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