§ 3. Геофизические методы

Геофизические методы поисков и разведки объединяют разные по физическим основам методы, используемые для изучения геологическо­го строения земной коры или отдельных ее участков. Наземные, воздуш­ные и морские измерения геофизических полей осуществляются метода­ми полевой геофизической разведки в отличие от геофизических иссле­дований непосредственно в скважинах.

В зависимости от используемых геофизических полей различают гравиразведку, магниторазведку, электроразведку и сейсморазведку.

При гравиметрической разведке с помощью специальных измерений на поверхности Земли изучают очень малые возмущения (аномалии) поля силы тяжести. Эти аномалии обусловлены различием плотности гор­ных пород, слагающих геологические структуры. ,

Аномалии силы тяжести определяются как разность наблюденного g_H (приведенного к уровню моря) и нормального (теоретически рас­считанного в предположении, что Земля представляет собой геометри­чески правильное тело, состоящее из однородных по плотности концент­рических слоев) значений силы тяжести, т.е. Ag =g_H — g_Q.

Гравитационные аномалии обычно отвечают участкам развития в осадочной толще интрузий, рифовых массивов, соляных диапиров, сбросов и т д. (рис. 65,66).

Гравиметрическая съемка проводится с помощью специальных приборов (гравиметров, маятниковых приборов и гравитационных ва­риометров) при региональных поисковых работах, а в "отдельных слу­чаях и при подготовке площадей к глубокому бурению. В соответствии с этим гравиметрическая съемка подразделяется на профильную (пункты наблюдений расположены вдоль линии) и площадную.

По результатам гравиразведки строят карты и графики аномалий силы тяжести. При благоприятных условиях гравиразведка позволяет выявить структуры, перспективные с точки зрения поисков в них скоп­лений нефти и газа. Большое значение имеет и разработка методики обнаружения участков пластов-коллекторов, заполненных нефтью или газом (прямые методы), с помощью высокоточной гравиметрической съемки.

Наряду с наблюдаемыми гравитационными аномалиями в грави- разведке часто используются различные их преобразования (трансфор­мации). На преобразованных (трансформированных) гравитационных полях можно более четко выделить аномалии, обусловленные отдельны­ми геологическими структурами.

а б

Рис. 65. Аномалии силы тяжести Дg над геологическими структурами.

а — сброс; б — соляной диапир (по В.В. Федынскому)

Рис. 66. Локальные минимумы силы тяжести над куполовидными нефтеносными структурами Татарии (по В.П. Боронжу).

1 — стратоиз'огипсы, м; 2 — локальные минимумы силы тяжести

Магнитная разведка основана на различии магнитных свойств гор­ных пород. Она включает измерения полного вектора напряженности геомагнитного поля или его элементов (вертикальной, реже горизон­тальной составляющих; рис. 67), построение карт магнитных аномалий и геологическое истолкование результатов измерения. При проведении магниторазведки изучают возмущения магнитного поля, обусловленные неодинаковой намагниченностью различных горных пород.

Карты в изолиниях распределения элементов геомагнитного поля носят название магнитных. Карты аномального магнитного поля отра­жают местные отклонения геомагнитного поля от главного, изображен­ного на мировых картах масштаба 1 : 10 ООО ООО. Магнитные карты ано­мального поля имеют более крупный масштаб (например, 1:200000). Их обычно составляют по результатам аэромагнитной съемки. Особен­но интенсивные магнитные аномалии создают магматические породы основного и ультраосновного состава, магнетитовые железные руды и др. Для измерения напряженности магнитного поля применяют магнито­метры. Чаще всего измеряются относительные значения (приращения) вертикальной составляющей напряженности магнитного поля Земли AZ (наземная съемка), реже горизонтальной составляющей, а при аэромагнитных и морских съемках — модуль вектора полной напря­женности геомагнитного поля Гили его приращения AT:

Наземные съемки, как правило, производятся по прямолинейным профилям при соотношении расстояний между профилями и точками наблюдений на них от 10 : 1 до 1 : 1. При аэромагнитных и гидромаг­нитных съемках измерения производятся непрерывно или дискретно в процессе движения вдоль прямолинейных, а иногда криволинейных профилей.

По данным магниторазведки определяют глубину залегания в зем-

+ ⁷

\10

12 113

%8 9

Рис. 68. Пример выявления и прослеживания разломов по резкой смене характера магнитного поля (по В.А. Новикову, упрощенно).

Карты: а — геологическая; б - графиков вертикальной составляющей магнитного поля. 1 — рыхлые отложения; силурийские породы: 2 — эффузивно-осадочные, 3 — андезитовые порфирйты и их туфы; ордовикские породы: 4 — конгломераты, песчаники, гравелиты, 5 — песчаники, алевролиты, б — основные эффузивы и их туфы; верхнекарбоновые породы: 7 — основные интрузивы, 8 — кислые дайки; 9 — алискитовые граниты; 10 — граниты; 11 — диориты; 12 — монцониты; раз­ломы, выявленные: 13 — магниторазведкой, 14 — геологической съемкой

Рис. 67. Элементы геомагнитного поля. Свободно подвешенная магнитная стрелка уста­навливается вдоль вектора Т; Н и Z — горизон­тальная и вертикальная составляющие напря­женности геомагнитного поля; а и D — углы соответственно наклонения и склонения; на­правления: I — географического севера, II — маг­нитного меридиана, III — восточное

/ ЁЩ32 PTHj щ

ной коре геологических тел, которые служат источниками аномаль­ного магнитного поля. Осадочные породы практически не магнитны, источниками аномалий являются магматические и метаморфические породы. Поэтому магниторазведка самостоятельно, а также в комплек­се с другими геофизическими и геологическими методами применяется для изучения регионального глубинного строения, главным образом для выяснения глубины залегания и петрографического состава фундамен­та. По морфологии аномалий (пс рисунку изолиний карт магнитных ано­малий) удается оценить тип магнитоактивного тела, которым они выз­ваны, площадь этого тела и глубину залегания. Полосовидные, линейные аномалии, протягивающиеся на десятки и сотни километров, как прави­ло; отражают глубинные разломы (рис. 68), к которым часто приуроче­ны приразломные структуры (например, антиклинальные складки) в осадочной толще.

Электрическая разведка широко используется в закрытых районах при поисково-разведочных работах на нефть и газ. Она объединяет боль­шое число методов изучения геологического строения земной коры путем наблюдения особенностей распределения в ней естественных или искусственно создаваемых электромагнитных полей. Применение элект­рических методов разведки основано на дифференциации горных пород (а также нефти и газа) по электрическим и магнитным свойствам. Элек­трическое сопротивление горных пород неодинаково. У магматических и метаморфических пород оно очень высокое и измеряется сотнями и тысячами ом на метр. Высокими сопротивлениями характеризуются некоторые осадочные горные породы — каменная соль, гипс, ангидрит, низкие сопротивления у терригенных пород.

Электроразведка постоянным электрическим током (методы верти­кальных и дипольных электрических зондирований) применяется для картирования опорного электрического горизонта*при небольшой (до 2 — 2,5 км) глубине его залегания. Часто таким опорным горизонтом служит кристаллический фундамент, перекрытый проводящими порода­ми осадочного чехла, или характеризующийся высоким сопротивлением мощный горизонт в осадочной толще (соль, известняк).

Сущность вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ) (рис. 69, а, б) заключается в измерении кажущегося сопротивления, когда расстояние между питающими электродами А и В в процессе зондиро­вания последовательно увеличивается (до нескольких километров и бо­лее). В процессе зондирования дипольными установками (ДЭЗ) изме­няют расстояние между центрами питающего и измерительного диполей (рис. 69, в).

Недостатком электроразведки постоянным током является ее сравнительно небольшая глубинность, которая определяется глубиной залегания первого (от поверхности) мощного высокоомного горизонта. Этого недостатка лишены методы, основанные на использовании пере­менных искусственных электромагнитных полей. В настоящее время главными из этих методов для решения задач нефтегазовой геологии являются зондирование становлением электромагнитного поля (ЗС) и частотные зондирования. При использовании метода ЗС изучают про­цессы становления поля во времени. Глубина изучения разреза зависит от временного параметра - времени становления т. Различают зондирова­

ние становлением в ближней зоне (ЗСБЗ) и в дальней зоне (ЗСДЗ). При разведке методом ЗСБЗ (разнос электродов значительно меньше глубины залегания изучаемого горизонта) получают материалы, позво­ляющие более детально расчленять геологический разрез. С целью повы­шения детальности и глубинности изучения разреза разрабатывается методика ЗС с использованием супермощных источников электромаг­нитного поля —МГД-генераторов.

В частотных методах поле последовательно возбуждается гармони­ческим электромагнитным полем с частотами / / /_п. Глубина

изучения разреза обратно пропорциональна корню квадратному из час­тоты Я~ 1/VT

В районах с очень большой мощностью осадочного покрова (более 2,5 км) или в регионах, разрезы которых содержат высокоомные экра­ны, применяются методы, основанные на использовании естественных и искусственных электромагнитных полей. Наиболее широко при нефте- газопоисковых работах применяются магнитотеллурические методы — метод теллурических токов (ТТ), магнитотеллурическое профилирова­ние (МТП) и точечное зондирование (МТЗ). Эти методы используются главным образом для выяснения особенностей регионального строения территорий и прежде всего для оценки глубин залегания фундамента в общей мощности осадочных толщ.

о

В А

М N

N В

Рис. 69. Схемы измерения кажущегося сопротивления (а) и перемещения элек­тродов (5) при вертикальном электрическом зондировании и возможных пере­мещений электродов при дипольных электрических зондированиях (в). Приборы для измерения: 1 — силы тока в линии Л В; 2 - разности потенциалов в цепи MN

М

Сейсмическая разведка основана на изучении распространения упругих (сейсмических) волн в земной коре. Основными являются методы отраженных и преломленных волн. В основе этих методов лежит различие волновых сопротивлений (скоростей распространения упругих колебаний) в горных породах. В сейсморазведке изучают преимущест­венно продольные волны, скорость которых в горных породах изменяет­ся от 1,5 — 2 до 7 — 8 км/с. Наряду с этим внедряется метод измерения поперечных волн, которые характеризуются меньшей скоростью рас­пространения. Сейсморазведка с помощью измерения поперечных волн позволяет повысить эффективность изучения малоамплитудных структур.

Рис. 70. Схема сейсморазведочных работ ме­тодом отраженных волн.

1 — сейсмоприемники; 2 — сейсморазведоч­ная станция; 3 — взрывной пункт; 4 — мес­то взрыва; волны: 5 — прямые, 6 — отражен-

ные

В Методе отраженных волн (MOB) возбужденная взрывом или ме­ханическим воздействием сейсмическая волна, распространяясь во все стороны от источника возбуждения, последовательно достигает несколь­ких отражающих границ в земной коре — поверхностей раздела пород с разным волновым сопротивлением. На каждой из них возникает отра­женная волна, которая возвращается к поверхности Земли, где регист­рируется приборами (рис. 70). MOB позволяет изучать геологическое строение на глубинах от 0,1 — 0,2 до 7 — 10 км и определять глубины сейсмических границ с точностью до 1 — 2 %. Этим методом изучают формы геологических тел, выполненных осадочными породами, преж­де всего антиклинальные складки, обнаруживают угловые несогласия, зоны выклинивания и участки смены фаций.

Метод преломленных волн (МПВ) основан на регистрации волн, образующихся на границах слоев, отличающихся повышенной скоростью распространения упругих колебаний по сравнению с вышележащими слоями. Волна, упав на такую границу под углом полного внутреннего отражения, скользит вдоль этой границы и генерирует волну, которая возвращается к поверхности Земли. Пользуясь МПВ, можно определить глубину и форму поверхности одного или нескольких таких слоев и скорость распространения в них волн на глубинах до десятков километ­ров. МПВ применяется преимущественно при региональных работах.

Сейсмическую разведку проводят вдоль профилей, на которых с определенным интервалом расположены источники и приемники коле­баний. В качестве источников колебаний используют взрывы зарядов в неглубоких (несколько десятков метров) скважинах, вибрационные или ударные передвижные установки. Регистрацию колебаний произ­водят сейсмоприемниками, в которых механические колебания почвы преобразуются в электрические, а последние передаются (по соедини­тельным линиям или по радио) в передвижную сейсморазведочную стан­цию. На ней колебания, приходящие от каждого приемника, усиливают­ся, преобразовываются, записываются на магнитную ленту. Геологичес­кую информацию из этой записи (сейсмограммы) извлекают обработ­кой на ЭВМ, в результате которой получают так называемые временные сейсмические разрезы (рис. 71, а), которые используют при составле­нии геологических разрезов (рис. 71,6) и структурных карт.

Широко применяются высокоэффективные методы сейсморазвед- .

200 км

R(?)-pz,

EED' ra^ Qj Г7П-»

Рис. 71. Временной (а) и геологический (б) разрезы одного из участков Узбекис­тана.

1 — соленосные отложения; 2 — ангидриты; 3 — известняки; 4 — разрывные нару­шения

ки — метод регулируемого направленного приема (МРНП), метод общей глубинной точки (МОГТ), вертикальное сейсмическое профилирование (ВСП) и др.

В настоящее время разработаны следующие новые модификации сейсморазведки.

1. Высокоразрешающая сейсморазведка, основанная на расширении использования частотного состава сейсмических волн. За счет этого удается изучать пласты небольшой мощности — в несколько метров, тогда как в обычном частотном диапазоне предельная мощность пласта, от кровли и подошвы которого могут-быть зарегистрированы отражен­ные волны, составляет 20 — 30 км.

2. Многоволновая сейсморазведка, в которой наряду с продоль­ными регистрируются и используются также поперечные и обменные волны. Последние часть пути до отражающего горизонта распространяют­ся как продольные, а в обратном направлении — как поперечные, или наобррот. Использование многоволновой сейсморазведки особенно перс­пективно для решения задач прогнозирования геологического разреза.

3. Объемная (трехмерная) сейсморазведка — применяется в районах со сложным глубинным строением (несогласно залегающие границы и т.д.). В таких районах в пункт наблюдений на профиле приходят отра­женные волны, пути которых расположены не только в вертикальной, но и в наклонных плоскостях. Волны, пути которых лежат в наклонных плоскостях, называются боковыми. Для получения истинных изображе­ний геологических границ необходимы получение и последующая обра­ботка записей не по какому-либо профилю, а по площади наблюдений (пространственная сейсморазведка). Обычно результаты сейсмораз­ведки MOB — ОГТ представляют в виде динамических временных раз­резов (см. рис. 11,а). Многие интересные характеристики, которые мож­но использовать для геологической интерпретации, на таких разрезах трудно обнаружить. Разрешающую способность их можно повысить, если перейти к представлению результатов сейсморазведки в цвете.

Сейсморазведка отраженными волнами является ведущим геофизи­ческим методом при поисках и разведке нефти и газа. Она позволяет картировать антиклинальные складки в осадочных толщах — благоприят­ные для скоплений нефти и газа структурные формы, на которых затем осуществляется поисковое бурение.

Регистрируемое при сейсморазведке волновое поле содержит инфор­мацию не только о структурных особенностях изучаемого разреза, но и о многих других его характеристиках. Геологическая интерпретация регистрируемого волнового поля представляет собой основу нового направления в сейсморазведке, названного сейсмостратиграфической интерпретацией (сейсмостратиграфией). При сейсмостратиграфической интерпретации по характерным изменениям и особенностям волнового поля выявляют отдельные сейсмостратиграфические комплексы в разре­зе, получают сведения об условиях осадконакопления, обнаруживают латеральные петрофизические изменения пород разреза, выявляют стра­тиграфические несогдасия и т.п. Все эти сведения используют для прогно­зирования вещественного состава и нефтегазоносности геологического разреза.

Отдельные сейсмостратиграфические комплексы выделяют по рез­ким изменениям волновой картины. Изучение условий осадконакопле- ния (сейсмофациальный анализ) производится по характерным особен­ностям, позволяющим отличать одну группу волн от другой. Петрофизи- ческие характеристики пород устанавливают в результате анализа формы записи, интенсивности, скорости распространения волн и других парамет­ров. Для обнаружения аномалий волнового поля используют специаль­ные способы представления результатов анализа в виде разрезов ампли­туд, частот, скорости волн и т.п.

В благоприятных условиях по результатам анализа волнового поля может быть сделан прогноз нефтегазовых залежей. Основными признака­ми наличия УВ являются: изменение интенсивности волн, отраженных от кровли и подошвы нефтегазоносного пласта (наличие "яркого пятна") ; отражение от контакта нефть (газ) - вода (наличие "плоского пятна"); аномально высокое поглощение волны вследствие прохождения ее через залежь; уменьшение скорости продольных волн и др.

Следует заметить, что сейсмостратиграфическая интерпретация данных сейсморазведки находится еще на начальном этапе развития и ее результаты во многом зависят от компетентности и опыта геофизика или геолога-интерпретатора.

Прямые геофизические методы поисков залежей нефти и газа основаны на изучении таких свойств геофизических полей, которые обусловлены самими залежами. Исследованиями в СССР и за рубежом было установлено, что продуктивная часть пласта по сравнению с водо- насыщенной характеризуется пониженным (на 15 — 20 %) значением скорости распространения продольных упругих волн, а также увеличен­ным их поглощением. Водонефтяные, газоводяные и газонефтяные кон­такты в пластах имеют субгоризонтальное положение, тогда как геоло­гические границы наклонные. Применяя сейсморазведку в качестве пря­мого метода, можно выделить нефтегазоносные терригенные толщи по повышенному поглощению сейсмических волн в залежах и над ними, а также установить отражения от ВНК, ГНК и ГВК.

Установлено, что нефтегазонасыщенные толщи по сравнению с водо- насыщенными создают гравитационную аномалию вследствие меньшей их плотности. С помощью высокоточной гравиразведки можно обнару­жить и эти гравитационные аномалии, а значит и залежи, их обусловив­шие. Особенно хорошие результаты можно получить в районах развития крупных газовых залежей, высота которых достигает нескольких сот метров. Иллюстрацией сказанного может служить геолого-геофизичес­кий разрез местоскопления Хасси-Рмель (Алжир), газоконденсатная залежь которого фиксируется по отрицательной гравитационной ано­малии (рис.72).

В качестве прямого метода может также применяться и электрораз­ведка, фиксирующая при ВЭЗ увеличение кажущегося сопротивления над нефтяными и газовыми залежами. Уверенные результаты получают­ся при съемках повышенной детальности.

Радиометрия (аэрогамма-спектрометрическая и автогамма-спектро­метрическая съемки, химико-аналитические определения радиоактив­ных элементов почв) обнаруживает над нефтегазовыми местоскопле- ниями понижение значений уран-радиевой составляющей гамма-излуче-

Скв. HRS1 А

HR6

HR11 HRli Скв.Тг1

Рис. 72. Геолого-геофизический разрез местоскопления Хасси-Рмель (по JI.O. Грзде- лову и др.).

1 — пески и песчаники; 2 — глины и аргиллиты; 3 — переслаивание песчаников и аргиллитов; 4 — мергели; 5 — известняки и доломиты; 6 — ангидриты и аргил­литы; 7 — линия несогласия; 8 — соль; 9 — песчаники кварцитовые и кварциты; 10 — кристаллические породы; 11 - газоконденсат; 1 — локальная^ аномалия силы тяжести; гравитационное влияние: 2 — соленосного комплекса, 3 — поверх­ности фундамента; 4 — остаточная аномалия силы тяжести

ний почв и повышенное — ториевой. На этом основано применение радио­метрии в качестве прямого метода поисков залежей нефти и газа.

Наибольший эффект при прямых поисках можно получить в резуль­тате комплексирования разных геофизических методов.