Федеральное агентство по образованию Российской Федерации Дальневосточный государственный технический университет (ДВПИ им. В.В.Куйбышева)
Определение глубины залегания и строения угольных пластов по данным геофизических исследований Методические указания к практическим и самостоятельным работам для студентов специальности 130201 «Геофизические методы поисков и разведки МПИ»
Владивосток 2005 1
Одобрено методическим советом университета УДК 550.834 О-62 Определение глубины залегания и строения угольных пластов по данным геофизических исследований скважин: метод. указания/сост. Т.В.Селиванова – Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2005. – 28 с. Дается описание методики выделения в разрезах скважин угольных пластов, определение их глубины залегания, мощности и строения. Предназначены для студентов дневной формы обучения при выполнении практических работ, самостоятельной работы по курсу «Геофизические исследования скважин» и для дипломного проектирования по соответствующей тематике. Составила доцент кафедры разведочной геофизики, канд.геол.минер.наук. Т.В.Селиванова
Печатается с оригинал-макета, подготовленного автором
© Т.В.Селиванова, 2005 © Изд-во ДВГТУ, 2005
2
Введение Развитие производительных сил Дальнего Востока, и Приморского края в частности, требует изыскания все новых источников энергии. Основным видом энергоресурсов дальнего Востока является уголь, который должен компенсировать недостаток ввозимой в регион нефти. Все это и вызывает повышенный интерес к углю [9]. Низкий выход керна на буроугольных месторождениях Приморского края обуславливает широкое применение геофизических методов. Геофизические исследования в скважинах расширяют применение разведочной геофизики и обладают большими возможностями для решения разнообразных геологических задач. Геофизические исследования скважин предназначены для детального изучения геологических разрезов скважин, точного определения границ пластов, включая тонкие пропластки мощностью до первых сантиметров, получения возможно более полной информации о вещественном составе горных пород и полезных ископаемых и их физических свойствах. Здесь перспективно использование физических полей, которые могут проявляться лишь на малых расстояниях, иногда непосредственно на контакте датчика с исследуемой средой, и различного рода микрозондов. В данном методическом руководстве описаны способы выделения угольных пластов и определения их мощности, строения по данным геофизических исследований скважин для угольных месторождений I и II классов, являющихся преобладающими для Дальнего Востока. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №1 Выделение литолого-геофизических ступеней в разрезе скважин и литолого-геофизических участков на площади месторождений Между физическими свойствами пород и их вещественным составом не всегда существует четкая прямая связь. Физические свойства пород определяются как первичными, так и вторичными факторами. Первичные обусловлены вещественным и гранулометрическим составом пород, типом и составом цемента, органическими примесями и другими причинами. К вторичным факторам можно отнести процессы преобразования изучаемых структур, происходящие под влиянием покрывающих пород, температуры, глубины погружения подземных вод и поровых растворов [3]. Различия литотипов угленосных пород по их физическим свойствам на определенной стадии их преобразования в основном созданы первичными факторами. Изменение же физических свойств отдельных литотипов по разрезу и площади месторождения, как правило связано с действием вторичных факторов. Например, пористость и объемная плотность одинаковых литотипов (глина, аргиллит) в процессе диагенеза и эпигене3
за соответственно могут изменяться от 60 до 4% и от 1,4 до 2,8 г/см3, а для различных литотипов, находящихся на одинаковой глубине и на одной стадии преобразования, пористость может изменяться только в пределах 10%, а плотность – 0,3 г/см3. При выделении литолого-геофизических ступеней в разрезе скважин и литолого-геофизических участков на площади месторождения необходимо учитывать изменения физических свойств пород под влиянием двух факторов Согласно «Методическим указаниям по выделению угольных пластов» ведущими литотипами и ведущими геофизическими параметрами являются такие, которые наиболее чувствительны к изменению процессов диагенеза и эпигенеза для определенных стадий изучаемой толщи пород. Изменения значений ведущих параметров соответствующих литотипов в каждой литологогеофизической ступени не должны превышать точность их измерений геофизическими методами в разрезах скважин. Эта точность практически определяется величиной погрешности соответствующих геофизических измерений. Допустимая величина погрешности в измерении физических параметров пород в разрезах скважин: пористости – kn=1,3%, плотности – δn=1%, удельного электрического сопротивления – ρn=10%, скорости распространения упругих продольных волн – Vp=5%, интенсивности естественного гаммаизлучения – Jγ =5%. Для уточнения размера литолого-геофизических степеней на определенной стадии эпигенеза необходимо на соответствующих кривых, характеризующих ведущие литотипы типового петрофизического разреза, выделить интервалы, где изменение значений ведущих параметров не превышает точности их измерений геофизическими методами. Разделение площади месторождений на литолого-геофизические участки производится по петрофизическим картам этого месторождения аналогично выделению литолого-геофизических ступеней. На каждом участке разведки для расчленения его разреза на литотипы, определения их вещественного состава и составления литолого-геофизической классификации угленосных пород первоначально используются параметрические скважины. Примеры определения размеров литолого-геофизических ступеней в разрезе угольных отложений будут рассмотрены ниже. Для выполнения практической работы необходимо: 1. Выделить на соответствующих диаграммах каротажа литологогеофизические ступени по следующим критериям: в пределах одной литологогеофизической ступени данные по плотности не должны отличаться более чем на 1%; по удельному электрическому сопротивлению – более чем на 10%; по скорости распространения упругих продольных волн – более чем на 5%; по интенсивности естественного гамма-излучения - более чем на 5%. 2. Аналогично по петрофизическим картам выделить литологогеофизические участки.
4
Контрольные вопросы 1. Что называется ведущими литотипами? 2. Что называется ведущими геофизическими параметрами? 3. В каких пределах должны изменяться ведущие параметры соответствующих литотипов в каждой литолого-геофизической ступени? 4. По каким материалам производится разделение площади месторождения на литолого-геофизические участки? ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №2 Перечень петрофизических типов угленосных пород и углей За основу геолого-геофизической классификации угольных месторождений взяты физические параметры различных типов углей, основными из которых являются: пористость (kn), плотность (δ), потенциалы естественной (Uпc) и вызванной поляризации (Uвп). По данным показателям все угольные месторождения подразделяются на четыре основных класса. 1-й класс - буроугольные месторождения с землянистыми, плотными матовыми и блестящими бурыми углями, характеризующимися низким электрическим удельным сопротивлением и малыми значениями естественной и вызванной поляризации, низкой плотностью и интенсивностью естественного гамма-излучения. 2-й класс - каменноугольные месторождения, содержащие угли переходные от бурых к каменным и каменные, характеризующиеся высоким электрическим удельным сопротивлением, пониженной пористостью и повышенными значениями потенциалов вызванной поляризации. 3-й класс - месторождения с тощими углями и полуантрацитами, которые отличаются аномальными значениям потенциалов вызванной поляризации. 4-й класс- месторождения, содержащие полуантрациты и антрациты, которые могут быть отчетливо выделены из вмещающих пород по геофизическим методам электрометрии и радиометрии. Для обеспечения единообразия в наименовании угленосных пород, вскрываемых в разрезах скважин, необходимо придерживаться единого перечня литотипов, рекомендуемых «Методическими указаниями по выделению угольных пластов». Тип породы, количественно представленный гранулометрическим и вещественным петрофизическими показателями, называется петрофизическим типом. В практической работе на каждом месторождении или его участке разведки следует выделить реально существующие в разрезе данного участка петрофизические типы в соответствии с перечнем петрофизических типов угленосных пород и углей (табл.1).
5
Таблица 1 Типовой перечень петрофизических типов угленосных пород и углей Рыхлые породы
окатанные
неокатанные
Валуны
Глыбы
Галечник крупный Галечник мелкий
Щебенка крупная
Гравий
Щебенка мелкая Дресва
Песок крупнозернистый Песок среднезернистый Песок среднезернистый Песок мелкозернистый Песок мелкозернистый Песок мелкозернистый Алевролит крупнозернистый Алевролит крупнозернистый
кластический материал
органические вещества
200
Оптимальный вещественный состав цемента, % глинискарботый ценатны й мент 0-5 0-17
85-100
-
50-200
0-5
0-17
85-100
-
10-50
0-10
0-17
85-95
-
1,0-10
0-5
0-17
80-95
-
0,5-1,0
2-14
0-17
78-93
-
0,25-0,5
2-13
17-34
60-82
-
0,25-0,5
4-22
0-17
69-78
-
Сцементированные породы окатанные
Размеры обломков, мм
неокатанные
Конглом. Брекчия валун глыбовая Брекчия Конглом. крупн. галечный КонБрекчия глом. мелкомелкообломочгалечный ная Конглом. Дрес(гравелит) вяник грав. Песчаник крупнозернистый с глин.цементом Песчаник среднезернистый с глин. карб. цементом Песчаник среднезернистый с глин. цементом Песчаник мелкозернистый с карб. цементом Песчаник мелкозернистый с глинист. карбон. цементом Песчаник мелкозернистый с глинистым цементом Глинисто-карбон. алеврит. порода Алевролит крупнозернистый с карбон. глин. цементом
6
0,1-0,25
0-18
34-50
40-60
-
0,1-0,25
2-28
17-34
47-70
-
0,1-0,25
12-36
0-17
55-78
-
0,05-0,1
10-33
34-50
25-47
-
0,05-0,1
20-40
17-34
15-40
-
Продолжение таблицы 1 Рыхлые породы
окатанные
неокатанные
Алевролит крупнозернистый
Сцементированные породы окатанные
органические вещества
42-60
-
0,05-0,1
0,05-0,1
25-50
34-50
8-33
-
0,01-0,05
33-63
17-34
15-40
-
0,01-0,05
43-74
0-17
20-50
-
0,01
50-66
34-50
0-14
-
Размеры обломков, мм
неокатанные
кластический материал
Оптимальный вещественный состав цемента, % глинискарботый ценатны й мент 28-50 0,17
Алевролит крупнозернистый Алевролит мелкозернистый Алевролит мелкозернистый Глина
Алевролит крупнозернистый с глин. цементом Алевролитовая глинист. карбон. порода Аргиллит карбон. алевролит. Аргиллит алевролитовый Мергель
Глина
Аргиллит карбонатный
0,01
52-82
17-34
0-20
-
Глина
Аргиллит
0,01
62-100
0-17
0-27
0-9
Известковый ил
0,10-1,00
0-10
50-70
30-50
-
0,01-0,10
0-25
50-80
10-38
-
0,01-0,10
10-40
50-80
0-25
-
Известковый ил
Извест. песчан., карбонат. порода песчан. Извест. алеврит. карбонат. порода песчан. Известняк алевритистый Известняк глинистый
0,01
27-50
50-80
0-8
-
Известковый ил
Известняк
0,01
0-20
80-100
0-20
-
Глина низкоуглистая Глина низкоуглистая Глина низкоуглистая Торф
0,01
80-90
0-15
0-20
10-20
0,01
65-80
0-10
0-10
20-35
0,01
50-65
0-7
0-7
35-50
30-50
0-5
0-5
50-70
Торф
Аргиллит низкоуглистый Аргиллит среднеуглистый Аргиллит высокоуглистый Уголь высокозольный Уголь высокозольный
15-30
0-3
0-3
70-85
Глина
Мергель
50-66
34-50
0-14
-
Известковый ил Известковый ил
0,01
7
Для обеспечения единообразия графических материалов необходимо придерживаться единых условных обозначений петрофизических типов. (рис.1). По данным литолого-геофизических разрезов и лабораторных анализов образцов керна параметрических скважин разведываемого участка строятся диаграммы вещественного состава пород, их химической и петрофизической характеристик для каждого разведываемого участка (рис.2,3). Для выполнения практической работы необходимо: 1. На исследуемом участке разведки выделить согласно существующему перечню петрофизических типов угленосных пород и углей петрофизические типы. 2. По данным литолого-геофизических разрезов и лабораторных анализов образцов керна построить диаграммы вещественного состава пород, их химической и петрофизической характеристик. Контрольные вопросы 1. Какими факторами определяются физические свойства горных пород? 2. В каких пределах могут изменяться значения ведущих геофизических параметров для выделенной литолого-геофизической ступени? 3. Какие ведущие литотипы характерны для стадии диагенеза и эпигенеза? 4. Что называется петрофизическим типом пород? ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №3 Литологическое расчленение разрезов параметрических скважин и отбор образцов пород На каждом участке разведки для расчленения его разреза на литотипы, определения их вещественного состава и составления литолого-геофизической классификации угленосных пород первоначально используются параметрические скважины. Параметрическими называются такие скважины, проходка которых осуществляется с полным подъемом ненарушенного керна, пригодного для проведения детальных литологических, петрографических, геохимических, петрофизических и физико-механических лабораторных исследований. Исследования параметрических скважин должны обеспечить решение следующих задач: 1. Получение достоверной детальной документации ненарушенного керна для составлений литологического разреза. Для этого в разрезе скважины выделяются прослои мощностью от 0,05 м и выше в составе различных литотипов и определяются следующие данные: а) название литотипа и цвет; б) гранулометрический состав, текстура, структура, тип цемента и трещиноватость; в) минеральный состав (глинистый и карбонатный цементы, кластический материал, органические примеси); г) геохимическая и петрографическая характеристики; д) петрофизические и физико-механические параметры по керну; 8
аргиллит алевролитовый
I
конгломерат валунный
II
конгломерат крупногалечный
III
конгломерат мелкогалечный XVIII
аргиллит карбонатный
IV
конгломерат гравийный
аргиллит
V
песчаник крупнозернист. с глинист.цементом
XX
карбонатная порода песчаная
песчаник среднезернист. с глин.-карб..цементом
XXI
карбонатная порода алевритистая
песчаник среднезернист. с глинистым цементом
XXII
VI
V
VII
XVI XVII
XIX
мергель
известняк алевритистый
VIII
+
песчаник мелкозернист. с карбонатным цементом
XXIII
известняк глинистый
IX
V
песчаник мелкозернист. с глин.-карб..цементом
XXIV
известняк
песчаник мелкозернист. с глинистым цементом
XXV
аргиллит низкоуглистый
XXVI
аргиллит среднеуглистый
XXVII
аргиллит высокоуглистый
X XI
+
глинисто-карбонатная алевролитовая порода
XII
V
алевролит крупнозерн. с карб.-глинист.цементом
XXVIII
уголь высокозольный
алевролитистая глинистокарбонатная порода
XXIX
уголь среднезольный
аргиллит карбонатноалевролитовый
XXX
уголь низкозольный
XIII
алевролит крупнозерн. с глинистым цементом
XIV XV
Рис.1. Условные обозначения петрофизических типов угленосных пород и углей
9
10
11
е) зольность по пачкам угольных пластов и другие их качественные характеристики. Приведенный перечень показателей вмещающих пород и углей свидетельствует о том, что параметрические скважины используются не только для изучения литологии, но и угленосности разведываемого участка. 2. Построение рабочих палеток для определения детального строения и качества угольных пластов, минерального состава вмещающих пород, их физико-механических свойств по геофизическим данным (методические параметрические скважины). 3. Получение контрольных данных для практической проверки геологических и геофизических методик изучения угленосности и литологии угленосных пород на данном участке разведки (контрольные параметрические скважины). 4. Оценка постоянства отдельных геологических параметров каждого литотипа пород и петрографической характеристики каждого рабочего угольного пласта по площади разведываемого участка. 5. Создание литолого-геофизической классификации угленосных пород для данного месторождения. Для детального документирования пород согласно «Методическим указаниям по выделению угольных пластов» следует предусматривать не менее трех параметрических скважин на различных участках разведки. Литологическое расчленение разреза параметрической скважины производится геологами-литологами в процессе бурения. Для этого осуществляется дежурство геологов на скважине в течение всего времени ее бурения с целью принятия керна при его подъеме из скважины и составления оперативной документации. Керн тщательно просматривается, а затем детально описываются его пласты и прослои. По данным описания керна составляется геологический разрез скважины. Из выделенных пластов отбираются и документируются образцы керна, которые парафинируются и затем направляются в лабораторию на анализы. Образцы керна отбираются в соответствии с инструкцией "Требования к определению механических свойств горных пород при геологическом изучении полей шахт Министерства угольной промышленности СССР" (при разведке, строительстве, реконструкции и эксплуатации шахт). Образцы используются для изучения литологии, физико-механических свойств пород, а образцы углей для определения их качественных показателей. По образцам керна пород необходимо произвести следующие операции: 1. Описать шлифы в количестве не менее 10 штук для каждого литотипа, выделенного по геофизическим и геологическим данным. Общее количество таких литотипов пород на участке разведки обычно не превышает 20 (чаще 10-15). Описание каждого шлифа должно содержать сведения о количестве (в %) глинистого и карбонатного цементов, органических примесей и гранулометрическом составе последнего.
12
2. Определить плотность минералогическую (σм), объемную насыщенных водой ( δн ) и абсолютно сухих (δс ) пород, их пористость (k), скорость распространения упругих волн (V), интенсивность естественного гамма-излучения (Jγ). 3. Описать химический состав выделенных литотипов пород. Контрольные вопросы 1. Какие скважины называются параметрическими? 2. Для решения каких геолого-геофизических задач используются данные исследований параметрических скважин? 3. Сколько параметрических скважин рекомендуется заказывать на участке работ? 4. Последовательность описания керна. 5. Последовательность отбора образцов из керна. 6. С какой целью отбираются образцы керна? ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №4 Составление геофизического разреза параметрической скважины При детальном расчленении разреза в пределах каждой литологогеофизической ступени выделяют по комплексу диаграмм все пласты и прослои мощностью от 0,05 м и выше, различающиеся между собой хотя бы по одному из измеряемых физических параметров не менее чем на двукратную точность или двукратную среднюю погрешность измерения его в скважине с помощью геофизических методов. Порядок выполнения практической работы следующий: 1. Первоначально по кривым кажущегося сопротивления ρk и диаграммам токового метода по скважине J, обладающих наибольшей дифференцированностью, выделяются в изучаемом разрезе все пласты и прослои, различающиеся между собой по величине ρk и тока Jф не менее чем на 20 %. 2. Затем по кривой интенсивности естественного гамма-излучения Jγ выделяются дополнительные пласты и прослои, отличающиеся друг от друга по величине Jγ не менее чем на 10 % и не отмеченные ранее на кривых ρk и J. 3. После этого с кривыми ρk, J, Jγ сопоставляются кривые рассеянного гамма-излучения Jγγ, на которых также выделяются дополнительные пласты и прослои (если такие окажутся), отличающиеся от других по величинам Jγγ и не отмеченные на первых трех кривых. 4. Для каждого выделенного прослоя или пласта по геофизическим диаграммам определяются петрофизические параметры: удельное электрическое сопротивление, объемная плотность пород, скорость распространения упругих волн, интенсивность естественной радиоактивности и др.
13
5. Пласты и прослои, имеющие одинаковую петрофизическую характеристику (различия по ρk менее 20%, а по другим физическим параметрам менее 10%), объединяются в один литотип. 6. По результатам расчленения пород строится разрез данной литологогеофизической ступени и наносится на сводную диаграмму. Контрольные вопросы 1. Какие скважины называются параметрическими? 2. С какой целью и для решения каких задач используются данные исследований параметрических скважин? 3. С какой целью отбираются образцы керна? 4. Что является критерием выделения пластов и прослоев при детальном расчленении разреза по данным геофизических исследований скважин? 5. Перечислите порядок детализационного расчленения разреза. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №5 Выделение угольных пластов в разрезах скважин Выделение угольных пластов в разрезах скважин является одной из основных задач углеразведки. Она решается по результатам геофизических исследований скважин и основывается на различии физических свойств углей и вмещающих пород. Генетически все угли резко отличаются от вмещающих пород по вещественному составу, а следовательно, и по плотности, скорости распространения упругих волн, естественной радиоактивности, электрическим и другим свойствам. Но степень этого различия неодинакова для разных типов углей и осадочных пород. В соответствии с этим на диаграммах регистрируемых геофизических параметров угольные пласты отличаются аномалиями различной амплитуды и знака. Однако выделение углей в разрезах скважин подчиняется общим критериям с учетом отдельных особенностей геофизических характеристик угольных пластов на различных месторождениях. Выделение угольных пластов в разрезах скважин проводится по диаграммам поискового комплекса геофизических методов, регистрируемым по всему стволу скважины в масштабе глубин 1:200 или 1:500. Критерии выделения угольных пластов в разрезах скважин по геофизическим диаграммам подразделяются на основные, общие для всех классов месторождений и дополнительные, характерные лишь для одного или нескольких классов. Наиболее четко угольные пласты в разрезах скважин месторождений всех классов от вмещающих пород отличаются по объемной плотности в насыщенном водой состоянии. Разница достигает максимума 1,50 г/см3 на месторождениях 2-го класса, к которому относятся каменные и переходные от бурых к ка14
менным угли. Все угольные пласты в разрезах скважин выделяются положительными аномалиями на диаграммах интенсивности рассеянного гаммаизлучения Jγγ. Это один из основных, общих критериев выделения углей, называемый критерием плотности. По скорости распространения упругих волн угольные пласты на месторождениях всех классов также отличаются от вмещающих пород. В угольных пластах она всегда ниже, чем в породах. На месторождениях каменных углей эта разница достигает 2000-2500 м/с. Минимальное ее значение наблюдается на буроугольных месторождениях. Соответственно, все угольные пласты выделяются положительными аномалиями на диаграммах интервального времени распространения упругих волн. Это второй основной критерий выделения угольных пластов, называемый критерием скорости. При отсутствии каверн в стенках скважин одного из названных критериев достаточно для выделения угольных пластов на месторождениях любого класса. В случаях наличия каверн основные критерии являются необходимыми, но недостаточными для однозначного выделения угольных пластов. Это связано с тем, что каверны во вмещающих породах на диаграммах интенсивности рассеянного гамма-излучения отмечаются, также как и угольные пласты, положительными аномалиями, величина которых определяется глубиной каверны, соотношением между протяженностью каверны и длиной зонда и другими причинами. Наиболее часто встречающиеся каверны в разрезах скважин имеют диаметр в пределах от 1,5d до 2,0d, где d-диаметр скважин. Аномалии на диаграммах интенсивности рассеянного гамма-излучения в локальных кавернах такой глубины могут быть по амплитуде практически равны аномалиям, связанным с угольными пластами. Для дифференциации подобных аномалий необходимо использовать другие характерные признаки углей, основанные на различии естественной радиоактивности Jγ, кажущегося электрического сопротивления ρk. Пласты бурых углей за счет высокой пористости имеют низкое удельное электрическое сопротивление, практически одинаковое с сопротивлением вмещающих пород, в результате чего они не выделяются на диаграммах каротажа сопротивлений (КС). Поэтому выделение пластов углей в разрезах скважин, осложненных кавернами, проводится по диаграммам радиоактивных методов. Разграничение положительных аномалий Jγγn, вызванных локальными кавернами и угольными пластами, осуществляется по диаграммам Jγ, на которых угольным пластам в подавляющем большинстве случаев соответствуют аномалии низких значений, в то время как против каверн во вмещающих породах такие аномалии отсутствуют. Пласты каменных углей всех стадий метаморфизма за счет низкой пористости имеют высокое удельное электрическое сопротивление. От локальных каверн средней глубины пласты каменных углей отличаются высокими значениями ρк и низкими величинами Jγ .Таким образом, при выделении угольных пластов в разрезах скважин необходимо прежде всего по диаграмме каверно-
15
метрии выделить интервалы, где каверны отсутствуют или имеют небольшую глубину (dф<1,5 dн, где dф – фактический диаметр скважины, dн – номинальный, проектный диаметр скважины), интервалы развития каверн средней глубины (1,5 dн
2 dн). При отсутствии каверн в стенках скважин водонасыщенные угольные пласты на месторождениях любого класса выделяются по следующим критериям: 1. По положительным аномалиям на диаграммах интенсивности рассеянного гамма-излучения (гамма-гамма-плотностной метод ГГМ-П). 2. По положительным аномалиям на диаграммах интервального времени распространения упругих волн. При наличии каверн в стенках скважины дополнительно к вышеперечисленным критериям используются следующие признаки выделения угольных пластов: 1. По аномально низким значениям интенсивности естественной радиоактивности Jγ (гамма-метод ГМ). 2. По положительным аномалиям метода сопротивления КС и низким значениям Jγ. При выполнении практической работы необходимо: 1. По диаграмме кавернометрии выделить интервалы, где каверны отсутствуют или имеют небольшую глубину, интервалы развития каверн средней глубины и интервалы с глубокими кавернами. 2. При отсутствии каверн или наличии каверн небольшой глубины выделить положительные аномалии на диаграммах интенсивности рассеянного гамма-излучения и положительные аномалии на диаграммах интервального времени распространения упругих волн. Данные аномалии будут соответствовать водонасыщенным угольным пластам. 3. При наличии каверн в стенках скважин угольные пласты выделяются по аномально низким значениям интенсивности естественной радиоактивности и по положительным аномалиям сопротивления. Контрольные вопросы 1. Что понимается под основными и дополнительными критериями выделения угольных пластов в разрезах скважин? 2. Что является критерием плотности и критерием скорости? 3. Влияет ли наличие каверн в стенках скважины на выбор критериев выделения угольных пластов? 4. Как используется параметр кажущегося сопротивления для выделения угольных пластов в разрезах скважин, осложненных кавернами? 5. Перечислить основные критерии выделения водонасыщенных угольных пластов в разрезах скважин при отсутствии и наличии каверн.
16
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №6 Определение глубины залегания и мощности угольных пластов Глубина залегания угольных пластов определяется по геофизическим диаграммам поискового комплекса и привязывается к государственной системе высотных отметок, принятой для участков разведки и точек заложения скважин. За глубину залегания угольного пласта принимается глубина его нижней границы (нижнего контакта с породой). Местоположение нижней границы пласта устанавливается по геофизическим диаграммам, а глубина залегания определяется по меткам шкалы глубин путем измерения расстояний от нижней границы до двух ближайших меток и учета выявленного допустимого расхождения в определении глубин до величин, кратных, 0,1 м. Учитывая, что погрешность определения границ пластов уменьшается с укрупнением масштабов глубин, целесообразно глубину залегания пластов уточнять по диаграммам детализационного комплекса. Расхождение в глубинах контактов пластов, определенных по различным диаграммам, зарегистрированным при различных спуско-подъемах кабеля, не должно превышать ± 0,2 м, а при определении глубины по диаграммам детализационного комплекса − ±0,05 м. При составлении сводных диаграмм указанные допустимые расхождения в глубинах различных диаграмм устраняются путем их пропорционального разброса на интервал между метками. Мощность угольного пласта является одним из основных подсчетных параметров и нормативов кондиций, поэтому ее определение является одной из важнейших задач углеразведки. Существует несколько понятий мощности угольного пласта: 1. Истинная мощность - мощность угольного пласта, измеряемая по нормали к его напластованию. Именно истинная мощность угольных пластов используется для подсчета запасов углей. 2. Видимая мощность - мощность пласта, измеряемая в скважине. 3. Общая мощность - истинная мощность пласта сложного строения, равная сумме мощностей угольных пачек и породных прослоев, слагающих пласт. 4. Полезная мощность - истинная суммарная мощность всех угольных пачек пласта сложного строения. 5. Выемочная мощность - минимальная истинная мощность, при которой отработка пласта считается экономически целесообразной. 6. Рабочая мощность – истинная мощность угольного пласта, равная или большая минимальной, установленная кондициями для подсчета запасов. По величине истинных мощностей угольные пласты подразделяются на следующие категории: весьма тонкие (h<0,5 м), тонкие (h=0,51- 1,3 м), средней мощности (h=1,31 –3,5 м), мощные ( h =3,51 - 15 м) и весьма мощные (h>15 м). Действующими требованиями и нормативами регламентирована погрешность определения истинной мощности угленосных пластов, равная 0,05 м.
17
Измеряемая по геофизическим диаграммам видимая мощность пластов приводится к истинной мощности по формуле: (1) hu = hв cos α , где hu – истинная мощность пласта; hв - видимая мощность; α - угол между осью скважины и нормалью к пласту, который равен видимому углу падения пласта, измеряемому по керну или установленному по данным инклинометрии. Ниже рассматриваются способы определения видимой мощности угольных пластов, которая для краткости изложения в дальнейшем называется просто мощностью угольных пластов: 1. Для определения глубины залегания мощности угольных пластов по данным КС (градиент-зонд) необходимо использовать способ "наибольших градиентов"[6]. Согласно этому способу границам угольного пласта соответствуют точки на ветвях аномалии - ρk , в которых касательные к ним имеют наибольший угол наклона к оси глубин, т.е. максимальный градиент изменения сопротивления. Проекции этих точек на ось глубин определяют положение контактов пласта, а расстояние между ними (разность между глубинными отметками подошвы и кровли) - его мощность. Способ "наибольших градиентов" является универсальным, поскольку позволяет определять мощность как тонких, так и мощных пластов высокого сопротивления. Погрешность определения мощности пластов этим способом по диаграммам, зарегистрированным в детализационном масштабе глубин, составляет ± 0,05 м. 2. Для определения глубины залегания мощности угольных пластов по данным КС (потенциал-зонд), (h
щейся электропроводности вмещающих пород. Мощность пласта равна разности глубинных отметок этих точек. Среднеквадратическая погрешность определения мощности пластов данным способом равна 0,03 м. 5. Для определения глубины залегания и мощности угольных пластов по данным бокового токового каротажа (БТК) следует использовать способ "наибольших градиентов". Соответственно мощность пласта равна разности глубинных отметок этих точек. Обычно точки, соответствующие границам пласта, располагаются на ветвях аномалии на высоте от 1/2 до 3/4 ее амплитуды. Данный способ обеспечивает определение мощности пластов с точностью 0,05 м. 6. Для определения глубины залегания и мощности угольных пластов по данным радиоактивных методов необходимо использовать следующий способ. Точки, соответствующие границам пласта на диаграммах гамма-гамма-метода плотностного (ГГМ-П), гамма-гамма-метода селективного (ГГМ-С), гаммаметода (ГМ), определяются на середине каждой из ветвей аномалии против угольного пласта. Разница в глубинных отметках этих точек равна мощности пласта. Контрольные вопросы 1. Что принимается за глубину залегания угольного пласта? 2. Каково допустимое расхождение в определение глубины залегания угольного пласта, установленной по различным диаграммам поискового и детализационного комплексов? 3. Что называется истинной, видимой, общей, полной, выемочной, рабочей мощностью угольных пластов? 4. Как подразделяются угольные пласты по величине их истинной мощности? 5. Чему равна погрешность определения истинной мощности угольных пластов? 6. В чем заключается сущность способа наибольших градиентов? Какова погрешность определения мощности угольных пластов данным способом? 7. Основные характеристики способа определения мощности угольных пластов по точкам перегиба. 8. Как определяется мощность угольных пластов по диаграммам бокового каротажа? 9. Как определяется глубина залегания и мощность угольного пласта по радиоактивным методам исследования скважин (ГГМ-П, ГГМ-С, ГМ)? ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 7 Определение строения угольных пластов Под строением угольного пласта понимается совокупность разнозольных угольных пачек и природных прослоев, слагающих этот пласт. Зольность
19
слоев, составляющих пласт, может изменяться от 3 до 100%. Слой зольностью 50% и менее относят к углю, а свыше 50 % - к углистым породам [9] . Различают угольные пласты простого, сложного и очень сложного строения. Простое строение имеет пласт, состоящий из одних угольных пачек разной зольности; пласт сложного строения представлен угольной массой и одним или несколькими породными прослоями; пласт очень сложного строения характеризуется частым чередованием слоев угля с породными прослоями. Для выделения породных прослоев в разрезах угольных пластов необходимо использовать диаграммы детализационного комплекса методов, регистрируемых в масштабе 1:200 или 1:50. Прослои в пластах представлены в основном породами, аналогичными околоугольным вмещающим, но с несколько большим содержанием органики. Чаще всего это глины, углистые аргиллиты, глинистые сланцы различной степени углистости. Для разделения угольного пласта и прослоя по физическим свойствам вводится дополнительный критерий, являющийся общим для месторождений всех классов. Сущность его в следующем. Прослои в сравнении с угольными пластами всегда отмечаются пониженными значениями интенсивности вторичного гамма-излучения по селективному методу. Угли и породы значительно отличаются эффективным атомным номером, величина которого отражает измеряемый параметр вторичного гамма-излучения. Так, эффективный атомный номер низкозольного угля равен 6,0 - 6,5, у вмещающих пород в два раза больше (12,0 -13,0). Итак, породные прослои выделяются аномалиями низких или минимальных значений на диаграммах ГГМ-П, ГГМ-С. Кроме того, в большинстве случаев характерными признаками наличия прослоев в разрезе пластов являются положительные аномалии естественного гамма-излучения (ГМ). Для определения мощности породных прослоев используются такие же способы, что и для мощности угольных пластов. Ведущими диаграммами при определении мощности породных прослоев являются диаграммы бокового каротажа и селективного гамма-метода. Среднеквадратическая погрешность определения мощности породных прослоев по геофизическим диаграммам составляет 0,02 м. Литология прослоев определяется по дифференциации физических свойств углей и породных прослоев. На графике рис.4 отражена связь литологии углей и пород с их плотностью в насыщенном состоянии (δn), удельным электрическим сопротивление (ρn), естественной радиоактивностью (Jγ) и скоростью распространения упругих колебаний (Vp) [1,7,8]. На оси абсцисс показаны области изменения этих параметров, соответствующие каждому петротипу углей и углистых пород. Рекомендуется определять литотип прослоев одновременно по нескольким параметрам. Для выполнения практической работы по определению строения угольных пластов необходимо по выше описанной методике: 1) выделить породные прослои в разрезах угольных пластов; 2) определить мощность породных прослоев; 3) определить литологическую принадлежность прослоев. 20
100 90 80 65 50
30 15
7
0 3
1,4 1,2 8000 1000 700 3,0
Vp, км/с
2,0
1,8
1,6 400
100
200 6,0
4,5
7,5 2,8
2,4
2,4
2,2
2,0
10,5
9,0 3,2
2,6 50 12,0 3,6
Петротипы
Рис.4. Петрофизическая характеристика петротипов углистых пород. Петротипы в литологической колонке: 1 – аргиллит; 2 – аргиллит низкоуглистый; 3 – аргиллит среднеуглистый; 4 – аргиллит высокоуглистый; 5 - уголь высокозольный; 6 – уголь среднезольный; 7 – уголь низкозольный
Контрольные вопросы 1. Что понимается под строением угольного пласта? 2. Чем отличаются угольные пласты простого, сложного и очень сложного строения? 3. По каким геофизическим критериям выделяются породные прослои в угольном пласте? 4. Как и с какой точностью определяется мощность породных прослоев по диаграммам геофизических исследований скважин?
21
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №8 Оценка точности и достоверности определения мощности и строения угольных пластов по данным геофизических исследований Точность определения мощности и строения угольных пластов геофизическими методами оценивается по результатам сопоставлений с материалами горных работ, керна и грунтоносного опробования. Оценка геофизических данных проводится по сопоставлению с керном и результатами грунтоносного опробования. К керновому материалу, привлекаемому для сопоставлений, предъявляются особые требования: 1) сохранность керна в интервале сопоставлений не менее 90%; 2) захват кровли и подошвы пласта; 3) тщательное выполнение всех линейных измерений; 4) высокая сохранность керна в его первоначальном состоянии до детального описания; 5) достоверность привязки керна к геофизическим диаграммам в интервале сопоставлений. При недостаточной представительности керна для сопоставления по полной мощности угольных пластов допускаются сопоставления по отдельным интервалам сохранного керна при наличии в них четких реперов-границ. Для выполнения практической работы для каждого пластопересечения необходимо вычислить ошибку определения видимой мощности пласта с учетом знака: ∆h=hк-hвг, (2) где hк – видимая мощность пласта по керну, hвг – видимая мощность пласта, определяемая по геофизическим диаграммам. При небольших углах падения пластов (до 20°) различия в величине погрешностей определения нормальной и видимой мощности пласта незначительны, и поэтому в таких случаях оценка точности и достоверности геофизических данных может проводиться по видимым мощностям. Аналогично рассчитывается ошибка определения видимой мощности пласта в сопоставлении с данными грунтоносного опробования. Контрольные вопросы 1. Сопоставление каких материалов позволяет оценить точность определения мощности и строения угольных пластов по данным КС? 2. Какие требования предъявляются к керну, используемому для сопоставления с геофизическими диаграммами? 3. Как вычисляется ошибка определения видимой мощности?
22
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №9 Составление литолого-геофизического разреза Геологический разрез параметрической скважины, составленный по описанию керна, сопоставляется с геофизическим разрезом, составленным по геофизическим диаграммам. Первоначально устанавливается соответствие глубин залегания одних и тех же пластов по геофизическому и геологическому разрезам. В качестве глубинных реперов используются пласты, литология которых достоверно установлена по обоим разрезам. Такими реперами обычно являются пласты угля и углистых пород, а также некоторых вмещающих пород, керн которых хорошо сохраняется. На геологическом разрезе глубины контактов пластов-реперов корректируются и проводятся в соответствие с геофизическим разрезом. Устанавливаются глубины промежуточных пластов и выделяются интервалы скважин, керн из которых отсутствует. Последнее также возможно в практике работы, несмотря на требования к параметрическим скважинам о полном выходе ненарушенного керна и принимаемые для этого соответствующие меры при бурении. Обычно это наблюдается при проходке углей и углистых пород. На основании результатов лабораторных исследований и анализов керна, петрографических описаний шлифов и сопоставлений геологического и геофизического разрезов на исходную диаграмму наносится третья колонка, представляющая собой геолого-геофизический разрез данной литологогеофизической ступени. Аналогичные геолого-геофизические разрезы строятся и для других литолого-геофизических ступеней, а на основе их − общий разрез скважины. Используя эти материалы, составляется перечень литотипов, выделяемых в разрезе месторождения с помощью геологических и геофизических методов. Все литотипы условно нумеруются в порядке уменьшения размеров зерн и карбонатности пород. По результатам обработки геофизических диаграмм вычисляются значения физических параметров выделенных литотипов и приводится вещественный состав этих пластов, установленный по лабораторным данным. Для выполнения практической работы необходимо: 1. Сопоставить геологический разрез параметрической скважины с разрезом, составленным по геофизическим диаграммам по глубинным реперам. 2. Выделить интервалы скважин, где отсутствует керн. 3. На основании анализа лабораторных исследований образцов керна, петрографического описания шлифов, сопоставления геологического и геофизического разрезов построить геолого-геофизический разрез определенной литолого-геофизической ступени. Контрольные вопросы 1. Что используется в качестве глубинных реперов? 2. Как строится геолого-геофизический разрез для отдельной литолого-геофизической ступени? 23
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №10 Изучение разрезов разведочных скважин и их корреляция на участке Опираясь на высококачественные геолого-геофизические материалы по параметрическим скважинам, такую же геологическую документацию готовят для большинства остальных скважин на данном участке. На участке разведки предусматривается разделение всех рядовых скважин на бескерновые (полные, комбинированные и частично бескерновые) и скважины, проходимые с подъемом керна. Такая методика разведки обеспечит значительный рост производительности труда с одновременным снижением ее стоимости и повышением качества и достоверности геологического изучения угольных месторождений. В рядовых скважинах регистрацию геофизических диаграмм в детализационном масштабе глубин следует осуществлять только в зонах кровли рабочих угольных пластов в интервале четырех − пятикратной мощности (более 3,5 м) угольных пластов, или десятикратной мощности средних и тонких (до 3,5 м) угольных пластов, но не более 25 м, и подошв угольных пластов в интервале, равном мощности угольного пласта (но не более 10 м), или четырехкратной мощности средних и тонких угольных пластов (но не более 10 м). Только в этих интервалах рядовых скважин проводится детальное изучение вмещающих пород. При этом по геофизическим данным согласно изложенной методике определяются петрофизические типы, их название, мощность и глубина залегания, гранулометрический и минеральный состав, петрофизические показатели. Все геологические показатели, которые не изменяются или весьма мало изменяются по участку разведки (цвет, структура, текстура, химический состав и другие показатели), определяются геологами по данным параметрических скважин и отражаются в указанной классификации. Все остальные безугольные интервалы в этих скважинах исследуются в поисковом масштабе, где по полученным диаграммам производится расчленение разрезов только на основные литотипы. Для выполнения практической работы необходимо: 1. Разделить все рядовые скважины на участке на бескерновые и скважины, проходимые с подъемом керна. 2. По геофизическим данным согласно изложенной методике определяются петрофизические типы, их название, мощность и глубина залегания, гранулометрический и минеральный состав, петрофизические показатели. 3. Безугольные интервалы скважин расчленить на основные литотипы. Контрольные вопросы 1. Что позволяет повысить производительность труда и снижение его стоимости при корреляции разрезов скважин по площади? 2. Как в рядовых скважинах регистрируются геофизические диаграммы в детализационном масштабе?
24
Библиографический список Гречухин В.В. Геофизические методы исследования угольных скважин. – М.: Недра, 1980. 2. Анализ эффективности ГИС / Е.П. Акентьев, Н.С.Романовская, А.В. Малинин и др. ГИС//Каротажник. – Тверь: ГЕРС, 1998. – С.14-19. 3. Качалов О.Б., Гребенников В.Г., Музыка А.М.. Выбор скважины для воздействия на прискваженную зону по данным ГИС// Каротажник. – 1999. – №58 – С.71-75. 4. Макаров А.Н. Метод КС и его место в комплексе каротажных работ на угольных месторождениях // Уч.зап. ЛГУ. – 1960. - №286. - С.68-86. 5. Макаров А.Н. О применении нейтронного гамма-каротажа на угольных месторождениях // Уч.зап. ЛГУ. – 1959. – №278. - С.108-119. 6. Методические указания по геолого-геофизической методике выделения в разрезах угольных пластов, определения их глубины залегания, мощности и строения. - М.: Нефтегеофизика, 1986. – 101 с. 7. Миронов К.В. Разведка и геолого-промышленная оценка угольных месторождений. – М.: Недра, 1977. – 121 с. 8. Руководство по геолого-геофизической методике изучения физикомеханических свойств угленосных пород в разрезах скважин // Мингео СССР. - M., 1981. – 136 с. 9. Топорков В.Г. Петрофизическое обеспечение ГИС и подсчета запасов// Каротажник. – 1998. – №44. – С.107-113. 10. Хаматдинов Р.Т. Компьютерные технологии ГИС// Каротажник. – 1998. – №43. – С.19-25. 11. Чаадаев Е.В., Рудяк Б.В.. Развитие электрических и электромагнитных методов каротажа// Каротажник. – 1998. – №44. – С.93-98. 1.
25
Содержание Введение…………………………………………………………………………. 3 Практическая работа №1 Выделение литолого-геофизических ступеней в разрезе скважин и литолого-геофизических участков на площади месторождений…………... 3 Практическая работа №2 Типовой перечень петрофизических типов угленосных пород и углей……..………………………………………..
5
Практическая работа №3 Литологическое расчленение разрезов параметрических скважин и отбор образцов пород…………………………..
12
Практическая работа №4 Составление геофизического разреза параметрической скважины…………. 13 Практическая работа №5 Выделение угольных пластов в разрезах скважин……………………………
14
Практическая работа №6 Определение глубины залегания и мощности угольных пластов…………… 17 Практическая работа № 7 Определение строения угольных пластов……………………………………... 20 Практическая работа №8 Оценка точности и достоверности определения мощности и строения угольных пластов по данным геофизических исследования скважин………………………………………………………….
22
Практическая работа №9 Составление литолого-геофизического разреза………………………………. 23 Практическая работа №10 Изучение разрезов разведочных скважин и их корреляция на участке……... 24 Библиографический список…………………………………………………….
26
26
Татьяна Валерьевна Селиванова Определение глубины залегания и строения угольных пластов по данным геофизических исследований Методические указания к практическим и самостоятельным работам для студентов специальности 130201 «Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых» Редактор Л.Ф.Юринова Техн.редактор Н.М.Белохонова
Подписано в печать Формат 60х84/16 Усл.печ. л. 1,63 . Уч.- изд.л. 1,15 Тираж 100 экз. Заказ Издательство ДВГТУ, 690950, Владивосток, Пушкинская, 10 Типография издательства ДВГТУ, 690950, Владивосток, Пушкинская, 10 27
28
