Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Технология оценки состава магнезитовых руд в условиях скважин

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Технология оценки состава магнезитовых руд в условиях скважин"

На правах рукописи

Кучурина Ольга Евгеньевна

ТЕХНОЛОГИЯ ОЦЕНКИ СОСТАВА МАГНЕЗИТОВЫХ РУД В СКВАЖИНАХ

Специальность 04.00.12 - геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Екатеринбург - 1997

Работа выполнена в Уральской государственной горно-геологической академии.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

член-корреспондент РИА, профессор Давыдов Ю.Б.

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук,

профессор Давыдов A.B.

кандидат геолого-минералогических наук Зараменских Н.М.

Ведущая организация: Институт геофизики УрО РАН

Защита состоится "Лб" ноября 1997 года в /5" часов на заседании диссертационного совета Д 063.03.02 при Уральской государственной горногеологической академии по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, д. 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГГГА. Автореферат разослан " октября 1997 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук, профессор , Давыдов Ю.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Одной из важнейших задач на этапе разведки месторождений магнезитов является изучение вещественного состава и технологических сортов разведываемого минерального сырья. В настоящее время решение ее достигается на основе проходки скважин, позволяющих отобрать необходимое количество керновых проб для последующего анализа. Недостатком традиционной технологии является высокая стоимость работ, а также негарантированная надежность результатов при невозможности получения высокого выхода керна или его ограниченной представительности. Повысить достоверность решения геологических задач на современном этапе возможно за счет количественной оценки качества разведываемого сырья на основе включения в комплекс геологоразведочных работ высокопроизводительных геофизических методов. Такие комплексные геолого-геофизические технологии разработаны и успешно используются при разведке месторождений черных и цветных металлов, энергетического сырья, редкометальных руд и др. (Булашевич Ю.П., Возжеников Г.С., Уткин В.И., Давыдов Ю.Б., Бахтерев В.В., Крапивский Е.И., Очкур А.П., Леман Е.П., Мейер В.А., Большаков Ю.А., Пшеничный A.A., Караниколо В.Ф., Зив JI.A., Постельников А.Ф. и др.). С высокой эффективностью методы ГИС используются для оценки качества минерального сырья некоторых нерудных месторождений: флюорита, барита, калийных солей, фосфоритов, апатитов (Филиппов Е.М., Кошелев И.П., Краснопёрое В.А., Старцев Ю.С., Арцыбашев В.А., Шишакин О.В., Камышев Б.С., Шафаренко В.А., Шварцман М.М., Бардовский В.Я., Собачкин Б.К. и др.). Однако для месторождений магнезитов, равно как для целой группы других нерудных месторождений (флюсовых известняков, доломитов, огнеупорных глин и др.) возможности геофизических методов исследованы слабо или совсем не изучались. Сложившееся положение отчасти объясняется недостаточным вниманием к этой группе месторождений специалистов-геофизиков и как следствие этого - отсутствием системных исследований по данному направлению. Второй причиной является сложность задачи, обусловленная необходимостью количественного определения по ГИС по крайней мере 3-4 петрогенных окислов (MgO, CaO, Si02, А1203) и 2-3 петрофизических параметров (плотности, влажности, объемной массы руды) с точностью,удовлетворяю-шей требованиям геологической разведки. Совершенно очевидно, что применение для решения этой задачи типовых комплексов ГИС без глубокого петрофизического обеспечения методов, оптимизации их состава и разработки единой технологии исследований скважин оказывалось малоэффективным. При разведке магнезитовых месторождений, в частности, по данным типового комплекса методов (КС, ГК, ГГК);в лучшем случае представляется возможным выделение границ отдельных пластов, характеризующихся контрастными физическими свойствами по отношению к вмещающим породам. При этом однозначное выделение кондиционных пластов магнезитов, достигаемое только по соотношению содержаний основных петрогенных окислов, по данным применяемого комплекса ГИС не обеспечивается. В связи с отмеченным разработка эффективной геолого-геофизической технологии для изучения состава магнезитовых руд в условиях скважин

представляется своевременной и весьма актуальной задачей. Ее решение в рамках диссертационной работы достигнуто на основе анализа химического состава магнезитового сырья, установления зависимостей между элементным составом и физическими свойствами магнезитов, обоснования оптимального комплекса ГИС и требований к точности определения физических параметров горных пород, разработки для отдельных методов ГИС интерпретационных математических моделей, обеспечивающих корректное решение обратных задач для условий скважин и создания единой технологии ГИС для комплексного изучения магнезитов с количественным определением содержания основных окислов и ядернопетрофизических параметров.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Разработка научно-методических основ технологии комплексной оценки состава магнезитов на основе применения ядерногеофизических методов каротажа.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

- Исследовать закономерности изменения ядернопетрофизических свойств магнезитов в зависимости от их химического состава, проанализировать возможности современных ядерногеофизических методов для количественных определений содержаний петрогенных элементов и ядернопетрофизических свойств, сформулировать требования к точности измерения искомых параметров в условиях скважины.

- Обосновать и исследовать возможности различных технологий ГИС для количественного определения в магнезитах содержаний основных петрохимических окислов (М80, СаО, 8Ю2 + А1203).

- Обосновать математические модели пространственного распределения надтепло-вых и тепловых нейтронов в исследуемых средах с учетом конструкции измерительного прибора, заполнения и диаметра скважины и исследовать помехоустойчивость решения обратных задач для количественных определений нейтронно-замедляющих (Ьэ) и нейт-ронно-диффузионных (1Д Б, т) параметров горных пород по данным одно- и многозон-довых модификаций стационарного нейтрон-нейтронного каротажа по тепловым (ННК-Т) и надтепловым (ННК-Нт) нейтронам.

- Исследовать реальные возможности стационарных модификаций нейтрон-нейтронного каротажа для количественных определений длин переноса (1а Ьс1), времени жизни (т) и коэффициента диффузии (И) тепловых нейтронов в условиях скважин.

- На примере Исмакаевского месторождения магнезитов путем сопоставления с данными геологического опробования оценить эффективность применения разработанной технологии для количественного определения содержания окиси магния (МёО), окиси кальция (СаО), суммы содержаний алюмосиликатов (8Ю2 + А1203) и объемной плотности горных пород.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Впервые для месторождений магнезитов предложена технология геофизических исследований скважин, обеспечивающая комплексное изучение

разведываемых пластов с количественным определением содержаний окиси магния (MgO), окиси кальция (СаО), суммы алюмосиликатов (Si02 + А1203) и объемной плотности.

В результате проведенных исследований:

- установлено существование тесных корреляционных связей между содержанием в магнезитах основных петрогенных окислов и ядернопетрофизическими параметрами (эффективным атомным номером, временем жизни тепловых нейтронов и плотностью магнезитов);

- предложены графические способы определения состава магнезитов по 2-х и 3-х мерным номограммам с использованием данных измерений по комплексу ядерногеофи-зических методов: селективного гамма-гамма-каротажа, параметрического нейтрон-нейтронного каротажа по тепловым нейтронам и нейтронного активационного каротажа по изотопам алюминий - 28 и азот-16;

- обоснованы математические модели пространственного распределения надтепло-вых и тепловых нейтронов для условий реальных скважин, допускающие корректное решение обратных задач одно- и многозондовых модификаций стационарного нейтронного каротажа относительно длины замедления (Ls) быстрых нейтронов, длины миграции (Lm), времени жизни (т) и коэффициента диффузии тепловых нейтронов;

- на фактическом материале доказана высокая эффективность технологии ГИС для комплексной оценки состава магнезитов с погрешностью определения основного окисла (MgO),сопоставимой с геологическим опробованием керна.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ заключается в использовании разработанной технологии для количественного определения петрохимического состава магнезитов Исмакаевского месторождения с абсолютными среднеквадратичными погрешностями для окиси магния ±0,9 %, окиси кальция ±0,8 %. суммы окислов кремния и алюминия ±1,4 %, а также минералогической и объемной плотности магнезитов с относительными среднеквадратичным погрешностями равными, соответственного,5 % и ±2,0 %. Результаты выполненных исследований при соответствующем петрофизическом обеспечении отчасти могут быть использованы также для оценки состава и качественных показателей других видов нерудного горно-металлургического сырья: флюсовых известняков, доломитов, формовочных материалов, огнеупорных глин и др.

РЕАЛИЗАЦИЯ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Достоверность разработанной технологии подтверждена результатами скважинных исследований в интервалах залегания магнезитовых пластов Исмакаевского месторождения суммарной мощностью 850 м (6 скважин). Данные математического моделирования по количественному определению нейтронно-замедляющих и нейтронно-диффузионных параметров заверены результатами измерений в стандартных образцах пластов известного химического состава, аттестованных по пористости и плотности, а также результатами сопоставлений по скважинам путем расчета нейтронных параметров по известным химическому составу и плотности. Достоверность определения эффективного атомного номера и объемной плотности горных пород обеспечивалась применением для измерений метрологически

аттестованной аппаратуры типа ГГК-ПС-36/42. По результатам выполненных исследований разработан проект методических рекомендаций,переданный в Государственный к о-митет по геологии и охране недр Республики Башкортостан для практического использования. Непосредственное применение результаты исследований нашли в практике работ ГГП "Башкиргеология" при каротаже скважин Исмакаевского месторождения магнезита. Расчетный экономический эффект от применения разработанной технологии в ценах 1990 года составляет 5-10 тысяч рублей на одну скважину.

Разработанные алгоритмы решения обратных задач стационарного ННК-Т и НИКИТ включены в комплекс математического обеспечения многозондовой программно-управляемой аппаратуры, разрабатываемой в АО НПП "ВНИИГИС".

ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ЛИЧНЫЙ ВКЛАД В РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ. Диссертационная работа базируется на результатах теоретических и экспериментальных исследований, проведенных автором на кафедре прикладной геофизики УГГГА за время учебы в очной аспирантуре, результатах физического моделирования и скважинных исследований, выполненных совместно с АО НПП "ВНИИГИС".

Личный вклад автора состоит: в создании петрофизического обеспечения для всех ядерногеофизических методов, включенных в технологию ГИС для оценки состава маг-незитов; разработке номографических способов решения обратных задач по определению содержаний петрогенных окислов в магнезитах; разработке математических моделей пространственного распределения тепловых и надтепловых нейтронов для условий реальной скважины и исследовании помехоустойчивости алгоритмов расчета нейтрон-но-замедляющих и нейтронно-диффузионных параметров горных пород в водородо- и неводородосодержащих средах; участии в проведении ОМР в скважинах Исмакаевского месторождения магнезитов; первичной обработке материалов ГИС и расчетах петрофи-зических параметров по комплексу ядерногеофизических методов; анализе результатов апробации технологии ГИС на основе статистической обработки и сопоставления данных ГИС и геологического опробования керна; разработке проекта методических рекомендаций для практического внедрения предложенной технологии ГИС.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

1. Технология оценки состава магнезитов в условиях скважин,основанная на комплексном применении селективного и плотностного гамма-гамма-каротажа и параметрического нейтрон-нейтронного каротажа по тепловым и надтепловым нейтронам, обеспечивающая количественное определение содержаний окислов магния, кальция и суммы алюмосиликатов с абсолютными среднеквадратичными погрешностями равными, соответственного^; ±0,8 и ±1,4 %.

2. Математические модели пространственного распределения потоков тепловых и надтепловых нейтронов для условий реальных скважин, полученные на основе использования аксиоматического метода и известных распределений потоков в однородных средах, допускающие корректное решение обратных задач одно- и многозондовых модификаций стационарного нейтрон-нейтронного каротажа относительно длины замедле-

ния быстрых нейтронов, длины миграции, времени жизни и коэффициента диффузии тепловых нейтронов в водородо- и неводородосодержащих слабопоглощающих средах.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы докладывались на научно-технической конференции молодых ученых и специалистов АНК "Башнефть"(Уфа,1995 г.), 1-ом международном геофизическом конгрессе Казахстана (Алма-Ата, 1995 г.), семинаре-дискуссии по проблеме "Современная ядерная геофизика при поисках, разведке и разработке нефтегазовых месторождений" (Бугульма, 1997), Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов "Геофизика-97" (Санкт-Петербург, 1997), а также на заседаниях кафедры прикладной геофизики УГГГА.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано семь статей и тезисов докладов, подготовлено и направлено в "Госкомизобретений" четыре заявки на предполагаемые изобретения. Основные положения, рассмотренные в диссертации, изложены в 2 научно-технических отчетах.

Автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю признательность научному руководителю, члену-корреспонденту РИА, доктору физико-математических наук, профессору Ю.Б. Давыдову за выбор темы исследований, консультации и требовательное внимание на протяжении всей работы.

При выполнении исследований большую помощь полезными советами и критическими замечаниями оказывали сотрудники кафедр прикладной геофизики и геоинформатики: проф. Возжеников Г.С., проф. Сковородников И.Г., к. г.-м. н. Игумнов С.А., доц. Талалай А.Г., доц. Бреднев И.И. и др. Большое содействие и помощь в проведении физического моделирования и ОМР оказана сотрудниками АО НПП "ВНИИГИС" и ГГП "Баш-киргеология": к.г.-м.н. Перелыгин В.Т., ведущие специалисты Вячина В.Ф., Ахметзяно-ваЛ.М., Усанин A.B., Фаткулов О.В. и др. Всем им автор выражает искреннюю благодарность.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Она содержит 241страницы машинописного текста, в том числе 24 таблицы и 69 рисунков. Список литературы включает 101 наименование, в том числе 5 зарубежных публикаций.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, показаны научная новизна и практическое значение проделанной работы.

В первой главе рассмотрены особенности геологического строения Исмакаевского месторождения магнезитов, вещественный состав руд, требования различных отраслей промышленности к предельным содержаниям сопутствующих петрогенных окислов, закономерности изменения петрофизических свойств магнезитов в зависимости от их компонентного состава, перспективы применения различных методов и технологий ГИС для количественного определения в условиях скважин содержаний окислов магния, кальция,

суммы алюмосиликатов, плотности.

Исмакаевское месторождение магнезитов залегает в карбонатных породах суранс-кой свиты в 130 км от известной Саткинской группы месторождений (Анфимов Л.В., Бусыгин Б. Д. и др., 1983). Промышленные тела представлены пластообразными залежами суммарной мощностью до 400 м, имеют сравнительно простой вещественный состав. Основным минералом руд является магнезит, из второстепенных развиты доломит, кальцит, кварц, хлорит, брусит, в выветрелых разностях - гидроокислы железа, тальк и др. Промышленное значение имеют первичные магнезиты, которые в зависимости от содержаний в них СаО и 8Ю2дают частое чередование кондиционных и низкокачественных пачек, что приводит к необходимости проведения сплошного химического анализа кер-нового материала. Применение в скважинах типового комплекса ГИС (ГК, КС, ПС, ГГК) не облегчает решение задачи количественного определения петрохимического состава магнезитов из-за отсутствия устойчивых зависимостей между регистрируемыми физическими параметрами (электрическое сопротивление, естественная радиоактивность и др.) и петрохимическим составом (Вишневский П.В., Вахромеев Г.С., 1984). В связи с отмеченным в работе проанализированы методические возможности ядерногеофизичес-ких методов каротажа. На основе теоретических расчетов ядерно-петрофизических параметров магнезитов и вмещающих пород по 256 образцам керна, опубликованным и фондовым материалам установлены закономерности изменения, в зависимости от компонентного состава магнезитов и вмещающих пород, объемной плотности, эффективного атомного номера, времени жизни тепловых нейтронов, длин переноса надтепловых и тепловых нейтронов, относительной величины наведенных эффектов короткоживущих изотопов (А1-28 иМ-16). Наиболее сильные корреляционные связи с компонентным составом магнезитов прослеживаются для эффективного атомного номера 2эф (г=0,8-0,95), изменяющегося для ряда магиезит - доломит - известняк в пределах от 9,8 до 15,29 ед. По плотности кондиционные магнезиты дифференцируются слабо. Устойчивая связь (г=0,76) имеет место между содержанием окиси магния и временем жизни тепловых нейтронов, обусловленная закономерным уменьшением сечения захвата тепловых нейтронов по мере увеличения содержания в магнезитах окиси магния и уменьшения окиси кальция. Длины переноса надтепловых и тепловых нейтронов преимущественно зависят от водородосодержания горных пород. Прямые определения содержаний основных пет-рогенных окислов (Р^О, СаО) возможны по данным нейтронного активационного каротажа по изотопам М§-27, N8-24, Са-49 и др. (Чайка М., 1967; СоШи-еП Я.Я., 1996; Коше-лев И.П., 1969). Однако из-за относительно большого периода полураспада этих изотопов и сравнительно низкого их содержания в природной смеси реализация технологий возможна в дискретном режиме с использованием достаточно сложной измерительной аппаратуры. Отмеченное исключает эффективное применение известных технологий для массовых исследований скважин. Эти же причины не позволяют в настоящее время реализовать методику спектрометрического нейтронного гамма-каротажа по неупругому рассеянию быстрых нейтронов на ядрах магния, требующую использования высокочастотных скважинных генераторов нейтронов (Колдуэлл Р.Л., 1960). Более благоприятные

предпосылки имеются для нейтронного активационного каротажа по короткоживущим изотопам сопутствующих элементов: алюминия и кремния (А1-28) и кислорода (N-16). Наведенный эффект от первого изотопа обусловлен наличием в магнезитах преимущественно кварца, второго - изменением весового содержания наиболее легкого окисла магния. Проведенный в работе анализ возможностей отдельных ядерногеофизических методов каротажа с использованием одномерных петрофизических зависимостей свидетельствует, что по точности определений они не отвечают требованиям промышленности даже в отношении основных петрогенных окислов (MgO, СаО). Значительно более высокая точность количественных определений, при неконтролируемом изменении концентраций примесных окислов (Si02, А1203, Fe203 и др.), может быть получена по комплексным технологиям , включающим 2-3 основных [ГГК-С(2оф), ННК-Т(т), НАК(А1, О)] и два дополнительных [ГГК-П(р), HHK-HT(Ls)] метода. Дополнительные методы, представленные плотностной (р) модификацией ГТК и нейтрон-нейгроным каротажом, предусмотрены для получения информации о плотности и влажности руд. Анализ возможностей различных технологических комплексов проведен по данным статистической обработки петрохимического состава и петрофизических свойств руд. Для решения обратных задач предложены 2-х и 3-хмерные номограммы типа Р = Ц^эф, т)иР = Я/эф, т, gt), где Р_ - содержание окислов магния или кальция, gi - содержание кислорода или суммы алюмосиликатов (А1203 и Si02). Среднеквадратичные абсолютные погрешности определения содержаний окислов магния и кальция по 2-хмерным номограммам с использованием петрофизических параметров гэф и т составили соответственно ±0,98 и ±0,5 % при средних содержаниях 39,3 и 3,59 %. Технология по уравнению материального баланса обеспечивает оценку содержания суммы алюмосиликатных окислов с абсолютной погрешностью ±0,6 % в классе содержаний менее 13 %. Несколько большими потенциальными возможностями обладают трехметодные технологии (ГГК-С, ННК-Т, HAK). Абсолютная среднеквадратичная погрешность определения окиси магния по трехмерной номограмме составляет ±0,85 % при использовании данных о содержании суммы алюмосиликатов и ±0,89 % в случае определения содержания суммарного кислорода.

В последнем разделе главы приведены результаты исследований по оценке возможностей высокоточных определений содержаний основных петрогенных окислов и вредных примесей (фосфора, серы) в измельченных пробах магнезитов поданным рентгено-спектрального метода с переносной аппаратурой типа КАРП-1. Показано, что комплек-сирование экспресс-аналитического метода РСА с ядерногеофизическим каротажом принципиально решает задачу многокомпонентного анализа состава магнезитов.

Результаты выполненных исследований положены в основу разработки параметрических модификаций нейтрон-нейтронного каротажа для определения нейтронных параметров горных пород и обоснования единой геофизической технологии оценки состава и петрофизических свойств магнезитов в условиях скважин Исмакаевского месторождения по комплексу нейтрон-нейтронного и гамма-гамма-методов.

Во второй главе отражены результаты теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию нового подхода к решению обратной задачи стационарного ней-

трон-нейтроиного каротажа по надтепловым нейтронам и анализа помехоустойчивости расчета длины замедления быстрых нейтронов в различных физико-геометрических условиях. Эффективное использование предложенной технологии предполагает применение в комплексе ГИС параметрических модификаций нейтрон-нейтронного каротажа, обеспечивающих в условиях скважин количественную оценку нейтронных параметров горных пород, корреляционно связанных с их водородосодержанием (длина замедления, коэффициент диффузии) и петрохимическим составом (время жизни тепловых нейтронов). Для решения первой задачи в настоящее время предложен и используется ряд методик [Гулин Ю.А., 1972; Кожевников Д.А., 1982; Поляченко А.Л., 1982], основанных на измерении одного или нескольких потоков надтепловых нейтронов в скважинах и обеспечивающих удовлетворительную точность оценки эффективной пористости и водоро-досодержания. Однако эти методики преимущественно разработаны для условий нефтегазовых месторождений, отличающихся сравнительно высоким водородосодержанием горных пород. При низкой пористости (менее 5 %), характерной для магнезитовых пластов, и диаметрах скважин, соизмеримых или меньше длины замедления нейтронов в скважинном флюиде, эффективное применение разработанных технологий оказывается невозможным как из-за отсутствия палеточного обеспечения, так и из-за возрастания погрешностей расчета пористости или водородосодержания в области Кп < 5 %. В этих условиях перспективным является непосредственное определение длины замедления горных пород и оценка эффективной пористости по априорно установленной зависимости типа Ьб = Г (Кп) для конкретных геологических образований. В работе рассмотрены возможности известных методик измерения длины замедления по способу отношений потоков надтепловых нейтронов [Филиппов Е.М., 1962], импульсному нейтрон-нейтронному каротажу и нейтронному активационному методу [Бахтерев В.В., 1988, 1994]. Разработанные методики работоспособны в однородных средах либо требуют для своей реализации достаточно сложной измерительной аппаратуры, малопригодной при массовых измерениях.

Автором на основе аксиоматического метода и известных распределений надтепловых нейтронов в однородных средах обоснована математическая модель, с достаточной точностью описывающая распределение надтепловых нейтронов в системе "скважина -пласт". В общем случае регистрируемый в скважине поток надтепловых нейтронов представлен 4-мя составляющими, учитывающими замедление нейтронов в горной породе, утечку части потока из горной породы в скважину, замедление быстрых нейтронов в скважинном флюиде и перенос части нейтронного излучения через корпус скважинного прибора. Полученные математические модели содержат четыре постоянные константы, отвечают известным представлениям о физике переноса медленных нейтронов и удовлетворяют типовым граничным условиям. При равенстве длин замедления скважинного флюида и горных пород они переходят к известным экспоненциальному и гауссовскому распределениям, соответственно для водородосодержащих и неводородосодержащих сред [Филиппов Е.М., 1962; Кантор С.А., 1955]. Введение в структуру моделей 4-х постоянных коэффициентов позволяет учесть реальные условия измерений, тип и эффективность

детекторов, конструкцию скважинного прибора, размер зонда и таким образом обеспечить корректное решение обратной задачи ННК-НТ относительно Ьб раздельно для во-дородо- и неводородосодержащих сред. Для определения коэффициентов используются измерения в стандартных образцах пластов с известными нейтронными параметрами. В работе подобные математические модели получены для разных длин зондов, водородо-, неводородо- и железосодержащих сред. Для многозондовой модификации ННК-НТ расчет Ьэ осуществляется с использованием метода наименьших квадратов с учетом статистических весов. Результаты решения обратной задачи по полученным моделям для разных модификаций ННК-НТ представлены на рис. 1 Наилучшая сходимость в отношении расчета длин замедления отмечается для водородосодержащих пластов (8 < 3%). Повышенная среднеквадратичная относительная погрешность расчета (5 =13-15%) по двух-зондовому ННК-НТ, реализованного по способу отношений, обусловлена уменьшением чувствительности установки к длине переноса при корректном учете влияния скважины по каждому из зондов. Оценка помехоустойчивости алгоритмов расчета длины замедления в зависимости от изменения различных факторов исследована аналитически по формулам, полученным методом конечных разностей для конкретных математических моделей. На основе прямых расчетов показано, что основное влияние на точность расчета Ьб оказывает изменение диаметра скважины. Для неводородосодержащих сред (Ъб > 25 см) это влияние усиливается вследствие уменьшения относительного вклада компоненты пласта, обусловленного повышенной диффузией надтепловых нейтронов. Для расчета Ьв с погрешностью не более 1 % точность измерения диаметра скважины не должна превышать ±3,5 % номинального диаметра. Сравнимые по величине погрешности расчета Ьб могут быть вызваны изменением длины замедления скважинного флюида (Ьбу), причем для неводородосодержащих горных пород влияние Ьбу примерно в 2-3 раза выше. По данным имитационного моделирования допустимые ошибки в установке длины зонда не должны превышать 0,5 см.

В последнем разделе главы исследована чувствительность различных модификаций метода к Ьб. Показано, что наибольшей чувствительностью к изменению Ьб характеризуются модификации ННК-НТ, базирующиеся на измерении интегральных потоков, а не их отношений, что не противоречит известным представлениям [Кожевников Д.А., 1982]. При этом чувствительность максимальна для водородосодержащих пластов, где она изменяется экспоненциально по мере увеличения длины замедления. В слабозамед-ляющих средах прослеживается обратная зависимость: чувствительность возрастает с увеличением Ьв в диапазоне от 20-25 до 40-45 см. По результатам расчетов подтверждена и обоснована целесообразность определения длины замедления горных пород с использованием нескольких зондов относительно большого размера (К=30-50 см).

В третьей главе изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию алгоритмов расчета нейтронно-диффузионных параметров горных пород (НДП) по данным ННК-Т и оценке влияния на точность решения обратной задачи основных физико-геометрических факторов. Определение времени жизни тепловых нейтронов в магнезитах, зависящего от соотношения содержаний основных петро-

Сопоставление исходных и расчетных значений длин замедления водородосодержащих (Вс) и неводородосодержащих (Нв) физических моделей для однозондовой (а, 6), двухзондовой (в,г) и многозондовой (д, е) модификаций ННК-НТ.

25 20 515

У

и

3.10

1Л _J

5 0

в) Вс, 2-г ННК-НТ

1*1/13=32/47 г

Нв, 2-г ннк-нт

40 35 о 30

У

и

2.25

(л —I

20 15,

:«(*1/Н2=22/41 I

. д Ж/Я2=22/471 _ .. _______г -- ♦

X Р1/И2=41/47| ►_____

- - ... _ ^

10 15 20

1-5 ИСХ, СМ

25

20 25 30 Ьв исх, см

35

40

Вс, 1*1,1*2,1*3=32,41,47

Нв, 1*1,1*2,1*3=22,41,47

Рис. 1.

генных окислов, в настоящее время принципиально возможно по данным импульсного нейтрон-нейтронного каротажа по тепловым нейтронам [Шимелевич Ю.П., Поляченко А.Л., 1987] или методом моментов [Кантор С.А., 1968; Давыдов Ю.Б., 1994] с применением стационарного источника быстрых нейтронов. Широкомасштабное применение первой методики на месторождениях нерудного сырья осложняется высокой ее стоимостью и уникальностью в связи с использованием малогабаритных скважинных генераторов нейтронов. Метод моментов принципиально применим в водородосодержащих сре-дах,и, кроме того, точность расчетов НДП при заданном шаге измерения потоков тепловых нейтронов по оси скважины существенно зависит от скорости поглощения тепловых нейтронов. Проведенные автором для однородной среды теоретические расчеты свидетельствуют, что при пятиточечной схеме измерений потоков с шагом 10 см относительная погрешность расчета времени жизни тепловых нейтронов по методу моментов может изменяться от 5 до 20 % в зависимости от длины переноса тепловых нейтронов. При измерениях на трех зондах реальная погрешность увеличивается в 1,5-2,5 раза, что не обеспечивает требуемую точность расчета содержаний петрогенных окислов в магнези-тах по предложенным технологиям ГИС. Для корректного решения обратной задачи ННК-Т обоснованы математические модели метода, подобные по структуре выше рассмотренным моделям ННК-НТ. В основу математических моделей положены распределения тепловых нейтронов в водородо- и неводородосодержащих горных породах по Резванову P.A., 1982. Искомые математические модели содержат два неизвестных НДП (время жизни т и длину миграции Lm тепловых нейтронов), пять постоянных коэффициентов, НДП скважинного флюида предполагаются известными. В этом случае расчет т и Lm может быть осуществлен по измерениям двух или более потоков тепловых нейтронов на разных расстояниях от источника нейтронов. Метрологическая настройка моделей и расчет констант осуществляются по результатам аттестации скважинной аппаратуры в стандартных образцах пластов с известными нейтронно-диффузионными параметрами. Исследования показали, что две константы, входящие в виде сомножителей в показатели экспонент, близки к теоретическим, остальные три определяют начальные амплитуды сигналов от пласта, скважины и корпуса прибора. Расчет постоянных коэффициентов осуществляется итерационным методом по минимуму расхождений расчетных и заданных НДП. В работе получены линеаризованные расчетные формулы для определения НДП для двух- и многозондовой модификаций ННК-Т.

Оценка эффективности и помехоустойчивости алгоритмов расчета НДП к изменению физико-геометрических факторов выполнена путем имитационного моделирования. По результатам решения обратной задачи относительности Lm отмечается удовлетворительная сходимость для всех сред и всех модификаций метода ННК-Т (рис. 2). Среднеквадратичные относительные расхождения расчетных и заданных НДП находятся в пределах 2-3 % и лишь в единичных случаях достигают 5-8 %. Величина указанных погрешностей соизмерима с погрешностями расчета НДП по программе "НЕРПА". Другими источниками ошибок могут быть недонасыщенность пластов плотности и некоторых физических моделей по нейтронному излучению, а также недоучет при расчетах НДП

Сопоставление исходных и расчетных значений длин миграций и времени жизни тепловых нейтронов водородосодержащих (Вс) и неводородосодержащих (Нв) физических моделей для двухзондовой (а,б) и многозондовой (в,г) модификаций ННК-НТ.

а)

2-г ННК-Т

50 40 "30

и

3.20

Е _|

10

« вс К1/К2=31/57 Л,.-' 'Лна Р1/К2=31/43; ' | ' ..•*"' .4______..•'* Л

.4

20 30 1.т исх, см

40

50

б)

г-г ннк-т

700 600 о500 т 400

о

=•300

I-

200 100

« ВС ЖЖ2=31/57 д не т/И2=31/43

[>- Л

.-й

100 200

300 400 500 Т исх, икс

600 700

в) Вс, ННК-Т 31,35,39,49,57

г) Вс ННК-Т 31,35,39,49,57

700

600 о 500 -

ж

т-400

О

0-зоо

1-

200

100.

100 200 300 400 500 600 700 Т исх, мкс

*

■ - —

Рис. 2.

микроэлементов, входящих в состав некоторых сред. По данным имитационного моделирования наибольшее влияние на точность расчета х оказывает изменение диаметра скважины. В водородосодержащих средах увеличение погрешности измерения диаметра скважины сопровождается ростом погрешности расчета т примерно на такую же величину. В неводородосодержащих средах влияние скважины усиливается в 2-2,5 раза. Менее критична к изменению диаметра скважины длина миграции. В водородосодержащих горных породах изменение диаметра скважины до 8 % приводит к погрешности расчета Ьт в пределах 0-1 % и резко возрастает в неводородосодержащих средах, где она достигает 2,5 % на 1 % изменения диаметра скважины. Изменение состава скважинного флюида и его нейтронных параметров (ту, Ьшу) в пределах 10 % слабо сказывается на точности расчета т и Ьш водородосодержащих пластов, составляя 0,1-0,5 % от абсолютных значений НДП.

По результатам имитационного моделирования влияния неточности установки длины зонда и статистических погрешностей обоснованы требования к технологии иссле-

дований и динамическим режимам измерений потоков тепловых нейтронов.

При известной длине замедления быстрых нейтронов расчет НДП возможен по од-нозондовому ННК-Т с использованием зависимости массовой длины замедления от массового коэффициента диффузии вида In (р Ls) = f[ln(p D)] [Якубсон К.И., Баренбаум A.A., 1981]. Для магнезитов Исмакаевского месторождения степень связи характеризуется коэффициентом корреляции г=0,98. Эта методика также обеспечивает удовлетворительную точность расчета времени жизни и длины миграции тепловых нейтронов. Уровень влияния рассмотренных выше мешающих факторов для нее сохраняется. Вместе с тем показания метода дополнительно зависят от плотности исследуемых горных пород. В работе приведены расчетные формулы и зависимости для погрешностей определения т и Lm для различных сочетаний Lm, Ls и т, позволяющие оценить помехоустойчивость методики в различных физико-геологических условиях.

В четвертой главе исследованы прикладные возможности и геологическая эффективность обоснованных технологий ГИС для количественного определения петрофизи-ческих свойств и петрохимического состава магнезитов Исмакаевского месторождения. В первом разделе главы рассмотрены особенности методики и техника работ по основным ядерногеофизическим методам каротажа: ГГК-С, ГГК-П, ННК-Т и ННК-НТ. В связи с необходимостью высокоточных измерений петрофизических параметров для ГГК-С предложена градуировка аппаратуры по опорным пластам параметрической скважины с проведением 2-3-кратных детализационных измерений по рудным пересечениям. За счет этого реальная погрешность измерения 2эф снижается до 0,15-0,17 отн. ед. Погрешность определения объемной плотности горных пород на уровне 2 % достигается по стандартной методике с предварительной поверкой приборов в ОСО и полевых калибраторах.

Метрологическая настройка аппаратуры ННК достигается по результатам измерений в параметрической скважине путем расчета постоянных коэффициентов для соответствующих математических моделей и их последующей корректировки по данным режимных измерений с периодичностью 1 раз в 2-3 месяца. В диссертации приводятся фактические материалы, показывающие, что при выполнении отмеченных выше требований среднеквадратичные расхождения петрофизических свойств по ГИС и керну составляют для эффективного атомного номера ±0,21 ед. ^эф= 10,2-14,5 ед.), для объемной плотности 0,04-0,06 г/см3 (р= 2,6-3,0 г/см3), длины миграции ±2,4 % при изменении Lm от 23 до 27 см, времени жизни тепловых нейтронов ±8,5 % в диапазоне изменения т от 700 до 1500 мкс. Несколько пониженная точность расчета величины т объясняется, главным образом, недоучетом при расчетах НДП по программе "НЕРПА" водородосо-держания, не определенного по химанализу проб параметрической скважины. По этой причине не представилось возможным непосредственно оценить эффективность метода ННК-НТ для прямых определений водородосодержания. Приближенная модель ННК-НТ построена, опираясь лишь на данные химанализа керна и оценочные данные о водородосодержании по ГГК-П, рассчитанные через объемную и минералогическую плотности магнезитов. Для 70 % сопоставляемых интервалов отмечается удовлетворитель-

ное согласие с полученной таким образом математической моделью ННК-НТ, которая может быть использована для прогнозной оценки водородосодержания магнезитов. С целью исключения водородосодержания на показания нейтрон-нейтронного каротажа по тепловым нейтронам для условий Исмакаевского месторождения изучены возможности ННК-Т с оптимальным зондом [Давыдов Ю.Б., 1994], являющегося инверсионным к изменению содержания рассеивающих элементов (водорода) и чувствительным к макроскопическому сечению поглощения (£а) горных пород. Для скважин диаметром 60-80 мм размер оптимального зонда составляет 20 см. Практической реализации этой методики на Исмакаевском месторождении способствует незначительная дифференциация магнезитов по длинам переноса надтепловых и тепловых нейтронов (Ls = 15±2 см , Lm = 25±2 см), небольшой диапазон изменения влагосодержания, практически постоянный диаметр скважин. Благодаря этому исходная математическая модель упрощается и может быть представлена линейной зависимостью типа N = а + Ьт. Использование этой методики позволило упростить технологию работ по методу ННК-Т и снизить среднеквадратичные расхождения по т до 4,6 % относительных.

Оценка эффективности технологий ГИС для количественного определения состава магнезитов проведена в 6-ти скважинах, пересекающих пласты магнезитов суммарной мощностью равной 850 м. В работе приведены примеры применения комплекса методов ГИС для оконтуривания пластов магнезитов, определения их границ, выделения прослоев вмещающих пород (доломитов, мергелей и др.). В общем случае положение пластов магнезитов в скважинах однозначно фиксируется повышенными скоростями счета тепловых нейтронов и рассеянной компоненты мягкого гамма-излучения. Для решения обратной задачи по данным измерений в параметрической скважине построены двухмерные номограммы раздельно для расчета содержаний окиси магния и кальция. Содержание суммы алюмосиликатных окислов определяется по уравнению баланса.

Результаты сопоставления геологического и ядерногеофизического опробования в отношении содержаний искомых компонент для двух технологий (ГГК-С + 2ННК-Т и ГГК-С + ННК-Т с оптимальным зондом) с данными статистической обработки представлены в таблице 1. По результатам массовых сопоставлений и анализа источников расхождений установлено:

- предложенные технологии ГИС обеспечивают количественное определение содержаний основных петрогенных окислов с абсолютными погрешностями для MgO ±0,9-1,1 %, СаО ±0,8-1,1 %и Si02 + А1203 ±1,4-1,9 % при мощности сопоставляемых интервалов равной 2,3-4,5 м;

- наилучшая сходимость геофизического и геологического видов опробования в отношении содержаний окислов достигается по комплексу ГГК-С и однозондового ННК-Т с оптимальным зондом и расчете искомых компонент по номограмме вида Р, = f (2эф, т);

- основными источниками расхождений данных ГИС и опробования по керну являются инструментальные и методические погрешности определения петрофизических параметров в условиях скважин, разная представительность геологического и геофизического видов опробования и ошибки в привязке данных по глубине.

Таблица 1

Результаты статистической обработки данных ГИС и химанализа керновых проб.

Окислы Кол-во сопоста- Кол-во прома- Средн. содерж. средн. мощ-ть Коэф. сист. Среднеквадратичные расхождения Коэф. корре-

влений хов по х.а. керна %/м по ГИС %/м . расх. Абс., % о™., % ляции

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Технология ГИС с применением ГГК-С + ННК-Т двухзондовый для усредненных интервалов мощностью 4.2 м

К^О 54 4 40.05 4.2 39.97 4.2 1.001 0.906 2.26 0.82

СаО 54 12 3.22 4.2 2.97 4.2 1.08 0.83 26.6 0.86

ЗЮ2+ АЬОз 54 10 7.46 4.2 7.46 4.2 1.00 1.42 19.1 0.65

Технология ГИС с применением ГГК-С и ННК-Т по интервалам мощностью > 4.0 м

М80 192 9 39.55 4.3 39.22 4.3 1.01 0.95 2.41 0.82

СаО 190 26 3.31 4.3 3.77 4.3 1.01 0.86 26.0 0.93

БЮ2+ А120з 190 24 6.67 4.3 6.67 4.3 1.00 1.44 21.64 0 67

Технология ГИС с применением ГГК-С и ННК-Т по интервалам геологического опробования средней мощностью 2.3 м

МёО 360 12 39 59 2.35 39.39 2.35 1.005 1.1 2.78 0 80

СаО 358 27 3.37 2.35 13 2.35 1.02 1.08 32.3 0 84

бю2+ А12Оз 358 22 6.75 2.35 7.09 2.35 0.96 1.87 27.32 0.63

Технология ГИС с применением ГГК-С и ННК-Т по номограмме Р1=/(1пЫггк-с, Ыннк-т) для интервалов геологического опробования

МсО 345 7 39.39 2.35 39.35 2.35 1.0 1.29 3.10 0.77

СаО 307 38 3.36 2.35 13 2.35 1.02 1.06 31.6 0.79

5Ю2+ А12Оз 307 32 6.75 2.35 6.98 2.35 0 97 1.82 26.55 0.64

Широкое применение разработанной технологии позволяет скорректировать геологические разрезы и дать предварительную оценку промышленной ценности магнезитов цля проведения выборочного геологического опробования по керну.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты исследований, полученные в процессе выполнения настоящей диссертационной работы, заключаются в следующем:

1. На основе изучения опубликованных и фондовых материалов о возможностях современных методов ГИС, анализа химического состава руд, выполненных расчетов и экспериментальных исследований, выявленных петрофизических зависимостей, применительно к магнезитам Исмакаевского месторождения установлена возможность принципиального решения задачи по определению в магнезитах содержаний основных петрогенных окислов с применением параметрических модификаций ядерногеофизических методов каротажа (ГГК-С, ННК, НАК).

2. Для прямых определений по данным ГИС нейтронных параметров магнезитовых руд, корреляционно связанных с их составом и водородосодержанием, на основе использования аксиоматического метода и известных распределений для тепловых и надтепло-вых нейтронов в однородных средах, обоснованы математические модели ННК-НТ и ННК-Т, допускающие корректное решение обратных задач относительно длины замедления, длины миграции и времени жизни, соответственно быстрых и тепловых нейтронов. По данным выполненных расчетов получены новые данные о возможностях стационарных модификаций методов ННК и их помехоустойчивости к влиянию различных физико-геометрических факторов в широком диапазоне изменения нейтронных параметров горных пород.

3. По результатам физического моделирования и измерений в реальных скважинах установлена возможность количественного определения нейтронных параметров горных пород с точностью, удовлетворяющей решению прикладных геологических задач. Величина среднеквадратичной относительной ошибки определения длины замедления в во-дородосодержащих средах не превышает 3 % и увеличивается в 2-3 раза для слаборассе-ивающих горных пород. Среднеквадратичные относительные расхождения расчетных значений длины миграции и времени жизни тепловых нейтронов находятся в пределах 2-5 % и обусловлены недоучетом влияния физико-геометрических факторов и ошибками, допущенными при расчете истинных НДП по макросоставу без учета содержаний элементов-примесей с аномально-поглощающими свойствами.

4. Проведена широкая апробация разработанной технологии ГИС в скважинах Исмакаевского месторождения, по результатам которой установлено, что предложенные технологии ГИС с применением методов ГГК-С и одно- или двухзондового ННК-Т обеспечивают количественное определение содержаний основных петрогенных окислов с абсолютными погрешностями для К^О ±0,9-1,1 %, СаО ±0,8-1,1 %, 8Ю2 + А1203 ±1,4-1,9 % при мощности сопоставляемых интервалов;равной 2,3 и 4,5 м.

Дальнейшее развитие технологии возможно на основе совершенствования методик измерения петрофизических параметров, улучшения метрологических характеристик скважинной аппаратуры и включения в комплекс ГИС других перспективных методов каротажа.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Кучурина O.E., Талалай А.Г. Теоретические основы новых алгоритмов решения обратной задачи стационарного нейтрон-нейтронного каротажа по надтепловым нейтронам. Сб. Техногенез и экология. Вып. 5. Екатеринбург, НТО "Горное", 1996, с. 126144.

2. Кучурина O.E. Влияние физико-геометрических факторов на точность определения длины замедления по данным ННК-НТ. Сб. Техногенез и экология. Вып. 5. Екатеринбург, НТО "Горное", 1996, с. 145-159.

3. Кучурина O.E. К вопросу определения водородосодержания и пористости горных пород по данным нейтрон-нейтронного каротажа/fecepoc. научно-практ. конф. молодых ученых и специалистов "Геофизика-97": Тез. докл.. С-Петербург, 1997, с. 54.

4. Кучурина O.E. Теоретическое обоснование и исследование новых технологий стационарного нейтрон-нейтронного каротажа по тепловым нейтронам.-Деп. в ВИНИТИ, 11.06.1996, № 1949В96, 15 с.

5. Кучурина O.E. Исследование методических возможностей ГИС и разработка технологий количественного определения содержаний окиси магния в магнезитах.-Деп. в ВИНИТИ, 11.06.1996, № 1950В96, 27 С.

6. Кучурин Е.С., Перелыгин В.Т., Кучурина O.E. Технологии комплексной оценки качества минерального сырья по данным ГИС и экспресс-опробования керна. //1 -й международный геофизический конгресс Казахстана. Тез. докл. Алма-Ата, 1995, с. 24.

7. Кучурин Е.С., Кучурина O.E., Мухамадиев P.C. Параметрический нейтрон-нейтронный каротаж по тепловым нейтронам. Сб. статей. Уфа, Башгеолком, 1997, с. 27-41

Соискатель

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Кучурина, Ольга Евгеньевна, Екатеринбург

У

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ УРАЛЬСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ

на правах рукописи

КУЧУРИНА ОЛЬГА ЕВГЕНЬЕВНА

ТЕХНОЛОГИЯ ОЦЕНКИ СОСТАВА МАГНЕЗИТОВЫХ

РУД В СКВАЖИНАХ.

' \

Специальность 04.00.12 - Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных

ископаемых

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель -член-корреспондент РИА, профессор Давыдов Ю.Б.

Екатеринбург - 1997

Содержание

ВВЕДЕНИЕ.................................................5

1. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЯДЕРНО-ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДЛЯ КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА И ПЕТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАГНЕЗИТОВЫХ РУД В УСЛОВИЯХ СКВАЖИН..............12

1.1. Геологическое строение, вещественный состав и требования промышленности к качеству магнезитовых руд Исмакаевского месторождения..................12

1.2. Анализ современного состояния и обоснование оптимальной технологии ГИС для оценки состава магнезитовых руд. ........ .....................17

1.2.1. Гамма-гамма-каротаж......... .....................18

1.2.2. Нейтронный активационный каротаж.....................30

1.2.3. Нейтрон-нейтронный каротаж.........................36

1.2.4. Исследование возможностей технологии оценки состава магнезитового сырья по комплексу методов ГТК-П, ГГК-С, НАК-ОД1 и ННК-Т, НТ......44

1.2.5. Исследование возможностей определения элементного состава магнезитов по данным рентгеноспектрального метода......................62

Выводы.................................................65

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ НОВЫХ АЛГОРИТМОВ РЕШЕНИЯ ОБРАТНОЙ ЗАДАЧИ СТАЦИОНАРНОГО НЕЙТРОН-НЕЙТРОННОГО КАРОТАЖА ПО НАДТЕПЛОВЫМ НЕЙТРОНАМ.................................. 69

2.1. Теоретическое обоснование математической модели ННК-НТ для системы "скажина-пласт"........................................72

2.2. Исследование помехоустойчивости алгоритмов решения обратной задачи ННК-НТ по экспериментальным данным............................... 85

2.2.1. Конструкция, состав физических моделей и методика моделирования. . . 85

2.2.2. Результаты математического моделирования и исследование помехоустойчивости решения обратной задачи для однозондовой модификации ННК-НТ. . 100

2.2.3. Исследование чувствительности однозондовой модификации метода ННК-НТ.........................................118

2.2.4. Результаты математического моделирования и исследование помехоустойчивости решения обратной задачи для двухзондовой и многозондовой модификации ННК-НТ.....................................129

Выводы. ...............................................140

3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ НОВЫХ АЛГОРИТМОВ РЕШЕНИЯ ОБРАТНОЙ ЗАДАЧИ СТАЦИОНАРНОГО НЕЙТРОН-НЕЙТРОННОГО КАРОТАЖА ПО ТЕПЛОВЫМ НЕЙТРОНАМ.....................................143

3.1. Теоретическое обоснование математических моделей ННК-Т для системы "скважина - пласт".......................................149

3.2. Исследование эффективности и помехоустойчивости решения обратных задач стационарного ННК-Т......................................159

3.2.1. Исследование эффективности и помехоустойчивости алгоритмов расчета НДП для двух- и многозондовой модификаций ННК-Т..............161

3.2.2. Исследование эффективности и помехоустойчивости алгоритмов расчета НДП по однозондовому ННК-Т............................174

Выводы.................................................180

геских методов ГИС для количес ров горных пород.........

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

230

Введение.

Одной из важнейших задач на этапе разведки месторождений магнезитов является изучение вещественного состава и технологических сортов разведываемого минерального сырья. В настоящее время решение ее достигается на основе проходки скважин, позволяющих отобрать необходимое количество керновых проб для последующего анализа. Недостатком традиционной технологии является высокая стоимость работ, а также негарантированная надежность результатов при невозможности получения высокого выхода керна или его ограниченной представительности. Повысить достоверность решения геологических задач на современном этапе возможно за счет количественной оценки состава разведываемого сырья на основе включения в комплекс геологоразведочных работ высокопроизводительных геофизических методов. Такие комплексные геолого-геофизические технологии разработаны и успешно используются при разведке месторождений черных и цветных металлов, энергетического сырья, редкометальных руд и др. ( Булашевич Ю.П., Возжеников Г.С., Уткин В.И., Давыдов Ю.Б., Бахтерев В.В., Крапи-вский Е.И., Очкур А.П., Леман Е.П., Мейер В.А., Большаков Ю.А., Пшеничный A.A., Каранико-ло В.Ф., Зив JI.A., Постельников А.Ф. и др.). С высокой эффективностью методы ГИС используются для оценки качества минерального сырья некоторых нерудных месторождений: флюорита, барита, калийных солей, фосфоритов, апатитов (Филиппов Е.М., Кошелев И.П., Красноперое В.А., Старцев Ю.С., Арцыбашев В.А., Шишакин О.В., Камышев Б.С., . Шафаренко В.А., Шварцман М.М., Бардовский В.Я., Собачкин Б.К. и др.). Однако, для месторождений магнезитов, равно как для целой группы других нерудных месторождений (флюсовых известняков, доломитов, огнеупорных глин и др.) возможности геофизических методов исследованы слабо или совсем не изучались. Сложившееся положение отчасти объясняется недостаточным вниманием к этой группе месторождений специалистов-геофизиков и как следствие этого - отсутствием системных исследований по данному направлению. Второй причиной является сложность зада-

чи, обусловленная необходимостью количественного определения по ГИС по крайней мере 3-4 петрогенных окислов (М^О, СаО, 8102, АЬОз) и 2-3 петрофизических параметров (плотности, влажности, объемной массы руды) с точностью удовлетворяющей требованиям геологической разведки. Совершенно очевидно, что применение для решения этой задачи типовых комплексов ГИС без глубокого петрофизического обеспечения методов, оптимизации их состава и разработки единой технологии исследований скважин оказывалось малоэффективным.

При разведке магнезитовых месторождений, в частности, по данным типового комплекса методов (КС, ГК, ГТК) в лучшем случае представляется возможным выделение границ отдельных пластов, характеризующихся контрастными физическими свойствами по отношению к вмещающим породам. При этом однозначное выделение кондиционных пластов магнезитов, достигаемое только по соотношению содержаний основных петрогенных окислов, по данным применяемого комплекса ГИС не обеспечивается.

В связи с отмеченным разработка эффективной геолого-геофизической технологии для изучения состава магнезитовых руд в условиях скважин представляется своевременной и весьма актуальной задачей.

Ее решение в рамках диссертационной работы достигнуто на основе анализа химического состава магнезитового сырья, установления зависимостей между элементным составом и физическими свойствами магнезитов, обоснования оптимального комплекса ГИС и требований к точности определения физических параметров горных пород, разработки для отдельных методов ГИС интерпретационных математических моделей, обеспечивающих корректное решение обратных задач для условий скважин и создания единой технологии ГИС для комплексного изучения магнезитов с количественным определением содержания основных окислов и ядерно-петрофизических параметров.

Целью работы является разработка научно-методических основ технологии комплексной оценки состава магнезитов на основе применения ядерно-геофизических методов каротажа.

Основные задачи работы. Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

- Исследовать закономерности изменения ядернопетрофизических свойств магнезитов в зависимости от их химического состава, проанализировать возможности современных ядерно-геофизических методов для количественных определений содержаний петрогенных элементов и ядерно-петрофизических свойств, сформулировать требования к точности измерения искомых параметров в условиях скважины.

- Обосновать и исследовать возможности различных технологий ГИС для количественного определения в магнезитах содержаний основных петрохимических окислов (М§0, СаО, БЮг + А1203).

- Обосновать математические модели пространственного распределения надтепловых и тепловых нейтронов в исследуемых средах с учетом конструкции измерительного прибора, заполнения и диаметра скважины и исследовать помехоустойчивость решения обратных задач для количественных определений нейтронно-замедляющих (Ьэ) и нейтронно-диффузионных (1Д Б, х) параметров горных пород по данным одно- и многозондовых модификаций стационарного нейтрон-нейтронного каротажа по тепловым (ННК-Т) и надтепловым (ННК-НТ) нейтронам.

- Исследовать реальные возможности стационарных модификаций нейтрон-нейтронного каротажа для количественных определений длин переноса (Ьб, Ьс1), времени жизни (т) и коэффициента диффузии (Б) тепловых нейтронов в условиях скважин.

- На примере Исмакаевского месторождения магнезитов путем сопоставления с данными геологического опробования оценить эффективность применения разработанной технологии для количественного определения содержания окиси магния (М^О), окиси кальция (СаО), суммы содержаний алюмосиликатов (БЮг + АЬОз) и объемной плотности горных пород.

Научная новизна. Впервые для месторождений магнезитов предложена технология геофизических исследований скважин, обеспечивающая комплексное изучение разведываемых пластов

с количественным определением содержаний окиси магния окиси кальция (СаО), суммы

алюмосиликатов (8Юг + АЬОз) и объемной плотности. В результате проведенных исследований:

- установлено существование тесных корреляционных связей между содержанием в магнезитах основных петрогенных окислов и ядернопетрофизическими параметрами (эффективным атомным номером, временем жизни тепловых нейтронов и плотностью магнезитов).

- предложены графические способы определения состава магнезитов по 2-х и 3-х мерным номограммам с использованием данных измерений по комплексу ядерногеофизических методов: селективного гамма-гамма-каротажа, параметрического нейтрон-нейтронного каротажа по тепловым нейтронам и нейтронного активационного каротажа по изотопу алюминий - 28.

- обоснованы математические модели пространственного распределения надтепловых и тепловых нейтронов для условий реальных скважин, допускающие корректное решение обратных задач одно- и многозондовых модификаций стационарного нейтронного каротажа относительно длины замедления (Ьз) быстрых нейтронов, длины миграции (Ьт), времени жизни (т) и коэффициента диффузии тепловых нейтронов.

- на фактическом материале доказана высокая эффективность технологии ГИС для комплексной оценки состава магнезитов с погрешностью определения основного окисла (М^О) сопоставимой с геологическим опробованием керна.

Практическая ценность работы заключается в использовании разработанной технологии для количественного определения петрохимического состава магнезитов Исмакаевского месторождения с абсолютными среднеквадратичными погрешностями для окиси магния ±0,9 %, окиси кальция ±0,8 %, суммы окислов кремния и алюминия ±1,4 %, а также минералогической и объемной плотности магнезитов с относительными среднеквадратичным погрешностями равными, соответственно ±0,5 % и ±2,0 %. Результаты выполненных исследований при соответствующем петрофизическом обеспечении отчасти могут быть использованы также для оценки состава и

качественных показателей других видов нерудного горно-металлургического сырья: флюсовых известняков, доломитов, формовочных материалов, огнеупорных глин и др.

Апробация работы и использование ее результатов в промышленности. Достоверность разработанной технологии подтверждена результатами скважинных исследований в интервалах залегания магнезитовых пластов Исмакаевского месторождения суммарной мощностью 850 м (6 скважин). Данные математического моделирования по количественному определению нейтрон-но-замедляющих и нейтронно-диффузионных параметров заверены результатами измерений в стандартных образцах пластов известного химического состава, аттестованных по пористости и плотности, а также результатами сопоставлений по скважинам путем расчета нейтронных параметров по известному химическому составу и плотности. Достоверность определения эффективного атомного номера и объемной плотности горных пород обеспечивалась применением для измерений метрологически аттестованной аппаратуры типа ГГК-ПС-36/42. По результатам выполненных исследований разработан проект методических рекомендаций переданный в государственный комитет по геологии и охране недр Республики Башкортостан для практического использования. Непосредственное применение результаты исследований нашли в практике работ АО 1111 "Башкиргеология" при каротаже скважин Исмакаевского месторождения магнезита. Расчетный экономический эффект от применения разработанной технологии в ценах 1990 года составляет 5-10 тысяч рублей на одну скважину.

Разработанные алгоритмы решения обратных задач стационарного ННК-Т и ННК-НТ включены в комплекс математического обеспечения многозондовой программно-управляемой аппаратуры, разрабатываемой в АО НПП "ВНИИГИС".

Результаты исследований автора изложены в двух отчетах по НИР. Содержание диссертацш неоднократно докладывалось на общероссийских и зональных конференциях и совещаниях, ; также на заседаниях кафедры прикладной геофизики Уральской государственной горно

геологической академии.

Публикации. По теме диссертации опубликовано семь статей и тезисов докладов, подготовлено и направлено в Тоскомизобретений" четыре заявки на предполагаемые изобретения.

Исходные материалы и личный вклад в решение задачи. Диссертационная работа базируется на результатах теоретических и экспериментальных исследований проведенных автором на кафедре прикладной геофизики УГГГА за время учебы в очной аспирантуре, результатах физического моделирования и скважинных исследований, выполненных совместно с АО НПП "ВНИИГИС".

Личный вклад автора состоит: в создании петрофизического обеспечения для всех ядерно-геофизических методов, включенных в технологию ГИС для оценки состава магнезитов; разработке номографических способов решения обратных задач по определению содержаний петро-генных окислов в магнезитах; разработке математических моделей пространственного распределения тепловых и надтепловых нейтронов для условий реальной скважины и исследовании помехоустойчивости алгоритмов расчета нейтронно-замедляющих и нейтронно-диффузионных параметров горных пород в водородо- и неводородосодержащих средах; участии в проведении ОМР в скважинах Исмакаевского месторождения магнезитов, первичной обработке материалов ГИС и расчетах петрофизических параметров по комплексу ядерногеофизических методов; анализе результатов опробации технологии ГИС на основе статистической обработки и сопоставления данных ГИС и геологического опробования керна; разработке проекта методических рекомендаций для практического внедрения предложенной технологии ГИС.

Автор защищает:

- Технологию оценки состава магнезитов в условиях скважин на основе комплексного применения селективного и плотностного гамма-гамма-каротажа и параметрического нейтрон-нейтронного каротажа по тепловым и надтепловым нейтронам, обеспечивающую количественное определение содержаний окислов магния, кальция и суммы алюмосиликатов с абсолютны-

ми среднеквадратичными погрешностями равными, соответственно, ±0,9; ±0,8 и ±1,4 %.

- Математические модели пространственного распределения потоков тепловых и над-тепловых нейтронов для условий реальных скважин, полученные на основе использования аксиоматического метода и известных распределений потоков в однородных средах, допускающие корректное решение обратных задач одно- и многозондовых модификаций стационарного нейтрон-нейтронного каротажа относительно длины замедления быстрых нейтронов, длины миграции, времени жизни и коэффициента диффузии тепловых нейтронов в водородо- и неводородосодержащих слабопоглощающих средах.

Автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю признательность научному руководителю, члену-корреспонденту ИА РФ, доктору физико-математических наук, профессору Ю.Б. Давыдову за выбор темы исследований, консультации и требовательное внимание на протяжении всей работы.

При выполнении исследований большую помощь полезными советами и критическими замечаниями оказывали сотрудники кафедр прикладной геофизики и геоинформатики: проф. Возжеников Г.С., проф. Сковородников И.Г., доц. Игумнов С.А., доц. Тала-лай А.Г., доц. Бреднев И.И. и др. Большое содействие и помощь в проведении физического моделирования и ОМР оказана сотрудниками АО НПП "ВНИИГИС" и АО ГП