Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Комплексирование методов ГИС с целью определения физических свойств грунтов

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Комплексирование методов ГИС с целью определения физических свойств грунтов"

004618890

На правах рукописи

МУЛЛАГАЛЕЕВА Наиля Рамилевна

КОМПЛЕКСИРОВАНИЕ МЕТОДОВ ГИС С ЦЕЛЬЮ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ

Специальность - 25.00.10 "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

1 3 ЯНВ 2011

Екатеринбург - 2010

004618890

Работа выполнена в открытом акционерном обществе научно-производственном предприятии «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт геофизических исследований геологоразведочных скважин» (ОАО НЛП «ВНИИГИС») и ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

профессор Давыдов Юлий Борисович Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук

Защита диссертации состоится 27 января 2011 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.01 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ГСП, ул. Куйбышева, 30 (III уч. корпус, конференц-зал).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Автореферат разослан 20 декабря 2010 г.

Демежко Дмитрий Юрьевич

кандидат геолого-минералогических наук,

доцент Крылатков Сергей Михайлович

Ведущая организация: ОАО «Уральский научно-

исследовательский институт архитектуры», г. Екатеринбург

диссертационного совета

Ученый секретарь

А.Б. Макаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время всё больше становятся востребованными методы геофизических исследований скважин (ГИС), направленные на решение задач инженерной геологии. Интенсивное развитие этого направления ГИС связано с необходимостью строительства инженерных сооружений для промышленного, гражданского, гидротехнического, линейного и мелиоративного строительства на площадках, расположенных в сложных инженерно-геологических условиях. Поскольку геофизические методы исследования грунтов характеризуются экспрессностью, возможностью изучения значительных массивов, представительностью и сравнительно с керновым опробованием, низкой трудоемкостью и стоимостью, то актуальность ГИС для решения задач инженерной геологии в дальнейшем будет не только сохраняться, но и расти.

На развитие инженерной геологии большое влияние оказали такие российские ученые, как Ф.П. Саваренский, И.В. Попов, В.А. Приклонский, Н.Я. Денисов, Н.В. Коломенский, Е.М. Сергеев, В.Д. Ломтадзе, Л.Д. Белый и др. В разработку методов и технических средств определения физико-механических свойств грунтов большой вклад внесли А.К. Урупов, Ю.А. Бяков, В.И. Бондарев, А.И. Савич, В.И. Витке, Б.М. Александров, A.A. Варга, В.И. Осипов и многие другие исследователи.

Определение физико-механических свойств грунтов и элементов их залегания является существенной составной частью инженерно-геологических изысканий, непосредственно участвующей в расчете сооружений. Достоверность оценки вводимых в расчет параметров определяет в значительной мере надежность строящихся сооружений, объектов и систем, поэтому при инженерно-геологических изысканиях методы ГИС, позволяющие осуществить всесторонний и комплексный анализ фунтов, заслуживают особого внимания. Постоянное развитие аппаратурно-методической базы геофизических исследований создает условия для использования новых методов при решении задач инженерной геологии.

В работе рассматривается применение комплекса методов ГИС с целью оценки трещиноватости грунтов и определения их физико-механических свойств. К новым для инженерной геологии методам экспресс-оценки трещиноватости и элементов залегания пород относится метод бокового сканирующего каротажа (БКС), разработанный для нефтяной геофизики. Применение БКС на объектах инженерного назначения в комплексе с волновым акустическим каротажем (ВАК) позволяет решить ряд вопросов, важных при проектировании сооружений, и, таким образом, существенно повысить информативность геофизических исследований.

Объектами исследования являлись инженерно-геологические скважины при проектировании мостового перехода в г. Владивосток через пролив Босфор Восточный от полуострова Назимова до мыса Новосильского

на острове Русском и строительстве шахты на месторождении калийных солей для добычи руды в районе Волгограда.

Предмет исследования - взаимосвязи физико-механических свойств грунтов с электрическими и акустическими свойствами.

Цель работы - разработка, экспериментальное и теоретическое обоснование комплекса методов ГИС для исследования трещиноватости и физико-механических свойств грунтов при решении задач инженерной геологии.

Основная идея работы заключается в применении новых для инженерной геологии геофизических методов с целью оценки трещиноватости скальных фунтов, определения их физико-механических свойств (ФМС).

Основными задачами исследования являются:

1) сбор, изучение, систематизация, обобщение и анализ данных (информация по конкретному объекту), относящихся к теме работы;

2) анализ возможностей отдельных методов и их комплекса для исследования трещиноватости и определения ФМС грунтов;

3) экспериментальные исследования методом сканирующего бокового каротажа с целью проверки разрешающей способности аппаратуры при выделении различных видов неоднородностей, в том числе вертикальных, наклонных трещин и локальных неоднородностей;

4) исследование взаимосвязей физико-механических свойств грунтов с акустическими;

5) исследования инженерно-геологических скважин с целью выделения интервалов трещиноватости методом бокового сканирующего и волнового акустического каротажа;

6) выполнение расчета физико-механических свойств фунтов по данным волнового акустического каротажа;

7) анализ и сопоставление расчетных данных физико-механических свойств, определяемых по ГИС, с данными изучения керна;

8) комплексная обработка результатов работ, выявление причинно-следственных связей, теоретическое обобщение полученных данных.

Методы исследования: Основные положения и выводы диссертационной работы основаны на теоретических, экспериментальных, опытно-методических и производственных исследованиях, проведенных на моделях метрологического центра и в скважинах, и данных полученных с помощью аппаратуры АЭСБ-73 (БКС), СПАК-6Д и АКЦ-48 (ВАК). Обработка данных осуществлялась с использованием следующих профамм Microsoft Excel, Imager - построение азимутальных разверток, Achilles -визуализация и обработка данных ГИС. Расчет углов и азимутов залегания горных пород и электрических неоднородностей выполнялся с помощью системы ПРАЙМ, расчет физико-механических свойств фунтов -профаммой FMS, построение объемной литологической модели скважины -профаммой ОРТСОМ.

Защищаемые научные положения:

1. Боковой сканирующий каротаж позволяет оценить неоднородность пород по электрическим свойствам изучаемых отложений, определить углы и азимуты залегания горных пород, что позволяет выявить зоны трещиноватости горных пород.

2. БКС в комплексе с ВАК позволяет повысить информативность комплекса при определении физико-механических свойств грунтов за счет использования в расчетах данных об элементах залегания и анизотропии пластов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждена результатами теоретических расчетов, экспериментальных и опытно-методических исследований, выполненных на моделях метрологического центра ВНИИГИС, а также в инженерно-геологических скважинах в г. Владивостоке и месторождения калийных солей в Поволжье. В настоящее время ведется строительство данных объектов.

Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:

- Впервые для решения инженерно-геологических задач использован метод сканирующего бокового каротажа, позволяющий оценивать электрические неоднородности, выявлять зоны трещиноватости горных пород, а также определять углы падения пластов и азимуты их залегания.

- Применение БКС в комплексе с ВАК позволяет повысить информативность и достоверность геологической информации при определении физико-механических свойств грунтов за счет использования в расчетах данных об элементах залегания и анизотропии пластов.

Практическая значимость работы заключается в повышении информативности комплекса ГИС для обоснования проектных решений и увеличения надежности возводимых инженерных сооружений за счет применения нового для инженерной геологии метода БКС, позволяющего оценивать элементы залегания горных пород и выявлять различные виды неоднородностей.

Личный вклад автора. Диссертационная работа базируется на многолетних теоретических, экспериментальных и опытно-методических исследованиях в области бокового каротажа и его сканирующей модификации, в которых автор принимает участие с 2001 г. в качестве исполнителя. Традиционно БКС используется в нефтегазовой геологии для решения следующих задач: оценка степени неоднородности по электрическим свойствам геологического разреза, определение элементов залегания пластов, выделение коллекторов и оценка их анизотропии по электрическим свойствам, выделение коллекторов трещинного типа; выявление вертикальной трещиноватости, оценка характера насыщения коллекторов. Для использования этого метода в инженерной геологии пришлось поставить и решить задачи моделирования, провести экспериментальные и опытно-методические исследования, проанализировать

полученные результаты, поставить задачи для создания специального программного обеспечения для обработки данных БКС. Автором были проанализированы возможности БКС на инженерно-геологических объектах с целью оценки трещиноватости грунтов и сделаны выводы, что применение БКС в комплексе с ВАК позволяет повысить точность определения физико-механических свойств грунтов за счет использования данных об элементах залегания пластов в расчетных формулах прочностных свойств.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию УГНТУ в г. Октябрьский 27 октября 2006 г.; на межвузовской научной конференции студентов и молодых ученых "Молодые - наукам о Земле" - Москва, СЫТО, 2008 г.; на Международной научно-практической конференции молодых ученых и студентов - г. Екатеринбург, УГГУ, 2009 г.; на VIII Конгрессе нефтепромышленников России, научная секция В "Новые достижения в технике и технологии геофизических исследований скважин" - г. Уфа, 2009 г; на VII Международной научно-практической конкурс-конференции молодых специалистов - г Санкт-Петербург, 2009 г.; на X Уральской молодёжной научной школе по геофизике - Пермь: Горный институт УрО РАН, 2009 г.; на XI Уральской молодёжной научной школе по геофизике - Екатеринбург, 2010 г; на научно-практической конференции "Новая техника и технологии для геофизических исследований скважин", проводимой в рамках VIII Международной специализированной выставки "Газ. Нефть. Технологии-2010"-г. Уфа, 2010 г.

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе одна - в издании, определенном Высшей аттестационной комиссией (Научно-технический вестник "Каротажник". - Тверь: Изд. АИС, 2009. - Вып. 4 (181). -С. 64-71).

Структура, содержание и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержащего 9 наименований. Работа изложена на 84 страницах машинописного текста, содержит 20 рисунков и 7 таблиц.

Благодарности. Диссертационная работа подготовлена в ОАО НПП "ВНИИГИС" под научным руководством доктора физико-математических наук, профессора Ю. Б. Давыдова, которому автор искренне благодарен.

Автор считает приятным долгом выразить благодарность коллегам по работе, с которыми проведена основная часть исследований, и, прежде всего, сотрудникам отдела № 19 "Программно-управляемая геофизическая аппаратура" ОАО НПП "ВНИИГИС": Даниленко В.В. - начальнику отдела, Мамлееву Т.С., Крысову A.A., Николаеву Ю.В., Гулимову A.B., к.т.н. Лысенкову А.И., Лысенковой З.А., к.г-м.н. Борисовой Л.К., Мамлеевой С.Т., Дмитриеву К.В., Шокурову В.Ф., к.т.н. Потапову А.П., Головацкой Г.И., Мишанову М.А., к.т.н. Гайфуллину Я.С., Шайхутдиновой P.A., Альмухаметовой Г.С. и многим другим, а также заведующим отделами и

сотрудникам смежных отделов ОАО НПП "ВНИИГИС" - Болгарову А.Г, Болгаровой О.С. и Еникееву В.Н., Косолапову А.Ф. и Ханипову 3. 3.

Постоянное содействие в практической реализации идеи работы и в проведении скважинных испытаний оказывали: директор ОАО НПП "ВНИИГИС", к.т.н. Перелыгин В.Т., директор ЗАО НПФ "ГИТАС", к.т.н. Даниленко В.Н., а также дирекция института, руководители и главные специалисты производственных организаций. Всем им автор выражает глубокую признательность.

Краткое содержание работы

В первой главе на основе анализа возможностей современных геофизических методов для решения задач инженерной геологии поставлена цель и обоснованы задачи исследований.

Вторая глава посвящена описанию прибора АЭСБ-73 и физическим основам бокового сканирующего каротажа, позволяющего оценить зоны трещиноватости по электрическим неоднородностям изучаемых отложений, а также определить углы падения и азимуты залегания горных пород. Приводятся результаты модельных работ с целью определения разрешающей способности прибора, а также точности определения углов падения на стеклопластиковой модели скважины. Описывается интерпретация данных БКС: нахождение границ пластов, которые впоследствии используются при определении углов падения, азимутов и коэффициента анизотропии; определение удельного сопротивления по шестнадцати направлениям. Кроме того, приводится краткое описание программы Imager, разработанной специально для представления данных электрического сканера в виде цветных графических изображений в форме азимутальных разверток, а также попутной математической обработки отображаемых данных.

В третьей главе описываются теоретические основы акустического каротажа, рассматриваются решаемые данным методом задачи, в том числе в комплексе с плотностным каротажем по определению физико-механических свойств горных пород в естественном залегании. Для устранения неоднозначности интерпретации данных ВАК, особенно в сложных геолого-технических условиях, возникает необходимость комплексирования с другими методами ГИС, в частности с боковым сканирующим каротажем, который позволяет установить наличие или отсутствие мешающих факторов. Информация о зонах трещиноватости и элементах залегания горных пород, полученная с помощью БКС, позволяет уточнить геолого-геофизическую информацию, а также повысить точность определения прочностных свойств за счет использования данных об элементах залегания пластов, слоев, трещин, то есть необходимой информации для учёта вертикальной анизотропии прочностных свойств, определяемых по ВАК.

В четвертой главе приведены результаты практического применения комплекса методов БКС и ВАК на инженерных объектах при проектировании опор моста к острову Русский в районе Владивостока и строительстве шахты на месторождении калийных солей Поволжья.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава. В последние десятилетия активное развитие получила инженерная геология - наука, изучающая свойства горных пород (грунтов), природные геологические и техногенно-геологические (инженерно-геологические) процессы в верхних горизонтах земной коры в связи со строительной деятельностью человека.

Главная цель инженерной геологии - изучение природной геологической обстановки местности до начала строительства, а также прогноз тех изменений, которые произойдут в геологической среде, и, в первую очередь, в породах в процессе строительства и при эксплуатации сооружений. В современных условиях ни одно здание или сооружение не может быть спроектировано, построено и надежно эксплуатироваться (а впоследствии ликвидировано или реконструировано) без достоверных и полных инженерно-геологических данных.

В практике инженерно-геофизических изысканий основное место занимают электрометрия и сейсмометрия. Ведущими методами являются сейсмические: метод преломленных волн (МПВ), реже - отраженных волн (MOB), а также один-два из следующих: электропрофилирование методами естественного поля (ЕП), кажущихся сопротивлений, радиоволновым (РВП), вертикальные электрические зондирования методом сопротивлений или вызванной поляризации (ВЭЗ или ВЭЗ-ВП), частотные зондирования (43), зондирования становлением поля (ЗС) и радиоволновые (РВЗ), гравимагнитные, ядерные и скважинаые методы.

К современным скважинным методам исследований относятся: многоволновые акустические наблюдения в скважинах, межскважинные просвечивания и томография, скважинная георадиолокация, георадиолокационные измерения на грунтах и строительных конструкциях.

Вышеперечисленные методы предназначены для исследования верхних частей разреза (ВЧР). К решаемым задачам относятся: изучение инженерно-геологических условий, динамических воздействий на грунты и конструкции, инструментальное обследование состояния строительных конструкций, мониторинг грунтов и сооружений в зоне влияния крупного строительства. Для решения более серьезных задач, таких как строительство моста и проектирование шахты, необходимо иметь четкое представление о физико-механических свойствах горных пород, вскрытых скважиной в естественном залегании. Поэтому в состав комплекса ГКС необходимо включать дополнительные современные методы ГИС разработанные на основе методик, применяемых в нефтяной и угольной геофизике, позволяющие получать геологическую информацию о физико-механических свойствах грунтов высокого качества.

Вторая глава посвящена описанию прибора АЭСБ-73 и физическим основам бокового сканирующего каротажа, позволяющего оценить зоны

трещиноватости по электрическим неоднородностям изучаемых отложений, а также определить углы и азимуты залегания горных пород.

Трещиноватость горных пород характеризует их сплошность и возможность механического разрушения, поэтому является одним из решающих факторов при инженерно-геологической оценке. Степень трещиноватости горных пород определяет степень их разрушения и вместе с другими тектоническими нарушениями характеризует тектоническое строение того или иного района или участка, пространственную неоднородность и анизотропность свойств слагающих их пород.

Одним из современных методов оценки трещиноватости является боковой сканирующий каротаж. Он не только позволяет выявить тонкие пропластки горных пород, оценить их неоднородность, слоистость, анизотропию, но и определить элементы залегания за счет встроенного в скважинный прибор инклинометрического датчика.

Впервые прибор фокусированного бокового каротажа с секционированным центральным электродом для выделения зон с азимутальной неоднородностью был заявлен в 1982 г. во ВНИИНПГ (г. Уфа). Это был прибор с передачей на поверхность аналогового сигнала, амплитуда которого пропорциональна степени электрической неоднородности скважинной формации. В 1983-1985 г.г. во ВНИИГИС был разработан цифровой модуль сканирующего бокового каротажа с зондовой установкой типа БК-3 с центральным фокусированным электродом, разделенным на шесть секций, с раздельной регистрацией тока каждой секции, предназначенный для работы в составе агрегатированного комплекса цифровой аппаратуры АКИПС-48 и АКИПС-36. В ходе испытаний и последующей эксплуатации этого модуля была показана высокая эффективность метода при исследовании азимутальных неоднородностей скважинных формаций, оценке характера и особенностей этих неоднородностей, выделении наклонных, в том числе тонких, пластов. В настоящее время этот модуль выпускается в модификации с восемью секциями центрального электрода при диаметре прибора 48 мм. Вертикальное разрешение аппаратуры составляет 2 см. К недостаткам данного модуля следует отнести малое разрешение по азимуту (6 градаций) и отсутствие инклинометрических датчиков для привязки данных к пространственным координатам.

Разработкой аппаратуры с аналогичным принципом действия занимаются также в НПО "Нефтегеофизприбор" (г. Краснодар) - это азимутальный электрический сканер АЭС-8 и прибор двойного компенсированного бокового микрокаротажа Э42С. Зарубежным аналогом является каротажный прибор ARI (Azimutal Resistivity Imager), разработанный и используемый фирмой Schlumberger для представления азимутального распределения удельного электрического сопротивления, который выполнен на основе фокусированного бокового каротажа.

В 2000 г. во ВНИИГИС был разработан электрический сканер диаметром 73 мм с расширенными функциональными возможностями -

АЭСБ-73. Азимутальный электрический сканер АЭСБ-73 был разработан для исследования анизотропии электрических свойств горных пород относительно оси скважины для нефтяных скважин. Целью разработки было усовершенствование аппаратуры электрического сканирования скважин благодаря увеличению разрешающей способности как по азимутальным, так и по вертикальным неоднородностям формаций, а также расширение области применения данного метода. В качестве прототипа был использован 8-секционный модуль бокового каротажа комплекса АКИПС-48; в нем было увеличено количество секций центрального электрода до 16-ти с одновременным уменьшением вертикального размера электродов секций.

Цифровой прибор АЭСБ-73 представляет собой комбинацию фокусированного трехэлектродного зонда БК-3 и псевдобокового зонда ПБК. Отличие состоит в том, что центральный фокусированный электрод Ао состоит из 16-ти секций Ао1 ...Ао1б, равномерно распределенных по окружности сечения зонда. Продольный размер секций, ограничивающий вертикальное разрешение зонда, равен половине длины центрального электрода и составляет 12,5 мм.

Для выбора и обоснования конструкции зондового устройства электрического сканера, наряду с математическим моделированием, были проведены дополнительные экспериментальные работы с модулем БКС. Измерения сканирующим модулем БК проводились в различных геологических условиях, в скважинах различной конструкции и в нетрадиционных условиях измерения.

С целью проверки разрешающей способности аппаратуры АЭСБ-73 при выделении различных видов неоднородностей, в том числе вертикальных, наклонных трещин, были проведены исследования на модельной скважине № Э-2 ОАО НЛП ВНИИГИС. Конструкция модели представляла собой скважину, обсаженную стальной колонной диаметром 305 мм до забоя, заполненную пресной водой, а также обсаженную колонной из пяти стеклопластиковых труб общей длиной 15 м. Трубы имели искусственно выполненные отверстия и щели, имитирующие электрические неоднородности. Дополнительно была создана стеклопластиковая модель трубы, имитирующая пласты с углами наклона 5°, 10°, 20°, 40° для точного определения углов (рис. 1).

Результаты модельных работ показали высокую разрешающую способность аппаратуры АЭСБ-73, которая позволяет определить вертикальные и наклонные трещины и отдельные локальные неоднородности размером 2 мм и более.

Интерпретация данных бокового сканирующего каротажа аналогична методу трехэлектродного бокового каротажа с регистрацией как сопротивления, так и проводимости пород. Метод БКС обладает по сравнению со стандартными зондами электрического каротажа более высокой расчленяющей способностью и отсутствием экранных эффектов. Кривые БКС более дифференцированы и более четко, чем кривые КС, фиксируют границы пластов и тонкие прослои низкого сопротивления, что

обеспечивает повышенную точность при определении мощности и особенно структуры пластов.

Рис. 1. Определение углов на стеклопластиковой модели

Применение секционированного центрального электрода значительно расширяет методические возможности зонда. Создаются условия для детального изучения особенностей структуры и гранулометрического состава лито-логических разностей пород. Одновременное изучение сопротивления по шестнадцати направлениям позволяет выделять пласты, наклонные к оси скважины, определять видимый угол наклона, а наличие блока привязки к пространственным координатам - истинный угол наклона пласта.

Граница пластов, найденная по одной из 16-ти кривых сканирующего бокового каротажа, используется для нахождения границ пластов для остальных кривых. С этой целью применяется способ математического моделирования границ пластов с вычислением функции взаимной корреляции кривой и модели кривой на границе двух пластов. Найденные границы используются при определении углов падения пластов и азимутов пластов.

Сканирующий боковой каротаж позволяет изучать азимутальную анизотропию электрических свойств разреза, которая может быть следствием трещиноватости, косой слоистости пород, наклона пластов, анизотропии проницаемости и сложной структуры коллекторов. Для повышения эффективности метода целесообразно проводить интерпретацию материалов

БКС в комплексе с другими методами ГИС. Сканирующий боковой каротаж может достаточно уверенно "увидеть" субвертикальную трещину, если она залегает в высокоомном разрезе 200-1000 Омм при высокоминерализованной (100-150 г/л) пластовой воде. В этом случае показания зондов будут достаточно сильно расходиться в интервале нарушения. В случае небольшой контрастности между удельным электрическим сопротивлением пласта и пластовой воды область трещиноватости можно оценить по значению азимутальной анизотропии пластов (не меньше 1.2) и в присутствии на общем фоне аномально больших углов, характерных для данного разреза.

Определение границ и элементов залегания пластов, выявление электрических неоднородностей осуществляется программой "ПРАЙМ". Для визуализации данных электрического сканера в виде цветных графических изображений в форме азимутальных разверток, а также попутной математической обработки отображаемых данных была разработана программа Imager (автор Мамлеева С.Т.).

В третьей главе обосновывается эффективность комплексирования метода БКС с волновым акустическим каротажем.

Физико-механические свойствами пород горных пород определяют их физическое состояние, отношение к воде и закономерности изменения прочности и деформации. Соответственно различают свойства физические, водные и механические. Их выражают и оценивают с помощью определенных характеристик. Исследования физико-механических свойств горных пород имеют не только инженерное значение, но и общее геологическое, они позволяют в целом расширить их геологическую изученность. Определение физико-механических свойств является одной из основных задач в инженерно-геологических исследованиях. В дальнейшем эти параметры используются при расчетах и обосновании конструкций и режимов эксплуатации сооружений, поэтому правильность оценки вводимых в расчет параметров определяет в значительной мере надежность и технико-экономическую эффективность проектируемых и строящихся сооружений, объектов и систем.

В разработку методов и технических средств определения физико-механических свойств грунтов большой вклад внесли Урупов А.К., Бяков Ю.А., Бондарев В.И., Савич А.И., Александров Б.М., Варга A.A., Витке В.И и многие другие исследователи.

Получение информации о физико-механических свойствах пород путем испытания проб из керна скважин имеет ряд недостатков: измерения ведутся на отдельных пробах, физические свойства которых могут не соответствовать средним значениям свойств всего массива породы (масштабный фактор); неполный выход керна наблюдается в слабых и трещиноватых породах, что приводит к искажению данных о физико-механических свойствах горных пород (непредставительная проба); измерения выполняются в условиях, отличающихся от условий естественного залегания образца (горное давление, влажность и др.); высокая трудоемкость исследований; низкая точность результатов. Таким образом,

испытания пород по керну требуют дополнительных контрольных методов, не имеющих вышеуказанных недостатков. ,.

В связи с этим необходимо использовать информацию, получаемую геофизическими методами разведки в скважинах. Измерения в скважинах имеют следующие преимущества: геофизические измерения по своей физической сущности связаны с важнейшими физико-механическими характеристиками; измерения проводятся в естественных условиях (горное давление, напряжение, влажность и т.д.); запись величин проводится непрерывно, поэтому оценку можно провести в любой точке скважины и привязать измерения по глубине; применение метода не требуют больших затрат, поскольку информация получается по стандартным измерениям, дополнительно выполняются только вычислительные работы.

Для определения физико-механических свойств горных пород в естественном залегании при инженерно-геологических изысканиях широко применяется волновой акустический каротаж, позволяющий в комплексе с плотностным определять коэффициент Пуассона, модули Юнга, сдвига (твердости) и всестороннего сжатия, характеризующие механические свойства пород, т.е. их прочность и деформируемость. Кроме того, ВАК позволяет выполнять литологическое расчленение отложений на основные литотипы (песчаники, аргиллиты, карбонаты, ангидриты, гипсы и соли), а также оценить плотность горных пород, их сцементированность и трещиноватость, величину и структуру порового пространства (межзерновые поры, трещины, каверны), характер насыщенности пород, что также имеет большое значение при проектировании сооружений. Однако из-за влияния большого количества геолого-геофизических факторов на показания ВАК часто, особенно в сложных геолого-технических условиях проведения исследований, интерпретация акустических данных неоднозначна. Например, в общем случае трещиновато-кавернозной породы при произвольном изменении количества трещин и каверн, их размеров и заполнения по увеличению ар(а3) или уменьшению /)р(/1.?) невозможно установить параметры трещин и каверн, определить величину трещинной и каверновой пористости или отличить трещиноватые породы от кавернозных. Увеличение ар(а5) и уменьшение АР(Л$) упругих волн могут быть вызваны, помимо трещиноватости и кавернозности, другими факторами: глинистостью, мелким переслаиванием или газонасыщенностью высокопористых пород. Поэтому для устранения неоднозначности данных ВАК необходимо комплексирование с другими методами ГИС, которые позволяют установить наличие или отсутствие этих мешающих факторов и уточнить геолого-геофизическую информацию.

В стандартный комплекс геофизических методов при инженерно-геологических изысканиях, помимо АК, ГК и ПС, обычно входят МК, БМК и ИК, а также ГГК-П. Электрические методы стандартного комплекса ГИС не позволяет уверенно выделять маломощные пласты и слойки горных пород и тем более элементы их залегания и ориентировку в пространстве, т.е. давать ту информацию, которая может быть получена при помощи БКС. Важность

данных о структуре и строении отложений, на которых будет возводиться сооружение, не вызывает сомнения. Поскольку такая информация не может быть предоставлена ни одним из методов стандартного комплекса ГИС, существует объективная необходимость введения метода БКС в комплекс скважинных исследований при инженерно-геологических изысканиях.

Применение бокового сканирующего каротажа в комплексе с волновым акустическим каротажем, который применяется для детального расчленения разреза скважин по литологии, для обнаружения зон повышенной трещиноватости, разуплотнения и напряженного состояния пород, а также является одним из наиболее надежных и хорошо разработанных методов определения физико-механических свойств грунтов, существенно повышает информативность комплекса ГИС за счет использования данных об элементах залегания пластов, слоев, трещин, т.е. необходимой информации для учёта вертикальной анизотропии прочностных свойств, определяемых по ВАК.

В четвертой главе приведены результаты практического применения комплекса методов БКС и ВАК на инженерных объектах при проектировании опор моста к острову Русский, в районе Владивостока и строительстве шахты на месторождении калийных солей в районе Поволжья.

Строительство моста на остров Русский - сложнейшая задача. Составной частью изысканий в районах строительства различного рода сооружений является определение физико-механических параметров грунтов. В дальнейшем эти параметры используются при расчетах и обосновании конструкций и режимов эксплуатации сооружений. Поэтому правильность оценки вводимых в расчет параметров определяет, в значительной мере, надежность и технико-экономическую эффективность проектируемых и строящихся сооружений, объектов и систем.

Выполнение геологических исследований в скважинах, бурящихся под опоры моста, связано с необходимостью повышения достоверности данных о физико-механических свойствах пород, получаемых при помощи кернового материала, т.к. результаты исследования керна дают неполный объем информации о разрезе, что связано с малым радиусом извлекаемого керна и потерей исходных физико-механических свойств образцов с момента их отбора до исследования в лаборатории. По результатам анализа керна также сложно определить углы наклона пластов горных пород и наличие трещиноватости.

Специалистами ОАО НПП "ВНИИГИС" для ООО "НПО Мостовик" под строительство мостового перехода на остров Русский через пролив Босфор Восточный в г. Владивостоке по договору с ЗАО "ТИК" были выполнены геофизические исследования инженерно-геологических скважин. Скважины С-24, С-32 расположены по диагонали опоры М7, расположенной со стороны острова Русский, а скважины С-37 и С-45 - по диагонали опоры Мб со стороны Владивостока.

Для решения задачи определения физико-механических свойств грунтов применялись спектрометрический гамма-каротаж, волновой акустический каротаж, сканирующий боковой и стандартные методы (ГК, термометрия и резистивиметрия), а также импульсный НТК. По результатам интерпретации вышеназванного комплекса была рассчитана объемная литологическая модель, дана модель литологического состава глин, определены физико-механические свойства горных пород, элементы залегания пластов и выявлены интервалы трещиноватых горных пород.

В процессе обработки материалов геофизических исследований были привлечены результаты исследования керна, представленные заказчиком (литологический разрез, плотность и предел прочности на сжатие и на растяжение горной породы). Это дало возможность повысить достоверность расчета объемной модели исследуемых отложений и физико-механических свойств пород по результатам геолого-геофизической интерпретации.

Метод БКС использовался для определения элементов залегания пластов, а также обнаружения зон трещиноватости горных пород. Из анализа результатов измерений электрических неоднородностей методом БКС можно сделать следующие выводы: углы наклона пластов горных пород в подавляющем большинстве случаев не превышают 5°; встречаются единичные пласты с наклоном до 25°; субвертикальных трещин не обнаружено; коэффициент анизотропии не превышает 1.3.

Расчет физико-механических свойств пород проводился по методике, разработанной во ВНИИГИС. Данная методика была разработана для условий угольных месторождений всех стадий метаморфизма в отделе угольной геофизики под руководством Косолапова А.Ф., а также эффективно использована на рудных месторождениях. Позднее она была адаптирована и дополнена рядом зависимостей (Никитин В.Н., Бондарев В.И., Савич А.И. и др.) в отделе комплексных инженерно-геофизических исследований под руководством Болгарова А.Г. для расчета физико-механических свойств в различных инженерно-геологических условиях.

Результаты сопоставлений, определенных по ГИС и керну, свидетельствуют об удовлетворительной сходимости результатов измерений. В связи с тем, что уточнения коэффициентов уравнений производились по данным лабораторных исследований керна, возможными источниками дополнительных погрешностей измерений при сопоставлении могут быть:

- измерения физико-механических свойств горных пород в атмосферных условиях при извлечении керна на поверхность;

- разный объем сопоставляемого материала (определение физико-механических свойств керна производится по единично малым образцам, в то время как по геофизическим методам анализируется объем породы около 0,3 м3).

Кроме того, данные о прочности пород, полученные по образцам керна, обычно получаются завышенными, так как в естественном залегании они находятся под воздействием всестороннего горного давления, имеют

определенные пористость, влажность и другие параметры, а после подъема на поверхность изменяют свои физико-механические свойства.

По результатам испытаний образцов керна с целью определения механических свойств нагружением сферическими инденторами по скважине С-32 разрез представлен породами средней и повышенной прочности. Диапазон изменения прочности на сжатия - от 30 до 180 МПа, что соответствует аргиллитам с прослоями песчаника средней прочности (30-55 МПа) и очень прочному песчанику (100-180 МПа).

Аналогичные результаты были получены и по другим скважинам. Разрез представлен, в основном, высокопрочными песчаниками и слоистыми аргиллитами средней прочности. В результате исследований рассчитана объемная литологическая модель разреза скважины, определены пористость, объемная плотность, а также объемная модель глин - объемные концентрации глинистых минералов (каолинита, хлорита, монтмориллонита и слюд).

По результатам исследований методом БКС были определены физико-механические свойства горных пород; крутопадающих пластов с углом наклона более 45° и субвертикальных трещин в разрезах исследуемых скважин не выявлено. Таким образом, включение БКС в комплекс ГИС позволило подтвердить субгоризонтальное строение геологического разреза и отсутствие таких осложняющих построение опор элементов, как вертикальные трещины.

В связи с разработкой месторождений полезных ископаемых на больших глубинах возникают проблемы прогнозирования устойчивости горных выработок и их экологической безопасности (температурного режима, газоносности и др.). На базе Гремячинского месторождения калийных солей в районе Волгограда предполагается строительство шахты по добыче калийной руды. Заказчиком "ЕвроХимВолгаКалий" были сформулированы основные задачи при проведении геофизических исследований скважин: определение литологии и пористости отложений с уточнением геолого-геофизических характеристик продуктивных горизонтов и вмещающих их горных пород; определение физико-механических свойств горных пород для строительства шахты; оценка гидродинамических характеристик водоносных пластов; выделение потенциально опасных интервалов при проходке шахты; определение элементов залегания пластов и выделение трещин.

Задача определения физико-механических свойств горных пород и элементов залегания пластов, а также выделения трещин с целью прогнозирования устойчивости и выбора направления проходки шахты решалась комплексом методов ГГК-П, АК и БКС. Остальные задачи решались дополнительными методами ГИС, такими как СГК, 2ННК, СНГК-С1, ГДК, ОПК с применением оригинальных аппаратурных и методических средств, разработанных в ОАО НПП "ВНИИГИС".

На рис. 2 приведен фрагмент результатов обработки БКС по Гремячинской площади. Наибольший интерес по результатам обработки

представляют данные о распределении частоты азимутов падения пластов (А) и распределении частоты углов падения пластов в зависимости от угла падения (Б). Если первая информация представляет интерес по ориентации углов падения пластов в пространстве, то вторая интересна с точки зрения выделения единичных трещин и выявления опасных крутопадающих пластов. Пласты с наклоном 0-5° обусловлены структурными признаками, 5-20° - текстурно-структурными особенностями осадконакопления. Наиболее опасны пласты с углом наклона более 45°.

А-распеределение азимутов Б-распеределение углов падения пластов

Рис. 2. Фрагмент обработки БКС по Гремячинской площади По данной скважине методом БКС была обнаружена и зарегистрирована в интервале 1269-1277 м единичная крутопадающая протяженная трещина, секущая скважины с запада на восток. Выше нее (1266-1269 м) отмечается трещина меньшего размера, ниже (1277-1284 м) -система трещин.

Проведенные геофизические исследования показали эффективность используемого комплекса методов для решения поставленных задач. По результатам работ можно констатировать, что применяемый комплекс геофизических исследований скважин имеет хорошие перспективы для решения задач инженерной геологии.

Интервал 1100-1150 н

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные экспериментальные и теоретические исследования по применению бокового сканирующего каротажа расширили область применения данного метода. Получены новые оригинальные результаты, имеющие практическое значение, основными из которых являются:

1. Экспериментальные исследования методом сканирующего бокового каротажа с целью проверки разрешающей способности аппаратуры при выделении различных видов неоднородностей доказали, что аппаратура АЭСБ-73 позволяет определить вертикальные и наклонные трещины, а также отдельные локальные неоднородности с минимальными размерами 2 мм и менее.

2. На объектах инженерного назначения использован метод сканирующего бокового каротажа (БКС), что позволило оценить разрез скважин по электрическим неоднородностям, а также выявить зоны трещиноватости горных пород, определить углы падения пластов, азимуты их залегания и анизотропию.

3. В ходе исследования было установлено, что применение БКС в комплексе с ВАК позволяет повысить информативность комплекса при расчете физико-механических свойств, определяемых по ВАК, за счет использования данных об элементах залегания.

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией:

1. Муллагалеева Н.Р., Борисова JI.K. Комплекс ГИС при исследовании морских инженерно-геологических скважин. // НТВ "Каротажник". - Тверь: Изд. АИС, 2009. - Вып. 4 (181). - С. 64-71.

Статьи, опубликованные в других изданиях:

2. Муллагалеева Н.Р., Мамлеева С.Т. Использование пространственных развёрток геофизических параметров при интерпретации данных ГИС. // Проблемы нефтегазового дела: Материалы международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию УГНТУ в г. Октябрьский. 27 октября 2006 г. - Уфа, 2006. - С. 24.

3. Муллагалеева Н.Р. Современные программно-управляемые комплексы типа АКИПС. // Молодые - наукам о Земле: Материалы межвузовской научной конференции студентов и молодых ученых. - Москва: СНТО, 2008. - С. 280.

4. Муллагалеева Н.Р. Исследование морских инженерно-геологических скважин комплексом ГИС. // Международная научно-практическая конференция молодых ученых и студентов. Екатеринбург. 24-29 апреля 2009 г.: сборник докладов / Оргкомитет: Н. Г. Валиев (отв. за выпуск) и др.; Уральский государственный горный университет. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2009.

5. Муллагалеева Н.Р., Кондратов A.B., Мамлеев Т.С. Сканирующий боковой каротаж для контроля технического состояния скважин. // Новые достижения в технике и технологии геофизических исследований скважин: Материалы VIII Конгресса нефтепромышленников России, Секция "В". 26-29 мая 2009 г. - Уфа: ОАО НПФ "Геофизика", 2009. - С. 172-177.

6. Муллагалеева Н.Р. Исследование физических свойств морских грунтов комплексом ГИС. // "Геофизика-2009": Материалы VII Международной научно-практической конкурс-конференции молодых специалистов. Санкт-Петербург. 5-9 октября 2009 г. - Санкт-Петербург (Петергоф), 2009. - С. 296-299.

7. Муллагалеева Н.Р. Комплекс инженерно-геологических исследований скважин при строительстве мостового перехода. // X Уральская молодёжная научная школа по геофизике: Сборник научных материалов. -Пермь: Горный институт УрО РАН, 2009. - С. 147-151.

8. Муллагалеева Н.Р. Применение методов ГИС для решения инженерно-геологических задач. // XI Уральская молодёжная научная школа по геофизике: Сборник докладов. - Екатеринбург: ИГф УрО РАН, 2010. - С. 159-161.

9. Муллагалеева Н.Р., Ю В. Николаев, A.A. Крысов, Т.С. Мамлеев и др. Применение сканирующего бокового каротажа для решения геолого-технических задач в открытом стволе и в обсаженных скважинах. // Новая техника и технологии для геофизических исследований скважин: Материалы научно-практической конференции. Уфа. 26 мая 2010 г. - Уфа: ОАО НПФ "Геофизика", 2010. - С. 62-65.

Подписано в печать Бумага писчая

Печ. Л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 2.€8

Формат 60x80 1/16 Печать на ризографе

Издательство Уральского государственного горного университета 620144, г. Екатеринбург, ул Куйбышева, 30 Отпечатано с оригинал-макета в лаборатории множительной техники УГТУ