История развития прикладной геофизики.

Магниторазведка.

В 1600 г., время когда Гильберг - врач при дворе королевы Елизаветы I опубликовал свою книгу «De Magnete», и возникло понятие об общем геомагнитном поле.

В 1640 г. в Швеции производились наблюдения локальных геомагнитных аномалий при разведке железных руд.

Спустя два столетия, в 1870 г., Тален и Тиберг создали магнитометр, измеряющий горизонтальную и вертикальную составляющую, а также склонение магнитного поля.

Еще позже, в 1894 г., в России исследовалась Курская магнитная аномалия. И.Н. Смирнов, Н.Д. Пильчиков, Э.Е. Лейстом, проводившие эти исследования, пришли к правильному выводу о наличии в районе работ мощных залежей железных руд. На рубеже текущего столетия под руководством Д.И. Менделеева были произведены опытные магнитометрические работы на некоторых уральских месторождениях железных руд с целью выяснения эффективности метода.

Большой вклад в развитие метода внес профессор Петербургского Горного института В.И. Бауман. Им разработаны основы полевой методики работ, обработки полевых наблюдений и приемы вычисления элементов залегания тел простейших форм. Под его руководством в течение 1914-1917 гг. выполнены полевые работы на многих месторождениях железных руд Урала. Он же впервые ввел курс магнитометрии в Горном институте.

После Октябрьской революции возникли новые условия для развития геофизических методов в связи с планами преобразования тяжелой промышленности. В 1921 г. в связи с расширением задач и планов работ создана Особая Комиссия по изучению Курской магнитной аномалии (ОККМА) под руководством академика И.М. Губкина. Выполненные в большом объеме магнитные измерения сопровождались разработкой наиболее рациональной методики работ, изучением физических свойств пород и руд, теоретическими исследованиями, направленными на нахождение аналитических приемов вычисления элементов залегания тел. Важно отметить, что ОККМА была отличной школой для подготовки геофизиков высокой квалификации, их работа оказала большое влияние на развитие геофизических методов в Советском Союзе.

По инициативе организованного В.И. Бауманом коллектива ученых, занимающихся геофизическими методами, в 1923 г. был создан первый Научно-исследовательский институт прикладной геофизики (ИПГ). В развитии магнитного метода особенно значительна роль И.М. Бухурина. В течение многих лет им выполнена капитальная работа по анализу магнитного поля в результате чего им совместно с Б.П. Вейнбергом и В.Я Павлиновым написан первый учебник по магниторазведке.

Крупным этапом в развитии магниторазведки явился первый опыт измерения аномального магнитного поля с самолета. Он был осуществлен при участии А.Т. Майбороды в 1936 г. по маршруту Новгород-Валдай.

Разработка метода аэромагнитной съемки в десятки раз ускорила изучение аномального магнитного поля на крупных площадях. Создание этого метода позволило в течение нескольких лет почти полностью покрыть магнитной съемкой территорию нашей страны в масштабе 1:1 000 000 и более половины в масштабе 1: 200 000.

В настоящее время создаются новые магнитометры высокой стабильности и чувствительности и аппаратура для более точной привязки маршрутов съемки. Особенно важным достижением стало создание ядерного (протонного) магнитометра.

Гравиразведка

Сила тяжести - это сила, с которой любое тело притягивается к Земле. Начало экспериментальному изучению силы тяжести было положено Г.Галилеем, проводившим опыты над падением тел под действием силы тяжести. Г.Галилей показал, что мерой силы тяжести является ускорение, которое сила тяжести сообщает падающему телу. В 1590 г. Г. Галилей определил численное значение ускорения силы тяжести. В честь его единица ускорения в системе СГС (ускорение 1см в 1сек за 1сек) названа гал. В 1673 г. Х. Гюйгенс установил, что сила тяжести может быть определена из наблюдений за периодом колебаний маятника. Измерения силы тяжести того времени не отличались большой точностью и использовались для оценки численного значения этой константы, поскольку предполагалось, что сила тяжести на земной поверхности всюду постоянна.

Первое свидетельство изменения силы тяжести с широтой было получено в 1672 г. французским астрономом Ж. Рише, который установил, что маятниковые часы отстают в низких широтах. Правильное толкование этому факту дал И. Ньютон в 1687 г. в третьем томе своего классического труда «Математические начала натуральной философии». В этой работе И. Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения и сделал попытку теоретически определить фигуру Земли. Этим было положено начало гравиметрии. Интерес к определениям силы тяжести особенно возрос со стороны астрономов и геодезистов после того, как в 1743 г. А. Клеро показал возможность определить сжатие Земли по гравиметрическим данным и вывел формулу изменения силы тяжести на земной поверхности.

Мысль о связи силы тяжести с внутренним строением Земли впервые высказал М.В. Ломоносов. В 1753 г. он первым пытался построить прибор для регистрации вариаций силы тяжести во времени.

Развитию теоретических основ гравитационного поля способствовали работы К. Маклорена, П. Лапласа, А. Лежандра, С. Пуассона, К. Гаусса, Д. Стокса, Д. Грина и других ученых, создавших теорию потенциала физического поля, которая явилась теоретической основой не только гравиметрии, но и многих других отраслей физики. Одновременно с развитием теоретических основ совершенствовались и методы измерения силы тяжести: работами Ф. Бесселя, Кэтера, Р. Штернека маятники были превращены в приборы, позволяющие находить значения силы тяжести с точностью до 10^-6 ее величины.

В 1849 г. Д. Стокс доказал теорему, носящую теперь его имя, которая позволяет определить фигуру Земли, используя только гравиметрические наблюдения и не делая никаких предположений относительно ее внутреннего строения. В 1887 г. на основе обобщения гравиметрических наблюдений Р. Гельмерт впервые вывел формулу нормального распределения силы тяжести на земной поверхности.

Создание в 1881 г. Р. Штернеком маятникового прибора для относительных определений силы тяжести позволило перейти к массовым измерениям силы тяжести, детальному изучению распределения ее на земной поверхности. Накопленные сведения дали возможность не только решать геодезические задачи, но и приступить к изучению внутреннего строения Земли. В 1872 г. И.И. Стебницкий указал на связь уклонений отвеса в Восточном Закавказье с погребенными массами, а в 1888 г. Ф.А. Слудский при изучении гравитационной аномалии в районе Москвы определил глубину залегания возмущающих масс, создающих эту аномалию.

Применению гравиметрии для геологических целей способствовало изобретение венгерским физиком Р. Этвешем в 1896 г. гравитационного вариометра, предназначенного для измерения горизонтальных составляющих градиента силы тяжести и кривизны уровенной поверхности. В 1902-1909 гг. Р. Этвеш с этим прибором выполнил первые измерения на Венгерской равнине с геологической целью. Гравиметрические измерения для геологии получили особенно широкое применение после первой мировой войны и превзошли по объему в течение нескольких лет все все другие гравиметрические исследования. В 1918 г. В. Швейдар применил гравитационный вариометр для исследования солянокупольных структур в Германии, с 1922 г. начинается применение вариометров в США.

В СССР широкое внедрение и применение гравиметрического метода разведки связано с работами Особой комиссии по изучению Курской магнитной аномалии (ОККМА), созданной в 1919 г. Эта комиссия объединила ученых, которые явились основоположниками разведочной геофизики в СССР. Это - П.П. Лазарев, П.М. Никифоров, А.А. Михайлов, Л.В. Сорокин, Г.А. Гамбурцев и др. С 1921 г. маятниковая и вариометрическая съемки проводилимь в районе КМА для поисков железистых кварцитов. Положительные результаты работ способствовали широкому применению гравиметрического метода и для решения других геологических задач.

С 1923 г. в Институте прикладной геофизики работала группа гравиметристов под руководством Б.В. Нумерова: Н.Н. Михайлов, Н.Н. Самсонов, Н.Н. Черепанов, Э.Э. Фотиади и др.

Научно-исследовательские работы в разведочной гравиметрии проводились как в конструировании гравиметрической аппаратуры, так и в теории метода, истолковании результатов гравитационных наблюдений, методике работ.

Первые отечественные маятниковые приборы были созданы в 1927 г. в Астрономическом институте в Ленинграде (С.Е. Александров). В дальнейшем разработкой маятниковых приборов под руководство Л.В. Сорокина занимался Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга (ГАИШ). Здесь же под руководством Л.В. Сорокина была разработана маятниковая аппаратура для морских наблюдений, которые проводились на Черном, Каспийском, Охотском, Баренцевом и Японском морях. Первые отечественные вариометры были созданы в ИПГ в 1925 г. (П.М. Никифоров). В дальнейшем они постоянно совершенствовались. Начиная с 1935 г. С.А. Поддубный создал быстродействующий гравитационный градиентометр, производительность которого во много раз выше, чем у вариометров.

Большое значение для упорядочения всех гравиметрических исследований в СССР имело постановление Совета Труда и Обороны от 20 сентября 1932 г. о проведении общегосударственной маятниковой съемки. Этим постановлением определялась густота сети (1 пункт на 1000км²) и очередность районов съемки. К 1939 г. была закончена маятниковая съемка европейской части СССР и части Западной Сибири и Средней Азии. Результаты маятниковых определений силы тяжести использовались для решения задач региональной геологии, тектонического районирования геосинклинальных и платформенных областей (А.Д. Архангельский, В.В. Федынский, Е.Н. Люстих и др.).

Первые работы по конструированию гравиметров были начаты А.А. Михайловым в 1933 г. в ГАИШ. В Центральном научно-исследовательском институте геодезии, аэросъемки и картографии (ЦНИИГАиК) М.С. Молоденский предложил конструкцию металлического гравиметра, окончательная разработка которого была завершена во Всесоюзном научно-исследовательском институте геофизических методов разведки (ВНИИГеофизика) А.М. Лозинской, Л.В. Калишевой, П.И. Лукавченко, В.В. Федынским и др. В дальнейшем конструированием гравиметров занимались несколько институтов: (ВНИИГеофизика), Всесоюзный институт разведочной геофизики (ВИРГ), Институт физики Земли (ИФЗ АН СССР).

В 1947 г. в ВИРГ был создан кварцевый гравиметр с жидкостной температурной компенсацией (С.А. Поддубный, Н.Н. Самсонов), в 1950-1951 гг. Во ВНИИГеофизике - кварцевый астазированный гравиметр (К.Е. Веселов, П.И. Лукавченко), на основе которого завод «Геологоразведка» начал серийный выпуск кварцевых астазированых гравиметров ГАК-3М. Этот гравиметр послужил основой для разработки целой серии более совершенных кварцевых гравиметров, обладающих высокой точностью: ГАК-ПТ, ГАК-7Т и др.

К началу пятидесятых годов относятся работы по применению гравиметров для наблюдений на море. Создаются специальные донные гравиметры (А.М. Лозинская, П.И. Лукавченко, В.В. Федынский, К.Е. Веселов), морские набортные гравиметры (К.Е. Веселов, Е.И. Попов, Л.П. Смирнов и др.), совершенствуется маятниковая аппаратура для морских наблюдений (М.Е. Хейфец, С.Е. Александров и др.). Проводятся экспериментальные работы по измерению силы тяжести с борта самолета (Ю.Д. Буланже, Е.И. Попов и др.). Параллельно с совершенствованием гравиметрической аппаратуры развивались и совершенствовались методика гравиметрических измерений с аппаратурой различных типов, способы эталонирования, обработка результатов наблюдений.

Создание статических гравиметров позволило резко увеличить производительность гравиметрических измерений и повысить их точность, что значительно расширило круг задач, решаемых гравиметрическим методом. Уже в пятидесятых годах стала возможной планомерная гравиметрическая съемка масштаба 1:200 000. В отдельных районах начинает проводиться гравиметрическая съемка масштаба 1:50 000 и крупнее. В рудных районах для поисков рудных тел начинают применять гравиметрические исследования в горных выработках (подземная гравитационная разведка).

Методы интерпретации гравитационных наблюдений и теоретические основы разведочной гравиметрии изложены в трудах П.М. Никифорова, Г.А. Гамбурцева, Б.В. Нумерова, А.А. Заморева, Н.Р. Малкина, Б.А. Андреева, А.К. Маловичко и других ученых. На основе этих иследований решены задачи геологической интерпретации гравитационных аномалий. Назовем некоторые из них.

Задачи нахождения гравитационного эффекта нескольких тел, выражение одних характеристик гравитационного поля через другие, трансформации гравитационного поля рассмотрены в трудах А.Н. Тихонова, Ю.Д. Буланже, А.К. Маловичко, И.Г. Клушина, К.В. Гладкого, Н.Р. Малкина, В.Н. Страхова, Б.А. Андреева и др.

Привлечению аппарата функций комплексного переменного для интерпретации гравитационных аномалий посвящены работы С.В. Шалаева, В.Н. Страхова. Использование методов интегральных преобразований, а также теории случайных функций рассматривается в работах К.В. Гладкого, И.Г. Клушина, М.Г. Сербуленко, С.С. Серкерова и др.

В методику комплексной интерпретации результатов гравитационных и других геофизических и геологических методов исследований значительный вклад внесли А.Д. Архангельский, В.В. Федынский, Ю.Н. Годин, Э.Э. Фотиади, Б.А. Андреев, С.И. Субботин и др.

Геофизические методы изучения скважин. Геофизические методы изучения скважин являются важнейшим и неотъемлемым звеном в геологических буровых и эксплуатационных работах, проводимых на нефтяных и газовых промыслах, угольных и рудных месторождениях, в гидрогеологических и инженерно-геологических изысканиях.

Первыми геофизическими исследованиями скважин следует считать температурные измерения, проведение которых было начато еще в первой половине прошлого столетия, главным образом в артезианских скважинах. В нефтяной промышленности систематические геофизические наблюдения относятся к 1906-1916 гг., когда известный русский геолог-нефтяник Д.В. Голубятников произвел температурные измерения более чем в 300 нефтяных скважинах Азербайджана и Дагестана. По полученным данным впервые была установлена возможность использования геофизических методов для решения различных геологических и нефтепромысловых задач.

В 1926-1928 гг. К. Шлюмберже предложил и опробовал электрический метод исследования геологических разрезов скважин. Сначала он изучал разрезы скважин по их удельному электрическому сопротивлению путем измерения в скважинах физического параметра, названного кажущимся сопротивлением и обозначенного r_к. В 1931 г. в процессе исследовательских работ, проводившихся советскими геофизиками и сотрудниками фирмы «Шлюмберже» в объединениях Азнефть и Грознефть, был разработан второй метод электрометрии скважин - метод потенциалов собственной (естественной) поляризации пород.

Геофизические данные позволили составить непрерывные геологические разрезы скважин. Это способствовало быстрому развитию промысловой геофизики и повышению ее роли в геологическом изучении разрезов скважин.

В развитии промысловой геофизики в СССР большую роль сыграл крупнейший советский ученый, основоположник советской нефтяной геологии, акад. И.М. Губкин, который придавал огромное значение геофизическим методам исследования скважин как новой, наиболее совершенной технике геологической документации разрезов. Общее число промыслово-геофизических партий в СССР уже в 1932 г. в 1,5 раза превышало их число во всех других странах мира, несмотря на относительно меньший объем буровых работ.

Одновременно с расширением объема промыслово-геофизических работ совершенствовались их техника и методика. С 1931 г. начали применять инклинометр для определения углов и азимутов искривления скважин. Это обеспечило надежный контроль правильности бурения скважин и позволило учитывать искривление скважин при геологических построениях (Г.С. Морозов, Г.Н. Строцкий, К.Н. Бондаренко, К.А. Верпатов).

В 1932-1935 гг. были разработаны первые стреляющие перфораторы, боковые грунтоносы и усовершенствованные торпеды, которые стали широко применяться в промысловой практике.

При геологическом изучении разрезов скважин наибольшее развитие получили электрические методы, которые до сих пор являются основными методами бескерновой документации. Методы кажущегося сопротивления и потенциалов собственной поляризации пород в дальнейшем были дополнены многими другими электрическими методами и их модификациями, нашедшими применение при исследованиях нефтяных, газовых, угольных, рудных и других скважин.

В 1946 г. В.Н. Дахнов предложил метод сопротивления экранированного заземления, состоящий в измерении сопротивления заземлителя, экранированного двумя или несколькими симметрично расположенными однополярными электродами. Аналогичные схемы этого метода были разработаны фирмами «Шлюмберже» (Франция) и «Халибартон» (США). Х.Г. Долль предложил наиболее эффективный метод сопротивления экранированного заземления с автоматически управляемой фокусирующей системой, названной «Латерлог» (боковой метод) и метод микрозондов СЭЗ с автоматической фокусировкой тока «Микролатерлог».

В период с 1945 по1955 г. сотрудниками кафедры промысловой геофизики Московского нефтяного института им. И.М. Губкина (ныне МИНХ и ГП) под руководством В.Н. Дахнова был разработан комплекс методов микроисследований скважин, включающий применение микрозондов, методов сопротивления экранированного заземления (СЭЗ) и потенциалов вызванной поляризации пород. В 1948 г. Х.Г. Долль предложил и описал индукционный метод электрометрии с использованием токов переменного электромагнитного поля.

Радиоактивные методы исследования скважин зародились в СССР в 1931-1932 гг., когда советские специалисты Г.В. Горшков, Л.М. Курбатов, А.Г. Граммаков, В.А. Шпак и другие предложили и опробовали в скважинах гамма-метод.

В 1941 г. известный советский физик Бруно Понтекорво предложил использовать для изучения разрезов скважин нейтронный гамма-метод, состоящий в измерении интенсивности гамма-излучения, возникающего при облучении горных пород нейтронами. В 1942 г. А.И. Заборовский и Г.В. Горшков создали нейтрон-нейтронный метод, основанный на измерении плотности нейтронов. Кроме указанных выше методов, нашли применение методы рассеянного гамма-излучения, наведенной активности, гамма-спектроскопии и др.

Термометрические методы исследования скважин наибольшее развитие получили в 1931-1932 гг. После внедрения в промышленность электрических термометров. Обобщающие работы В.Н. Дахнова и Д.И. Дьяконова, выполненные в 1952-1958 гг., показали значительную эффективность термометрии скважин при решении многих геологических и нефтепромысловых задач.

Магнитные методы изучения разрезов скважин в СССР начали разрабатывать в 1934-1936 гг., когда К.П. Козин и М.И. Бейсин исследовали магнитные свойства горных пород и предложили по их магнитной восприимчивости изучать разрезы скважин. В 1933-1935 гг. Советские геологи-нефтяники (П.И. Левуцкий и др.) применили для исследования геологических разрезов метод измерения продолжительности бурения. В 1935 г. геофизики С.Я. Литвинов и Г.Н. Строцкий предложили метод кавернометрии скважин - измерение изменения диаметра ствола скважины.

Первый пластовый наклономер был использован фирмой «Шлюмберже» в 1933г.

Газометрию скважин начали применять в СССР в 1932 г. (М.В. Абрамович, М.И. Бальзаминов и др.).

В 1938-1941 гг. По предложению К.П. Козина, Н.А. Шлезингер, В.Н. Фроловский и других специалистов в СССР были проведены исследования скважин люминисцентно-битумонологическим методом.

Начало широкого развития акустического метода относится к 50-м годам XX века. В 1948 г. фирмой «Хамбл ойл энд рифайнинг компани» (США) был создан первый образец аппаратуры акустического метода для регистрации скорости распространения упругих волн по разрезу скважины. Позднее методика и аппаратура акустического метода разрабатывались в Институте физики Земли (ИФЗ) АН СССР, во Всесоюзном научно-исследовательском институте методики и техники разведки (ВИТР), ВНИИГеофизике и других организациях.

Сейсморазведка.Сейсмический метод разведки разработан в двадцатых годах ХХ столетия группой американских геологов и геофизиков. Параллельно и в нашей стране проводились исследования по применению этого метода на поиски нефти и газа. Например,метод вертикального сейсмического профилирования (ВСП) предложен Е.И.Гальпериным. В практическом отношении используется для детального изучения сейсмических границ вблизи скважин.

Другой пример, метод поперечных волн и обменных волн получил развитие благодаря исследованиям, выполненным в СССР Н.Н.Пузыревым, Л.Ю.Бродовым и др.