Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Изучение анизотропии упругих свойств и ее влияния на напряженное состояние пород верхней части земной коры

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Изучение анизотропии упругих свойств и ее влияния на напряженное состояние пород верхней части земной коры"

На правах рукописи

Головатая Оксана Сергеевна

ИЗУЧЕНИЕ АНИЗОТРОПИИ УПРУГИХ СВОЙСТВ И ЕЕ ВЛИЯНИЯ НА НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПОРОД ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ

(на примере Кольской свершивший скважины)

Специальность25.00.20 «Геомеханика,разрушение горныхпород, рудничная аэрогазодинамика и горнаятеплофизика»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Апатиты 2004

Работа выполнена в Геологическом институте Кольского научного центра Российской академии наук

Научным руководитель:

доктор технических наук Феликс Феликсович Горбацевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Александр Васильевич Ловчиков; кандидат технических наук Сергей Львович Певзнер.

Ведущая организация:

Научно-вроизводственный центр «Кольская сверхглубокая».

Защита состоится «22» апреля 2004 г. в 14 часов 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 002.029.01 при Горном институте Кольского научного центра Российской академии наук по адресу: 184209, г. Апатиты Мурманской области, ул. Ферсмана, д. 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Горного института КНЦРАН.

Автореферат разослан «19»марта 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н.

А-

Г

основе экспериментальных данных обоснована методика, позволяющая по значениям плотности или величинам скоростей упругих волн при нормальных условиях дать прогнозную оценку этих параметров в массиве на значительной глубине.

3. Модельными экспериментами по нагружению образцов пород впервые установлено, что горные породы из разреза СГ-3 на глубинах от 6.3 до 10 2 км обладают высокими величинами показателей упругой анизотропии, которые в значительной степени превышают предполагавшиеся ранее.

4. Сравнительные расчеты напряженного состояния для трансверсально-изотропной и ортотропной моделей массивов горных пород показали, что анизотропия их упругих свойств определяет концентрацию напряжений на контуре вертикальной горной выработки. На контуре круглой вертикальной горной выработки, пройденной в массиве упруго-анизотропных горных пород и находящейся в поле напряжений с равными горизонтальными составляющими, могут образоваться вывалы в направлении, определенном параметрами анизотропии упругих свойств.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Тенденция возрастания плотности и скорости распространения упругих волн с глубиной по результатам испытаний в диапазоне давлений и температур, адекватных до глубин 20 км, определяется приращением плотности — 0.7-10-4 г/см3, скорости распространения продольных волн - 12*10-3 км/с, скорости распространения поперечных волн - 3.2*10-3 км/с на каждый километр.

2. Горные породы на глубинах свыше 6 км могут обладать высокой степенью анизотропии упругих свойств. Так, породы интервала 8 - 10 км по разрезу СГ-3 характеризуются степенью анизотропии, достигающей 17 % и 38 % по скоростям распространения продольных и поперечных волн, соответственно.

3. Упругая анизотропия горных пород оказывает значительное влияние на устойчивость вертикальных скважин, В упруго-анизотропном массиве, даже при отсутствии разницы в величинах горизонтальных составляющих поля напряжений, возможны значительные вывалы, направление которых определяется параметрами анизотропии упругих свойств.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается совпадением результатов, полученных с применением различных приборов и методов исследований в лабораториях России, Германии и США, а также сопоставимостью результатов исследований материалов по Кольской, Немецкой (КТБ) и Уральской сверхглубоким скважинам.

Научное значение работы. Впервые построены модели изменения плотности, скорости распространения продольных и поперечных волн, упругой анизотропии в верхней континентальной коре. Впервые выявлено, что степень упругой анизотропии массивов в ее пределах может быть очень высокой. Показано, что упругая

ЮС. НАЦИОНАЛЬНА* I

БИБЛИОТЕКА I 5

анизотропия пород наряду с другими факторами может являться причиной образования эллиптической формы сечения скважины СГ-3 в интервалах глубин от 6 до 11 км.

Практическая ценность работы состоит в оценке влияния анизотропии упругих свойств горных пород на устойчивость вертикальных горных выработок (скважин), пройденных в упруго-анизотропном массиве. Полученные результаты могут быть использованы при обработке данных сейсмических исследований земных недр, построении геофизических и петрофизических моделей строения земной коры, а также оценке устойчивости глубоких и свррхглубоких скважин. Практическое значение подтверждено актом об использовании результатов изучения упругой анизотропии горных пород по разрезу Кольской сверхглубокой скважины Научно-производственным центром «Кольская сверхглубокая» и актом о внедрении методики акустополяризационных измерений для проведении научных исследований в Санкт-Петербургском государственном университете «ЮТИ» им. В.И. Ульянова-Ленина.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на X молодежной конференции «Геология и полезные ископаемые северо-запада и центра России», Апатиты, 1999; XI молодежной конференции «Геология и геоэкология Фешюскандии, Северо-запада и центра России», Петрозаводск, 2000; Годичном собрании Всероссийского минералогического общества «Минералогия России», Санкт-Петербург, 2000; X и XI сессиях Российского акустического общества, Москва,

2000, 2001; I молодежной конференции Тектонического общества России и Института литосферы окраинных и внутренних морей РАН, Москва, 2001; ХГХ Всероссийской молодежной конференции «Строение литосферы и геодинамика», Иркутск, 2001; ХП и ХШ молодежных конференциях, посвященных памяти К.О.Кратца, Санкт-Петербург,

2001, Апатиты, 2002; V и VI международных конференциях "Новые идеи в науках о земле", Москва, 2001, 2003; Пленарных совещаниях по Проекту № 408 МПГК ЮНЕСКО, Винденшесшенбах (Германия), 2001, Заполярный, 2002; Школе молодых геофизиков, Екатеринбург, 2002; конференции «Геология, геохимия и геофизика на рубеже XX и XXI веков», Москва, 2002; конференции «Неделя Горняка», Москва, 2003.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, двух приложений, изложенных на 212 страницах, содержит 70 рисунков, 36 таблиц и список литературы из 156 наименований.

Благодарности. Автор считает своим приятным долгом выразить признательность руководству ГИ КНЦ РАН, акад. РАН Ф.П. Митрофанову за создание благоприятных условий при проведении исследований. За неоценимую помощь в понимании геологических аспектов исследований, консультации, замечания, обсуждения различных положений работы автор приносит искреннюю благодарность

многим сотрудникам ГИ и ГоИ КНЦ РАН, особенно, д.т.н. С.Н. Савченко, д,т.н. А.А Козыреву, к.г.-м.н. В.Л. Ильченко, к.г.-м.н. В.И. Пожиленко, Н.Е. Козловой. Образцы из эталонной коллекции СГ-3 и необходимая геолого-геофизическая информация о скважине были любезно предоставлены сотрудниками НПЦ "Кольская сверхглубокая" д.т.н. Д.М. Губерманом, к.г.-м.н. Ю.П. Смирновым, к.г.-м.н. Ю.Н. Яковлевым, за что автор весьма им признателен. Автор считает своим долгом поблагодарить проф. Х.Керн, Т. Попп (г. Киль, Германия), С. Смитсон, Е. Ай (Университет штата Висконсин, США) за предоставленные результаты испытаний образцов из керна скважины СГ- 3.

Особую признательность и благодарность автор выражает своему научному руководителю д.т.н. Ф.Ф. Горбацевичу за постоянное внимание к работе и неизменную поддержку на всех ее этапах.

Работа выполнена в рамках проекта МПГК № 408 (ЮНЕСКО). Существенная часть исследований по теме диссертационной работы была выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты №№ 97-05-64167, 0005-64057,01-05-06234), а также проекта ИНТАС (01-0314).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ_

Вопросам изучения упругих свойств горных пород, их анизотропии и изменению скоростей распространения упругих волн уделяется внимание многими исследователями как в нашей стране (К.С. Александров, Г.Т. Продайвода, Т.В. Рыжова, В.Н. Бакулин, АР. Протосеня, М.П. Воларович, Е.И. Баюк, В.В. Быкова,

A.M. Левыкин, А.В. Жариков, А.Н. Никитин, Г.И. Петрашень, Ф.И. Федоров,

B.С.Ямщиков, В.Л. Шкуратник, Ф.Ф. Горбацевич, К. Клима, И. Пшенчик и др.), так и зарубежом (Дж. Най, X. Керн, Т. Попп, Н.И. Христенсен, С. Смитсон, Т. Локаичек, 3. Прос, И. Трчкова, Р. Живор идр.).

Знание об упругих свойствах горных пород и их изменении при различных РТ-условиях необходимо для решения многих фундаментальных и прикладных задач. Этим вопросам посвящены работы МЛ. Воларовича, Е.И. Баюк, В.А. Калинина, Дж.Б.Уолш, Х.Керн, Р.Шмидт, Т.Попп, Е.Дженс и мн. др. Существенным недостатком более ранних работ является тот факт, что все измерения проводились либо на образцах горных пород, отобранных с поверхности, либо на керновом материале неглубоких скважин. Современным исследователям предоставлена уникальная возможность изучать упругие свойства горных пород, извлеченных со значительных глубин, используя для этого керн сверхглубоких скважин. Однако чаще всего для определения их упругих характеристик в условиях залегания авторы

предлагают линейную аппроксимацию величин упругих характеристик, полученных придавлении 100-200 МПа.

Как известно, знание упругих характеристик горных пород, наличие или отсутствие анизотропии упругих свойств необходимо при расчетах напряженного состояния горных массивов и проектировании горных выработок. Изучение поля напряжений верхней коры является одним из приоритетных направлений Российской академии наук. Для определения компонент полей напряжений используются различные методы и подходы, над их развитием работали и работают многие ученые А.Н. Динник, Е.И. Шемякин, МБ.Курленя, С.Г. Лехницкий, Г.Н. Савин, С.В. Кузнецов, И.А. Турчанинов, А.А. Козырев, СА Батугин, Л.Л. Панасьян, ГА. Марков, А.В. Ловчиков, В.И. Панин, Э.В. Каспарьян, С.Н. Савченко и др.

Для определения упругих модулей вещества используется такая акустическая характеристика, как скорость звука. Обычно при лабораторных определениях скорости звука в горных породах используют импульсный метод. При этом правильная оценка скорости звука в анизотропных средах возможна только тогда, когда известна пространственная ориентация элементов упругой симметрии, для определения которых нами использовался акустополяризационный метод, В этом методе регистрируются амплитуды прошедших через образец квазипоперечных ультразвуковых колебаний (УЗК) при разной ориентации вектора поляризации излучателя и приемника (параллельной ВП и скрещенной ВС). Для повышения точности измерений, чувствительности метода, а также производителыюсти работы был разработан новый автоматизированный программно-аппаратный комплекс. В его состав входят стандартный дефектоскоп УД2-12, акустополярископ (Рис. 1), кошроллер передачи данных, частотомер и компьютер с программным обеспечением «Acustpol С».

Для проведения измерений кубический образец устанавливается между преобразователями и закрепляется на поворотной платформе, которая приводится в равномерное вращение при помощи электромеханического привода. Сигнал, проходя через образец, принимается приемным преобразователем акустической системы и поступает на вход дефектоскопа, в котором считывается его амплитуда. Далее сигнал оцифровывается и передается в параллельный портал компьютера и обрабатывается по определенной программе.

Измерения производятся в трех взаимно перпендикулярных направлениях образца с шагом 1, 5 или 10° при двух положениях векторов поляризации ВП и ВС. По результатам измерений строятся круговые диаграммы -акустополяриграммы, по которым определяется пространственное положение элементов упругой симметрии.

Затем, в соответствии с выявленными элементами упругой симметрии, производят измерения скоростей прохождения продольных и двух квазипоперечных (именуемых далее поперечными) волн. Результаты записывают в форме квазиматрицы:

где элементы главной диагонали - скорости распространения продольных волн, остальные элементы - скорости распространения поперечных волн.

Величины показателя упругой анизотропии по поперечным волнам В определяются коэффициентами двулучепреломления В и Вг, В3:

Коэффициент анизотропии по продольным волнам АР рассчитывается следующим образом:

Ар = -¡-рп-Уср)2+(Уп -усР)г -КР)г хЮ0%. vcp =(Уи+У12+У33)/з.

кч>

Изучение физических, в том числе упругих параметров горных пород по разрезу Кольской сверхглубокой скважины дает уникальную возможность для разработки адекватной модели изменений их свойств в верхней части земной коры до глубины 12 км. Существенные сложности при оценке их свойств в состоянии естественного залегания связаны с процессами необратимого изменения керна при его извлечении на поверхность. В первую очередь это процессы декомпрессии, неупругой разгрузки горных породы от глубинных давлений, приводящие к образованию в ней трещин и пустот, которые могут не соответствовать состоянию in situ. Поэтому необходим анализ поведения плотностных и упругих характеристик горных пород в широком интервале давлений и температур.

На основе статистического анализа типов горных пород, слагающих разрез СГ-3, были отобраны образцы керна из наиболее часто встречающихся типов. Разноглубинные образцы керна СГ-3 и поверхностные образцы района заложения скважины были испытаны на установках высоких давлений и температур (до 600 МПа и 600 С) Университета г. Киль, Германия и Университета штата Висконсин, США. Производились измерения плотности образцов и скоростей распространения в них продольных и поперечных волн в указанных интервалах давлений и температур. Результаты обработки этих измерений составили основу для построения моделей прогноза значений плотностей горных пород и скоростей прохождения звука в них при условиях in situ.

Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих положениях выносимых на защиту.

1. Тенденция возрастания плотности и скорости распространения упругих волн с глубиной по результатам испытаний в диапазоне давлений и температур, адекватных до глубин 20 км, определяется приращением плотности — 0.7-10"4 г/см3, скорости распространения продольных волн -12-Ю"3 км/с, скорости распространения поперечных волн — 3.2-10"3 км/с на каждый километр.

При приложении давлений до 100 МПа к образцам пород из разреза СГ-3 происходит быстрое увеличение плотности и последующий квазилинейный рост (Рис. 2). Начальное возрастание плотности связано с закрытием трещин и полостей, возникших при декомпрессии образцов, а дальнейшее возрастание -вероятнее всего с изменением параметров структуры породообразующих

минералов. При 600 МПа плотность образцов керна увеличивается на 2-3.5%, а у поверхностных образцов — всего на 1% (Рис. 3). Зависимость плотности р от приложенного к образцу давления Р хорошо описывается следующим модельным уравнением (Рис. 2):

- 3.005 о

t 2.99 ■ 3

£ 2.98-

Cl О

2.97 ■

л

о 2.96 • х

| 2.95 • С

294 ^---*-----1 I

0 100 200 300 400 500 600

Давление (Р), МПа

Рис. 2. Пример аппроксимации экспериментальной зависимости плотности породы от приложенного к ней всестороннего давления и физический смысл параметров.Обр. 43560

где р - коэффициент линейного роста плотности (г/см3/МПа), а—коэффициент восстановления плотности до значения в ненарушенной горной породе, X — релаксационный параметр, определяющий быстроту увеличения плотности с ростом давления.

Для определения значений плотности в условиях in situ в уравнении экспонента должна быть опущена, а в качестве давления на глубине Н может быть взято его литостатическое значение: р(Н) = а-р0 + р-Н. '

Температурное снижение плотности породы учитываетсялинейной поправкой: Р (0 = Р (20°C)-[l-Hy-(t - 20)].

В результате обработки массива измерений получено, что коэффициент а составляет 1.005±0.004, коэффициенты Р и у для горных пород с глубин более 4.6 км составляют (1.8±0.5)-10"3 г/(см3-км) и -(0.1510.06)-10"4 град.'1, а для их поверхностных гомологов: (0.77±0.05)10"3 г/(см3-км) и-<0.23±0.03)-10"4град"1, соответственно.

Рис. 3. Изменение плотности при всестороннем сжатии поверхностного образца (Z-1) и образцов керна с глубин 4.6-11.3 км

Изменение скорости прохождения звука в породах в зависимости от величины всестороннего давления также имеет начальный скачок с выходом на линейный участок (Рис. 4). Однако масштабы увеличения значений скоростей при повышении давления более существенны (в некоторых случаях в 2 и более раз), чем это наблюдается для плотности пород. Несмотря на то, что закрытие трещин по данным изучения плотности горных пород происходит уже при 100 МПа, быстрый нелинейный рост скорости распространения волн завершается при давлениях, больших 200 МПа. Видимо, после схлопывания трещин происходит дальнейшая «притирка» межзерновых границ.

Температурное изменение скоростей в интервале 20-6 00° С незначительно и происходит приблизительно по линейному закону. Оценка значений скорости in situ по значениям, измеренным при нормальных условиях, может быть произведена с помощью следующего уравнения: V(H) = a-V0 + р-Н + y-(t-20).

Полученные значения коэффициентов а для продольных и поперечных волн близки друг к другу и составляют для глубинных и для

поверхностных горных пород. Для глубинных горных пород коэффициенты Рдля

продольных и поперечных волн имеют значения (18±4)-10"3 и (8±2)-10"3С*1, для поверхностных они ниже: (7±3)*10'3, (1.8±0.3)»103с|, соответственно. Для продольных волн температурные коэффициенты глубинных и поверхностных пород различаются почти в два раза (ур=-2.6-10'4 и -4.6-10"4 км/с/град), в случае поперечных волн можно использовать одно значение ^=—2-2-10"4 км/с/град.

Давление, МПа Давление. МПа

Рис.4. Изменение величин скоростей распространения продольных (Ур) и поперечных (У^ волн в зависимости от всестороннего давления (обр. 43726)

По полученным значениям коэффициентов Р и у определены величины приращения плотности и скоростей распространения упругих волн на каждый километр глубины.

2. Горные породы на глубинах свыше 6 км могут обладать высокой

степенью анизотропии упругих свойств. Так, породы интервала 8- 10 км по разрезу СГ-3 характеризуются степенью анизотропии, достигающей 17 % и 38 % по скоростям распространения продольных и поперечных волн,соответственно.

Приложение давления к образцам различным образом оказывает существенное влияние на параметры их упругой анизотропии (рис. 5). В среднем, по мере роста давления, особенно на начальном участке нагружения (до 100 МПа), наблюдается сильное снижение коэффициента анизотропии, определяемого по продольным волнам. Изменения показателя анизотропии, определяемого по поперечным волнам, выражено в заметно меньшей степени. Тем не менее, даже при максимальных значениях всестороннего давления некоторые образцы горных пород сохраняют высокую степень анизотропии упругих свойств, что позволяет предполагать ее наличие и на больших глубинах.

Ар.% 35 30 25 201510-

040

Рис. 5. Зависимости показателя анизотропии скорости распространения продольных волн от приложенного всестороннего давления к образцам пород, извлеченных с глубин 8-11.3 км

Результаты моделирования скоростей распространения звука в породах из разреза СГ-3 для давлений и температур при условиях in situ, указывают на то, что горные породы в интервале глубин 6.3 — 10.2 км отличаются высокой степенью упругой анизотропии. Этот диапазон глубин в разрезе скважины охватывает протерозойские маярвинскую вулканногенную и телевинскую осадочную свиты, а также более половины мощности вскрытых СГ-3 архейских образований. В этих горных породах показатель zip составляет от 8 % до 18 %, а коэффициент В изменяется от 11 % до 38 %. Столь высокие параметры упругой анизотропии необходимо учитывать в расчетах напряженного состояния массивов при проектировании горных выработок.

Средние значения скоростей распространения продольных и поперечных колебаний в горных породах при давлениях более 200 МПа, а также оцененные для условий in situ в разрезе СГ-3, находятся в хорошем согласии с их значениями, рассчитанными по минеральному составу в ненарушенной породе. Так, разница между определенными при условиях in situ и расчетными величинами скоростей распространения продольных волн составляет не более 7%. Однако расчеты скоростей по минеральному составу горной породы могут быть использованы только для заведомо изотропных или слабо анизотропных массивов.

Показатели упругой анизотропии образцов керна СГ-3 со схожим минеральным составом варьируют в очень широком диапазоне, от 1 до 16 % для продольных; от 1 до 28% для поперечных волн. Аналогичная ситуация реализуется для пород, отобранных в окрестности СГ-З. В этом случае анизотропия по продольным волнам изменяется от 4 до 13%, для поперечных волн от 8 до 29%.

100 200 300 400 500 600 Давление, МПа

Таким образом, изучение на установках высокого давления и температур различных пород из протерозойской и архейской частей позволяет охарактеризовать их различные типы усредненными скоростями распространения упругих волн и учесть влияние на них давления и температур in situ. Зависимости скорости волн от давления, полученные на поверхностных образцах, могут быть использованы для оценки тенденции изменения Ур и с глубиной. На это указывает примерно одинаковые значения коэффициентов пропорциональности скоростей Ур и Р$от давления, как для поверхностных, так и для скважинных образцов. Выявленные значения показателей упругой анизотропии в значительной мере расширяют диапазон возможных величин скоростей (Рис.6) продольных и поперечных волн, которые могут быть зарегистрированы в анизотропных массивах.

Рис. б.Модельизмененияскоростейраспространенияпродольных(а, Ъ, с,)и поперечных(с1, е, $ волндляобразцовАрхейскойчастиразрезаСГ-3:гнейсов(а,й, амфиболитов (Ь, е), биотитовых амфиболитов, ])■ 1-средние величины скоростей упругихволн; 2-величины скоростейупругихволн сучетом анизотропии

Наложение средних значений скорости УриУ^на полученные ранее скоростные разрезы по акустическому каротажу (АК) и вертикальному сейсмическому профилированию (ВСП) указывает на их согласованность. Полученные результаты в целом показывают, что высокая степень упругой анизотропии может наблюдаться в массивах метаморфических пород протерозойского и архейского возраста на значительных глубинах. Ее учет необходим для правильной интерпретации результатов сейсмических работ, при расчетах напряженно-деформированного состояния (НДС) массивов горных пород.

3. Упругая анизотропия горных пород оказывает влияние на устойчивость вертикальных скважин. В упруго-анизотропном массиве, даже при отсутствии разницы в величинах горизонтальных составляющих поля напряжений, возможны значительные вывалы, направление которых определяется параметрами анизотропии упругих свойств.

Ранее считалось, что анизотропия упругих свойств горных пород незначительна и поэтому при расчетах НДС горные массивы рассматривались в рамках изотропной или трансверсально-изотропной модели упругого состояния горного массива. В данной работе рассчитаны НДС для двух моделей: трансверсально-изотропной (он сложен из слоев, изотропных по всей своей высоте и простиранию) и ортотропной (массив сложен из слоев различных горных пород с ортотропным типом упругой симметрии, сохраняющимся по всему слою). При этом степень упругой анизотропии отдельных слоев может быть различной.

Перераспределение напряжений в горных массивах зависит от упругих свойств горных пород (коэффициент Пуассона v и модуль Юнга Е). В наших исследованиях они рассчитывались по скоростям распространения упругих волн:

где р - плотность породы, УрИ V§- скорости распространения упругих волн in situ.

В рамках трансверсально-изотропной модели технические характеристики горных пород являются постоянными - В ортотропной модели

пространственное изменение технических характеристик в плоскости, нормальной оси керна, описывается эллипсом:

£(?)=-=—hh--- v(y)= . y"Vr

ч]Ех sin1 <р + Ej COS1 <Р tJVx sin1 <p + v] cos1 <p

где - максимальное и минимальное значения модулей Юнга, -

соответствующие коэффициенты Пуассона.

Напряжения в нетронутом массиве рассчитывались по формулам:

трансверсально-изотропная модель

ортотропная модель

* *г

где Л = у/(1 — - коэффициент бокового отпора, уг - коэффициент Пуассона, определенный на образце вдоль оси керна, у1 - удельный вес горных пород; хп — касательное напряжение, аг - вертикальная составляющая напряжения от действия веса вышележащих пород; а„ а, - радиальная и тангенциальная составляющие поля напряжения.

Сравнение компонент поля напряжения показало, что разница между величинами, полученными с учетом анизотропии упругих свойств слоев и без ее учета, на глубинах до 6 км незначительна. В этом интервале глубин даже для горных пород с высокой степенью анизотропии разница между горизонтальными составляющими поля напряжений в двух ортогональных направлениях очень мала. Например, для пород с глубины 2.46 км, показатель анизотропии которых по продольным волнам достигает 13 %, эта разница составляет всего 4 МПа. В то же время на глубине 632 км учет анизотропии (показатель по продольным волнам 9 %) приводит к разнице между компонентами в двух взаимно перпендикулярных горизонтальных направлениях в 17 МПа. На глубинах 9.4 - 9.5 км, сложенных горными породами с высокой степенью анизотропии, эта разница будет составлять от 25 до 60 МПа. Таким образом, при расчете напряжений в нетронутом массиве учет анизотропии пород необходим лишь на глубинах более 6 км.

Напряжения вблизи контура вертикальной горной выработки круглого сечения рассчитывались по формулам:

трансверсально-изотропная модель ортотропная модель

До глубин в 2 км учет анизотропии практически не сказывается на расчетной величине тангенциальных компонент поля напряжений на контуре вертикальной выработки.

Наиболее существенная разница в величинах напряжений, рассчитанных для разных типов моделей, начинается с глубин ниже 6 км. При расчете напряженного состояния по трансверсально-изотропной модели величина

а, =

<*,=ГЛ

тангенциальной компоненты составляет 133 МПа, что составляет 0.8-осж, где Осж = 160 МПа - предельно допустимое значение напряжений на одноосное сжатие для горных пород, залегающих на данной глубине. Аналогичный расчет для ортотропной модели массива дает значение тангенциального напряжения 123 МПа в одном горизонтальном направлении и 158 МПа - в другом. Таким образом, в одном из горизонтальных направлений величина тангенциального напряжения будет почти равна что могло быть причиной образования вывалов в данном направлении и формирования эллиптического поперечного сечения ствола скважины. По наблюдениям за кавернообразованием в стволе СГ-3 это действительно имеет место на данной глубине.

Для вертикальной скважины напряженное состояние массива вблизи контура с учетом противодавления бурового раствора описывается в цилиндрической системе координат уравнениями: трансверсально-изотропная модель ортотропная модель

где удельный вес бурового раствора.

Анализ полученных данных показал, что если скважина заполнена жидкостью, влияние упругой анизотропии проявляется на меньших глубинах (Рис. 7). Значения величин напряжений в плоскости, нормальной к оси скважины, полученные в расчетах для разных моделей массива, сильно отличаются. Так, в трансверсально-изотропной модели величины тангенциального и радиального напряжений на глубине 9.438 км не превышают предельно допустимое значение напряжений на одноосное сжатие. Следовательно, можно говорить о сохранении устойчивости стенок скважины на данной глубине. Однако, согласно ортотропной модели тангенциальная составляющая напряжений в горизонтальной плоскости изменяется от сжимающей до растягивающей. Следствием такого напряженного состояния может стать развитие систем микротрещин в том направлении поперечного сечения скважины, для которого радиальная составляющая будет сжимающей, а тангенциальная - растягивающей. В результате ствол скважины может потерять устойчивость в этом направлении, и сечение скважины примет форму эллипса.

Обобщая, полученные результаты, можно сделать вывод о том, что при расчетах НДС скважин, контур которых не свободен от напряжений (то есть скважин, заполненных жидкостью - это может быть буровой раствор, нефть и др.) необходимо исследовать и учитывать в расчетах анизотропию упругих свойств пород массива.

Трансверсально изотропная модель

Ортотропная модель

Рис. 7. Изменения компонент поля напряжений на контуре скважины, заполненной буровым раствором, с глубиной по разрезу СГ-3: а^ оТ а, — вертикальная, радиальная, тангенциальная составляющие поля напряжений

Как известно, поле напряжений складывается из литостатического давления вышележащих пород и тектонической составляющей. В связи с этим были рассчитаны напряжения, возникающие на контуре (г = а) вертикальной горной выработки круглого сечения, с учетом обоих этих факторов: трансверсально-изотропная модель ортотропная модель

где т] = fi/уг — безразмерный коэффициент, a = T/az - коэффициент соотношения между тектонической Т и вертикальной составляющими поля напряжений;(р -угловая координата.

/(<2>) = — (- А: • cos V + 0 + л)'sin 2 <р\

-о _

sin

(И

sin2 pcos2 q>+к1 cos1 q>

где к, п - вещественные параметры деформации ортотропной среды, которые выражаются через упругие характеристики среды:

•2к1Д = ЖЙ = ,/2Г^,С =-f,£' „ .

\Ег £,(1 + 2-V2) + £2

Согласно результатам расчетов на незначительных глубинах (до 2 км) на напряженное состояние массива в большей степени влияет интенсивность тектонической составляющей поля напряжений, нежели упругая анизотропия горных пород. На более значительных глубинах расчет необходимо производить по ортотропной модели, если величина показателя упругой анизотропии по продольным волнам превышает 10 %.

Полученные результаты в целом показывают, что высокая степень упругой анизотропии может наблюдаться в массивах метаморфических пород протерозойского и архейского возрастов на значительных глубинах. Ее учет необходим для правильной интерпретации результатов-сейсмических работ. Кроме того, для анализа устойчивости (при проектировании и строительстве) горных выработок необходимо изучение упругих свойств керна геологоразведочных скважин. Анизотропия упругих свойств может вызывать сложное перераспределение поля напряжений и в нетронутом массиве, приводя к образованию так называемых зон «разуплотнения» и трещиноватости, а на значительных глубинах может отчасти объяснять наличие зон с пониженными скоростями (волноводов).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, представляющей собой законченную научно-исследовательскую работу, содержатся результаты экспериментальных исследований, совокупность которых может квалифицироваться как решение актуальной научной задачи об определении анизотропии упругих свойств и оценке ее влияния на напряженно-деформированное состояние пород в глубоких и сверхглубоких вертикальных горных выработках (скважинах), апробация которой выполнена на материале самой глубокой в мире Кольской сверхглубокой скважины.

• В результате модельных испытаний образцов керна Кольской сверхглубокой скважины впервые показано, что породы на глубинах от 6.3 до 10.2 км обладают высокой степенью упругой анизотропии: по продольным волнам до 18 % и по поперечным волнам до 38 %. При этом как глубинные, так и поверхностные образцы с близким минеральным составом обладают широким диапазоном изменения показателей упругой анизотропии: для продольных волн от 1 до 16 %; для поперечных волн от 1 до 28 %.

• Выявлено, что приложение давления к образцам кристаллических пород оказывает существенное влияние на параметры их упругой анизотропии. В среднем, по мере роста давления, наблюдается снижение показателей упругой анизотропии. Однако некоторые образцы пород сохраняют высокую анизотропию при высоких давлениях и температурах.

• Показано, что учет анизотропии упругих свойств необходим при расчетах напряженного состояния массивов горных пород. Так, при расчетах горизонтальных компонент поля напряжений в нетронутом массиве под воздействием только гравитационных сил анизотропию упругих свойств необходимо учитывать на глубинах свыше 6 км (для условий СГ-3). При расчетах напряжений на контуре вертикальной горной выработки, пройденной в массиве горных пород, учет анизотропии упругих свойств (свыше 10% по продольным волнам) необходим на глубинах свыше 2 км, а на глубинах свыше 6 км необходимо учитывать даже слабую степень упругой анизотропии.

• Установлено, что если контур выработки не свободен от напряжений (скважина заполнена жидкостью - буровым раствором, нефтью и др.), то анизотропия упругих свойств может привести к тому, что в одном из горизонтальных направлений тангенциальная составляющая поля напряжений будет сжимающей, а в ортогональном к нему - растягивающей. Такое напряженное состояние на контуре выработки может привести к развитию трещин и образованию вывалов в одном го горизонтальных направлений, следствием чего станет формирование поперечного сечения скважины в форме эллипса. Зоны потери устойчивости ствола СГ-3 могут

быть связаны не только с неоднородностью поля современных напряжений, но также и с существенной анизотропией упругих свойств пород.

• Разработан (в составе научного коллектива) автоматический акустополярископ, обладающий повышенной производительностью и точностью определений упруго-анизотропных свойств образцов горных пород. Усовершенствование его механической части и состыковка его с персональным компьютером позволили качественно повысить методический уровень исследований образцов акустополяризационным методом.

• В результате обработки экспериментальных зависимостей скоростей распространения продольных и поперечных волн от давлений и температур обоснована процедура, позволяющая по значениям скоростей при нормальных условиях дать их прогнозную оценку при повышенных температурах и давлениях, соответствующих реальным условиям залегания горных пород:

V(H) = a-V0 + Р-Н + Y-(t-20°C). Для определения значений плотности горных пород в условиях их залегания получено уравнение:

р(Н) = а-ро + Р-Н +Ml"fT(t - 20)].

Коэффициенты восстановления плотности до значения в ненарушенной породе (а), глубинного градиента (р) и термического градиента (у) получены на основе экспериментальных данных по керновому материалу СГ-3.

Практический выход работы заключается в разработке методических рекомендаций по определению и учету анизотропии горных пород при расчетах напряженного состояния вертикальных горных выработок (скважин), которые уже нашли применение в работе Научно-производственного центра «Кольская сверхглубокая» (имеется акт об использовании). Другой выход заключается в создании автоматического акустополярископа, который нашел применение в научно-исследовательских организациях.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Головатая О.С. Сравнение упруго-анизотропных свойств образцов некоторых пород по разрезу Кольской сверхглубокой скважины и их гомологов с поверхности // Материалы XI конф. «Геология и полезные ископаемые северо-запада и центра России».-Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 1999. -С. 158-161.

2. Горбацевич Ф.Ф., Ильченко В Л., Головатая О.С. Упругая анизотропия некоторых пород по разрезу Кольской сверхглубокой скважины, определенная в лабораторных условиях и условиях, смоделированных in situ II Результаты изучения глубинного вещества и физических процессов в разрезе Кольской сверхглубокой скважины до глубины 12261 м. - Апатиты: Изд-во Полиграф, 2000.-С. 139-143.

3. Головатая О.С., Ильченко В.Л. О роли напряженного состояния в формировании упругой анизотропии горных пород на больших глубинах // Матер. XI конф. «Геология и геоэкология Фенноскандии, Северо-запада и центра России». - Петрозаводск: Изд-во КарНЦ РАН, 2000. - С. 158-162.

4. Ильченко ВЛ., Головатая О.С. Упругая анизотропия пород из обрамления Печенгской структуры - гомологов керна архейской части КСГС // Матер. XI конф. «Геология и геоэкология Фенноскандии, Северо-Запада и центра России». - Петрозаводск: Изд-во КарНЦ РАН, 2000. - С. 163-165.

5. Горбацевич Ф.Ф., Головатая О.С, Ильченко В.Л. Типы упругой симметрии метаморфических пород (по результатам акустополярископии) // Тр. X сессии Рос. акустического об-ва. - М.: Изд-во ГЕОС, 2000. - С. 194.

6. Головатая О.С, Ильченко ВЛ. Роль современных и палеонапряжений в упругой анизотропии образцов керна Кольской сверхглубокой скважины // Современные вопросы геотектоники. Матер, конф. тектонического об-ва России и Института литосферы окраинных и внутренних морей РАН. - М.: Научный мир, 2001. - С. 90-93.

7. Ковалевский М.В., Головатая О.С, Горбацевич Ф.Ф. Автоматический акустополярископ для измерения упругих и неупругих параметров твердых сред // Тр. XI сессии Рос. акустического об-ва. - Москва: Изд-во ГЕОС, 2001. -С 117-121.

8. Головатая О.С, Ильченко В.Л. Геодинамика и упругая анизотропия горных кристаллических пород // Матер. XIX Всерос. конф. «Строение литосферы и геодинамика». Иркутск: Изд-во ИЗК СО РАН, 2001. - С. 13-14.

9. Горбацевич Ф.Ф., Головатая О.С, Ильченко ВЛ. Упругие свойства некоторых образцов пород по разрезу Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3), определенные при атмосферных условиях и условиях «in situ» II Физика Земли. 2002. №7. - С. 46-55.

10. Головатая О.С Модель изменения плотности пород Кольской сверхглубокой скважины до глубины 20 км // Матер. Ш Уральской научн. школы по геофизике. -Екатеринбург. Изд-во ООО «ИРА УТК», 2002. - С 23-27.

И. Головатая О.С. Оценка влияния геодинамических процессов на упругую анизотропию образцов керна Кольской сверхглубокой скважины // Геология, геохимия и геофизика на рубеже XX и XXI веков. Т. 3 Геофизика. - М.: Изд-во РООУ ППГ,20О2.-С.20О.

12. Головатая О.С. Скоростная модель распространения продольных и поперечных волн в верхней и средней коре по разрезу СГ-3 // Матер, конф. памяти К.О.Кратца. - Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2002. - С. 121-127.

13. Головатая О.С. Влияние упругой анизотропии пород на устойчивость горных выработок (на примере Кольской сверхглубокой скважины) // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2003. № 9. - С. 60.

14. Головатая О.С. Влияние упругой анизотропии горных пород на распределение горизонтальной составляющей поля напряжений // Матер. VI межд, конф. "Новые идеи в науках о Земле". - М.: Изд-во «Leon XXI», 2003. - С. 184.

15. Головатая О.С. Оценка изменения плотности и скорости распространения упругих волн с глубиной // Матер. 12-й конф. «Структура, вещество, история литосферы Тимано-Североуральского сегмеша». - Сыктывкар: Изд-во Геопринт, 2003. -С.60-62.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Головатая, Оксана Сергеевна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Современное состояние проблемы

1.1. Методы изучения упругих свойств горных пород.

1.2. Методы определения наряженного состояния массивов горных пород.

Глава 2. Разработка автоматического акустополярископа, состыкованного с персональным компьютером

2.1. Обработка и представление результатов измерений, при ручном режиме проведения акустополярископии.

2.2. Механический привод поворотной платформы акустополярископа.

2.3. Методика работы на автоматической установке.

2.4. Определение величин скорости распространения упругих колебаний и показателей упругой анизотропии образца.

Глава 3. Упругие свойства и напряженно-деформированное состояние пород по разрезу Кольской сверхглубокой скважины

3.1. Геолого-геофизическое описание разреза Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3) и ее окрестности.

3.2. Статистическая оценка распределения толщ пород в архейской части разреза СГ-3.

3.3. Упругие свойства пород по разрезу Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3).

3.3.1. Скоростные характеристики пород разреза СГ-3 при атмосферных давлениях.

3.3.2. Оценка упругих свойств пород разреза СГ-3 при высоких давлениях и температурах.

3.3.3. Анизотропия упругих характеристик горных пород верхней и средней части земной коры.

3.4. Влияние упругой анизотропии пород на напряженно-деформированное состояние контура горных выработок (на примере Кольской сверхглубокой скважины).

3.4.1. Напряженное состояние нетронутого массива под действием гравитационных сил.

3.4.2. Напряжения на контуре вертикальной горной выработки круглого сечения под действием гравитационных сил.

3.4.3. Напряженное состояние горного массива с вертикальной выработкой, заполненной жидкостью (буровым раствором) под действием гравитационных сил.

3.4.4. Напряженное состояние горного массива с вертикальной выработкой, заполненной жидкостью под действием гравитационных и тектонических сил.

Глава 4. Оценка изменения плотности и скорости распространения продольных и поперечных волн до глубин 20 км

4.1. Оценка изменения плотности с глубиной.

4.2. Скоростная модель распространения продольных и поперечных волн в верхней и средней коре по разрезу СГ-3.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Изучение анизотропии упругих свойств и ее влияния на напряженное состояние пород верхней части земной коры"

В настоящее время потребление современной промышленностью природного минерального сырья неуклонно возрастает. В связи с отработкой месторождений полезных ископаемых актуальной становится задача поиска и разработки месторождений на все более значительных глубинах. Остро встает вопрос об устойчивости глубоких горных выработок и скважин. Вследствие этого исследования глубинных массивов горных пород земной коры приобретают первостепенное значение.

Одно из таких фундаментальных направлений - глубокое и сверхглубокое бурение - является наиболее результативным по объему и качеству полученной информации о глубинных горизонтах Земной коры, где могут находиться полезные ископаемые. Здесь особое место принадлежит Кольской сверхглубокой скважине (СГ-3). Наличие уникальной коллекции керна, в которой представлены все породы протерозойского и архейского возрастов от поверхности до глубины 12261 м, высокая геолого-геофизическая изученность разреза, явились основой для организации Проекта № 408 Международной программы по геологической корреляции ЮНЕСКО «Сравнение состава, структуры и физических свойств по разрезу Кольской сверхглубокой скважины и их гомологов на поверхности». В проекте принимали участие большое число ученых из России, Германии, Франции, Финляндии, Чехии, США. Одним из направлений исследований было детальное изучение упруго-анизотропных свойств и напряженного состояния пород разреза СГ-3, в рамках которого выполнена данная работа.

Упругие характеристики являются носителями в «закодированном» виде разнообразной информации о геодинамических процессах формирования массивов, а также о современном напряженном состоянии земных недр. Основная часть исследований проводилась при помощи нового акустополяризационного ультразвукового метода. Данный метод дает возможность получить в процессе эксперимента количественные характеристики упругих свойств горных пород и их анизотропию. Несмотря на ряд преимуществ, этот метод (в его первоначальном виде) был весьма трудоемок.

Для повышения точности и уменьшения трудоемкости проведения исследований создан^ автоматический акустополярископ, что является частью данной диссертационной работы.

В результате ранее проведенных исследований керна СГ-3 накоплен значительный банк данных по физическим свойствам пород, в том числе по характеристикам распространения упругих волн, а также по упругой анизотропии образцов керна. Недостатком банка данных является то, что почти все его характеристики получены в нормальных условиях (комнатная температура, атмосферное давление). Поэтому одной из задач проекта № 408 было изучение изменений упругих характеристик при повышенных давлениях и температуре, приближенных к условиям in situ. Часть результатов этих исследований использована при написании данной работы для изучения влияния упругой анизотропии горных пород на напряженно-деформированное состояние стенок глубоких и сверхглубоких скважин.

Цель работы: установление влияния анизотропии упругих свойств на напряженное состояние и устойчивость вертикальных глубоких скважин на основе анализа упругих характеристик горных пород по разрезу Кольской сверхглубокой скважины.

Задачи исследования:

- усовершенствовать методику определения анизотропии упругих свойств горных пород;

- исследовать тенденции изменения плотности пород и скорости распространения продольных и поперечных волн в кристаллических массивах до глубин 20 км;

- определить упругую анизотропию образцов пород, отобранных по разрезу СГ-3, при давлениях и температурах, приближенных к условиям их залегания;

- изучить влияние анизотропии упругих свойств на устойчивость околоскважинного массива горных пород.

Идея работы заключается в использовании установленных закономерностей изменения упругих характеристик керна Кольской сверхглубокой скважины при различных давлениях и температурах для прогнозирования напряженного состояния околоскважинных горных массивов.

Методы исследования. Для исследований упругих свойств образцов горных пород использовался акустополяризационный метод, а также метод модельных измерений при высоких давлениях и температурах. Для обработки полученных данных применялись математические методы (регрессионный анализ, метод наименьших квадратов). При изучении влияния упругой анизотропии горных пород на напряженное состояние массива использовались методы математической теории упругости.

Научная новизна:

1. Разработан автоматизированный акустополярикоп и усовершенствована методика акустополяризационных измерений. За счет оснащения прибора электромеханическим приводом и соединения прибора с персональным компьютером точность определения пространственного положения элементов упругой симметрии доведена до 1°.

2. Установлены новые зависимости изменения плотностей и скоростей распространения упругих волн в образцах горных пород с развитой системой техногенных микротрещин с увеличением приложенного всестороннего давления. На основе экспериментальных данных обоснована методика, позволяющая по значениям, плотности или величинам скоростей упругих волн при нормальных условиях дать прогнозную оценку этих параметров в массиве на значительной глубине.

3. Модельными экспериментами по нагружению образцов пород впервые установлено, что горные породы из разреза СГ-3 на глубинах от 6.3 до 10.2 км обладают высокими величинами показателей упругой анизотропии, которые в значительной степени превышают предполагавшиеся ранее.

4. Сравнительные расчеты напряженного состояния для трансверсально-изолропной и ортотропной моделей массивов горных пород показали, что анизотропия их упругих свойств определяет концентрацию напряжений на контуре вертикальной горной выработки. На контуре круглой вертикальной горной выработки, пройденной в массиве упруго-анизотропных горных пород и находящейся в поле напряжений с равными горизонтальными составляющими, могут образоваться вывалы в направлении, определенном параметрами анизотропии упругих свойств.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Тенденция возрастания плотности и скорости распространения упругих волн с глубиной по результатам испытаний в диапазоне давлений и температур, адекватных до глубин 20 км, определяется приращением плотности -0.7-10^ i/cm\ скорости распространения продольных волн - 12-Ю'"1 км/с, скорости распространения поперечных волн - 3.2-10~3 км/с на каждый километр.

2. Горные породы на глубинах свыше 6 км могут обладать высокой степенью анизотропии упругих свойств. Так, породы интервала 8-10 км по разрезу СГ-3 характеризуются степенью анизотропии, достигающей 17% и 38% по скоростям распространения продольных и поперечных волн, соответственно!

3. Упругая анизотропия горных пород оказывает значительное влияние на устойчивость вертикальных скважин. В упруго-анизотропном массиве, даже при отсутствии разницы в величинах горизонтальных составляющих поля напряжений, возможны значительные вывалы, направление которых определяется параметрами анизотропии упругих свойств.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается совпадением результатов, полученных с применением различных приборов и методов исследований в лабораториях России, Германии и США, а также сопоставимостью результатов исследований материалов по Кольской, Немецкой (КТБ) и Уральской сверхглубоким скважинам.

Научное значение работы. Впервые построены модели изменения плотности, скорости распространения продольных и поперечных волн, упругой анизотропии в верхней континентальной коре. Впервые выявлено, что степень упругой анизотропии массивов в ее пределах может быть очень высокой. Показано, что упругая анизотропия пород наряду с другими факторами может являться причиной образования эллиптической формы сечения скважины СГ-3 в интервалах глубин от 6 до 11 км.

Практическая ценность работы состоит в оценке влияния анизотропии упругих свойств горных пород на устойчивость вертикальных горных выработок (скважин), пройденных в упруго-анизотропном массиве. Полученные результаты могут быть использованы при обработке данных сейсмических исследований земных недр, построении геофизических и петрофизических моделей строения земной коры, а также оценке устойчивости глубоких и сверхглубоких скважин. Практическое значение подтверждено актом об использовании результатов изучения упругой анизотропии горных пород по разрезу Кольской сверхглубокой скважины Научно-производственным центром «Кольская сверхглубокая» и актом о внедрении методики акустополяризацион-ных измерений для проведении научных исследований в Санкт-Петербургском государственном университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова-Ленина.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на X молодежной конференции «Геология и полезные ископаемые северо-запада и центра России», Апатиты, 1999; XI молодежной конференции «Геология и геоэкология Фенноскандии, Северо-запада и центра Россию), Петрозаводск, 2000; Годичном собрании Всероссийского минералогического общества «Минералогия России», Санкт-Петербург, 2000; X и XI сессиях Российского акустического общества, Москва, 2000, 2001; I молодежной конференции Тектонического общества России и Института литосферы окраинных и внутренних морей РАН, Москва, 2001; XIX Всероссийской молодежной конференции «Строение литосферы и геодинамика», Иркутск, 2001; XII и XIII молодежных конференциях, посвященных памяти К.О. Кратца, Санкт-Петербург, 2001, Апатиты, 2002; V и VI международных конференциях "Новые идеи в науках о земле", Москва, 2001, 2003; Пленарных совещаниях по Проекту № 408 МПГК ЮНЕСКО, Винденшесшенбах (Германия), 2001, Заполярный, 2002; Школе молодых геофизиков, Екатеринбург, 2002; конференции «Геология, геохимия и геофизика на рубеже XX и XXI веков», Москва, 2002; конференции «Неделя Горняка», Москва, 2003.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, двух приложений, изложенных на 218 страницах, содержит 70 рисунков, 36 таблиц и список литературы из 136 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Головатая, Оксана Сергеевна

Выводы

По разрезу Кольской сверхглубокой скважины отмечено частое чередование различных типов пород [Кольская., 1998]. При этом средняя мощность слоев незначительная и колеблется около 10 - 20 м.

Комплексные исследования, включающие акустополярископию образцов, извлеченных из Кольской сверхглубокой скважины, показали, что на их упругие свойства оказывают влияние, в основном, микротрещины, анизотропия и неоднородности. Наличие развитой системы микротрещин, возникающих при освобождении образца от литостатического давления, является причиной проявления эффекта линейной акустической анизотропии поглощения (ЛААП). Этот эффект наблюдается практически на всех глубинных образцах керна СГ-3.

Нагружение глубинных образцов в значительной степени изменяет их упругие свойства. Приложение давления до 600 - 1000 МПа вызывает рост величин скорости распространения продольных волн и поперечных волн в 2 и более раз. Самый значительный, наблюдаемый на начальном участке нагружения (до 150 МПа), рост величин VP и Vs, обусловлен закрытием, в основном, открытых микротрещин. Нагрев образцов показал, что при повышении температуры до 600° величины VP и Vs, как правило, снижаются, но незначительно, в пределах 0.5 - 5%.

В результате анализа экспериментальных зависимостей скоростей распространения продольных и поперечных волн от давлений и температур, воздействующих на образцы, обоснована процедура, позволяющая по значениям скоростей I о при нормальных условиях дать прогнозную оценку их величин в породах при условиях in situ:

V(H) = a-V0 + Р-Н + y-(t-20°C).

Получены численные средние значения коэффициентов модели (а, Р, у), их зависимости в явном виде от глубины залегания пород. Данный подход опирается на прямые экспериментальные исследования глубинного вещества и может быть рекомендован для применения при изучении акустических характерно гик кериового материала буровых скважин, прогноза упругих свойств погребенных массивов горных пород.

Заключение

В диссертации, представляющей собой законченную научно-исследовательскую работу, содержатся результаты экспериментальных исследований, совокупность которых может квалифицироваться как решение актуальной научной задачи об определении анизотропии упругих свойств и оценке ее влияния на напряженно-деформированное состояние пород в глубоких и сверхглубоких вертикальных горных выработках (скважинах), апробация которой выполнена на материале самой глубокой в мире Кольской сверхглубокой скважины.

• В результате модельных испытаний образцов керна Кольской сверхглубокой скважины впервые показано, что породы на глубинах от 6.3 до 10.2 км обладают высокой степенью упругой анизотропии: по продольным волнам до 18% и по поперечным волнам до 38%. При этом как глубинные, так и поверхностные образцы с близким минеральным составом обладают широким диапазоном изменения показателей упругой анизотропии: для продольных волн от 1 до 16%; для поперечных волн от 1 до 28%.

• Выявлено, что приложение давления к образцам кристаллических пород оказывает существенное влияние на параметры их упругой анизотропии. В среднем, по мере роста давления, наблюдается снижение показателей упругой анизотропии. Однако некоторые образцы пород сохраняют высокую анизотропию при высоких давлениях и температурах.

• Показано, что учет анизотропии упругих свойств необходим при расчетах напряженного состояния массивов горных пород. Так, при расчетах горизонтальных компонент поля напряжений в нетронутом массиве под воздействием только гравитационных сил анизотропию упругих свойств необходимо учитывать на глубинах свыше 6 км (для условий СГ-3). При расчетах напряжений на контуре вертикальной горной выработки, пройденной в массиве горных пород, учет анизотропии упругих свойств (свыше 10% по продольным волнам) необходим на глубинах свыше 2 км, а на глубинах свыше 6 км необходимо учитывать даже слабую степень упругой анизотропии.

• Установлено, что если контур выработки не свободен от напряжений (скважина заполнена жидкостью - буровым раствором, нефтью и др.), то анизотропия упругих свойств может привести к тому, что в одном из горизонтальных направлений тангенциальная составляющая поля напряжений будет сжимающей, а в ортогональном к нему - растягивающей. Такое напряженное состояние на контуре выработки может привести к развитию трещин и образованию вывалов в одном из горизонтальных направлений, следствием чего станет формирование поперечного сечения скважины в форме эллипса. Зоны потери устойчивости ствола СГ-3 могут быть связаны не только с неоднородностью поля современных напряжений, но также и с существенной анизотропией упругих свойств пород.

• Разработан (в составе научного коллектива) автоматический акустополярископ, обладающий повышенной производительностью и точностью определений упруго-анизотропных свойств образцов горных пород. Усовершенствование его механической части и состыковка его с персональным компьютером позволили качественно повысить методический уровень исследований образцов акустополяризационным методом.

• В результате обработки экспериментальных зависимостей скоростей распространения продольных и поперечных волн от давлений и температур обоснована процедура, позволяющая по значениям скоростей V0 при нормальных условиях дать их прогнозную оценку при повышенных температурах и давлениях, соответствующих реальным условиям залегания горных пород:

V(H) = a-V0 + p-H+y(t-20).

Для определения значений плотности горных пород в условиях их залегания получено уравнение: р(Н) = a-ро + Р-Н +Ml+T(t - 20)].

Коэффициенты восстановления плотности до значения в ненарушенной породе (а), глубинного градиента (Р) и термического градиента (у) получены на основе экспериментальных данных по керновому материалу СГ-3.

Практический выход работы заключается в разработке методических рекомендаций по определению и учету анизотропии горных пород при расчетах напряженного состояния вертикальных горных выработок (скважин) (Приложение 2), которые уже нашли применение в работе Научно-производственно центра «Кольская сверхглубокая» (имеется акт использования). Другой выход заключается в создании автоматического акустополярископа, который нашел применение в научно-исследовательских организациях.

164

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Головатая, Оксана Сергеевна, Апатиты

1. А.с.1281993, MKHG 01N 29/04. Акустополярископ для измерения упругости твердых сред. Ф.Ф.Горбацевич. Бюлл. изобр., 1987, №1.

2. Александров К.С., Продайвода Г.Т., Анизотропия упругих свойств минералов и горных пород., Новосибирск, издательство сибирского отделения Российской Академии Наук., 2000, с.353.

3. Александров К.С. Акустическая кристаллография. Проблемы современной кристаллографии. М.: Наука, 1975, с. 327-345.

4. Бадалов О.Г., Губерман Д.М., Певзнер C.JI. Мониторинг пространственно-временных вариаций теплового поля в Кольской глубинной геолаборатории // Разведка и охрана недр, 2003, №6, с.33-37.

5. Бакулин В.Н., Протосеня А.Г. Использование поляризованного ультразвука для определения напряжения в массиве горных пород. Геофизические и геодинамические исследования на Северо-Востоке Балтийского щита. Апатиты, 1982, с.125-132.

6. Быкова В.В., Шамина О.Г. Распределение поперечных волн в напряженной среде, содержащих систему ориентированных трещин// Изв. АН СССР. Физика Земли. 1988. № 12. С. 17-22.

7. Воларович М.П., Левыкин А.И. Влияние давления до 40 кбар на упругие свойства некоторых породообразующих минералов.//Геофизический сборник, № 54, Киев: Наукова думка, 1973, с.441-444.

8. Воларович М.П., Курскеев А.К., Левыкин A.M. и др. Исследование плотности горных пород Центрального Казахстана при высоких давлениях.// Изв. АН СССР. Сер Физика Земли, 1970, №1, с. 46-51.

9. Воче-Ламбинский архейский гео динамический полигон Кольского полуострова. Апатиты, 1991, с.46-53.

10. Головатая О.С., Ильченко В.Л. Геодинамика и упругая анизотропия горных кристаллических пород // Матер. XIX Всерос. конф. «Строение литосферы и геодинамика». Иркутск: Изд-во ИЗК СО РАН, 2001, с. 13-14.

11. Головатая О.С. Модель изменения плотности пород Кольской сверхглубокой скважины до глубины 20 км // Матер. III Уральской научн. школы по геофизике. Екатеринбург: Изд-во ООО «ИРА УТК», 2002, с. 23-27.

12. Головатая О.С. Оценка влияния геодинамических процессов на упругую анизотропию образцов керна Кольской сверхглубокой скважины // Геология, геохимия и геофизика на рубеже XX и XXI веков. Т. 3 Геофизика. М.: Изд-во РООУ ППГ, 2002, е. 200.

13. Горбацевич Ф.Ф. Акустополяризационный метод оценки упругой анизотропии горных пород. В кн. Геофизические и геодинамические исследования на северо-востоке Балтийского щита. Апатиты, 1982, с. 112-124.

14. Горбацевич Ф.Ф., Головатая О.С., Ильченко B.JT. Типы упругой симметрии метаморфических пород (по результатам акустополярископии) // Тр. X сессии Рос. акустического об-ва. М.: Изд-во ГЕОС, 2000, с. 194.

15. Горбацевич Ф.Ф., Медведев Р.В., Смирнов Ю.П. Упруго-анизотропные свойства керна по разрезу Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3). //Изв.АН СССР, Физика Земли, №4, 1997, с.3-12.

16. Горбацевич Ф.Ф., Балаганский В.В., Иванова Н.Г. Акустополяриметрия и определение упругой симметрии горных пород. Методические рекомендации. Апатиты, 1990, 83 с.

17. Губерман Д.М., Смирнов Ю.П., Тюремнов В.А. Релаксационные процессы и анизотропия скоростей упругих волн в пространственно-временных координатах в породах разреза СГ-3 (работа в печати).

18. Динник А.Н., А.В.Моргаевский, Г.Н.Савин. Распределение напряжений вокруг подземных горных выработок. В кн. Труды совещания по управлению горным давлением. Академиздат, 1938, с.7-55.

19. Епинатьева A.M. Кольская сверхглубокая скважина и ее влияние на сейсмические методы исследования.//Изв. АН.СССР, Физика Земли,№5, 1989, с.35-46.

20. Ермилин К.К., Лямов В.Е., Прохоров В.М. Поляризационные эффекты в линейной и нелинейной кристаллоакустике. Акустический журнал, 1979, т.25, вып.2, с. 161-179.

21. Забигайло В.Е., Белый И.С. Геологические факторы разрушения керна при бурении напряженных горных пород Донбасса. Киев: Наукова Думка, 1981, 179с.

22. Загрузина И.А., Каплунов Л.Д., Киррилов А.С. Химический состав флюидной фазы микровключений в минералах Уральской сверхглубокой скважины СГ-4// ДАН СССР, 1989, Т. 308. № 3, с. 708-711.

23. Запрягаев А.П., Исаев А.В. Оценка напряженного состояния и удароопасности пород и руд при бурении геологоразведочных скважин. Безопасность труда впромышленности. 1986, №10, с.53-54.

24. Зарайский Г.П., Балашов В.Н. О разуплотнении горных пород при нагревании. Докл. АН СССР, 1978, т.240, №4, с.926-929.

25. Иванов В.И., Белов Н.И. Закономерности разрушения керна при бурении скважин как критерий прогноза удароопасности пород. В кн. Прогноз и предотвращение горных ударов на рудных месторождениях. Апатиты, 1987, с.78-84.

26. Ильченко В.Л. Природа упругой анизотропии керна Кольской сверхглубокой скважины. Автореф.канд.дисс. С.-Пб., 2000. 14 с.

27. Исаев А.В. Разработка метода оценки напряженного состояния удароопасных пород по дискованию керна и выходу буровой мелочи. Автореф.канд.дис., JT., 1983, 17 с.

28. Исследования распространения сейсмических волн в анизотропных средах. Новосибирск : Наука, Сиб.отделение, 1992, 192 с.

29. Казаков А.Н. Динамический анализ микроструктурных ориентировок минералов. Л.:Наука, 1987, 272 с.

30. Казанский В.И., Боронихин В.А., Ванюшин В.А. и др. Соотношения между деформациями, метаморфизмом и петрофизическими свойствами пород в Печенгском рудном районе. В кн.: Внутреннее строение рудоносных докембрийских разломов. М.: Наука, 1985, с.6-47.

31. Казанский В.И., Кузнецов О.Л., Кузнецов А.В., Лобанов К.В., Черемисина Е.Н. Глубинное строение и геодинамика Печенгского рудного района: опыт изучения Кольской сверхглубокой скважины. Геология рудных месторождений, 1994, т.36, №6, с.500-519.

32. Калинин В.А., Ефимова Г.А., Наумова Е.В. О методике построения петрофизических моделей земной коры на примере Кольской сверхглубокой скважины. Физика Земли. 1995, №10, с.20-25.

33. Калинин Э.В., Панасьян Л.Л., Широков В.Н., Артамонова Н.Б., Фоменко И.К.

34. Моделирование полей напряжений в инженерно-геологических массивах. Из-во МГУ, 2003, с.261.

35. Кольская сверхглубокая. Исследование глубинного строения континентальной коры с помощью бурения Кольской сверхглубокой скважины. М.: Недра, 1984. 490 с.

36. Лебедев Т.С., Корчин В.А., Савенко Б.Я. и др. Петрофизические исследования при высоких Р,Т-параметрах и их геофизическое приложение. Киев, Наукова Думка, 1988, 248 с.

37. Литвиненко И.В. Сейсмические границы земной коры Балтийского щита. В кн. Восточная часть Балтийского щита (геология и глубинное строение). Л.:Наука, 1975, с.151-155.

38. Ловчиков А.В. Концептуальный подход к проблеме прогноза горных ударов на рудниках // Сб.: Геомеханика приведении горных работ в высоконапряженных массивах. Апатиты: изд. РИО КНЦ РАН, 1198, с. 150-161.

39. Мак-Скимин Г. Ультразвуковые методы измерения механических характеристик жидкостей и твердых тел.// Физическая акустика. Т. 1, ч. А. М.: Мир, 1966, с.327-342.

40. Марков Г.А. Тектонические напряжения и горное давление в рудниках Хибинского массива. Л.: Наука, 1977, 2.13 с.

41. Медведев Р.В. Состояние кристаллических горных пород в стенках глубоких и сверхглубоких скважин. В кн.: Механика горных пород при подземном строительстве и освоении месторождений на больших глубинах. Л.: Недра, 1983, с. 128-133.

42. Мезон У. Пьезоэлектрические кристаллы и их применение в ультраакустике. М.: ИЛ, 1952. 419 с.

43. Моисеенко Ф.С. Геолого-геофизическая модель земной коры с учетом данных

44. Кольской сверхглубокой скважины. Вестн. Лен. ун-та. Сер.7: геология, география, 1986, вып.4, с.9-15.

45. Петрашень Г.И. Распространение волн в анизотропных упругих средах. Л.: Наука, 1980. 280 с.

46. Разрушение. М.: Мир, 1976, т.7, 4.1, с.73.

47. Резанов И.А., Абдрахимов М.З., Бессмертная Е.К., Злобин В.Д. Глубинная структура Печенгского синклинория.//Изд.высш.уч.зав., Геология и разведка. 1978, №12, с.25-37.

48. Рекомендации по изучению напряженного состояния пород сейсмоакустическими методами. Ред. А.И.Савич, Б.Д.Куюнджич. Москва-Белград, 1980, с.82.

49. Савченко С.Н. Закономерности формирования напряженного состояния структурно неоднородных массивов горных пород. Автор, док. дис. Апатиты, 1994.

50. Структуры медно-никелевых рудных полей и месторождений Кольскогополуострова. Ред. Г.И.Горбунов. Л.:Наука, 1978, с. 160.

51. Уайф Дж.Э. Возбуждение и распространение сейсмических волн. М.: Недра, 1986.261 с.

52. Федоров Ф.И. Теория упругих волн в кристаллах. М.: Наука, 1965. 386 с. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых. Под ред. Дортман Н.В.,М.: Недра, 1976, 527с.

53. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых (петрофизика). Справочник геофизика. М., Недра, 1976, 527 с.

54. Фукс К. Сейсмическая анизотропия и состав континентальной подкоровой литосферы// Докл. На XXYII международн. геол. конгрессе, секция С08,Т.8. М.: Наука, 1984. С.43-52.

55. Шаров В.И. О новой трехслойной сейсмической модели континентальной коры. Геотектоника, 1987, №4, с. 19-30.

56. Шаскольская М.П. Кристаллография. М.: Высш.школа, 1976, 391 с. Ямщиков B.C. Волновые процессы в массиве горных пород. М.: Недра, 1984, 271 с.

57. Berthelsen A., Marker М. Tectonic of the Kola kollision suture and adjacent Archean and Early proterozoic terrains in the northeastern region of the Baltic shield. Tectonophisics. 1986, v. 126, №1, p.31-58.

58. Babuska V. Elasticity and anisotropy of dunite and bronsitite// J. Geophys. Res. 1972. V. 77. N 35. P. 6955-6965.

59. Chapman C.H. and Shearer P.M. Ray tracing in azimuthally anisotropic media. 1. Results for models of alighed cracks in the upper crust// Geophysical J. 1989. V.96, N 1. P. 64-101.

60. Crosson R.S., Lin J.W. Voight and Reuss prediction of anisotropic elasticity of # dunite// J. Geophys. Res. 1971.V. 76, N 2. H.570-578.

61. Heim A. Mechanismus der Gebirgsbildung. Basel, 1878.

62. Kern H., T.Popp, R.Schmidt. The effect of deviatoric stress on physical rock properties.//Surveys in Geophysics 15: 467-479, 1994.

63. KTB Report 90-8. Results of geocientific investigation in the KTB field laboratory, Hannover, 1990.

64. Pavlenkova N.I. Generalized geophysical model and dynamic properties of the continental crust.//Tectonophysics.l979, v.59, p.381-390.

65. Рорр Т., H.Kern. The fluence of dry and water saturated cracs on seismic velosyties of crustal rocks a comparison of experimental data with theoretical model. // Surveys in Geophysics 15: 443-465, 1994.

66. Roberts G., Grampin S. Shear-wave polarization in a hot dry rock geothermal reservoir: anisotropic effects of fractures// Int. J. Rock Mech. and Min. Sci. 1986. V. 23, N4. P. 291-302.

67. Roe F.J. Description of crystallite orientation in polycrystalline materials// J. Appl. Phys. 1965. V. 36, N 6. P. 2024-2031.

68. Thomsen L. Weack elastic anisotropy .//Geophysics, 1986, v. 51, p. 1954-1966. Tsvankin I. Reflection moveout end parameter estimation for horizontal transverse isotropy.//Geophysics, 1997, v.62, p.614-629.

69. Voigt V. Lehrbuch der cristallphysik. Verlag von B.G.Teubner, Leipzig und Berlin. 1928. P.978.

70. Walsh J.B. The effect of cracks on compressibility of rock.//J. Geophys. Research, v.70, №2, 1965, p.381-389.