Геологическая деятельность ледников

3

План:

1. Геологическая деятельность ледников.

2. Экзогенные (поверхностные) процессы минералообразования.

3. Типы залежей нефти и газа.

4. Краткая характеристика геофизических методов разреза скважин.

Литература.

1. Геологическая деятельность ледников.

Движение ледников. Существенная особенность льда - пластичность, способность течь под давлением. Движение ледника во многом аналогично движению водного потока, отличаясь несравненно меньшими скоростями. Давление в леднике бывает огромным, так как мощность льда в горных глетчерах достигает нескольких сотен метров, а толщина ледниковых покровов Гренландии и Антарктиды достигает 3-3,5 км. В нижней части ледника лёд становится текучим и движется в область с меньшим давлением. Поэтому в полярных странах движущиеся ледники возникают даже на ровной поверхности.

Абсолютная скорость течения льда колеблется от 0,25 мм/час до 1,25 м/час. Но лёд реагирует на мгновенные напряжения как твёрдое хрупкое тело. Поэтому в толще льда часты трещины, особенно в верхней части. Среди них различают поперечные и продольные. Поперечные трещины возникают вследствие трения льда о склоны. Располагаются по краям ледника, направлены косо к берегу и вниз по течению. Продольные трещины возникают в местах расширения ледниковой долины и растекания льда. Особенно густые они на конце языка, в виде веера.

Лёд в леднике расходуется путём таяния (абляция) и меньше - путём прямого испарения в атмосферу. Таяние происходит в основном с поверхности, но частично и у дна под действием давления, которое сильно понижает точку плавления льда. Так, при давлении 2200 кг/см2 лёд может таять даже при температуре - 22°С. Образующиеся талые воды стекают по поверхности ледника, проникают в трещины, движутся на глубине вдоль них, по каналам, протаянным в толще льда. Нередко такие подлёдные и внутрилёдные воды находятся под значительным гидростатическим давлением, иногда выбрасываются из трещины в виде фонтанов. Во льду талые воды могут образовывать резервуары, или карманы с значительными объёмами воды. Так, в 1892 году в Альпах возник карман, содержавший 100 тыс. кубометров воды. Карман внезапно прорвался, вода ринулась с высоты 3000 м, было снесено 2 селения.

Главная форма расхода льда в ледниках, спускающихся в море - обламывание глыб (айсбергов), уносимых течениями.

Типы ледников и оледенения.

Ледники в настоящее время покрывают площадь в 16199 тыс. км2, или около 11% поверхности суши. Из них:

Особенности и морфология ледников зависят от рельефа, условий питания, стадии их развития. Различают несколько морфологических типов ледников и, в свою очередь, типов оледенений. Прежде всего, это горные и материковые оледенения.

Горные оледенения развиваются в горах выше снеговой линии. Встречаются на всех широтах. Могут слагаться из ледников различных типов, что зависит от высоты гор, площади питания ледника, характера рельефа.

Неполно развитые ледники, почти лишённые языка и практически состоящие из одного фирнового бассейна, так и называются фирновыми (каровыми).

К ним близки висячие ледники, имеющие небольшой язык, выходящий из фирнового бассейна, но не доходящий до дна долины. Поскольку они характерны для горных стран со слабым развитием оледенения, в частности, для Пиренеев, такой тип ледника называется пиренейским.

Более крупные ледники, достигающие в длину десятков километров, обладающие хорошо выраженной областью питания, длинными языками, занимающими дно долины, называют долинными ледниками, или ледниками альпийского типа (Альпы, Кавказ и др.).

В высоких горах с глубокими узкими долинами, острыми пиками условия для образования больших фирновых полей отсутствуют. Снег со склонов сразу скатывается на дно долин, превращаясь здесь в лёд. Подобные безфирновые долинные ледники, как и тип оледенения, называются памирскими.

При мощном оледенении и низкой снеговой границе языки соседних долинных ледников могут выходить на поверхность прилегающей равнины, сливаясь при этом и образуя сплошной ледниковый покров. По леднику Маляспина в районе залива Якутат на Аляске (площадью около 3800 км2) этот тип называется маляспинским типом ледников подножий.

Для высоких широт характерен скандинавский тип оледенения, когда из развившегося на высоких горных плато обширного фирнового поля площадью в сотни и тысячи км2 в разные стороны отходят многочисленные короткие ледниковые языки долинных ледников. Примером может служить массив Юстедаль (юг Норвегии) площадью 943 км2 (площадь главного ледяного щита около 640 км2). Этот тип является переходным к материковому.

Материковые оледенения развиты в полярных странах, где снеговая граница проходит на уровне моря или чуть выше него, поэтому лёд и фирн формируются даже на поверхности низменных равнин. Льды мощной толщей одевают обширнейшие пространства, даже континенты. В настоящее время в чистом виде материковое оледенение существует только в Гренландии и Антарктиде. Площади этих ледниковых щитов указаны выше; мощность в центре гренландского ледникового покрова достигает 3400 м, антарктического - в среднем 2-4 км.

В ледниковых щитах Гренландии и Антарктиды сосредоточены огромные запасы пресной воды. Если бы в результате потепления климата весь материковый лёд растаял, уровень Мирового океана повысился бы на 66,3 м.

2. Экзогенные (поверхностные) процессы минералообразования.

В поверхностной зоне земной коры происходит мощный процесс разрушения минералов и горных пород. Совокупность явлений химического и физического разрушения носит общее название выветривания.

Процессы выветривания. Процессы выветривания приводят к механическому разрушению и химическому разложению пород и минералов.

Агентами выветривания являются вода и ветер, колебания температуры вблизи поверхности, кислород и углекислота воздуха, жизнедеятельность организмов. Интенсивность выветривания также зависит от климата, рельефа местности, химического состава пород и минералов.

В результате физического выветривания происходит механическое разрушение пород и минералов - их дезинтеграция.

Обломочный материал либо остаётся на месте, либо переносится водными потоками. Новых минералов при этом не образуется, но в результате механического разрушения, переноса и отложения образуются россыпи - важный источник многих ценных минералов.

При химическом выветривании происходит химическое разложение минералов и образуются новые минералы, устойчивые в поверхностных условиях.

3. Типы залежей нефти и газа.

В основе большинства разработанных к настоящему времени классификаций залежей нефти и газа лежат генезис и строение заключающих залежи ловушек и природных резервуаров. Однако эти признаки характеризуют в первую очередь не собственно залежи нефти и газа, а природные резервуары или содержащие их элементы земной коры. Поэтому описание подобных классификаций дается в разделах, специально посвященных указанным элементам.

Ниже приводятся классификации залежей по вязкости, плотности нефтей и содержанию в них серы при давлении 0,1 МПа и температуре 20 °С:

Нефти Вязкость, мПа-с

Маловязкие <5

Средневязкие 5--10

Повышенной вязкости 10--30

Высоковязкие >30

Нефти Плотность, кг/м3

Легкие <870

Средние 870--910

Тяжелые <910

Нефти Содержание серы, %

Малосернистые <0,5

Сернистые 0,51--1,9

Высокосернистые >1,9

В пластовых условиях физико-химические параметры УВ подвержены существенным изменениям (табл. 1).

Природные газы по составу УВ подразделяются на сухие и жирные. Сухие газы состоят преимущественно из метана, содержание этана и пропана--в пределах нескольких процентов, более тяжелые УВ отсутствуют (или встречаются в десятых и сотых долях процента). Жирные газы содержат УВ от метана до декана, а также следы УВ от С11 до C16. Конденсат представляет собой смесь УВ -- пентана и тяжелых гомологов метана, находящихся в газообразном состоянии в пластовых условиях. Пример классификации залежей УВ по их фазовому состоянию приведен в табл. 2.

Пока не создано обоснованной классификации залежей по их энергетической характеристике. Н.А. Еременко в 1968 г. предложил выделять семь групп залежей (табл. 2), увязывая их с внутренней энергией залежи (рис. 2). Перечисленные группы залежей представляют собой непрерывный ряд с постепенными взаимными переходами. В условиях земной коры при изменении геологической обстановки или при разработке возможен переход некоторых залежей из одной группы в другую.

Для разработки залежей большое значение имеет режим пласта, который определяется энергией, обеспечивающей движение нефти в пласте к забоям скважин. Продвижение нефти к забоям скважин может осуществляться под действием: 1) силы тяжести нефти, газа и конденсата; 2) упругого напора газовой залежи или газовой шапки; 3) расширения растворенного газа; 4) расширения сжатой нефти; 5) напора законтурных вод; 6) расширения сжатой воды; 7) упругих сил породы Короновский Н.В., Ясаманов Н.А. Геология. - М.: Академия, 2003.

. Как правило, в пласте все эти силы действуют одновременно, поэтому часто наблюдаются смешанные режимы.

Естественные режимы могут быть обусловлены внутренней и внешней энергией (по отношению к залежи). Внутренняя энергия обеспечивается силой тяжести, напором газовой залежи (газовой шапки), энергией растворенного газа и расширения сжатой нефти. Внешняя энергия-- это напор и упругость законтурных вод и упругие силы породы.

Следует иметь в виду, что в процессе разработки человек может активно влиять на режим пласта, изменяя его по своему усмотрению.

Естественные режимы, существование которых обусловлено энергией, заключенной непосредственно в залежи (внутренней энергией), могут быть увязаны с классификацией залежей по содержанию в них нефти, газа и конденсата (см. рис. 2).

Таблица 1

Классификация залежей УВ по физико-химической характеристике нефти (Г.Ф. Требин, Н.В. Чарыгин, Т М. Обухова, 1980 г.)

Рис. 2. Классификация залежей по содержанию в них нефти, газа, конденсата и по естественным режимам.

I--VII -- группы залежей

Режимы: 1-- гравитационный; 2 -- растворенного газа; 3 -- упругий газовой шапки; 4 -- упругий

Таблица 2

Классификация и номенклатура залежей УВ по фазовому состоянию и количественному соотношению газа, нефти и конденсата (В.Г. Васильев, Н.С. Ерофеев, С.С. Коробов и др., 1966 г.).

В качестве попытки разностороннего рассмотрения залежей следует представить классификацию залежей УВ по следующим признакам Справочник по геологии нефти и газа /Под ред. Еременко Н.А. - М.: Недра, 1984. - С. 214-215..

Таблица 3

Классификация залежей по содержанию в них нефти, газа и конденсата

4. Краткая характеристика геофизических методов разреза скважин.

Геофизические исследования скважин (ГИС) - это методы геологической и технической документации проходки скважин, основанные на изучении в них различных геофизических полей. Такое традиционное понимание ГИС привело к созданию самостоятельной научно-прикладной отрасли геофизики, которую называют термином каротаж или промысловой, буровой геофизикой. В более широком смысле ГИС - не только документация результатов бурения, с радиусом обследования до 1 - 2 м, но и изучение околоскважинных пространств путем исследования полей в скважинах, а также между ними и земной поверхностью при дальности в десятки и сотни метров. Интенсивное применение ГИС объясняется тем, что эти методы позволяют более эффективно организовывать разведку и эксплуатацию месторождений. Они обеспечивают резкое сокращение отбора образцов при бурении (керна), давая даже больше информации о разрезе, чем при сплошном отборе керна, сокращая при этом стоимость и время бурения.

Геофизические методы исследования скважин предназначены для изучения геологического разреза и, в частности, выявления пластов разной литологии, определения углов и азимутов их падения, выделения полезных ископаемых в разрезах, а также оценки пористости, проницаемости, коллекторских свойств окружающих пород и их возможной нефтегазоносной продуктивности. Специальной аппаратурой производится контроль технического состояния скважин (определение их диаметров, искривления, наличия цемента в затрубном пространстве и др.), а также прострелочно-взрывные работы в скважинах (отбор образцов из стенок, перфорация обсадных колонн). Физические свойства горных пород, определяемые в результате исследования в скважинах, служат не только для непосредственного получения той или иной геологической информации, но и для интерпретации данных полевой геофизики.

При геофизических исследованиях в скважинах используются все поля и методы, применяемые и в полевой геофизике. Однако между ними имеются существенные различия, которые определяются специфическими условиями технологии работ в скважинах. Для изучения разрезов скважин применяются электрические, ядерные, термические, сейсмоакустические, магнитные, гравиметрические методы. Измеряемые в скважинах с помощью датчиков те или иные параметры физических полей преобразуются в электрические сигналы, которые по кабелю подаются в так называемые каротажные станции. В них они автоматически регистрируются при подъеме кабеля с глубинным прибором и датчиком поля, производимом со скоростью от 200 до 5000 м/ч.

Эффективность скважиной геофизики очень велика, особенно в нефтяной и структурной геологии, где бурение всех скважин сопровождается проведением геофизических исследований. Широко применяются они при поисках рудных и нерудных ископаемых. При инженерно-гидрогеологических исследованиях скважинные геофизические методы решают такие задачи, как изучение пористости, обводненности, фильтрационных свойств пород и, наряду с отбором керна, служат для геологической документации разрезов.

Сейсмоакустические методы исследования скважин.

Сейсмоакустические методы исследования скважин основаны на изучении времени пробега упругих волн по породам, окружающим стенки скважин, от пункта возбуждения до сейсмоприемников. По способу возбуждения упругих волн и частоте колебаний различают сейсмический и акустический методы или виды каротажа.

Сейсмические методы.

При сейсмическом каротаже упругие волны возбуждаются с помощью взрывов или электрических дуговых разрядов, а время прихода колебаний частотой 50 - 200 Гц измеряется при разном погружении сейсмоприемников по стволу скважины. Как отмечалось в 12.2, с помощью сейсмического каротажа определяются пластовые и средние скорости распространения упругих волн, необходимые для интерпретации результатов полевой сейсморазведки. Результаты можно использовать и для документации разрезов по изменению упругих свойств, пористости, плотности пород.

Акустические методы.

При акустическом каротаже возбуждение упругих колебаний частотой 10 - 20 кГц и 20 кГц - 2 Мгц производится с помощью магнитострикционных (или иных) излучателей. Упругие колебания измеряют с помощью двух пьезоэлектрических сейсмоприемников, расположенных по одной линии на расстояниях 0,5 - 2 м друг от друга и от излучателя (рис.). Между излучателем и ближайшим приемником устанавливается звукоизолятор, например, из резины, препятствующий передаче упругих колебаний по зонду. Все перечисленные приборы вместе с электронным усилителем принятых колебаний размещаются в скважинном снаряде акустического каротажа. Остальная аппаратура располагается в каротажной станции. Акустический каротаж выполняется как в необсаженных скважинах, заполненных жидкостью, так и в обсаженных скважинах. Радиус исследования пород от оси скважины не превышает 0,5 - 1 м.

Рис. Схема аппаратуры акустического каротажа: а - скважинный снаряд; б - кабель; в - наземная аппаратура; 1 - излучатель; 2 - генератор импульса; 3 - акустический изолятор; 4 - приемники; 5 - электронный усилитель; 6 - блок-баланс; 7 - усилитель; 8 - регистратор; 9 - блок питания

Наиболее простой способ акустических исследований - каротаж скорости, когда автоматически регистрируется кривая изменения времени пробега прямой или головной волны между двумя приемниками. Поскольку расстояние между приемниками постоянно, то кривая времени является фактически обратным графиком изменения скорости. При каротаже по затуханию измеряется амплитуда упругой волны и ослабление сигнала между двумя приемниками.

Скорость распространения упругих волн зависит от упругих модулей пород, их литологического состава, плотности и пористости, а величина затухания - от характера заполнителя пор, текстуры и структуры породы. На акустических диаграммах высокими значениями скоростей распространения упругих волн выделяются плотные породы - магматические, метаморфические, скальные, осадочные. В рыхлых песках и песчаниках скорость тем ниже, чем больше пористость. Наибольшее затухание (наименьшая амплитуда сигнала) наблюдается в породах, заполненных газом, меньше затухание в породах нефтенасыщенных, еще меньше - у водонасыщенных.

Рис. Общий вид диаграммы скорости (а) и амплитуды (б) при акустическом каротаже: 1 - породы средней пористости, сухие; 2 - породы средней пористости, влажные; 3 - породы высокой пористости; 4 - породы низкой пористости, плотные.

Акустический метод применяется для расчленения разрезов скважин по плотности, пористости, коллекторским свойствам, а также для выявления границ газ - нефть, нефть - вода и определения состава насыщающего породы флюида. Кроме того, по данным этого метода можно судить о техническом состоянии скважин и, в частности, о качестве цементации обсадных колонн.

Другие методы геофизических исследований скважин.

Термический метод.

При термическом (или геотермическом) каротаже вдоль ствола скважины непрерывно регистрируется температура среды. Для термических исследований чаще всего применяют электрические термометры (или термометры сопротивлений) разных марок и регистрирующее устройство обычной каротажной станции.

На температуры в скважинах искажающее влияние могут оказывать разные причины: изменение диаметра скважины, потоки воздуха или буровой жидкости, нагрев породы после бурения и др. Эти факторы необходимо учитывать или исключать при выявлении температурных аномалий.

Термический каротаж подразделяется на методы естественных (МЕТ) и искусственных (МИТ) тепловых полей. Кривая изменения естественных температур пород в скважине и рассчитанный по ней геотермический градиент каждого i-го пласта зависят от теплового потока и теплопроводности слагающих пород . В случае горизонтального залегания пород тепловой поток по стволу скважины остается практически постоянным, и по графику геотермического градиента легко выделить породы с разной теплопроводностью.

Рис. Общий вид скважинных термограмм тепловых полей, естественного (а) и искусственного (б) при температуре бурового раствора, меньшей температуры породы: 1, 3 - термограммы; 2 - график геотермического градиента; 4 - глины; 5 - пески сухие; 6 - пески влажные; 7 - песчаники

При изучении искусственных тепловых полей буровая жидкость или вода в скважине подогревается или охлаждается. Периодически измеряют температуру по стволу скважины до установления нормальных температур. В результате выявляются аномалии.

Термические исследования применяют для изучения тепловых потоков в земной коре, изучения границ распространения мерзлых пород, выявления в разрезах скважин газо-, нефте- и водоносных пород, углей, различных руд, определения мест притоков газа, нефти, подземных вод, оценки скоростей фильтрации подземных вод и решения ряда других задач. Методы искусственного теплового поля применяют в основном для изучения пористости пород и их фильтрационных свойств.

Магнитный и гравитационный скважинные методы.

1. В магнитном скважинном методе (магнитном каротаже) изучается либо магнитная восприимчивость пород , окружающих ствол скважины, либо изменения вертикальной составляющей геомагнитного поля с помощью скважинных магнитометров. По магнитограммам можно судить о местоположении и мощности слоев с повышенными магнитными свойствами. Магнитный каротаж применяется при изучении разрезов скважин, для выявления железных, полиметаллических руд с вкрапленностью ферромагнитных минералов, а также выделения пластов песчаников, кварцитов, изверженных пород. Ценное преимущество этого метода - возможность выявления высокомагнитных руд, расположенных в стороне (от 1 до 30 м) от скважины.

2. К магнитному близок метод ядерно-магнитного каротажа (ЯМК), в котором изучается свободная прецессия протонов жидкости, окружающей ствол скважины (см. 5.1). Этот метод может применяться для изучения коллекторских свойств пород и их водонасыщенности.

3. При гравиметрических исследованиях в скважинах (гравиметрическом каротаже) вдоль ствола скважины через 50 - 100 м с помощью специальных скважинных гравиметров измеряется приращение силы тяжести с глубиной. Гравиметрический каротаж может проводиться как в необсаженных, так и в обсаженных скважинах. В результате обработки кривых вдоль ствола скважины можно определить среднюю плотность пород в естественном залегании на разных глубинах и в радиусе нескольких метров от оси скважины.

Геофизические исследования в скважинах служат для геологической документации разрезов при бескерновом бурении и дают сведения о литологии пород, наличии тех или иных полезных ископаемых, мощности отдельных пластов, коллекторских, фильтрационных свойствах, пористости окружающих пород и т.п.

Интерпретация данных скважинных геофизических исследований часто бывает качественной, т.е. по графикам тех или иных параметров, полученных вдоль ствола скважины. Визуально выделяются аномалии (минимумы, максимумы, средние, нулевые значения и др.). По ним оценивается местоположение пластов с разными физическими свойствами, а затем дается геологическое истолкование разреза.

Литература

Волков В.Н. Основы геологии горючих ископаемых. - СПб., Изд-во С-Пб. ГУ, 1993.

Родыгин С.А. Геология. - М.: Недра, 1993.

Романович И.Ф. Промышленные типы месторождений неметаллических полезных ископаемых. - М.: Недра, 1982.

Романович И.Ф. Месторождения неметаллических полезных ископаемых. - М., Недра, 1986.

Справочник по геологии нефти и газа / Под ред. Еременко Н.А. - М.: Недра, 1984. - 480 с.