Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор представлений о современной аномальной геодинамике недр и состоянии исследований вариаций физических свойств образцов горных пород . 19
1.1. Современная аномальная геодинамика недр 19
1.2. Современная аномальная геодинамика недр, индуцированная разработкой месторождений углеводородов 45
1.3. Аппаратурно-техническое оснащение экспериментальных исследований 53
1.4. Динамика физических свойств при одноосном и всестороннем сжатии образцов горных пород 57
1.5. Вариации физических свойств образцов при длительных и циклических испытаниях 70
1.6. Критерии подобия и основные задачи при моделировании динамики физических свойств образцов горных пород 72
Выводы 80
Глава 2. Методика экспериментальных исследований вариаций физических свойств образцов горных пород 81
2.1. Оборудование и методика нагружения образцов 81
2.2. Методика измерения деформационных параметров образцов 86
2.3. Измерение электрических параметров 88
2.4. Методика регистрации сейсмоакустической эмиссии образцов 90
Выводы 92
Глава 3. Изменения параметров образцов горных пород при моделировании процессов современной геодинамики в условиях одноосного сжатия 93
3.1. Вариации физических свойств образцов горных пород при возрастающем одноосном сжатии 94
3.2. Динамика комплекса физических параметров образцов при постоянной скорости деформирования 104
3.3. Соотношение локальных и интегральных деформаций образцов горных пород при постоянном одноосном сжатии 114
3.4. Комплексные исследования вариаций физических свойств образцов при длительном одноосном сжатии 121
Выводы 128
Глава 4. Вариации физических свойств образцов горных пород при постоянном всестороннем сжатии 130
4.1 Изменения деформационных параметров образцов при росте осевой нагрузки в условиях постоянного всестороннего сжатия 130
4.2 Вариации электрического сопротивления при росте осевой нагрузки в условиях постоянного всестороннего сжатия 135
4.3 Изменения упругих и электрических свойств образцов горных пород в гидродинамически открытой и закрытой системе 137
4.4 Влияние дополнительного бокового и осевого сжатия на ФЕС образцов пород в условиях постоянного всестороннего сжатия 141
Выводы 148
Глава 5. Влияние изменений порового давления на деформации образцов горных пород 150
5.1 Физико-механические аспекты динамики порового давления 150
5.2 Моделирование быстрого сброса порового давления 162
5.3 Постепенное ступенчатое снижение порового давления 164
5.4 Изменения фильтрационно-ёмкостных свойств горных пород при повышении эффективного давления 167
5.5 Геодинамические последствия снижения пластового давления при разработке месторождений нефти и газа 174
Выводы 181
Глава 6. Пространственно-временная динамика физических свойств горных пород при подготовке геодинамических событий 185
6.1 Аналитическое моделирование аномальных деформаций и изменений электропроводности горных пород 184
6.2 Вариации комплекса физических параметров горных пород при подготовке геодинамических событий Копетдагского сейсмоактивного региона 201
Выводы 209
Глава 7. Вариации физических свойств горных пород по данным геофизических исследований скважин 211
7.1 Предпосылки использования геофизических исследований скважин для изучения вариаций физических свойств горных пород 211
7.2 Динамика заколонных скоплений газа в скважинах 217
7.3 Динамика фильтрационно-ёмкостных свойств коллектора при изменении давления газа на ПХГ 223 Выводы 226
Заключение (основные выводы) 227
Приложение
Литература 246
- Современная аномальная геодинамика недр, индуцированная разработкой месторождений углеводородов
- Методика регистрации сейсмоакустической эмиссии образцов
- Динамика комплекса физических параметров образцов при постоянной скорости деформирования
- Вариации электрического сопротивления при росте осевой нагрузки в условиях постоянного всестороннего сжатия
Введение к работе
Актуальность. С каждым годом накапливается все больше фактов, раскрывающих взаимосвязь современных природных и техногенных геодинамических процессов и вариаций физических свойств горных пород. Современная динамика напряженно-деформированного состояния геологической среды обуславливает вариации физических свойств горных пород во времени, которые, в свою очередь служат источниками локальных, аномальных изменений деформационных, геофизических, флюидо-геохимических и других полей. Прогресс в исследовании их взаимосвязи зависит от развития как аналитических, так и экспериментальных (лабораторных и полевых) работ, проводимых с целью лучшего понимания природы и закономерностей современных геодинамических процессов и сопровождающих их изменений физических свойств горных пород.
Повышение достоверности оценок изменений физических свойств горных пород имеет важное значение для уточнения параметров горных пород, используемых в нефтегазопромысловой геологии и геофизике, строительстве и эксплуатации сложных природно-технических сооружений, в том числе месторождений и подземных хранилищ нефти и газа. В этой связи изучение динамики физических свойств горных пород во взаимосвязи с современными геодинамическими процессами в земной коре является актуальным направлением исследований и имеет не только большое теоретическое, но и практическое значение.
Идея работы заключается в том, что целенаправленный анализ и оценка вариаций физических свойств горных пород во взаимосвязи с современными геодинамическими процессами являются основой геофизического мониторинга природно-технических объектов, повышения качества нефтегазопромысловой геолого-геофизической информации и безопасности хозяйственного использования недр.
Цель работы: выявление природы и характера пространственно-временной изменчивости физических параметров горных пород во взаимосвязи с современными естественными и техногенными геодинамическими процессами путем анализа и сопоставления результатов лабораторных исследований, полевых геофизических методов и математического моделирования.
Указанная цель предполагает решение следующих основных задач:
= Исследование изменений физических свойств образцов пород при длительном постоянном одноосном сжатии в атмосферных условиях; = Изучение вариаций физических свойств образцов пород при изменении дифференциальной нагрузки в условиях фиксированных всестороннего сжатия и порового давления; = Анализ и сопоставление изменений комплекса физических свойств горных пород, сопровождающих подготовку разрушения образцов и современные геодинамические события; = Выявление особенностей вариаций деформационных параметров и фильтрационно-ёмкостных свойств (ФЕС) образцов горных пород при изменениях порового давления; = Исследование современных техногенных геодинамических процессов на месторождениях и подземных хранилищах газа (ПХГ) с использованием данных повторных геофизических исследований скважин (ГИС).
Методы исследований. Моделирование в лабораторных условиях современных геодинамических процессов с использованием образцов горных пород в различных состояниях и условиях нагружения. Сопоставительный анализ лабораторных экспериментальных и теоретических результатов с данными полевых наблюдений. Использование теории подобия, статистический анализ данных экспериментальных исследований, выявление эмпирических зависимостей. Применение методов компьютерной обработки и анализа результатов испытаний образцов и полевых наблюдений. Построение аналитических расчетных моделей изменений физических свойств горных пород с использованием имеющихся полевых и лабораторных данных.
Научные положения, представляемые к защите:
1. Временной ход общей продольной деформации при длительном сжатии цельных и ослабленных образцов известняка постоянной нагрузкой в упругой стадии (около 0,7 от разрушающей) осложняется отдельными аномалиями. Количество и величина аномалий деформации ослабленных образцов больше, чем цельных; в тоже время у цельных образцов активность акустической эмиссии (АЭ) в диапазоне 0,1-1 МГц выше, чем у ослабленных образцов. Аномалии общей деформации образцов обусловлены локальными аномалиями, максимальная величина которых почти в десять раз больше аномалий общей деформации. (Пункт 17 паспорта специальности 25.00.16).
2. При постоянном всестороннем сжатии и поровом давлении в условиях гидродинамически открытой и закрытой систем имеют место одинаковые предвестники разрушения образцов известняка: аномалии объёмной деформации, электросопротивления и скоростей продольных волн; сопровождающие неоднородное микроразрушение образцов, аналогичные происходящим в природе при подготовке геодинамических событий. (Пункты 3 и 13 паспорта специальности 25.00.20).
3. Интенсивное деформирование образцов известняка после снижения порового давления продолжается несколько (до 10) суток и описывается логарифмической зависимостью. Последовательные ступенчатые снижения порового давления вызывают затухающие изменения деформирования образца, что служит признаком ужесточения материала образца. (Пункты 5 и 17 паспорта специальности 25.00.16)
4. Выявлены качественно подобные вариации электросопротивления горных пород, как в полевых, так и в лабораторных условиях (физическое и математического моделирование), что подтверждает возможность переноса результатов лабораторного моделирования характерных особенностей напряженно-деформированного состояния при подготовке геодинамических событий. (Пункт 13 паспорта специальности 25.00.20).
5. Целенаправленный анализ результатов повторных (мониторинговых) наблюдений методами ГИС свидетельствует о современных техногенных геодинамических процессах на ПХГ, проявляющихся в виде динамики заколонных скоплений газа и фильтрационно-емкостных свойств песчаника продуктивного пласта. (Пункт 17 паспорта специальности 25.00.16)
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в работе, подтверждаются:
многочисленными (более 100) испытаниями образцов горных пород при различных напряженно-деформированных состояниях;
полевыми наблюдениями на Ашхабадском геодинамическом полигоне в течение более чем 15лет;
корректностью использования положений тектонофизики и механики сплошных сред, аппарата геофизических методов и компьютерного анализа данных;
повторяемостью экспериментальных результатов и сопоставимостью полевых и лабораторных исследований с аналитическими моделями.
Новизна работы заключается в том, что автором впервые:
показано что, моделирование геодинамических процессов длительного квазистатического сжатия в упругой области возможно с использованием горных пород в качестве модельного материала;
исследован характер деформирования локальных областей при длительных испытаниях образцов известняка и показана обусловленность его изменениями внутренних параметров (в первую очередь жесткости) образцов;
выявлены характерные особенности поведения деформационных параметров и АЭ цельных и ослабленных образцов известняка при длительных испытаниях постоянной нагрузкой, заключающиеся в том, что: общая продольная деформация образцов известняка осложняется отдельными аномалиями; количество и величина этих аномалий у ослабленных образцов больше, чем цельных; у цельных образцов активность АЭ в диапазоне 0,1-1 МГц выше, чем у ослабленных образцов; максимальные значения аномалий локальных деформаций почти в десять раз больше аномалий общей продольной деформации образцов;
установлены особенности деформирования образцов известняка при снижении порового давления, заключающиеся в том, что; интенсивное деформирование продолжается до 10 суток после окончания увеличения эффективного давления и описывается логарифмической зависимостью; по мере ступенчатого снижения порового давления происходит уменьшение, а затем и приостановка процесса деформирования, что служит признаком ужесточения материала образцов и возможности перехода к активизации акустической эмиссии;
получены численные оценки аномальных пространственно-временных изменений кажущегося электрического сопротивления, предваряющие геодинамические события при использовании концепции «мягкого» включения в модели его подготовки;
исследованы аномальные изменения, выявленные при мониторинге ПХГ путем повторных наблюдений методами ГИС, которые отражают изменения фильтрационно-емкостных свойств продуктивного пласта песчаника и формирование скоплений газа за колоннами скважин при современных геодинамических процессах техногенного генезиса;
Научное значение работы заключается в развитии представлений о природе динамики физических свойств горных пород, сопровождающих современные геодинамические процессы; в повышении достоверности оценок изменений во времени параметров горных пород, используемых в нефтегазовой геологии и геофизике, строительстве и эксплуатации сложных природно-технических сооружений, в том числе месторождений и подземных хранилищ газа.
Практическое значение работы состоит в том, что подготовлен проект отраслевого стандарта «Комплекс мониторинговых наблюдений для повышения геодинамической безопасности разработки месторождений нефти и газа и эксплуатации ПХГ». В нем предусматривается использование результатов комплекса методов полевой и промысловой геофизики для исследования динамики физических свойств горных пород во времени и особенностей проявления современных геодинамических процессов. Полученные в работе результаты позволили оценить геодинамическую безопасность разработки Уренгойского газоконденсатного месторождения, а также, были использованы при организации комплекса мониторинговых наблюдений геологической среды на Ашхабадском геодинамическом полигоне. Применение результатов выполненной работы позволит выработать оптимальные решения для предупреждения негативных явлений, повысить надежность эксплуатации подземных объектов, минимизировать потери газа, простои и поломки оборудования и, как следствие, снизить себестоимость добываемой продукции.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах: ИФЗ РАН; ИС АН Туркменистана; ВНИИГАЗа; на научной сессии «Физика очага землетрясения» (Звенигород, 1985); на международных конференциях: III Всесоюзный съезд по геомагнетизму (Ялта, 1986); «Геодезия и сейсмология. Деформации и прогноз» (Ереван, 1989); «Разломообразование в литосфере, тектонофизические аспекты» (Иркутск, 1991); 1-й Казахско-Китайский симпозиум (Алма-Ата, 1992); «Проблемы нефтегазогеологической науки и перспективы развития топливно-энергетического комплекса Туркменистана» (Ашхабад, 1996), «Урбанизация и землетрясения» (Ашхабад, 1998), III Совещание «Геодинамическая и экологическая безопасность при освоении месторождений газа, его транспортировке и хранении» (С.-Петербург, 2001); «Неделя горняка» (Москва, 2002 - 2005); IV Совещание «Роль геодинамики в решении экологических проблем развития нефтегазового комплекса» (С.-Петербург, 2003); «ВНИИГАЗ на рубеже веков - наука о газе и газовые технологии» секции «Газовые ресурсы России в XXI веке» и «Подземное хранение газа» (Москва, 2003); «Геодинамика нефтегазоносных бассейнов» (Москва, 2004); «Фундаментальные проблемы разработки нефтегазовых месторождений, добычи и транспортировки углеводородного сырья» (Москва, 2004); «Новые идеи в геологии и геохимии нефти и газа. Нефтегазоносные системы осадочных бассейнов» (Москва, 2005); VII Международная школа-семинар «Физические основы прогнозирования разрушения горных пород» (Борок, 2005); «Современная геодинамика недр и эколого-промышленная безопасность объектов нефтегазового комплекса» (Москва, 2005).
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 50 работ, основными их них являются 24, в том числе 1 монография и 11 статей, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК России.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и приложения, включает в себя 86 рисунков, 5 таблиц и список использованных литературных источников из 316 наименований.
Благодарности
Автор выражает самую искреннюю благодарность своему научному консультанту, доктору физ.-мат. наук, профессору Ю.О.Кузьмину за постоянную поддержку и помощь на всех этапах подготовки данной работы.
Автор глубоко признателен своим коллегам по Институту сейсмологии и Институту нефти и газа Туркменистана; НПФ «Центргазгеофизика» ОАО «Газпромгеофизика», ООО «ВНИИГАЗ» ОАО «ГАЗПРОМ» Российской Федерации за поддержку и помощь в подготовке отдельных разделов данной работы.
В проведении экспериментальных исследований на разных этапах их реализации принимали участие В.О.Андреев, О.В.Бабичев, В.С.Емельянов, А.Е.Леонов, В.Ф.Лось, Ю.Я.Майбук, Б.Г.Салов, В.Я.Сердюков которым автор выражает признательность.
В обсуждении отдельных результатов и методики работ активно участвовали А.А.Авагимов, А.Е.Арутюнов, Б.Н.Гаипов, В.С.Гончаров, А.В.Жардецкий, С.Ф.Изюмов, АЛ.Каррыев, А.В.Кольцов, Л.П.Лагутинская, А.О.Микаэлян, ПБ.Моисеев, А.О.Мострюков, А.И.Никонов, С.ПЛерепеличенко, ВАПетров, Г.А.Полоудин, АБ.Пономарев, А.Е.Рыжов, Н.В.Савченко, Б.Г.Салов, ВАСидоров, МБ.Скворцова, Н.Н.Соловьев, З.И.Стаховская, В.Стопинский, Е.В.Шеберстов и другие, за что автор приносит им особую благодарность.
Автор выражает глубокую признательность: члену-корреспонденту РАН Г.А.Соболеву; профессорам, докторам технических наук В.Н.Попову и В.М.Максимову; докторам физико-математических наук А.А.Авагимову, В.И.Лыкову и А.В.Пономареву за постоянное внимание к работе и ряд ценных советов, без которых эта работа не появилась бы на свет.
Общая характеристика работы
Данная работа посвящена всестороннему анализу взаимосвязи современных геодинамических процессов и вариаций физических свойств горных пород во времени на основе рассмотрения обширного эмпирического материала, физического и математического моделирования процессов.
В настоящее время известны многочисленные факты изменения физических свойств горных пород под воздействием изменений напряженного состояния. Ряд их приводится в литературе по горному делу, геофизике и инженерной геологии [Соболев, Кольцов, 1988; Стрижков, Терентьев, Петровский и др., 1989; Мансуров, Тилегенов, 1989; Журков, Куксенко, Петров, 1980; Физика ... 1975; Жуков, Изюмов, Кузьмин, 1990; Жуков, Кузьмин, 1990; Жуков, Стаховская, Пономарев, 1990; Жуков, Пономарев, 1990; Турчанинов, Панин, 1976; Исследование ... 1967; Мамбетов, 1978; Сейсмическое ...1977; Геофизические ... 1972; Ржевский, Новик, 1967; Ставрогин, Протосеня, 1985; Добрынин, 1970; 1991; Марморштейн, 1985; Черников, 2000; Шабаров, Тарасов, 1999; Шабаров, 2001; Шкуратник, Лавров, 1997; 2002]. Не вызывает сомнений актуальность исследования пространственно-временных изменений физических свойств горных пород, особенно, в аспекте анализа и прогнозирования состояния массивов и отдельных блоков горных пород в процессе их деформирования и разрушения и, в частности, в связи с прогнозированием горных ударов и землетрясений [Соболев, Пономарев, 2003; Соболев, 1993; Соболев, Кольцов, 1988; Соболев, Демин, 1980; Мансуров, Тилегенов, 1989; Журков, Куксенко, Петров, 1980; Мячкин, 1978; Физика ... 1975; Шабаров, 2001]. Исследования изменений физических свойств проводились в основном с целью изучения процессов подготовки землетрясений и их предвестников (Г.А.Соболев и другие), а также устойчивости горных выработок (И.В.Баклашов, А.Н.Ставрогин, А.Г.Протосеня, Б.Г.Тарасов и другие). Несмотря на большое количество публикаций по данной теме, они не имеют единой систематизации и не отражают всей совокупности изменений физических свойств, наблюдаемых в горных породах.
Физические свойства - это характерные качества, присущие веществам (твердым, жидким, газообразным), например: плотность, упругость, электро- и теплопроводность, намагниченность, радиоактивность и др. Физические свойства горных пород являются предметом исследований петрофизики [Физические... 1976; Физические ...1984; Физические ... 1964; Справочник ... 1975; Федынский, 1964; Кобранова, 1986; Авчян и др., 1975]. В свою очередь, петрофизика является неразрывной, составной частью геофизики, наиболее тесно связанной с физикой веществ и петрологией.
Петрофизика в целом занимается определением физических свойств образцов горных пород, находящихся зачастую в нормальных (комнатных) условиях. Для интерпретации геофизических данных при исследовании глубинного строения земной коры и мантии петрофизика изучает физические свойства минералов и горных пород при высоких давлениях и температурах [Распределение ... 1981, Федынский, 1964; Марморштейн Л.М 1985; Авчян и др., 1975]. Вариации физических свойств образцов одной и той же горной породы классическая петрофизика обычно объясняет изменениями их минерального и/или химического состава и структурно-текстурными особенностями. В то же время структурные изменения в горных породах могут возникать и при силовом воздействии на них. В этом заключается одна из основных предпосылок исследований динамики (вариаций) физических свойств горных пород при напряженно-деформированном состоянии.
Динамика (от греческого слова - dynamic - сила) физических свойств горных пород при напряженно-деформированном состоянии - раздел петрофизики, посвященный исследованию изменений физических свойств горных пород и механизмов их возникновения под действием приложенных к ним сил, т.е. при различных условиях деформирования и разрушения. Причем термин "динамика" по аналогии с механикой в данном случае применен в противопоставление термину "кинематика" и понимается в широком смысле: как для исследования изменений во времени физических свойств, так и причин их вызывающих. Предметом исследований служат физические свойства горных пород и модельных материалов, а объектом исследований являются процессы их изменений во времени и пространстве.
Из определения динамики физических свойств горных пород при напряженно-деформированном состоянии вытекает, что исследование изменений физических свойств горных пород в пространстве, обусловленных изменениями литологического и минерального состава не входит в ее задачу. В то же время задача определения физических свойств горных пород при высоких давлениях и температурах примыкает к задачам динамики физических свойств. В частности, исследование процесса изменения физических свойств во время увеличения давления напрямую является одной из её задач. В природных условиях это геологический процесс и протекает он длительное время, а в лабораторных условиях он реализуется в течение нескольких минут, часов или суток.
Рассматривая процессы изменения физических свойств образцов горных пород во времени, можно отметить тесную зависимость их от характера силового воздействия [Воларович, 1970; Соболев, Кольцов, 1988; Мансуров, Тилегенов, 1989; Жуков, Кузьмин, 1990; Жуков, Стаховская, Пономарев, 1990; Жуков, Пономарев, 1990; Соболев, 1993; Соболев, Пономарев, 2003; и др.]. Одним их основных методов изучения влияния силового воздействия являются экспериментальные испытания образцов горных пород. Моделирование имеющегося in suti силового воздействия может включать в себя широкий диапазон как скоростей роста нагрузки (от a = const до мгновенного разрушения взрывом), так и скоростей деформирования (от 10 - 10 до 10" - 10 1/с). Время проведения испытаний при этом будет изменяться от нескольких лет до долей секунд.
Исследования динамики или вариаций физических свойств образцов горных пород можно разделить на два основных направления. Первое, это изучение процессов изменения физических свойств, вызванных изменяющимся силовым воздействием (в частности при постоянной скорости увеличения нагрузки или при постоянной скорости деформации). И второе, - изучение изменений физических свойств горных пород при долговременном не изменяющемся силовом воздействии.
Первому направлению посвящено значительное число публикаций [Ржевский Новик, 1967; Мячкин, Костров, Соболев, Шамина, 1975; Соболев, Кольцов, 1988; Костров, 1975; Brady 1974; 1975; 1976; Добровольский, 1991; Соболев, 1993; Соболев, Пономарев, 2003; Шкуратник, Лавров, 1997; 2002; и др.] и детально исследованы явления предвестников разрушения на модельных материалах и отдельных образцах горных пород. Но, к сожалению, практически отсутствует анализ качественных и количественных характеристик комплекса изменений физических свойств горных пород.
Силовое воздействие на горные породы имеет различный характер в зависимости от типа напряженного состояния. Естественно, необходимо рассматривать только такие типы напряженного состояния, которые могут иметь место в естественных условиях залегания пород и исключить из подробного рассмотрения, редко реализуемые типы напряженного состояния, например трехосное растяжение.
В первом приближении изменения напряженного состояния можно аппроксимировать изменениями одноосного сжатия, причем отсутствие бокового сжатия больше отвечает приповерхностным условиям залегания горных пород, а значительная величина его отвечает условиям более глубоких слоев (глубины порядка нескольких километров). Следующим приближением может служить двухосное сжатие. Трехосное сжатие отражает возможные условия напряженно-деформированного состояния на глубинах, начиная с нескольких километров и глубже. Отметим, что напряжения могут изменяться во времени, а также оставаться постоянными или быть равными нулю (в условиях открытой поверхности).
Второму направлению - исследованию изменений физических свойств во время действия постоянной нагрузки, уделено гораздо меньше внимания [Ставрогин, Протосеня, 1985; 1992; Журков, Куксенко, Петров и др., 1980; Ставрогин, Тарасов, 2001]. Основное внимание уделено деформационным процессам и практически полностью отсутствуют данные о динамике физических свойств во время длительно действующей постоянной нагрузке. Также мало данных о динамике физических свойств пород в условиях длительного всестороннего сжатия.
Современная геодинамическая активность геофизической среды контролируется зонами тектонических нарушений, имеющих повышенную трещиноватость. Деформационные процессы в них имеют параметрическую природу и автоколебательный характер. Для выявления физических закономерностей формирования этих процессов были проведены экспериментальные работы по физическому моделированию процессов на предварительно ослабленных образцах горных пород.
В соответствии с двумя направлениями и построено изложение данных об изменениях физических свойств горных пород. В первой главе приведен краткий обзор основных публикаций по данному направлению за последние тридцать лет. Во второй главе приводятся сведения об аппаратуре, оборудовании и методике проведения экспериментов. Третья глава посвящена моделированию современных геодинамических процессов в условиях одноосного сжатия (при возрастающей нагрузке, при длительно действующей постоянной нагрузке, при постоянной скорости деформирования образцов) в атмосферных условиях. В четвертой главе изложены сведения об изменениях физических свойств образцов, которые были зарегистрированы в условиях постоянного всестороннего сжатия при росте осевой нагрузки на образцы. Пятая глава представляет собой изложение результатов экспериментального моделирования изменений порового давления как аналога разработки месторождений нефти и газа. В следующей, шестой, главе приведены данные аналитических моделей аномальных изменений деформаций и электрического сопротивления при подготовке геодинамических событий (землетрясений и подвижек по разломам) и результаты полевых наблюдений, полученные автором при работе по проблеме исследований процессов подготовки этих событий. И, наконец, в седьмой главе рассмотрены предпосылки использования методов геофизических исследований скважин (ГИС) и некоторые результаты наблюдений этими методами за динамикой физических свойств горных пород, сопровождающих процессы эксплуатации подземных хранилищ газа.
Рассматривая вариации физических свойств горных пород с точки зрения пространственно-временной масштабности процессов можно выделить три основных направления.
Первое - это исследование изменений физических свойств пород при длительных по времени и значительных в пространстве геологических процессах. К ним можно отнести процессы залечивания трещин - динамометаморфизм, эволюция физических свойств с течением геодинамического процесса, которые в данной работе не рассматриваются.
К последнему пункту тесно примыкает второе направление динамики физических свойств - исследование изменений физических свойств горных пород при их деформировании и разрушении (главы 3 - 6). Одна и та же горная порода может быть деформирована и разрушена в различных условиях и, естественно, возникает необходимость определения характерных черт изменений физических свойств горных пород при различных режимах деформирования и разрушения.
Третьим направлением можно считать исследования изменений физических свойств пород при техногенных воздействиях на них (глава 7). Сюда относятся исследования динамики физических свойств пород при разработке месторождений полезных ископаемых (шахты, карьеры, нефтяные и газовые месторождения) и постройке крупных инженерно-технических сооружений (плотины, высотные здания, дамбы).
Динамика физических свойств горных пород генетически связана с петрофизикой и физикой твердого тела и базируется на их основных положениях. Она использует сведения о петрографии и минералогии исследуемых горных пород и положения механики деформируемых сред. Результаты исследований динамики физических свойств горных пород при их деформации и разрушении находят широкое применение в горном деле и физике очага землетрясений.
Используются они также в инженерной сейсмологии и строительстве крупных инженерно-технических сооружений. Схему взаимосвязи динамики физических свойств горных пород со смежными науками можно представить в следующем виде.
Примеры зависимости ряда физических свойств горных пород и модельных материалов от напряженного состояния приводятся в многочисленных работах, посвященных описанию процессов и моделей подготовки землетрясений. [Соболев, Кольцов, 1988; Физика ... 1975; Жуков, Изюмов, Кузьмин, 1990; Жуков, Кузьмин, 1990; Жуков, Стаховская, Пономарев, 1990; Жуков, Пономарев, 1990; Турчанинов, Панин, 1976; Исследование ... 1967; Мамбетов, 1978; Ставрогин, Протосеня, 1985; Myachkin, Brace, Sobolev, Dieterich, 1975; Виноградов, Мирзоев, Саломов, 1974; Кольцов, Пономарев, Салов и др., 1984; Электромагнитные ... 1982; Авагимов, Жуков, Лагутинская, 1988; Мячкин, 1978; Соболев, Кольцов, 1988; Добрынин, 1970; Марморштейн, 1985; Черников, 2000 и др.]. В большинстве этих моделей общим является факт возникновения неоднородности физических свойств горных пород в процессе подготовки землетрясения. Известно, что задолго до макроразрушения образцов в них появляются локальные области, значительно отличающиеся по своим свойствам от окружающего их материала. [Соболев, Кольцов, 1988; Мансуров, Тилегенов, 1989; Журков, Куксенко, Петров, 1980; Физика ... 1975; Жуков, Изюмов, Кузьмин, 1990; Жуков, Кузьмин, 1990; Жуков, Стаховская, Пономарев, 1990; Жуков, Пономарев, 1990; Добровольский, 1991; Журков, Куксенко, Петров и др., 1980; Кузьмин, 1999 и др.]. Процесс деформирования горных пород происходит на фоне изменений во времени физических свойств в этих локальных областях. В связи с этим одной из основных проблем динамики физических свойств горных пород становится исследование и определение качественных, а по возможности и количественных, критериев зависимости, как отдельных физических свойств, так и всего их комплекса, от деформационных параметров или от развития процесса деформации.
Данная проблема может быть решена только при условии решения ряда задач, входящих в нее составной частью. Наиболее существенными при этом, по мнению автора, являются следующие задачи:
1. Создание научно-технической основы и разработка методики изучения динамики комплекса физических свойств (деформационных, электромагнитных, акустических и других);
2. Использование результатов натурных и лабораторных исследований на типичных объектах и их моделях: целики горных пород, зоны тектонических нарушений, районы с различным характером флюидодинамики, месторождения углеводородов и крупные инженерно-технические сооружения;
3. Анализ и классификация изменений физических свойств образцов горных пород при различных видах приложения нагрузки и деформирования;
4. Выявление характерных черт пространственно-временных изменений физических свойств перед разрушением образцов горных пород при различных видах напряженного состояния для последующего создания на их основе моделей формирования предвестников разрушения;
5. Подготовка феноменологической и физико-математической основы для построения общей модели динамики физических свойств образцов горных пород при их деформировании и разрушении;
6. Разработка рекомендаций для решения практических задач повышения геодинамической безопасности месторождений нефти и газа, прогнозирования геодинамических событий (землетрясений, горных ударов, подвижек по разломам и просадок поверхности).
Методы решения задач, стоящих перед исследованиями динамики физических свойств горных пород могут быть самыми разнообразными. Это и математическое моделирование изменений физических свойств различных объектов в тех или иных условиях (глава 6). Это и лабораторное физическое моделирование воздействия отдельных видов и типов напряженно-деформированного состояния на горные породы, с изучением возникающих при этом вариаций физических свойств образцов (главы 3 - 5). Это также использование результатов геофизических полевых наблюдений за поведением натурных объектов при различных условиях - начиная от фоновых наблюдений в асейсмичных областях и до наблюдений за процессами подготовки горных ударов и землетрясений (глава 6) и динамики фильтрационно-ёмкостных свойств пород коллекторов нефти и газа (глава 7).
Использование какой-либо методики для проведения исследований по проблемам динамики физических свойств горных пород определяется конкретными задачами, стоящими перед исследователями. Но во всех случаях основой будут являться силовые и геометрические параметры: величина, направление и длительность действия прикладываемых к образцам напряжений и развитие их локальных и интегральных деформаций.
В качестве примера отметим, что наиболее информативной для исследования процесса трещинообразования в настоящее время признаны методики изучения акустической [Виноградов, Мирзоев, Саломов, 1974; Мамбетов, 1978; Кольцов, Пономарев, Салов и др., 1984; Соболев, Кольцов, 1988; Виноградов, 1989; Жуков, Кузьмин, Салов, 1991; Шкуратник, Лавров, 1997; Паничкин, 1998; Вознесенский, Демчишин, 1999; Соболев, Пономарев, 2003] и электромагнитной [Пархоменко, 1968; Электромагнитные ... 1982; Пономарев, 1983; Warwick, Stoker, Mayer, 1982; Паничкин, 1998; Курленя, Вострецов, Кулаков, Яковицкая, 2000; Проскуряков, Шабаров, Фрид, 1992; и др.] эмиссии образцов.
Методика локальной деформометрии позволяет выявить и оценить размеры локальных областей подготовки макроразрушения [Соболев, Кольцов, 1988; Жуков, Изюмов, Кузьмин, 1990; Жуков, Кузьмин, 1990; Кольцов, Пономарев, Салов и др., 1984; Соболев, Кольцов, 1988; Жуков, Кузьмин, Салов, 1991; Соболев, Пономарев, 2003].
Методика электрометрии - измерение электропроводности и электрических потенциалов образцов - наиболее эффективна для изучения процесса интегрального накопления трещин и изменения структуры порового пространства [Физика ...1975; Соболев, Кольцов, 1988; Авагимов, Жуков, Лагутинская, 1988; Жуков, Стаховская, Пономарев, 1990; Жуков, Пономарев, 1990; Соболев, Пономарев, 2003].
Естественно также стремление к изучению широкого комплекса физических свойств, как наиболее полно отражающего различные стороны развития процесса деформирования и разрушения горных пород. Как наиболее информативные зарекомендовали себя деформационные, акустические, электромагнитные, тепловые, геохимические параметры, оптимальный комплекс которых и необходим для решения задач динамики физических свойств горных пород. Непременным условием быстрого и плодотворного развития любого экспериментального научного направления является также разработка методики и создание комплекса аппаратуры и оборудования для проведения автоматизированного научного эксперимента с последующей обработкой его результатов на ЭВМ, а также метрологическое обеспечение экспериментальных исследований.
Современная аномальная геодинамика недр, индуцированная разработкой месторождений углеводородов
Среди различных видов последствий длительного освоения месторождений углеводородов (загрязнение нефтепродуктами гидросферы и почв, загрязнение атмосферы продуктами сгорания попутного газа, разрывы нефте-, газо- и продуктопроводов) внимание специалистов стали привлекать геодинамические последствия освоения месторождений углеводородов, такие как аномальные деформации (просадки) земной поверхности и проявление сейсмической активности в районах нефтегазодобычи.
Чрезвычайно важно, что все эти последствия сопровождаются значительным экономическим ущербом [Касьянова, Кузьмин 1996; Кузьмин, 1999; 2000; 2001; 2002; Сидоров, Кузьмин, Хитров, 2000; Сидоров, 2000; Дмитриевский, Кузьмин, Сидоров, Ульмасвай 2002; Певзнер, Попов, Букринский и др., 2003].
Хорошо известны случаи аномальных (более метра) деформаций (просадок) земной поверхности на длительно разрабатываемых нефтяных и газовых месторождениях в США, Венесуэле, на Северном море и в других регионах, что связывается с извлечением жидкости из резервуара и снижением пластового давления [Abdulraheem, Zaman, Roegiers 1994; Geertsma 1973; Механика ... 1994].
Зарегистрированы случаи проявления землетрясений, в том числе сильных, в районах освоения месторождений углеводородов в США, Канаде, Франции, России, Туркменистане, Узбекистане и других регионах. Установлена связь процессов подготовки этих событий с процессами разработки месторождений нефти и газа [Kovach 1974; Segall 1985; Механика... 1994].
Несмотря на многочисленные случаи аномальных техногенных деформаций и индуцированной сейсмичности в районах интенсивной антропогенной деятельности человека, изучение причин возникновения природно-техногенных катастроф до сих пор остается крайне актуальной проблемой.
Из всей совокупности геодинамических факторов, на объекты нефтегазового комплекса наибольшее влияние оказывает современная аномальная геодинамика недр, которая реализуется, в наиболее экстремальной форме в зонах разломов. Как показано выше, современное аномальное геодинамическое состояние разломных зон возникает под воздействием малых природных и/или техногенных процессов. Одним из ярких примеров нелинейного поведения современных геодинамических процессов является сейсмодеформационная активизация недр при разработке месторождений нефти и газа. Существуют два принципиальных различия в механизмах формирования деформационных и сейсмических процессов, обусловленных разработкой месторождений полезных ископаемых. Обычно эти различия разъясняются на примере наведенной сейсмичности. В работе А.В. Николаева [1994] предлагается в термине «наведенная сейсмичность» различать два процесса: «возбуждение» и «инициирование» землетрясений. При этом под возбуждением понимается воздействие на определенную зону земной коры, вызывающее землетрясения, которые бы без такого воздействия не произошли («вынуждение»). Инициирование - это воздействие на очаг готового землетрясения, ускорение события («запуск»). Первый вариант имеет английский аналог -induce, а второй - trigger. В этом случае индуцированная сейсмичность - это «возбужденные» землетрясения. Обобщение имеющегося материала по техногенной и техногенно-индуцированной сейсмичности позволяет сделать следующие выводы: 1. Отбор жидкости из резервуара, также как и закачка жидкости в резервуар для поддержания пластового давления, при определенных условиях, могут вызывать сейсмическую активность, которая проявляется в широком диапазоне энергий (от слабых микроземлетрясений до сильных сейсмических событий, включая катастрофические). 2. Техногенная сейсмичность происходит непосредственно в пределах резервуара и приводит к возникновению сейсмических событий, как правило, небольшой магнитуды (до 3,0-3,5). 3. Существенно более интенсивными являются сейсмические события техногенно-индуцированной природы. Учитывая, что крупные нефтяные и газовые месторождения иногда находятся в сейсмически активных зонах, реакция напряженно-деформированной среды на техногенные воздействия проявляется в форме землетрясений с магнитудой более 4,5 - 5,0. 4. Очаги техногенно-индуцированной сейсмичности могут располагаться выше и ниже резервуара и даже на некотором удалении от него. 5. Площадное распределение эпицентров техногенных и техногенно-индуцированных землетрясений контролируется разломами. Наиболее серьезные экологические и социально-экономические последствия могут возникать, в первую очередь, от сильных техногенно-индуцированных землетрясений. Во-первых, могут быть нарушены наземные нефтегазоперерабатывающие производства, которые для платформенных условий проектировались без учета сейсмических воздействий. Во-вторых, возможно разрушение наземных коммуникаций и в этом случае значительному загрязнению, из-за разлива нефтепродуктов или выбросов газа, подвергается приповерхностная и воздушная среды. В-третьих, из-за слома скважин возможно загрязнение геологического разреза и водных ресурсов углеводородными продуктами. В-четвертых, может увеличиться проницаемость части геологического разреза, расположенного выше резервуара, с последующим усилением миграционных процессов и выходом газов в атмосферу. Деформации (просадки) земной поверхности широко распространены при длительной разработке месторождений углеводородов. Для подавляющего большинства месторождений скорости просадок составляют 1-2 см/год, а накопленные величины просадок не превышают первых десятков сантиметров. Просадки порядка десятков метров - довольно редкое явление, но с опасными последствиями: сильными деформациями наземных сооружений, сломами обсадных колонн, разрывами трубопроводов, заболачиванием или затоплением опускающихся участков. Все эти последствия влияют на экосистемы - воздушную и водную среду, что может оказать влияние на экологические и социально-экономические условия жизни человека, как в реальном масштабе времени, так и в обозримом будущем. Выполненный анализ деформационных последствий длительного освоения месторождений углеводородов [Кузьмин, 1999; Кузьмин, 2000а; 2002; Сидоров, 2000; Сидоров, Кузьмин, Хитров, 2000; Певзнер, Попов, Букринский и др., 2003] показал следующее: Первое. Интенсивные техногенные смещения (обширные просадки) земной поверхности на длительно разрабатываемых месторождениях углеводородов (более 1 - 2 метров) - менее распространенное явление, но с весьма опасными последствиями. Основные и наиболее опасные формы этих последствий - сильные деформации наземных сооружений, разрыв коммуникаций, слом обсадных колонн эксплуатационных скважин, порывы промысловых трубопроводных систем, заболачивание и затоплений опускающихся участков земной поверхности, региональное проявление оползневых процессов. Экологические последствия, как правило, являются необратимыми. Загрязняется геологическая среда и подземные воды, меняется ландшафт за счет разлива больших объемов углеводородных продуктов из нарушенных коммуникаций, происходят значительные выбросы в атмосферу газообразных продуктов из нарушенных наземных сооружений. Интенсивное (более 1 м), обширное проседание земной поверхности территории всего разрабатываемого месторождения возникает, как правило, только при сочетании следующих условий: значительная площадь разрабатываемого месторождения (порядка 100 км и более); значительная мощность продуктивных отложений (как правило, более 100 метров); относительно небольшая глубина разрабатываемых интервалов геологического разреза (как правило, до 2000 метров); высокая пористость пород резервуара (порядка 25 - 30% и более); аномально высокое пластовое давление и его относительно быстрое снижение в процессе освоения месторождений углеводородов. Обобщение имеющейся информации показало, что для месторождений углеводородов с коллекторами трещинно-кавернозного типа обширных просадок земной поверхности, как правило, не наблюдается. Интересно, что в отличие от месторождений твердых полезных ископаемых (рудных и нерудных), где основной формой негативных деформационных последствий являются обширные просадки (мульды) земной поверхности, на месторождениях жидких УВ основные деформационные процессы - это техногенно-индуцированные СД процессы в зонах разломов. Этот факт находит естественное объяснение, если учесть, что месторождение жидких УВ - это динамически активная, флюидная система, которую, в отличие от месторождений твердых полезных ископаемых, намного легче вывести из состояния устойчивого равновесия малыми воздействиями (индуцированием).
Методика регистрации сейсмоакустической эмиссии образцов
Горные породы, слагающие геологический разрез, первоначально находятся в уравновешенном сложно-напряженном состоянии. Современные геодинамические и техногенные процессы изменяют это состояние, нарушая сложившееся равновесие. Геологическая среда пытается вновь прийти в равновесное состояние. При этом происходят деформационные процессы, изменяющие физические свойства горных пород.
Исследования изменений физических свойств горных пород при воздействии на них одноосной нагрузки исторически были начаты одними из первых и в этом направлении работали такие известные ученые как: Л.И.Барон, М.П.Воларович, Н.С.Гудок, В.М.Добрынин, ГЛ.Новик, Н.Н.Павлова, Э.И.Пархоменко, М.М.Протодьяконов, В.В.Ржевский, К.В.Руппенейт, А.Н.Ставрогин, А.А.Фомин, В.Л.Шкуратник, W.F.Brace, B.T.Brady, W.Witke и многие другие.
На физические свойства горных пород, а главное, на их изменение под действием напряжённого состояния, большое влияние оказывает пористость. Огромное разнообразие конфигурации порового пространства горных пород можно разделить на два основных два вида пор: объёмные, имеющие размеры в разных направлениях одного порядка, и щелевидные поры или микротрещины, у которых размер в одном направлении на два-три порядка больше, чем в других [Воларович, 1972]. Известно, что наибольшее влияние на изменение пористости оказывают изменения объёмных пор, их конфигурация, распределение в пространстве горной породы. В то же время проницаемость сильно зависит от щелевидных пор, их распространённости и взаимосвязи, а также от взаимосвязи объёмных пор. Зачастую изменения напряженного состояния оказывают воздействие на оба вида порового пространства, и наша задача состояла в том, чтобы рассмотреть механизмы этого влияния и оценить их роль в формировании изменений фильтрационно-ёмкостных свойств горных пород.
Рассматривая современные геодинамические и техногенные процессы (в том числе и процессы разработки месторождений углеводородов) с точки зрения механики горных пород можно выделить три основных типа приложения нагрузки, которые могут, в первом приближении, описать происходящее в горных породах. Это рост одноосного сжатия (в атмосферных условиях и при всестороннем давлении), длительное сжатие постоянной нагрузкой (в атмосферных условиях и при всестороннем давлении) и снижение порового (пластового) давления при постоянном всестороннем сжатии. Изменения физических параметров образцов горных пород, сопровождающие первые два типа приложения нагрузки, будут рассмотрены в данной (3-ей) и 4 главах, а последний тип - в главе 5.
Как показал анализ современных геодинамических процессов (глава 1), геологическая среда испытывает воздействие квазистатических нагрузок, создаваемых глобальным и региональными полями напряжений. Зоны разломов играют определяющую роль в формировании современной аномальной геодинамики недр, так как именно в этих зонах присутствуют и активно перемещаются поровые флюиды и проявляются кратковременные изменения деформационно-прочностных параметров горных пород в локальных объёмах.
Анализ сейсмических процессов также показывает, что при землетрясении разрыв останавливается внутри земной коры, а не приводит к разрушению всей Земли или, хотя бы крупного региона в целом. В работе Б.В.Кострова и В.Н.Фридмана [1975] делается вывод о том, что при постоянной нагрузке увеличение размера трещин приводит к уменьшению силы движущей трещину, и развитие трещины останавливается. Всё это указывает на подобие процессов развития сейсмического разрыва в природе и трещин в образце в условиях квазистатических напряжений.
Отметим также, что вывод механики разрушения о том, что, разрушение статистически неоднородных материалов при длительных (квазистатических) нагрузках происходит вследствие роста числа и размеров трещинообразных дефектов [Мячкин, Костров, Соболев, Шамина, 1975], позволил создать модель лавинно-неустойчивого трещинообразования (ЛНТ) при описании подготовки тектонического землетрясения.
Все это приводит к необходимости изучения динамики физических свойств образцов пород при постоянном одноосном сжатии в атмосферных условиях.
В данной главе будут рассмотрены результаты экспериментальных исследований процессов, сопровождающих деформирование образцов горных пород, моделирующих массивы горных пород и зоны разломов, как при растущем, так и при квазистатическом длительно действующем одноосном сжатии.
Большинство экспериментальных исследований процессов деформирования и разрушения проводится при возрастающей нагрузке. Это позволяет определить деформационно-прочностные параметры образцов и провести физическое моделирование роста нагрузки на породы. Широкое использование этого режима также обусловлено тем, что при таком режиме измерения параметров образцов проводятся в технологически оптимальные сроки - от нескольких минут до нескольких суток, в отличие от испытаний образцов при длительной квазистатической нагрузке, длительность которых составляет от нескольких суток до нескольких лет. В данном параграфе будут показаны данные об изменении деформационных параметров образцов только при испытаниях их в атмосферных условиях. Сюда же войдут и результаты экспериментов по деформированию образцов с постоянной скоростью.
Кратко рассмотрим результаты одного, наиболее интересного и характерного для поведения деформационных параметров, эксперимента (рис. 3.1) из цикла проведенных такого рода экспериментов. [Жуков, Кузьмин, 1990]. Поведение общей продольной и поперечной деформаций (рис. 3.1) показывает, что, начиная с a = 0,7oj, (40 МПа) в материале образца развивается дилатансионный процесс разупрочнения, сопровождаемый увеличением объема, который в дальнейшем приводит к потере несущей способности образца и разрушению.
Из рисунка 3.1 также видно, что изменение деформации вдоль оси приложения нагрузки (продольной деформации) вносит малый вклад в увеличение объёма образца а, следовательно, и его пористости (трещинной). Перенося результаты лабораторного эксперимента в полевые условия можно ожидать небольших просадок и более крупных сдвиговых деформаций в районах подобных изменений напряжённого состояния.
Модельными аналогами полигонных геодезических наблюдений являются локальные значения главных деформаций сжатия emax и растяжения єтіП (рис. 3.2). Их анализ позволяет отметить следующее. Амплитуда деформации растяжения на отдельных участках образца существенно превышает величину деформации сжатия образца в целом. Эти участки приурочены к зонам развития микротрещин, которые при дальнейшем увеличении нагрузки привели к образованию визуально наблюдаемых макротрещин и разрыву отдельных тензодатчиков (участки 1,2,4, 5,6, 9,12).
Динамика комплекса физических параметров образцов при постоянной скорости деформирования
Для районов с унаследованным характером движений земной коры тектонические напряжения в первом приближении можно аппроксимировать одноосным сжатием в атмосферных условиях с постоянной скоростью деформации. Имеющиеся неоднородности земной коры, типа тектонических разломов, блоков различной прочности и жесткости, которые создают зоны концентрации напряжений, можно имитировать с помощью искусственно создаваемых зон концентрации напряжений.
Исходя из этих предпосылок, был проведен эксперимент по деформированию с постоянной скоростью образца доломита, отобранного в Ашхабадском сейсмоактивном районе [Жуков, Кузьмин 2005]. Внешний вид образца с датчиками для измерения локальных деформаций и электродами для измерения сопротивления показан на рис. 3.6.
Размеры образца 100 на 50 на 75 мм. Для создания зоны концентрации напряжений, то есть, зоны, в которой должно было произойти контролируемое разрушение, в образце были просверлены два сквозных отверстия диаметром 4 мм на расстоянии 10мм друг от друга. Сжатие образца создавалось в вертикальном направлении с помощью электрогидравлической установки "INOVA-100" с постоянной скоростью деформации Дє/Д/=4 10"7 1/сек. Эксперимент продолжался вплоть до потери несущей способности образца и длился в течение 4 часов и 45 минут (17055 секунд). На продолжении всего эксперимента с высокой точностью проводилась регистрация общей продольной деформации є. образца и приложенного к образцу усилия F, а также изменения электрического сопротивления и локальных деформаций на различных участках образца и активность сейсмоакустической эмиссии N образца в различных частотных диапазонах.
Пространственно-временные изменения электрического сопротивления образца измеряли по четырехэлектродной схеме при помощи вариометра MSK-01 [Stopinski, Mucha, Konopacki 1982] совместно с В.Стопинским (Институт Геофизики Польской Академии Наук). Причем было подготовлено два питающих диполя: Ai - Bi и Аг - Вг (рис. 3.6). Ток пропускался через образец в том направлении, которое обеспечивало большую величину регистрируемого полезного сигнала на приемных электродах. Для улучшения условий прохождения тока, образец насыщался водой в течение нескольких суток перед экспериментом. Весь этот комплекс методических мер позволил получить в процессе проведения эксперимента практически непрерывный временной ряд значений вариаций электрического сопротивления на шести локальных участках образца.
Измерения локальных деформаций на различных участках образца как показано на рис. 3.6 были совмещены с измерениями изменений электропроводности. В качестве датчиков локальных деформаций использовались тензорезисторы с базой 5мм. Регистрация изменений локальных деформаций проводилась ежесекундно от начала приложения нагрузки к образцу и до конца эксперимента или разрыва соответствующих тензодатчиков.
Для наблюдения за процессами образования трещин проводили регистрацию активности сеисмоакустическои эмиссии. Для этой цели на образце были установлены два пьезокерамических датчика - акселерометра.
Один был размещен в центральной части образца между концентраторами напряжений, а второй слева от первого в верхней части образца. Оба датчика сеисмоакустическои эмиссии были установлены на противоположной стороне образца по отношению к стороне, где были размещены тензорезисторы и электроды. Сейсмоакустические сигналы, генерируемые при образовании трещин в различных участках образца, поступали к датчикам, преобразовывались в электрический сигнал, который затем усиливался и фильтровался по амплитуде и по частоте.
Предварительная обработка этих сигналов позволяла разделить всю совокупность зарегистрированных сейсмоакустических импульсов на три части. Первая (N\) - это количество импульсов, возникших в центральной части образца и имеющих частоту от 30 Кгц до 1 МГц. То есть, это практически весь регистрируемый спектр сигналов (рис. 3.7). Вторая (Щ - количество импульсов из центральной части образца с частотой от 100 до 300 Кгц (средние частоты) и третья (Л з) - количество импульсов из центральной части образца с частотой 30-100 Кгц (низкие частоты).
Полученные, в процессе деформирования образца, данные о локальных изменениях электропроводности и деформации, позволяют по характеру (морфологии) пространственно-временных изменений выделить три различающиеся между собой участка образца. Одним из них является верхний участок образца, изменения сопротивления и деформации которого показаны на рис. 3.8. Характерной чертой их является значительная дисперсия, резкая изломанность, наличие скачкообразных изменений. На этом участке во время эксперимента происходило интенсивное шелушение поверхности образца. Развивались трещины отрыва отдельных мелких фрагментов материала от основной массы образца. Частично наблюдались эти явления визуально во время проведения эксперимента. А позже, были выявлены при тщательном визуальном осмотре образца после завершения эксперимента. Как показано на рис. 3.6 в этой же области произошел откол правой угловой части образца.
Центральный (второй) участок образца был наиболее хорошо обеспечен наблюдениями. Изменения сопротивления, локальных деформаций и акустической эмиссии этого участка представлены на рис. 3.9. Сопротивление в начале роста нагрузки на образец увеличивалось, так же как и в верхней части образца, что может быть связано с закрытием или разрушением крупных для данного образца токопроводящих каналов. Это подтверждается увеличением активности эмиссии акустических сигналов в диапазоне низких частот (N3, рис.3.7.), которое сопровождает подвижки относительно крупных частиц или берегов трещин. Локальные деформации в начальный период роста нагрузки на образец носят знакопеременный характер на фоне общей тенденции к увеличению деформации сжатия. В дальнейшем они продолжают увеличиваться, причем, временами происходило значительное увеличение скорости деформации.
Сопротивление локального участка образца / (рис. 3.9), измерялось с помощью приемных электродов, расположенных внутри отверстий - концентраторов напряжений. Это сопротивление, начиная с отметки времени 5000 секунд (5кс), систематически снижалось до конца эксперимента, временами претерпевая отдельные изменения скорости уменьшения. Сопротивление ps, измеренное в том же локальном участке, но в направлении перпендикулярном / имело более сложный характер изменений во времени. Так, в начальной стадии эксперимента оно имело тот же характер, что и pi, а, начиная со времени около 12кс, стало увеличиваться, одновременно испытывая знакопеременные вариации, до отметки времени 15кс. После этого резко уменьшилось и, в дальнейшем, снижалось вплоть до конца эксперимента.
Вариации электрического сопротивления при росте осевой нагрузки в условиях постоянного всестороннего сжатия
В работах целого ряда исследователей [Воларович, Баюк, Левыкин, Томашевская 1974; Моисеенко, Истомин, Алиева 1968; Бакиев, Томашевская, Воларович, Бакиев 1983; Физические свойства... 1971; 1978; 1988] приводятся данные о характере изменений электрического сопротивления горных пород в процессе одноосного сжатия при наличии всестороннего давления. Для сухих кристаллических пород характерно общее понижение сопротивления, достигающее одного порядка перед разрушением образцов. Влагонасыщенные осадочные породы, испытанные при осевом сжатии и боковом давлении, показывали вначале возрастание, а затем, снижение сопротивления с ростом осевой нагрузки. Отмечались также скачкообразные снижения сопротивления в моменты появления микротрещин в образце.
Была проведена серия экспериментов на образцах карбонатных горных пород Туркменистана с помощью установки высокого давления УВД-1п ИФЗ РАН. Она позволяла создать давление поровой жидкости внутри образца горной породы и всестороннее сжатие образца в полихлорвиниловой оболочке при помощи масла. Схема установки, а также методика работы на ней подробно рассмотрены в работе [Стаховская, Микаэлян, Соболев, 1981].
Во время проведения экспериментов проводилось измерение электрического сопротивления образцов по двух электродной схеме на переменном токе частотой 100 или 1000Гц. [Жуков, Пономарев, Стаховская, 1990]. Эксперименты проводились при постоянном всестороннем сжатии 60-90 МПа и поровом давлении 30-60 МПа. Дополнительное одноосное сжатие увеличивали вплоть до разрушения испытываемого образца.
Образец помещался в камеру высокого давления, а затем, всестороннее сжатие и поровое давление доводились до необходимых величин. После стабилизации значений электрического сопротивления при постоянных величинах всестороннего сжатия и порового давления, начинали увеличивать осевую нагрузку на образец небольшими ступенями, одновременно регистрируя значения сопротивления и деформации образца.
Как показано на рис. 4.4 сопротивление образцов при увеличении осевого сжатия вначале обычно возрастает, достигая 120% от первоначального значения при нагрузке, близкой к половине от разрушающей. Этот рост, возможно, вызван процессами частичного перекрытия и разрушения токопроводящих каналов при закрытии некоторых трещин, ориентированных перпендикулярно оси приложения нагрузки. Во время дальнейшего роста осевого сжатия происходит образование новых трещин, и поровая жидкость по ним проникает вглубь образца, приводя к образованию новых токопроводящих каналов, что обуславливает наблюдаемое снижение сопротивления.
В зависимости от вида разрушения, предваряющее его снижение сопротивления, имело различный вид. Так, при разрушении образца одной четко выраженной сдвиговой трещиной, снижение сопротивления перед разрушением образца достигало 10%, а после него произошло падение сопротивления с 1,2 МОм до 0,8 Ом. То есть, в процессе разрушении образца возникла макротрещина - токопроводящий канал, который практически замкнул измерительные электроды между собой. В другом случае происходит разрушение образца с образованием большого количества относительно мелких трещин. То есть, создается зона раздробленного материала, или, говоря иначе, при наличии обширной области дилатансии, снижение сопротивления перед разрушением образца достигает 50%.
Даже спустя некоторое время после разрушения образца его сопротивление продолжало снижаться, вероятно, за счет продолжающего заполнения поровой жидкостью вновь образованных трещин. Были отмечены также и знакопеременные изменения сопротивления непосредственно перед разрушением образца.
Сопоставляя результаты испытаний образцов в атмосферных условиях [Жуков, Пономарев 1990; Жуков, Пономарев, Стаховская, 1990] и при наличии всестороннего сжатии и порового давления, можно отметить, что в первом случае были отмечены факты увеличения сопротивления в процессе подготовки разрушения, а во втором, практически всегда наблюдалось снижение сопротивления.
Скачкообразные знакопеременные изменения сопротивления, вероятно, обусловлены образованием вновь возникающих трещин. Можно ожидать увеличения сопротивления горных пород непосредственно в зоне интенсивного образования трещин (будущего очага землетрясения), если поровая жидкость не будет успевать проникать во вновь образующиеся трещины (при малом поровом давлении или недостаточном количестве поровой жидкости) или при разрушении сухого массива горных пород.
