Введение к работе
Актуальность работы. Для нашего времени в связи с увеличением масштабов воздействия человека на окружающую среду характерно возрастание нагрузки не только на такие быстро реагирующие компоненты экосистем, как животный и растительный мир, почва, вода и воздух, но и на те компоненты, которые обычно считались не подверженными влиянию цивилизации К таким компонентам экосистем долгое время относили верхние слои земной коры и деформационные процессы, протекающие в них Вместе с тем, верхние слои литосферы активно участвуют в глобальном деформационном процессе и способны реагировать даже на малые по величине техногенные воздействия Имеется ряд свидетельств негативного воздействия крупных инженерных сооружений на деформационно-сейсмические режимы, что приводило к последствиям катастрофического характера, принося огромный материальный ущерб и сопровождаясь человеческими жертвами Энергетика деформационных процессов в земной коре велика, и человеку может оказаться не под силу восстановить нарушенное равновесное состояние естественных деформационных режимов Следствием этого могут стать необратимые деформации поверхности, возрастание скорости деформации в тектонически спокойных районах, появление землетрясений в сейсмически неактивных областях Поэтому очень важным представляется тщательный анализ всех случаев реакции естественных сейс-мо-деформационных процессов на деятельность человека
Для техногенной сейсмичности характерна широкая область распространенности и, соответственно, разнообразие механизмов, объясняющих е« появление Поэтому очень важно установить сходные черты и отличительные особенности в механизмах для различных типов техногенной сейсмичности Прогресс в понимании ей механизмов может быть с пользой использован в изучении природных землетрясений.
Сложность построения полной геомеханической модели блочного горного массива, учитывающей взаимодействие механических и флюидодинамических процессов, приводящих к изменению НДС, перового давления, пористости и проницаемости пород, заставляет обращаться к обобщенным подходам для описания сложных систем, развиваемым в настоящее время в области нелинейной динамики Использование разработанных на основе физики динамических систем методик анализа пространственно-временной организации сейсмических процессов позволит существенно повысить надежность прогнозирования опасного нарастания сейсмической активности и своевременно разработать рекомендации по уменьшению риска возникновения катастрофических техногенных землетрясений. Таким образом, работа, направленная на изучение закономерностей развития техногенной сейсмичности и ее взаимосвязи с промышленным воздействием на верхние слои литосферы,
является актуальной. -—
РОС. НАЦИОНАЛЬНА БИБЛИОТЕКА . «да;
Целью исследования является комплексное изучение проявлений техногенной сейсмичности, связанной с заполнением водохранилищ, разработкой месторождений углеводородов, добычей рудных полезных ископаемых, разработка методики анализа развития техногенной сейсмичности в пространстве и времени, направленной на выявление упорядоченной, прогнозируемой составляющей сейсмического процесса; применение разработанной методики к анализу техногенной сейсмичности в ряде районов размещения предприятий добывающей промышленности, создание лабораторных моделей и проведение экспериментов по исследованию связи изменений порового давления с развитием техногенных сейсмических событий
Методы исследований. Исследования выполнены на основе сочетания анализа натурных данных по случаям возникновения техногенных землетрясений различного генезиса, подробного рассмотрения проявлений техногенной сейсмичности в ряде регионов при помощи специально разработанной методики анализа и экспериментального лабораторного моделирования Методики анализа кинетики техногенной сейсмичности разработаны на основе представлений и подходов, развиваемых в области нелинейной динамики
Научная новизна полученных результатов. Впервые проведен комплексный анализ техногенной сейсмичности разного генезиса Разработаны оригинальные методы интерпретации данных по техногенной сейсмичности, основанные на достижениях последних 10-20 лет в области нелинейной динамики Новым является введение фазового пространства для описания сейсмического процесса и выделение аттракторов в фазовых портретах сейсмического режима Впервые определена размерность аттрактора и минимального числа фазовых переменных, необходимых для описания техногенного сейсмического процесса Проведенное исследование позволяет рассматривать изучаемые процессы, как процессы в динамической (не стохастической) системе Впервые построены фазовые портреты сейсмических процессов на шахтах СУБРа, Ромашкинском нефтяном месторождении Новым является введение трехмерного фазового пространства для описания как временной, так и пространственной вариабельности сейсмического процесса Впервые выполнено лабораторное моделирование сейсмических явлений, возникающих при закачке и отборе жидкости из коллектора, впервые в лабораторном эксперименте пространственное расположение источников акустических импульсов сопоставлено с распространением фронта давления Впервые обнаружено изменение частотных характеристик акустической эмиссии при изменении характера вариации порового давления (рост - падение давления) и при изменении проницаемости модельного коллектора Впервые получены графики повторяемости для акустических импульсов, регистрируемых при разрушении водонасыщенного пористого тела Полученные результаты позволяют предложить новый метод оценки прочности реальных трещиноватых массивов, для которых
*. ял 2
величина прочности сплошной породы является неадекватной Впервые показана не только опасность, но и экономическая неэффективность закачки жидкости для увеличения нефтеотдачи месторождения в период роста слабой сейсмической активности
Достоверность полученных результатов обосновывается расчетами статистической значимости получаемых коэффициентов корреляции и соответствия анализируемых распределений теоретическим, учетом критериев применимости используемых математических процедур, проведением контролируемых лабораторных экспериментов, тестированием используемых датчиков и регистрирующих трактов, сопоставлением получаемых результатов с результатами работы других исследователей
Научная значимость работы заключается в создании нового научного направления - кинетики техногенной сейсмичности, базирующегося на представлениях нелинейной динамики и рассматривающего техногенную сейсмичность, как нарушение устойчивого равновесного состояния геофизических систем При этом изучаются не отдельные проявления техногенной сейсмичности, а все явление в целом Предложен метод анализа развития техногенной сейсмичности во времени и пространстве, основанный на применении аппарата нелинейной динамики, что позволяет рассматривать явление техногенной сейсмичности, как переход геофизической системы из устойчивого состояния, характеризующееся определенным режимом сейсмо-деформационных процессов, в новое, возбужденное, состояние Устойчивость нового состояния и возможные сценарии его дальнейшего изменения определяются параметрами техногенного воздействия. Разработанные представления применены для анализа техногенной сейсмичности в добывающих районах России Выполнено лабораторное моделирование рассматриваемых явлений Получено экспериментальное подтверждение теоретических представлений о распространении фронта микросейсмических явлений при закачке жидкости в проницаемые породы
Практическая значимость полученных результатов заключается в возможности их использования как для прогнозирования эволюции техногенной сейсмичности в пространстве и времени, так и для получения информации о деформационных и флюидодинамических процессах в массивах горных пород Результаты могут быть использованы для оценки предельно допустимых воздействий на горный массив в ходе разработки месторождений твердых и жидких полезных ископаемых, для прогнозирования горных и горно-тектонических ударов, для решения вопросов об ответственности добывающих предприятий за сейсмические явления в районах проведения работ Возможно использование результатов для обнаружения положения фронтов заводнения при закачке жидкости для интенсификации отбора нефти, для обнаружения работающих нефтесодержащих пластов и перетоков жидкостей, обнаружения
неоднородностей распределения фильтрационных параметров, активных тектонических разломов
Апробация работы. Результаты работы докладывались на семинарах и заседаниях Ученого совета Института динамики геосфер РАН, на семинарах Института физики Земли РАН, на семинаре Международного института теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН, на Международных конференциях Общества поисковой геофизики, США (Society of Exploration Geophysicists - SEG) в 1995 - 2003гг (Хьюстон, Даллас, Денвер, Новый Орлеан, Калгари), Международных конференциях Европейской ассоциации геофизиков и инженеров (European Association of Geoscientists and Engineers - EAGE) в 2002 и 2005гг (Флоренция, Мадрид)), Международной конференции Общества нефтяных инженеров, США (Society of Petroleum Engineers - SPE) в 1994г (Дельфт), Международных конференциях EAGE, SEG и Евро-Азиатского геофизического общества в 1998 и 2003гг (Москва), Международной конференции по горным ударам и шахтной сейсмичности ("Rockbursts and Seismic-ity in Mines) в 1997г (Краков), семинарах и телеконференциях научных центров Шлюмберже в Риджфилде (США), Кембридже (Великобритания), Москве (Россия) в 1999 - 20О5гг, на Международных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва) в 1996 и 1999гг, на Международной конференции «Физические основы прогнозирования разрушения горных пород» в 1989 (Иркутск), на Международной конференции по механике горных пород (Москва) в 1993r, на Международном симпозиуме «Влияние сейсмической опасности на трубопроводные системы в Закавказском и Каспийском регионах (Москва) в 2000г, на Международной конференции по техногенной сейсмически и горным ударам (ИПКОН, Москва) в 2004г
Публикации. Всего по теме диссертации автором опубликовано 33 работы, в том числе 1 монография, 9 статей в периодических научных российских и зарубежных журналах, 8 статей в сборниках, 13 статей в трудах международных и российских конференций, получено два авторских свидетельства.
Вклад автора состоит в разработке методов интерпретации данных [1,14,27,28], в постановке задач, разработке методик измерений [3,4,24], участии в проведении экспериментов и обработке результатов [2,11,20,21], в сборе литературных данных, их обобщении и анализе [25,26,33], написании глав 1-3, 5, участии в написании введения и заключения [33], в разработке методов интерпретации и анализе данных по сейсмичности в районе Ромашкинского месторождения нефти и Североуральских бокситовых рудников [5-10,12,13,17-19,22,23,27], в постановке задач лабораторного эксперимента, методов обработки данных, интерпретации результатов [29-32], в разработке концепции [15,16]
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит 305 страниц текста, включая 120 рисунков, и состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 210 наименований