Изучение анизотропии упругих свойств и ее влияния на напряженное состояние пород верхней части земной коры: На примере Кольской сверхглубокой скважины

В настоящее время потребление современной промышленностью природного минерального сырья неуклонно возрастает. В связи с отработкой месторождений полезных ископаемых актуальной становится задача поиска и разработки месторождений на все более значительных глубинах. Остро встает вопрос об устойчивости глубоких горных выработок и скважин. Вследствие этого исследования глубинных массивов горных пород земной коры приобретают первостепенное значение.

Одно из таких фундаментальных направлений — глубокое и сверхглубокое бурение — является наиболее результативным по объему и качеству полученной информации о глубинных горизонтах Земной коры, где могут находиться полезные ископаемые. Здесь особое место принадлежит Кольской сверхглубокой скважине (СГ-3). Наличие уникальной коллекции керна, в которой представлены все породы протерозойского и архейского возрастов от поверхности до глубины 12 261 м, высокая геолого-геофизическая изученность разреза, явились основой для организации Проекта № 408 Международной программы по геологической корреляции ЮНЕСКО «Сравнение состава, структуры и физических свойств по разрезу Кольской сверхглубокой скважины и их гомологов на поверхности». В проекте принимали участие большое число ученых из России, Германии, Франции, Финляндии, Чехии, США. Одним из направлений исследований было детальное изучение упруго-анизотропных свойств и напряженного состояния пород разреза СГ-3, в рамках которого выполнена данная работа.

Упругие характеристики являются носителями в «закодированном» виде разнообразной информации о геодинамических процессах формирования массивов, а также о современном напряженном состоянии земных недр. Основная часть исследований проводилась при помощи нового акустополяризационного ультразвукового метода. Данный метод дает возможность получить в процессе эксперимента количественные характеристики упругих свойств горных пород и их анизотропию. Несмотря на ряд преимуществ, этот метод (в его первоначальном виде) был весьма трудоемок.

Для повышения точности и уменьшения трудоемкости проведения исследований создан^ автоматический акустополярископ, что является частью данной диссертационной работы.

В результате ранее проведенных исследований керна СГ-3 накоплен значительный банк данных по физическим свойствам пород, в том числе по характеристикам распространения упругих волн, а также по упругой анизотропии образцов керна. Недостатком банка данных является то, что почти все его характеристики получены в нормальных условиях (комнатная температура, атмосферное давление). Поэтому одной из задач проекта № 408 было изучение изменений упругих характеристик при повышенных давлениях и температуре, приближенных к условиям in situ. Часть результатов этих исследований использована при написании данной работы для изучения влияния упругой анизотропии горных пород на напряженно-деформированное состояние стенок глубоких и сверхглубоких скважин.

Цель работы: установление влияния анизотропии упругих свойств на напряженное состояние и устойчивость вертикальных глубоких скважин на основе анализа упругих характеристик горных пород по разрезу Кольской сверхглубокой скважины.

Задачи исследования:

— усовершенствовать методику определения анизотропии упругих свойств горных пород;

— исследовать тенденции изменения плотности пород и скорости распространения продольных и поперечных волн в кристаллических массивах до глубин 20 км;

— определить упругую анизотропию образцов пород, отобранных по разрезу СГ-3, при давлениях и температурах, приближенных к условиям их залегания;

— изучить влияние анизотропии упругих свойств на устойчивость околоскважинного массива горных пород.

Идея работы заключается в использовании установленных закономерностей изменения упругих характеристик керна Кольской сверхглубокой скважины при различных давлениях и температурах для прогнозирования напряженного состояния околоскважинных горных массивов.

Методы исследования. Для исследований упругих свойств образцов горных пород использовался акустополяризационный метод, а также метод модельных измерений при высоких давлениях и температурах. Для обработки полученных данных применялись математические методы (регрессионный анализ, метод наименьших квадратов). При изучении влияния упругой анизотропии горных пород на напряженное состояние массива использовались методы математической теории упругости.

Научная новизна:

1. Разработан автоматизированный акустополярикоп и усовершенствована методика акустополяризационных измерений. За счет оснащения прибора электромеханическим приводом и соединения прибора с персональным компьютером точность определения пространственного положения элементов упругой симметрии доведена до 1°.

2. Установлены новые зависимости изменения плотностей и скоростей распространения упругих волн в образцах горных пород с развитой системой техногенных микротрещин с увеличением приложенного всестороннего давления. На основе экспериментальных данных обоснована методика, позволяющая по значениям, плотности или величинам скоростей упругих волн при нормальных условиях дать прогнозную оценку этих параметров в массиве на значительной глубине.

3. Модельными экспериментами по нагружению образцов пород впервые установлено, что горные породы из разреза СГ-3 на глубинах от 6.3 до 10.2 км обладают высокими величинами показателей упругой анизотропии, которые в значительной степени превышают предполагавшиеся ранее.

4. Сравнительные расчеты напряженного состояния для трансверсально-изолропной и ортотропной моделей массивов горных пород показали, что анизотропия их упругих свойств определяет концентрацию напряжений на контуре вертикальной горной выработки. На контуре круглой вертикальной горной выработки, пройденной в массиве упруго-анизотропных горных пород и находящейся в поле напряжений с равными горизонтальными составляющими, могут образоваться вывалы в направлении, определенном параметрами анизотропии упругих свойств.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Тенденция возрастания плотности и скорости распространения упругих волн с глубиной по результатам испытаний в диапазоне давлений и температур, адекватных до глубин 20 км, определяется приращением плотности -0.7−10^ i/cm скорости распространения продольных волн — 12-Ю'" 1 км/с, скорости распространения поперечных волн — 3.2−10~3 км/с на каждый километр.

2. Горные породы на глубинах свыше 6 км могут обладать высокой степенью анизотропии упругих свойств. Так, породы интервала 8−10 км по разрезу СГ-3 характеризуются степенью анизотропии, достигающей 17% и 38% по скоростям распространения продольных и поперечных волн, соответственно!

3. Упругая анизотропия горных пород оказывает значительное влияние на устойчивость вертикальных скважин. В упруго-анизотропном массиве, даже при отсутствии разницы в величинах горизонтальных составляющих поля напряжений, возможны значительные вывалы, направление которых определяется параметрами анизотропии упругих свойств.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается совпадением результатов, полученных с применением различных приборов и методов исследований в лабораториях России, Германии и США, а также сопоставимостью результатов исследований материалов по Кольской, Немецкой (КТБ) и Уральской сверхглубоким скважинам.

Научное значение работы. Впервые построены модели изменения плотности, скорости распространения продольных и поперечных волн, упругой анизотропии в верхней континентальной коре. Впервые выявлено, что степень упругой анизотропии массивов в ее пределах может быть очень высокой. Показано, что упругая анизотропия пород наряду с другими факторами может являться причиной образования эллиптической формы сечения скважины СГ-3 в интервалах глубин от 6 до 11 км.

Практическая ценность работы состоит в оценке влияния анизотропии упругих свойств горных пород на устойчивость вертикальных горных выработок (скважин), пройденных в упруго-анизотропном массиве. Полученные результаты могут быть использованы при обработке данных сейсмических исследований земных недр, построении геофизических и петрофизических моделей строения земной коры, а также оценке устойчивости глубоких и сверхглубоких скважин. Практическое значение подтверждено актом об использовании результатов изучения упругой анизотропии горных пород по разрезу Кольской сверхглубокой скважины Научно-производственным центром «Кольская сверхглубокая» и актом о внедрении методики акустополяризацион-ных измерений для проведении научных исследований в Санкт-Петербургском государственном университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова-Ленина.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на X молодежной конференции «Геология и полезные ископаемые северо-запада и центра России», Апатиты, 1999; XI молодежной конференции «Геология и геоэкология Фенноскандии, Северо-запада и центра Россию), Петрозаводск, 2000; Годичном собрании Всероссийского минералогического общества «Минералогия России», Санкт-Петербург, 2000; X и XI сессиях Российского акустического общества, Москва, 2000, 2001; I молодежной конференции Тектонического общества России и Института литосферы окраинных и внутренних морей РАН, Москва, 2001; XIX Всероссийской молодежной конференции «Строение литосферы и геодинамика», Иркутск, 2001; XII и XIII молодежных конференциях, посвященных памяти К. О. Кратца, Санкт-Петербург, 2001, Апатиты, 2002; V и VI международных конференциях «Новые идеи в науках о земле», Москва, 2001, 2003; Пленарных совещаниях по Проекту № 408 МПГК ЮНЕСКО, Винденшесшенбах (Германия), 2001, Заполярный, 2002; Школе молодых геофизиков, Екатеринбург, 2002; конференции «Геология, геохимия и геофизика на рубеже XX и XXI веков», Москва, 2002; конференции «Неделя Горняка», Москва, 2003.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, двух приложений, изложенных на 218 страницах, содержит 70 рисунков, 36 таблиц и список литературы из 136 наименований.

Выводы.

По разрезу Кольской сверхглубокой скважины отмечено частое чередование различных типов пород [Кольская., 1998]. При этом средняя мощность слоев незначительная и колеблется около 10 — 20 м.

Комплексные исследования, включающие акустополярископию образцов, извлеченных из Кольской сверхглубокой скважины, показали, что на их упругие свойства оказывают влияние, в основном, микротрещины, анизотропия и неоднородности. Наличие развитой системы микротрещин, возникающих при освобождении образца от литостатического давления, является причиной проявления эффекта линейной акустической анизотропии поглощения (ЛААП). Этот эффект наблюдается практически на всех глубинных образцах керна СГ-3.

Нагружение глубинных образцов в значительной степени изменяет их упругие свойства. Приложение давления до 600 — 1000 МПа вызывает рост величин скорости распространения продольных волн и поперечных волн в 2 и более раз. Самый значительный, наблюдаемый на начальном участке нагружения (до 150 МПа), рост величин VP и Vs, обусловлен закрытием, в основном, открытых микротрещин. Нагрев образцов показал, что при повышении температуры до 600° величины VP и Vs, как правило, снижаются, но незначительно, в пределах 0.5 — 5%.

В результате анализа экспериментальных зависимостей скоростей распространения продольных и поперечных волн от давлений и температур, воздействующих на образцы, обоснована процедура, позволяющая по значениям скоростей I о при нормальных условиях дать прогнозную оценку их величин в породах при условиях in situ:

V (H) = a-V0 + Р-Н + y-(t-20°C).

Получены численные средние значения коэффициентов модели (а, Р, у), их зависимости в явном виде от глубины залегания пород. Данный подход опирается на прямые экспериментальные исследования глубинного вещества и может быть рекомендован для применения при изучении акустических характерно гик кериового материала буровых скважин, прогноза упругих свойств погребенных массивов горных пород.

Заключение

.

В диссертации, представляющей собой законченную научно-исследовательскую работу, содержатся результаты экспериментальных исследований, совокупность которых может квалифицироваться как решение актуальной научной задачи об определении анизотропии упругих свойств и оценке ее влияния на напряженно-деформированное состояние пород в глубоких и сверхглубоких вертикальных горных выработках (скважинах), апробация которой выполнена на материале самой глубокой в мире Кольской сверхглубокой скважины.

• В результате модельных испытаний образцов керна Кольской сверхглубокой скважины впервые показано, что породы на глубинах от 6.3 до 10.2 км обладают высокой степенью упругой анизотропии: по продольным волнам до 18% и по поперечным волнам до 38%. При этом как глубинные, так и поверхностные образцы с близким минеральным составом обладают широким диапазоном изменения показателей упругой анизотропии: для продольных волн от 1 до 16%- для поперечных волн от 1 до 28%.

• Выявлено, что приложение давления к образцам кристаллических пород оказывает существенное влияние на параметры их упругой анизотропии. В среднем, по мере роста давления, наблюдается снижение показателей упругой анизотропии. Однако некоторые образцы пород сохраняют высокую анизотропию при высоких давлениях и температурах.

• Показано, что учет анизотропии упругих свойств необходим при расчетах напряженного состояния массивов горных пород. Так, при расчетах горизонтальных компонент поля напряжений в нетронутом массиве под воздействием только гравитационных сил анизотропию упругих свойств необходимо учитывать на глубинах свыше 6 км (для условий СГ-3). При расчетах напряжений на контуре вертикальной горной выработки, пройденной в массиве горных пород, учет анизотропии упругих свойств (свыше 10% по продольным волнам) необходим на глубинах свыше 2 км, а на глубинах свыше 6 км необходимо учитывать даже слабую степень упругой анизотропии.

• Установлено, что если контур выработки не свободен от напряжений (скважина заполнена жидкостью — буровым раствором, нефтью и др.), то анизотропия упругих свойств может привести к тому, что в одном из горизонтальных направлений тангенциальная составляющая поля напряжений будет сжимающей, а в ортогональном к нему — растягивающей. Такое напряженное состояние на контуре выработки может привести к развитию трещин и образованию вывалов в одном из горизонтальных направлений, следствием чего станет формирование поперечного сечения скважины в форме эллипса. Зоны потери устойчивости ствола СГ-3 могут быть связаны не только с неоднородностью поля современных напряжений, но также и с существенной анизотропией упругих свойств пород.

• Разработан (в составе научного коллектива) автоматический акустополярископ, обладающий повышенной производительностью и точностью определений упруго-анизотропных свойств образцов горных пород. Усовершенствование его механической части и состыковка его с персональным компьютером позволили качественно повысить методический уровень исследований образцов акустополяризационным методом.

• В результате обработки экспериментальных зависимостей скоростей распространения продольных и поперечных волн от давлений и температур обоснована процедура, позволяющая по значениям скоростей V0 при нормальных условиях дать их прогнозную оценку при повышенных температурах и давлениях, соответствующих реальным условиям залегания горных пород:

V (H) = a-V0 + p-H+y (t-20).

Для определения значений плотности горных пород в условиях их залегания получено уравнение: р (Н) = a-ро + Р-Н +Ml+T (t — 20)].

Коэффициенты восстановления плотности до значения в ненарушенной породе (а), глубинного градиента (Р) и термического градиента (у) получены на основе экспериментальных данных по керновому материалу СГ-3.

Практический выход работы заключается в разработке методических рекомендаций по определению и учету анизотропии горных пород при расчетах напряженного состояния вертикальных горных выработок (скважин) (Приложение 2), которые уже нашли применение в работе Научно-производственно центра «Кольская сверхглубокая» (имеется акт использования). Другой выход заключается в создании автоматического акустополярископа, который нашел применение в научно-исследовательских организациях.