Введение к работе
Актуальность работы. 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 обусловливает 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 сттяпутпттпгк ^иувяш задач:
(
РОС НАЦИОНАЛЬ V«
БИБЛИОТЕКА
СПетч^рг ли Л
1 < _ .«» У-ДО
=> 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 нагружеиия. 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 то же 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,
сопровождающих неоднородное микроразрушение образцов, аналогичные
происходящим в природе при подготовке геодинамических событий.
(Пункты 3 и 13 паспорта специальности 25.00.20).
-
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).
-
Выявлены качественно подобные вариации электросопротивления горных пород, как в полевых, так и в лабораторных условиях (физическое и математическое моделирование), что подтверждает возможность переноса результатов лабораторного моделирования характерных особенностей напряженно-деформированного состояния при подготовке геодинамических событий. (Пункт 13 паспорта специальности 25.00.20).
-
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 15 лет;
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 у цельных; активность АЭ в диапазоне 0,1-1МГц у цельных образцов 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;
У 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 вариаций 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 имеется более 50 работ, основными их них являются 24, в том числе 1 монография и 11 статей, опубликованных в научных журналах, 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.
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, АЛАрутюнов, Б.Н.Гаипов, В.СГончаров, А.В.Жардецкий, С.Ф.Изюмов, А.Ч.Каррыев, А.В.Кольцов, Л.П.Лагутинская, А.О.Микаэлян, ПВ.Моисеев, А.О.Мострюков, А.И.Никонов, СПЛерепеличенко, ВАЛетров, Г.А.Полоудин, А.В.Пономарев, А.Е.Рыжов, Н.В.Савченко, БГ.Салов,
ВАСидоров, М.В.Скворцова, Н.Н.Соловьев, З.И.Стаховская, В.Стопинский, ЕВШеберстов 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.
Похожие диссертации на Взаимосвязь вариаций физических свойств горных пород и современных геодинамических процессов
