Введение к работе
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 ПС, 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 А.А., Караниколо В.Ф., Зив Л.А., 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 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-щей 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 (MgO, CaO, Si02 + 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 (Ls) и нейт-ронно-диффузионных (Ld, D, 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 (Ls, Ld), времени жизни (т) и коэффициента диффузии (D) 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 (MgO), окиси кальция (СаО), суммы содержаний алюмосиликатов (Si02 + 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),conocTaeHMofi 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. 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.
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-Ю 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.
-
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 %.
-
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. Вреднее 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 А.В., Фаткулов О.В. и др. Всем им автор выражает искреннюю благодарность.
ОБЬЕМ 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.