Анализ магнитных свойств осадочных горных пород Пермского края Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

2012

ВЕС ТНИК ПЕ Р МСКО ГО УНИ ВЕ Р С ИТЕ ТА

Г еология

Вып. 1(14)

УДК 550.832.5

Анализ магнитных свойств осадочных горных пород Пермского края

А.А. Злобин, И.Р. Юшков

Пермский государственный национальный исследовательский политехнический университет. 614990, Пермь, Комсомольский пр., 29. E-mail: rngm@pstu.ru

(Статья поступила в редакцию 2 ноября 2011 г.)

По керновым данным проведены исследования магнитной восприимчивости осадочных горных пород продуктивных отложений нефтяных месторождений Пермского края. Выделены группы слабомагнитных и сильномагнитных пород, построена карта распределения сильномагнитных отложений. Получены палетки для оценки магнитных свойств по методу ЯМР.

Ключевые слова: керн, магнитная восприимчивость, ядерный магнитный резонанс.

Магнитные свойства горных пород являются важными характеристиками, обусловливающими информативность ядерно-магнитных методов как в скважинном (ЯМК, ЯМТК), так и в лабораторном вариантах при анализе пород импульсным методом ЯМР в сильном поле.

Наиболее важной магнитной характеристикой является магнитная восприимчивость і (каппа), которая определяет интенсивность намагничивания вещества при внесении его в постоянное магнитное поле и является коэффициентом пропорциональности между интенсивностью намагничивания и напряженностью магнитного поля. Горные породы относятся в большинстве своем к классу диамагнетиков и парамагнетиков, величина магнитной восприимчивости которых значительно меньше единицы и составляет порядка 10-6 - 10-5 ед.СИ (относительная объемная восприимчивость). Однако при наличии в составе породообразующих минералов ферромагнитных примесей (ФП) величина

.|п может достигать значений 300 10-5 ед.СИ.

Высокие значения магнитной восприимчивости горных пород существенно влияют на показания ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) и, в частности, приводят к сильному сокращению постоянной времени спада амплитуды сигнала свободной прецессии (ССП), что может привести к большим ошибкам при проведении количественных измерений или вообще к потере полезного сигнала в том случае, когда длительность сигнала становится соизмеримой с аппаратурным временем нечувствительности приемника. Для сильных магнитных полей это время составляет порядка 20 мкс и соответственно для слабых полей - 20 мс. Максимально допустимая величина .|п для горных пород при исследованиях в слабом поле Земли составляет 200 10-5ед.СИ [4], а в сильном примерно на порядок меньше. Поэтому оперативная оценка магнитной обстановки объекта разведки является необходимым условием эффективного применения

© Злобин А.А., Юшков И.Р., 2012

ядерно-магнитных методов в петрофизике и промысловой геологии.

Вопросам экспериментального лабораторного исследования магнитных свойств горных пород посвящено относительно небольшое количество работ, вероятно, по причине отсутствия прямых корреляционных связей магнитной восприимчивости с емкостно-фильтрационными свойствами пород-коллекторов.

Магнитные свойства пород осадочного чехла определяются в первую очередь ферромагнитными включениями, входящими в состав породообразующих минералов: оксид железа ^еО), диоксид железа ^е2Оз), карбонат железа ^еСОз), железистые хлориты и др. Намагниченность обусловлена в первую очередь наличием в породе таких минералов как магнетит (FeFe2O4), титаномагнетит, гематит

^е2Оз), пирротин ^е S). Эти минералы обычно рассеяны в виде мелких зерен в общей диапарамагнитной массе, составляющей основной объем породы. Количество рассеянных (акцессорных) минералов и определяет суммарную магнитную восприимчивость и остаточную намагниченность горных пород.

Несмотря на то, что магнитные характеристики напрямую не влияют на коллекторские свойства нефтяных пластов, в последнее время к ним усилился практический интерес (помимо проблем ЯМР), обусловленный наличием ряда специфических природных феноменов, в частности, обнаружением аномальных магнитных свойств пород и наведенного магнитного поля вблизи зон влияния УВ.

Приведенные в работе [1] данные экспериментов по определению ^ на образцах керна Тимано-Печерской провинции и Западной Башкирии показывают, что, во-первых, наблюдается наиболее тесная корреляционная связь величины намагниченности с содержанием в породе оксида двухвалентного железа, более слабая - с FeСO3 и лишь тенденция связи с Fe2O3. При анализе учитывались в основном только сильномагнитные породы в диапа-

зоне (30-260)10-5ед.СИ. Во-вторых, отмечена выраженная зональность магнитной восприимчивости по разрезу, при которой девонские отложения обладают более высокими значениями ,|п.

Основной задачей анализа магнитных свойств горных пород являлось определение количественных изменений магнитной восприимчивости нефтеносных пород по керну, выделение аномальномагнитных пород и построение карты распределения магнитных пород в пределах нефтедобывающих районов Пермского края.

Магнитную восприимчивость сухих сцементированных экстрагированных от УВ пород измеряли цифровым индукционным каппаметром КТ-5 с чувствительностью 110-5ед.СИ и рабочим диапазоном от 10-5 до 10 0ед.СИ. Минимальный объем пробы составлял 40 - 60 см3.

Всего было исследовано около 20000 цилиндрических образцов керна терриген-ных и карбонатных отложений визейских (С 1у), башкирских(С2ь) и девонских (О) отложений различных нефтяных месторождений Пермского края.

В результате экспериментов установлено, что минимальной намагниченностью обладают карбонатные породы (известняки, доломиты). Для пород данного типа значение ^ составляет в среднем 0,6 10" 5ед.СИ. В редких случаях намагниченность карбонатных пород достигает 6 10-5ед.СИ.

Для терригенных пород (песчаники, глинистые песчаники, алевролиты) средняя величина магнитной восприимчивости составляет 2,2 10-5ед.СИ с диапазоном вариации (1-10) 10-5ед.СИ. В очень редких случаях встречаются образцы, у которых ^ достигает 180 10-5ед.СИ.

Из всей выборки терригенных пород дополнительно выделены аномальномагнитные образцы по граничному критерию ^ гр > 5 10-5ед.СИ. Всего было обнаружено 811 таких образцов, что составляет 4,1 % общего числа исследованных. Величина .|п таких аномальных образцов изменяется от 5 10-5 до 180 10-5ед.СИ.

! аа ёа ау аТ пГ дёё! -^ёаТ пои, 10-5 аа.МЁ

! аа ёа ау аТ ПТ дёё! тёаТ Пои, 10-5 аа.МЁ б

а

Рис.1. Гистограммы распределения магнитной восприимчивости слабомагнитных (а) и сильномагнитных (б) пород-коллекторов нефтяных месторождений Пермского края

На рис.1 приведены экспериментальные гистограммы распределения магнитной восприимчивости слабомагнитных и сильномагнитных пород. Для слабомагнитных пород функция плотности вероятности описывается нормальным гауссовым законом распределения с некоторой асимметрией в сторону нулевого значения восприимчивости. Среднее значение составляет 2,3610-5ед.СИ.

В свою очередь для аномальных по магнитным свойствам пород функция плотности вероятности распределения F( ,1п) описывается логнормальным законом и характеризуется следующими статистическими параметрами: среднее значение ]пср=25,9 10"5ед.СИ, модальное значение ]пш<х1=П,810_5ед.СИ.

Отдельно рассчитаны средние значения .1п ср сильномагнитных пород визейских и девонских отложений по 40 месторождениям Пермского края. Для тульских и бо-бриковских отложений среднее значение .1п составляет 12,1*10-5ед.СИ, соответ-

ственно для девонских ,|п =23,6*10-5ед.СИ.

Таким образом, установлено, что отложения девона в среднем в 2 раза более намагничены, чем визейские. Это хорошо согласуется с выводами работ [1, 3].

Полученные результаты изучения магнитной восприимчивости различных ти-

пов пород-коллекторов позволяют сделать вывод об относительно слабой способности к намагничиванию осадочных нефтеносных пород Пермского Приуралья.

По данным исследований керна построена карта (рис.2) распределения магнитных свойств горных пород. На ней штриховой линией (региональный фон) обозначены территории, включающие слабомагнитные породы с ,]п=(0,5-3)10"5 ед.СИ. Условными знаками в виде квадратов на карте обозначено местонахождение осадочных пород с аномально высокими магнитными свойствами, причем белое поле квадрата относится к визейским отложениям, а черное поле - к девонским.

Анализ показывает, что высокие значения магнитной восприимчивости свойственны для пород северной группы месторождений Пермского края, расположенных по границам Предуральского прогиба: в северо-восточной части структуры Камского свода (КС), на севере Висим-ской впадины (ВисВ), а также в северной и центральной частях Соликамской депрессии (СолД). На юге Пермского края микроаномалии сильномагнитных пород в девоне установлены вблизи северной границы Башкирского свода (БС).

Рис.2. Карта распределения магнитной восприимчивости продуктивных отложений Пермского края. Пунктирной линией выделен ареал слабомагнитных пород с М % 4^ 105ед.СИ; квадраты с цифрами - сильномагнитные (аномальные) породы с 4^ 10 -5< Ма< 200 10'5ед.СИ, белое поле - визейские, черное поле - девонские отложения

В визейских отложениях более высокие значения М отмечаются в районах Соло-ликамской и Юрюзано-Сылвенской депрессий, а также в западной части Башкирского свода, вблизи северной и южной границ Бымско-Кунгурской впадины.

Таким образом, повышенные значения магнитной восприимчивости осадочных горных пород приурочены в целом к областям сноса обломочного материала и зонам древних разломов.

Рассмотрим влияние магнитной восприимчивости на показания ядерно-магнитных методов, которые используются

для анализа петрофизических свойств коллекторов и насыщающих флюидов [2]. Повышенные магнитные свойства скелета пород приводят к возникновению дополнительных локальных градиентов магнитного поля вблизи ФП, что вызывает нарушение фазовой когерентности спинов, из которых формируется суммарный вектор ядерной намагниченности. Это приводит к существенному сокращению амплитуды сигнала свободной прецессии (ССП) и сигнала спинового эха (СЭ). На рис.3 показаны экспериментальные графики влияния намагниченности на точность из-

мерения амплитуды сигнала ЯМР в сильном поле. Видно, что с увеличением величины ,|п монотонно возрастает ошибка измерений, причем, чем меньше размер слагающих частиц, тем выше относительная ошибка, что необходимо учитывать при исследованиях сильно намагниченных горных пород.

Более существенное влияние магнитная восприимчивость оказывает на времена Т2 поперечной релаксации, которые несут информацию о молекулярной подвижности фаз воды и нефти в поровом объеме коллекторов. Затухание сигнала ССП определяется процессом поперечной релаксации и средней величиной неоднородности магнитного поля в объеме образца. В том случае, когда влияние магнитного поля ФП является определяющим, наблюдается линейная зависимость скорости 1/Т2 от магнитной восприимчивости:

1/Т2 = ~.1п М, (1)

где ~- литологический коэффициент, d -средний диаметр частиц породы.

Высокая степень корреляции скорости релаксации 1/Т2 и магнитных свойств позволяет на практике использовать уравнение (1) для определения коэффициента магнитной восприимчивости по данным метода ЯМР. Для повышения точности производят дезинтеграцию терригенной породы и из выделенной фракции частиц

0,1 или 0,2 мм готовят стандартный образец с заданной магнитно-однородной структурой минеральной фазы. В результате проведенных исследований были получены палетки для оценки магнитных свойств горных пород. В таблице приведены аналитические уравнения для расчета коэффициента магнитной восприимчивости пород-коллекторов в диапазоне (1-40)*10-5 ед.СИ.

>о

Рис.3.Зависимость относительной ошибки измерения максимальной амплитуды сигнала ЯМР от магнитной восприимчивости скелета образцов: 1 - модельные насыпные образцы, фракция частиц 0,1 мм; 3, 4 - то же, фракция 0,2 мм; 2,5 - сцементированные образцы пород; 1, 2, 3 - амплитуда ССП; 4, 5 - амплитуда СЭ

Таблица. Расчетные уравнения для определения магнитной восприимчивости горных пород по данным метода ЯМР (напряженность поля 0,436 Тл)

№ п/п Тип образца Вид уравнения Коэф. кор- реля- ции, д.ед. Кол-во точек Относит. ошибка, aJo, %

1 Сцементированный песчаник Jn*= 48,78/Т2х -0,683 0,862 70 30,4

2 Сцементированный песчаник Jn*= 1,624/Т2* -0,595 0,823 70 36,2

3 Насыпной, фракция 0,1 мм Jn*= 22,43/Т2х -0,231 0,999 10 4,5

4 Насыпной, фракция 0,1 мм Jn* = 0,775/Т2* -0,138 0,999 10 3,6

5 Насыпной, фракция 0,2 мм Jn* = 81,97/Тх -2,346 0,999 10 5,1

6 Насыпной, фракция 0,2 мм Jn*= 2,268/Т2* -0,304 0,998 10 5,6

Примечание: Jn*= Jn*105 ед.СИ, Т2х - по методике Хана, Т2* - постоянная спада ССП.

Выводы

В результате анализа установлено, что в целом осадочные продуктивные отложения Пермского края характеризуются относительно слабой магнитной восприимчивостью. Однако наличие микроанома-

лий сильномагнитных пород может приводить к снижению эффективности ЯМР-методов, поэтому при планировании и проведении всех видов скважинных и лабораторных экспериментов необходимо учитывать реальную магнитную восприимчивость осадочных пород.

Библиографический список

1. Еремин В.Н., Молоставский Э.А., Перву-шова В.Е. и др. Магнитная зональность осадочных пород и пространственное распределение аутигенных минералов железа в зонах влияния УВ // Геология нефти и газа. 1986. №4. С.38-43.

2. Митрофанов В.П., Злобин А.А. Остаточная нефтенасыщенность и особенности

порового пространства карбонатных пород/ Перм. гос. тех. ун-т. Пермь, 2003. 240с.

3. Новоселицкий В.М., Проворов В.М., Шилова А.А. Физические свойства пород осадочного чехла севера Урало-Поволжья. Свердловск, 1985.131 с.

4. Скважинная ядерная геофизика: справочник геофизика / под ред. В.М.Запорожца М.: Недра, 1979. 247 с.

The Magnetic Properties Analysis of Perm Region Sedimentary Rocks

A.A.Zlobin, I.R.Yushkov

Perm State National Researching Polytechnic University. 614990, Perm, Komsomolski av., 29. E-mail: rngm@pstu.ru

Studies of sedimentary rocks magnetic susceptibility for the productive petroleum deposits of Perm Region are carried out according to core data. The groups of slightly magnetic and highly magnetic species are separately isolated. The map of highly magnetic deposits distribution is built. The templates for evaluating of the magnetic properties according to the method NMR are obtained.

Keywords: core, magnetic susceptibility, nuclear magnetic resonance.

Рецензент - кандидат геолого-минералогических наук Л.А. Гершанок