Разработка способов и методики определения плотности горных пород по значениям гравитационного поля тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.10, кандидат технических наук Кульдеев, Ержан Итеменович

• Кульдеев, Ержан Итеменович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кульдеев, Ержан Итеменович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА

ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД ПО ЗНАЧЕНИЯМ ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЯ

1 Определение плотности пород промежуточного слоя по данным наблюдений с гравиметрами

1.1 Общий вид записи существующих формул

1.2 Графический способ Неттлетона

1.3 Способ наименьших квадратов К.В.Гладкого

1.4 Корреляционный способ определения плотности

1.5 Способ конечных разностей

2 Определение плотности масс источников гравитационного поля

ГЛАВА

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ПОРОД ПРОМЕЖУТОЧНОГО СЛОЯ ПО НАБЛЮДЕННЫМ ДАННЫМ ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЯ

1 Общая теория определения плотности пород промежуточного слоя по данным гравитационного поля

2 Определение плотности пород промежуточного слоя с применением интерполяционного многочлена Лагранжа

3 Дифференциально-интегральные способы определения плотности пород

4 Анализ погрешностей определения плотности

5 Чувствительность способов определения плотности к низкочастотным помехам

ГЛАВА

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПОРОД

ПРОМЕЖУТОЧНОГО СЛОЯ

1 Анализ возможностей применения полученных формул

2 Опробование некоторых из разработанных способов на модельных и практических материалах

2.1 Модельные примеры

2.2 Опробование на практических материалах

ГЛАВА

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ПОРОД ИСТОЧНИКОВ

ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЯ

1 Определение параметров источников поля, необходимых для нахождения плотности пород, слагающих геологический разрез

1.1 Определение глубины залегания источников аномалий

1.2 Определение параметров двухмерных горизонтальных пластов

2 Определение плотности горных пород

ГЛАВА

РЕЗУЛЬТАТЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ПАРАМЕТРОВ И ПЛОТНОСТИ ИСТОЧНИКОВ

ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЯ

1 Региональный профиль Конуртобе-Чуйский

1.1 Пример региональной аномалии

1.2 Примеры локальных аномалий

1.3 Определение избыточной плотности слоя

2 Алимбетская структура

3 Определение площади сечения источника поля

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка способов и методики определения плотности горных пород по значениям гравитационного поля»

Для стабильного развития экономики страны необходимо обеспечение ускоренного геологического изучения территории страны, увеличение запасов минеральных ресурсов, в первую очередь топливно-энергетических, развитие более быстрыми темпами прогрессивных видов геофизических и геологических исследований недр.

К таким прогрессивным методам геофизических исследований недр относятся отдельные методы полевой геофизики и, в частности один из наиболее мобильных из них — гравиразведка. Развитие этого метода и повышение геолого-экономической эффективности его применения является актуальной задачей, а ее решение в значительной степени зависит от совершенствования существующих и создания новых надежных математических методов обработки и интерпретации наблюдаемых данных.

Достоверность результатов интерпретации гравитационных аномалий в первую очередь зависит от знания истинной величины плотности горных пород. Небольшая ошибка в значении плотности приводит к значительным искажениям в результатах интерпретации. Поэтому экономическая эффективность гравиразведки также зависит от более точного определения плотности горных пород, от разработки способов, обеспечивающих такую точность. Решение этой задачи имеет важное значение для развития нефтегазовой отрасли страны.

Плотность можно определить в лабораторных условиях по образцам горных пород, отобранных в пределах исследуемой площади на обнажениях или по керну скважин, по данным гамма-гамма каротажа, гравиметрического каротажа по ее связи с другими геофизическими параметрами, например, со скоростью распространения сейсмических волн, а также по наблюдениям с гравиметрами в полевых условиях. Из всех этих методов наиболее предпочтительным является определение плотности по наблюденным значениям гравитационного поля, так как в этом случае определяется, вопервых, величина средней плотности массивов горных пород, во-вторых, значение плотности в естественных условиях их залегания.

Поэтому в данной работе рассматриваются именно вопросы определения плотности горных пород из данных наблюдений с гравиметрами в полевых условиях.

Различные стороны этой проблемы в разные годы привлекали и привлекают внимание многих исследований. Большой вклад в решение отдельных вопросов внесли Б.К. Балавадзе, JI.T. Бережная, В.М. Березкин, А.П. Букетов, Вейнберг, К.В. Гладкий, П.И. Лукавченко, Л.Д. Немцов, А.И. Пришивалко, С.А. Серкеров, В.П. Степанов, М.А. Телепин и ряд других исследователей [13, 15, 19, 29, 39, 40, 41, 66, 48, 50 и др.]

Из иностранных авторов нужно отметить Л.Л. Неттлетона, Д.С. Парасниса, К.Юнга и др.

Для определения качества способов определения плотности по гравиметрическим данным можно выделить три критерия — это простота в применении (простая ли вычислительная схема способа или громоздкая), чувствительность способов к высокочастотным помехам (к случайным погрешностям в значениях гравитационного поля и высот пунктов наблюдений) и чувствительность их к низкочастотным помехам (способность подавления значений аномалии Буге или фоновой составляющей различной сложности, имеющейся между пунктами наблюдений на отрезке профиля определения плотности). Например, известный способ Неттлетона прост, понятен в применении, но способен подавить низкочастотную помеху нулевого или первого порядка (линейный фон). Известный способ наименьших квадратов К.В.Гладкого способен подавить мешающий фон любого порядка, но громоздок и не удобен в применении. Способы, основанные на тригометрических функциях, также не удобны в применении и очень чувствительны к случайным помехам.

Все ныне существующие на практике способы определения плотности отличаются по этим критериям друг от друга. Но никто не исследовал эти способы, не сводил их воедино и не сравнивал друг с другом, отсутствует единая теория их получения и единая методика их анализа и оценки точности. Этим и вызвана необходимость более полного и более подробного рассмотрения данного вопроса.

Научной проблемой, решаемой в данной работе, является совершенствование технологии определения плотности горных пород по значениям наблюденного гравитационного поля, причем как пород промежуточного слоя, так и пород нижележащих слоев геологического разреза.

Попутно на основе аппарата спектрального анализ разрабатывается методика интерпретации гравитационных аномалий от двухмерных горизонтальных слоев, необходимая для определения плотности горизонтально залегающих комплексов пород.

Цель и задачи работы

Целью исследований, проводимых в рамках диссертационной работы, является разработка более совершенной методики определения плотности горных пород из наблюденных данных гравитационного поля.

В соответствии с поставленной целью решаются ряд конкретных задач, основными из которых являются:

1. Разработка алгоритмов и методики получения способов определения плотности пород промежуточного слоя с применением интерполяционного многочлена Лагранжа.

2. Разработка дифференциально - интегральных способов определения плотности пород промежуточного слоя.

3. Создание методики оценки погрешности определения плотности пород промежуточного слоя, связанной с наличием в исходных данных гравитационного поля и высот пунктов наблюдений высокочастотных (случайных) и низкочастотных (фоновых составляющих) помех.

4. Разработка методики определения плотности пород промежуточного слоя.

5. Получение спектральных способов определения параметров источников гравитационного поля.

6. Разработка методики определения плотности пород источников гравитационных аномалий, слагающих геологический разрез.

7. Опробование разработанных способов определения плотности и спектрального анализа аномалий на модельных и практических материалах.

Научная новизна работы

В процессе выполненной работы получены результаты, обладающие научной новизной:

1. Разработаны способы определения плотности пород промежуточного слоя с применением интерполяционного многочлена Лагранжа.

2. Предложены более устойчивые к помехам дифференциально — интегральные способы определения плотности пород промежуточного слоя.

3. Получен аналитический аппарат оценки погрешности определения плотности пород промежуточного слоя, связанной с наличием в исходных данных высокочастотных и низкочастотных помех.

4. Разработана методика определения плотности пород промежуточного слоя, включающая оценки, порядок и очередность использования полученных способов и методика обработки результатов их применения.

5. Предложена методика определения плотности пород источников гравитационных аномалий геологического разреза.

Практическая значимость исследований

Практическая значимость работы заключается в совершенствовании и развитии технологии определения плотности пород промежуточного слоя и пород источников гравитационных аномалий. Результаты исследований позволяют получать более надежные и достоверные сведения из гравиметрических данных, что подтверждается опробованием их на модельных и практических материалах, а также соответствующими расчетами и построениями. Все это обеспечивает повышение эффективности гравиразведки при поисках нефтегазоперспективных объектов. Результаты исследований могут использоваться различными геолого-геофизическими организациями при анализе и интерпретации гравитационных аномалий.

Основные защищаемые положения

1. Разработанные способы определения плотности пород промежуточного слоя, обладающие новыми возможностями, позволяют получать более надежные и достоверные сведения.

2. Разработанная методика определения плотности пород промежуточного слоя, включающая оценки, порядок и очередность использования полученных способов и методика обработки результатов их применения, позволяют проводить массовые оценки плотности промежуточного слоя различных геолого-геофизических условиях.

3. Разработанная методика определения плотности источников гравитационного поля, слагающих геологический разрез, основанная на полученных способах спектрального анализа, позволяют вести более уверенную интерпретацию аномалий силы тяжести.

Фактические материалы

Диссертационная работа базируется на результатах научных исследований кафедры "Разведочной геофизики и компьютерных систем" РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина и кафедры геофизики КазНТУ им. К.И. Сатпаева.

В основу диссертации положены теоретические, методические разработки и экспериментальные исследования автора, выполненные в течение последних 3 лет. Обобщение и анализ материалов, положенных в основу диссертации, выполнены за время стажировки на кафедре разведочной геофизики и компьютерных систем и на кафедре геофизики КазНТУ им. К.И. Сатпаева.

При выполнении диссертационной работы использовались карты гравитационного, магнитного полей, и фондовые материалы, а также опубликованные в открытой печати данные научной и технической литературы по геологии и геофизике.

Реализация и апробация работы

Основные научные и практические результаты работы обсуждались и докладывались на кафедре "Разведочной геофизики и компьютерных систем", кафедре геофизики КазНТУ им. К.И. Сатпаева, в отделе постоянного магнитного поля ИЗМИР АН (г.Троицк, Московской обл.,) в 2002-2004 годах, а также на конференциях "XVII Губкинские чтения" (2004г.), на Международной конференции «Инженерное образование и наука в XXI веке», посвященной 70-летию КазНТУ имени К.И.Сатпаева -(г.Алматы, 2004г.), Республиканской научной конференции Казахстана "Молодые ученые - будущее науки" (г.Алматы, 2004 г.),

Полученные результаты исследований используются геолого-геофизическими организациями в Казахстане при поисково-разведочных работах.

Публикации.

Основные положения диссертации изложены в семи опубликованных работах.

Объем и структура диссертационной работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Текст диссертации составляет 148 страниц, в том числе 125 страниц машинописного текста, 7 таблиц и 23 рисунков. Список литературы включает 65 наименований.

Заключение диссертации по теме «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых», Кульдеев, Ержан Итеменович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении перечислим основные результаты проведенных исследований.

1. Найден общий вид записи существующих способов определения плотности пород промежуточного слоя. На основе анализа структуры этой формулы определены общие принципы получения способов определения плотности.

2. Разработаны алгоритмы и наиболее полная методика получения формул для определения плотности пород промежуточного слоя по значениям гравитационного поля при помощи интерполяционного многочлена Лагранжа.

3. Показано, что путь получения формул определения плотности при помощи интерполяционного многочлена Лагранжа является достаточно универсальным.

Пользуясь разработанной методикой этим путем получены ряд новых способов определения плотности пород промежуточного слоя, обладающих новыми возможностями.

4. Разработана методика получения формул определения плотности пород промежуточного слоя при помощи операций дифференцирования и интегрирования. На основе этой методики также получены ряд новых способов, обладающих также новыми возможностями.

5. Получены аналитические выражения оценки погрешности определения плотности пород промежуточного слоя, связанной с наличием случайных помех в исходных значениях гравитационного поля и высот пунктов наблюдений.

6. Разработана методика оценки чувствительности способов определения плотности пород промежуточного слоя к низкочастотным региональным помехам.

7. Разработаны критерии и аналитический аппарат оценки качества способов определения плотности пород промежуточного слоя.

8. Найдены выражения оценки погрешности определения плотности пород промежуточного слоя, связанные со случайными помехами в исходных данных и с наличием низкочастотных фоновых составляющих, для каждого из полученных новых способов определения плотности.

9. Разработана методика определения плотности пород промежуточного слоя, включающая оценка, порядок и очередность использования полученных способов определения плотности и методика обработки получаемых результатов.

10. Получены ряд новых спектральных способов определения параметров источников гравитационного поля как произвольной формы, так и для горизонтальных вытянутых пластов.

11. Разработана методика определения плотности пород источников гравитационного поля, слагающих геологический разрез изучаемого района.

12. Проведено опробование всех основных из полученных способов определения плотности пород и методики их применения на модельных и практических материалах.

Проведено также опробование основных формул спектрального анализа гравитационного поля на практических материалах. В результате интерпретации получены новые геологические данные по профилю Конуртобе-Чуйский и на площади Алимбетской структуры.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кульдеев, Ержан Итеменович, 2005 год

1. Акиш Т.А. Геофизические исследования Балхашского сегмента земной коры Казахстана. —Алматы: КазНТУ, 1997.

2. Акиш Т.А., Аль-Жади Р.А. Глубинное строение земной коры и перспективы нефтегазоносности подсолевых отложений Прикаспийской впадины. -Алматы: КазНТУ, 1999, 203 г.

3. Акиш Т.А., Аль-Жади Р.А., Кульдеев Е.И. Анализ состояния сырьевой базы Прикаспийской впадины и перспективы ее нефтегазоносности. -Алматы: Вестник КазНТУ, 1997, 110 с.

4. Акишев Т.А. и др. Закономерности расположения соляных куполов — поисковый критерий подсолевых палеозойских поднятий Прикаспийской впадины. Изв.АН КазССР. Сер.геология, 1989, №1

5. Акишев Т.А. и др. Аэрогеофизическая съемка в Казахстане. Методы разведочной геофизики. -Л.: Недра, 1995.

6. Аль-Жади Р.А. Глубинное строение земной коры и перспективы нефтегазоносности подсолевых докунгурских отложений Прикаспийской впадины по сейсмическим даным. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора г.-м. наук. -Алматы, 1999, 42 с.

7. Аронов В.И. Методы построения карт геолого-геофизических признаков на ЭВМ. -М.: Недра, 1990, 301 с. с илл.

8. Бат М. Спектральный анализ в геофизике. —М.: Недра, 1980, 535 с.

9. Березкин В.М. Применение гравиразведки для поисков месторождений нефти и газа. -М.: Недра, 1973.

10. Берлянд Н.Г. Применение корреляционного метода анализа для районирвоания потенциальных физических полей. Геомагнетизм и аэрономия. Т. 11, №2, 1971, с.313-319.

11. Блох Ю.И. Количественная интерпретация гравитационных и магнитных аномалий. -М.: МГТА, 1998, 88 с.

12. Бродовой В.В. Комплексирование геофизических методов. -М.: Недра, 1991,330 с.

13. Веселов К.Е., Сагитов М.У., Гравиметрическая разведка. -М.: Недра, 1968, 512 с. с илл.

14. Веселов К.Е. Гравиметрическая разведка. -М.: Недра, 1986.

15. Вольфганг Торге. Гравиметрия. -М.: Мир, 1999, 429 с.

16. Гайнанов А.Г. Гравиметрические исследования земной коры океанов. М.: МГУ, 1980, 240 с.

17. Гайнанов А.Г., Пантелеев B.JI. Морская гравиразведка. -М.: Недра, 1991,214 с.

18. Геотектоническое районирование Казахстана по геофизическим данным. -М.: Недра, 1969.

19. Гладкий К.В. Гравиразведка и магниторазведка. -М.: Недра, 1967.

20. Гладкий К.В., Серкеров С.А. Дополнительные главы гравиразведки и магниторазведки. МИНГ им .И.М.Губкина, 1976, 61 с. с илл.

21. Гладкий К.В., Серкеров С.А. Преобразования Фурье и их приложения в гравиразведке и магниторазведке. МИНГ им.И.М.Губкина, 1974, 72 с. с илл.

22. Голиздра Г.Я. Комплексная интерпретация геофизических полей при изучении глубинного строения земной коры. -М.: Недра, 1988, 212 с.

23. Гравиразведка, Справочник геофизика. —М.: Недра, 1990, 706 с. силл.

24. Грушинский Н.П., Сажина Н.Б. Гравитационная разведка. -М.: Недра, 1988, 364 с.

25. Комплексирование методов разведочной геофизики. Справочник геофизика. -М.: Недра, 1984, 384 с.

26. Кульдеев Е.И. Геоинформационная система — современный способ изучения земной коры. -Алматы, Вестник КазНТУ, 1997, №3.

27. Кульдеев Е.И. Результаты спектрального анализа гравитационных аномалий по профилю Конуртобе-Чуйский и Алимбетской структцры. В сб.

28. Тезисы докладов на конференции XVII Губкинские чтения», -М.: РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, 2004, с.248.

29. Кульдеев Е.И. Новые возможности определения плотности пород промежуточного слоя. В сб. «Тезисы докладов на конференции XVII Губкинские чтения», -М.: РГУ нефти и газа имИ.М.Губкина, 2004, с.247.

30. Кульдеев Е.И. Об учете поправок за влажность и усадку при обработке данных определения плотности глинистых пород. В сб. «Труды Республиканской научной конференции Казахстана, том 2). -Алматы, КазНТУ, 2004.

31. Кульдеев Е.И. Определение плотности горных пород по гравиметрическим данным. В сб. «Труды Республиканской научной конференции Казахстана, том 2. -Алматы, КазНТУ, 2004.

32. Кульдеев Е.И. Новые способы определения плотности пород промежуточного слоя. Труды международной конференции «Инженерное образование и наука в XXI веке», посвященной 70-летию КазНТУ имени К.И.Сатпаева Алматы: КазНТУ, 2004, том 1, с.272-283.

33. Кульдеев Е.И. и др. Специальные вопросы геофизические исследования нефтяных и газовых скважин. (Учебное пособия) Алматы, «Комплекс» 2004г.

34. Кунин Н.Я. Комплексирование геофизических методов при геологических исследованиях. -М.: Недра, 1972,272 с.

35. Курскеев А.К Справочник физических свойств горных пород Казахстана. -Алмата, Наука, 1983,288 с.

36. Логачев А.А., Захаров В.П. Магниторазведка. -Л.: Недра, 1973, 350 е., с илл.

37. Луговенко В.Н. Статический анализ аномального магнитного поля. -М.: Недра, 1974,200 е., с илл.

38. Магниторазведка. Справочник геофизика. -М.: Наука, 1990, 470 е.,с илл.

39. Маловичко АК., Костицын В.И., Тарунина О.Л. Детальная гравиразведка на нефть и газ. -М.: Недра, 1989,224 е., с илл.

40. Маловичко АК., Костицын В.Н. Гравиразведка. -М.: Недра, 1992,357 с.

41. Немцов Л.Д. Высокоточная гравиразведка. -М.: Недра, 1967, 237 е.,с илл.

42. Никитин А.А. Статические методы выделения геофизических аномалий. -М.: Недра, 1979,280 е., с илл.

43. Никитин А.А. Теоретические основы обработки геофизической информации. -М.: Недра, 1986, 342 е., с илл.

44. Серкеров С.А. Определение плотности пород по гравиметрическим данным. -М-: Недра, Труды МИНХ и ГП им.И.М.Губкина, вып.50, 1964, с.148-152 с.

45. Серкеров С.А. Корреляционные методы анализа в гравиразведке и магниторазведке. -М.: Недра, 1986,274 с.

46. Серкеров С.А. Спектральный анализ в гравиразведке и магниторазведке. -М.: Недра, 1990,279 е., с илл.

47. Серкеров С.А. Теория гравитационного и магнитного потенциалов. -М.: Недра, 1988,304 е., с илл.

48. Серкеров С.А. Гравиразведка и магниторазведка. -М.: Недра, 1999, 437 е., с илл.

49. Серкеров С.А. Теория потенциала в гравиразведке и магниторазведке. -М.: Недра, 2000, 350 е., с илл.

50. Серкеров С.А. Спектральный анализ в гравитационных и магнитных аномалий. -М.: Недра, 2002, 437 е., с илл.

51. Серкеров С.А., Кульдеев Е.И. Определение плотности пород промежуточного слоя по наблюдениям с гравиметрами с применением интерполяционного многочлена Лагранжа. Изв. вузов. Нефть и газ., 2005, №3

52. Серкеров С.А., Кульдеев Е.И. Определение плотности пород промежуточного слоя по наблюдениям с гравиметрами с применением дифференциально-интегральных приемов анализа полей. Изв. вузов. Нефть и газ., 2004, №4, с. 4-9.

53. Страхов В.Н. К вопросу о неоднозначности решения обратной задачи гравиметрии. —В кн.: Прикладная геофизика, -М., 1972, вып.69, с. 115140.

54. Страхов В.Н., Лапина М.И. О неоднозначности решения обратной задачи магнитометрии. —В кн.: Магнитные аномалии земных глубин. —Киев, Наукова думка, 1976, с. 185-200.

55. Страхов В.Н., Лапина М.И. Определение интегральных характеристик возмущающих масс аппроксимационным методом в задачах гравиметрии и магнитометрии. Изв. АН СССР, серия физика Земли, -М.: Наука, 1975, №4, с. 40-75.

56. Страхов В.Н. Линейный анализ потенциальных полей. Прикладная геофизика, вып.83,1976, с.115-130.

57. Судариков Ю.А., Серкеров С.А., Холин А.И., Шрайбман В .И., Использование геолого-геофизических данных для изучения региональной тектоники нефтегазовых областей. —М: Недра, 1976, 168 с.

58. Тархов А.Г., Бондаренко В.М., Никитин А.А. Комплексирование геофизических методов. -М.: Недра, 1982.

59. Уразаев Б.М. Физические свойства горных пород и геофизические поля. -Алмата, изд. «Наука» Казахской ССР, 1971, 246 с.

60. Уразаев Б.М., Кульдеев Е.И. Физические свойства горных пород (учебное пособие). -Алматы, КазНТУ, 2002.

61. Уразаев Б.М., Кульдеев Е.И. Петрофизика (учебное пособие). — Алматы, КазНТУ, 2003.

62. Харитонов A.JI. Применение элементов корреляционной теории для анализа и интерпретации аномального магнитного поля. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. -М.: ИЗМИРАН, 1984, 255с.

63. Хмелевский В.К. Геофизические методы исследования земной коры. -Дубна, изд.МУПОР, 1997, 267 с.

64. Яновский Б.М. Земной магнетизм. —Л.: ЛГУ, 1978, 591 с.

65. Spector A. And Crant F.S. Statistical models for interpreting airomagnetic date/ Geophysics. V.35. №2, April 1970.