Геофизические исследования скважин руд черных металлов. Физические свойства железных и хромитовых, марганцевых руд

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Геофизические исследования скважин руд черных металлов. Физические свойства железных и хромитовых, марганцевых руд

Железные руды. Железо входит в состав большого количества минералов. Из них рудными являются: магнетит, титаномагнетит, гематит, гетит, гидрогетит, сидерит и некоторые другие. Руды железа содержат скопления рудных минералов с примесью нерудных. Промышленные руды должны иметь содержание железа не менее 20% и мощность рудных тел не менее 1-2 м.

Выделяют несколько типов железных руд по минеральному составу, структуре или условиям образования.

Для большинства типов железных руд характерны повышенные магнитные свойства, большая плотность (3-5 г/см³) и хорошая электропроводность, а также повышенный эффективный атомный номер, т.к. для Fe z=26.

Указанные особенности определяют выбор комплекса ГИС: на 1 этапе - КС, ПС, ГК, ПГГК, на 2 этапе КМВ и ПГГК или СГГК, на 3 этапе - ТСМ, РВП, МЭК.

Марганец. Оксидные и карбонатные руды Mn образуют пластовые залежи массивной или вкрапленной текстуры. Вмещающие породы - песчано - глинистого состава.Руды марганца в осадочных месторождениях очень мало отличаются от вмещающих пород по основным физическим свойствам. Иногда руды более магнитны, однако их магнитные характеристики очень невыдержаны. При метаморфизме руд повышается их магнитность и электропроводность.

Основная особенность физических свойств Mn - это повышенное сечение захвата тепловых нейтронов (13,2 барна). По этой причине на диаграммах ННК-Т рудные интервалы выделяются понижениями Jпп как при большой, так и при малой длине зонда. Обычно применяют зонды длиной 0,15-0,35 м.Определение процентного содержания возможно также по методу нейтронной активации по изотропу Mn⁵⁶ (Т1/2=2,6 час, Ег= 0,85 МэВ), образующегося из стабильного изотопа Mn⁵⁵ по реакции (п, г).

Хром. Характерная особенность хромитов - их тесная связь с ультраосновными породами, серпентинитами, дунитами и перидотитами, среди которых и залегают рудные тела, имеющие форму жил и линз.

По магнитным, электрическим и упругим свойствам хромиты слабо отличаются от вмещающих пород: УЭС хромитов выше, а магнитная восприимчивость ниже, чем у вмещающих пород. Зато они очень хорошо выделяются по плотности. Для хромитовых руд характерна плотность 4,0-4,8 г/см³, для ультраосновных пород 3,1-3,2 г/см³.

У хромитов повышенный эффективный атомный номер z_эф =19, у перидотитов и дунитов z_эф =12,5.

Еще хром обладает повышенным сечением захвата тепловых нейтронов с испусканием жесткого (Ег= 8 МэВ) г- излучения.Таким образом, для выделения хромитовых интервалов в разрезах скважин и оценки содержании имеются благоприятные предпосылки к применению НГК-С, ПГГК и СГГК.

Физические предпосылки применения геофизических методов исследования скважин месторождений железа:

КМВ - Высокая магнитная восприимчивость магнетитовых руд. Основной метод выделения магнетитовых руд и определение процентного содержания железа С_Fe%. Количественное определение затруднено, если магнетит не является основным рудным минералом. Магнитный каротаж по магнитному полю. Высокая магнитная восприимчивость. Обнаружение магнетитовых руд вблизи скважины и межскважинном пространстве. Измеряют полный вектор магнитного поля и устанавливают его положение в пространстве, что позволяет определять местоположения обнаруженного рудного тела;

Магнитный каротаж или, точнее, каротаж магнитной восприимчивости (КМВ) заключается в измерении магнитной восприимчивости горных пород и руд, слагающих стенки скважины. КМВ - это основной метод исследования скважин на месторождениях магнитных железных руд, он применяется также на месторождениях бокситов, полиметаллов и марганцевых руд.

Датчиком магнитной восприимчивости в скважинной аппаратуре служит катушка индуктивности, намотанная на ферритовом стержне длиной 10-12 см (рисунок 1). Индуктивное сопротивление катушки зависит от электромагнитных свойств среды, в которой она находится. Для измерения изменений индуктивного сопротивления катушки ее включают в мост переменного тока (мост Максвелла), как это сделано в аппаратуре КМВ-1 и КМВ-2, или в схему LC-генератора, выходная частота которого зависит от индуктивности датчика, т.е. от магнитной восприимчивости окружающей среды (аппаратура ТСМК-40, ТСМК-30 и др.).

С помощью КМВ решаются такие задачи, как литологическое расчленение разрезов скважин, определение контактов и мощностей интервалов с повышенными магнитными свойствами, определение истинной величины магнитной восприимчивости пород и руд, определение процентного содержания железа в рудах.

Рисунок 1. Конструкция датчика аппаратуры КМВ

Литологическое расчленение разрезов по данным КМВ основано на различном содержании магнитных минералов (в основном, магнетита) в разных горных породах. Из изверженных пород минимальными значениями к характеризуются породы кислого состава - граниты, сиениты и др.; повышенными - породы основного и ультраосновного состава; из осадочных пород наибольшими значениями к отличаются глины. Осредненные данные по магнитной восприимчивости ряда горных пород приведены в таблице 1.

Определение границ интервалов с повышенными магнитными свойствами выполняется по правилу полумаксимума аномалии, т.к. расчеты и измерения на моделях показывают, что аномалии на кривых к имеют простую форму, симметричную относительно середины интервала, как это показано на рисунке 2. Если мощность пласта h меньше длины l датчика к, то ширина аномалии перестает зависеть от h и становится равной l в середине аномалии появляется небольшое понижение, а ее максимум не достигает того значения, которое он мог бы иметь при большей мощности пласта. Типичный график градуировки n=f(K_ист) показан на рисунке 3.

Железные руды, обладающие электронной проводимостью (магнетитовые) или имеющие небольшое сопротивление сравнительно с сопротивлением вмещающих пород (некоторые мартитовые и гематитовые руды), выделяются по диаграммам электрического каротажа КС, МСК, МЭП. Руды отмечаются минимумами показаний на кривых кажущихся сопротивлений и максимумами на кривых магнитного каротажа по максимумам показаний.Для выделения в разрезах скважин железных руд и изучения их характеристик, кроме стандартного электрического и гамма-каротажа, проводят магнитный каротаж (измерение магнитной восприимчивости и вертикальной составляющей магнитного поля), который является основным методом для выделения магнитных руд. Кроме того, проводят:

Таблица 1.Магнитная восприимчивость горных пород

Рисунок 2.Аномалии КМВ над пластами различной мощности с высокой магнитной восприимчивостью.

Рисунок 3. Размещение скважинного прибора КМВ внутри эталона магнитной восприимчивости при градуировке (а). Градуировочный график аппаратуры КМВ(б)

- гамма-гамма каротаж плотностной и селективный, которые являются основными методами для выделения не магнитных железных руд;

- методы скользящих контактов и электродных потенциалов.

Гамма-гамма каротаж проводят с зондом длиной 30-35 см. При измерениях глубинный прибор прижимается к стенке скважины пружинным устройством. Данные ГГК-С используют для оценки содержания железа в руде. По данным МЭП и ГК рудные тела не отмечаются заметными аномалиями, вследствие чего эти методы для изучения рудных интервалов разреза не применяются. Применение плотностного гамма-гамма каротажа обеспечивает выделение в разрезах скважин железных и хромитовых руд при условии, что пористость их невелика или меняется незначительно. Такие условия имеют место при исследовании магнетитовых и плотных мартитовых разностей железных руд Кривбасса и хромитовых руд Донской группы месторождений (Западный Казахстан).

МСК - Повышенная электрическая проводимость магнетита, а иногда мартитогематитовых руд, локализация в разрезе магнетитовых руд;

МЭП - Электрическая проводимость магнетита. В комплексе с магнитным каротажем и ГГК позволяет получить сведения о минеральном составе руд;

КС - Повышенная электрическая проводимость железных руд. Локализация магнетитовых руд. Неоднозначная интерпретация- наличие в разрезах пород с повышенной электропроводностью;

ГГК-П - Большая избыточная плотность богатых железных руд. Основной метод локализации в разрезах скважин гематитовых переотложенных железных руд. Возможность количественной оценки совместно с ГГК - С. При интерпретации необходимо учитывать диаметр скважины;

НГК - Высокая пористость отдельных видов мартит-гематитовых руд и повышенное сечение рассеяния тепловых нейтронов. Выделение отдельных видов мартитогематитовых руд. Геофизическая характеристика магнетитовой руды по комплексу ГИС приведена на рисунке 4.

Рисунок 4.Геофизическая характеристика магнетитовой руды по комплексу методов.

Физические свойства хромитовых руд и применяемые геофизические методы. Породы и руды хромитовых месторождений хорошо дифференцированы по физическим свойствам. Особенно четко они различаются по плотности. Средние значения плотности руд 3,55ч3,6 г/см³, в зависимости от состава и текстуры руд плотность изменяется от 3,2 до 4,6 г/см³. Плотность дунитовых и перидотитовых серпентенитов (2,4ч2,57 г/см³) закономерно увеличивается с глубиной по мере затухания серпентенизации (до 2,9-3,3 г/см³ у неизмененных разностей). Магнитные свойства пород и руд более однородны. Хромиты слабо намагничены. Более магнитны дунитовые и перидотитовые серпентиниты. Их магнитность увеличивается по мере возрастания степени серпентенизации, особенно вблизи контактов рудных тел. Удельное электрическое сопротивления вмещающих пород относительно низкое 350-10³ Ом·м, у руд высокое - более 10⁵ Ом·м. Физические предпосылки применения геофизических методов исследования

ГГК-П, ГГКС- Зависимость потока рассеянного гамма-излучения жесткой компоненты спектра от плотности пород и руд и мягкой компоненты спектра скважин месторождений хромитовых руд:от типа руды и содержания окиси хрома.

КМВ-Повышенная магнитная восприимчивость дунитовых и перидотитовых серпентинитов , хромиты слабомагнитны.

КС- Руды обладают высоким удельным электрическим сопротивлением.

НК- Высокая вероятность у хрома поглащения тепловых нейтронов и излучение его ядрами более жестких гамма-квантов.

ВП- Аномальные проявления поляризуемости на контакте серпентинитов с рудными телами , обусловлены вкрапленностью магнетита и сульфидов.

Серпентизированная часть разреза скважин выделяется по КС,ВП и КМВ, положение рудных интервалов устанавливается по НК, ГГК, литологическое расчленение разреза скважин проводят по КС, КМВ,ГК и ГГК-П, содержание хрома можно определить во всем диапазоне концентраций по ГГКС.

Для выделения пористых разностей железных и хромитовых руд (мартитовых, гематитовых и сидеритовых руд железа, хромитовых руд коры выветривания) рекомендуется применять селективный гамма-гамма каротаж с инверсионным зондом. При измерениях ГГК-С источник (селен-75) устанавливают в специальное гнездо свинцового экрана на расстоянии 4-5 см от середины детектора, при этом показания ГГК-С не зависят от изменения плотности руд в диапазоне 2,5-4,0 г/см³. На диаграммах ГГК-С рудные пласты отмечаются пониженными аномалиями, в 2-3 раза более глубокими, чем на кривых ГГК-П. Измерения методами РК начинают с проверки работоспособности приборов. Для этого аппаратуру РК включают и прогревают в течение 20 мин., затем контролируют по осциллографу работу скважинного снаряда и наземной панели, проверяют калибратор, подготавливают регистратор.Перед началом и после окончания каротажа проводят контрольные измерения в калибровочных устройствах.

Основную диаграмму РК записывают в масштабе глубин 1:500, поскольку минимальная рабочая мощность пластов хромитовой и железной руды равна 2 м. При исследовании маломощных рудных пластов и пластов сложной структуры, а также при необходимости более точного определения глубины залегания и строения рудного горизонта, проводят дополнительную детализационную запись в масштабе 1:200. Рекомендуемые значения скорости записи V и постоянной времени интегрирующей ячейки ф для ГГК-П, ГГК-С и НК-Н составляют при основной записи 300-400 м/час и 1,5-3 сек, а при детализации - 100-200 м/час и 6 сек.

Оптимальная длина зонда ГГК-П для аппаратуры ДРСТ-2 и источника цезий-137 составляет 22-25 см. Источник гамма-квантов и детектор излучений располагают на оси прибора. При такой геометрии влияние "промежуточной" зоны на показания ГГК-П минимально. В случае исследования скважин с относительно ровной поверхностью стенок источник гамма-квантов может быть смещен к образующей прибора; это повышает скорость счета и статистическую точность измерений. Если данные ГГК-П используют только для выделения руд, не определяя их плотность, рассеянное гамма-излучение измеряют "открытым" детектором, т.е. без экранировки выходного окна свинцовой пластиной. При этом дополнительно увеличивается скорость счета и однозначность выделения руд. На кривых ГГК-П руды отмечаются I, чаще всего симметричной аномалией.Характеристика хромитовых руд приведена на рисунке 5.

Рисунок 5. Пример выделения хромитовых руд в скважинах по данным комплекса методов ГИС

Физические свойства марганцевых руд, применяемые комплексы ГИС. Выделение рудных горизонтов по диаграммам ГИС. Породы и руды хорошо дифференцируются по электрическим свойствам. Удельная электрическая проводимость рыхлых разностей руд в 5-25 раз больше проводимости вмещающих пород, у плотных - не более чем в два раза. Например, сопротивление руд Чиатурских месторождений 20-80 Ом·м, а вмещающих их известняков n·1000 Ом.м. Руды, как правило, хорошо поляризуются. Так, поляризуемость руд в Присаянье по образцам достигает 38%, у вмещающих пород 4%. Магнитная восприимчивость руд никопольского типа у карбонатных (100ч150)*10^-5 окисных (50ч60)*10^-5 ед. СИ, вмещающие породы имеют магнитную восприимчивость n*10^-4 ед. СИ, т.е. слабомагнитны. На железомарганцевых месторождениях магнитная восприимчивость руд резко возрастает и составляет n*100чn·100*10^-5 ед. СИ.

Плотность большинства типов руд колеблется в пределах 1,5ч2,5 г/см³, за исключением конкреционных руд (3,0ч4,0 г/см³). Породы фундамента, подстилающие руды, имеют плотность 2,6-2,65 г/см³

Методы каротажа находят применение на марганцевых месторождениях главным образом при поисково-оценочных и разведочных работах. Это связано с относительно неглубоким залеганием руд и плохим выходом керна из поисковых и разведочных скважин.

Физические предпосылки применения методов каротажа:

НК - повышенное поглощение тепловых нейтронов для марганца (~13,2 барн). Выделение в разрезах скважин марганцевых руд и оценка содержания марганца. Длина зонда для НК-Т (0,3=0,4м), для НГК (0,15ч0,35м);

НАК -образование при облучении нейтронами искусственных радиоактивных изотопов с характерным периодом полураспада. Наведенная активность характеризуется по изотопу Mn⁵⁶ с периодом полураспада 2,6 часа. Применяется для количественного содержания марганца. Оценка производится по результатам эталонирования на модели с известным содержанием марганца в руде;

КМВ - повышенная магнитная восприимчивость пирролюзитовых и манганитовых руд. Результаты неоднозначны, так как повышенная магнитная восприимчивость характерна для руд содержащих железо;

ГГК-П - повышенная плотность марганцевых руд. Локализация в разрезах марганцевых руд.

Основными в комплексе ГИС являются ядерно-физические методы. Критерием руды служит соответствие минимальных значений на диаграммах ННК-Т максимальным значениям на диаграммах НГК-С. В первичных железомарганцевых рудах сочетание ГГК-С с НАК-Mn дает возможность определять содержание марганца и суммарное содержание железа и марганца с достаточной точностью - пределы обнаружение 1-2% марганца и 2-3% Fe+Mn. железный руда магнитный каротаж

В случае наличия в разрезе скважин плотных марганцевых руд можно воспользоваться также ГГК-П. Все указанные методы могут быть использованы для литологического расчленения, выделение руд и дифференциации их на типы. Могут быть использованы магнитный и электрический каротаж. Геофизическая характеристика марганцевой руды и определение содержания марганца в руде приведены на рисунке 6.

Определение содержания железа и хрома. В разрезе, сложенном рудами различного типа, рекомендуется применять селективный гамма-гамма каротаж. Измерения выполняют аппаратурой ДРСТ-2 с зондом для ГГК-С. Зависимость показаний селективного гамма-гамма каротажа J_c от содержания С железа и хрома устанавливают по измерениям на естественных блоках пород и руд с известным содержанием железа или хрома путем сопоставления данных ГГК-С с результатами анализа керна. В первом случае могут быть использованы блоки, применяемые при эталонировании прибора ГГК-П, во втором выбирают пласты руды мощностью не менее 2 м с выходом керна не менее 80% и однородные по кривым ГГК-С.

Применение этого способа построения эталонировочной зависимости облегчается тем обстоятельством, что показания ГГК-С для рекомендуемой конструкции зонда не зависят от изменений пористости руд и слабо зависят от изменений диаметра скважин.

Для определения содержания железа и хрома в плотных рудах можно использовать плотностной гамма-гамма каротаж. При этом по данным опробования керна предварительно устанавливают характер связи между плотностью руды и содержанием в ней полезного компонента.

Рисунок 6. Геофизическая характеристика марганцевой руды (а) и оценка качества руды по методу НАК(б)

На ряде месторождений количественную оценку хрома и железа можно проводить в соответствии с методикой опробования руд по их типам. Так, массивные хромитовые руды на месторождении "40 лет Казахской ССР - Молодежное" выделяются максимальными показаниями на кривых НГК-С и НК-Н. Среднее содержание Cr₂O₃ в этих рудах составляет 52%, отклонения от среднего находятся в пределах ±3%. В то же время вкрапленные руды хрома содержат 43% Cr₂O₃ при отклонении от среднего ±2%. Эти руды отмечаются относительными минимумами на кривых НК-Н при сохранении максимальных показаний на кривых НГК-С. Для определения содержания Сr₂O₃ в руде применяют РРМ и ГГК-С.

Определение содержания железа в рудах. Измерения магнитной восприимчивости на месторождениях, представленных магнетитовыми рудами, в ряде случаев могут быть успешно использованы для определения содержания железа. Для этой цели по хорошо опробованным скважинам экспериментально устанавливается зависимость:

,

где Р -- процентное содержание железа;

-- значение магнитной восприимчивости рудного интервала

Переход от показаний прибора (п), зафиксированных на ленте канала каротажа магнитной восприимчивости к значениям требует дополнительной затраты труда на обработку ленты. Однако при больших объемах работы по определению процентного содержания железа показания (п) можно не переводить в значения, а пользоваться непосредственно зависимостью P=f(n), беря (п) прямо в сантиметрах записи или делениях шкалы визуального индикатора. Разумеется, что значения (п) должны быть приведены к одному масштабу. Надо иметь в виду, что оперирование величиной (п ) вместо затрудняет сопоставление материалов по разным месторождениям.

Буровые скважины, использованные для эталонировки, должны иметь выход керна не менее 95%. Данные каротажа и геологического опробования должны иметь хорошую привязку по глубинам. Если на месторождении можно выделить участки с различными типами руд, то эталонировочные графики строятся для каждого такого участка отдельно. Зависимость P=f(n) обычно имеет линейный характер, а P=f(ч) нелинейный. В случае линейной зависимости можно пользоваться аналитическим способом определения валового железа по формуле:

Р=А_* n +р,

где А - экспериментально найденный коэффициент, учитывающий магнитные соединения железа в руде и соответствующий количеству «магнитного железа», которое приходится на 1 см амплитуды аномалии КМВ;

Р - содержание железа в его немагнитных соединениях (силикатных, сульфидных и т.д.).

Произведение А n -характеризует количество железа, извлекаемого магнитной сепарацией. Величина р соответствует отрезку на оси ординат эталонировочной кривой в точке, где ч или п равны нулю. Раздельное содержание «магнитного» или «немагнитного» железа может быть установлено также и фракционными химическими анализами. На рисунке 7 приведены зависимости между магнитной восприимчивостью и содержанием железа.

Рисунок 7. Зависимость между магнитной восприимчивостью и С_Fe%.

Определение марганца в горных породах и рудах. Определение марганца в горных породах и рудах, пройденных буровыми скважинами, осуществляется с помощью радиоизотопных методов НАК, СНГК, а также ГГК-С, ННК и ГГК-П. Последняя группа методов используется для выявления руд в разрезах скважин соответственно по величине z_эфф, их аномальным нейтронным и плотностным свойствам. Для количественного определения марганца в породах применяются НАК и ННК-Т (рисунки 8,9).

Рисунок 8. График зависимости интенсивности счета ННК-Т от содержания марганца, %

Рисунок 9. График зависимости интенсивности счета НАК от содержания марганца,%

Литература

1. Абубакиров В.Ф. и др. Буровое оборудование: В 2-х т. - М.: Недра, 2000. - Т.1. - 269 с.

2. Абубакиров В.Ф. и др. Оборудование буровое, противовыбросовое и устьевое: Справ. пособ.: В 2 т. Т.1. - М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2007. - 732 с.

3. Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., А.Н. Гноевых. Винтовые забойные двигатели. Справочное пособие. - М.: ОАО «Издательство Недра», 1999, - 375 с.

4. Иогансен К.В. Спутник буровика: Справочник. - М.: Недра, 1990.

Размещено на Allbest.ru