Исследование температурной зависимости удельного электрического сопротивления и ЯМР-характеристик мерзлых пород Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 550.8.052

DOI: 10.18303/2618-981X-2018-3-66-73

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ И ЯМР-ХАРАКТЕРИСТИК МЕРЗЛЫХ ПОРОД

Никита Александрович Голиков

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории скважинной геофизики; Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, доцент кафедры геоинформационных систем, тел. (383)363-80-31, e-mail: GolikovNA@ipgg.sbras.ru

Анастасия Сергеевна Юнашева

Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, магистрант, тел. (383)363-80-31, e-mail: nastya.yunasheva@mail.ru

Мария Йоновна Шумскайте

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории скважинной геофизики, тел. (913)482-41-37, e-mail: ShumskaiteMI@ipgg.sbras.ru

Исследованы гранулометрические, электрические и ядерно-магнитные свойства мерзлых пород из скважин, пробуренных в Омулевой лагуне и озере Гольцовом, полуостров Быковский. Результаты показывают: разрез скважин состоит из множества слоев различной литологии, что обуславливает различие физических свойств. Вода в породе, кроме верхних слоев, находится в связанном состоянии, что подтверждается измерениями зависимости УЭС от температуры и данными ЯМР.

Ключевые слова: мерзлая порода, удельное электрическое сопротивление, водосо-держание, гранулометрический состав, глинистость, ЯМР-спектрометрия.

INVESTIGATION OF THE TEMPERATURE DEPENDENCE OF THE SPECIFIC ELECTRICAL RESISTANCE AND NMR CHARACTERISTICS OF FROZEN ROCKS

Nikita A. Golikov

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Senior Researcher, Laboratory of Borehole Geophysics; Novosibirsk State Technical University, 20, Prospect K. Marx St., Novosibirsk, 630073, Russia, Associate Professor, Department of Geographic Information Systems, phone: (383)363-80-31, e-mail: GolikovNA@ipgg.sbras.ru

Anastasia S. Yunasheva

Novosibirsk State Technical University, 20, Prospect K. Marx St., Novosibirsk, 630073, Russia, Graduate, phone: (383)363-80-31, e-mail: nastya.yunasheva@mail.ru

Mariya Y. Shumskayte

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, Ph. D., Researcher, Laboratory of Borehole Geophysics, phone: (913)482-41-37, e-mail: ShumskaiteMI@ipgg.sbras.ru

Specific electrical resistance and NMR spectra of frozen rocks upon freezing has studied. Rock samples from wells from Yomullakh-Kyuel' Lagoon and Lake Golzovoje drilled on the Bykovsky Peninsula were analyzed. It is revealed that the properties of the samples varies at different depths.

Key words: frozen rock, specific electrical resistance, water content, gran size distribution clay, NMR-spectrometry.

Вечная мерзлота охватывает 65 % территории России и довольно широко распространена в северной части. Деградация вечной мерзлоты связана с изменением климата, ее состояние определяет изменение ландшафта и устойчивость различных сооружений. Комплексные исследования свойств мерзлых пород необходимы для прогнозирования изменений ландшафта, вызванных изменениями климата [1].

В 2017 г. проводилась совместная Российско-Германская комплексная экспедиция на Быковский полуостров, находящийся на севере, в 40км от поселка Тикси. Одной из целей экспедиции было исследование прибрежных мерзлых пород, с этой целью были пробурены скважины в лагунной (скв. PG 2410, Омулевая лагуна) и материковой части полуострова (скв. PG2412, пресноводное озеро Гольцовое).

Со скважины в лагуне с глубины от 1,2 до 30,5 м было отобрано 30 образцов, характеризующие основные литологические и структурные свойства пород. Разрез представлен иллитом, алевритом, глиной с песком и мерзлым крупнозернистым песком. На озере Гольцовом отобрано 18 образцов с глубины от 5,50 до 36,03 м, где в основном преобладает глина и мелкозернистый песок.

Комплекс исследований включал измерения водосодержания, определения гранулометрического состава, измерения УЭС (удельное электрическое сопротивление) и ЯМР.

Гранулометрический состав определялся на лазерном анализаторе. УЭС мерзлых пород измерялось двухэлектродным методом с помощью прибора LCR-78105G. Измерения проводились на частоте 1 кГц, температура контролировалась встроенным датчиком DS18B20. ЯМР-спектрометрия выполнена на релаксометре «МСТ-05».

Образцы выдерживались в термостате при температуре, соответствующей глубине отбора мерзлой породы.

Удельное электрическое сопротивление изменяется в обеих скважинах от 0,6 до 2,76 Ом*м (скв. PG2410) и от 4,6 до 63,1 Ом*м (скв. PG2412) (рис. 1), что говорит о крайне неоднородном разрезе. При этом сохраняется общая тенденция к увеличению с глубиной, что связано с уменьшением водосодержания (рис. 2).

Гранулометрический состав пород частично представлен на рис. 3, 4.

Гранулометрический состав пород из обеих скважин неоднороден, встречаются прослои содержащие все фракции от пелитовой до крупнозернистого песка с включениями гальки и прослои с однородным распределением с выраженным максимумом. Общей закономерностью является наличие в верхней части разреза отложений иллита, в середине разреза переслаивание слоев с раз-

личным грансоставом, которое сменяется к низу интервала крупнозернистым песком с незначительным присутствием остальных фракций.

Рис. 1. Зависимость удельного электрического сопротивления и температуры

от глубины

й К 5 Ю

£

10

20

30

Водосодержание, % 10 20 30

40

50

40

Омулевая лагуна

Гольцовое озеро

0

0

Рис. 2. Зависимость водосодержания от глубины

Рис. 3. Гранулометрический состав пород скважины № 2412

Как видно из рис. 5, содержание глины в породах в зависимости от глубины изменяется в широких пределах. Наибольшее содержание ее наблюдается на глубине 22,15 в скв. PG2410 и на глубине 14,75 в скв. PG 2412, где порода представлена плотной глиной.

Измерения сопротивления пород в процессе замораживания показали [3], что экспоненциальный рост УЭС начинается с уменьшением температуры ниже ? = - 2,5 °С, что свидетельствует о том, что замерзание воды в породе происходит при этой температуре (рис. 6).

о

К о

К)

Доля, %

-а

Интегральная кривая

Доля, % о ю о\

'О?

о

Интегральная кривая,

%

Доля, % о ^

О 1ч) О) 00 н

О О О О О

о

Интегральная кривая, %

51

к

X

рэ

0\ о

Ь\

Доля, % о ^ о ^

о

о_

2 л

РЭ О

О ^

н к

р г

г+

0 >:

| ¥ К й

« Й: ::

№ ШЗ ::::: :::■:

\ у

§§г

^плшУппппХппппс N

О Ы ^ а\ ОО и

о о о о о о

Интегральная кривая, %

51

О)

к

X

РЭ

ю 'вр.

Доля, %

о

(5

2 V?

о чз

л

рэ

О

н к

£ ф.

я

Зг

й :■ №

| Ае

нш : : 8

Щк

«К

«я» й» \

Э

О Ы О! 00 и

о о о о о о

Интегральная кривая, %

Содержание глины, %

0 10 20 30 40 50 60

40

Рис. 5. Распределение глины в скважине PG 2410 и PG2412

150 120 90 О 60

¡Г) 30 0

10

-5 0 5

Температура, °С

10

15

Рис. 6. Изменение УЭС образца Р02410-9 с глубины 10 м в процессе замораживания

В ходе эксперимента были выполнены ЯМР-измерения мерзлых грунтов скважины № 2410 при 0 °С и при -6 °С. Метод ЯМР позволил определить следующие свойства пород [2, 4]: общее водородосодержание (Н1), которое зависит от литологии (содержания глинистой фракции); распределение по временам поперечной релаксации (Т2), соответствующее распределению пор по размерам; доли свободного (FFI), капиллярно-связанного (ВУ1) и глинисто-связанного (CBW) флюидов, зависящие от гранулометрического состава.

В таблице приведены основные ЯМР-характеристики исследуемых образцов.

ЯМР-характеристики образцов скважины № 2410

№ обр. Литописание Н1, % ББ!, % БУ] [, % СБШ, %

0 °С -6 °С 0 °С -6 °С 0 °С -6 °С 0 °С -6 °С

1 Иллит черный, включения органики 56,98 36,78 0,1 0,1 62,0 27,9 37,9 72

5 Иллит с включениями песка 44,40 33,43 0,3 0,5 7,8 0 91,9 99,5

9 Песок глинистый 44,81 43,42 0,2 0,2 46,1 41,2 53,7 58,6

Из таблицы видно, что при замораживании у образца 2410-1 водородосо-держание уменьшается в 1,5 раза, в 2 раза уменьшается доля капиллярно-связанной воды, а доля глинисто-связанной воды увеличивается в 2 раза. Это означает, что часть воды, находящейся в образце замерзает, а часть переходит в прочно-связанное состояние. Для образца 2410-5 характерны те же изменения, но в меньшей степени. Замораживание образца 2410-9 не приводит к существенным изменениям его параметров, что свидетельствует о том, что в этом образце вода не замерзает.

На рис. 8 приведены спектры по временам поперечной релаксации образцов 2410-1 и 2410-9 при разных температурах.

Рис. 7. Распределение по временам поперечной релаксации для образцов 2410-1 и 2410-9 при температурах 0 °С и -6°С

Как видно из рис. 7, с понижением температуры образца 2410-1 амплитуда его спектра уменьшается в 1,9 раза, время релаксации - в 1,8 раза. Спектры времен релаксации образца 2410-9 при разной температуре практически одинаковы. Это свидетельствует, что состояние воды в порах не изменяется.

Изменения в образце 2410-1 можно объяснить большим водосодержанием (32 %), при котором часть воды находится в свободном состоянии и замерзает при охлаждении.

Результаты исследований петрофизических и электрофизических свойств образцов горных пород из скважин полуострова Быковский показывают:

1. Гранулометрический состав пород сильно изменяется с глубиной, что обуславливает изменчивость водосодержания и удельного электрического сопротивления;

2. Вода в образцах, кроме верхних слоев, находится в связанном состоянии и начинает замерзать при температуре ниже -2,5 оС, что подтверждается измерениями зависимости УЭС от температуры и данными ЯМР спектроскопии.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Романовский Н. Н., Хуббертен Х. В., Гаврилов А. В., Тумской В. Е., Холодов А.Л. Вечная мерзлота Восточно-Сибирского арктического шельфа и прибрежных низменностей // Четвертичные обзоры науки. - 2004. - C. 1359-1369.

2. Шумскайте М. Й., Глинских В. Н. Экспериментальное исследование зависимости ЯМР-характеристик от удельной поверхности и удельного электрического сопротивления песчано-алевритоглинистых образцов // Геология и геофизика. - 2016. - Т. 57. - № 10. -С.1911-1918.

3. Юнашева А. С., Голиков Н. А. Исследование температурной зависимости удельного электрического сопротивления мерзлых пород // Science. Research. Practice: тезисы Всерос. науч.-практ. конф. аспирантов и магистрантов. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2017. -С. 67-70.

4. Howard J. J. Quantitative estimates of porous media wettability from proton NMR measurements // Magnetic Resonance Imaging. - 1998. - Vol. 16. - № 5. - P. 529-533.

REFERENCES

1. Romanovskij N. N., Hubberten H. V., Gavrilov A. V., Tumskoj V. E., Holodov A.L. Vechnaya merzlota Vostochno-Sibirskogo arkticheskogo shel'fa i pribrezhnyh nizmennostej // Chetvertichnye obzory nauki. - 2004. - C. 1359-1369.

2. Shumskajte M. J., Glinskih V. N. Eksperimental'noe issledovanie zavisimosti YaMR-harakteristik ot udel'noj poverhnosti i udel'nogo elektricheskogo soprotivleniya peschano-alevritoglinistyh obrazcov // Geologiya i geofizika. - 2016. - T. 57. - № 10. - S. 1911-1918.

3. Yunasheva A. S., Golikov N. A. Issledovanie temperaturnoj zavisimosti udel'nogo elektricheskogo soprotivleniya merzlyh porod // Science. Research. Practice: tezisy Vseros. nauch.-prakt. konf. aspirantov i magistrantov. - Novosibirsk : Izd-vo NGTU, 2017. - S. 67-70.

4. Howard J. J. Quantitative estimates of porous media wettability from proton NMR measurements // Magnetic Resonance Imaging. - 1998. - Vol. 16. - № 5. - P. 529-533.

© Н. А. Голиков, А. С. Юнашева, М. Й. Шумскайте, 2018