Сетевой исследовательский проект "Петрофизика - свойства горных пород"

Проект направлен на решение глобальной проблемы нехватки квалифицированных наставников для профориентации и проектной деятельности школьников в области геологических наук, которые играют значительную роль в народном хозяйстве страны, но практически не представлены в школьном учебном плане.

Основная идея состоит в том, чтобы показать междисциплинарность геологии и её опору на другие науки, которые хорошо представлены школьными предметами – физика, химия и география. Во-первых, такая опора на классические предметы в школе помогает качественно провести профориентацию школьникам, обеспечив широкое понимание возможных карьерных траекторий в области геологии. Во-вторых, такой подход расширяет базу преподавателей, которых может заинтересовать участие в предлагаемой деятельности – учителя физики и химии также смогут проводить сетевые исследовательские проекты, которые близки им по содержанию, но имеют новый геологический контекст. В конечном итоге, проведение этих проектов может также оказаться полезным для развития самих предметов с привлечением примеров из новой прикладной области.

В рамках данного направления школьники будут изучать физические свойства коллекторов, т.е. пород, которые формируют залежи жидких полезных ископаемых – воды, нефти и природного газа. Будут рассмотрены такие свойства, как плотность, пористость и проницаемость, а также процессы, влияющие на эти свойства при формировании породы. В рамках сетевых исследовательских проектов можно будет изучить физические свойства местных почв или создавать искусственные модели коллекторов.

Цель проекта:

•   Показать междисциплинарность наук о Земле: связь предмета физика с дисциплинами о Земле (география, экология и т.д.)

•   Популяризация наук о Земле среди школьников, формирование позитивного образа учёного и геолога

•   Профориентация школьников на дальнейшее обучение в вузах по геологическим специальностям

•   Развитие научно-исследовательской работы в школах

Задачи проекта:

•   Подготовка методических материалов для практических занятий и сетевого проекта в области петрофизики с опорой на школьные предметы – физику

•   Подготовка набора для проведения практических занятий и сетевого проекта

•   Подготовка и консультирование наставников

Этапы проекта:

1.Разработка научно-методического обеспечения проекта.

2. Работа по информированию и привлечению педагогов.

3. Обучение педагогов (рассылка готовых видео и методических материалов, проведение лекций и вебинаров).

4.Отбор участников для рассылки материалов для выполнения исследовательских проектов.

5.Рассылка материалов (коробочка для выполнения исследовательского проекта).

6.Текущая работа с педагогами, вебинары и консультации (с частотой 2 раза в месяц).

7.Организация и проведение отчетной конференции.

8.Проведение Форума сетевых исследовательских проектов с защитой лучших проектов.

Команда проекта:

Руководитель направления

к.ф.-м.н. Дучков Антон Альбертович. Зав. лаб. ИНГГ СО РАН, доцент ГГФ НГУ

Руководитель образовательной программы

к.г.-м.н. Соловьев Максим Владимирович. Старший научный сотрудник ИНГГ СО РАН, старший преподаватель ГГФ НГУ

Менеджер

Гаврюшкина Ольга Александровна. Младший научный сотрудник ИГМ СО РАН, ассистент преподавателя ГГФ НГУ, научный сотрудник НОЦ Эволюция Земли НГУ

Материалы и методы исследования:

Теоретическая часть включает в себя нескольких лекций:

1. Месторождения полезных ископаемых (резервуары питьевой воды, нефти и газа).

2. Что такое коллектор? (осадочные горные породы, в которых может накапливаться вода и нефть).

3. Что такое петрофизика? (образцы пород, изучения плотности, пористости и проницаемости).

Практическая часть включает методический материал – видео с комментариями, которое показывает, как проводить основные измерения, которые используются в практических работах. 

Блок 1. Петрофизика. 

Практикум 1. Плотность и пористость материалов. 

Работа направлена на понимание зависимости проницаемости от размера гранул: чем больше размер гранул – тем больше пористость.

Нужны весы, емкость известного объема, пористый материал (крупа). 

а) измерение плотности материала;

=m/V,

где - плотность тела (кг/м^3), m - масса тела (кг), V- объем тела (м^3).  

б) измерение пористости материала;

P=(m2-m1)/V100%,

где P - открытая пористость (%), m1 - масса в сухом состоянии (кг), m2 - масса в насыщенном водой состоянии (кг), V - объем тела (м^3).  

Практикум 2. Установка для измерения проницаемости.

Работа проводится на эталонном образце с известными свойствами, что позволяет проверить свои результаты и удостовериться, что методы измерения освоены правильно.

а) сборка установки;

б) разметка и методика измерения;

в) калибровка – измерение на эталонном образце.

Практикум 3. Изучение проницаемости сыпучих сред.

Работа направлена на понимание зависимости проницаемости от пористости (размера гранул). Чем больше размер гранул – тем больше проницаемость. 

а) в контейнеры засыпаются разные гранулированные вещества – крупы с зернами разного размера;

б) проводится измерение физических свойств (проницаемость) методами из практикума 2;

в) повторить шаги а) и б) для других веществ из заданного списка.

Исследовательские задачи: 

- изучение проницаемости для материалов с разной формой зерен;

- засыпать разные материалы; 

- измерение проницаемости.

Блок 2. Исследовательский проект. 

Направление 1. Проницаемость материалов.
Изучение проницаемости для материалов с разной формой зерен, изменение свойств во времени:
- попробовать смеси зерен разного размера (изучить влияние на проницаемость);
- придумать свои варианты зерен (разные материалы);
- зерна с изменяющимися во времени свойствами (растворение сахара, набухание зерен и т.д.);
Выводы о влиянии формы зерен, материала на пористость и проницаемость.

Направление 2. Проницаемость грунтов.
В качестве самостоятельного исследования можно изучать физические свойства местных грунтов (плотность, пористость, проницаемость).
- отобрать пробы, измерить проницаемость, построить карту.
- отобрать пробу, сформировать колонку, залить загрязнителем (масло, керосин), проследить глубину проникновения через несколько дней, сделать вывод о возможном ареале загрязнения в случае загрязнения среды.
Сделать вывод, где грунты являются пористыми и проницаемыми, а где непроницаемыми. Какие это может иметь последствия (быстрое распространение растворов от источника загрязнения, необходимость добывать воду с большой глубины для глинистых почв).

Направление 3. Насыпная модель месторождения.
В качестве самостоятельного исследования можно также создавать искусственные модели залежей углеводородов. С использованием пластилина создается слой сложной формы, в него засыпается песок и заливается жидкость.
Решение задач:
- моделирование перетоков воды в проницаемом водоносном слое (движение воды в проницаемом слое); 
- моделирование распространения загрязнения в проницаемом водоносном слое (впрыск окрашенной жидкости);
- моделирование разработки углеводородов (вытеснение масла из слоя). 
Сделать вывод о результатах экспериментов: законы движения воды, движения плюма загрязнения, эффективность добычи нефти (масла) из пласта. 

Результаты.

Качественные результаты:
•   подготовка наставников школьных междисциплинарных научно-исследовательских проектов на стыке геологии и физики
•   реализация научно-исследовательских работ в  школах
•   подготовка работ для участия в конкурсах и олимпиадах

Количественные результаты:
•         25 наставников
•         25 проектных команд
•         50 школьников