Сейсмоэлектрика

Сейсмоэлектрика (СЭ) рассматривается как геофизический метод, позволяющий выйти на новый уровень познания реальной геологической среды - получение информации об ее энергетическом состоянии и о строении горных пород. При воздействии на геологическую среду упругим полем (естественного или искусственного происхождения) в областях ее энергетической неустойчивости происходят необратимые изменения физических параметров, в частности, удельного сопротивления (СЭ эффект первого рода). Эти изменения могут быть зафиксированы электроразведочными методами и могут дать интерпретатору сведения о наличии в разрезе таких неустойчивых зон (например, активных разломов), которые необходимо учитывать при инженерных работах или рассматривать как наиболее чувствительные индикаторы при геодинамическом мониторинге.

Основное внимание в работах Лаборатории уделяется развитию СЭ метода, основанного на эффекте второго рода – частичному преобразованию энергии упругого поля в горных породах в электромагнитное (ЭМ). Наиболее распространенным механизмом таких механо – электрических преобразований, присущим практически любой горной породе является обратный электроосмос. Кратко, суть этого явления заключается в следующем. Под действием сейсмического поля в пористой водосодержащей горной породе возникает относительное движение жидкости и твердого скелета породы. Поскольку вода в породе всегда содержит ионы растворенных солей, то в силу избирательной ионной адсорбции на границе твердой и жидкой фаз жидкость и скелет породы оказываются противоположно заряженными, и их относительное движение приводит к возникновению стороннего электрического тока. Этот сторонний ток порождает ЭМ поле. Наблюдение и интерпретация этого явления может дать геофизику сведения о пористости и проницаемости горных пород, о типе и содержании в ней флюида, о его минерализации. Эти сведения особенно ценны в нефтепромысловой, гидрогеологической и экологической геофизике (в ее полевом и каротажном вариантах). Работа, проводимая Лабораторией в этой области, носит комплексный характер и сочетает в себе теоретические, аппаратурно - методические, экспериментальные (полевые и каротажные) и лабораторные исследования.

Теоретические исследования: К настоящему времени, в основном, разработана математическая теория, достаточно адекватно описывающая СЭ эффект 2 рода в пористой флюидосодержащей среде. Она базируется на работах Я. Френкеля, Био (M. Biot), Прайда (S. Pride) и сотрудников Лаборатории (совместно с В. Губатенко (Саратовский ГТУ)). Ее основу составляет последовательное решение задач упругих колебаний в пористой двухфазной среде, электрокинетики и электродинамики. Разработанная теория позволяет проводить расчеты СЭ поля (сейсмического и порожденного им ЭМ полей) в моделях различной конфигурации. Созданы программы расчета СЭ поля в горизонтально слоистых (применительно к полевой СЭ) и цилиндрически слоистых (применительно к СЭ каротажу) средах, слои которых различаются между собой по совокупности упругих (модули упругости твердой и жидкой фаз), флюидодинамических (пористость, проницаемость, вязкость), электрокинетических (плотность поверхностного заряда или дзета-потенциал) и электрических параметров. Основную информацию о внутреннем строении горных пород несут т. н. сейсмоэлектрические передаточные функции, представляющие собой отношение спектров электрического и упругого полей. Анализ полученных решений и проведенные расчеты позволяют обоснованно проектировать и интерпретировать экспериментальные СЭ работы.

Полевые экспериментальные работы: В Лаборатории разработан и прошел широкое полевое опробование экспериментальный образец полевой 24-канальной СЭ аппаратуры. Аппаратура предназначена для неглубинных (до 100 м) геофизических исследований с гидрогеологическими и экологическими целями. Многоканальная аппаратура позволяет синхронно регистрировать компоненты сейсмического (12 каналов) и электрического (12 каналов с гальванической развязкой) полей, порождаемых каким-либо источником упругого поля (ударами кувалды). Регистрация проводится с дискретизацией 0,25 мс в динамическом диапазоне 24 двоичных разрядов. Синхронизация с возбудителем осуществляется по радиоканалу. На основе теоретических и расчетных работ и накопленного экспериментального опыта определены оптимальные технологические схемы полевых исследований.

Сейсмоэлектрический каротаж:

Лаборатория имеет опыт сейсмоэлектрических исследований в скважинах, проводимых в двух направлениях:

- изучение СЭ поля и определение сейсмоэлектрических передаточных функций горных пород (СЭ эффект 2 рода);

- изучение изменения физических свойств геологической среды в результате воздействия на нее упругого поля (СЭ эффект 1 рода).

В Лаборатории разработана и создана аппаратура для проведения сейсмоэлектрических исследований в скважинах. В состав ее входит:

- электронный блок, размещенный в охранном кожухе;

- зондовая часть, в которую входят излучающий акустический преобразователь, приемные акустические преобразователи, приемные электроды.

Рабочий диапазон частот – 1-10 кГц. Для регистрации используется серийная каротажная станция. Разработанная аппаратура опробована в двух, различных по своему геологическому строению, скважинах глубиной от 500 до 3000 м. Результаты проведенных скважинных исследований показали возможность измерения сейсмоэлектрического поля в реальных геологических условиях и связь определяемых сейсмоэлектрических передаточных функций с геологическим разрезом.

Для выявления возможности прогнозирования на основе сейсмоэлектрических передаточных функций горных пород параметров, связанных со строением их порового пространства и типом флюидонасыщения, а также определения места сейсмоэлектрических измерений в уже существующем комплексе изучения скважин нужны специально ориентированные экспериментальные исследования.

Лабораторные исследования: В Лаборатории разработан и создан компьютеризированный сейсмо-электрический измерительный комплекс, позволяющий проводить экспериментальные исследования на образцах горных пород. С его помощью осуществляется:

- измерение СЭ передаточных функций горных пород;

- изучение зависимости СЭ передаточных функций от литотипа и строения порового пространства пород, а также характера и типа насыщающего его флюида;

- установление корреляционных связей СЭ передаточных функций с основными петрофизическими параметрами горных пород и их флюидонасыщенностью.

Сейсмо-электромагнитный измерительный комплекс включает в себя установку для измерения СЭ сигналов, блок управления, генератор периодической последовательности прямоугольных импульсов тока, компьютер.:

Лабораторные измерения проводятся по следующей схеме - напряжение с импульсного генератора тока подается на акустический излучатель, упругие колебания с которого передаются на образец, помещенный в измерительную ячейку. Измеряемые акустическим датчиком и электродами сейсмический и электрический сигналы поступают в блок управления для усиления и фильтрации, а затем - на компьютер. Динамический диапазон регистрации – 12 двоичных разрядов.

В состав установки для измерения СЭ сигналов входит измерительная камера, в которую помещаются образцы, акустические излучатель и приемник, кольцевые приемные электроды, прижимное устройство с регулировкой и измерением прижимного давления, стальной корпус, экранирующий электрические помехи. Установка позволяет проводить измерения как в низкочастотной (60 – 2000 Гц), так и в высокочастотной полосах частот (2000 – 60000 Гц).

Результаты лабораторных измерений показали:

- достаточно тесную корреляционную зависимость сейсмоэлектрических

передаточных функций горных пород от а) литотипа ; б)петрофизических

параметров; в) типа и степени флюидонасыщения их порового пространства.

Широкий частотный диапазон, обеспечиваемый установкой, позволяет получать данные, которые можно использовать как при интерпретации результатов полевых геофизических исследований, так и при каротажных исследованиях скважин.

Приглашаем к сотрудничеству:

- по проведению СЭ полевых работ для решения гидрогеологических и экологических задач;

- по усовершенствованию имеющегося в лаборатории ЦГЭМИ скважинного прибора и программного обеспечения для регистрации и обработки получаемых данных;

- по проведению цикла измерений в гидрогеологических и нефтяных скважинах.

- по проведению лабораторных исследований СЭ эффекта 2 рода на образцах (кернах) горных пород.

На договорной основе могут быть разработаны полевая и каротажная СЭ аппаратура, снабженная методическими указаниями и программным обеспечением для интерпретации.

Предложения по проведению лабораторных исследований:

- измерение сейсмоэлектрических передаточных функций горных пород;

- измерение скорости распространения упругих колебаний.

Лаборатория заинтересована в проведении скоординированных исследовательских работ по любому из вышеперечисленных направлений.

Основные публикации:

1. Светов Б.С., Губатенко В.П.. Электромагнитное поле механо-электрического происхождения в пористых влагонасыщенных горных породах: I. Постановка задачи. Физика Земл, 1999, № 10, с.67-73.

2. Светов Б.С. К теоретическому обоснованию сейсмоэлектрического метода геофизической разведки // Геофизика, 2000, №1, с.28-39.

3. Агеева О.А., Светов Б.С., Шерман Г.Х., Шипулин С.В., 1999, Сейсмоэлектрический эффект второго рода в горных породах: Геология и геофизика, 40, 8, 12-51-12-57.

4. Светов Б.С., Агеев В.В., Александров П.Н. и др. Некоторые результаты экспериментальных полевых сейсмоэлектрических исследований. Геофизика, 2001, № 6, С. 15-23.

5. Светов Б.С., Агеева О.А., Лисицын В.С. Скважинные исследования сейсмоэлектрических явлений // Геофизика, 2001, №3, с.44-48

6. Озерков Э. Л., Агеева О. А., Осипов В. Г., Светов Б. С., Тикшаев В. В. О влиянии вибровоздействия на электрические свойства геологической среды. Геофизика. 1998. №3. С. 30-34.