Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Акустические и геотермические исследования зон повышенной проницаемости архейского комплекса в разрезе Кольской сверхглубокой скважины

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Акустические и геотермические исследования зон повышенной проницаемости архейского комплекса в разрезе Кольской сверхглубокой скважины"

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ

Ргв

Гф^ЕОФИЗИЧЕСКИИ РАБОТАМ В СКВнЖИНн'л "ГЕРС"

л , (НПГП "ГЕРС")

'8 0!<<

На правах рукописи

СЕМАШКО СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

АКУСТИЧЕСКИЕ И ГЕОТЕРМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗОН ПОВЫШЕННОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ АРХЕЙСКОГО КОМПЛЕКСА В РАЗРЕЗЕ КОЛЬСКОЙ СВЕРХГЛУБОКОЙ СКВАЖИНЫ.

Специальность Х^-геоФи&ича-ские мь-тсл^ы поисков и рааь^ик.и!

МйСТорйюений полезных ископаепыч

Ае г орешерсо диссергаиии па соиск.£н!/>е> учимой степени кандидата г&олога-пинералоплче'-г их <аук

Теерь-1994

Робота выполнено в научно-производственна« государственном ' предприятии по геофизическим работам в снва»инох "ГЕРС" (НПГП "ГЕРС") и в научно-производственном центре (НЛЦ) "Кольская сверхглубокая".

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наун ' Кузнецов В.И. ,

Официальный оппоненты: доктор физико-мате/чатических наук,

профессор Лухыинский Б.Е. доктор геолого-минералвгичрских ноук Фоменко В.Г.

Ведущая организация: Геологический институт Кольского Научного Центра РАН

Защита диссертации состоится 22 июня 1994 г. в II часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 071.18.01 -в Научно-производственном государственном предприятии по геофизическим работам в сквояинах (НПГП "ГЕРС") по адресу: 170034, г. Тверь, пр-т Чуковского, 28/2, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИГИК НПГП "ГЕРС".

Автореферат разослан 21 мая 1994 г.

Ученый секретарь,диссертационного совета, д.ф.-м.н,"

Глуздовский 8.8.

А-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Комплексное научение кристаллически* пород, «унвамента с помочан» глубокого и сверхглубокого бурения в нашей стране и »а рубежом привело к открытию существования вон повышенной проницаемости во всем вскрытом Интервале глубин - во 12 км. Результаты исследования втих вон приобрели осо-вую значимость при решении научных и прикладных проблем геологии, относящихся к сояданим моделей ввопюиии венной коры, определению интенсивности . и масштабов проявлений современных геопроиессав,поиск/ месторождений полезных ископаемых. а такие при рассмотрении целого ряда геоэкологических проблем природного и антропогенного генезиса (создание хранилищ высокотоксичных и радиоактивных отходов, прогноз катостро-»ических процессов, явлений и т.д.!.

В процессе комплексной интерпретации материалов - проводки Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3) возникла необходимоегь в получении количественных оценок емкостно-«»йльтрацийнных свойств, мощности и т.д. «он повышенной проницаемости. Эти данные потребовались при интерпретации скважинных и наземных исследований, определении масштабов процессов теплопассопереноса в земной коре, природы геофизических и геохимических границ, определении устойчивости сгенок скважины, при выборе интервалов в стволе для долговременный режимных наблюдений и т.д.

Ограниченный вынос керна с глуьим более 7 км Св среднем около 2 ¿>/Л определил ориентацию на использование геофизически* исследований скважины (ГНС) при определении коли-

зонах повышенной проницаемости.

НАУЧНАЯ НОВИЗНр диссертационной работы состоит в следующем*

1. Разработана методика оценки емкастно—Фильтрационных

1

свойств для низкопористых кристаллических пород архейского комплекса, вскытого скважиной СГ-3, на основе комплексной интерпретации акустических и геотермических исследований, оьос-нован рациональный комплекс исследований Для выделения и изучений зон повышенной проницаемости.

2. Установлено, что среднее значение величины пористости для архейского комплекса скважины СГ-3 составляет 1.3 '/., величина коэффициента проницаемости изменяется в Большинстве слу-

S 4 -« .

чаев в пределах il - IB <1«3> ■ а вертикальная соста-

вляющая скорости Фильтрации оценивается величиной, изменяющейся в пределах <2 - oZ'> мм/год, мощность зон повышенной проницаемости в исследуемом разрезе мажет достигать нескольких сотен метров.

3. Разработана методика оценки погрешности определения геотермического г.адиента за счет недостаточной выстойки скважины. определена величина плотности теплового потока в архейском комплексе разреза СГ-3 - <53 t■• В) мВт/м?

4. Получено - уравнение, связывающее между сомзй значение коэффициента Пуассона, модуля Юнга, величину пористости пород стенок скважины и давление бурового раствора. В результате появилась возможность оценки влияния гидростатического давления ьурового раствора на устойчивость стенок скважины.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ!

1. Разработанная методика оценки емкостно~ч>ильтраиионных

- г -

чественных характеристик аом повышенной проницаемости. В свош очередь анализ ограниченного числа методов ГИС, используемых на сверхглуьинах. определил необходимость поиска нови* подходов к изучению зон повышенной проницаемости архейского комплекса на основе акустических и геотермически* исследований.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Основная цель работы состоит в разработке и реализации новых подходов к изучению зон повышенной проницаемости в архейском комплексе разреза СГ-3 на основе акустических и геотермических исследований, а также в повышении достоверности их выделения и оценке количественных характеристик ¿пористости, проницаемости и т.п.), выделении интервалов для определения наиболее достоверной величины теплового потока, сшенке устойчивости стенок сквахины в зонах повышенной проницаемости.

ОСНОВНЫЕ ЗнЯмЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ!

1. Разработать методику оценки емкостно-оипьтраиионных свойств зон повышенной проницаемости в низкопористых . кристаллических породах архейского комплекса СГ-о на основе акхсти-чески* и геотермических исследований.

2. Опроьовать разраьогбннуш методику оценки емкостно-трационных свойств зон повышенной проницаемости.

3. Выделить интервалы для определения ¡и провести определение) величины плотности теплового потока в архейском комплексе разре&а СГ-3.

4. Обосновать рациональный комплекс исследований для выделения и изучения зон повышенной проницаемости.

5. Оценить влияние гиоростатического давления I и его вариаций) ьурового раствора па устойчивость с7енок сквахины в

свойств миакопористых пород архейского комплекса скважины СГ-3 позволила правести; количественнум оценку зон повышенной проницаемости и повысила достоверность им выделения.

2. Полученные количественные оценки вон повышенной проницаемости позволили провести выьор интервалов для определений величины плотности теплового потока в архейском комплексе разреза СГ-3. Разработана,методика оценки погрешности определения геотермического градиента за счет недостаточной выстойки скважины. Определена величина плотности ~ теплового потока - (53 ±— 8) мВг/мг.

3. Выведенная. зависимость, связывающая между собой значение коэффициента Пуассона, модуля Юнга, величину пористости пород стенок скважины и гидростатического давления бурового раствора, позволила оценить влияние этого давления бурового раствора на устойчивость стенок сквахины.

ФАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ И ЛИЧНЫЙ ВКЛАД. Диссертация написана по результатам исследований автора, выполненных в 198£! - Х994 в ВНИИГео;'__—— систем, в ВНИГИК НПГТ1 "ГЕРС" и в НЛЦ "Кольская сверхглубок* Автор в качестве соисполнителя, ответственного исполнителя'тем по проблеме ¡5.5Я.*Ц. "Разработать и' внедрить новые эффективные методы исследования земной коры, прогнозирования и поисков полезных ископаемых" осуществлял руководство и непосредственно проводил исследования и обработку первичных материалов.

Обобщение результатов равот представленных в диссертации выполнено автором.

При проведении исследований по теме диссертации использовались« геолого-геоч>изический разр«» масштаба 1«5ЛЭ, составленный в НПЦ "Кольская сверхглубокая" под руководством B.C.

Ланева и Ю.П. Смирнова; геолого-гео»изический разрез масштаба 1:2к>£. составленный в ВНИИГео - " - систем поп руководством В.Д. Нартикоева и И.Я. Широковой; "Атлас Физических свойств пород разреза Кольской сверхглубокой скважины", составитель W.U. Кузнецов« структурно-текстурный-геолого-тектонический разрез масштаьа i:5i3ii, составитель Ю.П. Смирнов; результаты массовых комплексных теплоо>изических исследований пород разреза СГ-3. полученные под руководством Ю.н. Попова5 материалы ГИС,' полученные под руководством П.А. Бродского и О.Л. Кузнецова.

В процессе раьоты использовались результаты исследований:

B.C. Блсовича, Л.В. Боревского, Е.А. Виноградова, И.И. Ворож-ьитова, Е.В. Вугина, Н.Е. Галдина, Т.Н. Гигашвили, Д.М. Гу-бермана, H.A. Голованова, A.B. Жарикова, В.И. Иванникова, В.И. Казанского, A.B. Каракина, О.Л.Кузнецова, Ю.И. Кузнецова, A.A. Кременецкого, A.A. Кукушкина, Е.н. Любимовой, Р.В. Медведева,

C. Н). Милановского. В.Д. Нартикоева, А. П. Осадчего, Т.ч>. Пи-сарниикой, H.A. Попова, Б.П. Сибирякова, Ю.П. Смирнова, Н.С. Тимофеева. Л.И. ¿арыги, 5.И. Юдина.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Полученные количественные оценки емкостно-оильтрациомныя свойств зои повышенной проницаемости архейского комплекса СГ-3 могут быть использованы при определении интенсивности и масштаьов проявлений геопроцессов различного генезиса в глубоких част** земной коры, прогнозе и разраьотке направлений и технологий поисков полезных ископаемых и т.д. Результаты определения плотности теплового потока в архейской части разреза СГ-3 найдут практическое применение: при прогнозе распределения геотермических параметров в глуьинных частя/. Балтийского ujma; при выьоре интервалов в стволе СГ-3 аля организации долговременных режимных навлюде-

ний5 для оценки процессов современного тепло-массо-переноса и определения составляющих теплового потока на разных глуьинсм.

На основе полученной аналитической зависимости было рас-читано гидростатическое давление бурового раствора, вызывающее потерн» устойчивости стенок скважины, пройденной в кристаллических ниакопористых породах. Сделан вывод о возможных негативных последствиях утяжеления Бурового раствора при долговременном Функционировании« Кольской сверхглубокой скважины в режиме геолаборатории.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы докладывались на Всесоюзном совещании "Гамиа-—спектрометрия скважин (методика.аппаратура) на нефть и твердые полезные ископаемые" в г. Москве в 19В5 г.. на Всесоюзном семинаре "Геоакустические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых" в г. Москве в 1985 г., на Международном семинаре "Сверхглубокое континентальное бурение и глубинные геофизические исследования " в г. Ярославле'в 1988 г., на Всесоюзном совещании "Глубинное строение и геодинамика кристалличесчких щитов Европейской части СССР" в г. А лтиты в 1989 г.. на Международном симпозиуме Рюген-Борнхольм"■ в Германии в 1993 г., на Международном симпозиуме "Новые достижения в геотермических измерениях в скважинах", в Германии в Потсдаме в 1993 г.

ПУБЛИКАЦИИ.По теме диссертации опубликовано 9 научных , работ.

ОБЪЕМ РАБОТЫ.Диссергация состоит из введения, трех глаа и заключения, содержит i%A сТР. \ машинописного текста, Д§. рисунков, ,5. таблиц. Списик литературы состоит из наименований.

Работа выполнена в Научно-производственном государствен-

ном предприятии no геофизическим работам в скважинах "ГЕРС" <НПГП "ГЕРС") и Научно-производственном центре "Кольская сверхглубокая" (НПЦ "Кольская сверхглубокая"» и отражает результаты исследований автора, проведенных в 1984 - 1994 гг.

Раеота выполнена под руководством доктора геолого-минералогических наук Ю.И.Куанеиова, которому автор выражает глубокую признательность.

Выполнение равот стало возможным Благодаря содействию О.Л. Кузнецова, В.Д. Нартикоева, А.П. Осадчего. В.Н. Крутина, B.C. Ланева, Я.И. Губермана, tO.fl. Смирнова, (O.A. Попова, н.Н. Калинина. В процессе раеоты автору неоднократно оказывали помощь A.n. Хруст, И.Я. Широкова, Н.Е. Галдин, Г.Н. Гигашвили, В.Я. Элевич, A.B. Жариков. В.П. Помазанов, C.B. Иудренко, Л.И. йарыга. Т.О. Писарницкая, Р.В. Медведев, А.Я. Писарниикий, И.3.Аьдрахимов, И.А.Захарова. Постоянный интерес к раьоте проявляли Ю.К. Щукин, Л.А. Певзнер, B.C. Басоеич, В.И. Бердичев-

ский. Всем названным лицам автор приносит искренни)» благодар-

*

ность.

Глава.I. ОЦЕНКА ЕИКОСТНО-фИЛЬТРАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ЗОН ПОВЫШЕННОЙ ПРСНИиАЕНОСТИ АРХЕЙСКОГО КОМПЛЕКСА СГ-3.

Комплексное изучение геологических, геохимических и геофизических методов позволило установить, что на глубинах ниже

м существуют зоны трещиноватых и проницаемых поров, о чем свидетельствуют :

- притоки вод и rasps на этих глубинах!

- изменение минерализации выходящего из ствола бурового раствора в процессе циркуляции?

- сильная кавернозностк ствола на ряде интервалов!

- наличие трещин <никротрешин), залеченных низкот«*мпера-

- а -

турными минералами.

Пористость и рронииаемость горных поров относятся к основным характеристикам, определяющим! возможность миграции «аккумуляции., газов и флюидов в земной коре, и, следовательно, образования {локализации) месторождений ряда полезных ископаемых. Изучение величины пористости и проницаемости на образцах керна СГ-3 позволило сделать ряд важных выводов:

- в нижней части разреза поровое пространство представлено поровыми каналами и микротрешинами;

- на больших глубинах возможна Фильтрация флюидов и газов;

- повышенные Фильтрационные возможности пород определяются наличием ориентированной микротрешиноватости (особо развитой в тектонических зонах).

Определение проницаемости пород СГ-3 при высоких термо-ьарических условиях »аффективное давление до 15*>МПД. и в

интервале температур 26 - 6йй°С>, показало возможность циркуляции флюидов на глуьинах 8 - Ш км, значения коэффициентов

-Л7 -42 г

проницаемости изменялись в пределах 1С - 1С М . . : При этом и архейской час л разреза величина пористости изменяется в по«иелах 0.4 - 3.0 X. Одним из основных выводов из анализа' результатов этих исследований и теоретических расчетов - вывод о преобладающем влиянии трещиноватоеги (микротреыиноватости) на емкостмо-Филь.рационные свойства кристаллических горных парод, залегающих на глубинах более 6 км.

Ограниченный вынос керна с глубин ьолее 7 км <в среднем около 2й %> определил ориентацию на использование методов ГИС при определении емкостно-Фильтрационных характеристик в исследуемом разрезе. Анализ ограниченного числа методов ГИС, из-пользуемых на сверхглуьинах, показал необходимость поиска но-

вы* подходов к из учению емкостно—Фильтрационных характеристик архейского комплекса на основе акустических и геотермических исследований, проводимых в стволе скважины.

Акустические методы используются при получении количественных оценок величин пористости трещинного Типа «в интервале ¿.4 - 5.6 '/.). Их применение основано на получении теоретических и экспериментальных Функциональных связях между акустическими характеристиками и величиной пористости. Наиболее часто используются "эталонировочпые " зависимости »получаемый на образцах керна), вида:

f = f<ЧP>} * = * = и т.д.,

где £ - величина пористости; </р - скорость продольных волн} -скорость поперечных волн;^^ эффективная сжимаемость ~ коэф-

фициент сжимаемости пористой матрицы,^т, к - коэффициент сжимаемости вторичных пор, получаемых при интерпретации данных акустического каротажа. Основные результаты атого подхода отражены

в работах Б.Н. Нвакина, Е.В. Каруса, О.Л. Кузнецова, И.П. Дае-

<

баня и др. В то же время определение пористости и проницаемости проводится на основе полученных теоретических зависимостей

между акустическими характерно гикапи. Этот подход отражен в

ШКРУТМНЪ.

работах Б.Н. Ивакина, И.П. Дзеьанй, Е.В. Каруса,УИ.Г. Маркова, м.№. Юматова, В.Н. Николаевского и др.

При проведении АК в архейской части разреза наряду с интервальным временем ¡•ДТ). Фазокорреляционными даграммаии, волновыми картинками и т.п. (удовлетворительная запись этих материалов получена для о£! У. мощности вскьпого разреза) регистрировалось "врепя жизни" акустического сигнала ("С**, Сврепя, определяемое от момента регистрации первого вступления принимаемого волнового пакета до спада его амплитуды до опре-

деленной »«личины. Качественная интерпретация этого параметра Хяй • кристаллически* породах проводилась Г. Я. Рабиновичем, Г.К. Зориным. А. и. Перельманом для выделения зоны тектонических наруые!IHH в »улкемогениых и осадочных породах <1964 г.) и на Украинском щите <1983 г.).

Автором раара&отана методика определения пористости в ммакопормстых породах с трети» чин (микротрешинным > типом парового пространств« на основе выведенной теоретической зависимости между »ремеием^*, скорость» распространения продольных {Vp) и поперечных iV») волн и величиной пористости.

При атом мспопьваеапио» слепуишме предположения:

- паровое пространство представлено в основном трещинным (микротреаимным) типом пористости;

- наличие системы <микротрешил) создает, помимо среднего, крупномасштабного гюл«, вызщваимцвго потерю акустической энергии, «луктаиионисм поле. Энергия »того гюля составляет известную доле от энергии среднего крупномасштабного поля;

- Эта доля определяется из соотношения О(. = 1 -"bi/Eieqa^rfle tmax- максимальное время жизни акустического сигнала в данном типе породы,a til- "время жизни" акустического сигнала а иссле-' дуемом пласте данного типа тароды.

Основываясь на »тих предположениях и Формулах, связывающих между соьой флуктуациомму* ¿»мер ri/*y,.r удельную поверхность пор, среднюю длину прямолинейного отрезка трещины и величину пористости, получим Формулу для расчета пористости:

f = 0.5 <1 -Vi- 4А) • 100 X , где А = t 1/8JY ,

где 9 (Je) - < 1/4 С1 - 4/3 (ДТр /ATt )* 3 - С <ДТ3/ДТр^ +13 + 2/9 <ATS /ЛТр А С 3 - lATs/^Tp)i3 >% .

где ДТр - интервальное время продольной волны, ДТ6 - интег-

рапьное время гюперечмой волны.

Для оценочных определений f можно использовать упрощенную

ФОрМУЛу!

f « l/arr та а

Для оценки величины проницаемости была выведена нормула, в которой использовалась величина пористости:

к = ¡д. 13 к ш 6 u/n > if/a - f);3,

где К - коэффициент проницаемости! к - коэффициент, учитывающий характер распределения трещин, к, * 2 в случае упорядоченного и к^ = 3.14 в случае хаотического распределения трещин; N - количество трещин на единицу длины! f - »»личина пористости. Для расчета количества трещин использовались прозрачные шлифы, т.к. они паиьолее полно представллит керноеый материал СГ-3 и не требуется дополнительного керноеого материала, что в случае сверх гл уьокового ьуремия имеет немаловажное значение.

Для оценки средней раскрытости пикротреешйн на осно-

ве оценки величины пористости if/ автором выведена Формула!

S' = 1/4 f/( 1 - -fi 1/N , где N - количество треа»ин на единицу длины.

Геотермические исследования исполвэовались для определения вертикальной составившей скорости движения Флюидов, при этом использовались известные чюрмулы:

In iq^/'q^)

V.-

Дх-р-с ,

где с,^ - теплоемкость и платность о»л(»ида; Уф — вертикальная составляющая скорости движения Флюида! Л. - теплопроводность породы? ц^, нарушенный и ненарушенный тепловой поток! Дх -

мощность интервала, на котором происходит движение Флшидов.

Используя полученные автором формулы для определения

проницаемости и известные Формулы для определения скорости движения «люидов под действием градиента давления, автором выла выведена Формула для оценки градиента давления р вызывающих движения »люидов, приводящих к искажению теплового потока в исследуемом разрезе:

др «<in Ча/а^ 1/Ах is к> м <i - D/f ,

гвязкость ФЛюидаiдр - градиент давления, вызывающий движения «люндов! q^, >>t»c» " ~ обозначения, используемые ранее.

Глава II. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ПЛОТНОСТИ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА В АРХЕЙСКОЙ КОМПЛЕКСЕ СГ-3.

Геотермические исследования р<аареза СГ-3 являются одними из ведущих в изучении разреза СГ-3. Изучение "in situ" современного термодинамического режима глубинных зон Балтийского шита - единственный способ получения неискаженных геотермических характеристик и их распределения по глубине. Эти проблемные вопросы геотермических исследований рассматривались в работах Е.й. Любимовой, О.Л. К узнецоеа, KI.A. Попова и других исследователей.

Полученные ими результаты и вывоиы показали месостаятель-' ноств прогнозных геотермических моделей и пострений для глубин более 1.S км. Комплексные исследования вскрытого разреза до глубины более 7 км позволили выьрать интервал <28£*1 - 4303 м) и провести в нем определения неискаженных значении геотермического градиента (1.9 - 2.£>°С>12*} и) и величины плотности теплового потока <49 - 55 иВт/м*). Прогнозные значения геотермического градиента <1.2 - 1.3eC/'li3i3 м) и плотности теплового потока <3.5 — З.в мВт/К1) оказались заниженными почти в полтора раза.Приведенные выше определения геотермического градиента и

плотности теплового потока характеризуют верхнюю часть разреза, вскрытого СГ-3, - Печенгекую структуру. Геотермические исследования нижней архейской части разреза из-за недостаточного времени высгойки скважины рассматривались как оценочные.

Время выстойки СГ-3 для получения ассимлтотического распределения температуры в исследуемом массиве ¿при времени .выстойки стремящемся к бесконечности) должно составлять гго оценке А.Л. Рыкунова и Л.Е. Рогачевой <1991 г.) примерно 55i3 суток. Наиболее распространенно мнение, что" тепловой режим ... восстанавливается как минимум за срок,'равный времени, затраченному на бурение скважины " <Н.Н. Некрасов и др., 1983 г.). Применение перечисленных выше критериев к СГ-3 не позволяет рассматривать ни одну ив полученных к настоящему времени термограмм как термограмму с необходимым временем выстойки.

В го же время отсутствие методик получения "In situ" s условиях глубоких и сверхглубоких скважин таких геотермических характеристик как теплопроводность и тепловой поток определяет повышенное внимание именно к определению геотермического градиента и распределен«» температур в исследуемом разрозе.

Методика определения плотности теплового потока (q) основывается на расчете усредненных значений геотермического градиента (orad T) и коэффициента теплопроводности <5t) для рассматриваемых интервалов, и затем, расчета q по известной Формуле:

q = qrad T * А. с 1)

При этом стедует отметить, что определение значений на образцах керна и последующее перенесение этих значений на породы исследуемого разреза "in situ" является одним из проблемных

вопросов определений неискаженных геотермических характеристик (в данном случае теплопрводнос ти) глубинных зон докембрийских шитов. Определения геотермического градиента в архейской части раареаа СГ-3,,проведенные по термограммам« полученным в 1974 -1984 годам в условиях недостаточной выстойки скважины {менее месяца) дали наиболее достоверные оценочные вначения геотермического градиента в интервале 7.2 - 9.0 км -1.820С/1£Ю м. Погрешность определения геотермического градиента в стволе скважины СГ-3 в верхней и нижней части раареаа оценивалась величиной 7 % при выстойке скважины в одни сутки. Величина коняактивного теплового потока оценивалась и ь 72 мВт/мг, при этом утверждалось, что эта часть теплового потока составляет незначительную часть полного теплового потока.

Распределение .. приэабойных температур авторам выло использовано для оценки среднего значения геотермического градиента. Для интервала глувин - м это значение равно

о , ■

1.95 С/100 м. Аналиа-распределения приэаьойных температур привел к разработке методики оценки погрешности геотермического градиента за счет недостаточной выстойки скважины. Основой оиенки £>1ой погрешности служили следующие предлолижения и приемы оьраьотки:

1.Максимальная температура на забое скважины наиболее близка к неискаженному значению температуры в исследуемом массиве а данной точке.

2.При дальнейшем углублении сквахины наиболее аосиверныа термограммы {полученные в усгювоиях недостаточной выстойки) ь бывшем призавойном интервале имеют температуру не ниже максимальной температуры бывшей призаьойной зоны;

3.Минимальное искажение температурного поли в призабоймой

зоне определяется разницей между значением температуры в призаьойной зоне и температурой» полученной в этом интервале при последующих термокаротажах при дальнейшем углублении скважины (при соблюдении условия пункта 2).

4.Минимальное искажение геотермического градиента определяется на интервале между бывшими забойными температурами« как величина равная отношению разности минимальных искажений гео-

,температурного поля в этих точках (согласно пункта 3/ к величине интервала;

5.Наиболее досоверные определения величины геотермического градиента следует проводить в интервалах- с минимальными значениями его искажений (определяемых согласно пункта 4).

Используя перечисленные выше критерии и приемы обработки, нами выла проанализирована одна из наиболее до<Лверных термограмм i 1993) в интервал» в£т> - 8400 м. Искажения геотермического градмента за счет недостаточной высомки скважины на данном интервале гпуьин не превышают 1» - 12 л, что, при

о

среднем апачемни геотермического градиента 1.95 C/ISS м соста-

о

вляет а.23 C/lic'w м.

Анализ распределения значений геотермического градиента по г л уьине в зависимости от величины интервалов осреднения í гю наиболее достоверной термогрампс), оиенка среднего значения геотермического градиента по эаьойным аномалиям температур и оиенка искажений- геотермического градиента за счет недостаточной выстойки скважины являются основными элементами методики яля наиболее достоверных определений геотермического градиента в условиях- недостаточном выстойки скважины.

Интервал áüi/й - 74Й5 м нами выбран для определения наиболее достоверной величины плотности теплового потока в архейс-

- le -

кой части разреза СГ—Z. Среднее значение величин геотермического градиента (arad Т) и теплопрвопности (А>) равны соответственно 1.93 * C/liS5 м и 2.Ó9 Bt/nk. значение теплового потока, определенного по Формуле < 1), равняется 52 mBt/mÍ" Погрешность определения теплопроводности составляет 18 - 12 Если предположить. что ошибки определения теплопроводности и геотермического градиента не коррелируетея друг с другом, то погрешность их произведения определяется по Формуле:

400/.

q 1\ orad Т/ * Х' к 2>

Для рассматриваемого интервала глуьип погрешность определения теплового потока составляет 15 7., следовательно, для интервала 6íJ¿IíJ - 74£>д м величина плотности теплового потока равняется 52 ± 8 иВТ/м2. Совпадение величины теплового потока в архейской и протерозойской частях разреза (52 и 53 mBt/m"1) и незначительное отклонение or осредняюшей прямой забойных температур в интервал^ спу.ьин 5 -12 км свидетельствуют о преобладании кондуктивного способа передачи тепла в архейской части разреза.

Глава III. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПЛОТНОСТИ Б/РОВОГО РАСТВОРА НА УСТОЙЧИВОСТЬ СТЕНОК СКВАЖИНЫ.

Устойчивость стенок скважины СГ-3 и выбор плотности ьурового расвора относятся к основным вопросам, определяющие возможность углубления ствола и его использование при долговременных режимных наьлюдениях.

До настоящего времени сосуществуют различные мнения по вопросам, связанным с влиянием плотности ьуроеого раствора на устойчивость стенок скважины. Увеличение плотности бурового раствора связывают с необходимостью уменьшения касательных

напряжений, действующих на стенки скважины (Е.В. Кар ус и ар.. 1979г., Б.М. Сибиряков, 1992р. и др.). что следует из анализа «ормуп, выведенных С.Г. Лехиииким в 1938 р.!

6 л. л..

г = р - а / г 4р-р1,

6$= р + г*"( р - ( 3)

Р = Н?

<Р - удельный вес бурового раствора! 5*п. - средний удельный вес горных пород! Х = \-~p- ~ коэффициент бокового распора!^ коэффициент Пуассона! О - диаметр скважины! г - текущая координата;£4.£>г4ссю1гветственно вертикальная, радиальная и тан-генсальная составляюшая,напряжений; Н - глубина.

При этом для обеспечения устойчивости ствола скважины в кристаллических породах плотность бурового раствора предлагается выбирать исходя и» неравенства :

н < 4>

При значениях бокового распора и средней плотности пород, соответствующих разрезу СГ-3, использование этой Формулы приводит к выводу о необходимости использовать утяжеленные буровые растворы. Результаты исследований разреза СГ-3 показали. .что трещиноаатость <микротрешиноватость) существует во всем вскрытом интервале глубин и, следовательно, применение классической теории упругости, на основе кот ¿ой и ьыпи выведены приведенные выше Формулы, не всегца достаточно обосновано для исследуемого разреза. Учет наличия трещин и особенностей напряженно-дечюриированмого состояния ввлизи скважины определяет следующие возможные состояния околоствольного массива <В.И. Иаанников, Ю.И. Кузнецов, 1987 г.)!

- Пассив остается упруго деформированным, его состояние определяется уравнениями С.Г. Лехницкого;

- порода ввлизу| скважины разрушается, но остается устойчивой (положительная дилатансия) вслеиствии смешения разрушенных частей внутрь выработки и их самозаклинивания;

- зона разрушения имеет радиус больший, чем в случае положительной дилатансии, происходит ее разрыхление (переход в состояние отрицательной дилатансии). что приводит к неустойчивому состоянию пород, слагающих стенки скважины.

Автором раэраьотана методика оценки влияния гидростатического давления бурового раствора на устойчивость стенок скважины.

Основой'количественных оценок служат следующие предположения:

- вблизи контура скважины все составляющие поля .напряжений являются сжимающими, породы Ь TeKv'x условиях МОГУТ находиться в состоянии с&мозаклинивания;

- в стенках скважины имеются трещины iмикротрещины) природного и техногенного генезиса, наличие которых в значительной мере определяет существование интервалов пород 6 состоянии неустойчивого равновесия;

- проникновение ьурового pací вира tero Ф.пнь трата) ь ьти трещины может уменьшить силы трения между блоками пород, а величина гидростатического давления оказаться достаточной дли расширения этих трещин (микротрешин), что вызовет нарушение устойчивости стенок скважины.

Используя соотношения, выведенные Н1.П. Желтовым для нахождения давления, расширяющего трещину (р):

,1_г -i U- Е .

р - г.5 В iU/f, «1 -У > i р~

гае 2и -величина раскрытости и апины <г£> трещины? -коэффициент Пуассона, Е - модуль Юнга) и соотношения, выведен^ ные В.П. Сибиряновым (1983г.}, связы&аюшие между собой величину пористости (-П, удельную поверхность трещин (5 >. среднюю раскрытость трешин < "К , среднюю длину прямолинейного отрезка трещины (А ) :

а 2Т2Л7( 4) Определяем величину плотности ьуро&ого раствора, создающего на глубине Н давление, вызывающее расширение трещин (¿^5

и, соответственно, состояние неусточивого равновесия пород е т

сёйках скважины:

к 1 • Е • 1 Jf

> 4-VST- Н-(1

Плотность бурового раствора для обеспечения проводки скважины и ее Функционирования в режиме долговременных режимных

о •

наблюдений должна соответствовать неравенству:

* -1 ' Е ' 1 т!f •Рж < Tfe?- H,(l -0L - *

'(1-0

Оценочные значения можно получить ии упрощенной формулы:

i5«- < н 1if""1 ( 7;

Значения пористости и модуля Юнга для расчетов плотности бурового раствора по Формулам < 5) ( о), (7) получаем при определениях упруго-деФормационных и емкостно-Фильтрационных характеристик лиьо на Образцах керна, либо по данным ГИС, либо при комплексной интерпретации материалов проводки скважины.

Рассмотренные выше предположения о состоянии околосква-

хинного пассива И расчеты позволяют сделать вывод о возможных негативных последствиях утяжеления бурового раствора при проводке сверхглубоких, скважин в кристаллических низкопористых породах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Основные результаты проведенных исследовании следующие:

1. Разработана методика оценки емкостно-Фильтрационных свойств для низкопористых пород (с трещинным типом пористостиI архейского комплекса скважины СГ-3. Показано, что применение втой методики позволяет провести количественные определения величины пористости и проницаемости, и, следовательно, повысить достоверность выделения зон повышенной проницаемости в исследуемом разрезе.

2. Впервые получено непрерывное распределение пористости Н .1:5150 в архейском комплексе СГ-3, ¿а 4.3

3. Определено распределение коэффициентов проницаемости в

зонах повышенной проницаемости на основе материалов АК и *

петрографических исследований.

4. Предложен новый методический подход к оценке погрешности определения геотермического градиента за счет недостаточной выстойки скважины, что совпес1 но с анализом распределении значений геотермического градиента по глуьмнё в зависимости от величины интервалов осреднения и распределения емкоег— но—Фильтрационных свойств, позволяет выьрать интервалы для определения величины плотности теплового потока в архейской части разреза СГ-3.

5. Определено наиболее достоверное значение плотности теплового потока в наиболее глуьюнной архейской масти разреза СГ-3. Это значение равно 53 + 8 мВт/м?"

0. Для оценки влияния лавления бурового раствора на устойчивость стенок скважины выведена : зависимость, связывающая между собой значения коэффициента Пуассона, модуля Юнга, величину пористости пород стенок скважины. Показано, что на участках пород с пониженными значениями модуля Юнга повышение платности »урового раствора может вызвать увеличение раскрытости трещин, что может повлечь за собой потерю устойчивости стенок скважин.

Основное содержание диссертации опубликовано е следующих работах:

1. Оценка погрешности определения устойчивости стенок скважины,- В Сб. Изучение напряженного состояния массивов горных пород акустическим методом. - И.,- ОНТИ ВНИИЯГГ,-19В)?.- с. 5Ö-59, (совместно с W.U. Горбачевым, Н.Е. Галдиным ).

2. Тепловые свойства пород.- В кн. Кольская сверхглубокая. - П.,- Недра.- 1984. - с. 341-343, »совместно с Н.Е. Галдиным, Е.н. Лгабимов'ой, В.Д. Наргикоевын, Ю.н. Поповым).

3. Геотермические исследования.- В кн. Кольская сверхглубокая. - М.,-Недра.-1984.-с.343-343, »'совместно с H.H. йршавс-кой. Н.Е. Галдиным, Е.В. Карусом. О,Л. Кузнецовым и др.).

4. Теплопроводность сухих и аодонасыщенных образцов малопористых пород- Кольской серии архея.- Изв.АН СССР.-сер.геол.- 198Ö.- N8.- с. 23 - 31, (совместно с Н.Е. Галдиным, В.Д. Нартикоевым, Ю.А.- Поповым и др.).

5. Некоторые особенности интерпретации ГИС на Кольской сверхглубокой скважине.-Деп в ОЦ HTH BW3NC,-ll.*S.Bö,N5o99-B8ö, -198о. »совместны с н.-В. Жариковым и В. П. Помазановым).

о. Использование данных ГИС при построении моделей тепло-генерации участков земной коры »по материалам Кольской и Саат—

линской сверхглубоких сквожин). - Дел. в ОЦ НТН BM3UC. - 07.08.86, Я* 5635-В86, - 1986, (совместно с А.В.Еариковым и С.В.Иудренно).

7. Геофизические критерии выделения проницоемых зон в земной коре (по результатам бурения Кольской сверхглубокой сква-■ины) - В сб. Сквааинная геоакустика при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых. - К., ВНИИГеоинформсистем. -198?. - с. 86-91« (совместно с В.Д.Нартикоевыы, Г.Ы.Гигаввили, В.Я.Элевимем, А.В.йариковым).

8. Влияние плотности бурового раствора но устойчивость стенок сверхглубокой скважины (опыт проходки Кольской СГ-3)-У., - ВНИИГеоинформсистем, - 1989, - (совместно с В.И.Иванниковым, 0.Л.Кузнецовым. О.И.Кузнецовым и др.) - с. 12.

9. 0 возможном механизме движения флюидов в разломных зонах земной коры. - :В сб. Математическое моделирование геологических процессов. - II., - ВНИИГеоинформсистем, - 1993. - с. 3-16. (совместно с А.В.Каро'киным, O.K.Кузнецовым, С.И.Кузнецовым).