Петрофизический подход к данным малоглубинной электроразведки Рыжов А.А. (ВСЕГИНГЕО),

Петрофизический подход к
данным малоглубинной
электроразведки
Рыжов А.А. (ВСЕГИНГЕО),
Шевнин В.А., Квон Д.А. (МГУ,
Геологический ф-т)
ИНЖЕНЕРНАЯ, УГОЛЬНАЯ И РУДНАЯ ГЕОФИЗИКА - 2015.
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ.
Сочи, 28.09-02.10.2015
Введение
Петрофизический подход имеет давние и сильные традиции в нефтяной и
скважинной геофизике и не так часто применяется в инженерной геофизике.
r, Ом.м
1000
(Глинистость)
0
Вода
2
100
4
10
20
20
10
30
70
100
1
40
50
T=20oC
ИОЕ=3 г/ л
C(NaCl), г/ л
0.1
0.01
0.1
1
10
100
Экспериментальная палетка, 1974 г.
Теоретическая палетка, 1990 г.
В работе (Рыжов А.А., Судоплатов А.Д., 1990) приведено описание модели и
алгоритм расчета сопротивления грунта. Программа получила название
Петрофизика. Основой алгоритма была модель смеси двух компонентов
породы, например, песка и глины, каждый компонент со своими
петрофизическими параметрами.
Влияние разных факторов на
петро-палетку
10000
r, Ом.м
10000
5000
A
3000
2000
Пористость песка:
10, 15, 20, 25, 30, 35, 40%
1000
1000
r, Ohm.m
Легенда 1 (% глины)
0
Песок в зоне аэрации
500
300
100
200
Вода
100
70
50
30
20
ИОЕ глины:
0 .2 1
0 .5 8
1
2
15 10
20
4
10
7
5
3
5
1
7
9
10
5
3
1
2
Легенда 2 (% влажности)
Песок
140
B
10
2
85
Супесь
20
Вода
30
40
50-28
70-38
100-55
35
Суглинок
20
Глина
7
2
15
1
Вода
C(NaCl), г /л
0.1
o
T=20 C
0.01
0.1
1
10
100
CECClay =1.5
0.1
Влияние ИОЕ глины
и пористости песка
0.01
C(NaCl), g/l
0.15
0.1 0.2
0.5
1
2
5
10
100
Влияние глинистости и влажности
в зоне аэрации
Палетка Рыжова легко пересчитывается к разным условиям.
Некоторые идеи алгоритма
"Петрофизика"
Двухкомпонентная модель это не только песок и глина, возможно
моделирование мерзлоты, породы, насыщенной нефтью, известняка с глиной,
смеси песка и гравия, песка и алеврита.
Опыт работы с программой "Петрофизика" в России и Мексике привел к
пониманию того, что если есть алгоритм и программа прямой задачи, то
можно реализовать и обратную задачу - оценки петрофизических параметров
по геофизической характеристике - сопротивлению грунта. Список таких
параметров дан далее в таблице, содержащей 14 параметров.
Получить 13 параметров из одного это ненаучная фантастика, но правильная
постановка задачи помогает сначала собрать параметры 1-9, чтобы затем,
путем решения обратной задачи, определить еще два (10 и 11). Эта задача уже
корректно решаема. Для такого сбора данных при выполнении полевых
измерений методом ВЭЗ или электротомографии (ЭТ) - 1 нужно попутно
определить сопротивление воды - 2, которое, согласно G.E.Archie и
В.Н.Дахнову прямо влияет на сопротивление породы, установить температуру
грунта - 3 и взять пробу грунта - 4 для измерения зависимости сопротивления
грунта от солености поровой влаги и получения петрофизической модели
грунта. В Мексике процедура была отработана на многих десятках участков.
Таблица электрических и
петрофизических свойств рыхлых
грунтов
1
Параметры
Rho_грунта
2
N
Изв.песок Неизв.песок Изв.глина Неизв.глина Зависит от
+
+
Rho_воды
+
+
3
Температура
+
+
4
Пор. песка
+
F
5
R песка
+
F
6
Пор. глины
F
+
7
R глины
F
+
8
ИОЕ Глины
F
+
9
Влажность
+
10
Глинистость
+
+
11
ИОЕ грунта
+
+
12
Пористость
+
+
f(4,6,10)
13
Kf
+
+
f(10)
14
RSC
+
+
f(2,8,10)
Сопротивление воды и породы
Формула В.Н.Дахнова
Формула Арчи: r = РП rВ
r = РП · РВ · РГ · РТ · РЭ · rВ
где РП = а / nm
а – структурный коэффициент
(0.5-1),
n – коэффициент пористости,
m – показатель цементации или
извилистости пор - tortuosity (12.5)
В первом приближении сопротивление водонасыщенного песка
равно четырем сопротивлениям насыщающей его воды.
Когда сопротивление воды 30 Ом.м, то у песка 120 Ом.м.
Когда сопротивление воды 3 Ом.м, то у песка 12 Ом.м.
Когда сопротивление воды 600 Ом.м, то у песка 2400 Ом.м.
И это один и тот же песок.
Сопротивление воды может меняться от 1 до 1000 Ом.м. Это
влияет на сопротивление породы. Как часто электроразведчики
измеряют сопротивление воды на участке полевых работ? Это
элементарная операция дающая очень важную информацию.
Резистивиметр стоит 3000 рублей. Но измеряют редко.
Примеры для прямой задачи:
Глинистость и сопротивление воды
200
100000
Сопротивление, Ом.м
Сопротивление, Ом.м
50000
Песок
100
70
Супесь
50
40
Суглинок
30
Уренгой, ρ воды - 900 Ом.м
20000
При расчете выбраны:
Ионообменная емкость глины - 2 г/л
Соленость поровой влаги - 0.16 г/л
Пористость песка 32%
Пористость глины 55%
Температура 20°С
При расчете выбраны:
Ионообменная емкость глины - 1.5 г/л
Соленость поровой влаги - 0.007 г/л
Пористость песка 25%
Пористость глины 55%
Температура 1°С
10000
5000
2000
Песок
1000
500
20
Супесь
200
Глина
100
50
10
Суглинок
Глина
7
20
5
4
Глинистость, %
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Глинистость, %
10
100
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Сопротивление от глинистости
Сопротивление от глинистости для ρ
для ρ воды 37 Ом.м. Песок 80-140
воды 900 Ом.м. Песок 400-40 тыс. Ом.м.
Ом.м. ρ песка / ρ суглинка = 3.2 раза ρ песка / ρ суглинка до 400 раз
Этот пример наглядно показывает влияние сопротивления воды в порах.
Примеры для прямой задачи:
Влажность, температура
Сопротивление грунта , Ом.м
0 - глинистость
45
°н
ак
ло
н
дл
я
5000
2
2000
4
900
пе
ск
1000
800
а
10
500
r, Ом.м
1000
10000
700
20
30
600
200
40
50
100
70
500
100
50
8° на
к
20
лон
для
глин
ы
T, ° C
Соленость воды 0.1 г/ л
Влажность, у.е.
10
0.01
0.02
0.05
0.1
0.2
0.5
400
1
0
5
10
15
20
25
Влияние влажности (при Влияние температуры
разной глинистости)
В малоглубинной электроразведке заметно влияет зона аэрации
(неполного водонасыщения). Эта зона требует особого учета и
понимания процессов, происходящих в ней.
30
Примеры для обратной задачи
0
-2
-4
-6
-8
Z,m 0
8
24
16
32
40
56
48
72
64
88
80
104 112
96
120 128
X, m
Rho
180
110
67
40
25
15
A
Rho, Ohm.m
0
-2
-4
-6
-8
Z,m 0
8
24
16
32
40
48
56
64
72
80
88
96
104 112
120
Геоэлектрический разрез по данным
ВЭЗ (электротомографии) после 2D
инверсии (вверху - А) и рассчитанные
на его основе разрезы Глинистости (В)
и Коэффициента фильтрации (С).
Разрезы количественные. Расчленение
по литологии.
128
X, m
B Оценка защищенности водоносного слоя
Clay
25
20
15
10
5
0
N h
T  i
1 Kfi
Clay, %
0
-2
-4
-6
Т - время, N - число слоев над
C водоносным слоем, hi - мощность
Kf
Kf, m/day
каждого слоя, Kfi - коэффициент
фильтрации слоя.
Работы на этом участке проводили спустя 1 год после аварии на трубопроводе.
Расчет времени Т проникновения загрязнения в водоносный слой дал 10
месяцев, а наши работы прошли два месяца спустя после выявления запаха в
воде местными жителями.
-8
Z,m 0
8
16
24
32
40
48
56
64
72
80
88
96
104 112
120
X, m
0.007
0.018
0.05
0.135
0.37
1
2.7
128
Примеры для обратной задачи, 2
Подборки (06.08), разрез глинистости
0
-5
-10
-15
-20
-25
-600
-550
-500
-450
-400
-350
Песок Супесь Суглинок
0
5
10
15
20
-300
-250
Глина
25
30
35
-200
40
-150
45
-100
-50
50, %
В 2008 году в рамках учебной практики по электроразведке на участке
Подборки в Калужской области была проведена электротомография (Ерохин
С.А.) для оценки мощности слоя глины. Разрез глинистости рассчитан по 2D
геоэлектрическому разрезу сопротивлений. Мощность слоя глин получилась 1520 м.
Разрез глинистости, рассчитанный
по ρ грунта на участке ННБ по трассе
трубопровода в Зап. Сибири
0
-10
-20
-30
-40
-50
100
200
300
Песок Супесь
0
10
400
500
Суглинок
20
600
700
Глина
30
800
900
1000 1100
1200
Профиль 1
40
50 Глинистость, %
Результат 2D инверсии данных электротомографии был пересчитан в разрез
глинистости. (Сопротивление воды 133 Ом*м, соленость 0.045 г/л). Река
находится в середине профиля (690 м). Заметен слой глины, слева он больше
по мощности, справа вдвое тоньше, есть признаки тектонического нарушения
вблизи реки. Разрез сопротивлений менее выразителен. Для ННБ это важная
информация.
Петрофизическое моделирование
пород
Петрофизическое моделирование это набор
решений прямой задачи в сопоставлении с
полевыми данными электроразведки, чтобы
проверить, какое из решений лучше всего
соответствует полевым данным. Здесь показаны
расчеты сопротивлений известняков и мергелей для
разной глинистости в сравнении с сопротивлениями
пород (закрашено), определенными при полевых
работах при разной пористости. Выяснилось, что
количество глины не должно превышать 10-15%, т.е.
изучаемая в поле порода - известняк.
Проверка содержания извести в породе была
выполнена с помощью рентген-радиометрического
метода [Никулин и др., 1989] на
рентгеноспектральном анализаторе БАРС-3. По
содержанию извести (87.5%) образец породы с
места полевых работ является известняком, а не
мергелем.
Модели среды
Какая модель среды лучше соответствует изучаемой ситуации, то есть какой
главный фактор вызывает изменения сопротивления. Таких факторов
несколько: литология, влажность, соленость, загрязнение или совместное
действие двух и более факторов. Выбор модели важен для выбора стратегии
петрофизической интерпретации. Самое удобное – влияет литология и мы ее
определяем. Влияние влажности (в зоне аэрации) при постоянной литологии.
Например у песка ρ от 120 Ом.м до 5000 Ом.м, а песок один и тот же. Влияние
мерзлотных условий – горизонтальное залегание осадков, а на томографии –
очень резкая неоднородность (не литологии, а мерзлотных условий, шлиры).
Распознать модель среды удается с помощью петрофизического
моделирования.
Влияние солености поровой влаги
на чувствительность к литологии
На грунтах с повышенной
r, Ohm.m
1000
соленостью различать
литологию труднее, чем для
пресных и ультрапресных вод.
Еще до выезда в поле, если
соленость воды известна,
можно предполагать степень
чувствительности к литологии.
Вода
200
0 - Глинистость, %
2
100
4
20
10
20
10
30
40
50
70
100
4
1
C, г/л NaCl
0.1
0.01
0.1
1
10
100
Изучение нефтяных загрязнений
20
f, %
SI=dX/stnd=2.52
A
10
Сопротивление
r, Ohm.m
0
10
20
20
30
50
f, %
10
70 100
200
SI=4.36
500
1000
Глинистость
B
Clay content, %
0
0
5
10
15
20
25
40
20
30
35
40
45
16
18
20
22
24
f, %
26
ИОЕ
D
CEC, g/l
0
30
20
10
0
28
SI=2.46
10
40
60
Porosity, %
14
50
55
SI=3.02
Пористость
f, %
C
0
20
50
0.01
0.02
0.05
0.1
0.2
f, %
SI=6
E
0.5
1
В первый момент после попадания нефтепродуктов в
землю грунт отличается повышенным
сопротивлением, но несколько месяцев спустя за счет
биодеградации нефти место загрязнения приобретает
пониженное сопротивление по сравнению с чистым
грунтом. Если пытаться охарактеризовать место
нефтяного загрязнения картой сопротивлений, или
картами рассчитанных по сопротивлению разных
петрофизических параметров, то наиболее
контрастной будет карта RSC или карта
сопротивления, обеспечиваемого поверхностной
проводимостью грунта. Индекс разделения:
SI  X m1  X m2 / Stnd
, где Xm - координаты максимумов гистограмм для
чистого и загрязненного грунта, а Stnd - стандартное
отклонение (показатель ширины гистограммы).
В зонах нефтяного загрязнения грунта под влиянием биодеградации нефти
наиболее заметно меняется поверхностная проводимость за счет
возникновения в порах биопленок (скоплений бактерий) и эмульсификации
нефти под влиянием выделяемых бактериями ПАВ. Индекс разделения SI для
сопротивления равен 2.5, а для RSC=6.
-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0
Norm_RCS
0.2 0.4 0.6 0.8
1
1.2 1.4 1.6 1.8
2
2.2 2.4 2.6
Нормированная поляризуемость
В методе вызванной
поляризации иногда
используется так
называемый металлфактор MF, вычисляемый
как отношение
поляризуемости к
сопротивлению, часто
называемый Mn нормированной
поляризуемостью.
В публикациях по СВП было показано, что Mn тесно связан с поверхностной
проводимостью (Weller A. et al., 2013). А. Веллер получил левый рис. по
измерениям свойств образцов в лабораторных условиях. Mn отражает
глинистость грунта и его коэффициент фильтрации. Но глинистость и
коэффициент фильтрации грунта могут быть рассчитаны по одному лишь
сопротивлению грунта с учетом дополнительных сведений о его свойствах по
программе "Петрофизика" Рыжова. Правый рис. показывает корреляцию Mn
полученную из ВЭЗ-ВП и из сопротивления ВЭЗ с пересчетом в поверхностную
проводимость по Рыжову. Обе оценки очень близки.
0.1
Sigma_DEL
Профиль ВЭЗ-ВП на Малое Устье
Практика МГРИ, 1 смена, июль 2014
для истинных параметров слоев
0.01
0.001
0.0001
0.0001
0.001
0.01
Mn
0.1
Заключение
Интерпретация данных ВЭЗ и электротомографии не обязательно должна
останавливаться на получении геоэлектрического разреза (разреза
сопротивлений). Петрофизический подход позволяет перейти к получению
петро-параметров грунта: глинистости, пористости, влажности, ионообменной
емкости, поверхностной проводимости и коэффициента фильтрации. Возможно,
что оценки этих параметров по данным ВЭЗ и ЭТ имеют меньшую точность,
чем лабораторные исследования грунта, но обладают существенно большей
пространственной плотностью опробования и меньшей стоимостью. Работая
над решением инженерно-геологических и гидрогеологических задач полезно
представлять результаты в терминах, понятных заказчику - инженер-геологу
или гидрогеологу.
Постоянное использование петрофизического подхода помогает
геофизику лучше усвоить инженерно-геологические и водно-физические
свойства горных пород.
Упомянутая программа А.А.Рыжова "Петрофизика" не является
"волшебным инструментом" преобразования геофизических данных в
петрофизические. Это "помощник", а не "волшебник". Она требует от геофизика
знания свойств горных пород, связей геофизических и петрофизических
параметров, и аккуратной подготовки данных для решения прямой и обратной
задачи. В этом случае удается корректно перейти к построению
содержательных петрофизических карт и разрезов по геофизическим данным.
Авторы
Спасибо за внимание