Технология оценки состава магнезитовых руд в условиях скважин

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 задачи, 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 однои 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 однои 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 магнезитовразработке номографических способов решения обратных задач по определению содержаний петро-генных окислов в магнезитахразработке 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 водородои неводородосодержащих средахучастии в проведении ОМР в скважинах Исмакаевского месторождения магнезитов, первичной обработке материалов ГИС и расчетах петрофизических параметров по комплексу ядерногеофизических методованализе результатов опробации технологии ГИС на основе статистической обработки и сопоставления данных ГИС и геологического опробования кернаразработке 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 абсолютными 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 однои многозондовых модификаций стационарного нейтрон-нейтронного каротажа относительно длины замедления быстрых нейтронов, длины миграции, времени жизни и коэффициента диффузии тепловых нейтронов в водородои 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 ГПП «Башкиргеология» — к.г.-м.н. Перелыгин В. Т., ведущие специалисты Вячина В. Ф., Ах-метзянова JI.M., Усанин A.B., Фаткулов O.A. и др. Всем им автор выражает искреннюю благодарность.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Она содержит 241 страниц машинописного текста, в том числе 24 таблицы и 69 рисунков.

Список литературы

включает 101 наименование, в том числе 5 зарубежных публикаций.

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 применительно к магнезитам Исмакаевского месторождения установлена возможность принципиального решения задачи по определению состава магнезитов по данным параметрических модификаций ядерногеофизических методов. При этом установлено, что.

— применяемый при разведке Исмакаевского месторождения типовой комплекс ГИС, включающий метод кажущегося сопротивления (КС), гамма-каротаж (ГК), гамма-гамма-каротаж (ГТК) по потоку рассеянного излучения и кавернометрию, не обеспечивает надежное выделение кондиционных пластов, а тем более оценки их промышленной ценности на количественном уровне;

— выделение кондиционных магнезитовых пластов с оценкой их качества по содержанию основных петрогенных окислов (М^О, СаО и БЮг+АЬОз) возможно на основе применения методов гамма-гамма-, нейтрон-нейтронного и активационного каротажа по изотопу алюми-ний-28 или азот-16;

— задача количественной оценки содержаний окиси магния, кальция и суммы алюмосиликатов в разведываемом сырье принципиально может быть решена на основе использования петрофизических уравнений связи петрогенных элементов с эффективным атомным номером, временем жизни тепловых нейтронов и приведенным наведенным эффектом от изотопов кислорода (N-16) или алюминия-28;

— включение в комплекс ГИС нейтрон-нейтронного каротажа по надтепловым нейтронам и плотностного гамма-гамма-метода с определением, соответственно, длины замедления и плотности горных пород может быть рекомендовано для количественного определения объемной плотности и приближенной оценки влажности магнезитов в их естественном залегании;

— приемлемая для практического применения точность количественного определения содержаний основных окислов достигается по двухмерным номограммам типа Р1=/(2эф, т);

— высокоточная комплексная оценка магнезитового сырья возможна на основе оптимального комплексирования методов ГИС и рентгеноспектрального экспресс-анализа проб керна на петрогенные элементы и элементыпримеси (Р, 8).

2. Для прямых определений по данным ГИС нейтронных параметров магнезитов и вмещающих горных пород с использованием аксиоматического метода и известных распределений потоков тепловых и надтепловых нейтронов в однородных средах обоснованы математические модели методов 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 принципиально новые данные о возможностях стационарных модификаций методов ННК и их помехоустойчивости к влиянию различных физико-геометрических факторов:

— полученные математические модели для методов удовлетворительно описывают распределения потоков надтепловых и тепловых нейтронов в водородои неводородосодержащих пластах различного состава и пористости, удовлетворяют известным граничным условиям и позволяют исключить влияние скважины, скважинного флюида и конструкции прибора при фиксированных размерах зондов ННК;

— обоснованы алгоритмы количественного определения нейтронно-замедляющих и нейтрон-но-диффузионных параметров горных пород для однозондовой, двухзондовой и многозондовой модификаций, базирующихся на метрологической аттестации и настройке предложенных математических моделей по измерениям потоков надтепловых и тепловых нейтронов в стандартных образцах сред с известными нейтронными параметрами;

— на основе прямых расчетов с использованием конкретных математических моделей и имитационного моделирования исследовано влияние на показания методов ННК-НТ и ННК-Т диаметра скважины, длины переноса нейтронов в скважинном флюиде, ошибок установки длины зонда, статистических погрешностей;

— для условий скважин, заполненных буровым раствором на водной основе, влияние диаметра при расчете Ls в водородосодержащих средах не превышает 0.1% на 1% изменения de и возрастает на порядок в неводородосодержащих горных породах;

— погрешности расчета НДП водородосодержащих пластов при изменении диаметра скважины в пределах 4−5% по т составляют 2−4%, по Lm 0.5−2% и увеличиваются в 3−5 раз в неводородосодержащих средах;

— влияние параметров скважинного флюида на точность расчета Ls, Lm и т незначительно в водородосодержащих средах и возрастает в слабо замедляющих средах и при увеличении длины диффузии горных пород.

3. По результатам прямых расчетов установлена возможность количественного определения нейтронных параметров горных пород в условиях скважин с точностью удовлетворяющей решению прикладных геологических задач.

— величина среднеквадратичных относительных ошибок определения длины замедления в водородосодержащих средах не превышает 2% и увеличивается в 2−3 раза для слаборассеи-вающих горных пород;

— среднеквадратичные относительные расхождения расчетных значений длины миграции и времени жизни тепловых нейтронов находятся в пределах 2−4% и обусловлены как влиянием различных физико-геометрических факторов, так и ошибками, допущенными при расчете истинных НДП по макросоставу без учета содержаний элементов-примесей с аномально-поглощающими нейтронными свойствами;

— наибольшей чувствительностью к изменению НДП характеризуются модификации методов ННК, базирующиеся на измерении интегральных потоков (а не отношений потоков), причем относительная чувствительность максимальна для водородосодержащих пластов, где она изменяется экспоненциально по мере уменьшения водородосодержания;

— по результатам исследований обоснована целесообразность расчета нейтронных параметров с использованием двухи многозондовых модификаций ННК, реализуемых при длине зондов 20−60 см.

4. Проведена широкая промышленная апробация разработанной технологии ГИС в скважинах Исмакаевского месторождения магнезитов, по результатам которой установлено.

— предложенные алгоритмы решения обратной задачи ННК-Т обеспечивают определение времени жизни (т) и длины миграции (Ьт) тепловых нейтронов с погрешностью, допускающей количественную оценку в магнезитах основных петрогенных окислов;

— для условий Исмакаевского месторождения установлена возможность количественного определения параметра т по данным однозондового ННК-Т при оптимальном размере зонда равном 20 см, являющегося инверсионным по отношению к рассеивающим свойствам исследуемых сред;

— основное влияние на точность расчета нейтронных параметров по предложенным алгоритмам в условиях реальных скважин оказывает влажность руд и горных пород;

— применение плотностного гамма-гамма-каротажа эффективно для определения объемной плотности магнезитов и вмещающих горных пород в естественном залегании и приближенных оценок их водородосодержания;

— эффективное применение нейтрон-нейтронного каротажа по надтепловым нейтронам с оценкой длины замедления и определения влажности горных пород в диапазоне 0−2.0% по предложенным алгоритмам принципиально возможно на основе учета элементного состава сред и корректного расчета коэффициентов исходных математических моделей по опорным скважинам с известными по данным химанализа керна содержаниями петрогенных окислов и суммарным содержанием связанной и свободной воды;

— предложенные технологии ГИС с применением методов ГТК-С и однои двухзондового ННК-Т обеспечивают количественное определение содержаний основных петрогенных окислов с абсолютными погрешностями для М§-0 ±0.9−1.1%, СаО — ±0.8−1.1% и БЮг+АЬОз -±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 ГТК-С и однозондового ННК-Т с оптимальным зондом и расчете искомых компонент по номограмме вида Фг^/^эф, т);

— основными источниками расхождения данных ГИС и опробования по керну являются инструментальные и методические погрешности определения петрофизических параметров в условиях скважин, разная представительность геофизического и геологического видов опробования, ошибки в привязке данных по глубине, ошибки пробоотбора, пробоподготовки и собственно химанализа проб.

Дальнейшее развитие геофизической технологии возможно на основе совершенствования методики измерения петрофизических параметров в скважинах и включения в комплекс ГИС других перспективных методов каротажа. В частности, несомненно эффективным представляется использование импульсного нейтрон-нейтронного метода для прямых определений времени жизни тепловых нейтронов без использования опорных скважин и предварительного обоснования его модели. Включение в комплекс рентгенорадиометрического каротажа на железо также будет способствовать точности расчета петрогенных окислов минимум в 1.4−1.5 раза. Перспективным представляется также расчет содержания окислов непосредственно из решения системы уравнений, составленной для 6−7 петрофизических параметров:

2эф, р, т, Ьб, Ьгп, К (Ре), И (А1)). Практическая реализация этих идей, без сомнений, расширяет область применения ГИС при изучении нерудных полезных ископаемых с определением их петрохимического состава и ряда важнейших петрофизических свойств, определяющих качественные показатели минерального сырья (влажности, объемной массы сухой руды, прогнозирование физико-механических свойств и др.).

Заключение

.