Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Экспериментальные исследование фильтрационно-емкостных свойств пород глубинных зон земной коры

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

Автореферат диссертации по теме "Экспериментальные исследование фильтрационно-емкостных свойств пород глубинных зон земной коры"

1Г> московским

ф. ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО

I „_ ЗНАМЕНИ И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ

. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени

э М.В.ЛОМОНОСОВА

из

Геологический факультет

Яа правах рукописи УДК 552.1

ЖАРИКОВ Андрей Виленович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЛЬТРАЦИОННО-ЕМКОСТНЫХ СВОЙСТВ ПОРОД ГЛУБИННЫХ ЗОН ЗЕМНОЙ КОРЫ

Специальность 04.00.12 - Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

МОСКВА 1995

месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН и на Кафедре сейсмометрии и геоакустики геологического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова.

Научные руководители -

Ведущая организация - Кольский филиал геофизических исследований сверхглубоких скважин Научно-производственного предприятия "ГЕРС".

Защита состоится 17 мая 1995 г. в 1430 на заседании диссертационного совета Д 053.05.24 при геологическом факультете МГУ по адресу: Москва, Ленинские горы, МГУ, сектор "А", геологический факультет, ауд. 308.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ, сектор "А", 6-ой этаж.

Адрес совета: Москва, Ленинские горы, МГУ, сектор "А", геологический факультет, отделение геофизики, ученому секретарю спецсовета Б.А.Никулину.

Автореферат разослан 17 апреля 1995 г.

Ученый секретарь

доктор технических наук, профессор Ю.И.Горбачев,

доктор геолого-минералогических наук А.А.Пэк

Официальные оппоненты -

доктор геолого-минералогических наук, профессор В.И.Старостин, кандидат технических наук Я.Л.Белорай

диссертационного совета кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы Изучение динамики природных флюидов является одной из наиболее важных задач современной геологии. Результаты новейших геологических и геофизических исследований, а также данные сверхглубокого бурения выявили присутствие флюидов на глубинах, которые еще совсем недавно считались для них недоступными. Известна огромная роль флюидов в образовании и метаморфических изменениях пород, слагающих кристаллический фундамент континентальной коры, в формировании месторождений рудных полезных ископаемых. В последнее время породы фундамента континентальной коры все чаще рассматриваются также как возможный источник углеводородов.

Изучение фильтрационно-емкостных свойств пород глубинных зон земной коры в естественном залегании производится геофизическими методами. Однако, интерпретация геофизических данных невозможна без петрофизических исследований. Бурение сверхглубоких скважин, разведка глубоких нефтяных месторождений приводят к тому, что в распоряжение исследователей попадает керновый материал со все больших глубин. В этой связи возникает проблема корректного перенесения результатов петрофизических исследований, полученных на образцах, на свойства глубинных пород in situ.

Цель и задачи исследования Усовершенствовать методику и технические средства изучения пород глубинных зон земной коры.

1. Изучить возможность использования образцов керна сверхглубоких скважин для прогноза фильтрационно-емкостных свойств глубинных пород и построения соответствующих петрофизических зависимостей.

2. Разработать способы оценки и минимизации влияния техногенных изменений на результаты исследований образцов керна сверхглубоких скважин.

3. Исследовать влияние высоких температур, давлений и характера насыщения на фильтрационно-емкостные свойства пород.

Научная новизна

керна сверхглубоких скважин СГ-3 (Россия) и КТБ-Оберпфальц (Германия), их поверхностных аналогов, а также карбонатных пород. Впервые при эффективных давлениях до 150 МПа и температурах до 600 °С измерена проницаемость пород из разрезов сверхглубоких скважин. Установлено влияние глубины отбора образцов на их проницаемость при высоких РТ-параметрах.

Для интерпретации полученных экспериментальных зависимостей применена комплексная методика, включавшая: микроструктурные исследования под сканирующим электронным микроскопом при высоких температурах и давлениях, исследования проницаемости, пористости, распределений пор по размерам методом ртутной порометрии исходных и специально изготовленных закалочных образцов, результаты которых затем были использованы в качестве входных данных для компьютерного моделирования.

На основе физического и компьютерного моделирования показано влияние высоких температур, давлений, а также характера насыщения на динамику изменения микротрещиноватости и фильтрационно-емкосгных свойств пород.

Исследовано распределение техногенных микротрещин в образцах кернов сверхглубоких скважин. Предложены способы уменьшения влияния техногенных факторов на результаты исследований фильтрационно-емкосгных свойств. Показано, что образцы керна сверхглубоких скважин могут быть использованы для прогноза фильтрационно-емкосгных свойств глубинных зон земной коры в естественном залегании и построения соответствующих петрофизических зависимостей.

Получены оценки фильтрационно-емкосгных свойств пород разреза Кольской сверхглубокой скважины при РТ-параметрах естественного залегания, а также стадий прогрессивного, регрессивного метаморфизма и гидротермальных преобразований.

Впервые установлено, что с ростом глубины происходит уменьшение проницаемости с существенно и не монотонно меняющимся градиентом. При этом на общем фоне снижения про-

ницаемости возрастает дифференциация пород по данному параметру. Предложена интерпретация такого поведения проницаемости. Разработана методика построения палеточных зависимостей изменения проницаемости с глубиной.

Основные защищаемые положения

1. Методы изучения фильтрационно-емкостных свойств глубинных зон земной коры по данным исследований кернов сверхглубоких скважин.

2. Установленные закономерности изменения фильтрационно-емкостных свойств пород под влиянием высоких температур, давлений, а также различного характера насыщения.

3. Методы оценки и способы минимизации влияния техногенной трещиноватости на фильтрационно-емкостные свойства образцов керна сверхглубоких скважин.

4. Прогноз фильтрационных свойств пород разрезов сверхглубоких скважин in situ, а также их возможных величин при прогрессивном, регрессивном метаморфизме и гидротермальных изменениях пород.

Практическая ценность работы состоит в том, что усовершенствована методика лабораторных исследований образцов керна сверхглубоких скважин: получены оценки влияния техногенных искажений на результаты исследований фильтрационных свойств и предложены способы их минимизации; показана возможность использования образцов кернов для исследований фильтрационно-емкостных свойств глубоких горизонтов; получены данные о проницаемости пород СГ-3 при РТ-параметрах в естественном залегании и её возможных величинах при метаморфизме и гидротермальных преобразованиях; высказан прогноз изменения фильтрационных свойств пород с глубиной; предложена методика составления соответствующих палеточных зависимостей; полученные результаты использованы для оценки безопасности захоронения радиоактивных отходов в породах кольской серии.

Апробация работы _Основные результаты, вошедшие в настоящую работу докладывались на Всесоюзном совещании по обмену опытом исследования керна глубоких и сверхглубоких скважин (Ярославль, 1987); Мевдународном симпозиуме по изучению континентальной коры по данным сверхглубокого бурения (Ярославль, 1988); XII Всесоюзном совещании по экспериментальной минералогии (Миас, 1991); XVI, XVII, XIX и XX Генеральных ассамблеях Европейского геофизического союза (1991,1993,1994, 1995).

Основные положения диссертации изложены в 6 печатных работах.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Содержание работы изложено на 164 страницах, включая 47 рисунков и 8 таблиц. Список литературы содержит 123 наименования.

Основой настоящей работы послужил фактический материал, полученный автором в ходе экспериментальных исследований проницаемости при высоких температурах и давлениях (около 500 определений проницаемости), микроструктурных исследований, определений пористости и проницаемости в стандартных условиях. Для компьютерного моделирования использовались программы, написанные автором.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность конструктору уникальной экспериментальной аппаратуры и вдохновителю работы к.г,- м.н. В.М.Шмонову, научным руководителям д.т.н, профессору Ю.И.Горбачеву и д.г.-м.н. А.А.Пэку, Е.Б.Лебедеву, В.И.Казанскому, К.В. Лобанову, Н.Е. Галдину и В.Д.Нартикоеву, предоставившим образцы для экспериментальных исследований, Д.К.Власовой, проведшей их петрографическое описание, В.М.Витовтовой, Т.Д.Белевич, В.И. Мальковскому, а также многим сотрудникам ИЭМ, ИГЕМ, и ГЕОХИ РАН, а также МГУ им. М.В. Ломоносова за помощь и поддержку при выполнении работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы актуальность проблемы, задачи работы. Обоснован выбор методов и объектов исследования.

В первой главе изложены результаты экспериментальных' исследований фильтрационно-емхостньи свойств пород из разрезов сверхглубоких скважин, измерений проницаемости при высоких температурах и давлениях.

На основании анализа опубликованных результатов исследований фильтрационно-емкостных свойств пород при высоких РТ-параметрах (Авчян, 1972; Добрынин и др., 1988; Зарайский и Балашов, 1981; Зонов и др., 1989; Павлова, 1975; Павлова и др., 1977; Шмонов и Витовтова, 1982, 1984, 1994; Summers и др., 1978; Kranz и др., 1984 Moore и др., 1983; Morrow и др., 1981, 1984; Pusch и Weber, 1993; Trimmer и др., 1980 и др.) сделаны следующие выводы:

- параметром, подверженным наибольшим вариациям, является проницаемость;

- наиболее адекватно отвечают условиям глубинных зон земной коры результаты измерений проницаемости при высоких РТ-параметрах;

- данные измерений проницаемости при одновременном.воздействии высоких температур и давлений для пород сверхглубоких скважин отсутствуют;

- изменение одного из параметров в ряду - порода, фильтрующийся флюид, эффективное давление, температура - может привести к значительным изменениям проницаемости, следовательно, экстраполяция имеющихся экспериментальных данных на другие РТ-параметры или типы пород не является корректной.

Исходя из задач исследования и учитывая приведенные выше факторы, была поставлена задача собственных экспериментов автора данной работы: изучить фильтрационно-емкостные свойства пород из разрезов сверхглубоких скважин СГ-3 (Россия) и КТБ-Оберпфальц (Германия), измерить проницаемость образцов при температурах и давлениях, соответствую-

щих условиям in situ и стадий метаморфических преобразований —пород—Для-оценки влияниятехногенных возмущений ооразцы керна сверхглубоких скважин были отобраны на различных глубинах: от 3.8 до 10.6 км; помимо кернов были исследованы образцы их поверхностных аналогов. Так как скважина СГ-3 пробурена в ядре синклинальной структуры, имеется возможность 'отобрать на поверхности образцы пород кольской серии, по составу, текстуре и структуре, аналогичные породам разреза скважины (Казанский, 1994), но, в силу того, что они оказались на поверхности в результате медленных тектонических движений -свободные от техногенных микротрещин. Проведенные исследования фильтрационно-емкосгных свойств свидетельствуют в пользу этого предположения: пористость образцов пород-аналогов в среднем 1.5-2 раза меньше, а проницаемость в десять раз меньше, чем образцов керна СГ-3.

Для сопоставления свойств метаморфических и карбонатных пород были использованы, полученные при тех же РТ-параметрах В.М.Витовтовой (Витовтова и Шмонов, 1982), данные о проницаемости известняков, отобранных в Северном Прибалхашье.

С тем, чтобы исключить химические преобразования в процессе фильтрации проводились измерения газовой проницаемости, величины которой были пересчитаны в жидкостную согласно поправке Клинкенберга (Klinkenberg, 1941) с использованием методики и программных средств, разработанных автором. Измерения проницаемости при высоких РТ-параметрах проводились на установке, разработанной в ИЭМ РАН В.М.Шмо-новым (Шмонов и Чернышев, 1982) в соответствии с методиками, разработанными с участием автора данной работы, основная особенность которых заключается в возможности охарактеризовать свойства пород в широком диапазоне РТ-параметров: температурах до 600 °С и давлениях до 150 МПа.

Полученные экспериментальные данные можно резюмировать следующим образом.

1. Пористость и проницаемость образцов керна СГ-3 больше, чем поверхностных. Следовательно, в силу влияния техногенных факторов результаты измерений фильтрационно-емкост-

ных свойств образцов керна, полученные в стандартных условиях систематически завышены

2. При повышении всестороннего давления проницаемость всех исследованных пород уменьшается, что совпадает с данными других исследователей (Витовтова и Шмонов, 1982 и др.). Новым эффектом является изменение характера трендов с температурой: при повышении температуры скорость снижения проницаемости увеличивается.

3. Впервые установлено, что характер температурных трендов проницаемости образцов сверхглубоких скважин зависит от эффективного давления и глубины отбора образцов.

- При низких Рзфф. (30-80 МПа) проницаемость сначала снижается с увеличением температуры, затем увеличивается. Инверсия трендов проницаемости приурочена к интервалу температур 300 - 500 °С.

- При более высоких Рэфф. (100-150 МПа) температурные зависимости проницаемости образцов, отобранных на глубинах 9-11 км, также испытывают инверсию в то время, как проницаемость образцов, отобранных на глубине 4 км и на поверхности, уменьшается во всем температурном диапазоне.

- Характер полученных температурных трендов метаморфических пород отличается от монотонного уменьшения проницаемости известняков, полученного В.М.Витов-товой (Витовтова и Шмонов, 1982).

4. Вариации проницаемости образцов охватывают диапазон от Ю-23 до Ю-'7 м2. РТ-условия, при которых образцы становиться практически непроницаемыми (<10 и м2), также зависят от глубины отбора образцов. С уменьшением глубины граница области "непроницаемости" смещается в сторону более низких температур и давлений.

Во второй главе изложены результаты микроструктурных исследований, предпринятых с целью интерпретации полученных экспериментальных трендов проницаемости.

В ходе микроскопических исследований установлено, что в рассматриваемых породах первичная пористость мало развита, не претерпевает существенных изменений в результате РТ-

случайно разбросанных элементов сети было присвоено одно из

вой (1о) или микотрещинной Исследовались зависимости пористости и проницаемости модели от доли высокопроводящих элементов. Пористость возрастает по линейному закону. Тренды проницаемости модели имеют более сложный вид. При минимальном отношении Ыкг = 101 проницаемость модели постепенно увеличивается с увеличением доли элементов с высокой проводимостью - микротрещин. С увеличением контраста проница-емостей на кривых появляется перегиб, который тем более выражен, чем больше отношение кЛх При максимальных отношениях кЛт = 105- 106 (а именно такие соотношения, как было установлено, характерны для исследуемых пород) зависимость приобретает пороговый характер, аналогичный перколяционному переходу.

Согласно результатам численного эксперимента, пористость и проницаемость также зависят от вида статистического распределения раскрытий микротрещин. При равных математических ожиданиях максимальной проницаемостью обладает модель с нормальным распределением раскрытий микротрещин, минимальной - с экспоненциальным. У моделей с нормальным распределением увеличение среднего квадратичного отклонения при неизменном математическом ожидании приводит к уменьшению проницаемости. Пористость, напротив, увеличивается с ростом среднего квадратичного отклонения.

Сопоставление данных физического и численного экспериментов приводит к выводу, что даже незначительное изменение густоты микротрещин может привести к существенному изменению проницаемости, чем и вызваны пороговые эффекты, проявляющиеся в экспериментальных зависимостях проницаемости от температуры и давления. В физическом эксперименте изменение густоты микротрещин, их раскрытий, смена статистических законов распределения раскрытий микротрещин происходят одновременно, что приводит к осложнению трендов проницаемости ступенчатыми перегибами.

В четвертой главе рассматриваются геологические приложения полученных результатов.

При выбуривании и извлечении на поверхность образцов керна глубоких и сверхглубоких скважин проявляется целый ряд процессов, ведущих к возникновению техногенной микротрещи-новатости в образцах. Резкое изменение характера напряженного состояния при выбуривании керна, приводит к его дезинтеграции. Этому процессу способствует влияние анизотропии механических свойств минеральных зерен (Горбацевич и Медведев, 1986), а также воздействие поверхностно-активной жидкости, приводящее к адсорбционному понижению прочности межзерновых контактов (Абдрахимов и др., 1991).

В этой связи, возникают проблемы, исследовавшиеся в данной работе: как велики искажения результатов измерений фильтрационно-емкостных свойств образцов керна сверхглубоких скважин, обусловленные техногенными факторами; можно ли уменьшить эти искажения и корректным образом использовать образцы кернов сверхглубоких скважин для предсказания свойств пород глубинных зон земной коры in situ и построения петрофизических зависимостей.

Для исследования влияния техногенных микротрещин на свойства кернов, были проделаны эксперименты с циклическим изменением давления. Образец известняка с поверхности был нагружен до давления в 60 МПа, соответствующего глубине залегания около Зх км. Под нагрузкой была измерена его проницаемость, величина которой уменьшилась на один десятичный порядок по сравнению с исходной. Затем, имитируя изменение напряженного состояния при выбуривании образца, было резко сброшено осевое давление, а затем - обжимающее. В результате произошел эффект, аналогичный дискованию: образец распался по субгоризонтальной плоскости на две части. Проницаемость каждой из частей превысила на порядок величину, измеренную под нагрузкой, и в два раза исходную. Пористость образца практически не изменилась.

Следующая серия экспериментов включала измерения пористости и проницаемости в зависимости от расстояния от оси керна. Постановка такой задачи была инициирована данными теоретических исследований различных авторов (Грабчак и Макаров, 1978; Wolter и Berckhemer, 1989 и др.) согласно которым, концентрация напряжений и, следовательно, плотность техно-

при соответствующих температурах. Пористость и проницае-

цов с временем выдержки 3 часа, что свидетельствует о том, что релаксация термонапряжений даже при высоких температурах происходит не мгновенно, а, как свойственно композитным материалам, в значимые промежутки времени.

Таким образом, при нагревании в условиях нулевого эффективного давления действует целый ряд процессов, ведущих к образованию микротрещин, увеличению пористости и проницаемости пород. Эти процессы либо приурочены к определенной температуре, как фазовый переход в кварце, либо действуют во всем диапазоне температур, как процессы релаксации возникающего в породе при нагревании неоднородного поля напряжений. Аналогичным образом, процесс терморазуплотнения, очевидно, вызывает увеличение проницаемости, отмечавшееся при температурах 500 - 600 °С и низких эффективных давлениях в экспериментах, приведенных в главе 1.

Сопоставляя экспериментальные результаты, приведенные в главах 1 и 2, можно сделать следующие выводы.

1. В исследованных породах превалирует микротрещинная компонента вторичной пористости. Поэтому динамика изменения проницаемости при высоких РТ-параметрах определяется изменениями характера микротрещиноватости пород и зависит от изменения густоты, раскрытия и степени связанности микротрещин.

2. Поведение микротрещин определяется, с одной стороны, физико-механическими свойствами породы, а с другой - сочетанием конкурирующих воздействий температуры и эффективного давления.

3. Превалирующее влияние давления в условиях высоких Рэфф* приводит к закрытию микротрещин, уменьшению связанности флюидопроводящих каналов и, как следствие, к уменьшению пористости и проницаемости пород.

4. При низких РЭфф. превалируют процессы терморазуплотнения: образования дилатансионных микротрещин, приуроченных в основном к межзерновым границам, что вызывает рост пористости и проницаемости пород. Присутствие воды и увеличение

времени выдержки при высоких температурах интенсифицируют эти процессы.

В третьей главе изложены результаты компьютерного моделирования. Компьютерное моделирование преследовало цели:

- интерпретировать полученные экспериментальные данные о пороговом характере РТ-зависимостей проницаемости;

- оценить проницаемость систем микротрещин, зафиксированных под сканирующим электронным микроскопом, сравнить вычисленную величину проницаемости с измеренной при тех же РТ - параметрах и оценить соотношение между трещинной и матричной проницаемостью исследуемых пород;

- пользуясь полученными данными, вычислить пористость и проницаемость модели при последовательном увеличении доли высокопроводящих элементов (микротрещин);

- используя данные о распределениях пор по размерам, полученные в ходе микроструктурных исследований, вычислить пористость и проницаемость моделей с различными статистическими законами распределения раскрытия флюидопроводя-щих каналов.

На основании аналитического обзора методов моделирования течения флюидов в пористой среде была выбрана сеточная модель как наиболее адекватно описывающая процесс фильтрации в низкопористых трещиноватых породах. Принцип построения модели основан на математической аналогии законов Ома и Дарси (Seeburger и Nur, 1984). Расчеты модели, воспроизводившей средние раскрытия и конфигурацию систем микротрещин, зафиксированных на поверхности образца амфиболита под сканирующим электронным микроскопом, позволили оценить величины микротрещинной проницаемости и отношения микротрещинной проницаемости к матричной в исследуемом амфиболите.

Для анализа более общих закономерностей зависимостей проницаемости и пористости от размеров микротрещин была применена модель 20x20 с квадратными ячейками. При моделировании были использованы элементы перколяции: кавдому из

воздействий и, очевидно, не оказывает значимого влияния на изменения фильтрационно-емкостных свойств. Пористость пород представлена микротрещинной компонентой, причем характер микротрещиноватости интенсивно изменяется под действием высоких температур и давлений. С тем, чтобы изучить поведение микротрещин при высоких РТ-параметрах и их влияние на филь-трационно-емкостные свойства пород были предприняты детальные микроструктурные и экспериментальные исследования. При постановке исследований учитывалось, что характер температурных трендов проницаемости при высоких и низких эффективных давлениях был различен (гл. 1).

В первой части главы приведены данные исследований в условиях высокого эффективного давления. Микротрещины в образце амфиболита из разреза СГ-3 изучались под сканирующим электронным микроскопом (СЕМ) при температурах до 300°С и эффективном давлении 80 МПа. В ходе экспериментов, которые проводились в специальной ячейке, разработанной В.М.Шмоновым (БИшопоу и др., 1990), установлено, что, несмотря на нагревание, раскрытия микротрещин в породе уменьшаются. Сопоставление полученных данных и аналитических соотношений, приведенных в работе (Добрынин, 1970), позволяет предположить, что этот процесс обусловлен воздействием эффективного давления, с одной стороны, и увеличением сжимаемости матрицы породы при нагревании, с другой. Сравнение данных о раскрытии микротрещин и величин проницаемости, измеренных в этом образце при соответствующих РТ-параметрах, приводит к выводу, что уменьшение проницаемости произошло более значительно, чем это могло быть предсказано согласно теоретическим зависимостям между проницаемостью и раскрытием микротрещин (Теркот и Шуберт, 1985 и др.). На основе анализа результатов исследований под СЕМ предложена интерпретация этого расхождения. Большинство соотношений между проницаемостью и параметрами трещиноватости основано на допущении, что все трещины связаны между собой, а их стенки гладкие. Между тем, в данном случае их применение не правомерно. В ходе наблюдений под СЕМ установлено, что в силу того, что берега мйкротрещин осложнены шероховатостями и выступами, не происходит полного закрытия микротрещин, а

они оказываются разбитыми пережимами на фрагменты меньшей длины. Однако, этого оказывается достаточно для того, чтобы микротрещины перестали выполнять функции флюидоп-роводящих каналов и проницаемость резко снизилась.

Таким образом, в условиях высоких эффективных давлений происходит уменьшение раскрытий микротрещин и нарушение их связанности, что приводит к уменьшению проницаемости пород.

Во второй части главы приведены данные экспериментов, проводившихся в условиях нулевого эффективного давления. Образцы амфиболитов нагревались в атмосфере азота или в воде до температур, достигавших 650 °С, в условиях равенства поро-вого и обжимающих давлений (Рпор.=Робж.=300 МПа), затем производилось быстрое охлаждение - закалка. Исходные и закалочные образцы исследовались под оптическим и электронным микроскопом, измерялась их эффективная пористость, проницаемость и распределение пор по размерам методом ртутной поро-метрии.

Установлено, что при нагревании в условиях нулевого эффективного давления образуются дилатансионные микротрещины, густота, раскрытие и степень связанности которых увеличиваются с ростом температуры, что приводит к увеличению пористости и проницаемости пород. Образование микротрещин представляет собой процесс реализации термоупругих напряжений, возникающих в породах вследствие различий коэффициентов теплового расширения слагающих их минералов. Величины растягивающих напряжений на некоторых межзерновых контактах в амфиболитах, согласно результатам расчетов модели эллиптического включения (Wong и Brace, 1979), при температуре 600 °С достигают 425-675 МПа. Поэтому микротрещины приурочены, как правило, к межзерновым контактам. При приближении к температуре а-Р перехода в кварце - 650 °С фиксируется увеличение числа микротрещин на границах кварца и других минеральных зерен, что вызывает резкое возрастание густоты микротрещин, пористости и проницаемости пород.

Наличие поверхностно активной жидкости - воды активизирует процесс терморазуплотнения: пористость и проницаемость образцов, которые нагревали в воде, больше, чем у сухих

верхносги. Полученные результаты позволили оценить величины возникающих техногенных возмущений: по мере удаления от оси керна пористость возрастает в несколько раз, а проницаемость -на десятичный порядок.

Таким образом, возникновение техногенных микротрещин может приводить к значительному увеличению пористости и проницаемости образцов по сравнению со значениями in situ.

В настоящее время получили распространение методики, в которых предусматривается использование для петрофизических исследований больших образцов: кернов целиком (Trimmer и др., 1980). С одной стороны такой подход правомерен, так как большие образцы более репрезентативны. Но, принимая во внимание изложенное выше, необходимо отметить, что при исследовании образцов из глубоких скважин при стандартных условиях возможно возникновение существенных ошибок. С тем, чтобы уменьшить эти ошибки рекомендовано для петрофизических исследований изготавливать образцы из осевой части керна.

Как показали результаты данной работы, другой путь минимизации техногенных возмущений - проведение измерений при высоких РТ-параметрах. Этот вывод сделан на основании сопоставительного анализа зависимостей проницаемости кернов СГ-3, их поверхностных аналогов, а также образцов керна КТБ, отобранных на различном расстоянии от оси керна.

Образование техногенных микротрещин может приводить к увеличению проницаемости на десятичные порядки, по сравнению с проницаемостью in situ (по данным изучения кернов и поверхностных аналогов СГ-3). Расхождение данных определения проницаемости образцов, отобранных на различном расстоянии от оси керна, обусловленные техногенной микротрещиноватос-тью, также достигают десятичных порядков (по данным изучения кернов КТБ). При увеличении температуры и давления до величин, соответствующих значениям РТ-параметров естественного залегания пород, эти расхождения уменьшаются до величин, сопоставимых с ошибкой измерений. Следовательно, измерения фильтрационно-емкостных свойств образцов керна при высоких РТ-параметрах минимизируют техногенные искажения, могут быть использованы для оценок свойств пород in situ и построе-

ний соответствующих петрофизических и палеточных зависимостей.

Увеличение глубины залегания, приводит к уменьшению проницаемости всех исследованных образцов. Новым эффектом является тот факт, что проницаемость уменьшается с племенным градиентом: в области средних глубин (6 - 8) км на зависимостях отмечается более или менее отчетливо выраженный s-образный перегиб. Сопоставляя полученные тренды с теоретическими зависимостями и данными микросгруктурных исследований и учитывая, что глубины перегиба для образцов с разной глубиной отбора, практически совпадают, а у известняков, по данным В.М.Витовтовой, коррелируют со степенью метаморфических изменений пород, можно предположить, что такое поведение проницаемости вызвано переходом от трещинной к матричной проницаемости пород вследствие смены упругих деформаций пластическими.

Другой установленной закономерностью является рост дифференциации пород по проницаемости с глубиной на общем фоне ее снижения. Геологическим приложением этого эффекта может быть вывод, что на больших глубинах могут сохраняться горизонты, насыщенные водами и углеводородами.

Породы кольской серии претерпели прогрессивный метаморфизм при температурах 500 - 600 °С и регрессивный - при температурах около 300 °С. Анализируя величины проницаемости при соответствующих температурах, можно предположить, что при прогрессивном метаморфизме значения проницаемости, были достаточно велики, чтобы потоки флюидов пронизывали весь объем пород, при регрессивном метаморфизме - были на несколько порядков меньше, поэтому движение флюидов, очевидно, было приурочено к крупным нарушениям сплошности пород: разломам и тектоническим зонам.

В пятой главе приведены результаты применения полученных экспериментальных данных для проектирования могильников высокорадиоактивных отходов (BAO).

В настоящее время в России рассматривается концепция скважинных могильников BAO (Лаверов, 1991). Основным процессом, который может приводить к утечке радионуклидов из

ттодземнопгмогильникаВ АО отходов ^является ихмиграцияс-подземными водами. Поэтому при выборе участка для захоронения первостепенное значение придается гидрогеологическим условиям. Общее требование, предъявляемое к гидрогеологической обстановке, заключается в минимизации риска, связанного с выносом радионуклидов потоком подземных род из могильника в биосферу. . _

Оценки безопасной глубины захоронения BAO, приведенные в настоящей работе, произведены автором согласно методике, теоретические основы которой изложены в работе (Мальковский и др., 1994), где рассмотрена модель скважинного могильника, представленного одиночной вертикальной скважиной, в нижней части которой размещены контейнеры с тепловыделяющими радиоактивными отходами. Результаты численного моделирования термоконвективного выноса радионуклидов подземными водами из скважинного могильника BAO позволили получить аппроксимирующее выражение, определяющее зависимость максимальной концентрации радионуклидов у поверхности Земли в зависимости от свойств вмещающих пород, геометрических параметров скважины и тепловой мощности захораниваемых отходов. Основным параметром, характеризующим свойства геологической среды в участке предполагаемого захоронения BAO является ее проницаемость. В Качестве входных данных для вычислений использовались результаты измерений проницаемости в пластовых условиях, полученные автором.

Анализ полученных результатов приводит к выводу, что кристаллические породы, по фильтрационным свойствам аналогичные исследованным породам СГ-3, являются благоприятной средой, где на глубинах, приемлемых с точки зрения технологии строительства данных сооружений, могут быть размещены могильники BAO.

В заключении приводятся основные результаты работы.

Основные результаты работы.

1. Усовершенствована методика и технические средства изучения образцов пород глубинных зон земной коры.

2. Исследованы фильтрационно-емкостНые свойства образцов керна сверхглубоких скважин СГ-3 (Россия) и КТБ-Обер-пфальц (Германия), их поверхностных аналогов, а также карбонатных пород. При температурах до 600 °С и давлениях до 150 МПа измерена проницаемость пород.

3. На основе физического и компьютерного моделирования показано влияние высоких температур, давлений, а также характера насыщения на динамику изменения микротрещиноватос-ти и фильтрационно-емкостных свойств пород.

4. Получены оценки искажений результатов измерений фильтрационно-емкостных свойств кернов вследствие техногенных факторов, что позволило усовершенствовать методику лабораторных исследований.

5. Установлено, что увеличение температуры и давления до величин, соответствующих их значениям in situ, приводит к уменьшению расхождений результатов измерений фильтрационно-емкостных свойств, вызванных техногенными изменениями, до величин, сопоставимых с ошибкой измерения. Таким образом, показано, что образцы кернов' сверхглубоких скважин могут быть использованы для прогноза фильтрационно-емкостных свойств глубинных зон земной коры в естественном залегании и построения соответствующих петрофизических зависимостей.

6. Впервые показано, что уменьшение проницаемости с ростом глубины происходит с существенно и не монотонно меняющимся градиентом. Разработана методика построения пале-точных зависимостей изменения проницаемости с глубиной.

7. Установлено, что с увеличением глубины на общем фоне снижения проницаемости возрастает дифференциация пород по данному параметру. Высказано предположение, что на значительных глубинах могут сохраняться горизонты, насыщенные водами и углеводородами.

8. Получены оценки проницаемости пород при температурах прогрессивного метаморфизма и гидротермальных изменений.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Жариков А.В., Витовтова В.М., Шмонов.В.М. Экспериментальное исследование проницаемости архейских пород Кольской сверхглубокой скважины. // Геология рудных месторождений, 1990, т. 32, № 6, с.79-88.

2. Е.Б.Лебедев, А.М.Дорфман, С.Е.Зебрин, А.В.Жариков, А.А.Пэк Влияние водного флюида на скорость продольных волн пористость и проницаемость амфиболитов при температурах до 850 °С и давлении 300 МПа. // Геохимия, 1995, №2, с.282-294.

3. Lebedev Е.В., Dorfman А.М., Zebrin S.R., Zharikov А.У., Рек A.A. The effects of aqueous fluid at high thermodynamic parameters on porosity and permeability of amphibolite. // Annales Geo-physicae, 1990, special issue, p.22.

4. Zharikov A.V., Рек A.A., Lebedev E.B., Dorfman A.M., Zebrin S.R. The effects of water fluid at high thermodynamic parameters on porosity, permeability, and mechanical properties of amphibolite, Annales Geophysicae, 1992, Supplement I to volume 10, C99.

5. Zharikov A.V., Рек A.A., Lebedev E.B., Zebrin S.R., Dorfman A.M The effect of water fluid at temperature up to 850 °C and pressure of 300 MPa on porosity and permeability of amphibolite. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 1993, vol.-76, issue 34, pp. 219-227.

6. Zharikov А.У., Vitovtova V.M., Shmonov V.M., Рек A.A. Permeability of amphibolite core-samples from Kola (Russia) and KTB (Germany) deep drill holes at temperature up to 600 °C and pressure up to 200 MPa. // Annales Geophysicae, 1993, supplement 1 to vol. И,p. С17.