| |
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:
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]:
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):
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]:
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
(м2) |
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 - Смыслов А.А., Моисеенко У.И., Чадович Т.З. Тепловой режим и радиоактивность Земли. Л., Недра, 1979. -191 с.
- Кольская сверхглубокая. Научные результаты и опыт исследований. - М: МФ "ТЕХНОНЕФТЕГАЗ" 1998. - 260 с.
- Лялько В.И. Тепломассоперенос в литосфере. Киев, Наукова думка, 1985. - 260 с.
- Шмонов В.М., Витовтова В.М., Жариков А.В. Флюидная проницаемость пород земной коры. - М.: Научный мир, 2002. - 216 с.
- Семашко С.В. Акустические и геотермические исследования зон повышенной проницаемости архейского комплекса в разрезе Кольской сверхглубокой скважины. Автореферат диссертации. -Тверь: 1994.
- Кольская сверхглубокая. Исследования глубинного строения континентальной коры с помощью бурения Кольской сверхглубокой скважины. -М: Недра, 1984. - 490 с.
| |
