В онлайне: 1 (гостей - 1, участников - 0)  Вход | Регистрация

 
УДК

Оценка деформационных и прочностных свойств пород разрезов глубоких и сверхглубоких скважин на основе результатов геотермических исследований(на примере Кольской сверхглубокой скважины)


Семашко С.В., доцент ТулГУ

Рассматриваются деформационные и прочностные свойства пород разрезов глубоких и сверхглубоких скважин на основе результатов геотермических исследований

На современном этапе развития геотермических исследований для решения ряда научных и практических задач создано необходимое аппаратурно-методическое обеспечение, которое позволяет проводить определение температур, как в отдельных точках, так и непрерывно по всей длине стволов скважин (в том числе глубоких и сверхглубоких). Необходимо отметить, что в большинстве случаев измерения проводятся в скважинах заполненных буровым раствором (на основе воды).

Результаты определений температур и их пространственно-временные вариации в исследуемых частях разрезов земной коры континентального типа находят применение при поисках, разведке и эксплуатации месторождений твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых. Кроме этого, на ряде геодинамических полигонов геотермические исследования показали свою эффективность при изучении связей между пространственно-временными вариациями геофизических и геохимических полей, полей напряжений и деформаций в геологической среде. В результате теоретических исследований также установлено, что пространственно-временные вариации температур в пределах отдельных геодинамических структур можно использовать для локализации участков изменений напряжений и деформаций.

На основании измерений температур в стволах скважин определяют значения геотермического градиента для исследуемых участков (разрезов) земной коры. Результаты этих определений при обобщении в региональном масштабе, в комплексе с другими характеристиками, используют для тектонического районирования земной коры континентального типа [1].

Установлено, что в подавляющем большинстве определений в скважинах и горных выработках температура с увеличением глубины растет. В соответствии с законами переноса тепловой энергии, ее передача происходит от более нагретого тела к более холодному. Поэтому в земной коре за основное направление теплового потока принимается радиальное: от центральной части нашей планеты - к ее поверхности. Возможность количественных определений теплового потока (q), проходящего через тот, или иной интервал геологического разреза, появляется в том случае, когда для этого интервала удается установить значения геотермического градиента (gradT) и теплопроводности (λ) горных пород. Определения теплового потока проводятся с использованием формулы:

q = -λ · gradT. (1)

Следует отметить, что в ХХ веке большая часть экспериментальных определений теплового потока была ориентирована на установление его значений и закономерностей распределения в структурах земной коры континентального и океанического типов. При этом в результате теоретических и экспериментальных исследований было установлено, что, располагая информацией о пространственно-временных вариациях теплового потока в земной коре, можно провести количественную оценку разноглубинных источников тепловой энергии [1].

При определении значений теплового потока на основе формулы (1) наибольшие трудности связаны с определением теплопроводности горных пород исследуемого разреза. Современные методы определения теплопроводности непосредственно в стенках неглубоких скважин имеют погрешность измерений в несколько раз превышающую погрешность лабораторных измерений этого параметра. В настоящее время нет соответствующего аппаратурно-методического обеспечения, которое бы позволяло проводить определение теплопроводности пород в стенках глубоких и сверхглубоких скважин. Поэтому методики оценки теплопроводности in situ в этих скважинах основываются на лабораторных определениях теплопроводности образцов керна и учете поправок за термодинамические условия и насыщенность флюидами. До начала восьмидесятых годов ХХ века измерения теплопроводности горных пород проводились с использованием контактных методов. Эти методы отличаются высокой трудоемкостью измерений и, помимо этого, требуют значительного объема подготовительных работ, связанных с обработкой каменного материала (керна). Внедрение бесконтактного метода определения теплопроводности сделало возможным массовые определения этого параметра на образцах керна, подготовка которых к измерениям не требует механической обработки [2]. Образцы керна, после участия в этих измерениях, не претерпевают значимых изменений и в дальнейшем могут быть использованы для других методов исследований. Исключение механической обработки образцов при проведении исследований имеет большое значение применительно к исследованиям глубоких и сверхглубоких скважин, поскольку способствует сохранению керна поднятого с труднодостижимых глубин. Применение бесконтактного метода делает возможным определение (оценку) тепловых потоков в скважинах на всех интервалах, из которых отобраны образцы керна и для которых определены значения геотермического градиента. "Массовые" определения теплового потока по стволу скважины позволяют:

  • использовать различные виды статистической обработки полученных результатов для определения поинтервальных значений теплового потока;
  • провести комплексный анализ полученных значений теплового потока с целью определения его глубинной (неискаженной) составляющей.

    Результаты скважинных геотермических исследований востребованы при изучении движения флюидов в кристаллических породах фундамента, вскрытых глубокими и сверхглубокими скважинами. Эти исследования доказали свою высокую эффективность при определении тех интервалов, в пределах которых происходит приток флюидов, или отток бурового раствора. При проведении количественных расчетов используют установленную в результате теоретических исследований (и подтвержденную на практике) зависимость между изменениями теплового потока, теплофизическими свойствами горных пород и флюидов и скоростью вертикального перемещения флюида в земной коре [3]:

    Vф = (λ ·ln(q2/q1))/(Δx·ρ·c), (2)

    где Vф - вертикальная составляющая скорости движения флюида; q1, q2 - искаженный и неискаженный тепловой поток; λ - теплопроводность породы; Δx - интервал, на котором происходит движение флюидов (проявленное как "искажение" теплового потока); с,ρ - теплоемкость и плотность флюида.

    Если движение флюидов в глубинных частях земной коры происходит под действием градиента давлений (выполняется закон Дарси), то оценку скорости движения флюидов в проницаемых горных породах можно проводить, используя соотношение [4]:

    Vф= (k/μ)·(∂p/∂l) (3)

    где Vф - скорость движения флюида; k - коэффициент проницаемости горных пород; μ- вязкость флюида; ∂p - разность давлений на интервале ∂l; ∂p/∂l - градиент давления.

    В соответствии с имеющимися в настоящее время результатами исследований, фоновые значения скоростей движения флюидов в земной коре, как правило, не превышают нескольких сантиметров в год.

    Из соотношений (2) и (3) путем несложных преобразований получим соотношение, позволяющее проводить определение проницаемости горных пород в интервалах искажений тепловых потоков:

    k = (λ·ln(q2/q1)) · (μ/ (ρ·c)) / (Δx · (∂p/∂l)). (4)

    В соотношении (4) используемые обозначения соответствуют обозначениям, которые были использованы ранее в соотношениях (2) и (3).

    Соотношение (4) позволяет провести оценку проницаемости для тех интервалов, для которых известны (определены) не только значение теплового потока и теплопроводности горных пород, но и значение градиента давления, под действием которого и происходит движение флюидов. Также должны быть известны вязкость, теплоемкость и плотность перемещающихся флюидов. Определить проницаемость кристаллических пород фундамента in situ, используя прямые методы, на глубинах более 8км удается не всегда. Это связано в первую очередь с кавернозностью ствола и с угрозой потери устойчивости скважины в процессе измерений. В отличие от прямых методов определений проницаемости, соотношение (4) позволяет провести оценку проницаемости для всех интервалов, в которых происходит искажение теплового потока вследствие движения флюидов, или фильтрации бурового раствора.

    Поскольку движение флюидов в кристаллических породах происходит по сообщающимся между собой системам трещин и микротрещин, следует ожидать, что проницаемые участки горных пород будут иметь пониженные, по сравнению с непроницаемыми участками, значения прочностных и деформационных характеристик. Отметим, что аппаратурно-методическое обеспечение для определения этих характеристик in situ в стволах глубоких и сверхглубоких скважин, пройденных в кристаллических породах фундамента, в настоящее время отсутствует. Поэтому представляется перспективным, используя результаты массовых определений теплопроводности и теплового потока в разрезах сверхглубоких скважин, провести оценку прочностных и деформационных характеристик на основе этих определений. Для достижения этой цели воспользуемся полученным ранее соотношением между проницаемостью (k), модулем Юнга (Е) и поверхностной энергией (Тs):

    Е = 8,1· Тs/ √k, (5)

    для оценки модуля Юнга проницаемых интервалов.

    После подстановки (4) в (5) и несложных преобразований получим:

    Е = 8,1· Тs· [(Δx/λ)·(∂p/∂l)· ((ρ·c)/μ)·(1/ ln(q2/q1)] 1/2 (6)

    В соотношении (6) используемые обозначения соответствуют обозначениям, которые были использованы ранее в соотношениях (2), (3) и (5).

    После подстановки проницаемости (k) из соотношения (3) в (5) и несложных преобразований получим:
    Е = 8,1· Тs· [(∂p/∂l)/(μ· Vф)] 1/2 (7)

    В соотношении (6) используемые обозначения соответствуют обозначениям, которые были использованы ранее в соотношениях (3) и (5).

    Поскольку для большей части кристаллических пород фундамента Тs·при проведении количественных оценок может быть принято равным 1,0 н/м, то соотношения (6) и (7) могут быть использованы для оценок значений модуля Юнга горных пород, которые находятся в проницаемых зонах земной коры, вскрытых глубокими и сверхглубокими скважинами. Соотношение (7) позволяет провести количественные оценки модуля Юнга, используя результаты гидрогеологических исследований (испытаний), проведенных in situ с использованием скважин и других горных выработок.

    Оценку прочности горных пород на растяжение (σраст) проведем с использованием соотношения, связывающего между собой модуль Юнга (Е) и пористости (f) [5]:

    σраст = 0,1·Е ·√f. (8)

    В результате комплексных исследований разреза Кольской сверхглубокой скважины были получены данные (теплопроводности, теплового потока и пористости ) [2], представленные в таблице №1. Эти данные и значение неискаженного теплового потока - 68 мВт/м2 [2] - были использованы для расчета k, Vф, Е и (σраст горных пород, находящихся в проницаемых зонах.

    Оценка этих характеристик проведена с использованием соотношений (3), (4), (6) и (8).

    При проведении расчетов были приняты следующие характеристики флюида: вязкость - 0,7Пуаз, а произведение (ρ·c) - 4·106 Дж/(м3 ·К), градиент давлений - гидростатический. Результаты оценки k , Vф, Е и (σраст для проницаемых зон разреза Кольской сверхглубокой скважины в интервале глубин 0,3-8,6км, представлены в таблице 1.

    Н1- Н2

    (м)

    λ

    Вт/(м·К)

    q мВт/м2

    f

    (%)

    k

    2)

    Vф

    мм/год

    Е

    МПа

    σраст

    МПа

    300-820

    3,20

    35

    0,51

    6,2·10-17

    28,8

    1,0·103

    24

    2235-2740

    4,13

    58

    1,15

    9,5·10-18

    4,3

    2,6·103

    28

    3125-3690

    3,52

    57

    0,3

    9,2·10-18

    4,1

    2,7·103

    15

    4000-4250

    3,46

    57

    0,3

    2,0·10-17

    9,2

    1,8·103

    10

    4625-4750

    3,88

    72

    0,8

    8,1·10-17

    36,7

    9,0·102

    8

    4750-4900

    4,09

    74

    1,0

    1,0·10-16

    45,7

    8,0·102

    8

    5094-5594

    3,19

    62

    0,9

    1,0·10-17

    4,4

    2.6·103

    25

    8110-8545

    2,46

    50

    1,38

    2,1·10-17

    9,6

    1,9·103

    18



    Полученные значения проницаемости и вертикальной составляющей скорости фильтрации грунтовых вод (табл.1) не противоречат полученным ранее оценкам этих параметров для разреза СГ-3 [2].

    Полученные нами оценки модуля Юнга для проницаемых участков, находящихся в интервале глубин 0,3-8,6км, в среднем в 10-30 раз ниже, чем результаты оценки модуля Юнга (ЕD), представленные в работе [6]. Значения ЕD соответствуют динамическим значениям модуля Юнга, которые были определены по результатам петрофизических и геофизических исследований разреза СГ-3 [6]. Уменьшение на порядок деформационных характеристик горных пород в зонах разломов, по сравнению с ненарушенными породами, является достаточно известным фактом. Оценки прочности на растяжение для проницаемых участков (табл.1) не противоречат полученным ранее оценкам этой прочностной характеристики свит Печенгского комплекса и архейским группам пород [6].

    Следовательно, использование массовых определений теплопроводности и теплового потока в разрезах сверхглубоких скважин позволяет провести оценку модуля Юнга и прочности на растяжение кристаллических пород, которые находятся в проницаемых зонах земной коры континентального типа.


    Библиографический список

    1. Смыслов А.А., Моисеенко У.И., Чадович Т.З. Тепловой режим и радиоактивность Земли. Л., Недра, 1979. -191 с.
    2. Кольская сверхглубокая. Научные результаты и опыт исследований. - М: МФ "ТЕХНОНЕФТЕГАЗ" 1998. - 260 с.
    3. Лялько В.И. Тепломассоперенос в литосфере. Киев, Наукова думка, 1985. - 260 с.
    4. Шмонов В.М., Витовтова В.М., Жариков А.В. Флюидная проницаемость пород земной коры. - М.: Научный мир, 2002. - 216 с.
    5. Семашко С.В. Акустические и геотермические исследования зон повышенной проницаемости архейского комплекса в разрезе Кольской сверхглубокой скважины. Автореферат диссертации. -Тверь: 1994.
    6. Кольская сверхглубокая. Исследования глубинного строения континентальной коры с помощью бурения Кольской сверхглубокой скважины. -М: Недра, 1984. - 490 с.



 

Разделы конференции

  1. Государственный кадастр недвижимости и земельно-имущественные отношения
  2. Мониторинг природных ресурсов и охрана окружающей среды
  3. Комплексное использование природных ресурсов
  4. Современные вопросы геологии
  5. Физика горных пород
  6. Новые технологии в природопользовании
  7. Применение современных информационных технологий
  8. Экономические аспекты недвижимости
  9. Мониторинг использования объектов недвижимости

 

Проекту Kadastr.ORG требуются средства на хостинг и развитие

Сумма: руб.