способ измерения петрофизической характеристики мелко- и среднеобломочных горных пород

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕТРОФИЗИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕЛКО- И СРЕДНЕОБЛОМОЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД, включающий физическое воздействие на образец горной породы, выполненный в форме куба, измерение физических параметров образца, обусловленных этим воздействием, и расчет по ним петрофизической характеристики горной породы, отличающийся тем, что ориентируют грани куба по главным направлениям анизотропии горной породы, физическое воздействие осуществляют путем истирания тонкого слоя на каждой из трех сопряженных граней куба до частиц, имеющих размер, равный средней величине составляющих породу обломков, измеряют теплоту, выделившуюся при истирании, и время истирания каждой грани, а в качестве петрофизической характеристики горной породы определяют потенциал связности обломков горной породы в точке отбора образца по формуле

q_i K (l, h, m) Q_i / t_i при m < h << l,

где q потенциал связности;

K коэффициент установки геометрических параметров, численно равный величине обратной мощности истирания;

l длина стороны куба;

h толщина слоя, истираемого с одной грани куба;

m средняя величина обломков, составляющих породу;

Q теплота, выделившаяся при истирании грани;

t время истирания одной грани;

i индекс грани куба (i 1, 2, 3).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к геофизическим методам разведки месторождений полезных ископаемых.

Аналогом способа может служить измерение деформационно-прочностной характеристики горной породы предела прочности [1] Образец горной породы в форме кубика подвергают трехосным механическим нагрузкам и наблюдают процессы его деформации.

В качестве количественной характеристики предела прочности горной породы используют величину механического напряжения, при котором происходит разрушение образца стандартных размеров. Способ применяется для решения задач инженерной геологии, связанных с определением физико-механических свойств горных пород. В геологоразведочной практике измеряемая характеристика применения не нашла, поскольку не отражает физико-геологических процессов образования и метаморфизма горных пород и не содержит поисково-разведочных признаков.

Прототипом способа является измерение вектора остаточной намагниченности в образце горной породы, применяемого в геофизическом методе палеомагнитологии [2] Из коренных отложений отбирается образец в форме кубика стандартных размеров, ориентированный в пространстве по направлениям современных геомагнитных полюсов. С помощью индуктивной измерительной аппаратуры определяют компоненты вектора намагниченности. Специальными физическими и статистическими методами выделяют компоненты вектора остаточной намагниченности, характеризующие напряженность, склонение и наклонение геомагнитного поля в пункте отбора образца в момент образования горной породы. Процесс измерения как деформационно-прочностной, так и магнитной характеристик состоит из операций: физическое воздействие на образец горной породы, выполненной в форме куба, измерение физических параметров образца, обусловленных этим воздействием, и расчет по ним петрофизической характеристики горной породы.

Результат измерения вектора остаточной намагниченности несет в себе информацию о величине и направлениях движения потоков вещества, слагающих земную кору в геомагнитном репере. На основании сравнения полученных значений компонент палеомагнитного и современного геомагнитного полей по совокупности измерений в разных точках земной поверхности на образцах горных пород, сформировавшихся в одно и то же время, строятся палеомагнитные и палеотектонические реконструкции, необходимые при изучении процессов тектогенеза, условий формирования месторождений полезных ископаемых и корреляции комплексов осадочных отложений.

Предлагаемое изобретение позволяет получить принципиально новую информацию о структурном строении комплексов горных пород и сокращать затраты на поисково-разведочные работы.

Поставленная задача достигается количественными измерениями петрофизической характеристики следующим образом: из обнажения коренных обломочных отложений (например, керна скважин) вырезают образец в форме кубика со стороной l, ориентированного по главным направлениям анизотропии горной породы. На трех сопряженных гранях истирают тонкий слой h образца до составляющих породу обломков средней величины m. Одновременно с истиранием каждой грани образца измеряют выделившуюся теплоту и время истирания, численные отношения которых

q_i=k(l,h,m)х , (1) где q потенциал связности;

Q выделившаяся теплота;

t время истирания;

i индекс грани (1,2,3);

k(l, h,m) коэффициент установки геометрических параметров, численно равный величине, обратной величине мощности истирания (m<h<<l) определяют тензорную величину второго ранга потенциал связаности, как меру эффективной энергии связи обломков горной породы в точке отбора образца. По совокупности измерений в различных точках геологического разреза строятся карты графиков или изолиний компонент потенциала связности, отражающие тонкие структурные особенности строения среды, такие как величину связи обломков горных пород друг с другом, среднюю форму зерен и их преимущественную ориентацию. Перечисленные особенности входят в состав признаков понятия литофациального комплекса горных пород, петрофизическая характеристика которых в настоящее время неизвестна в геологической практике.

Качественную оценку тонкой структуры обломочной горной породы, например слабосцементированного песчаника можно получить, истирая поверхность образца вручную в различных направлениях. Таким способом можно установить наличие в горной породе слоистости. Количественная мера потенциальной энергии связи обломков в данном направлении выводится из баланса плотности потока энергии, затрачиваемой на разрушение связей обломков и плотности потока энергии, выделившейся через истираемую поверхность в виде теплоты:

(2) где А- затраченная работа;

t время истирания;

q коэффициент пропорциональности;

Q выделившаяся теплота;

V разрушенный объем площади поверхности и высоты

Это уравнение легко алгебраически привести к расчетной формуле (1) потенциала связности, выделив в левой части равенства аппаратурно фиксируемую величину мощности W=А/t и сокращая одинаковые величины в обеих частях равенства. Для получения полной характеристики тензорной величины в точке среды в виде упорядоченной тройки чисел необходимо дополнительно пронумеровать грани в выбранной системе координат и зафиксировать параметр таким образом, чтобы погрешность, возникающая в результате уменьшения площади сопряженных граней при истирании, не превышала допустимую погрешность измерений. При измерении этой характеристики на комплексах горных пород различного петрофизического и гранулометрического состава величина мощности истирания, зависящая от геометрических параметров установки l,h,m, выбираемых для каждого отдельного типа обломочной горной породы, является переменной величиной. Эта величина, входящая в расчетную формулу, как коэффициент k(l,h,m), может быть определена эмпирически, путем измерения потребляемой мощности на выборке образцов из комплекса горных пород или рассчитана на метематической модели комплекса отложений. Как следует из уравнения (2), потенциал связности определяется отношением величин одной размерности в системе СИ и при выборе значения величины k(l,h,m) в качестве единицы для какой либо горной породы эталона из выборки образцов, выражает эффективную энергию связи обломков в долях энергии связи эталона.

Эталоном может служить наиболее распространенная в комплексе горная порода либо горная порода, физико-геометрические параметры которой близки к средним значениям по выборке образцов. Диапазон измерений петрофизической характеристики лимитируется геометрическими параметрами и точностью измерительной аппаратуры. Он позволяет охватить осадочные и эффузивноосадочные средне- и мелкообломочные горные породы. Для согласования результатов измерения потенциала связности на различных видах обломочных горных пород и на различных геологических разрезах необходима система методических приемов, в которую входит единая система координат измерений и стандартизация аппаратурных параметров истирающих установок с учетом диаметра керна разведочных скважин.

Определенная описанным способом петрофизическая характеристика является эффективной мерой энергии связи обломков, не отражающей конкретного механического, молекулярного или химического вида связи и не устанавливает взаимно-однозначного соответствия получаемых численных значений измерений какому-либо конкретному виду горной породы. Однако эту неоднозначность можно частично или полностью исключить для генетически и пространственно связанных последовательностей отложений литофациальных комплексов горных пород, сопоставив им упорядоченную по глубине последовательность измерений функционал связности петрофизическую литофациальную характеристику.

Если имеется структурная карта отложений, позволяющая установить геометрические параметры поверхностей напластования: главные кривизны и их направления, то по измерениям потенциала связности в различных точках геологического разреза можно определить дифференциально-геометрическую характеристику геологического разреза связность, как систему частных пространственных производных от потенциала связности по экстемальным направлениям среды.

Принятые автором названия петрофизических характеристик "потенциал связности", "функционал связности" и "связность" отражают их физическое содержание метрических характеристик материальной среды, описывающих внутреннее геометрическое строение. Так, потенциал связности, принимающий по определению положительные значения от нуля до некоторой конечной величины, может быть использован в качестве метрики, а его частные производные по экстремальным направлениям в качестве афинной величины третьей валентности связности для геометрической модели геологической среды. По алгебраической форме, линейным масштабам и физическому содержанию определяемые величины занимают промежуточное положение между видами характеристик физической категории энергии связи, используемыми в теории гравитации и молекулярной физике. Петрофизическая характеристика несет в себе информацию в доступной инструментальным измерениям части физического пространства-времени Земной коре с распределением потоков вещества, определяемых силами гравитации и инерции.

Баланс плотностей потоков энергии (2) является частной формой общего выражения тензора энергии импульса напряжений материальной среды и вытекает из законов сохранения и превращения энергии в определенных выше условиях измерений.

Теоретически существует возможность обобщения гравитационного потенциала и петрофизического потенциала связности путем определения способов измерения на основе наблюдений плотностей потоков энергий, переносимых различными видами геофизических полей для составления баланса энергии и вывода расчетной формулы потенциала связности крупнообломочных горных пород и тектонических блоков.

Таким образом, массовые измерения потенциала связности горных пород и исследования в области увеличения диапазона измерений этой характеристики представляют интерес в физике и геодинамике как материал для проверки теоретических моделей.

Использование измерений потенциала связности и производных от него петрофизических характеристик в решении прикладных геологических задач может в ряде случаев сократить затраты за счет получения дополнительной информации как отдельно, так и в комплексе с другими геофизическими методами. Эти характеристики можно использовать для расчленения монотонных осадочных толщ и межскважинной корреляции геологического разреза. Как динамическая характеристика эффективная энергия связи горной породы отражает динамику пласта и может быть использована в решениях задач прогноза аномальных пластовых давлений в промысловой геофизике. В тех случаях, когда структурные особенности литофациального комплекса горных пород отражаются в геофизических полях и являются поисковыми признаками, измерения функционала связности позволяют расширить возможности дистанционных методов разведки. Эта характеристика может быть использована, в частности, для решения задач сейсмостратиграфии.

Как известно, резервы повышения информативности сейсморазведки связывают с изучением формы отраженного импульса. Практическое решение этой задачи осложняется отсутствием петрофизической базы измерений тонкой структуры отложений, на которой формируется отраженный импульс. Комплексная обработка записей сейсмического волнового поля и результатов измерения функционала связности на керне заключается в определении корреляционных зависимостей сейсмической записи от литолого-фациальной характеристики в числовом представлении. Обратная задача определение петрофизической характеристики литофациального комплекса по сейсмической записи представляет одну из задач сейсмостратиграфии прогнозирование геологического разреза.

Аппаратура и оборудование для измерения связности могут быть выполнены на базе мобильной петрофизической лаборатории. Для нарезания образцов можно использовать оборудование, применяемое в палеомагнитном методе. Из отобранных или колонки керна, через заданный интервал нарезаются стандартные кубики, ориентированные по главным направлениям анизотропии, "привязываются" к геологическому разрезу по карте отбора или инклинометрии скважины. Установка для измерения связности должна состоять из двух функционально связанных частей: механической и измерительной. Наиболее простое конструкторское решение состоит в разделении установки на неподвижный корпус с направляющими и подвижную раму. В корпусе размещается электродвигатель со сменным дисковым наждаком различной грубости. На раме крепится образец. На корпусе и раме должны быть регулируемые упоры для фиксации величины истираемого слоя. Измерительная часть включает счетчик интервала времени истирания с электрическими контактами на упорах и электрическую схему для измерения разности температур металлического наждака до и после истирания. Для оценки коэффициента k(l,h, m)= 1/w на входе электрической цепи питания двигателя наждака измеряется потребляемая мощность. Так как в практические задачи входят не абсолютные, а относительные измерения величины связности, то в пересчете разности температур в значения количества теплоты нет необходимости в диапазоне их линейной зависимости, который всегда можно подобрать. Значения температуры наждака должны непрерывно индицироваться для контроля измерительного диапазона. Для повышения технологичности установки необходимо предусмотреть принудительное охлаждение наждака, что достаточно просто решается с помощью его прижима в нерабочем положении к влажной войлочной прокладке. Грубость наждака выбирается в соответствии со средней величиной зерна обмолочного материала исследуемого комплекса горных пород по данным гранулометрических измерений.

Сокращение затрат на традиционные методы разведки и эффективность принципиально новых решений существующих геологических задач могут быть определены в процессе внедрения способа измерения связности горных пород в практику геологоразведочных работ на основе сравнительного анализа.