СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОРИСТОСТИ ПОРОД Российский патент 1996 года по МПК G01V11/00 

Изобретение относится к области геофизической разведки и может быть использовано в газо- нефтеразведке, при обнаружении коллекторов и исследовании динамики подземных вод в интересах гидрогеологии, строительства, сельского хозяйства и экологии.

Известен способ измерения пористости пород, заключающийся в том, что в процессе бурения извлекаются образцы пород керны, которые после высушивания подвергают процессу влагонасыщения и тем самым определяют суммарный объем паровых пространств. Далее, под микроскопом определяют эффективный размер зерен породы и вычисляют эффективный размер пор (1). Способ характеризуется большими затратами времени, низкой производительностью и дает информацию только об ограниченных объемах пород.

Наиболее близким по технической сущности является способ, позволяющий вынести суждение об эффективной пористости горных пород, и заключающийся в том, что в исследуемых породах возбуждают упругие колебания на нескольких частотах и регистрируют в точках наблюдения переменные электрические поля. Согласно данному способу измеряют разность потенциалов на поверхности земли, вызванную электрокинетическими процессами в среде. Для регистрации разности потенциалов используют электроды, которые располагают вдоль направления распространения сейсмической волны. Из общего отклика среды выделяют переменную часть разности потенциалов с частотой сейсмического воздействия, т.е. находят амплитудно-частотную характеристику прямого сейсмоэлектрического эффекта, и по резонансным пикам на ней судят о наличии флюида и о структуре пород пористости [2]
Недостатком способа является низкая точность измерений, обусловленная зависимостью контактной разности потенциалов измерительного электрода от температуры, влажности и давления.

Целью изобретения является повышение точности измерений за счет исключения погрешностей, возникающих на контактах измерительных электродов с породами.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе измерения пористости пород, включающем операции возбуждения упругих колебаний на нескольких частотах, измерение отклика осуществляют бесконтактным способом, регистрируя модуль магнитного сигнала от среды. Затем определяют отношение амплитуды магнитного сигнала к сейсмическому на каждой частоте наблюдения для каждой точки наблюдения для получения амплитудно-частотной характеристики, находят частоту среза f_с этой характеристики. По значению частоты среза получают информацию об эффективном радиусе поровых пространств, заполненных флюидом, при этом используют следующее выражение:
α=(η/2πρf_c)^1/2
где α - эффективный радиус пор,
η вязкость и r плотность флюида, f_с верхняя частота среза, определяемая из амплитудно-частотной характеристики.

Способ реализуется следующим образом.

Источник сейсмического воздействия на среду вибратор размещают на выбранной территории. На расстоянии, определяемом малым влиянием ферромагнетизма конструкции источника сейсмической волны, располагают магнитометр для измерения модуля магнитного отклика среды. Одновременно в данной точке магнитных измерений располагают сейсмический датчик, по показаниям которого устанавливают относительные механические колебания среды. Информацию о магнитном отклике среды, свидетельствующую о наличии флюида, зарегистрированную при прохождении сейсмических волн, вызванных вибратором, и о механических колебаниях среды получают в результате измерения на ряде дискретных частот, лежащих в интервале от инфранизких и выше.

Измерение магнитного сигнала, вызванного сейсмовоздействием, можно производить с помощью как компонентных, так и модульных (скалярных) приборов, но в виду того, что датчики компонентных приборов чувствительны к механическим воздействиям, вызванным вибратором, то предпочтительно применять модульные магнитометры, например, выполненные на основе оптической накачки и магнитного резонанса, для которых влияние механического воздействия мало [3]
Ввиду того, что измерение магнитного поля сопровождается помехами естественного и искусственного происхождения в широком частотном диапазоне, выделение слабого полезного магнитного сигнала целесообразно производить в режиме накопления сигнала на каждой частоте сейсмического воздействия.

Диапазон частот сейсмического воздействия определяется прежде всего конструкцией вибратора источника сейсмических волн. Стандартные передвижные вибраторы типа СВ 10/100 имеют наивысшую частоту воздействия около 100 Гц. Если положить частоту среза среды равной 100 Гц, то это соответствует радиусу поровых пространств порядка 5 10 мкм при заполнении их водой. Эффективный радиус паровых пространств в породах типа гранитов, базальтов и других по известным данным превышает указанный расчетный радиус. Поэтому верхний предел по частоте вибрационного воздействия с запасом не превысит 100 150 Гц.

Поскольку получение измерений в одной точке пространства не дает сведений о зоне распространения флюида по площади и его глубине залегания, то целесообразно получать информацию об этом при площадных измерениях при перемещении как источника вибровоздействия, так и измерителя магнитного поля и измерителя сейсмического отклика.

Способ иллюстрируется следующим примером. В качестве источника сейсмических волн использовался стационарный вибратор с усилием на грунт около 70 т, который работает в режиме ступенчатого сканирования по частоте от 1 до 15 Гц. В качестве сейсмографа использовались стандартные сейсмодатчики типа СМ-4 для регистрации продольной компоненты смещения грунта. Измерителем магнитного отклика среды являлся датчик, построенный по автоколебательной схеме с использованием методов оптической накачки и магнитного резонанса в парах щелочного металла-цезия. Преобразование сигнала магнитометра для детектирования полезного отклика среды производилось устройством на основе автокорреляционного демодулятора. Сигнал с выхода демодулятора анализировался спектроанализатором типа СК4-72/2. Длительность одной выборки составила 10 с. Полученный спектр магнитного отклика выводился на двухкоординатный самописец. На основе этих данных определялось отношение амплитуды магнитного сигнала к сейсмическому на каждой частоте для построения амплитудно-частотной характеристики среды.

На фиг. 1 изображены результаты обработки данных для точки, расположенной на расстоянии 170 м от источника вибрации в направлении на север, на фиг. 2 в том же направлении, но на расстоянии 230 м. По оси абсцисс отложена частота в Гц, по оси ординат отношение магнитного сигнала к сейсмическому.

Сканирование осуществлялось с шагом 1 Гц. Пики на частоте 10 Гц связаны с механическим резонансом системы вибратор среда. Максимальный магнитный сигнал проявляется на частоте 2 Гц.

Основные залегающие породы в месте проведения измерений песчаники с линзами глинистых пород глубиной до 1 км. Для таких пород нами произведен расчет эффективного радиуса поровых пространств через частоту среза амплитудно-частотной характеристики по выражению (1) при вязкости и плотности воды и f_с 3 Гц.

Полученное значение эффективного радиуса при использовании данных по вязкости и плотности воды и частоты среза составляет 200 мкм, что укладывается в пределы, известные по прямым измерениям на образцах керна из песчаника.

Предложенный способ позволяет избавиться от помех, присущих прототипу, а именно магнитные измерения осуществляются вне зависимости от погодных условий ( температуры, влажности, давления), что способствует повышению точности измерений. Повышению точности способствует также отсутствие помехи, обусловленной вариацией контактной разности потенциала на границе среда-электрод.

Источники информации:
1. Методическое руководство по определению физических свойств горных пород и полезных ископаемых. /Под ред. Дортмана Н.Б. и Озеровой М.Л. М. Госгеолтехиздат, 1962, с. 75, 82-85.

2. Черняк Г.Я. Электромагнитные методы в гидрогеологии и инженерной геологии. М. Недра, 1987, с. 32-34, 176.

3. Померанцев Н.М. Рыжков В.М. Скроцкий Г.В. Физические основы квантовой магнитометрии. М. Наука, 1972, с.448.

4. Введение в молекулярную электронику. Под ред. Н.С. Лидоренко, М. Энергоатомиздат, 1984, с.320.

Использование: в геофизической разведке, в том числе при обнаружении коллекторов и исследовании динамики подземных вод. Сущность изобретения: в исследуемой среде возбуждают упругие колебания. В точках наблюдения регистрируют амплитудно-частотную характеристику прямого сейсмоэлектрического эффекта путем бесконтактного измерения в каждой точке приращения по модулю магнитного сигнала. Регистрируют также продольное или поперечное смещение пород на каждой из частот возбуждения упругих колебаний. Эффективный радиус пор определяют с учетом вязкости и плотности воды, верхней частоты среза. Последнюю определяют на основании амплитудно-частотной характеристики по отношению магнитного сигнала к сейсмическому на каждой частоте. 2 ил.

Способ определения пористости пород, в котором в исследуемых породах возбуждают упругие колебания на нескольких частотах и регистрируют в точках наблюдения амплитудно-частотную характеристику прямого сейсмоэлектрического эффекта, по которой определяют радиус пор исследуемых пород, отличающийся тем, что, с целью повышения точности способа за счет исключения погрешностей, возникающих на контактах измерительных электродов с породами, регистрацию амплитудно-частотной характеристики выполняют путем бесконтактного измерения в каждой точке наблюдений приращения по модулю магнитного сигнала, а также продольного или поперечного смещения пород на каждой из частот возбуждения упругих колебаний и определяют отношение магнитного сигнала к сейсмическому на каждой частоте, а радиус пор рассчитывают исходя из выражения

где α эффективный радиус пор;
h, ρ соответственно вязкость и плотность воды;
f_с верхняя частота среза, определяемая из амплитудно-частотной характеристики.