Петрофизика

Петрофизика как наука сформировалась к 60-м годам XX века. Термин «петрофизика» в научный оборот ввёл Ф. Фрёлих в 1953 году. В СССР в её появление и развитие внесли вклад В. Н. Дахнов, А. С. Семёнов, А. И. Забровский, Н. Б. Дортман, В. М. Добрынина, Е. И. Леонтьева, М. Л. Озерской, С. К. Семенова, Б. А. Андреев, М. П. Воларович, К. А. Гамбурцев, И. И. Гурвич, С. Г. Комаров, А. А. Логачев, Е. А. Любимова, Л. Я. Нестеров, Н. Н. Пузырев, А. Г. Тархов, В. В. Федынский, Я. Н. Френкель и другие. Первый учебник по петрофизике в СССР вышел в 1962 году (автор — В. Н. Кобранова). За рубежом фундаментальные исследования проводились Гасем А. Арчи, Ф. Гассманом, М. Вилли, И. Феттом, С. Акимото, Ф. Берчем, Ф. Берне, М. Э. Био, В. Вакье, В. Винзауэром, Х. Джеффрисом, Т. Нагата, и другими учёными. Один из первых электрических каротажей, проведённый Конрадом и Марселем Шлюмберже в 1920 году, послужили основой для развития многих направлений в области анализа каротажей. С 30-х по 60-е года XX века были заложены основы знаний в таких областях наук о Земле, как петрология, науки о полезных ископаемых, литологии, гидрогеологии, геокриологии, инженерной геологии и других, а также разработана и испытана специальная аппаратура для измерения основных петрофизических величин. В этот период параллельно с развитием наук о Земле происходило расширение и углубление теоретических знаний в области теории электропроводности, радиоактивности, упругости горных пород, моделирование физико-химических процессов, протекающих в доступном слое Земли, развит математический аппарат, с помощью которого можно вычислять и сравнивать с экспериментальными данными многие петрофизические величины, значения которых были определены для широкого круга групп геологических пород. На основе полученных данных была осуществлена классификация пород^[2] по их физическим свойствам, составлены карты намагниченности пород СССР, плотности мезозойских отложений Западной Сибири, и других территорий. Изучение петрофизических величин позволило установить их парные связи для однотипных, одновозрастных плотных отложений и массивов пород. Необходимость поиска парных (корреляционных) связей обусловлена задачами по определению петрофизических величин, необходимых для подсчёта запасов полезных ископаемых.

В СССР исследования в области петрофизики проводились во многих научно-исследовательских организациях, например, лабораториях МИНГ им. И. М. Губкина, ВНИИГеофизики, Научно-исследовательском геологическом институте (ВСЕГЕИ), СНИИГГмМС, ИФЗ АН СССР, Институте геофизики АН УССР, ГИН АН СССР, МГИ, и прочих.

В Российской Федерации созданы Центры коллективного пользования, в частости, «Петрофизика, геомеханика и палеомагнетизм», организованный на базе структурных подразделений Института физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН (ЦКП ИФЗ РАН), имеющий в своём распоряжении передовое научно-исследовательское оборудование и уникальные методики, что определяет возможность решения широкого спектра прикладных и фундаментальных задач в сфере наук о Земле на высоком мировом уровне^[3].

Министерство труда и социальной защиты Российской Федерации 29 июня 2017 года утвердило профессиональный стандарт «Специалист-петрофизик» № 534Н.

Петрофизика опирается на исследования в физике, минералогии и петрографии, общей геологии и физике горных пород, литологии, коллоидной и физической химии, математической статистики и является основой для геофизических исследований скважин и интерпретации получаемых данных. С развитием компьютерной техники и информационных технологий получило развитие направление компьютерного моделирования петрофизических процессов и создание автоматизированных систем интерпретации экспериментальных данных, получаемых в процессе исследований и промышленной добычи и производства^[4]. Начиная с первой четверти XXI века накопленный массив данных и постоянно пополняющиеся сведения, получаемые от различной аппаратуры, установленной в ряде мест геологических изысканий сделало возможным возникновение динамической петрофизики, наблюдение геологических процессов во времени и построения петрофизических моделей, объясняющих их поведение^[5].

Литосфера Земли состоит из горных пород трёх основных групп: магматические, осадочные и метаморфические породы. Физические свойства пород этих групп существенно различаются как между группами, так и внутри пород, относящихся к одной группе. Различают однородные и однофазные горные породы и минералы, их физические свойства в бо́льшей степени обусловлены агрегатным состоянием, химическим составом, строением и структурой образующих их элементов и другими. Физические свойства гетерогенных и многофазных горных пород, кроме химического состава, определяются неоднородностью, влияющей на ёмкостные, капиллярные, газо- и гидродинамические особенности. В результате геофизических исследований получают данные, позволяющие обобщить их от относительно небольших объёмов изученного материала до уровня построения физико-геологических моделей изучаемых областей литосферы регионального уровня и выше. В результате выстраивается модель геологического и петрофизического строения участка земной поверхности с целью организации поиска месторождений полезных ископаемых, их оценки и использование уже на этапе строительства и эксплуатации. На основании полученных данных и их анализа составляются петрофизические карты (петромагнитные, петроплотностные, и другие), петрофизические разрезы на основе сейсмических данных по геотраверсам, расчёты плотностных характеристик по гравиметрическим снимкам, учёт высоких температур и давлений при расчётах, и т. д.

В процессе изучения петрофизических свойств и характеристик выделяют простые, или монофизические, и сложные петрофизические группы пород. В петрофизическую группу включают набор пород, образовавшихся и претерпевших преобразования при сходных термодинамических условиях и характеризующихся близкими физико-механическими свойствами. Помимо этого, сформированы петрофизические группы характеристик и параметров по их физической природе.

При решении основной задачи петрофизики физические свойства и петрофизические характеристики классифицируются, в основном, в следующие группы:

• Ёмкостная группа параметров (пористость, влагоёмкость);
• Капиллярная группа параметров (газо-, водо- и нефтепроницаемость^[6]);
• Плотностная группа параметров (плотность всех фаз горных пород — твёрдой, жидкой и газовой);
• Электрическая группа параметров (электропроводность, электрическое сопротивление, диэлектрическая проницаемость, и др.);
• Магнитная группа параметров (намагниченность, температура точки Кюри, магнитная восприимчивость пород, и др.);
• Ядерная группа параметров (радиоактивность, нейтронная активность, и др.);
• Группа параметров упругости (упругие характеристики, особенности деформации, способность к изменению формы, передача упругих колебаний, и др.);
• Группа параметров прочности (прочность, параметры сжатия, растяжения, разрыва, сдвига, и др.);
• Группа параметров пластичности (параметры пластичности пород и их комплексов, и др.).

Но основе изученных данных и характеристик в петрофизике горная порода представляется как гетерогенная термодинамическая многокомпонентная и многофазная система. Предметом изучения петрофизики являются горные породы и их литографические и петрофизические свойства и характеристики.

Методы петрофизики делятся на экспериментальные^[7] и теоретические (математические)^[8]. Результаты, полученные в петрофизике, и оформленные в виде петрофизической модели, лежат в основе построения физико-геологических моделей как одна из составляющих, наряду с геологической моделью и моделью физических полей. Петрофизическая модель (ПФМ) характеризует распределение физических свойстве в плане, разрезе и пространстве. Для построения петрофизических моделей широко используется множественный нелинейный регрессионный анализ (в частности, нефтегазоносных пластов на основании геоинформационной системы, ГИС).

Отдельной задачей петрофизики является определение возраста горных пород. Для её решения выделяются минералы-геохронометры, присутствующие в породах в небольшом количестве. Исследуемая порода дробится до необходимой степени дисперсности порошка (${\displaystyle 0,1\div 0,3\;{\text{мм}}}$) и из полученного объёма сепарируется минерал-геохронометр с помощью жидкостей с большой плотностью. Плотность жидкости подбирается таким образом, чтобы в ней всплывали нужные лёгкие частицы породы, а тяжёлые оставались в осадке. Существует способ, в котором используются специальные магниты, поле которых позволяет сепарировать материалы, обладающие магнитными свойствами. Выделенные минералы-геохронометры с помощью мощного лазерного излучения частично испаряют, получая плазму, состав которой анализируют с помощью масс-спектрометров. Измерив концентрацию изотопов или самих минералов-геохронометров, можно найти возраст породы, из которой они были извлечены.

Возраст породы можно измерить и с помощью измерений соотношения радиоактивных и радиогенных изотопов в исследуемой породе. Наиболее изучаемыми изотопами служат изотопы серы, кислорода, углерода, водорода и некоторых других элементов.

В основе структурно-петрофизического анализа лежат методы исследования групп параметров, перечисленных выше. К таким методам относятся пикнометрический метод, метод гидростатического взвешивания, объёмно-весовой метод, метод свободного насыщения (в котором используются логарифмическая и экспоненциальная модели свободного насыщения), метод электросопротивлений, центрифугирования, ртутной порометрии, метод адсорбции-десорбции, водно-воздушной порометрии, ультразвуковые методы, методы определения прочности и упругих свойств, диэлектрической проницаемости, комплекс методов определения относительных фазовых проницаемостей, методы измерения электрохимической активности пород, измерение магнитных свойств, таких как магнитная восприимчивость, методы измерения термодинамических параметров — теплопроводности, коэффициентов теплоёмкости и температуропроводности, радиоактивности магматических и метаморфических пород, эффективных сечений нейтронов и диффузионных характеристик твёрдых фаз и флюидов, а также подобных характеристик водоносных, нефтеносных и газоносных пород. Особую роль петрофизические исследования играют при интерпретации геофизических характеристик скважин и коллекторов и их петрофизическом районировании.

Результаты, полученные в ходе петрофизических измерений и моделирования на основе экспериментальных данных, служат для понимания геодинамических условий формирования геологических тел, типов деформационных напряжений и преобразований геологических объектов, обозначения контуров и границ залежей руды, нефти и газа, а также решения инженерно-геологических задач. Кроме того, петрографические исследования помогают организовывать места захоронения радиоактивных и гидрокарбонатных отходов.