Гравиметрические методы в нефтяной и газовой разведках » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Гравиметрические методы в нефтяной и газовой разведках

22.07.2021

Единицы и термины. Единицей гравитационных измерений является гал, который равен ускорению в 1 см за 1 сек. Сила тяжести земли составляет около 980 гл. На практике при измерении силы тяжести, производимом в связи с разведкой на нефть, используется миллигал, равный 1/1000 гл. Некоторые карты вычерчены с интервалами в 0,1 мгл. Линии, проведенные через точки равной силы тяжести, могут быть названы изогалами, но необходимо помнить, что не всегда следуют подобному применению. Лучшие гравиметры могут измерять изменения силы тяжести земли в пределах, не превышающих 10в-8.

В основе использования данных по измерению силы тяжести в геофизической разведке лежит тот факт, что над относительно тяжелой массой, находящейся ниже дневной поверхности, сила тяжести увеличивается. Таким образом, на поверхности будет также наблюдаться увеличение силы тяжести в направлении к точке, располагающейся над массой, иными словами, будет фиксироваться градиент по направлению к массе. Наиболее важными величинами, характеризующими силу тяжести, являются собственно величина силы тяжести и скорости и направления ее возрастания. Сила притяжения между двумя массами прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Измерение силы тяжести заключается, в основном, в очень точном взвешивании предмета. Согласно закону обратной зависимости от квадрата расстояния, сила тяжести уменьшается с высотой над земной поверхностью на 9,4 мгл на каждые 100 футов (30 м) превышения. Эквипотенциальной поверхностью называется такая поверхность, для подъема над уровнем которой данной массы на бесконечную высоту необходимо затратить одинаковое количество энергии. Поверхность океана, или уровень моря является очень важной исходной величиной в гравиметрии, так как все поправки вычисляются по отношению к этому уровню.

Величина силы тяжести на уровне поверхности океана часто не является точно такой, какую следовало бы ожидать, исходя из общих данных. Поскольку поверхность океана принято считать строго горизонтальной и, следовательно, перпендикулярной к вертикальной плоскости, то можно было бы предполагать, что сила тяжести на уровне моря будет везде одинакова. Однако вследствие центробежной силы и большей длины экваториального радиуса земли (на 10,4 км) по сравнению с полярным, сила тяжести у экватора на уровне моря на 5 гл меньше, чем у полюсов. На широте Оклахомы, по данным Г. Стоммеля, градиент изменения силы тяжести в меридиональном направлении достигает 1,1 мгл на милю (0,6875 мгл на 1 км). Можно вообразить, что поверхность океана простирается по всем континентам, допустив существование узких каналов, связанных с океаном и прорезающих сушу. В горах уровень воды в этих каналах выгибался бы настолько, что он находился бы дальше от центра земли. Неттлтон считает, что это поднятие составляло бы в Скалистых горах около 40 м. На судне, находящемся в море, нельзя провести измерение силы тяжести с точностью, необходимой для разведки нефтяных структур, но на поверхности льда замерзших озер такие точные измерения возможны. На рис. 23-4 и 23-5, взятых из работы Б. Нумерова, приведены результаты замеров, произведенных на льду озера Шувалово, близ Санкт-Петербурга. Здесь видна зависимость величин силы тяжести от конфигурации дна озера. Ясно, что наблюдающиеся величины силы тяжести очень тесно связаны с превышениями дна озера. Конфигурация изогал очень сходна с конфигурацией изобат — увеличению силы тяжести соответствует повышение дна. Таким образом, несмотря на то, что как эквипотенциальная, так и водная поверхность, поднимаются над тяжелыми массами, величина подъема водной поверхности меньше эквипотенциальной.
Гравиметрические методы в нефтяной и газовой разведках

Термины «градиент» и «кривизна» широко употребляются в литературе для описания результатов съемок с помощью гравитационного вариометра. Градиент силы тяжести представляет собой скорость изменения силы тяжести в горизонтальном направлении; он имеет как величину, так и направление. Градиенты измеряются при помощи гравитационного вариометра; результаты этих съемок на картах обычно изображаются в виде векторов-стрелок в местах стоянок прибора; длина векторов пропорциональна «скорости» изменения силы тяжести, а своим острием стрелка указывает направление увеличения. Эти градиенты можно использовать для составления карты изогал, подобно тому, как карта с элементами залегания пород может быть превращена в структурную карту.

Под общим термином «кривизна» понимают кривизну эквипотенциальных поверхностей. Там, где эквипотенциальные поверхности имеют выпуклость кверху, искривление линий параллельно аномалиям, но искривление линий перпендикулярно аномалиям там, где эквипотенциальная поверхность вогнута кверху. В большинстве случаев на вариометрических картах показываются как линии кривизны, так и стрелки градиента. Линии кривизны широко применялись в период, когда гравиметрические съемки производились при помощи гравитационного вариометра. В настоящее время эти линии не применяются, так как сам вариометр, благодаря большей скорости и эффективности работ с гравиметром, является устаревшим прибором.

Поправки к наблюдениям силы тяжести. Необходимо внести ряд поправок к измерениям силы тяжести в полевых условиях для того, чтобы их можно было использовать в геофизической разведке.

Для учета возрастания силы тяжести по направлению к полюсам должна вноситься поправка на широту. Для поправки на превышение над уровнем моря вносится поправка за свободный воздух. Поправка Буге вносится для учета притяжения массы породы между уровнем моря и горизонтом станции. В холмистой местности может возникнуть также необходимость во внесении поправки на влияние рельефа. При внесении поправок на рельеф местности необходимо знать плотность поверхностных пород и топографические неровности дневной поверхности.

После внесения вышеуказанных поправок обычно обнаруживается, что аномалии, обусловленные местными структурами, накладываются на региональные градиенты, связанные с крупными или глубинными изменениями плотности пород. Часто совпадение нескольких больших аномалий, вызванных изменением плотности пород, вызывает появление градиента силы тяжести. Если же эти градиенты не удаляются, то аномалии, обусловленные структурами, могут проявляться в незаметных выступах изолиний, в связи с чем их трудно интерпретировать. Интерпретация значительно упрощается, по меньшей мере для геологов, если региональные градиенты вычитаются. Остающиеся после вычитания градиентов аномалии силы тяжести часто называются «остаточной силой тяжести». Ясно, что к выбору метода для удаления региональных градиентов необходимо подойти с большой осторожностью и серьезностью с тем, чтобы выбранный метод не ликвидировал аномалии, не устранял их полностью или не ввел новые аномалии, которые не существуют в действительности.

Рис. 23-6, 23-7, 23-8 из работы Д. Уилсона показывают хорошие примеры эффективности устранения регионального градиента. Рис. 23-6 изображает подземный рельеф месторождения Уэллингтон; на рис. 23-7 показано изменение силы тяжести до удаления регионального градиента, а рис. 23-8 изображает остаточную силу тяжести после удаления градиента. Совершенно очевидно, что связь аномалии со структурой становится яснее после удаления градиента.

Приборы и методы съемки. В нефтяной геофизике важное значение имеют лишь два типа приборов для гравитационных измерений: гравитационный вариометр и гравиметр. Гравитационный вариометр был впервые применен в районе Голфкоста в 1922 г. и до 1931 г. был основным прибором, употребляемым для измерения силы тяжести при геофизических работах: с 1931 г. его начал вытеснять гравиметр. К 1939 г. вариометр вышел из употребления и с тех пор имел лишь очень незначительное применение при специальных исследованиях, требующих большой точности. Степень точности вариометра и гравиметра нельзя сравнивать, так как они измеряют разные вещи. Вариометр был заменен гравиметром потому, что съемка с вариометром идет медленнее и стоит дороже, нежели с гравиметром. На одно наблюдение с помощью вариометра требуется 4—5 часов, а при работе с гравиметром затрачивается лишь несколько минут. Стоимость и затрата времени при съемках увеличивается еще в связи с большими и трудными поправками за рельеф местности.


Рис. 23-9 из работы Л. Неттлтона иллюстрирует принципиальную схему вариометра. Он состоит из двух грузов, установленных на различных уровнях и укрепленных на тонкой проволоке. Там, где имеется горизонтальный градиент силы тяжести, появляется небольшая сила, стремящаяся повернуть грузы вокруг проволоки. Величина вращающих сил измеряется передвижением луча света, отраженного от зеркала, прикрепленного к проволоке. В действительности устройство вариометра гораздо "сложнее изображенной схемы, но ввиду того, что он вышел из употребления, нет надобности в его детальном описании. Гравиметр состоит из чрезвычайно чувствительных пружинных весов, которые уравновешивают силу тяжести груза, противодействующего растяжению пружины. Как вариометр, так и лучшие гравиметры настолько точны, что могут работать в пределах «уровня помех». Вследствие того, что гравиметры показывают относительные изменения силы тяжести и имеют смещение нульпункта, их необходимо периодически возвращать на основные стоянки (контрольные и опорные пункты) для проверки цены деления.

Некоторые гравиметрические съемки являются воздушными в том смысле, что приборы при этих съемках переносятся с места на место при помощи вертолетов. Важно заметить, что показания этих приборов берутся не в воздухе, как это имеет место при аэромагнитных съемках, а на земле. Насколько известно, существует лишь еще один вид геофизической съемки, при котором показания берутся непосредственно в воздухе, — это метод измерения интенсивности гамма-лучей, применяемый при разведке радиоактивных руд. При гравиметрических съемках станции располагаются друг от друга на расстоянии в 1/2—2 мили (0,8—3,2 км) и обычно размещаются на дорогах. При гравиметрических съемках на континентальном шельфе, которые приобрели важное значение в последнее время, необходимо гравиметры помещать на дно океана с тем, чтобы они стояли устойчиво. Погрешности определения превышений точек стоянки прибора должны быть не более 0,5 фута (0,15 м). Затраты на определение превышений составляют около 2/3 стоимости гравиметрических съемок.

Интерпретация результатов гравиметрических съемок. Интерпретация данных гравиметрических съемок осложняется тем, что несколько аномалий могут сливаться вместе. Если несколько масс большей или меньшей плотности влияют на величины силы тяжести в пределах какой-либо площади, то аномалии могут быть смещены и не будут располагаться непосредственно над массами, которые их вызывают; могут возникать даже ложные аномалии. Так, интерференция гравитационных полей нескольких соляных куполов может образовать гравитационный максимум между куполами, где нет никаких антиклиналей и соляных куполов.

Интерпретация данных гравиметрических наблюдений производится в основном тем же способом, что и интерпретация результатов магнитометрических съемок. В действительности в некоторых районах магнитные и гравитационные аномалии очень сходны; как те, так и другие обязаны изменениям в составе и свойствах пород фундамента. Однако существенное различие между ними состоит в том, что в то время как влияние породосадочного покрова по сравнению с породами фундамента на магнитное поле незначительно, изменение удельного веса только одних осадочных пород оказывает заметное воздействие на величины силы тяжести, измеряемые на поверхности при гравитационной съемке. Поэтому при интерпретациях результатов гравитационных съемок необходимо учитывать влияние как фундамента, так и осадочного чехла, лежащего на нем.

Г. Стоммель дал правило для примерной связи ширины аномалии и глубины возмущающего тела. Глубина залегания тела, вызывающего аномалию, составляет от 0,25 до 0,65 ширины аномалии. Эта ширина определяется так же, как и для магнитных аномалий. Данное правило применяется к возмущающим массам, имеющим более или менее округлую форму. Тонкие, неглубокие, плоско залегающие тела значительного горизонтального протяжения, такие, как погребенные осадки озерных бассейнов и ледниковые отложения, могут вызвать аномалии, которые, если придерживаться указанного выше правила, должны были бы располагаться на значительных глубинах. Однако и в случае интерпретации магнитных данных, ясно, что аномалии, имеющие ширину не более сотни метров, не могут вызываться телами, находящимися на больших глубинах.

Основой интерпретации гравиметрических данных является знание удельных весов пород, развитых как в разрезе осадочного чехла, так и в фундаменте. Удельный вес некоторых наиболее распространенных пород приводится в табл. 23-1.

Изменения плотности песчаных и глинистых пород обусловлены, главным образом, изменениями их пористости. Обычно как песчаные, так и глинистые породы являются очень пористыми и имеют низкую плотность в начале отложения, но с глубиной погребения и с течением времени с момента их отложения происходит общее увеличение плотности и, соответственно, уменьшение пористости. В действительности колебания удельных весов пород больше, чем это указано в табл. 23-1. Плотности известняков и доломитов изменяются в зависимости от их пористости; во многих случаях эти породы не являются чистыми, а имеют примеси или переслаиваются с другими породами. Поэтому для более надежной интерпретации гравиметрических данных некоторые крупные нефтяные компании практикуют определение удельного веса образцов из буровых скважин.

Распределение плотностей в стратиграфическом разрезе определяет, чем на гравиметрической карте будут представлены антиклинали: гравитационным максимумом или минимумом, и насколько велики будут эти аномалии. Обычно наблюдается уменьшение среднего удельного веса осадков по направлению кверху, и соответственно этому, антиклинали будут вызывать скорее повышение силы тяжести, чем ее понижение. На рис. 23-10 из работы Стоммеля показаны те площади в США, в пределах которых положительные структурные формы, как правило, отмечаются гравитационными минимумами. В нижней части разреза этих площадей залегает мощная толща соли, которая имеет меньшую плотность, по сравнению с имеющимися в разрезе осадочными породами. Эта толща, вероятно, значительно увеличивает кверху свою мощность или образует в антиклиналях соляные купола протыкания. Еще одной такой областью в США, где антиклинали создают гравитационные минимумы, является территория, расположенная в долине Сан-Джоакин в Калифорнии. В сводах антиклиналей, развитых на этой территории, поднимаются глинистые породы, характеризующиеся исключительно низкой плотностью.

Применение и стоимость. Гравиметрическая съемка представляет собой рекогносцировочный метод. Подобно магнитной съемке, она указывает на перспективные площади, но обычно не отражает тектонику настолько подробно, чтобы можно было приступить к бурению скважин без дополнительных работ. Поэтому гравиметрическая съемка проводится для выявления площадей, на которых затем будут проведены детальные сейсмические работы. Если гравиметрическая съемка была проведена с необходимой точностью, то нет необходимости в том, чтобы та же компания повторяла ее. Гравиметрические съемки можно применять для поисков структур там, где разница в плотности пород является достаточной, чтобы разыскиваемого типа структуры вызывали аномалии силы тяжести, величина которых превышала бы точность производимой съемки. Теоретически рифы могут быть обнаружены гравиметрической съемкой яри условии наличия резкого контраста плотностей между выступающей частью рифа и породой, окружающей его, при не слишком глубоком залегании рифа и не сильно расчлененном рельефе местности. При помощи гравиразведки могут быть выявлены рифы, окруженные глинистыми или песчаными породами. В настоящее время результаты гравиметрических съемок над рифами изучены недостаточно, а поэтому нельзя сказать что-либо определенное относительно ценности этого метода поисков рифов.

Хотя гравиметрические съемки успешно применялись во многих частях мира, наибольшую пользу они, вероятно, оказали в районе Голфкоста. Неглубокий соляной купол является, по-видимому, тем видом структуры, который легче всего обнаруживать при помощи гравиметрии, так как равнинный характер поверхности дает минимум помех, обусловленных рельефом местности. Кроме того, геологическая съемка на такой поверхности, как правило, не дает полноценных сведений о геологическом строении изучаемых площадей. Плотность соли соляных куполов обычно равняется 2,15 или 2,20, что вызывается присутствием в ней некоторого количества ангидрита; плотность кепрока — 2,5—2,6. В прибрежных районах осадочные породы, развитые у поверхности, имеют плотность около 2,0, а на глубине 2,5. Поэтому верхняя часть очень неглубокого соляного купола имеет большую плотность, чем окружающие его осадочные породы. Это вызывается отчасти повышенной плотностью пород кепрока (2,5—2,6), а частично низкой плотностью осадочных пород. В результате над очень мелкими куполами наблюдаются положительные гравитационные аномалии небольших размеров.

Ниже 1000—2000 футов (300—600 м) плотность соли меньше плотности окружающих осадков, а потому глубокие купола вызывают только отрицательные гравитационные аномалии. По данным Неттлтона глубокие соляные купола вызывают гравитационные минимумы до 1 мгл, большие, но неглубокие купола — до 10 мгл, а кепроки соляных куполов вызывает гравитационные максимумы от нескольких десятых долей до 4—5 мгл. На рис. 23-11 из работы Д. Бартона изображен гравитационный профиль через соляной купол Дамон Маунд (Damon Mound) в Техасе, отражающий небольшую, но резкую положительную аномалию, образованную высокоплотным кепроком, и широкую отрицательную аномалию, вызванную присутствием соли. Рис. 23-12 из работы Дж. Б, Эби представляет собой вариометрическую карту соляного купола Айова (Iowa) в Луизиане со снятым региональным градиентом. Стрелки градиента оконгуривают гравитационный минимум купола и имеют направление в сторону от него. Сплошными линиями обозначены изогалы с сечением в 0,1 мгл, вычисленные по данным вариометрических наблюдений. Очерчена также нефтяная залежь соляного купола. В этом случае гравитационный минимум очень близко совпадает с вершиной купола, и скважина, заложенная в центре гравитационного минимума, обнаружила бы нефтяную залежь. В других случаях гравитационный минимум находится не над куполом, и для выяснения местоположения вершины последнего требуется сейсмическая съемка. Типы максимумов, которые встречаются вне районов развития соляных куполов, приведены на рис. 23-6, 23-7 и 23-8. Необходимо помнить, что многие антиклинали не вызывают гравитационных аномалий и, наоборот, многие гравитационные аномалии обусловлены изменениями плотности пород фундамента и не связаны с антиклиналями.

Гравиметрическая съемка дешевле сейсмической, но дороже (на единицу площади) магнитной съемки. На гравитационные съемки производится больше денежных затрат, чем на любой другой геофизический метод (за исключением сейсмического). Около 2/3 стоимости всей гравиметрической работы на суше составляет стоимость получения данных о превышении станций, так как последние должны быть определены с погрешностью не более 0,5 фута (0,15 м). Стоимость на каждую квадратную милю значительно меняется в зависимости от характера местности и от трудности передвижения по ней. Г. Стоммель (334) считает, что гравитационная съемка 1 га при 85 станциях на каждый тауншип стоит около 12,5 центов (5 центов 1 акр). При достаточно хорошей скорости передвижения средняя стоимость каждой станции составляет от 5 до 10 долларов.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: