Льдистость и пористость мерзлых грунтов Харасавэйского ГКМ по данным электроразведки

Котелевец Дмитрий Владиславович техник-геофизик, ООО "НПЦ Геоскан" 129110, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1 Kotelevets Dmitriy Vladislavovich Geophysical Technician at the scientific production center "Geoskan" 129110, Russia, Moscow, ul. Leninskie Gory, 1 dmkotelevets@gmail.com Другие публикации этого автора

Скобелев Алексей Денисович инженер-геофизик, ООО "НПЦ Геоскан" 119991, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1 Skobelev Aleksey Denisovich Geophysic Engineer at Scientific Production Center "Geoskan" 119991, Russia, Moscow, ul. Leninskie Gory, 1 askobelev.msu@gmail.com

Введение

В настоящее время большая часть вновь открываемых месторождений полезных ископаемых располагается в полярных широтах. Старые легкодоступные месторождения истощаются и консервируются, вынуждая исследовать север. Как известно, 65% территории России являются областью распространения многолетнемерзлых пород. Эксплуатация месторождений и ведение хозяйственной деятельности на этих территориях невозможны без знания физических свойств таких пород. Информация о физических свойствах мерзлых грунтов может быть применена при любых инженерных работах: прокладки трубопроводного транспорта и подземных коммуникаций, проектирования нефте- и газохранилищ, строительстве жилых поселков и т.д.

Мерзлыми грунтами называются породы, характеризующиеся отрицательной температурой и наличием льда, заполняющего пустоты, поры и трещины. Это очень важно, поскольку основным компонентом, обеспечивающим прохождение тока через горную породу, является содержащаяся в ней жидкость и растворенные в ней ионы.

Факторы, влияющие на сопротивление породы можно записать в виде формулы Дахнова ^[9] :

ρ= Pп∙ Pв ∙ Pγ ∙ Pt ∙ ρв ,

где ρ –сопротивление породы, Pп – параметр пористости, Pв - параметр влажности, Pγ - параметр глинистости, Pt – температурный параметр, ρв – сопротивление находящейся в породе воды.

При температуре выше начала замерзания электрические свойства слабо зависят от температуры, но при переходе через эту температурную отметку в свойствах происходят значительные изменения ^[2]. При замерзании породы часть поровой воды переходит в лед, по свойствам являющийся диэлектриком. Происходит сужение и уменьшение количества токопроводящих каналов, увеличивается их извилистость, а также происходит общее уменьшение активности ионов. Таким образом, отношение значений сопротивлений мерзлых и талых пород может достигать нескольких единиц в глинах (процент прочносвязанной воды намного больше, чем в породах с более крупным гранулометрическим составом) и может превышать три порядка в песках и грубодисперсных породах.

Актуальность проблемы изучения многолетнемерзлых пород объясняет появление множества работ, посвященных геофизическим исследованиям в северных широтах и высокогорный районах. Первые шаги в области изучения электрических свойств мерзлых грунтов были сделаны в середине XX в. Первые разработки геофизических методов исследования криолитозоны принадлежат А.А.Петровскому ^[5] и В.К.Хмелевскому ^[8]. В дальнейшем развитием электроразведки в многолетнемерзлых породах занимались такие ученые как Ю.Д.Зыков ^[3], В.С.Якупов ^[11], А.Д.Фролов ^[7]. На сегодняшний день для изучения мерзлых толщ применяются такие методы электроразведки постоянным током, как ЭТ ^{[13],[15],[16],[18]} или метод ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) ^[14] и методы высокочастотной электроразведки – георадиолокация ^[12],[17].

Объекты и методы

Объектом исследований на территории Харасавэйского газоконденсатного месторождения (ГКМ) были мерзлые грунты, залегающие на глубинах до 50 м. Работы, проводились летом 2015 г. и выполнялись методом электротомографии (ЭТ) с разносами от 7.5м до 221.5м, что позволило достичь требуемой глубинности.

Для выполнения измерений использовалась электротомографическая станция «Омега-48» (производитель ООО «Логические системы», г. Раменское). К прибору была подключена коса, разбитая на два участка по 24 электрода. Данная станция является многоканальной, что значительно повышает скорость работ, позволяя выполнять одновременно до десяти измерений. В этом случае ток подается с одной питающей линии, а пара приемных электродов может быть выбрана произвольно. В результате была рассчитана точность измерений, которая составила примерно 0.1%.

Метод электрических сопротивлений, лежащий в основе метода ЭТ, базируется на изучении пространственного распределения удельного электрического сопротивления в грунтовых массивах. При пропускании тока через питающие электроды А и В в проводящей геологической среде создается электрическое поле. Одновременно, на другой (измерительной) паре электродов M и N регистрируется разность потенциалов. Глубина проникновения электрического тока вглубь грунтового массива определяется расстоянием между питающими и приемными электродами ^[1]. При этом увеличение расстояния между ними ведет к увеличению глубины исследования.

Основными признаками, которые отличают ЭТ от традиционной методики вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ) и других модификаций электроразведки, являются, прежде всего: технология съемки с использованием многоэлектродных кос, использование самых разнообразных электроразведочных установок и двумерная инверсия данных с помощью специального программного обеспечения.

Для уточнения геологического строения разреза в исследуемом районе была пробурена скважина. Геологический разрез является типичным для западного берега Ямала ^[4] и представлен переслаиванием песков и суглинков (см. табл. 1)

Таблица 1 - Общая литологическая колонка района исследований Харасавэйского ГКМ

(по данным бурения и данных из ^[4])

Криотекстура грунтов в верхней части разреза преимущественно тонко- и среднешлировае, а начиная с глубин около 25 м - массивная.

Результаты и обсуждение

Интерпретация полученных данных выполнялась в два этапа. На первом этапе производился анализ кривой ВЭЗ, в качестве априорной геологической информации использовалась колонка инженерно-геологической скважины (табл. 1). На втором этапе интерпретации была поставлена задача выявить пористость пород.

Рис. 1. Геоэлектрический (сверху) и геолого-геофизический (снизу) разрезы, полученные на исследуемом участке Харасавэйского ГКМ

Кривая ВЭЗ типа К (кривая соответствующая трехслойной модели, где высокоомный слой находится между двумя слоями с меньшими сопротивлениями) является типичной для участка работ (рис. 1). Однако, по данным скважины известно, что существует еще один переходный слой песка с мощностью 18 м, залегающий между самым высокоомным слоем и породами основания разреза. Таким образом, кривая ВЭЗ интерпретировалась как кривая KQ (рис. 2, табл. 2).

Первый от поверхности слой имеет мощность около 5 м. Согласно данным бурения, данный слой представлен светло-серыми и серыми суглинками с тонкошлировой криотекстурой. Удельное сопротивление этого слоя по результатам анализа кривой ВЭЗ составляет 500 Ом·м.

Рис. 2. Экспериментальная кривая ВЭЗ (черная), теоретическая кривая ВЭЗ (красная), псевдокаротажная кривая (синяя)

Таблица 2 - Подобранная модель с учетом кажущихся сопротивлений и скважинных данных. -удельное сопротивление, h – мощность слоя, цифрами слева указан номер слоя (сверху-вниз).

Ниже по разрезу располагается высокоомный слой, имеющий сопротивление 13000 Ом·м. Опираясь на данные бурения, его можно рассматривать как сочетание трех слоев: мелкого серого песка, подстилающего его слоя ледогрунта (70%) с песчаным заполнителем (30%) и лежащего еще ниже слоя песка. Общая мощность по скважине составляет 15 м. По результатам инверсии мощность слоя варьирует от 20 до 35, а сопротивления находятся в диапазоне от 3000 до 15000 Ом·м. На разрезе сопротивлений данный слой выделен красным и оранжевым цветом.

Под высокоомным слоем залегает слой песков мощностью от 10 до 15 м в разных участках профиля. Сопротивление слоя 2000 Ом·м. По данным исследования керна, кровля этого слоя залегает на глубине 24,2 м, а его мощность составляет 15 м. Стоит так же отметить наличие небольшого (3 м) переходного слоя темно-серых суглинков, залегающих между слоем ледогрунта и описываемым слоем песков.

В основании разреза залегает самый низкоомный слой (170 Ом·м), представленный серыми суглинками. Достаточно высокое для суглинка сопротивление объясняется наличием редких прослоев льда, мешающих прохождению тока сквозь породу.

Для выявления коэффициента пористости была рассчитана палетка (рис. 3), где различные кривые соответствуют разным параметрам глинистости (или пористости для песков), по оси Х отложены различные минерализации содержащихся в породах жидкостей, а по оси У отложены сопротивления. Палетка была получена в программе PETRO (А.А.Рыжов, В.А. Шевнин). Модель основана на использовании строгих формул физико-химической теории для двойного электрического слоя на границе твердой и жидкой фаз ^[10]. Для вычисления удельного электрического сопротивления пород используется модель, состоящая из песчано-глинистого скелета и системы пор определенного размера, заполненных водными растворами с различной минерализацией. Помимо солей при расчёте учитывается наличие в жидкой фазе глинистых частиц, которые могут располагаться как по стенкам пор, так и в самих порах в виде пробочек ^[6].

Рис. 3. Графики зависимости сопротивления от минерализации. Различными линиями и цветами показаны литологические разности, цифрами возле кривых показано значение глинистости и значение пористости (для песков значение глинистости = 0 и цифрой показана пористость породы)

По палетке видно, что первый слой с сопротивлением 500 Ом·м при минерализации 0.04 г/л соответствует супеси с 2% глинистости и 24% пористости, находящемуся в талом состоянии, однако по результатам исследования керна верхние 5 м представлены суглинками с видимой льдистостью 15-20%. Сопротивление такой породы тоже будет находиться на уровне 400-600 Ом·м, поэтому этот вариант будет выбран более реальным.

Второй слой контрастно отличается по сопротивлениям от выше- и нижележащих слоёв и обладает сопротивлением 13000 Ом·м, что позволяет точно сказать, что он является мерзлым. Используя палетку можно сказать, что данный слой является не полностью замёрзшим песком. Пористость песка в талом состоянии – 25%, при минерализации 0.04 г/л минерализации такой песок обладает сопротивлением около 1100 Ом·м. Таким сопротивлением обладает песок с 4% пористостью, то есть песок обладает температурой, при которой больше 80% порового пространство заполнено непроводящим льдом. Мощность слоя непостоянна. В западной части этот слой можно считать горизонтальным, его мощность составляет порядка 30 м. В восточной же части профиля (ПК 400+) наблюдаются изменения геоэлектрического разреза. Непрерывность высокоомного слоя в этой области нарушается на значительную (порядка 30 м) глубину. Мерзлый слой с высокими сопротивлениями в восточной части разреза уходит вниз, а над ним образуется линза с низким (70 Ом·м) сопротивлением. Вероятно, причиной этому стало развитие криопэга – высокоминерализованной подземной воды с отрицательной температурой, залегающей ниже подошвы многолетнемерзлых пород. Криопэги могут так же встречаться в меж- и надмерзлотной области ^[4]. Такие подземные воды формируются в результате отжатия при промерзании легкорастворимых соединений и образования мощных зон, содержащих хлоридные натриевые (реже хлоридные кальциевые и магниевые) рассолы. В результате отжатия и концентрирования легкорастворимых солей в процессе промерзания формируются высокоминерализованные напорные криопэги, не замерзающие даже при температуре -8 °С и ниже ^[4]. Анализ кривой ВЭЗ на ПК 482.5 м показал возможность наличия линзы песка с аномально низким сопротивлением около 40 Ом·м. В зависимости от пористости песка минерализация внутрипоровой воды при этом должна составлять 2 и более мг/л. При этом, минерализация воды на поверхности, по данным резистивиметрии имеет значение порядка 0.04 г/л.

Третий слой мощностью 18 м на основании анализа керна преимущественно является песком, это подтверждается его сопротивлением 2000 Ом·м. Таким сопротивлением может обладать мерзлый песок с пористостью 18%. Таким образом, этот и вышележащий слоя являются мерзлыми, но данный слой обладает более высокой температурой, при которой замерзают только самые крупные поры. В центральной части профиля мощность третьего слоя песков уменьшается, кровля нижележащего слоя суглинков при этом поднимается ближе к поверхности.

В основании разреза залегают серые суглинки с сопротивлением 170 Ом·м. В общем случае, такое сопротивление имеют супеси, находящиеся в талом состоянии, однако, по данным скважины нам известно, что слой обладает видимой льдистостью 5%. Такой процент замерзания объясняется тем, что температура, при которой замерзают тонкие поры суглинка (-70 °C) не может достигаться на такой глубине, поэтому замерзание происходит по заполненным водой трещинам. Этим объясняется достаточно высокое сопротивление для суглинка.

Заключение

Метод низкочастотной электроразведки ВЭЗ в модификации электротомографии ЭТ позволяет получать электрические свойства пород и их распределение в пространстве. Различия свойств пород могут быть вызваны разной литологией, разной минерализацией подземных вод, а так же талым или мерзлым состоянием. При температуре ниже 0^оС часть поровой воды переходит в лед. Увеличение сопротивления породы связано с уменьшением проводящего ток раствора. При замерзании песка сначала замерзают более крупные поры, это приводит к общему уменьшение пористости. Так, если в незамерзшем состоянии при сопротивлении около 800 Ом·м грунт изученного участка Харасавэйского ГКМ имеет пористость 25%, то при частичном замерзании его сопротивление возрастёт до 2000 Ом·м, что соответствует 18% пористости или льдистости равной 7%. Таким образом, измеряемый электроразведкой параметр сопротивления может быть использован для определения степени промерзания грунтов.

На полученном электротомографическом профиле изученного участка Харасавэйского ГКМ был выделен мерзлый слой песка, однако его промерзание в пределах исследуемой области не является сплошным – в восточной части зона промерзания песков уменьшается из-за наличия озер, затрудняющих промерзание пород. Кроме того, на исследуемом профиле была обнаружена гидрогеологическая аномалия по своей форме и свойствам напоминающая криопэг, образованный в надмерзлотной области.