10⁵-10⁶ раз с помощью фотоэлектронных умножителей. Последний подключается к электронной схеме. Сигналы со скважинного прибора передаются по кабелю в наземную панель и регистрируется либо в цифровом, либо в аналоговом виде. ГК являются основным методом в стандартном комплексе ГИС и эффективно используется совместно с методами КС и ПС для литологического расчленения разрезов.