Скважинная магнитометрия при исследовании сверхглубоких и глубоких скважин

Актуальность проблемы.

Исследование сверхглубоких скважин является единственным способом непосредственного изучения магнитного поля, магнитной восприимчивости и намагниченности пород глубинных горизонтов земной коры в реальных термодинамических условиях, что полностью отвечает важнейшей научной проблеме комплексного изучения строения и состава глубинных зон земной коры.

Скважинная магнитометрия, включающая измерение магнитной восприимчивости и магнитного поля, применяется в сверхглубоких скважинах с 1973 года. Создание новых способов и методик интерпретации магнитных полей позволило эффективно решить сложные геологические задачи и перейти от качественного истолкования измеренных магнитных параметров к их количественному анализу. Разработка магнитометровинклинометров, способных с высокой точностью проводить одновременно и непрерывно измерение магнитного поля, магнитной восприимчивости, магнитного азимута и зенитного угла скважины повысила возможности метода при исследовании слабомагнитных разрезов глубоких и сверхглубоких скважин.

Скважинная магнитометрия проведена в Кольской СГ — 3, Криворожской СГ-8, Уральской СГ-4, Мурунтауской СГ-10, Саатлинской СГ-1, Тимано-Печорской СГ-5, Колвинской, Воротиловской, Тюменской СГ-6, НовоЕлховской, Тырныаузской сверхглубоких скважинах. Это обеспечило получение ценной информации об особенностях магнитного поля и магнитной восприимчивости, а также намагниченности различных геоблоков земной коры на Восточно — Европейской и Западно-Сибирской платформах, Балтийском и Украинском кристаллических щитах, Уральской и Кавказской складчатых областях, а также и в широком стратиграфическом диапазоне от кайнозоя до архея.

Магнитометрические исследования сверхглубоких и глубоких скважин осуществлялись коллективом сотрудников лаборатории скважинной магнитометрии Института геофизики УрО РАН под руководством профессора, доктора геолого-минералогических наук В. Н. Пономарева с аппаратурой, разработанной и изготовленной этим же коллективом.

Актуальность работы определяется необходимостью литологического расчленения горных пород, вскрытых сверхглубокими скважинами, на основе дифференциации их магнитных параметровопределения природы магнитной восприимчивости и намагниченности горных пород в их естественном залеганиинеобходимостью непрерывного контроля за техническим состоянием ствола скважинразработкой новых способов интерпретации наблюденных магнитных аномалий для решения геологических задач. Сверхглубокие скважины — это уникальная лаборатория, так как исследуются неизвестные горизонты пород и их ч физические свойства, и, поэтому актуальность таких работ не вызывает сомнений.

Диссертационная работа выполнена в лаборатории скважинной магнитометрии Института геофизики УрО РАН в соответствии с заданием 03.03.12И проблемы 0.50.01 ГКНТ СССР и распоряжением Президиума АН СССР № 10 103−598 от 2.0.1986.

Цель работы: решение крупной научной проблемы исследования поведения магнитных свойств пород в естественном залегании в условиях высоких температур и давленийвыявление связей между магнитными параметрами и петрографическими разновидностями горных пород при различных условиях их залеганиясоздание на этой основе новых способов и методик интерпретации для решения геологических и технологических задач.

Задачи исследований :

1. Изучить особенности намагниченности горных пород в естественном залегании на больших глубинах в условиях сверхглубоких и глубоких скважин;

2. Создать эффективную методику расчета магнитного поля геологических объектов с неоднородной намагниченностью в скважинах;

3. Разработать методы определения намагниченности пород в естественном залегании по измеренному в скважинах внутреннему магнитному полю и магнитной восприимчивости;

4. Предложить и научно обосновать новые, более эффективные способы и методики измерения, обработки и интерпретации магнитных полей;

5. Применить разработанные методики для решения геологических задач и технологических задач, показать достоверность полученных результатов и эффективность их практического использования.

Научная новизна.

1. Впервые, на основе разработанных способов и методик интерпретации, получены уникальные материалы по исследованию магнитного поля и магнитной восприимчивости в условиях высоких температур и давлений до глубины 12 км в различных геологических условиях и широком стратиграфическом диапазона от кайнозоя до архея.

2. Впервые дан полный анализ результатов магнитометрических исследований и определен круг геологических и технологических задач, оптимально решаемых методом скважинной магнитометрии при изучении сверхглубоких скважин: литологическое расчленение разрезаопределение элементов залегания магнитных тел, вскрытых сверхглубокими скважинамиопределение величины и знака полной и естественной остаточной намагниченности горных пород в естественном залеганииоценка типа магнитной минерализацииизучение взаимосвязи магнитных характеристик с петрографическими разновидностями породсопоставление и корреляция породопределение их пространственного положениявыделение зон инверсий магнитного поля по разрезу скважинисследование градиентов магнитного поля с глубинойобнаружение и определение местоположения металлических предметов в околоскважинном пространстве сверхглубоких скважин.

3. Разработан метод математического моделирования внутреннего магнитного поля неоднородно намагниченных тел произвольной формы, позволяющий проводить моделирование реально измеряемого в скважинах магнитного поля.

4. Впервые разработаны эффективные способы определения неоднородной намагниченности горных пород в естественном залегании по измеренному в скважине внутреннему магнитному полю и магнитной восприимчивости .

5. Установлены особенности распределения намагниченности пород в естественном залегании с глубиной, величина и знак полной J и естественной остаточной намагниченности Jn пород, вскрытых сверхглубокими скважинами, что дает основание использовать эти параметры для геологического истолковании наблюденного как внутреннего, так и внешнего магнитного поля.

7. Установлен комплекс признаков для корреляции пород по магнитным характеристикам, применение которого позволяет строить достоверные геолого-геофизические разрезы околоскважинного пространства сверхглубоких скважин.

8. Предложена методика изучения типов сульфидной минерализации методом скважинной магнитометрии с использованием искусственного подмагничивания пород.

Основные защищаемые положения.

1. Разработаны эффективные способы определения неоднородной намагниченности горных пород в естественном залегании по измеренному в скважине магнитному полю и магнитной восприимчивости. В качестве аппроксимационных классов модельных тел рассмотрена совокупность цилиндрических слоев и тонких призм. Для описания магнитной среды используется различная детальность представления объектов в ближней и дальней зонах. Моделирование внутреннего магнитного поля в скважине и определение полной, индуктивной и остаточной намагниченности позволили впервые установить особенности намагниченности пород при различных условиях их залегания.

2. На основе новых методов интерпретации разработана методика литолого-стратиграфического расчленения разрезов сверхглубоких и глубоких скважин, отражающих изменение петрофизических характеристик с глубиной, возрастом, литологическим составом пород, типом и распределением магнитной минерализацииразработана методика корреляции магнитных пород для построения объемных геолого-геофизических моделей околоскважинного пространства. Результаты исследований подтверждают высокую геологическую эффективность скважинной магнитометрии, показывают её роль и место в комплексе ГИС.

3. Впервые по 11 сверхглубоким скважинам выполнена систематизация и сделан анализ результатов магнитометрических исследований, что является основой изучения строения и развития континентальной земной коры в комплексе с другими геолого-геофизическими исследованиями. Получены новые данные о природе магнитных аномалий, намагниченности и магнитной восприимчивости пород в естественном залегании до глубины 12 000 м, имеющие принципиальное научное и прикладное значение. Непосредственное изучение магнитного поля и магнитной восприимчивости пород глубинных зон земной коры позволяет совместно с петромагнитными исследованиями исследовать намагниченность пород различных геоструктур в широком стратиграфическом диапазоне от кайнозоя до архея.

Достоверность научных положений и выводов.

Основные результаты исследований магнитного поля сверхглубоких скважин и разработанная методика интерпретации проанализированы и проверены на теоретических и практических примерах, подтверждены и дополнены данными геологических, петрофизических и палеомагнитных исследований пород, успешно апробированы на международных и всесоюзных научных симпозиумах и конференциях. Результаты исследований положены в основу работ, выполняемых автором в рамах проекта № 408 ЮНЕСКО и проекта ИНТАС № INTAS-2001;0314.

Практическая ценность проведенных исследований состоит в том, что разработанные автором новые методики интерпретации результатов скважинной магнитометрии создали реальную основу для усовершенствования современных методов ГИС, позволили получить уникальные материалы по распределению магнитного поля и магнитной восприимчивости с глубиной. Разработанные автором алгоритмы решения прямой и обратной задачи магниторазведки для неоднородно намагниченных тел произвольной формы позволили по данным скважинной магнитометрии определить полную и естественную намагниченности горных пород, а также фактор Кенигсбергера в естественном залегании.

Внедрение метода скважинной магнитометрии в комплекс ГИС при исследованиях сверхглубоких скважин позволяет повысить качество результатов геологоразведочных работ: повышается оперативность исследований, увеличивается точность и достоверность результатов, снижается стоимость каротажа.

Реализация работы.

При непосредственном участии автора результаты исследований, а также разработанная методика обработки и интерпретации внедрены по программе 0.50.01 в ряде производственных и научно-исследовательских организаций России и странах бывшего Советского Союза, занимающихся изучением сверхглубоких скважин. Результаты исследований автора входят в международную программу по проекту ЮНЕСКО и проекту ИНТАС по исследованию сверхглубоких скважин. Алгоритмы успешно опробованы на практических примерах и внедрены в ряде научных и производственных организаций. Результаты, полученные диссертантом, включены в Справочник геофизика «Магниторазведка», 1990 г. и в монографию «Геологическое строение и нефтегазоносность глубокозалегающих отложений Тимано-Печорской нефтегазовой провинции» (авторы: Евлахов Ю. А., Горбачев В. И., Карасева Т. В. и др.,)2000 г.

Исходные материалы и личный вклад автора.

В основу диссертационной работы положены результаты исследований, выполненных в рамках госбюджетных НИР в 1980;2000 гг., по исследованию сверхглубоких и глубоких скважин в Институте геофизики УрО РАН, в которых автор была руководителем и ответственным исполнителем.

Личный вклад автора в получении основных результатов состоит:

В постановке задач исследований, выборе путей их решения и анализе результатовв постановке прямой и обратной задачи по определению неоднородной намагниченности горных пород в естественном залегании, их решении и анализев разработке методических и технико-технологических аспектов магнитометрических исследований глубоких и сверхглубоких скважин, в непосредственном участии при выполнении магнитометрических исследований глубоких и сверхглубоких скважин.

Материалы получены лично автором с использованием аппаратуры, разработанной в лаборатории скважинной магнитометрии Института геофизики УрО РАН. Большинство материалов, вошедших в диссертацию, отражены в отчетах по НИР, статьях, тезисах, 2 авторских свидетельствах. 42 статей и тезисов написаны одним автором, 31 в соавторстве. В совместных работах автору принадлежит: постановка и реализация задач, выбор направлений исследований и методов их решения, анализ и интерпретация полученных данных, а также формулировка выводов, получение фактических данных. На все опубликованные в соавторстве работы Г. В. Иголкина имеет равные права со всеми соавторами.

Для анализа и построения геолого-геофизических разрезов были использованы фондовые геологические и геофизические материалы геологоразведочных экспедиций сверхглубокого бурения .

Вклад автора в разработку научных положений, выдвигаемых на защиту, является основным.

Апробация работ.

Основные положения работы докладывались на Международных и Всесоюзных научных симпозиумах и конференциях: региональной научно-практической конференции «Геология и полезные ископаемые Урала» (Свердловск, 1983)-Всесоюзной конференции «Геология и нефтегазоносность Красноярского края» (Красноярск, 1983) — региональной научнопрактической конференции «Совершенствование геолого — разведочных работ, технологии и техники добычи и переработки полезных ископаемых на Урале «, (Свердловск, 1984)-Всесоюзной школе «Применение геологических и геофизических методов в геологии «(Иркутск, 1985) — Всесоюзной конференции «Применение математических методов и ЭВМ при обработке информации на геолого-разведочных работах"(Свердловск, 1985) — Всесоюзной конференции «Алгоритмы, методика и результаты интерпретации геофизических данных"(Киев, 1985) — 111 и IV Всесоюзном съезде по геомагнетизму (Киев, 1986, Владимир

Су зд ал ь, 1991) -Международ ной конференции «Сверхглубокое континентальное бурение и глубинные геофизические исследования» (Ярославль, 1988) — «Геофизические работы при региональных и геологосъемочных исследованиях на Урале"(Свердловск, 1989) — Международной конференции и выставке SEGEAGO (MocKBa, 1993,1997) — VII Th International Symposium on the Observation of the Continental Crust Through Drilling (Santa Fe, New Mexico, USA, 1994) — 20th General Assembly of European Geophysical Society (Hamburg, 1995) — совещании «Научное бурение в России, Тюменская сверхглубокая скважина» (Пермь, 1995) — XXI General Assembly of IUGG, Scientific Program GA 5.19 (1995, Boulder Colorado, USA) — научно — практической конференции «Глубинное строение и развитие Урала» (Екатеринбург, 1996)-Международной конференции «Закономерности эволюции земной коры» (Санкт-Петербург, 1996) — Международной конференции"Теория и практика геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей"(Воронеж, 1996) — VI Уральском петрографическом совещании «Магматизм, метаморфизм и глубинное строение Урала"(Екатеринбург, 1997) — Международной конференции «Геофизические методы изучения земной коры «(Новосибирск, 1998)-Международной конференции и выставке по геофизическим исследованиям скважин,(Москва, 1998)-Международном геофизическом конгрессе Казахстана (Алматы, 1998) — Международной конференции «Проблемы геодинамики, сейсмичности и минералогении подвижных поясов и платформенных областей литосферы"(Екатеринбург, 1998) — Международном совещании «Сравнение состава, структуры и физических свойств пород и минералов по разрезу Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3) и их гомологов на земной поверхности «(Заполярный — Апатиты, 1998,1999) — научно-практической конференции «Пути развития и повышения эффективности электрических и электромагнитных методов изучения нефтегазовых скважин» (Новосибирск, 1999) — Международном семинаре «Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей" — (Екатеринбург, 1999,2001) — Региональной конференции геологов европейской территории России и Урала (Екатеринбург, 2000) — Всероссийской научно-практической конференции «Критерии оценки нефтегазоносности ниже промышленно освоенных глубин и определение приоритетных направлений геологоразведочных работ «(Пермь, 2000)-Международной геофизической конференции «300 лет горно-геологической службе России^{Санкт-Петербург,} 2000)-Пленарных совещаниях по проекту № 408 Международной программы по геологической корреляции ЮНЕСКО (Апатиты, Заполярный, Виндишесшенбах, 1999,2000,2001)-Всероссийском совещании по бурению сверхглубоких и глубоких параметрических скважин (Ярославль, 2001).

В период 1980;2001 годов отдельные положения диссертации многократно докладывались на Ученом совете в Институте геофизики УрО РАН.

Публикации.

По теме диссертации опубликованы самостоятельно и в соавторстве 74 печатные работы, получено 2 авторских свидетельства.

Материалы диссертации представлены в 10 научнотехнических отчетах.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы, содержит страниц текста, 109 рисунков, 15 таблиц, списка литературы из 230 наименований.

Выводы.

1. Результаты изучения Уральской СГ-4 еще раз подтверждают вывод о необходимости магнитометрических исследований в обязательном комплексе ГИС при исследовании сверхглубоких скважин.

2. Проведено литологическое расчленение разреза скважины: установлены мощности и границы магнитных пластов .

2. Оценены магнитные свойства пород в естественном залегании и их изменение с глубиной по разрезу скважины: магнитная восприимчивость пород, величина и знак магнитного поля, величина и знак намагниченности пород и тип магнитной минерализации.

3. Изучена взаимосвязь магнитных свойств туфов и туффитов с их структурно-текстурными особенностями, а также с расслоенностью мощных интрузий, вскрытых скважиной.

4. Установлено увеличение пирротиновой минерализации с глубиной, которая по данным магнитометрических исследований встречена в интервалах: 2597 — 3770 м, 4385 -4609 м, 4670 — 5000 м, представленных переслаиванием туфов, туффитов, туфопесчаников, туфоалевролитов, что хорошо согласуется с нарастанием степени метаморфизма с глубиной .

5. Определено пространственное положение подсеченных скважиной магнитных тел, вычислены элементы их залегания.

6. Построены корреляционные геолого-геофизические разрезы по опережающему и основному стволам скважины.

7. Установлено, что зоны трещиноватости и дробления, подсеченные скважиной на глубинах 580 — 620 м, 1470 -1500 м, 1792,8 — 1800,6 м, 2495 -2505 м, 3480 -3560 м с разной степенью трещиноватости пород, хорошо выделяются по магнитным свойствам, дифференцированность которых связана с разными физико-геологическими условиями формирования интрузий и даек, с режимом тектонической обстановки и т. д.

6.12. СОПОСТАВЛЕНИЕ И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ.

Исследованные научные глубокие и сверхглубокие скважины, пробуренные на древних щитах (Кольская, Воротиловская, Криворожская, Ново — Елховская), в разновозрастных складчатых сооружениях (Уральская, Мурунтауская, Тырныаузская, Саатлинская), в чехлах древних (Колвинская, Тимано — Печорская) и молодых платформ (Тюменская СГ-6), играют большую роль в изучении геологического строения конкретного региона и выборе для него оптимальной стратегии поисков месторождений как руд, так и, особенно, глубокопогруженных месторождений нефти и газа.

Получение новых данных об особенностях магнитного поля и магнитной восприимчивости, а также намагниченности геоблоков земной коры позволяет сделать некоторые представления о природе магнитных аномалий исследуемого района, т.к. только накопление фактической информации по результатам глубокого и сверхглубокого бурения позволяет объективно оценить строение и развитие континентальной коры в комплексе с другими геолого-геофизическими исследованиями.

В настоящей работе впервые по 11 сверхглубоким и глубоким скважинам выполнена систематизация и анализ результатов магнитометрических исследований, выполненных в период с 1973 года по 2002 год (табл.6.5.).

Во всех исследованных скважинах проведено расчленение разреза скважин по магнитным свойствам, выделены зоны магнитной минерализации. Определено, что магнитные свойства вскрытых литологических разностей обусловлены наличием в породах магнетита, титаномагнетита, ильменита, пирротина. Породы сильно дифференцированы по магнитным свойствам. Дифференцированность аномалий магнитного поля и магнитной восприимчивости связана с неоднородным содержанием магнитного минерала, его разновидностью, наличием зон трещиноватости .

Установлено, что магнитные аномалии, как правило, приурочены к контактам различных геологических свит и к тектоническим ослабленным зонам, и связаны с проявлением по ним магнитной минерализации (Кольская, Ново-Елховская, Криворожская, Воротиловская, Уральская, Мурунтауская скважины) .

Определение элементов залегания магнитных пород, идентификация и корреляция литологических разностей позволили уточнить геологогеофизический разрез и повысить достоверность пространственной модели околоскважинного пространства, показать эффективность скважинной магнитометрии для исследования геологического строения района Кольской, Уральской, Криворожской, Тимано-Печорской, Мурунтауской сверхглубоких скважин. Так, например, установлено, что магнитные аномалии в трех стволах Кольской сверхглубокой скважины СГ-3 в интервале 9500- 11 580 м связаны с пластами железистых кварцитов, а величина аномалий которых достигает 14 000 нТл.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Магнитометрические исследования Кольской, Криворожской, Уральской, Мурунтауской, Саатлинской, Тимано — Печорской, Колвинской, Воротиловской, Тюменской, Ново-Елховской, Тырныаузской сверхглубоких скважин позволили получить новые данные о магнитных полях, намагниченности и магнитной восприимчивости пород на больших глубинах в естественном залегании .

2. При проведении исследований разработаны эффективные методы решения прямой и обратной задачи скважинной магнитометрии с целью определения неоднородной намагниченности горных пород в естественном залегании по измеренному в скважине внутреннему магнитному полю и магнитной восприимчивости. Достоверность алгоритмов подтверждается сопоставлением рассчитанных значений намагниченности по результатам измерений в скважине с определением намагниченности по керну, сопоставлением экспериментальных и рассчитанных значений внутреннего магнитного поля.

3. Выполнены расчеты полной намагниченности, индуктивной намагниченности, естественной остаточной намагниченности, а также фактора Кенигсбергера Q горных пород, вскрытых сверхглубокими скважинами и впервые установлены особенности распределения намагниченности пород в естественном залегании с глубиной.

4. Выделены типы магнитной минерализации по Уральской, Мурунтауской, Кольской, Саатлинской, Воротиловской, Криворожской, Колвинской и Тимано-Печорской сверхглубоким скважинам по результатам определения намагниченности пород в естественном залегании и фактора Кенигсбергера, по вариационным кривым магнитных параметров, а также по результатам интерпретации корреляционных зависимостей между магнитной восприимчивостью и магнитным полем. Проведено сравнение оценки типов магнитной минерализации с петромагнитными, палеомагнитными исследованиями керна и с геологическими данными по петрографическому и петрохимическому описанию пород, которые подтвердили и дополнили полученные выводы.

5. Определены элементы залегания намагниченных тел, подсеченных сверхглубокими скважинами, что позволяет решать важную геологическую задачу по оценке пространственного положения пород в околоскважинном пространстве. Впервые по результатам ГИС определены элементы залегания зон пирротиновой минерализации Мурунтауской СГ-10, оценена возможность метода для решения этой задачи в сложных геологических условиях. Установлено различное залегание двух эффузивных толщ, вскрытых Саатлинской сверхглубокой скважиной.

6. Изучена взаимосвязь магнитных характеристик с расслоенностью мощных интрузий. Показано, что расслоенность мощных интрузивных тел хорошо проявляется в поведении магнитной восприимчивости и внутреннего магнитного поля, измеренным в скважине, величине и знаке намагниченности.

7. Разработана методика и комплекс признаков корреляции по магнитным характеристикам для выделения и идентификации пород, вскрытых скважинами, позволяющие с достаточной степенью достоверности провести идентификацию и сопоставление магнитных пород по стволам глубоких скважин. Построены корреляционные геолого-геофизические разрезы по стволам Кольской и Уральской сверхглубоким скважин. Показано, что применение скважинной магнитометрии повышает достоверность структурных построений по геологическим данным .

8. Впервые изучены в естественном состоянии магнитные свойства океанических базальтов, траппов Сибирской платформы и проведено их сравнение с базальтами Западной Сибири, диоритами и базальтами Кавказа и Урала, долеритами Тимано-Печорской нефтегазовой провинции. Показаны различия остаточной намагниченности океанических базальтов и траппов и особенности их проявления в магнитном поле в скважинах, пройденных в океанических базальтах в Тихом и Атлантическом океанах и траппах Восточной Сибири.

9. Исследование влияния искусственного изотермического подмагничивания в зонах сульфидной минерализации Мурунтауской сверхглубокой скважины позволило уточнить глубину пиритпирротинового перехода и дать оценку распределения типов пирротина по скважине СГ-10. Результаты исследований сопоставлены с данными петрофизических, палеомагнитных и петромагнитных исследований керна Мурунтауской сверхглубокой скважины СГ-10, которые дополняют данные по распределению пирротина в разрезе скважины, наличие нескольких его типов, а также значительное присутствие с глубиной промежуточного пирротина.

10. Применение скважинной магнитометрии повышает эффективность геофизических исследований скважин при решении технологических задач глубинного изучения и использования недр:

• обнаружении металла в стенках скважины и околоскважинном пространстве, что позволяет при расширении ствола скважины или изменении его направления избежать аварийных ситуаций;

• непрерывные измерения азимута и зенитного угла скважины уточняют данные инклинометрии в интервалах магнитных пород и при резких изменениях азимута скважины;

• выделении зон трещиноватости и раздробленности в разрезах скважин, особенно нефтегазовых, при применении утяжелителя бурового раствора ЖРК-1.

Таким образом, скважинная магнитометрия является одним из наиболее эффективных геофизических методов решения многих геологических задач и должна входить в стандартный комплекс ГИС при исследовании глубоких и глубоких скважин.